аппарат для противоточного контактирования зернистой и жидкой фаз

Формула изобретения

1. Аппарат для противоточного контактирования зернистой и жидкой фаз, включающий цилиндрический корпус с днищем, дренажные кассеты в корпусе, распределитель исходной жидкой фазы, снабженный отверстиями с тангенциальными направляющими, расположенными горизонтально ярусами, трубы и патрубки ввода исходных и вывода отработанных жидкой и зернистой фаз, загрузочный бункер для исходной зернистой фазы и переливной карман с циркулятором, отличающийся тем, что аппарат дополнительно содержит по крайней мере один стабилизатор нисходящего потока зернистой фазы, выполненный в виде решетки, расположенной в поперечном сечении цилиндрического корпуса над распределителем исходной жидкой фазы, а также разгрузочно-разделительно-транспортное устройство, выполненное в виде камеры, снабженной в нижней части дренажем с патрубком вывода жидкой фазы, патрубками для ввода и вывода зернистой фазы и воздушной трубой, соединяющей камеру с атмосферой и снабженной патрубком для подачи жидкой фазы, причем патрубок камеры для ввода зернистой фазы соединен с патрубком разгрузочной трубы для вывода отработанной зернистой фазы из цилиндрического корпуса через запорное устройство, тангенциальные направляющие распределителя исходной жидкой фазы выполнены в виде подвижных элементов, патрубок вывода отработанной жидкой фазы расположен выше верхнего уровня дренажных кассет, но не выше центрального патрубка ввода исходной зернистой фазы.

2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что размер ячеек решетки и их высота сопоставимы с диаметрами патрубков для ввода и вывода зернистой фазы в цилиндрический корпус и из него.

3. Аппарат по пп.1, 2, отличающийся тем, что подвижные элементы тангенциальных направляющих распределителя исходной жидкой фазы установлены на его наружной поверхности и подпружинены.

4. Аппарат по пп.1 - 3, отличающийся тем, что верхний конец трубы камеры разгрузочно-разделительно-транспортного устройства расположен выше уровня верха загрузочного бункера исходной зернистой фазы на величину, определяемую гидродинамическим сопротивлением жидкой фазы в период транспорта отработанной зернистой фазы из этого устройства.

5. Аппарат по пп.1 - 4, отличающийся тем, что патрубок для ввода жидкой фазы в трубу камеры разгрузочно-разделительно-транспортного устройства расположен на уровне излива жидкой фазы из дренажных кассет цилиндрического корпуса аппарата.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к аппаратам для осуществления противоточного массообмена между зернистой и жидкой фазами, разделения твердой и жидкой фаз и транспорта зернистой фазы на последующую стадию процесса и может быть использовано в химической, гидрометаллургической, фармацевтической промышленности и других отраслях народного хозяйства.

Известен аппарат с противоточным движением фаз, содержащий решетку с козырьком, устройство для выгрузки зернистой фазы, распределитель жидкой фазы (авт. свид. СССР N 850116. Адсорбер для очистки сточных вод. М.Г.Тарнопольская, И.А.Асауленко и др. Заяв. N 2845234/23-26. Опубл. Б.И. N 28, 1981 г. МКИ B 01 D 15/02). Существенными недостатками такого аппарата являются продольное перемещение слоя зернистой фазы в период ее выгрузки из аппарата по причине неравномерного обрушения и перемещения его в реакционной зоне, а также образование перекосов лобового слоя зернистой фазы в момент подачи исходной жидкой фазы из-за неравномерного поля скоростей. Из-за несовершенства распределения системы необходима большая высота аппарата, что приводит к значительному увеличению гидравлического сопротивления и неоправданному увеличению загрузки зернистой фазы.

Известен контактор, содержащий дренаж, переливной карман с патрубком, который соединен с загрузочным бункером циркуляционным трубопроводом (авт. свид. СССР N 446284. Аппарат для непрерывного ионообмена. Ю.В.Иванов и др. Заявл. 05.06.1975 г., N 1792003/23-26. Опубл. Б.И. N 38, 1974 г. МКИ B 01 D 15/04). К недостаткам этого аппарата относится все, что было сказано выше, а также невозможность обеспечения постоянного залива отработанной жидкой фазы в бункере, т. к. в патрубок в период загрузки зернистой фазы из аппарата прекращается подача жидкой фазы.

