RU2497579C2

RU2497579C2 - Pulsator and method of its operation

Info

Publication number: RU2497579C2
Application number: RU2011125006/05A
Authority: RU
Inventors: Руфат Шовкет оглы Абиев
Priority date: 2011-06-17
Filing date: 2011-06-17
Publication date: 2013-11-10
Also published as: RU2011125006A

Abstract

FIELD: process engineering.

SUBSTANCE: invention relates to mass exchange processes in heterogeneous systems fluid-solids and fluid-fluid to be used in chemical, petrochemical, pharmaceutical, food, biotechnical and other industries. Pulsator comprises vertical housing accommodating the tube arranged with clearance between bottom. Air pulsations source is connected to tube upper end. Tube lower part is stopped by cover. Branch pipes are uniformly fitted over tube part dipped in fluid. Axes of branch pipes fitted at the cover are perpendicular to its surface while those at the tube are located horizontally or downed at 0° to 70°. Ratio of clearance between tube and bottom to tube diameter makes 0.5-2.0. Method of pulsator operation consists in generation of resonance medium oscillations therein. Angular frequency and power of air pulsations source are set by design equation.

EFFECT: higher efficiency.

4 cl, 4 dwg, 8 ex

Description

Предлагаемое изобретение относится к аппаратам для проведения массообменных процессов в гетерогенных системах жидкость - твердые частицы и жидкость - жидкость (например, дегидратация, растворение, эмульгирование), в особенности для процессов, в которых после растворения твердой фазы продолжается процесс взаимодействия между тяжелым концентрированным раствором и непрореагировавшей легкой жидкостью, и может быть использовано в химической, нефтехимической, фармацевтической, пищевой, биотехнологической и других отраслях промышленности.The present invention relates to apparatus for carrying out mass transfer processes in heterogeneous liquid-solid systems and liquid-liquid systems (e.g., dehydration, dissolution, emulsification), especially for processes in which, after dissolution of the solid phase, the interaction process between the heavy concentrated solution and the unreacted light liquid, and can be used in chemical, petrochemical, pharmaceutical, food, biotechnological and other industries .

Известен пульсационный аппарат (МПК⁵ B01F 11/00, пат. РФ №2004316, 1993 г.), содержащий вертикальный корпус с размещенной в нем центральной трубой с открытым нижним концом, к верхнему концу которой присоединен источник пульсаций в виде штока с подпружиненной тарелкой, снабженный регулятором давления, динамическим компенсатором и упругими опорами, при этом центральная труба в верхней части заглушена и подсоединена к регулятору давления, а в центральной трубе выполнены переточные патрубки коноидальной формы. За счет нелинейности сопротивлений переточных патрубков в аппарате возникает циркуляционное течение, способствующее интенсификации массопереноса. Кроме того, массоперенос интенсифицируется за счет резонансных колебаний жидкости.Known pulsation apparatus (IPC ⁵ B01F 11/00, US Pat. RF No. 2004316, 1993), comprising a vertical casing with a central tube with an open lower end placed in it, to the upper end of which is connected a ripple source in the form of a rod with a spring-loaded plate, equipped with a pressure regulator, a dynamic compensator and elastic supports, while the central pipe in the upper part is plugged and connected to the pressure regulator, and conoid-shaped overflow pipes are made in the central pipe. Due to the nonlinearity of the resistances of the overflow nozzles, a circulation flow arises in the apparatus, which contributes to the intensification of mass transfer. In addition, mass transfer is intensified due to resonant fluid oscillations.

К недостаткам известного аппарата относятся: недостаточная эффективность воздействия на гетерогенную среду, как в нижней части аппарата, так и по его высоте. В нижней части трубы скорость жидкости определяется диаметром трубы, амплитудой пульсаций уровня жидкости в трубе и частотой пульсаций (колебаний). В силу большого диаметра трубы скорость на выходе из трубы недостаточно велика. Во многих процессах (например, при растворении тяжелых частиц, либо при растворении частиц щелочи, которые быстро оплавляются, образуя труднопроницаемую корку) это служит серьезным барьером на пути к повышению скорости массопереноса. Кроме того, в процессах, связанных с необходимостью эмульгирования (например, при жидкостной экстракции, при дегидратации жидкости концентрированным раствором щелочи), сильно сказывается неравномерность распределения вводимой в аппарат энергии, в результате чего удовлетворительное эмульгирование происходит только у нижнего среза трубы, а в целом эффективность аппарата невысокая.The disadvantages of the known apparatus include: lack of effectiveness on a heterogeneous environment, both in the lower part of the apparatus, and in its height. In the lower part of the pipe, the fluid velocity is determined by the diameter of the pipe, the amplitude of the pulsations of the liquid level in the pipe, and the frequency of the pulsations (vibrations). Due to the large diameter of the pipe, the speed at the outlet of the pipe is not large enough. In many processes (for example, when dissolving heavy particles, or when dissolving alkali particles, which quickly melt, forming an impenetrable crust), this serves as a serious barrier to increasing the mass transfer rate. In addition, in processes associated with the need for emulsification (for example, during liquid extraction, during dehydration of a liquid with a concentrated alkali solution), the uneven distribution of the energy introduced into the apparatus is strongly affected, as a result of which satisfactory emulsification occurs only at the lower end of the pipe, and overall apparatus is low.

