Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИНТЕНСИФИКАЦИИ РЕАКЦИОННЫХ И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ В ГЕТЕРОГЕННЫХ СИСТЕМАХ И АППАРАТ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к химической, нефтехимической, пищевой, фармацевтической и другим отраслям промышленности и может быть использовано для обработки гетерогенных систем: жидкость - твердые частицы, жидкость - жидкость, жидкость - газ и жидкость - газ - твердые частицы в различных технологических процессах, таких как абсорбция, газожидкостные реакции, в том числе с использованием твердого катализатора, эмульгирование, жидкостная экстракция, растворение твердых частиц (в том числе с химической реакцией), выщелачивание, пропитка и т.п.

Известен способ интенсификации реакционных и массообменных процессов в гетерогенных системах, реализованный в аппарате для растворения твердых частиц в жидкости (Аксельруд Г.А. Массообмен в системе твердое тело - жидкость. Львов: Изд-во Львовск. ун-та, 1970. - С.155), в котором жидкость, несущая твердые частицы, движется по трубе, площадь которой переменна по длине трубы. При этом труба состоит из множества последовательно соединенных элементов одинаковой формы, состоящих из двух частей: одна часть каждого элемента представляет собой веретенообразное полое тело, вторая - горловину цилиндрической формы. При движении в такой трубе жидкость постоянно меняет свою скорость. Твердые частицы также периодически меняют скорость своего движения, то отставая от ускоряющейся в узком сечении жидкости, то опережая затормаживающуюся в широком сечении жидкость. Вследствие инерции твердых частиц в трубе создается дополнительная скорость относительного движения фаз, способствующая возрастанию коэффициента массоотдачи. Однако такой инерционный эффект возможен лишь при наличии ненулевой разности плотностей твердой либо жидкой (дисперсная фаза) и жидкой сред (сплошная фаза), а значительным он будет при существенном отличии этих плотностей. Кроме того, известный аппарат обладает формой, не обеспечивающей минимальные гидравлические потери при движении в нем жидкости. Следовательно, при большой протяженности трубы в нем будет теряться большое количество энергии. Помимо этого, веретенообразная форма труб довольно сложна в изготовлении. Эти недостатки существенно ограничивают практическую применимость известного аппарата и реализованного в нем способа.

Известен способ интенсификации реакционных и массообменных процессов в гетерогенных системах, реализованный в аппарате для осуществления взаимодействия в системах газ - жидкость и жидкость - жидкость (патент РФ №2186614, МКИ 7 В 01 F 5/00, Б.И. 22, 2002), содержащий корпус, одну или несколько труб контактирования фаз, размещенных в нем, и технологические патрубки, причем трубы контактирования фаз выполнены в виде последовательно соединенных конфузорно-диффузорных элементов типа трубы Вентури, а угол раскрытия конфузорной части лежит в пределах от 10 до 40°, а диффузорной - в пределах от 4 до 20°. Благодаря оптимальной геометрической форме элементов типа трубы Вентури гидравлическое сопротивление известного аппарата ниже, чем у аналогичных конструкций. Однако он предназначен для осуществления взаимодействия в системах газ - жидкость и жидкость - жидкость, особенно в случае быстропротекающих реакций или массообменных процессов. Так, например, при продолжительности процесса 120 с и средней скорости движения среды в трубах контактирования фаз 2 м/с длина труб в аппарате должна составлять не менее 240 м. Это приводит к увеличению металлоемкости аппарата и его гидравлического сопротивления, т. е. возрастают и капитальные и текущие затраты. Кроме того, при длине одного элемента типа трубы Вентури 400 мм общее их количество составит 600 шт. С учетом довольно высокой сложности изготовления таких элементов это также приведет к увеличению себестоимости аппарата. В этом аппарате также неэффективна обработка дисперсных включений (твердых частиц или капель жидкости), имеющих плотность, мало отличающуюся от плотности жидкой сплошной фазы.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ интенсификации реакционных и массообменных процессов в гетерогенных системах, реализованный в аппарате для обработки жидкостями капиллярно-пористых частиц (патент РФ №2064319, МКИ 6 В 01 D 11/02, 12/00, Б.И. 21, 1996). Известный аппарат содержит нагнетатель для перекачивания суспензии, трубу с периодической геометрией, выполненную в виде последовательно соединенных элементов типа трубы Вентури, состоящих из конфузорной и диффузорной частей и снабженных рубашкой для протока теплоносителя. При расширении гетерогенного потока в диффузорной части элементов типа трубы Вентури давление увеличивается, и поры капиллярно-пористых частиц насыщаются жидкостью; при сужении потока в конфузорной части давление падает, при этом жидкость, насыщенная целевым компонентом, выходит из пор частиц. При прохождении частиц суспензии через каждый элемент типа трубы Вентури процесс периодически повторяется, и пропитка, а также экстрагирование протекают весьма интенсивно. Известный аппарат, назначение которого - проведение процессов экстрагирования и пропитки, мало пригоден для проведения других реакционных и массообменных процессов, особенно для тех, продолжительность которых составляет десятки секунд и более. Это связано с тем, что при большой продолжительности процесса возрастает длина аппарата и его гидравлическое сопротивление. Кроме того, аппарат довольно сложен в изготовлении, причем стоимость изготовления растет пропорционально количеству элементов типа трубы Вентури, а значит, и пропорционально общей длине аппарата. В этом аппарате обработка твердых частиц или жидкости, представляющих собой дисперсную фазу, имеющих плотность, мало отличающуюся от плотности жидкости, представляющей собой сплошную среду, также неэффективна.