Известно устройство для гидравлической выгрузки зернистой фазы из аппаратов, содержащее емкость с перфорированной перегородкой, с патрубками для подачи сжатого газа, жидкой фазы и отвода зернистой фазы (авт. свид. СССР N 634776. Устройство для выгрузки зернистого материала из массообменного аппарата. А.А.Кавера и др. Заявл. 17.02.1975 г., N 2106375/23-26. Опубл. Б.И. N 44, 1978 г. МКИ B 01 J 4/00). Существенным недостатком данного устройства является сложность конструкции и ее технического обслуживания в процессе эксплуатации; оно также не обеспечивает быструю выгрузку зернистой фазы из аппарата из-за отсутствия сообщения с атмосферой разгрузочной камеры, надежное разделение зернистой и жидкой фаз и транспорт отработанный зернистой фазы другими жидкостями ввиду прямого сообщения реакционной зоны аппарата и камеры разгрузочного устройства.

Наиболее близким к заявляемому аппарату по технической сущности и достигаемому результату является аппарат, содержащий цилиндрический корпус, в верхней части которого установлены дренажные кассеты, загрузочный бункер, снабженный клапанным устройством, переливной карман с патрубком, днище, к которому прикреплен распределитель исходной жидкой фазы с отверстиями, снабженными тангенциальными направляющими, и трубой для отвода газов из распределителя, трубу для разгрузки зернистой фазы, в которую заведена труба для дополнительной подачи жидкой фазы, нижняя часть которой размещена внутри днища аппарата, а верхняя выведена за его пределы (авт. свид. СССР N 1662674. Аппарат для контактирования зернистой и жидкой фаз. Д.А.Ястребов и др. Заявл. 12.06.1989 г. , N 4703363/26. Опубл. БИ N 26, 1991, МКИ B 01 J 47/10). Однако следует отметить, что ухудшение массообменных показателей этого аппарата происходит из-за отсутствия в нем устройства для стабилизации нисходящего потока зернистой фазы в период разгрузки, устройства дозированной выгрузки с последующим разделением зернистой и исходной жидкой фаз и транспорта отработанной зернистой фазы в загрузочный бункер последующего аппарата с помощью отработанной транспортной жидкой фазы из этого аппарата, а также невозможности поддержания равномерного поля скоростей исходной жидкой фазы на выходе из распределителя для предотвращения проникновения зернистой фазы во внутрь распределителя в периоды отключения, пуска или изменения расхода жидкой фазы, так как сечение отверстий с тангенциальными направляющими постоянно, и ухудшения фильтрационных свойств дренажных кассет в корпусе по причине их постепенной забивки мелкой фазой зернистого материала.

Цель изобретения - повышение эффективности массообмена в аппарате и как следствие этого - увеличение удельной производительности аппарата, уменьшение единовременной загрузки и потерь зернистой фазы за счет стабилизации потоков зернистой и жидкой фаз, а также снижение потерь реагентов при перемещении зернистой фазы из одного аппарата в другой.

Поставленная цель достигается тем, что в аппарате для противоточного контактирования зернистой и жидкой фаз, содержащем цилиндрический корпус с днищем и дренажными кассетами, в верхней части которого установлены переливной карман с циркуляционным трубопроводом, соединяющим последний с загрузочным бункером, снабженным клапанным устройством, а в нижней части - распределитель исходной жидкой фазы, прикрепленный к днищу и имеющий отверстия, снабженные тангенциальными направляющими, и трубой для отвода газов из распределителя, трубу для разгрузки зернистой фазы, в которую заведена труба для подачи исходной жидкой фазы, согласно предлагаемому изобретению дополнительно установлены стабилизатор нисходящего потока зернистой фазы, выполненный в виде решетки, расположенной в поперечном сечении цилиндрического корпуса над распределителем исходной жидкой фазы, и разгрузочно-разделительно-транспортное устройство для улучшения массообмена путем исключения смешения различных жидкостей, которое выполнено в виде камеры, снабженной в нижней части дренажем с патрубком вывода исходной или транспортной жидкостных фаз, патрубками для ввода и вывода зернистой фазы на фоне другой жидкой фазы на последующую операцию, и воздушной трубой, соединяющей камеру с атмосферой для обеспечения разгрузки, обезвоживания зернистой фазы и слива транспортной жидкой фазы, и снабженной патрубком для подачи транспортной жидкой фазы, причем патрубок камеры для ввода зернистой фазы соединен с патрубком трубы для вывода отработанной зернистой фазы из цилиндрического корпуса через запорное устройство. Установка подвижных и подпружиненных тангенциальных направляющих над окнами на наружной поверхности распределителя позволяет обеспечить постоянное поле скоростей при различных потоках исходной жидкой фазы, что исключает попадание зернистой фазы при разгрузке в распределитель, а расположение патрубка вывода отработанной жидкой фазы на переливном кармане корпуса отдельно от циркулятора и выше верхнего уровня дренажных кассет корпуса позволяет восстановить фильтрующие свойства дренажных кассет. Дополнительно поставленная цель перегрузки заданной порции зернистой фазы из низа корпуса аппарата в разгрузочно-разделительно-транспортное устройство обеспечивается благодаря расположению верхнего конца воздушной трубы камеры выше верха загрузочного бункера исходной зернистой фазы и патрубка ввода транспортной жидкой фазы в эту трубу на уровне излива жидкой фазы из дренажных кассет цилиндрического корпуса.

