Патент на изобретение №2187355

(54) ПУЛЬСАЦИОННЫЙ АППАРАТ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ЖИДКОСТЯМИ КАПИЛЛЯРНО-ПОРИСТЫХ ЧАСТИЦ

(57) Реферат:

Изобретение предназначено для химической, фармацевтической, пищевой, лесохимической, гидрометаллургической промышленности. Аппарат содержит два корпуса 1, соединенных в нижней части переточным каналом 2, имеющим одинаковое с корпусами 1 проходное сечение. Корпусы 1 в верхней части герметично закрыты крышками 3. В нижней части установлено откидное днище 4 с ложным днищем 5, проницаемым для жидкости. Патрубок 6 служит для слива экстракта. К одному из корпусов 1 подключен побудитель давления 8. В аппарат загружена обрабатываемая суспензия 9. Аппарат снабжен дополнительно кольцевыми камерами 10, внешняя стенка которых непроницаема. Камеры 10 отделены от основного объема аппарата перфорированными перегородками 11. Длина камер 10 в осевом направлении – 0,2-1 от диаметра корпусов 1, расстояние Н между камерами 10-(0,5-2) от диаметра корпусов. К верхней части каждого корпуса 1 подключены входные патрубки 12 перепускных клапанов 13, выпускные патрубки 14 которых соединены с кольцевыми камерами 10 трубопроводами 15. Газонаполненные подушки 19 под крышками 3 играют роль упругих элементов в процессе колебаний. Аппарат может содержать более двух корпусов. Аппарат надежен в эксплуатации за счет исключения пробкообразования и эффективен при проведении процессов экстракции. 3 з.п.ф-лы, 6 ил., 1 табл.

Предлагаемое изобретение может быть использовано для проведения процессов обработки жидкостями капиллярно-пористых частиц, например пропитки, промывки, экстрагирования, выщелачивания, и может быть использовано в химической, фармацевтической, пищевой, лесохимической, гидрометаллургической и других отраслях промышленности.

Известен аппарат для обработки жидкостями капиллярно-пористых частиц (МПК 6 B 01 D 11/02, 12/00 пат. РФ 2077362), содержащий один или более одинаковых корпусов, побудитель колебаний давления, технологические патрубки, в каждом корпусе симметрично размещены содержащие обрабатываемую суспензию одинаковые камеры с проницаемыми для жидкости днищами, соединенные друг с другом в нижней части, а в верхней части камеры заглушены и, по меньшей мере, одна из них соединена с побудителем колебаний давления. В известном аппарате нерационально используется его рабочий объем, т.к. существуют зоны (днища, соединительные трубы), не заполненные сырьем – капиллярно-пористыми частицами.

При движении жидкости вниз в известном аппарате сквозь зернистый слой, лежащий на проницаемом днище, происходит его прижатие к днищу, сопровождающееся уменьшением объемной доли пор и их эквивалентного размера, что приводит к резкому увеличению гидравлического сопротивления зернистого слоя. В случае обработки сильно сжимаемых частиц, обладающих значительным внутренним и внешним трением, может образоваться трудно разрушаемый плотный слой, обладающий чрезвычайно большим гидравлическим сопротивлением – “пробка”. Это, в свою очередь, может вести не только к нарушению резонансного режима колебаний, но и к полной остановке колебаний жидкости в аппарате, что резко снижает эффективность аппарата и его надежность, поскольку массоперенос будет проходить в чисто диффузионной области внутри сильно уплотненного, трудно разрушаемого зернистого слоя. Разрушение пробки для удаления частиц из аппарата без проведения специальных мероприятий не представляется возможным.

Технический результат предлагаемого изобретения – рациональное использование объема аппарата, повышение эффективности устройства и надежности его работы.

Нужный результат достигается тем, что в пульсационном аппарате для обработки жидкостями капиллярно-пористых частиц, содержащем два или более одинаковых корпусов, соединенных друг с другом в нижней части, побудитель колебаний давления и технологические патрубки, корпусы в нижней части соединены переточным каналом, имеющим одинаковое с ними проходное сечение, при этом стенки корпусов и переточного канала снабжены кольцевыми камерами, наружная стенка которых непроницаема, а стенка между камерами и основным объемом аппарата проницаема для жидкости и непроницаема для твердых частиц, длина камер в осевом направлении лежит в диапазоне 0,2-1 от диаметра корпусов, а расстояние между ними составляет 0,5-2 от диаметра корпусов.

Нужный результат достигается также тем, что стенки корпусов и переточного канала снабжены кольцевыми камерами, наружная стенка которых непроницаема, а стенка между камерами и основным объемом аппарата проницаема для жидкости и непроницаема для твердых частиц, расстояние между камерами находится в пределах 0,5-2 от диаметра корпусов, причем к верхней части каждого из корпусов подключены входные патрубки перепускных клапанов, выпускные патрубки которых соединены с кольцевыми камерами, а к верхним частям корпусов подключены дифференциальные манометры, управляющий сигнал с которых подается на перепускные клапаны.

