RU2050918C1 - Heat-exchanging apparatus - Google Patents

Abstract

FIELD: chemical industry. SUBSTANCE: apparatus has housing separated by vertical baffle 2, pulsation chamber 3 connected with the pressure pulse source through branch pipe 4, hopper 5, connecting rods 6 and 7, device 8 for discharging solid dispersion provided with discharging chute 9, and connecting pipe 10. Hoper 5 consists of housing, hatch 11, connecting pipes 12 and 13, and screw of the feeder with drive 14. EFFECT: enhanced efficiency. 3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к аппаратам для проведения тепломассообменных процессов в высококонцентрированных суспензиях в химической, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности, связанных с обработкой твердых дисперсий растительного, животного, минерального и химического происхождения. The invention relates to apparatus for conducting heat and mass transfer processes in highly concentrated suspensions in the chemical, pharmaceutical, food and other industries related to the processing of solid dispersions of plant, animal, mineral and chemical origin.

Известен пульсационный экстрактор для проведения массообменых процессов жидкофазных смесях и разбавленных суспензиях, включающий U-образную экстракционную колонку с равновеликим (по всей длине рабочей зоны) поперечным сечением с двумя пульсационными камерами в верхней части ее колен, с патрубками для подвода двух полупериодных пневматических импульсов, контактными устройствами (тарелками), поперечно секционирующими рабочую зону аппарата, по два патрубка по концам каждого колена для подачи и отвода потоков дисперсионной и дисперсной сред. Known pulsation extractor for mass transfer processes of liquid-phase mixtures and diluted suspensions, including a U-shaped extraction column with an equal (along the entire length of the working zone) cross section with two pulsation chambers in the upper part of its knees, with nozzles for supplying two half-period pneumatic pulses, contact devices (plates), transversely sectioning the working area of the apparatus, two nozzles at the ends of each elbow for supplying and discharging dispersion and dispersed flows wednesday

Недостатком аппарата является невысокая эффективность при проведении в нем процессов тепломассообмена с твердыми дисперсиями из-за их низкой концентрации и неразвитой удельной поверхности массопередачи. Традиционное наложение симметричных пульсаций с частотой 0,5-1,5 Гц и амплитудой 0,03-0,05 м на контактирующие потоки сред не оказывает существенного влияния ни на интенсивность процесса, ни на эффективность использования рабочего объема аппарата. Пульсации оказывают влияние на интенсивность массообмена главным образом за счет интенсификации массопереноса в пограничных слоях жидкой среды. Работоспособность аппарата ограничивается концентрациями суспензии до 20 и размерами твердых частиц до 10^-3 м. Наложение пульсаций приводит к снижению предельных технологических скоростей сред на 10-20
Близок по характерным признакам к предлагаемому изобретению пульсационный экстрактор, включающий цилиндрический корпус с установленным в нем коаксиальным цилиндром с поперечным сечением меньше кольцевого сечения, образуемого им с корпусом, патрубок на коаксиальном цилиндре для подвода однонаправленных пневматических импульсов давления, патрубки для подвода и отвода дисперсионной и дисперсной сред, контактные устройства, поперечно секционирующее кольцевое пространство аппарата.The disadvantage of the apparatus is its low efficiency when conducting heat and mass transfer processes with solid dispersions in it due to their low concentration and undeveloped specific surface area of mass transfer. The traditional application of symmetric pulsations with a frequency of 0.5-1.5 Hz and an amplitude of 0.03-0.05 m on the contacting media flows does not significantly affect the process intensity or the efficiency of using the working volume of the apparatus. Pulsations affect the intensity of mass transfer mainly due to the intensification of mass transfer in the boundary layers of a liquid medium. The performance of the apparatus is limited by suspension concentrations up to 20 and the size of solid particles up to 10 ^-3 m. Applying pulsations leads to a decrease in the limiting technological speeds of the media by 10-20
The pulsed extractor, which is close in characteristic features to the present invention, includes a cylindrical body with a coaxial cylinder installed in it with a cross section smaller than the annular section formed by it with the body, a nozzle on the coaxial cylinder for supplying unidirectional pneumatic pressure pulses, nozzles for supplying and discharging dispersion and dispersion media, contact devices, transversely sectioning the annular space of the apparatus.

Вместе с отмеченными выше недостатками в этом аппарате неэффективно используется его рабочий объем. Процесс протекает только в рабочей зоне кольцевого пространства. Together with the disadvantages noted above, in this device its working volume is inefficiently used. The process proceeds only in the working area of the annular space.

