[go: up one dir, main page]

RU2753756C1 - Apparatus for conducting mass exchanging and reaction processes in single-phase and multi-phase media - Google Patents

Apparatus for conducting mass exchanging and reaction processes in single-phase and multi-phase media Download PDF

Info

Publication number
RU2753756C1
RU2753756C1 RU2020140577A RU2020140577A RU2753756C1 RU 2753756 C1 RU2753756 C1 RU 2753756C1 RU 2020140577 A RU2020140577 A RU 2020140577A RU 2020140577 A RU2020140577 A RU 2020140577A RU 2753756 C1 RU2753756 C1 RU 2753756C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
mixing
phase
smooth
zone
expansion
Prior art date
Application number
RU2020140577A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Руфат Шовкет оглы Абиев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)"
Priority to RU2020140577A priority Critical patent/RU2753756C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2753756C1 publication Critical patent/RU2753756C1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01FMIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F23/00Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
    • B01F23/20Mixing gases with liquids
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01FMIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F23/00Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
    • B01F23/40Mixing liquids with liquids; Emulsifying
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/24Stationary reactors without moving elements inside

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)

Abstract

FIELD: mixing equipment.
SUBSTANCE: invention relates to chemical, petrochemical, food, pharmaceutical and other industries. The apparatus for conducting mass exchanging and reaction processes in single-phase and multiphase media contains an elongated housing, pumps for feeding the initial components. The cross-section of the housing is made periodically changing along the axis. In this case, the housing consists of identical elements connected in series, including a zone of smooth narrowing, a narrow neck, a zone of smooth expansion, a wide neck. Moreover, swirlers are installed in the zones of smooth narrowing and expansion of the elements.
EFFECT: increased efficiency of meso-and micro-mixing, increased intensity of heat and mass transfer in the apparatus, including at low Reynolds numbers (less than 1000).
1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к химической, нефтехимической, пищевой, фармацевтической и другим отраслям промышленности, и может быть использовано для перемешивания, обработки гетерогенных систем жидкость-жидкость, жидкость-газ, жидкость-твердые частицы, и жидкость-газ-твердые частицы в различных технологических процессах, таких как абсорбция, газожидкостные реакции, эмульгирование, жидкостная экстракция, растворение твердых частиц (в том числе с химической реакцией), выщелачивание, пропитка и т.п.The invention relates to the chemical, petrochemical, food, pharmaceutical and other industries, and can be used for mixing, processing of heterogeneous systems liquid-liquid, liquid-gas, liquid-solid particles, and liquid-gas-solid particles in various technological processes, such as absorption, gas-liquid reactions, emulsification, liquid extraction, solids dissolution (including chemical reaction), leaching, impregnation, etc.

Известно устройство для интенсификации реакционных и массообменных процессов в гетерогенных системах, реализованное 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. Исследования показали (A.N. Phan, A. Harvey, Development and evaluation of novel designs of continuous mesoscale oscillatory baffled reactors, Chemical Engineering Journal, 159 (2010) 212-219), что известное устройство обладает далеко не оптимальной геометрией. В частности, было показано, что распределение времени пребывания в таком аппарате довольно широкое, что приводит к большой неравномерности воздействия на гомогенные и гетерогенные среды, находящиеся в аппарате. В результате этого получаемый на выходе из аппарата продукт может состоять из нескольких веществ (при проведении химических реакций), что характеризуется низкой селективностью.A device for intensifying reaction and mass transfer processes in heterogeneous systems, implemented in an apparatus for dissolving solid particles in a liquid (Axelrud G.A. .155), in which a liquid carrying solid particles moves through a pipe, the area of which is variable along the length of the pipe. In this case, the pipe consists of a plurality of successively connected elements of the same shape, consisting of two parts: one part of each element is a spindle-shaped hollow body, the second is a cylindrical neck. When moving in such a pipe, the liquid constantly changes its speed. Solid particles also periodically change the speed of their movement, sometimes lagging behind the liquid accelerating in a narrow section, then ahead of the liquid decelerating in a wide section. Due to the inertia of solid particles in the pipe, an additional velocity of the relative motion of the phases is created, which contributes to an increase in the mass transfer coefficient. However, such an inertial effect is possible only in the presence of a nonzero density difference between solid or liquid (dispersed phase) and liquid media (continuous phase), and it will be significant if these densities differ significantly. Studies have shown (A.N. Phan, A. Harvey, Development and evaluation of novel designs of continuous mesoscale oscillatory baffled reactors, Chemical Engineering Journal, 159 (2010) 212-219) that the known device has far from optimal geometry. In particular, it was shown that the distribution of the residence time in such an apparatus is rather wide, which leads to a large uneven effect on homogeneous and heterogeneous media in the apparatus. As a result, the product obtained at the outlet of the apparatus can consist of several substances (when carrying out chemical reactions), which is characterized by low selectivity.