Наиболее близким к заявляемому является пульсационный аппарат (МПК⁵ B01F 11/00, пат. РФ №2033855, 1995 г.), содержащий емкость с коническим рассекателем на днище, центральную трубу с открытым нижним концом с образованием зазора с днищем, герметизированную в верхней части и снабженной побудителем колебаний, соединенным с генератором колебаний, и упругими элементами в центральной трубе и кольцевой камере, побудитель колебаний установлен в верхней части центральной трубы при отношении величины зазора между ней и днищем к ее диаметру выбрано в диапазоне 0,3-0,65. Благодаря заявленным в изобретении параметрам при его использовании в резонансном режиме пульсаций достигается упрощение конструкции и снижение энергетических затрат.Closest to the claimed is a pulsation apparatus (IPC ⁵ B01F 11/00, Pat. RF No. 2033855, 1995), containing a container with a conical divider on the bottom, a Central pipe with an open lower end to form a gap with a bottom, sealed in the upper part and equipped with an oscillator, connected to the oscillator, and elastic elements in the Central tube and the annular chamber, the oscillator is installed in the upper part of the Central pipe when the ratio of the gap between it and the bottom to its diameter is selected in the range not 0.3-0.65. Thanks to the parameters stated in the invention, when used in the resonant mode of pulsations, a simplification of the design and reduction of energy costs are achieved.

Недостатком известного аппарата является неравномерное распределение энергии пульсаций по объему аппарата. В известном аппарате основная часть энергии пульсаций диссипируется в нижней части аппарата, вблизи нижнего среза центральной трубы. Это приводит к достаточно быстрому растворению тяжелой твердой фазы, однако при обработке систем жидкость-жидкость граница тяжелой и легкой фаз находится вдали от зоны максимальной диссипации энергии, в результате чего удовлетворительное эмульгирование происходит только вблизи нижнего среза трубы, и в целом эффективность аппарата снижается.A disadvantage of the known apparatus is the uneven distribution of pulsation energy over the volume of the apparatus. In the known apparatus, the main part of the pulsation energy is dissipated in the lower part of the apparatus, near the lower cut of the central pipe. This leads to a rather rapid dissolution of the heavy solid phase, however, when processing liquid-liquid systems, the boundary of the heavy and light phases is far from the zone of maximum energy dissipation, as a result of which satisfactory emulsification occurs only near the lower section of the pipe, and in general, the efficiency of the apparatus decreases.

Известен способ эксплуатации, реализованный в пульсационном аппарате (МПК⁵ B01F 11/00, пат. РФ №2033855, 1995 г.), заключающийся в том, что после заполнения аппарата и включения генератора пульсаций возвратно-поступательные движения от него через шток передаются побудителю колебаний, и далее - упругим элементам и рабочей среде. При частоте колебаний генератора, близкой к собственной частоте колебаний системы "суспензия - упругие элементы", наступает резонансный режим колебаний, характеризуемый наиболее интенсивными колебаниями жидкости в аппарате. При этом имеют место мощные динамические воздействия на жидкость, обеспечивающие взвешивание твердых частиц и их увлечение колеблющейся жидкостью в верхнюю часть. В результате происходит перемешивание твердых частиц и их вполне интенсивное растворение.A known method of operation, implemented in a pulsating apparatus (IPC ⁵ B01F 11/00, Pat. RF No. 2033855, 1995), which consists in the fact that after filling the apparatus and turning on the pulsation generator, the reciprocating movements from it through the rod are transmitted to the oscillation inducer , and further to the elastic elements and the working environment. When the oscillator frequency of the generator is close to the natural frequency of the oscillation of the system "suspension - elastic elements", a resonant mode of oscillation occurs, characterized by the most intense oscillations of the liquid in the apparatus. In this case, powerful dynamic effects on the liquid take place, which ensure the weighing of solid particles and their entrainment by the oscillating liquid into the upper part. The result is the mixing of solid particles and their quite intense dissolution.

Вместе с тем, известный способ не позволяет реализовать необходимую интенсивность процессов массообмена в гетерогенных системах жидкость - твердые частицы и жидкость - жидкость, поскольку в известном способе не регламентируется мощность, которую необходимо подвести к аппарату для обеспечения заданной амплитуды пульсаций уровня жидкости в трубе, которая определяет скорость относительных колебаний частиц и интенсивность массообмена.At the same time, the known method does not allow to realize the necessary intensity of mass transfer processes in heterogeneous liquid-solid particles and liquid-liquid systems, since the known method does not control the power that must be brought to the apparatus to provide a given amplitude of fluctuations in the level of the liquid in the pipe, which determines the relative velocity of the particles and the intensity of mass transfer.

Задача предлагаемого изобретения - повышение эффективности работы аппарата за счет равномерного распределения энергии пульсаций по объему аппарата, за счет создания высоких значений относительной скорости фаз, тонкого эмульгирования одной жидкой фазы в другой и дозированного ввода энергии в гетерогенную систему с заданной интенсивностью.The objective of the invention is to increase the efficiency of the apparatus due to the uniform distribution of pulsation energy throughout the apparatus, by creating high values of the relative phase velocity, fine emulsification of one liquid phase into another and metered energy input into a heterogeneous system with a given intensity.

Поставленная задача достигается тем, что в пульсационном аппарате для проведения массообменных процессов в гетерогенных системах жидкость - твердые частицы и жидкость - жидкость, содержащий вертикальный корпус с размещенной в нем трубой с образованием зазора с днищем, к верхнему концу которой присоединен источник пневматических пульсаций, упругими элементами в центральной трубе и кольцевой камере, согласно изобретению, нижняя часть трубы закрыта крышкой, в крышке и в погруженной в жидкость части трубы равномерно по их поверхностям установлены патрубки, при этом оси патрубков, установленных на крышке, расположены нормально к ее поверхности, а оси патрубков, установленных на трубе, расположены горизонтально либо опущены вниз под углом от 0° до 70°, причем отношение величины зазора между трубой и днищем к ее диаметру выполнено в диапазоне 0,5-2,0.The problem is achieved in that in a pulsating apparatus for carrying out mass transfer processes in heterogeneous systems, liquid - solid particles and liquid - liquid, containing a vertical housing with a pipe placed in it with the formation of a gap with a bottom, to the upper end of which is connected a source of pneumatic pulsations, by elastic elements in the central pipe and the annular chamber, according to the invention, the lower part of the pipe is closed by a lid, in the lid and in the part of the pipe immersed in the liquid uniformly over their surfaces nozzles are renewed, while the axes of the nozzles mounted on the cover are normal to its surface, and the axes of the nozzles mounted on the pipe are horizontally or lowered downward at an angle from 0 ° to 70 °, and the ratio of the gap between the pipe and the bottom to it the diameter is made in the range of 0.5-2.0.