На фиг. 1 изображен аппарат для противоточного контактирования зернистой и жидкой фаз, а на фиг. 2 - 5 - его сечения.

Он состоит из цилиндрического корпуса 1 с днищем 2 и дренажными кассетами 3, в верхней части которого установлен переливной карман 4 с циркулятором 5, соединенный с загрузочным бункером 6, и с патрубком 7 вывода отработанной жидкой фазы из него. Загрузочный бункер 6 соединен с корпусом аппарата 1 через запорное устройство 8.

К днищу 2 приварен патрубок 9 и распределитель 10 исходной жидкой фазы с отверстиями 11, над которыми установлены подвижные и подпружиненные тангенциальные направляющие 12, а во внутрь заведена газоотводящая труба 13.

Нижний конец разгрузочной трубы 14 отработанной зернистой фазы заканчивается раструбом 15, в который заведена труба 16 для дополнительной подачи жидкой фазы, и расположен над распределителем 10, а верхний конец разгрузочной трубы 14 выведен наружу корпуса и через запорное устройство 17 соединен с разгрузочно-разделительно-транспортным устройством 18. Над распределителем 10 и выше раструба 15 установлен стабилизатор 19, выполненный в виде решетки с размерами ячеек 20 и высотой ребер 21, равными диаметрам D патрубка ввода 22 и трубы вывода 14 зернистой фазы. Разгрузочно-разделительно-транспортное устройство 17 содержит камеру 23, дренаж 24 с патрубком вывода жидкости фазы 25, патрубки ввода 26 и вывода 27 зернистой фазы и воздушную трубу 28 с патрубком подачи транспортной жидкой фазы 29.

Аппарат работает следующим образом.

В рабочем положении, в период фильтр-цикла, цилиндрический корпус 1 загружен плотным слоем зернистой фазы. Запорные устройства 8 и 17 закрыты. Исходная жидкая фаза из напорной линии через патрубки 9 и 16 вводится в распределитель 10, а меньшая ее часть непосредственно в реакционную зону аппарата. Газы, поступающие с исходной жидкой фазой, отводятся из распределителя 10 по трубе 13. Жидкая фаза, пройдя через отверстия 11 распределителя 10, закручивается подвижными и подпружиненными тангенциальными направляющими 12 (см. фиг. 4) в горизонтальной плоскости кольцевого пространства между распределителем 10 и днищем 2 и затем, изменив направление движения в стабилизаторе 19 с вращательного на поступательное снизу вверх, равномерно распределяется по сечению корпуса 1 аппарата. Жидкая фаза, пройдя через плотный слой зернистой фазы в аппарате, через дренажные кассеты 3, кольцевой карман 4 и патрубок 7 выводится из аппарата. Так как патрубок 7 расположен выше верхнего уровня дренажных кассет 3, в кольцевом кармане 4 образуется над дренажными кассетами 3 запас отработанной жидкой фазы, который необходим для операций промывки дренажных кассет 3 после фильтр-цикла и загрузки исходной зернистой фазы из бункера 6 в верхнюю зону корпуса 1.

В течение этого цикла исходная зернистая фаза гидравлически транспортируется отработанной жидкой фазой из разрузочно-разделительно-транспортного устройства предыдущего аппаратa в загрузочный бункер 6, а излишек транспортной жидкой фазы через дренажную кассету загрузочного бункера 6 возвращается в кольцевой карман 4.