На фиг.1, 3-5 показаны варианты реализации аппарата, содержащего два корпуса 1, на фиг.2 – три корпуса 1, соединенные в нижней части переточным каналом 2, имеющим одинаковое с корпусами проходное сечение. В верхней части корпусы 1 герметично закрыты крышками 3, в нижней части установлено откидное днище 4 с ложным днищем 5, проницаемым для жидкости. Для слива экстракта служит патрубок 6, снабженный вентилем 7. К одному из корпусов в верхней части подключен побудитель колебаний давления 8, например цилиндр с поршнем. В аппарат загружена обрабатываемая суспензия 9.

На фиг.3 показан вариант исполнения аппарата, снабженного кольцевыми камерами 10, отделенными от основного объема аппарата проницаемыми для жидкости и непроницаемыми для твердых частиц, например перфорированными, перегородками 11. Длина L камер 10 в осевом направлении находится в диапазоне 0,2-1 от диаметра D корпусов, а расстояние Н между ними составляет 0,5-2 от диаметра корпусов.

На фиг. 4 показан вариант исполнения аппарата, снабженного кольцевыми камерами 10, отделенными от основного объема аппарата проницаемыми для жидкости и непроницаемыми для твердых частиц перегородками 11, причем расстояние Н между кольцевыми камерами 10 составляет 0,5-2 от диаметра D корпусов. К верхней части каждого из корпусов подключены входные патрубки 12 перепускных клапанов 13, выпускные патрубки 14 которых соединены с кольцевыми камерами 10 при помощи трубопроводов 15.

На фиг. 5 показан вариант исполнения аппарата, аналогичного показанному на фиг.4. К входным патрубкам 12 управляемых перепускных клапанов 16, выпускные патрубки 14 которых соединены с кольцевыми камерами 10 при помощи трубопроводов 15. Особенность данного аппарата – подключенный к верхним частям корпусов 1, например, через патрубки 12 дифференциальный манометр 17, сигнал с которого усиливается усилителем 18 и передается на управляемые перепускные клапаны 16.

Во всех аппаратах в пространстве между зеркалом жидкости и крышками 3 образуются газонаполненные подушки 19, играющие роль упругих элементов в процессе колебаний (далее – упругие элементы, УЭ). Роль инерционного элемента выполняет суспензия 9.

Аппараты работают следующим образом. После загрузки в аппарат (в корпусы 1 и переточный канал 2) исходных компонентов – капиллярно-пористых частиц и экстрагента – крышки 3 герметизируют. При включении побудителя колебаний давления 8 в правом (для фиг.2 – в центральном) газонаполненном упругом элементе 19 давление быстро возрастает, под действием возникшего перепада давлений суспензия передавливается из правого корпуса 1 в левый (для фиг.2 – из центрального в периферийные), уровень жидкости в левом (для фиг.2 – в периферийных) УЭ 19 поднимается, газ в нем (в них) сжимается. На стадии сброса давления в побудителе колебаний 8 перепад давления меняет знак, под действием повышенного давления в левом (для фиг.2 – в периферийных) УЭ 19 суспензия перетекает обратно из левого корпуса 1 в правый (для фиг.2 – из периферийных корпусов 1 в центральный). Благодаря разнице плотностей жидкости и капиллярно-пористых частиц происходит их проскальзывание, выражающееся в том, что амплитуда колебаний жидкости (как менее плотной среды) превышает амплитуду колебаний частиц. Такое поведение суспензии способствует выравниванию концентраций извлекаемого вещества в объеме аппарата, т.е. интенсифицируется внешняя массоотдача от поверхности частиц. Интенсификация внутреннего массопереноса (например, для процесса экстрагирования) обеспечивается тем, что под действием избыточного давления жидкость проникает глубоко в поры капиллярно-пористых частиц, насыщается извлекаемым веществом и на стадии сброса давления покидает поры, обладая высокой концентрацией.

При установлении частоты изменений давления побудителя колебаний давления 8, равной или близкой к собственной частоте колебаний колебательной системы “суспензия 9 (инерционный элемент) и газонаполненные упругие элементы 19” в системе могут возникать резонансные колебания, выражающиеся в резком увеличении амплитуды колебаний среды, что дополнительно ускоряет процессы обработки.

После окончания процесса при открытом вентиле 7 сливают жидкость через патрубок 6, затем откидывают днище 4 и выгружают обработанные частицы.