Потеря работоспособности известных конструкций пульсационных аппаратов с ростом концентрации и размера частиц твердой дисперсии связано с качественными изменениями рабочей среды. При концентрациях твердой дисперсии 20 и более на свойствах рабочей среды начинает проявляться взаимодействие частиц твердой дисперсии. Рабочая смесь приобретает свойства текучих гранулированных сред, в которых при сдвиге возникают дисперсионное давление и трение на стенках канала, связанные законом Кулона. The loss of operability of the known designs of pulsating devices with increasing concentration and particle size of solid dispersion is associated with qualitative changes in the working environment. At concentrations of solid dispersion of 20 or more, the interaction of particles of solid dispersion begins to manifest itself on the properties of the working medium. The working mixture acquires the properties of granular fluids in which dispersion pressure and friction occur on the channel walls due to the Coulomb law during shear.

В этом случае любое сужение канала может привести к образованию пробок. Устойчивое равномерное управление технологическими потоками взаимодействующих сред становится невозможным. In this case, any narrowing of the channel can lead to the formation of plugs. Sustainable uniform control of technological flows of interacting media becomes impossible.

Задача изобретения повышение эффективности процесса тепломассообмена в высококонцентрированных суспензиях за счет использования для технологического транспортирования твердой дисперсии эффектов пульсационного течения гранулированной среды, легкой управляемости потоками контактирующих сред и режимами проведения процесса, а также создание близких к оптимальным условий для тепломассообмена. The objective of the invention is to increase the efficiency of the heat and mass transfer process in highly concentrated suspensions due to the use for the technological transportation of a solid dispersion of the effects of the pulsating flow of a granular medium, easy controllability of the flows of contacting media and the modes of the process, as well as the creation of conditions close to optimal for heat and mass transfer.

Гидродинамические условия процесса, концентрация твердой дисперсии, режимы движения рабочей смеси определяют выбор конструктивной схемы аппарата и его основных геометрических и режимных параметров. Одним из вариантов конструктивного оформления аппарата, обеспечивающим формирование в нем гранулированной среды, устойчивой к внешним возмущениям, является полый U-образный канал с сечением колен, отвечающим соотношению S₁<S₂. Колено с сечением S₁ является приемным, а колено с сечением S₂ отводящим для твердой фазы. Технологическое транспортирование твердой дисперсии происходит при пульсационном воздействии импульсами давления на гранулированную среду через приемное колено аппарата. Импульс давления совершает работу по преодолению сил трения среды и созданию перепада столбов жидкости в коленах канала. За счет этого перепада происходит возврат ее к исходному уровню в режиме фильтрации через неподвижный слой твердой дисперсии. В первом приближении местным гидравлическим сопротивлением при переходе из одного колена аппарата в другое можно пренебречь, и величина импульса давления определяется из условия равенства нулю импульса сил, действующих на среду во время движения. Поэтому после некоторых упрощений имеем выражение
<Δ_p>D₁-9,0

L₁+

L

-<ρ>gD₁<h

-h₁>= 0 где в скобках обозначены средние значения заключенных в них величин; Δ р избыточное давление в секции приемного колена с диаметром D₁; V₁ -V скорость в канале с диаметром D₁; h₂ и h₁ средние уровни среды в отводящем втором и первом приемном каналах в начале и в конце ее движения; D₂ диаметр отводящего канала; ρ, η плотность и вязкость среды; L₁₍₂₎ длины колен; d средний диаметр частиц; λ l/[C_o/C)^1/2-l] где С_о ≃ 0,75 максимальная концентрация твердой дисперсии.The hydrodynamic conditions of the process, the concentration of solid dispersion, the modes of motion of the working mixture determine the choice of the structural design of the apparatus and its main geometric and operational parameters. One of the options for the design of the apparatus, which ensures the formation of a granular medium in it that is resistant to external disturbances, is a hollow U-shaped channel with a cross-section of the knees corresponding to the relation S ₁ <S ₂ . An elbow with a cross-section S ₁ is a receiving one, and an elbow with a cross-section S _{2 is an} outlet for the solid phase. Technological transportation of solid dispersion occurs during pulsation exposure by pressure pulses to a granular medium through the receiving elbow of the apparatus. The pressure impulse does the work to overcome the friction forces of the medium and create a differential column of fluid in the elbows of the channel. Due to this difference, it returns to its original level in the filtering mode through a fixed layer of solid dispersion. As a first approximation, the local hydraulic resistance during the transition from one knee of the apparatus to another can be neglected, and the magnitude of the pressure impulse is determined from the condition that the momentum of the forces acting on the medium equal to zero during movement. Therefore, after some simplifications, we have the expression
<Δ _p > D ₁ -9.0

L ₁ +

L

- <ρ> gD ₁ <h

-h ₁ > = 0 where in parentheses are the average values of the values contained in them; Δ p overpressure in the section of the receiving elbow with a diameter of D ₁ ; V ₁ -V speed in the channel with a diameter of D ₁ ; h ₂ and h ₁ average levels of the medium in the outlet second and first receiving channels at the beginning and at the end of its movement; D _{2 the} diameter of the outlet channel; ρ, η density and viscosity of the medium; L _{1 (2) the} length of the knees; d average particle diameter; λ l / [C _o / C) ^1/2 -l] where C _o ≃ 0.75 is the maximum concentration of solid dispersion.