Кроме того, в известном изобретении не обеспечивается турбулизация пристеночного слоя, что приводит к снижению эффективности теплоотдачи от внутренней поверхности аппарата к обрабатываемой среде.In addition, the known invention does not provide for turbulization of the wall layer, which leads to a decrease in the efficiency of heat transfer from the inner surface of the apparatus to the medium being processed.

Известен способ интенсификации реакционных и массообменных процессов в гетерогенных системах, который заключается в возбуждении колебаний в гетерогенной системе путем ее пропускания через трубу с переменным сечением, отличающийся тем, что возбуждение колебаний в гетерогенной системе при ее движении чередуется с отсутствием колебательных воздействий, а в гетерогенную систему один или более раз вводится газ, а также аппарат для реализации способа, состоящий из нагнетателя и одной или нескольких труб с переменным сечением, устройств подвода компонентов и отвода продуктов, отличающийся тем, что труба состоит из участков с периодически изменяющимся поперечным сечением, чередующихся участками с постоянным поперечным сечением (пат. РФ 2264847, В01F 5/00, В01J 19/10).There is a known method for intensifying reaction and mass transfer processes in heterogeneous systems, which consists in exciting oscillations in a heterogeneous system by passing it through a pipe with a variable cross-section, characterized in that the excitation of oscillations in a heterogeneous system during its movement alternates with the absence of oscillatory effects, and in a heterogeneous system gas is introduced one or more times, as well as an apparatus for implementing the method, consisting of a blower and one or more pipes with a variable cross-section, devices for supplying components and removing products, characterized in that the pipe consists of sections with a periodically varying cross-section, alternating sections with constant cross-section (US Pat. RF 2264847, B01F 5/00, B01J 19/10).

Известные способ и аппарат позволяют повысить эффективность, снизить гидравлические потери, упростить конструкцию аппарата.The known method and apparatus can improve efficiency, reduce hydraulic losses, and simplify the design of the apparatus.

К недостаткам известного аппарата относятся сравнительно широкое распределение времени пребывания (особенно при числах Рейнольдса менее 1000), недостаточно высокая интенсивность переноса теплоты и массы в пристеночной зоне.The disadvantages of the known apparatus include a relatively wide distribution of the residence time (especially at Reynolds numbers less than 1000), insufficiently high intensity of heat and mass transfer in the wall zone.

Известен аппарат цилиндрической формы с винтовой вставкой расположенной вдоль стенки аппарата по всей его длине, причем шаг навивки был выполнен в 1,5 раза больше внутреннего диаметра аппарата (прототип) (A.N. Phan, A. Harvey, Development and evaluation of novel designs of continuous mesoscale oscillatory baffled reactors, Chemical Engineering Journal, 159 (2010) 212-219). Исследования показали, что аппарат с такой геометрией позволяет существенно снизить неравномерность времени пребывания, особенно при работе в режиме осцилляций. К недостаткам этого устройства относится воздействие на обрабатываемую среду преимущественно в пристеночной зоне, тогда как в ядре потока (вдали от стенок) интенсивность воздействий не столь велика. Это приводит к тому, что при использовании данного устройства в режиме непрерывной подачи сред с фиксированным расходом распределение времени пребывания становится довольно широким.Known apparatus of cylindrical shape with a screw insert located along the wall of the apparatus along its entire length, and the winding step was made 1.5 times the inner diameter of the apparatus (prototype) (AN Phan, A. Harvey, Development and evaluation of novel designs of continuous mesoscale oscillatory baffled reactors, Chemical Engineering Journal, 159 (2010) 212-219). Studies have shown that an apparatus with this geometry can significantly reduce the irregularity of the residence time, especially when operating in the oscillation mode. The disadvantages of this device include the impact on the treated medium mainly in the near-wall zone, while in the core of the flow (far from the walls) the intensity of the impact is not so great. This leads to the fact that when using this device in the mode of continuous supply of media with a fixed flow rate, the distribution of the residence time becomes quite wide.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности перемешивания на макро-, мезо- и минимасштабных уровнях, увеличение интенсивности тепло- и массообмена в аппарате, в том числе при низких числах Рейнольдса.The objective of the present invention is to increase the mixing efficiency at macro-, meso- and minimum-scale levels, to increase the intensity of heat and mass transfer in the apparatus, including at low Reynolds numbers.