Поставленная задача достигается также тем, что в пульсационном аппарате источник пневматических пульсаций выполнен в виде мембранного или сильфонного блока, соединенного с генератором пульсаций, а отношение длины патрубков к диаметру выполнено в интервале 4:1-10:1.The task is also achieved by the fact that in the pulsating device, the source of pneumatic pulsations is made in the form of a membrane or bellows unit connected to a pulsation generator, and the ratio of the length of the nozzles to the diameter is made in the range 4: 1-10: 1.

Поставленная задача достигается также тем, что в способе эксплуатации пульсационного аппарата, заключающемся в создании резонансных колебаний среды в аппарате, согласно изобретению, угловую частоту пульсаций источника пневматических пульсаций задают в диапазоне, определяемом расчетной формулойThe task is also achieved by the fact that in the method of operation of the pulsating apparatus, which consists in creating resonant vibrations of the medium in the apparatus, according to the invention, the angular frequency of the pulsations of the source of pneumatic pulsations is set in the range determined by the calculation formula

где ω₀ - угловая частота резонансных колебаний, с^-1,where ω ₀ is the angular frequency of resonant oscillations, s ^-1 ,

при этом к источнику пневматических пульсаций подводят мощность в диапазоне, определяемом расчетной формулойat the same time, power is supplied to the source of pneumatic pulsations in the range determined by the calculation formula

где В - суммарный коэффициент гидравлических потерь, кг/м³;where In - the total coefficient of hydraulic losses, kg / m ³ ;

ω_п - угловая частота источника пневматических пульсаций, с~¹;ω _p is the angular frequency of the source of pneumatic pulsations, s ~ ¹ ;

S_tr - площадь поперечного сечения трубы, м²;S _tr is the cross-sectional area of the pipe, m ² ;

A_x - амплитуда пульсаций уровня жидкости в центральной трубе, м, причем суммарный коэффициент гидравлических потерь В находят по расчетной формулеA _x is the amplitude of the pulsations of the liquid level in the central pipe, m, and the total hydraulic loss coefficient B is found by the calculation formula

где ρ - плотность гетерогенной смеси в аппарате, кг/м³;where ρ is the density of the heterogeneous mixture in the apparatus, kg / m ³ ;

λ_tr - коэффициент гидравлических потерь в трубе;λ _tr is the coefficient of hydraulic losses in the pipe;

L_tr - длина погруженной в жидкость части трубы, м;L _tr is the length of the pipe part immersed in the liquid, m;

D_tr - диаметр трубы, м;D _tr - pipe diameter, m;

n₀ - количество патрубков;n ₀ is the number of nozzles;

d₀ - диаметр патрубков, м;d ₀ - pipe diameter, m;

ζ_in - коэффициент местного сопротивления при входе в патрубок; ζ_in=1.1;ζ _in - coefficient of local resistance at the entrance to the pipe; ζ _in = 1.1;

λ₀ - коэффициент гидравлических потерь в патрубке;λ ₀ - coefficient of hydraulic losses in the pipe;

L₀ - длина патрубка, м;L ₀ - pipe length, m;

ζ_out - коэффициент местного сопротивления при выходе из патрубка; ζ_out=1.0.ζ _out is the coefficient of local resistance when exiting the pipe; ζ _out = 1.0.

Техническим результатом является повышение эффективности работы аппарата, интенсификация массообмена в гетерогенных системах жидкость - твердые частицы и жидкость - жидкость, более эффективное использование вводимой в аппарат энергии. Этот результат достигается за счет повышения равномерности распределения энергии пульсаций по объему аппарата, оптимизации его геометрических размеров, а также за счет подвода к аппарату мощности в количестве, необходимом для обеспечения заданной амплитуды пульсаций.The technical result is to increase the efficiency of the apparatus, the intensification of mass transfer in heterogeneous systems liquid - solid particles and liquid - liquid, more efficient use of energy introduced into the device. This result is achieved by increasing the uniformity of the distribution of ripple energy over the volume of the apparatus, optimizing its geometric dimensions, as well as by supplying power to the apparatus in the amount necessary to provide a given ripple amplitude.

Заявляемое техническое решение является новым, обладает изобретательским уровнем и промышленно применимо.The claimed technical solution is new, has an inventive step and is industrially applicable.

Термин "расположены нормально" подразумевает принятое в геометрии направление, перпендикулярное к плоскости (нормаль) либо - для криволинейной поверхности - перпендикулярное к касательной плоскости в данной точке (Ильин В.А., Позняк Э.Г. Аналитическая геометрия. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002. 240 с.; Петрушко И.М., Кузнецова Л.А., Прохоренко В.И., Сафонова В.Ф. Курс высшей математики: Интегральное исчисление. Функции нескольких переменных. Дифференциальные уравнения. М.: Изд-во МЭИ, 2002, стр.128).The term "located normally" means the direction adopted in geometry, perpendicular to the plane (normal) or - for a curved surface - perpendicular to the tangent plane at this point (Ilyin V.A., Poznyak E.G. Analytical geometry. M .: FIZMATLIT, 2002.240 p .; Petrushko I.M., Kuznetsova L.A., Prokhorenko V.I., Safonova V.F. Higher mathematics course: Integral calculus. Functions of several variables. Differential equations. M: Publishing house MPEI , 2002, p. 128).

На фиг.1 представлена схема аппарата, на фиг.2 - вид А, на фиг.3 - вид Б и сечение В-В. На фиг.4 изображен аппарат во время работы.Figure 1 presents a diagram of the apparatus, figure 2 is a view of A, figure 3 is a view of B and section bb. Figure 4 shows the apparatus during operation.