На фиг. 1 представлена конструктивная схема тепломассообменного аппарата; на фиг. 2 вид А на фиг. 1, аппарат с гравитационной эвакуацией твердой дисперсии (вариант I). In FIG. 1 shows a structural diagram of a heat and mass transfer apparatus; in FIG. 2, view A in FIG. 1, apparatus with gravitational evacuation of solid dispersion (option I).

Аппарат состоит из корпуса 1, разделенного вертикальной перегородкой 2, наглухо соединенной с верхним днищем аппарата, пульсационной камеры 3, соединенной через патрубок 4 с источником импульсов давления, бункера смесителя 5 твердой дисперсии с выходящим потоком дисперсионной среды, штуцеров 6,7 для подачи твердой дисперсии и отвода дисперсионной среды, устройства 8 для эвакуации твердой дисперсии, выполненного в виде примыкающего к верхнему днищу окна в боковой стенке аппарата с отводящим лотком 9 (вариант I), или бункера приемника со шнеком и приводом (вариант II), штуцера 10 для подачи дисперсионной среды. The apparatus consists of a housing 1, separated by a vertical partition 2, tightly connected to the upper bottom of the apparatus, a pulsation chamber 3, connected through a pipe 4 to a source of pressure pulses, a hopper of a mixer 5 of solid dispersion with an output stream of a dispersion medium, fittings 6,7 for supplying solid dispersion and removal of the dispersion medium, a device 8 for evacuation of solid dispersion, made in the form of a window adjacent to the upper bottom of the window in the side wall of the apparatus with a discharge tray 9 (option I), or a receiver hopper with a screw and drive (option II), fitting 10 for supplying a dispersion medium.

Бункер-смеситель 5 состоит из корпуса, люка 11, штуцеров 12 и 13 для отвода и приема экстракта, шнека питателя с приводом 14. The hopper-mixer 5 consists of a housing, a hatch 11, fittings 12 and 13 for removal and reception of the extract, a feeder screw with a drive 14.

Аппарат работает следующим образом. The device operates as follows.

Устанавливается заданный расход дисперсионной среды через штуцера 10, 12 и 13. Через люк 11 загружается твердая дисперсия и шнеком-питателем 14 подается через штуцер 6 в аппарат. Подача твердой дисперсии осуществляется при подаче через штуцер 4 расчетных импульсов. При загрузке аппарата твердой дисперсией отводится избыточный объем жидкости. При достижении предельной концентрации твердой дисперсии в аппарате формируется гранулированная среда, которая перемещается под воздействием импульсов давления в отводящее колено канала. По мере перемещения твердой дисперсии к выгружному устройству 9 выше уровня дисперсионной среды формируется уплотненный слой дисперсии в виде "пробки" свободной от дисперсионной среды (жидкости). При достижении "пробки" нижнего среза выгружного окна происходит разрушение ее и эвакуация в отводящий лоток 9 или в бункер-приемник. A predetermined flow rate of the dispersion medium is established through the nozzle 10, 12 and 13. A solid dispersion is loaded through the hatch 11 and fed by a screw feeder 14 through the nozzle 6 into the apparatus. The supply of solid dispersion is carried out when 4 calculated impulses are supplied through the nozzle. When the apparatus is loaded with a solid dispersion, an excess volume of liquid is discharged. When the maximum concentration of solid dispersion is reached, a granular medium is formed in the apparatus, which moves under the influence of pressure pulses into the outlet bend of the channel. As the solid dispersion moves to the discharge device 9 above the level of the dispersion medium, a densified dispersion layer is formed in the form of a “plug” free from the dispersion medium (liquid). When the “plug” of the lower cut of the discharge window is reached, it is destroyed and evacuated to the discharge tray 9 or to the receiver hopper.

Движение гранулированной среды происходит со скоростями, на два порядка превышающими скорость псевдоожижения. Твердая дисперсия движется в режиме, близком к поршневому, за исключением пристенных слоев с толщиной примерно 5 d. При движении частицы совершают хаотическое движение относительно друг друга. The movement of the granular medium occurs at speeds two orders of magnitude higher than the rate of fluidization. The solid dispersion moves in a mode close to the piston, with the exception of wall layers with a thickness of about 5 d. When moving, particles make a random movement relative to each other.