Задача предлагаемого изобретения - повышение эффективности, снижение гидравлических потерь, упрощение конструкции аппарата.

Поставленная задача достигается тем, что способ интенсификации реакционных и массообменных процессов в гетерогенных системах заключается в возбуждении колебаний в гетерогенной системе путем ее пропускания через трубу с переменным сечением, причем возбуждение колебаний в гетерогенной системе при ее движении чередуется с отсутствием колебательных воздействий, а в гетерогенную систему один или более раз вводится газ.

Поставленная задача достигается также тем, что аппарат, предназначенный для реализации способа, состоит из нагнетателя и одной или нескольких труб с переменным сечением, устройств подвода компонентов и отвода продуктов, причем труба состоит из участков с периодически изменяющимся поперечным сечением, чередующихся участками с постоянным поперечным сечением.

На чертеже представлена схема аппарата, реализующего предлагаемый способ.

Аппарат состоит из питающей емкости 1, патрубков подачи исходных компонентов 2, 3 и 4, насоса 5, трубы с переменным сечением 6, которая, в свою очередь, состоит из последовательно соединенных участков 7 с периодически изменяющимся поперечным сечением, включающих несколько элементов 8 типа трубы Вентури, и чередующихся с ними участков 9 с постоянным поперечным сечением. К насосу 5 может быть параллельно подключено несколько труб 6. Элементы 8 типа трубы Вентури состоят из конфузора 10, горловины 11 и диффузора 12. Предпочтительными являются углы раскрытия конфузоров 10 в пределах от 10 до 40°, а диффузоров 12 - от 4 до 20°. Конец трубы 6 подключен к сборнику 13 готового продукта, снабженного сливным патрубком 14.

Аппарат работает следующим образом. В питающую емкость 1 через патрубки 2 и 3 подают исходные компоненты (две жидкости - для процессов эмульгирования, экстракции, либо жидкость и твердые частицы - для процессов растворения, пропитки, экстрагирования, каталитических реакций; в качестве одной из исходных компонент может выступать и газ при проведении газожидкостных химических реакций или массообменных процессов, подаваемый в патрубки 4). При необходимости гарантированного подсоса всех компонентов в насос 5 (например, в случае подачи двух несмешивающихся жидкостей) дисперсная фаза может подаваться непосредственно в зону слива емкости 1 за счет удлиненной формы патрубка 3 (на фиг.1 удлиненный патрубок 3 показан пунктиром). Газ вводится в аппарат через один или несколько патрубков 4. Насосом 5 (например, центробежным или вихревым) образовавшаяся гетерогенная система подается в трубу 6. В гетерогенной системе, проходящей через участки 7 с периодически изменяющимся поперечным сечением, возбуждаются колебания скорости, ускорения и давления, обусловленные изменением поперечного сечения трубы 6 на участках 7, т.е. формой элементов 8 типа трубы Вентури. При попадании гетерогенной системы на участки 9 с постоянным сечением колебания в системе постепенно затухают, возбуждаясь снова при следующем попадании гетерогенной системы на участки 7 с периодически изменяющимся поперечным сечением; таким образом, процесс возбуждения колебаний на участках 7 и постепенного их затухания на участках 9 многократно повторяется при движении гетерогенной смеси по трубе 6. При подаче газа через патрубки 4 в гетерогенную систему происходит тонкое его диспергирование в виде пузырьков размером 0,1-2 мм, возрастает газосодержание гетерогенной смеси, а ее плотность снижается. Благодаря этому увеличивается разность плотностей между дисперсной фазой (твердыми частицами, каплями жидкости) и сплошной средой, представляющей собой газожидкостную смесь. В результате возрастания разности плотностей фаз при резком торможении и ускорении потока увеличивается относительная скорость их движения. Следовательно, интенсифицируются и процессы тепло- и массообмена, а в случае проведения реакционных и каталитических процессов снижается диффузионное сопротивление и реакция переходит в кинетическую область. Кроме того, благодаря наличию пузырьков газа в газожидкостной смеси (в которой могут также находиться в зависимости от процесса твердые частицы или капельки другой жидкости), протекающей через трубу 6 с переменным сечением, в ней происходят следующие явления. При прохождении гетерогенной системы через участки 7 с периодически изменяющимся поперечным сечением, т.е. через элементы 8 типа трубы Вентури, происходит периодическое изменение скорости, ускорения и давления в системе (в конфузоре 10 давление падает, достигая минимума в горловине 11, а скорость увеличивается, в диффузоре 12 давление возрастает, а скорость снижается и т.д.), пузырьки пульсируют, как в случае кавитации, вблизи них происходит локальное увеличение скорости жидкости, интенсифицируется перемешивание; при их схлопывании возникают кумулятивные струйки, бьющие по поверхности капель и твердых частиц. Вследствие этого снижается диффузионное сопротивление на поверхности твердых частиц и капель вблизи пульсирующих пузырьков, а дробление капель происходит более интенсивно. При попадании гетерогенной системы на участок 9 с постоянным сечением колебания постепенно затухают, пузырьки сливаются, укрупняясь, и интенсивность их воздействия на остальные компоненты гетерогенной системы плавно снижается. Однако участки 9 должны быть не очень длинными, чтобы это снижение интенсивности колебаний не приводило к ощутимому уменьшению эффективности всего аппарата в целом. За каждым участком 9 (кроме последнего) с постоянным поперечным сечением следует участок 7 с периодически изменяющимся сечением, в котором колебания возбуждаются снова, и процессы переноса вновь интенсифицируются. Участки 9, обладающие постоянным сечением, просты в изготовлении и обладают невысоким гидравлическим сопротивлением. Поэтому колебания в аппарате возбуждаются "пакетами", т.е. только на участках 7. Это позволяет снизить стоимость аппарата за счет уменьшения количества сложных в изготовлении элементов 8 типа трубы Вентури и одновременно уменьшить общее гидравлическое сопротивление аппарата.