Пульсационный аппарат для проведения массообменных процессов в гетерогенных системах жидкость - твердые частицы и жидкость - жидкость содержит вертикальный корпус 1 с размещенной в нем трубой 2 с образованием зазора с днищем 3, к верхнему концу которой присоединен источник пневматических пульсаций 4, упругими элементами 5 и 6 в центральной трубе и кольцевой камере соответственно, нижняя часть трубы 2 закрыта крышкой 7. В крышке 7 и погруженной в жидкость части трубы 2 равномерно по их поверхностям установлены патрубки 8 (вид А на фиг.1 и 2). На фиг.2 представлены два варианта исполнения трубы 2-е плоской крышкой 7 и с эллиптической крышкой 7 (форма крышки 7 может быть также полусферической), при этом оси патрубков 8, установленных на крышке 7, расположены нормально к ее поверхности, а оси патрубков, установленных на трубе 2, расположены горизонтально (т.е. также нормально по отношению к поверхности трубы 2) либо опущены вниз под углом φ от 0° до 70°. Отношение величины зазора h между трубой 2 и днищем 3 к ее диаметру D_tr выполнено в диапазоне h/D_tr=0,5-2,0.The pulsation apparatus for conducting mass transfer processes in heterogeneous liquid-solid and liquid-liquid systems contains a vertical housing 1 with a pipe 2 placed in it to form a gap with a bottom 3, to the upper end of which a pneumatic pulsation source 4 is attached, with elastic elements 5 and 6 in the central pipe and the annular chamber, respectively, the lower part of the pipe 2 is closed by a cover 7. In the cover 7 and the parts of the pipe 2 immersed in the liquid, nozzles 8 are installed evenly on their surfaces (type A in FIGS. 1 and 2). Figure 2 shows two versions of the pipe 2 with a flat cap 7 and with an elliptical cap 7 (the shape of the cap 7 can also be hemispherical), while the axes of the nozzles 8 mounted on the cap 7 are located normal to its surface, and the axis of the nozzles mounted on the pipe 2 are arranged horizontally (i.e. also normal to the surface of the pipe 2) or are lowered downward at an angle φ from 0 ° to 70 °. The ratio of the gap h between the pipe 2 and the bottom 3 to its diameter D _{tr is} made in the range h / D _tr = 0.5-2.0.

Источник пневматических пульсаций 4 выполнен в виде мембранного или сильфонного блока, соединенного с генератором пульсаций при помощи пульсопровода 9, представляющего собой трубу для передачи пневматических пульсаций (импульсов сжатого газа). Штуцер 10 служит для загрузки исходных компонентов, а донный клапан 11 - для выгрузки готовых продуктов из аппарата.The source of pneumatic pulsations 4 is made in the form of a membrane or bellows unit connected to a pulsation generator using a pulsation conduit 9, which is a pipe for transmitting pneumatic pulsations (pulses of compressed gas). The fitting 10 serves to load the starting components, and the bottom valve 11 - to unload finished products from the apparatus.

Аппарат работает следующим образом. В корпус 1 через штуцер 10 загружают исходные компоненты - две жидкие взаимно нерастворимые фазы, либо жидкую и твердую фазы, после чего штуцер 10 закрывают. Включают источник пневматических пульсаций 4 с частотой, определяемой по формуле (1), обеспечивая резонансные колебания гетерогенной смеси в аппарате. Значение угловой частоты резонансных колебаний ω₀ определяется расчетным путем (Абиев Р.Ш., Островский Г.М. Пульсационная резонансная аппаратура для процессов в жидкофазных средах // Хим. пром., 1998, №8, с.468-478) либо экспериментально - по максимальной амплитуде пульсаций. Благодаря тому, что частота пульсаций в аппарате находится в узком интервале вблизи частоты резонансных колебаний, в гетерогенной системе в аппарате возникают интенсивные колебания самой гетерогенной системы, так и всех гидродинамических параметров скорости, ускорения, давления в упругих элементах 5 и 6.The device operates as follows. The original components are loaded into the housing 1 through the nozzle 10 - two liquid mutually insoluble phases, or liquid and solid phases, after which the nozzle 10 is closed. Include a source of pneumatic pulsations 4 with a frequency determined by the formula (1), providing resonant vibrations of the heterogeneous mixture in the apparatus. The value of the angular frequency of resonance oscillations ω ₀ is determined by calculation (Abiev R.Sh., Ostrovsky G.M. Pulsation resonance equipment for processes in liquid-phase media // Khim. Prom., 1998, No. 8, p. 488-478) or experimentally - by the maximum amplitude of the pulsations. Due to the fact that the pulsation frequency in the apparatus is in a narrow interval near the frequency of resonant vibrations, intense oscillations of the heterogeneous system itself and all hydrodynamic parameters of speed, acceleration, pressure in the elastic elements 5 and 6 appear in the heterogeneous system in the apparatus.