Поставленная задача достигается тем, что в предлагаемом аппарате для проведения массообменных и реакционных процессов в однофазных и многофазных средах, содержащем корпус вытянутой формы, насосы для подачи исходных компонентов, согласно изобретению, поперечное сечение корпуса выполнено периодически изменяющимся вдоль оси, при этом корпус состоит из последовательно соединенных одинаковых элементов, включающих зону плавного сужения, узкую горловину, зону плавного расширения, широкую горловину, причем в зонах плавного сужения и расширения элементов установлены завихрители.The task is achieved by the fact that in the proposed apparatus for carrying out mass exchange and reaction processes in single-phase and multiphase media, containing an elongated body, pumps for supplying the initial components, according to the invention, the cross-section of the body is made periodically changing along the axis, while the body consists of sequentially connected identical elements, including a zone of smooth tapering, a narrow throat, a zone of smooth expansion, a wide throat, and in the zones of smooth tapering and expansion of the elements, swirlers are installed.

Заявляемое устройство позволяет обеспечить снижение неравномерности пребывания (сужение кривой распределения времени пребывания в аппарате, т.е. улучшить макроперемешивание), повысить эффективность мезо - и микроперемешивания, а в результате - увеличить интенсивность тепло- и массообмена в аппарате, в том числе при низких числах Рейнольдса (меньше 1000).The claimed device makes it possible to reduce the unevenness of the stay (narrowing the distribution curve of the residence time in the apparatus, i.e. to improve the macro-mixing), to increase the efficiency of meso- and micro-mixing, and, as a result, to increase the intensity of heat and mass transfer in the apparatus, including at low numbers Reynolds (less than 1000).

Заявляемое техническое решение является новым, обладает изобретательским уровнем и промышленно применимо.The claimed technical solution is new, has an inventive step and is industrially applicable.

Предлагаемое устройство может быть изготовлено в различных исполнениях: с соединением элементов сваркой, при помощи фланцев, резьбовых муфт, бугельных соединений, гладких муфт или иными способами.The proposed device can be manufactured in various versions: with the connection of elements by welding, using flanges, threaded couplings, yoke couplings, smooth couplings or in other ways.

На фиг. 1 показан корпус вытянутой формы в сборе, включающий несколько последовательно соединенных одинаковых элементов, на фиг. 2 - элемент корпуса в сварном исполнении с установленным в нем завихрителем, на фиг. 3 и 4 - элемент корпуса в фланцевом исполнении, с установленным в нем завихрителем (на фиг. 3 - с двумя короткими завихрителями, на фиг. 4 - с одним длинным завихрителем).FIG. 1 shows an assembled elongated body, including several series-connected identical elements, FIG. 2 - a housing element in a welded design with a swirler installed in it, in Fig. 3 and 4 - a housing element in a flange design, with a swirler installed in it (in Fig. 3 - with two short swirlers, in Fig. 4 - with one long swirler).

На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство, содержащее корпус 1 в вытянутой формы, насосы для подачи исходных компонентов (на фиг. 1 условно не показаны), при этом поперечное сечение корпуса 1 выполнено периодически изменяющимся вдоль оси, корпус состоит из некоторого количества последовательно соединенных одинаковых элементов 2, включающих зону 3 плавного сужения, узкую горловину 4, зону 5 плавного расширения, широкую горловину 6, причем в зонах плавного сужения и расширения установлены завихрители 7. Количество элементов 2 определяется конкретным процессом и составляет обычно от трех до десяти; более точное его значение подлежит определению экспериментальными или расчетными методами.FIG. 1 shows the proposed device containing a body 1 in an elongated shape, pumps for supplying the initial components (not shown in Fig. 1 conventionally), while the cross section of the body 1 is made periodically changing along the axis, the body consists of a number of series-connected identical elements 2, including a zone 3 of smooth tapering, a narrow throat 4, a zone of 5 smooth expansion, a wide throat 6, and in the zones of smooth tapering and expansion there are swirlers 7. The number of elements 2 is determined by a specific process and is usually from three to ten; its more precise value is subject to determination by experimental or calculation methods.

В исполнении, показанном на фиг. 1, 3 и 4, элементы 2 соединены друг с другом при помощи фланцев 8. В исполнении, показанном на фиг. 2, элементы 2 соединены при помощи сварки.In the embodiment shown in FIG. 1, 3 and 4, the elements 2 are connected to each other by means of flanges 8. In the embodiment shown in FIG. 2, the elements 2 are connected by welding.