В случае обработки сильно сжимаемых частиц либо частиц, обладающих значительным внутренним и внешним трением, образованию “пробки” препятствуют следующие факторы. Соединение корпусов в нижней части переточным каналом, имеющим одинаковое с ними проходное сечение уменьшает вероятность пережатия слоя частиц. Наличие кольцевых камер приводит к перераспределению потоков жидкости (показаны стрелками на фиг.6) уже в начале процесса уплотнения слоя частиц. Часть жидкости, фильтрующейся через слой частиц, достигая края проницаемой перегородки 11, движется через эту перегородку, попадая сначала в кольцевую камеру 10, и далее из нее – в направлении, противоположном радиальному, снова проникает в слой частиц, способствует образованию радиальных сжимающих напряжений. Возникающее при этом перераспределение механических напряжений в слое частиц (радиальные напряжения _г– сжимающие, осевые _z– растягивающие) способствует расширению слоя частиц вдоль оси аппарата, снижает радиальные распорные усилия со стороны частиц на стенки аппарата, а также силы трения между частицами и стенками аппарата. В целом этот процесс препятствует пробкообразованию. Выполнение длины L камер 10 в осевом направлении в диапазоне 0,2-1 от диаметра D корпусов обеспечивает условия для проникновения жидкости внутрь камер и дальнейший ее выход в слой частиц (большие значения относятся к более крупным частицам и менее вязкой жидкости, меньшие – к мелким частицам и более вязкой жидкости). Выполнение расстояния Н между камерами 0,5-2 от диаметра корпусов гарантирует несущественное возрастание осевых напряжений в слое частиц в межкамерных участках аппарата (меньшие значения относятся к частицам, обладающим большими коэффициентами внутреннего и внешнего трения, большие – к частицам, обладающим малыми коэффициентами внутреннего и внешнего трения).

Пробкообразованию препятствует также подключение к верхним частям аппаратов входных патрубков перепускных клапанов 13 или 16 (см. фиг.4 и 5 соответственно). При формировании пробки гидравлическое сопротивление слоя частиц резко возрастает. При этом давление в УЭ 19 также сильно увеличивается. Тогда подключенный к нему перепускной клапан 13 открывается, перепуская давление в кольцевые камеры 10. Жидкость импульсно движется в направлении, противоположном радиальному, способствуя снижению радиальных напряжений, препятствуя тем самым уплотнению “пробки”. В аппарате, показанном на фиг.5, при достижении перепада давлений между УЭ 19 выше определенного значения сигнал с дифференциального манометра 17, усиленный усилителем 18, превышает заданное критическое значение, и соответствующий клапан 16 (соединенный с тем УЭ 19, где давление выше) открывается, перепуская давление в кольцевые камеры 10. Проникающая из кольцевых камер 10 сквозь перегородки 11 жидкость препятствует возникновению пробки. Выполнение расстояния Н между камерами 0,5-2 от диаметра корпусов гарантирует несущественное возрастание осевых напряжений в слое частиц в межкамерных участках аппарата (меньшие значения относятся к частицам, обладающим большими коэффициентами внутреннего и внешнего трения, большие – к частицам, обладающим малыми коэффициентами внутреннего и внешнего трения).

Пример конкретного выполнения. Предлагаемые способ и устройство были проверены в лабораторных условиях на стеклянном лабораторном аппарате диаметром 35 мм и длиной (по осевой линии) 700 мм, схема которого соответствует фиг. 1, на примере процесса экстрагирования из дробленых ягод боярышника в 70% раствор этанола. В аппарат загружали 100 г боярышника, заполняли аппарат раствором этанола и оставляли на Т часов для замачивания. Затем включали побудитель колебаний давления и проводили процесс экстрагирования в течение 20-34 мин. После слива полученной настойки в аппарат добавляли новую порцию экстрагента и сразу включали побудитель колебаний давления (всего 4 ступени процесса). Полученные на всех ступенях настойки смешивали, всего получено 1 л настойки. Результаты экспериментов и анализа проб для трех серий показаны в таблице.

Из таблицы видно, что во всех случаях содержание действующих веществ – флавоноидов, а также масса сухого остатка в полученной настойке в 3-5 раз выше нормы, а содержание спирта – не ниже нормы.

Это свидетельствует о высокой эффективности предлагаемого устройства. Наблюдения за колебаниями суспензии показали, что пробкообразование в аппарате не происходит, что подтверждает высокую надежность предлагаемого изобретения.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет добиться вышеуказанного технического результата.

Формула изобретения

1. Пульсационный аппарат для обработки жидкостями капиллярно-пористых частиц суспензий, содержащий два или более одинаковых корпусов, соединенных друг с другом в нижней части, побудитель колебаний давления и технологические патрубки, отличающийся тем, что корпусы в нижней части соединены переточным каналом, имеющим одинаковое с ними проходное сечение.

2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что стенки корпусов и переточного канала снабжены кольцевыми камерами, наружная стенка которых непроницаема, а стенка между камерами и основным объемом аппарата проницаема для жидкости и непроницаема для твердых частиц, причем длина камер в осевом направлении лежит в диапазоне 0,2-1 от диаметра корпусов, а расстояние между ними составляет 0,5-2 от диаметра корпусов.

3. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что стенки корпусов и переточного канала снабжены кольцевыми камерами, наружная стенка которых непроницаема, а стенка между камерами и основным объемом аппарата проницаема для жидкости и непроницаема для твердых частиц, расстояние между камерами находятся в пределах 0,5-2 от диаметра корпусов, причем к верхней части каждого из корпусов подключены входные патрубки перепускных клапанов, выпускные патрубки которых соединены с кольцевыми камерами.

4. Аппарат по п.3, отличающийся тем, что к верхним частям корпусов подключены дифференциальные манометры, управляющий сигнал с которых подается на перепускные клапаны.

РИСУНКИ

MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 10.08.2006

Извещение опубликовано: 7.06.2007 БИ: 18/2007