Пульсирующие струи 12 и 13, прорывающиеся через патрубки 8 (на фиг.4 патрубки условно не показаны), проникая глубоко в слой частиц либо в слой тяжелой жидкости 14, быстро размывают его, способствуя сильному диспергированию жидкости (для систем жидкость-жидкость) либо к взвешиванию твердой фазы (для систем жидкость-твердое), а частицы дисперсной фазы 15 с высокой равномерностью распределяются по объему аппарата. За счет этого существенно возрастает площадь контакта фаз, увеличивается скорость их относительного движения, что приводит к многократному ускорению процессов массообмена между жидкой сплошной фазой и дисперсной (твердой или жидкой) фазой. Кроме того, при обработке систем жидкость-жидкость происходит тонкое эмульгирование одной жидкой фазы в другой, также сопровождающееся созданием развитой поверхности контакта фаз и образованием динамически устойчивой эмульсии во всем объеме аппарата. Это способствует быстрому протеканию массообменных процессов и более рациональному использованию вводимой в аппарат энергии.The pulsating jets 12 and 13, breaking through the nozzles 8 (the nozzles are not conventionally shown in FIG. 4), penetrating deep into the particle layer or into the heavy liquid layer 14, quickly erode it, contributing to the strong dispersion of the liquid (for liquid-liquid systems) or weighing the solid phase (for liquid-solid systems), and the particles of the dispersed phase 15 with high uniformity are distributed over the volume of the apparatus. Due to this, the contact area of the phases significantly increases, the speed of their relative motion increases, which leads to a multiple acceleration of the mass transfer processes between the liquid continuous phase and the dispersed (solid or liquid) phase. In addition, during the processing of liquid-liquid systems, thin emulsification of one liquid phase to another occurs, which is also accompanied by the creation of a developed phase contact surface and the formation of a dynamically stable emulsion in the entire volume of the apparatus. This contributes to the rapid flow of mass transfer processes and a more rational use of the energy introduced into the apparatus.

Благодаря тому, что нижняя часть трубы 2 оборудована крышкой 7, а в крышке 7 и в погруженной в жидкость части трубы 2 равномерно по их поверхностям (по площади крышки, по высоте и по периметру трубы, то есть, например, в шахматном порядке с постоянным шагом b, см. фиг.3) ее сечения установлены патрубки 8, достигается равномерное распределение энергии пульсаций по объему аппарата.Due to the fact that the lower part of the pipe 2 is equipped with a cover 7, and in the cover 7 and in the part of the pipe 2 immersed in the liquid, uniformly along their surfaces (along the area of the cover, along the height and around the perimeter of the pipe, that is, for example, in a checkerboard pattern with a constant step b, see FIG. 3) its cross sections are fitted with nozzles 8, and a uniform distribution of the ripple energy over the apparatus volume is achieved.

За счет того, что оси патрубков 8, установленных на крышке 7, расположены нормально к ее поверхности, а оси патрубков 8, установленных на трубе 2, расположены горизонтально либо опущены вниз под углом от 0° до 70°, также достигается эффект равномерного воздействия на гетерогенную среду. Наличие патрубков 8, опущенных вниз под углом от 0° до 70°, позволяет производить мощное перемешивание твердой фазы и эмульгирование пульсирующими струями жидкости, истекающими из патрубков.Due to the fact that the axis of the nozzles 8 mounted on the cover 7 are normal to its surface, and the axis of the nozzles 8 mounted on the pipe 2 are horizontally or lowered downward at an angle from 0 ° to 70 °, the effect of uniform effect on heterogeneous environment. The presence of nozzles 8, lowered downward at an angle from 0 ° to 70 °, allows powerful mixing of the solid phase and emulsification by pulsating jets of fluid flowing from the nozzles.

Благодаря тому, что отношение величины зазора между трубой и днищем к ее диаметру выполнено в диапазоне h/D_tr=0,5-2,0 достигается высокая эффективность воздействия струй жидкости, истекающих из патрубков 8, находящихся в крышке 7, на слой твердых частиц, лежащих на дне аппарата. При h/D_tr<0,5 струи оказываются полностью погруженными в слой частиц, и энергия струй полностью рассеивается при фильтрации жидкости через слой. При h/D_tr>2,0 струи слишком удалены от слоя твердых частиц, лежащих на дне, и мощность их воздействия на слой оказывается недостаточной, так как кинетическая энергия струй диссипируется в жидкости. Аналогичные проблемы, возникающие при эмульгировании тяжелой жидкости, также решаются благодаря тому, что отношение величины зазора между трубой и днищем к ее диаметру выполнено в диапазоне h/D_tr=0,5-2,0.Due to the fact that the ratio of the gap between the pipe and the bottom to its diameter is made in the range h / D _tr = 0.5-2.0, a high efficiency is achieved for the action of liquid jets flowing from the nozzles 8 located in the lid 7 on the layer of solid particles lying at the bottom of the apparatus. At h / D _tr <0.5, the jets are completely immersed in the particle layer, and the energy of the jets is completely dissipated by filtering the liquid through the layer. At h / D _tr > 2.0, the jets are too far from the layer of solid particles lying on the bottom, and the power of their action on the layer is insufficient, since the kinetic energy of the jets is dissipated in the liquid. Similar problems that arise when emulsifying a heavy liquid are also solved due to the fact that the ratio of the gap between the pipe and the bottom to its diameter is made in the range h / D _tr = 0.5-2.0.

Отношение длины L₀ патрубков 8 к их диаметру d₀ выполнено в интервале 4:1-10:1. Это позволяет, с одной стороны, добиться заполнения сечения патрубков потоком жидкости (что невозможно при L₀/d₀<4:1), и обеспечить высокий коэффициент расхода (0.8-0.82) (Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение, 1992. с.30, рис.1.14). С другой стороны, выполнение патрубков с отношением L₀/d₀>10:1 приводит к повышенным потерям энергии струи жидкости, движущейся в патрубке, поскольку с неоправданным увеличением длины патрубков увеличиваются непроизводительные затраты энергии.The ratio of the length L _{0 of the} nozzles 8 to their diameter d _{0 is} made in the range 4: 1-10: 1. This allows, on the one hand, to achieve filling the cross-section of the nozzles with a fluid flow (which is impossible at L ₀ / d ₀ <4: 1), and to ensure a high flow coefficient (0.8-0.82) (I. Idelchik, Reference book on hydraulic resistance. M .: Mechanical engineering, 1992.p.30, Fig.1.14). On the other hand, the implementation of the nozzles with a ratio L ₀ / d ₀ > 10: 1 leads to increased energy losses of the jet of fluid moving in the nozzle, since unnecessarily increasing the length of the nozzles increases the unproductive energy costs.