Гидродинамика гранулированных сред в последние десятилетия привлекает внимание исследователей. Результаты этих исследований хорошо согласуются с наблюдаемой в исследованных моделях гидродинамикой и сопутствующим эффектам. Экспериментальные измерения и расчеты импульсов давления, их продолжительность дают значения рабочих давлений порядка 500-1000 Па, при отношении времени его приложения к времени возврата дисперсионной среды к исходному уровню от единицы и менее. Продолжительность действия импульса давления на среду находится в пределах 0,1-5 с. The hydrodynamics of granular media in recent decades has attracted the attention of researchers. The results of these studies are in good agreement with the hydrodynamics observed in the studied models and the concomitant effects. Experimental measurements and calculations of pressure pulses, their duration give values of working pressures of the order of 500-1000 Pa, with the ratio of the time of its application to the time of return of the dispersion medium to the initial level of one or less. The duration of the pressure pulse on the medium is in the range of 0.1-5 s.

Claims (3)

1.Тепломассообменный аппарат, состоящий из корпуса с рабочей зоной, выполненный в виде U-образного канала, штуцеров для подвода и отвода дисперсии и дисперсионной среды, штуцеров для подачи и стравливания пневматических импульсов давления, отличающийся тем, что он снабжен устройством для отвода твердой дисперсии, корпус снабжен вертикальной перегородкой, установленной с образованием U-образного канала с сечениями колен, отвечающими условию S₁ ≅ S₂, где S₁ сечение приемного колена, S₂ - отводного, при этом на верхнем глухом конце колена с меньшим сечением S₁ размещены штуцеры подвода твердой дисперсии, отвода дисперсионной среды, подачи и стравливания пневматических импульсов давления, а на колене с большим сечением S₂ устройство для отвода твердой дисперсии и штуцер подачи дисперсионной среды с установкой уровня нижнего среза устройства для отвода твердой дисперсии выше максимально допустимого уровня дисперсионной среды в этом колене.1. Heat and mass transfer apparatus, consisting of a housing with a working area, made in the form of a U-shaped channel, fittings for supplying and discharging dispersion and dispersion medium, fittings for supplying and bleeding pneumatic pressure pulses, characterized in that it is equipped with a device for removing solid dispersion , the casing is equipped with a vertical partition installed with the formation of a U-shaped channel with knee sections corresponding to the condition S ₁ ≅ S ₂ , where S _{1 is the} section of the receiving knee, S ₂ is the branch, while at the upper blind end of the knee with The larger section S ₁ contains the fittings for supplying solid dispersion, the removal of the dispersion medium, and the supply and release of pneumatic pressure pulses, and on the elbow with a large cross-section S _{2, the} device for removing the solid dispersion and the nozzle for supplying the dispersion medium with the lower cutoff level of the device for removing the solid dispersion are higher the maximum allowable level of dispersion medium in this elbow. 2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что характерная величина импульса давления определяется уравнением

где в скобках обозначены средние значения заключенных в них величин;
ΔP избыточное давление в секции приемного колена диаметром D₁;
v₁ скорость в канале диаметром D₁;
h₂ и h₁ средние уровни среды в отводящем втором и первом приемном каналах в начале и в конце ее движения;
D₂ диаметр отводящего канала;
ρ и η плотность и вязкость среды;
d средний диаметр частиц;
λ = 1/[C_o/C)^1/2-1],
где C_o≃ 0,75 максимальная концентрация твердой дисперсии.2. The apparatus according to claim 1, characterized in that the characteristic value of the pressure pulse is determined by the equation

where the average values of the quantities enclosed in them are indicated in brackets;
ΔP overpressure in the section of the receiving elbow with a diameter of D ₁ ;
v ₁ speed in the channel with a diameter of D ₁ ;
h ₂ and h ₁ average levels of the medium in the outlet second and first receiving channels at the beginning and at the end of its movement;
D _{2 the} diameter of the outlet channel;
ρ and η are the density and viscosity of the medium;
d average particle diameter;
λ = 1 / [C _o / C) ^1/2 -1],
where C _o ≃ 0.75 is the maximum concentration of solid dispersion. 3. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что он снабжен бункером-смесителем для предварительного насыщения твердой дисперсии отводимым потоком дисперсионной среды, сообщенным с штуцерами для подвода твердой дисперсии и отвода дисперсионной среды. 3. The apparatus according to claim 1, characterized in that it is equipped with a hopper-mixer for pre-saturation of the solid dispersion with a discharge stream of the dispersion medium in communication with the fittings for supplying solid dispersion and removal of the dispersion medium.

Images