После отработки очередной порции в лобовом слое зернистой фазы производится открытие запорного устройства 17 и одновременно прекращается подача исходной жидкой фазы в патрубок 9. Прекращение подачи исходной жидкой фазы в распределитель 10 приводит к падению скоростного напора в его отверстиях и, следовательно, к прикрытию подвижных подпружиненных тангенциальных направляющих в направлении наружной поверхности распределителя 10 (см. фиг. 5).

В этот момент в корпусе 1 через стабилизатор 19 происходит равномерное и плавное опускание плотного слоя зернистой фазы в направлении раструба 15 разгрузочной трубы 14, по которой отработанная порция перегружается в разгрузочно-разделительно-транспортное устройство 18, где происходит отделение зернистой фазы от исходной жидкой фазы с помощью дренажа 24 и вывод ее через патрубок 25. При опускании плотного слоя при еще закрытом запорном устройстве 8 осуществляется промывка дренажных кассет 3 объемом отработанной жидкой фазы, запасенным еще во время фильтр-цикла. После промывки кассет 3 открывается запорное устройство 8 и включается в работу циркулятор 5, который обеспечивает в загрузочном бункере 6 постоянный залив исходной зернистой фазы отработанной жидкой фазой, что способствует более равномерной загрузке и распределению зернистой фазы в верхней части корпуса 1. Излишки отработанной жидкой фазы из загрузочного бункера 6 через его дренаж возвращаются в переливной карман 4. По окончании загрузки исходной зернистой фазы из загрузочного бункера 6 в верхнюю часть корпуса 1 запорные устройства 8 и 17 закрываются и возобновляется подача исходной жидкой фазы в распределитель 10 через патрубок 9. В распределителе 10 возрастает давление, которое открывает подвижные и подпружиненные тангенциальные направляющие 12. Вихревой поток жидкой фазы псевдоожижает зернистую фазу, а стабилизирующая решетка 19 упорядочивает формирование плотного слоя зернистой фазы по высоте и сечению корпуса 1. Возобновляется фильтр-цикл.

После отделения зернистой фазы от исходной жидкой фазы в разгрузочно-разделительно-транспортном устройстве 18 патрубок слива 25 закрывается, и в его камеру 23 через патрубок 29 и воздушную трубу 28 подается под избыточным давлением транспортная жидкая фаза из слива отработанной жидкой фазы последующего аппарата. Так как верхний срез воздушной трубы 28 находится выше уровня верха загрузочного бункера 6 на величину, немного большую, чем необходимое избыточное давление для гидротранспорта, из нее не происходит излива транспортной жидкой фазы, а весь поток вместе с зернистой фазой из камеры 23 устремляется через патрубок 27 в загрузочный бункер последующего аппарата. В конце цикла гидротранспорта зернистой фазы отключается подача транспортной жидкой фазы в патрубок 29 и открывается выход из патрубка 25 дренажа 24. Транспортная жидкая фаза из разгрузочно-разделительно-транспортного устройства 18 сливается в соответствующую емкость, после чего слив из патрубка 25 перекачивается на исходную емкость жидкой фазы.

Заявляемые отличительные признаки аппарата для противоточного контактирования зернистой и жидких фаз способствует достижению поставленной цели следующим образом.

1. Установка в корпусе аппарата над распределителем исходной жидкой фазы стабилизатора нисходящего потока зернистой фазы, выполненного в виде решетки, размер ячейки которой сопоставим с диаметрами патрубков для ввода и вывода зернистой фазы в цилиндрический корпус и из него, позволяет в период цикла загрузки-выгрузки не только предотвращать обрушение и перекос плотного слоя зернистой фазы, но и организовать его равномерное продвижение по сечению корпуса аппарата за счет выравнивания поля скоростей нисходящего потока в каналах решетки, размер которых выбран из условия свободного прохождения зернистой фазы и инородных тел, случайно попавших в реакционную зону аппарата.

2. Присоединение к аппарату через запорное устройство разгрузочно-разделительно-транспортного устройства, выполненного в виде камеры с нижним дренажем, патрубками для ввода и вывода зернистой фазы, и трубой, соединяющей камеру с атмосферой и снабженной патрубком для подачи транспортной жидкой фазы, позволяет более точно, даже при отказе автоматики, вручную поддерживать величину потока зернистой фазы и cоответственно соотношение потоков зернистой и жидкой фаз по цепочке аналогичных аппаратов, и обеспечивает загрузку зернистой фазы в последующий по цепочке аппарат на фоне жидкой фазы соответствующей технологической операции, что позволяет существенно снизить высоту защитного слоя зернистой фазы в верхней части аппарата за счет отсутствия эффекта разбавления технологического раствора иной транспортной жидкостью, могущего привести к ухудшению массообмена фаз.