Создание резонансных колебаний среды в аппарате за счет того, что угловую частоту пульсаций источника пневматических пульсаций задают в диапазоне, определяемом расчетной формулой (1), приводит к наиболее рациональному использованию энергии, поскольку при резонансных колебаниях гетерогенной смеси достигается наибольшая амплитуда ее колебаний, а значит, и максимальная скорость относительного движения частиц, что приводит к интенсификации массопереноса. Выбор частоты пульсаций в диапазоне согласно расчетной формуле (1) позволяет, с одной стороны, добиться максимальной амплитуды колебаний, с другой стороны - упростить регулирование процессом за счет задания достаточно широкого интервала допустимых частот.The creation of resonant oscillations of the medium in the apparatus due to the fact that the angular frequency of the pulsations of the source of pneumatic pulsations is set in the range determined by the calculation formula (1) leads to the most rational use of energy, since the largest amplitude of its vibrations is achieved with resonant vibrations of a heterogeneous mixture, and, therefore, and the maximum speed of the relative motion of particles, which leads to the intensification of mass transfer. The choice of the ripple frequency in the range according to the calculation formula (1) allows, on the one hand, to achieve the maximum oscillation amplitude, and on the other hand, to simplify the process control by setting a sufficiently wide range of permissible frequencies.

Рациональное использование энергии достигается также за счет того, что нижняя часть трубы закрыта крышкой, в крышке и в погруженной в жидкость части трубы равномерно по их поверхностям установлены патрубки. Равномерное расположение патрубков позволяет распределить энергию пульсирующих струй по объему жидкости. Выполнение патрубков расположенными горизонтально либо опущенными вниз под углом от 0° до 70° позволяет направить часть энергии струй книзу, в сторону тяжелой жидкой (или твердой) фазы, что также способствует более эффективному использованию энергии.Rational use of energy is also achieved due to the fact that the lower part of the pipe is closed by a lid, in the lid and in the part of the pipe immersed in the liquid, nozzles are installed evenly on their surfaces. The uniform arrangement of the nozzles allows you to distribute the energy of the pulsating jets throughout the fluid volume. The implementation of the nozzles arranged horizontally or lowered downward at an angle from 0 ° to 70 ° allows you to direct part of the energy of the jets down to the side of the heavy liquid (or solid) phase, which also contributes to a more efficient use of energy.

Благодаря тому, что к источнику пневматических пульсаций подводят мощность в диапазоне, определяемом расчетной формулой (2), в аппарате затрачивается дозированное количество энергии, необходимое на преодоление гидравлических сопротивлений, что позволяет свести к минимуму затраты энергии. Выбор коэффициента в расчетной формуле (2) из интервала 0.9÷1.5 производится исходя из свойств дисперсной фазы: для дисперсной фазы с плотностью, в 1.01-1.3 раза превышающей плотность сплошной фазы, принимают меньшие значения из интервала 0.9÷1.5, а для более тяжелой дисперсной фазы выбирают большие значения из этого интервала.Due to the fact that power is supplied to the source of pneumatic pulsations in the range determined by the calculation formula (2), the dosed amount of energy required to overcome hydraulic resistance is expended in the apparatus, which allows minimizing energy costs. The coefficient in the calculation formula (2) from the interval 0.9 ÷ 1.5 is selected based on the properties of the dispersed phase: for a dispersed phase with a density 1.01-1.3 times higher than the density of the continuous phase, lower values are taken from the interval 0.9 ÷ 1.5, and for a heavier dispersed one phases select large values from this interval.

Пример конкретного выполнения 1. В аппарате, представленном на фиг.1 и 4, проводился процесс растворения в дистиллированной воде твердых частиц щелочи (едкого натра). Объем лабораторной модели аппарата, выполненной из стекла, составлял 500 мл. Размеры корпуса 1 аппарата: диаметр 64 мм, высота цилиндрической части 130 мм, общая высота 170 мм; размеры трубы 2: диаметр 36 мм, расстояние от дна 20 мм, т.е. отношение величины зазора между трубой и днищем к ее диаметру выполнено в диапазоне 0,5-2,0 и составляло 20/36=0,555. На поверхности трубы 2 и крышки 7 равномерно по их поверхностям установлено 65 патрубков диаметром 2 мм и длиной 10 мм, крышка 7 имела полусферическую форму. Оси патрубков, установленных на трубе, опущены вниз под углом от 0° до 70°. В аппарат было загружено 260 г щелочи (NaOH, чда), 270 мл дистиллированной воды. Температура контролировалась при помощи термопары и цифрового измерителя-регулятора ТРМ-202. Начальная температура рабочей среды 22,2°С. В аппарате были созданы резонансные колебания с угловой частотой ω_п=ω₀=85 с^-1. Наличие резонанса определялось по максимальной амплитуде колебаний среды в аппарате. Затраты энергии (подводимая мощность) при этом соответствовали формулам (2) и (3).An example of a specific implementation 1. In the apparatus shown in figures 1 and 4, the process of dissolving in distilled water solid alkali particles (caustic soda). The volume of the laboratory model of the apparatus made of glass was 500 ml. The dimensions of the housing 1 of the apparatus: diameter 64 mm, the height of the cylindrical part 130 mm, the total height of 170 mm; pipe dimensions 2: diameter 36 mm, distance from the bottom 20 mm, i.e. the ratio of the gap between the pipe and the bottom to its diameter is made in the range of 0.5-2.0 and was 20/36 = 0.555. On the surface of the pipe 2 and the cover 7, 65 nozzles with a diameter of 2 mm and a length of 10 mm were installed evenly on their surfaces, the cover 7 had a hemispherical shape. The axis of the nozzles mounted on the pipe is lowered down at an angle from 0 ° to 70 °. 260 g of alkali (NaOH, analytical grade), 270 ml of distilled water were loaded into the apparatus. The temperature was controlled using a thermocouple and a digital meter-controller TRM-202. The initial temperature of the working medium is 22.2 ° C. The apparatus created resonant oscillations with an angular frequency ω _p = ω ₀ = 85 s ^-1 . The presence of resonance was determined by the maximum amplitude of the oscillations of the medium in the apparatus. The energy costs (input power) in this case corresponded to formulas (2) and (3).

