вихревой центробежный реактор

Формула изобретения

Вихревой центробежный реактор, содержащий вихревую камеру с верхней и нижней торцевыми крышками и направляющим аппаратом, устройства ввода и вывода фаз, отличающийся тем, что устройство вывода фаз разделено на патрубок вывода газообразной фазы и патрубок вывода твердой дисперсной фазы, причем патрубок вывода газообразной фазы расположен в центре вихревой камеры, с выходом за границы верхней и нижней торцевых крышек, при этом его нижний конец расположен в закрепленном в нижней торцевой крышке патрубке вывода твердой дисперсной фазы на глубине 0,4-2,5 своего диаметра, а направляющий аппарат выполнен с возможностью подачи многофазного потока под углом 30-60°.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к теплообменным аппаратам, а именно к аппаратам для проведения и интенсификации многофазных химико-технологических процессов с участием компонентов газа, жидкости и твердых веществ в газожидкостных или псевдоожиженных дисперсных слоях, а также для проведения других тепло- и массообменных процессов в вихревых центробежных реакторах. Изобретение может быть использовано в химической, микробиологической и в смежных с ними отраслях промышленности.

Известен реактор с циркулирующим псевдоожиженным слоем [RU №2232939, F23C 10/04, 2004], содержащий печь, нижняя часть которой снабжена соплами газа для псевдоожижения материала слоя, подаваемого в печь, сепаратор частиц для отделения материала слоя от газа, выходящего из реактора, канал возврата для материала слоя, отделенного в сепараторе частиц.

Известен тепломассообменный аппарат [SU 1309376, B01D 3/30, 30.06.1992], содержащий корпус, вихревую камеру с верхней торцовой профилированной стенкой, направляющим элементом, патрубки для ввода жидкости и газа, устройство для сепарации газа и жидкости, в котором с целью повышения эффективности тепло- и массообмена за счет предотвращения образования застойных зон и брызгоуноса нижняя торцовая стенка вихревой камеры выполнена с отверстиями, расположенными равномерно по окружности и направленными тангенциально в сторону вращения газового потока, через которые дополнительно закручивают жидкость, подаваемую в вихревую камеру.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является центробежный реактор для проведения многофазных процессов [RU 2259870, B01J 8/14, 2005.09.10], выбранный за прототип, содержащий вихревую камеру с направляющим аппаратом и торцевыми крышками, а также устройства для ввода и вывода фаз, при этом поверхности торцевых крышек выполнены с возможностью их самопроизвольного или принудительного вращения, и/или по оси вихревой камеры установлена лопастная вертушка, вращающаяся самопроизвольно или приводимая во вращение с помощью внешнего привода с возможностью регулирования частоты вращения.

Недостатком известного устройства является сложность конструктивного исполнения, а также отсутствие возможности сепарации этих фаз на выходе устройства.

Технический результат от использования предлагаемого изобретения направлен на упрощение конструкции вихревого центробежного реактора, а также на возможность разделения газообразной и твердой дисперсной фаз при их выводе из реактора без снабжения отдельным сепарационным устройством.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в вихревом центробежном реакторе, содержащем вихревую камеру с верхней и нижней торцевыми крышками и направляющим аппаратом, устройства ввода и вывода фаз, устройство вывода фаз разделено на патрубок вывода газообразной фазы и патрубок вывода твердой дисперсной фазы, причем патрубок вывода газообразной фазы расположен в центре вихревой камеры, с выходом за границы верхней и нижней торцевых крышек, при этом его нижний конец расположен в закрепленном в нижней торцевой крышке патрубке вывода твердой дисперсной фазы на глубине 0,4-2,5 своего диаметра, а направляющий аппарат выполнен с возможностью подачи многофазного потока под углом 30-60°.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображено заявляемое устройство (продольный разрез); на фиг.2 - разрез А-А фиг.1.