Это достигается путем периодической разгрузки зернистой фазы на фоне исходной (рабочей) жидкой фазы из корпуса аппарата через запорное устройство в камеру постоянного объема, где через дренаж и патрубок отделяется исходный раствор, а затем осушенная зернистая фракция гидравлически транспортируется из камеры через нижний патрубок в загрузочный бункер последующего аппарата отработанной жидкой фазой, выводимой из этого аппарата, после чего камера опустошается.

Для предотвращения переливов жидкой и твердой фаз конец трубы камеры разгрузочно-разделительно-транспортного устройства поднят выше уровня верха загрузочного бункера на величину, определяемую расчетным путем из условия гидродинимического сопротивления жидкой фазы в период транспорта отработанной зернистой фазы из камеры, а патрубок для ввода транспортной жидкой фазы в трубу камеры расположен на уровне излива жидкой фазы из дренажных кассет цилиндрического корпуса аппарата.

3. Выполнение тангенциальных направляющих над отверстиями распределителя исходной жидкой фазы в виде подвижных элементов, подпружиненных в направлении наружной поверхности распределителя, например из резины, армированной упругим материалом, позволяет уменьшить разрушение зернистой фазы благодаря пред отвращению многократной циркуляции ее через отверстия распределителя из низа корпуса аппарата во внутреннюю полость распределителя и обратно при циклическом переключении циклов разгрузка-загрузка-фильтрация.

Это обеспечивается путем открытия или перекрытия тангенциальных направляющих в зависимости от скоростного напора исходной жидкой фазы, что дает возможность поддерживать на выходе из отверстий распределителя поле скоростей на уровне скорости псевдоожижения зернистой фазы, которое препятствует проникновению последней во внутреннюю полость распределителя.

4. Расположение патрубка вывода отработанной жидкой фазы выше верхнего уровня дренажных кассет аппарата в период цикла выгрузки зернистой фазы в разгрузочно-рзделительно-транспортное устройство позволяет восстановить фильтрационные свойства дренажных кассет корпуса, что приводит к стабилизации потока жидкой фазы в период фильтр-цикла. Это достигается путем создания дополнительного уровня отработанной жидкой фазы в кольцевом кармане аппарата над дренажными кассетами корпуса в период цикла фильтрации за счет указанного расположения патрубка вывода отработанной жидкой фазы и создания обратного потока в кассетах при цикле перегрузки зернистой фазы из корпуса в разгрузочно-разделительно-транспортное устройство.

Пример. Проведены сравнительные пилотные испытания предлагаемого согласно изобретению аппарата и аппарата-прототипа в аналогичных условиях. В качестве зернистой фазы в аппаратах использовали анионит АМП класса "А", а исходной жидкой фазы - никелевый электролит с содержанием цинка 0,025 г/дм³, от которого нужно было очистить электролит. Испытания показали, что при одинаковой высоте рабочего слоя аппаратов 4 м необходимая степень очистки электролита от цинка до концентрации 0,2 мг/дм³ была достигнута в предлагаемом аппарате на высоте слоя зернистой фазы 1,5 м, а в аппарате-прототипе - на высоте слоя 3,2 м. Это выявляется убедительным доказательством лучших масообменных свойств предлагаемого аппарата по сравнению с прототипом, что в свою очередь позволит значительно снизить единовременную загрузку аппрарата сорбентом и одновременно увеличить скорость фильтрации жидкой фазы через плотный слой зернистой фазы. Это стало возможным благодаря стабилизатору потока зернистой фазы и оснащению аппарата разгрузочно-разделительно-транспортным устройством, которое обеспечило подготовку зернистой фазы перед ее дозированной передачей на другую технологическую операцию и вместе с этим снизило потери реагентов.

Циклические испытания аппаратов подтвердили правильность принятых конструктивных решений по оснащению распределителя потока жидкой фазы подвижными и подпружиненными тангенциальными направляющими, которые препятствуют проникновению зернистой фазы во внутреннюю полость распределителя и, следовательно, истиранию ее при многократном возаратно-поступательном прохождении через отверстия распределителя при смене направления потока жидкой фазы. Удельный расход анионита в аппарате по предлагаемому изобретению снизился до 1,2 г на 1 м³ жидкой фазы в сравнении с 1,5 г/м³ в аппарате-прототипе.