Ход эксперимента. Через 2 мин 30 сек в аппарате образовался мутный раствор с большим количеством пузырьков, температура раствора достигла максимального значения 64,9°С. Через 3 мин 10 сек от начала опыта температура раствора составила 64,4°С, а на дне аппарата осталось лишь небольшое количество витающих чешуек едкого натра, а жидкость приобрела мутно-белый цвет. Через 7 мин 40 сек температура раствора снизилась до 58,0°С, на дне чешуйки едкого натра отсутствовали, жидкость стала прозрачной. Процесс растворения завершился.The course of the experiment. After 2 minutes 30 seconds, a cloudy solution with a large number of bubbles formed in the apparatus, the temperature of the solution reached a maximum value of 64.9 ° C. After 3 minutes 10 seconds from the start of the experiment, the temperature of the solution was 64.4 ° C, and at the bottom of the apparatus there was only a small number of floating scales of caustic soda, and the liquid turned a dull white color. After 7 minutes and 40 seconds, the temperature of the solution dropped to 58.0 ° C, there were no caustic soda flakes at the bottom, and the liquid became clear. The dissolution process is complete.

Пример конкретного выполнения 2. При проведении того же процесса с угловой частотой пульсаций 42 с^-1, не удовлетворяющей расчетной формуле (1), даже при длительности 16 мин 30 сек щелочь полностью не растворилась, в жидкости остались хлопья, кусочки нерастворенного едкого натра. Затраты энергии (подводимая мощность) при этом возрастали в 2,5-3 раза по сравнению с примером конкретного выполнения 1.An example of a specific implementation 2. When carrying out the same process with an angular pulsation frequency of 42 s ^-1 , which does not satisfy the calculated formula (1), even with a duration of 16 minutes and 30 seconds, the alkali did not completely dissolve, flakes and pieces of insoluble caustic soda remained in the liquid. The energy costs (input power) in this case increased by 2.5-3 times compared with the example of a specific implementation 1.

Пример конкретного выполнения 3. При проведении того же процесса с угловой частотой пульсаций 97 с^-1, не удовлетворяющей расчетной формуле (1), при длительности 26 мин 10 сек щелочь полностью не растворилась, в жидкости присутствовали хлопья, кусочки нерастворенного едкого натра. Затраты энергии (подводимая мощность) при этом возросли в 3,5-5 раз по сравнению с примером конкретного выполнения 1.An example of a specific implementation 3. When carrying out the same process with an angular pulsation frequency of 97 s ^-1 , which does not satisfy the calculated formula (1), for a duration of 26 minutes 10 seconds, the alkali did not completely dissolve, flakes, pieces of insoluble caustic soda were present in the liquid. The energy costs (input power) at the same time increased by 3.5-5 times compared with the example of a specific implementation 1.

Пример конкретного выполнения 4. При проведении того же процесса путем барботирования жидкости воздухом при длительности опыта 22 минуты температура раствора достигла лишь 55,0°С, что свидетельствует о низкой скорости растворения. В аппарате образовалась мутная, вязкая жидкость прозрачно-белого цвета. В жидкости осталось большое количество хлопьев, кусочков нерастворенного едкого натра, которые сплавились, образовав однородную массу, лежащую на дне аппарата.An example of a specific implementation 4. When carrying out the same process by sparging a liquid with air for a test duration of 22 minutes, the solution temperature reached only 55.0 ° C, which indicates a low dissolution rate. A cloudy, viscous liquid of a transparent white color formed in the apparatus. A large number of flakes remained in the liquid, pieces of undissolved caustic soda, which fused to form a homogeneous mass lying at the bottom of the apparatus.

Пример конкретного выполнения 5. При проведении того же процесса без пульсаций процесс растворения сопровождался образованием корки на поверхности слоя едкого натра, что привело к увеличению длительности процесса до 19 часов 15 минут.An example of a specific implementation 5. When carrying out the same process without pulsations, the dissolution process was accompanied by the formation of a crust on the surface of the sodium hydroxide layer, which led to an increase in the duration of the process to 19 hours and 15 minutes.

Пример конкретного выполнения 6. В аппарате, представленном на фиг.1 и 4, проводился процесс эмульгирования в системе трихлорметан (хлороформ) - дистиллированная вода. Объем лабораторной модели аппарата, выполненной из стекла, составлял 500 мл. В аппарат было загружено 130 мл трихлорметана (плотность 1483 кг/м³) и 270 мл дистиллированной воды (плотность 998 кг/м³). В аппарате были созданы резонансные колебания с угловой частотой ω_п=(ω₀=85 с^-1; наличие резонанса определялось по максимальной амплитуде колебаний среды в аппарате. Во всем объеме аппарата, в трубе 2 и вокруг нее образовалась очень устойчивая эмульсия. После выключения, эмульсия очень медленно расслаивалась (в течение 3-5 минут). Это означает, что капельки очень мелкие, что соответствует развитой поверхности контакта фаз и целесообразно для проведения массообменных процессов, например, для дегидратации.An example of a specific implementation 6. In the apparatus shown in figures 1 and 4, the process of emulsification was carried out in the system trichloromethane (chloroform) - distilled water. The volume of the laboratory model of the apparatus made of glass was 500 ml. 130 ml of trichloromethane (density 1483 kg / m ³ ) and 270 ml of distilled water (density 998 kg / m ³ ) were loaded into the apparatus. Resonant oscillations were created in the apparatus with an angular frequency ω _p = (ω ₀ = 85 s ^-1 ; the presence of resonance was determined by the maximum amplitude of the medium’s vibrations in the apparatus. A very stable emulsion was formed in the entire volume of the apparatus, in the pipe 2 and around it. After switching off , the emulsion exfoliates very slowly (within 3-5 minutes), which means that the droplets are very small, which corresponds to the developed phase contact surface and is suitable for mass transfer processes, for example, for dehydration.