Вихревой центробежный реактор состоит из образующих вихревую камеру верхней 1 и нижней 2 торцевых крышек и установленного между ними направляющего аппарата 3, представляющего собой цилиндр с множеством щелевых каналов, выполненных под углом А=30-60° к радиальному направлению (фиг.2), устройства ввода фаз 4, выполненного аксиально-симметричным в виде коаксиального патрубка, патрубка вывода газообразной фазы 5, расположенного в центре вихревой камеры. В нижней торцевой крышке 2 закреплен патрубок вывода твердой дисперсной фазы 6, а патрубок вывода газообразной фазы 5 расположен в центре вихревой камеры с выходом за границы верхней 1 и нижней 2 торцевых крышек, при этом его нижний конец расположен в верхней части патрубка вывода твердой дисперсной фазы б на глубине 0,4-2,5 своего диаметра.

Устройство работает следующим образом. Газодисперсный поток, содержащий газообразную и твердую дисперсные фазы, подается через устройство ввода фаз 4 и направляющий аппарат 3 в вихревую камеру. Угол ввода А направляющего аппарата 3 в зависимости от скоростей потока и размеров частиц дисперсной фазы выбирается из диапазона 30-60°. За счет наличия как тангенциальной, так и радиальной компонент скорости течения газа на каждую частицу твердой дисперсной фазы в потоке действует как центробежная сила, направленная радиально от центра, так и радиальная, направленная в центр вихревой камеры. Таким образом, в вихревой камере вихревого центробежного реактора существует зона радиусов, находясь в которой равнодействующая сила в радиальном направлении близка к нулю. То есть частица твердой дисперсной фазы движется по замкнутой траектории внутри вихревой камеры, а поток газообразной фазы обдувает ее в радиальном направлении. В результате в вихревой камере реактора в радиальном направлении возникают высокие разности скоростей частиц твердой дисперсной фазы и потока газообразной фазы. Это, в свою очередь, приводит к появлению распределенной по радиусу зоны повышенной концентрации твердой дисперсной фазы и одновременно к высоким скоростям прохождения газового потока через нее.

По мере движения газодисперсного потока к центру вихревой камеры условия существования зоны повышенной концентрации нарушаются. В окрестности патрубка вывода газообразной фазы 5 газ разворачивается, радиальная компонента скорости течения газа исчезает, под действием центробежной силы частицы твердой дисперсной фазы смещаются к стенке патрубка вывода твердой дисперсной фазы 6, происходит сепарация потоков газа и твердой дисперсной фазы. В дальнейшем газообразная фаза выводится из реактора через патрубок вывода газообразной фазы 5, а твердая дисперсная фаза, ссыпаясь по стенке патрубка вывода твердой дисперсной фазы 6, выводится из устройства.

Заявителем экспериментально было показано, что максимальный теплообмен между твердой дисперсной и газообразной фазами происходит при угле А входа газодисперсного потока, лежащего в пределах 30-60°. При этом в эксперименте угол изменялся с шагом 0,5° и каждый раз измерялась разность температур твердой дисперсной и газообразной фаз на выходе из реактора. В заявленном диапазоне углов входа газодисперсного потока разность температур была минимальной, то есть теплообмен максимален, а при выходе за указанные пределы углов теплообмен был минимален, а само устройство, как следствие, работало неэффективно.

Также экспериментально заявителем было показано, что наиболее эффективная сепарация газодисперсного потока в устройстве вывода фаз 4 происходит при условии, что патрубок вывода газообразной фазы 5 расположен таким образом, что его нижний конец расположен в верхней части патрубка вывода твердой дисперсной фазы 6 на глубине 0,4-2,5 своего диаметра. При уменьшении этой величины наблюдалось уменьшение эффективности сепарации фаз, а при ее увеличении - увеличение гидродинамического сопротивления всего устройства, что приводит к дополнительным затратам энергии при его работе.

Вихревой центробежный реактор изготавливают из металла, например стали, при этом направляющий аппарат изготавливают из цилиндрической втулки методом фрезеровки направляющих каналов.

Итак, по сравнению с прототипом изобретение имеет следующие преимущества:

1) упрощенная конструкция: отсутствие подвижных механизмов в рабочей зоне;

2) выполнение устройства вывода фаз с возможностью сепарации фаз газодисперсного потока без снабжения реактора отдельным сепарационным устройством позволяет быстро разделять твердую дисперсную и газообразную фазы и тем самым останавливать нежелательные вторичные, например химические, процессы взаимодействия фаз сразу после процесса тепло-массообмена в вихревой камере.