Многократная подача газа в патрубки 4 необходима в случае расходования газа в результате протекания химической реакции или вследствие его растворения в жидкости. После многократного прохождения через участки 7 и 9 трубы 6 гетерогенная система подвергается интенсивной обработке, готовый продукт сливается из трубы 6 в сборник 13 и через патрубок 14 выводится из аппарата. Общая длина трубы 6 определяется заданным временем пребывания в аппарате.

При необходимости увеличения производительности аппарата при заданном времени пребывания возможно параллельное подключение нескольких труб 6 к насосу 5 с общим выводом из них готового продукта в сборник 13.

Пример конкретного выполнения. В аппарате, схема которого показана на фиг.1, к линии всасывания насоса 5 центробежного типа подключена емкость 1, а к линии нагнетания - труба 6 длиной 86 м, состоящая из четырех участков 7 (длиной 1,5 м каждый) с периодически изменяющимся поперечным сечением и четырех участков 9 (длиной 20 м каждый) постоянного сечения. Участки 7 состоят из 10 элементов 8 типа трубы Вентури с диаметром узкой части 10 мм и диаметром широкой части 20 мм, участки 9 имеют диаметр 20 мм. Через единственный патрубок 4, расположенный в начале первого по ходу течения жидкости участка 7, компрессором (на фиг.1 не показан) подается воздух. Расход жидкости А, подаваемой насосом, составлял 6,7·10^-4 м³/с, а расход вводимого через патрубок 4 газа - 5,5·10^-5 м³/c. В емкость 1 вводились частицы твердого вещества В размером от 0,01 до 0,2 мм, вступающего в реакцию нейтрализации с жидкостью А (названия веществ А и В - условные). Расчетное время пребывания частиц в аппарате составило 37,5 с. За это время реакция завершилась практически полностью, о чем свидетельствуют проведенные эксперименты по определению кинетики процесса (в опытах менялось количество участков 7 и 9). Эксперименты на тех же веществах, проведенные в реакторе с мешалкой, показали, что в нем реакция протекает 10 мин, а в U-образном пульсационном аппарате процесс длится около 5 мин. Таким образом, в предлагаемом аппарате скорость процесса массопереноса при растворении твердых частиц, совмещенного с реакцией нейтрализации, во много раз выше, чем в известных - пульсационном U-образном аппарате и реакторе с мешалкой, что свидетельствует о его высокой эффективности. Благодаря использованию четырех участков 9 с постоянным поперечным сечением общей длиной 80 м и диаметром 20 мм достигается снижение гидравлических потерь, так как скорость жидкости на этих участках в 4 раза меньше, а их гидравлическое сопротивление - в 32 раза ниже, чем в трубе, равной длины диаметром 10 мм, и тем более ниже, чем на участках 7 с местными сопротивлениями в виде расширений и сужений потока. Кроме того, в результате использования четырех участков 9 с постоянным поперечным сечением, имеющих простую цилиндрическую форму, существенно упрощается конструкция аппарата, снижается стоимость его изготовления и сборки.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет повысить эффективность, снизить гидравлические потери и упростить конструкцию аппарата.