Пример конкретного выполнения 7. Условия опыта - те же, что и в примере конкретного выполнения 6. В аппарате были созданы нерезонансные колебания с угловой частотой 42 с^-1, не удовлетворяющей условию (1). В нижней части аппарата образовался слой малоподвижного хлороформа высотой 20 мм, через который пробивались струи эмульсии, над слоем хлороформа находилась зона эмульсии, также в трубе 2 получена эмульсия белого цвета, по виду напоминающая молоко. После выключения пульсации, расслоение происходило за 15 секунд, т.е. значительно быстрее, чем в примере конкретного выполнения 6 (это означает, что капельки крупные, а поверхность контакта фаз небольшая по сравнению с примером конкретного выполнения 6).An example of a specific implementation 7. The experimental conditions are the same as in the example of a specific implementation 6. Non-resonant oscillations were created in the apparatus with an angular frequency of 42 s ^-1 , which did not satisfy condition (1). In the lower part of the apparatus, a layer of inactive chloroform with a height of 20 mm was formed, through which emulsion jets penetrated, an emulsion zone was located above the chloroform layer, and a white emulsion was obtained in tube 2, which looked like milk. After switching off the pulsation, stratification occurred in 15 seconds, i.e. significantly faster than in the example of a specific implementation 6 (this means that the droplets are large and the contact surface of the phases is small compared to the example of a specific implementation 6).

Пример конкретного выполнения 8. Условия опыта - те же, что и в примере конкретного выполнения 6. В аппарате были созданы нерезонансные колебания с угловой частотой 97 с^-1, не удовлетворяющей условию (1). В нижней части аппарата образовался слой малоподвижного хлороформа высотой 20 мм, через который пробивались струи эмульсии, над слоем хлороформа находилась зона грубодисперсной эмульсии. После выключения пульсации, расслоение происходило за 10 секунд, т.е. значительно быстрее, чем в примере конкретного выполнения 6 (это означает, что капельки крупные).An example of a specific implementation 8. The experimental conditions are the same as in the example of a specific implementation 6. Non-resonant oscillations were created in the apparatus with an angular frequency of 97 s ^-1 , which did not satisfy condition (1). In the lower part of the apparatus, a layer of inactive chloroform with a height of 20 mm was formed, through which emulsion jets penetrated, a zone of coarse dispersed emulsion was located above the chloroform layer. After switching off the pulsation, stratification occurred in 10 seconds, i.e. significantly faster than in the example of a specific implementation 6 (this means that the droplets are large).

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет повысить эффективность работы аппарата для проведения массообменных процессов в гетерогенных системах жидкость - твердые частицы и жидкость - жидкость за счет равномерного распределения энергии пульсаций по объему аппарата, за счет создания высоких значений относительной скорости фаз, тонкого эмульгирования одной жидкой фазы в другой и дозированного ввода энергии в гетерогенную систему с заданной интенсивностью.Thus, the present invention allows to increase the efficiency of the apparatus for carrying out mass transfer processes in heterogeneous liquid-solid particles and liquid-liquid systems due to the uniform distribution of pulsation energy over the volume of the apparatus, due to the creation of high values of the relative phase velocity, fine emulsification of one liquid phase in another and metered input of energy into a heterogeneous system with a given intensity.

Claims

1. A pulsation apparatus for conducting mass transfer processes in heterogeneous liquid-solid particles and liquid-liquid systems, comprising a vertical housing with a pipe placed in it with a bottom with a gap, to the upper end of which a source of pneumatic pulsations is connected, with elastic elements in the central pipe and annular chamber, characterized in that the lower part of the pipe is closed by a lid, in the lid and in the part of the pipe immersed in the liquid, nozzles are installed evenly on their surfaces, while the axis of the nozzles, installed on the cover are located normally to its surface, and the axis of the nozzles mounted on the pipe are horizontally or lowered downward at an angle from 0 ° to 70 °, and the ratio of the gap between the pipe and the bottom to its diameter is made in the range 0.5- 2.0.

2. The pulsation apparatus according to claim 1, characterized in that the source of pneumatic pulsations is made in the form of a membrane or bellows unit connected to a pulsation generator.

3. The pulsation apparatus according to claim 1, characterized in that the ratio of the length of the nozzles to their diameter is made in the range of 4: 1-10: 1.

4. The method of operation of the pulsation apparatus according to claims 1 to 3, which consists in creating resonant vibrations of the medium in the apparatus, characterized in that the angular frequency of the pulsations of the source of pneumatic pulsations is set in the range determined by the calculation formula

where ω ₀ is the angular frequency of resonant oscillations, s ^-1 ,
at the same time, power is supplied to the source of pneumatic pulsations in the range determined by the calculation formula

where In - the total coefficient of hydraulic losses, kg / m ³ ;
ω _p - the angular frequency of the source of pneumatic pulsations, s ^-1 ;
S _tr is the cross-sectional area of the pipe, m ² ;
A _x - the amplitude of the pulsations of the liquid level in the Central pipe, m,
moreover, the total hydraulic loss coefficient B is found by the calculation formula

where ρ is the density of the heterogeneous mixture in the apparatus, kg / m ³ ;
λ _tr is the coefficient of hydraulic losses in the pipe;
L _tr is the length of the pipe part immersed in the liquid, m;
D _tr - pipe diameter, m;
n ₀ is the number of nozzles;
d ₀ - pipe diameter, m;
ζ _in - coefficient of local resistance at the entrance to the pipe, ζ _in = 1,1;
λ ₀ - coefficient of hydraulic losses in the pipe;
L ₀ - pipe length, m;
ζ _out is the coefficient of local resistance when exiting the pipe, ζ _out = 1.0.