Завихрители 7 могут быть выполнены в виде розеточных устройств, аналогично применяемым, например, в прямоточных циклонах, либо в виде проволоки, навитой в виде цилиндроконической винтовой спирали из проволоки, как показано на фиг. 1-4. Второй вариант является предпочтительным, поскольку требует меньших затрат, обладает меньшим сопротивлением и менее склонен к зарастанию.Swirlers 7 can be made in the form of rosette devices, similar to those used, for example, in direct-flow cyclones, or in the form of a wire wound in the form of a cylindrical-conical helical spiral from a wire, as shown in Fig. 1-4. The second option is preferable because it is less costly, has less resistance and is less prone to overgrowth.

При выполнении соединения элементов 2 при помощи сварки (фиг. 2) элементы 2 могут быть изготовлены из двух частей 2а и 2б, соединенных при помощи сварки (фиг. 2), причем в полость, образовавшуюся при соединении частей 2а и 2б, устанавливают завихритель 7. При этом части 2а и 2б представляют собой часть корпуса с узкой горловиной 4, зоной 5 плавного расширения, широкой горловиной 6.When connecting elements 2 by welding (Fig. 2), elements 2 can be made of two parts 2a and 2b, connected by welding (Fig. 2), and a swirler 7 is installed in the cavity formed when parts 2a and 2b are connected In this case, parts 2a and 2b are a part of the body with a narrow neck 4, a zone 5 of smooth expansion, a wide neck 6.

Элементы 2, соединяемые друг с другом при помощи сварки, могут быть также выполнены в виде, включающем широкую горловину 6, зону 3 плавного сужения, узкую горловину 4, зону 5 плавного расширения, широкую горловину 6, т.е. элементы 2 с двух сторон присоединяются друг к другу широкими горловинами 6 (как показано на фиг. 2), или узкими горловинами 4. Завихритель 7 может быть выполнен в виде двух отдельных деталей 7а и 7б (как показано на фиг. 3), но предпочтительней выполнение завихрителя 7 в виде цельного изделия (как показано на фиг. 4). Завихритель 7 может фиксироваться относительно корпуса 1 за счет силы трения, возникающей, в свою очередь, благодаря упругим усилиям, обусловленным сжатием проволоки, навитой в виде цилиндроконической винтовой спирали, из которой выполнен завихритель 7. Возможны и другие способы крепления завихрителя 7, например, при помощи приварки к внутренней поверхности корпуса 1.Elements 2, connected to each other by welding, can also be made in the form, including a wide neck 6, a smooth tapering zone 3, a narrow neck 4, a smooth expansion zone 5, a wide neck 6, i.e. elements 2 on both sides are joined to each other by wide necks 6 (as shown in Fig. 2), or narrow necks 4. The swirler 7 can be made in the form of two separate parts 7a and 7b (as shown in Fig. 3), but it is preferable making the swirler 7 in the form of a single piece (as shown in Fig. 4). The swirler 7 can be fixed relative to the body 1 due to the friction force, which arises, in turn, due to the elastic forces caused by the compression of the wire wound in the form of a cylindrical-conical helical spiral, of which the swirler is made 7. Other methods of fastening the swirler 7 are also possible, for example, when by welding to the inner surface of the housing 1.

При сборке корпуса 1 элементы 2 соединяют сваркой или при помощи фланцев 8, между которыми устанавливают уплотнительные прокладки, фланцы 8 при этом соединяют при помощи крепежных элементов (прокладки и крепежные элементы на фиг. 1 условно не показаны).When assembling the body 1, the elements 2 are connected by welding or using flanges 8, between which gaskets are installed, while the flanges 8 are connected using fasteners (gaskets and fasteners are not shown in Fig. 1 conventionally).

Предлагаемый аппарат работает следующим образом.The proposed apparatus works as follows.

Растворы исходных сред подают насосами (на фиг. 1 условно не показаны) на вход корпуса аппарата (показано стрелками на фиг. 1) с заданными расходами. По мере движения растворов вдоль оси аппарата растворы испытывают действие нескольких факторов: 1) периодическое изменение площади поперечного сечения по ходу движения (вдоль линий тока), обусловленное наличием зон 3 плавного сужения, узких горловин 4, зон 5 плавного расширения, широких горловин 6, приводящее к возникновению пульсаций при движении смешиваемых растворов вдоль оси аппарата; 2) закрутка потоков, создаваемая и поддерживаемая вдоль каждого из элементов 2 при помощи завихрителей 7; 3) пристеночная турбулизация потока, обусловленная обтеканием проволоки, из которой изготовлены завихрители 7.The solutions of the initial media are fed by pumps (not shown in Fig. 1 conventionally) to the inlet of the apparatus body (shown by arrows in Fig. 1) at predetermined flow rates. As the solutions move along the axis of the apparatus, the solutions experience the action of several factors: 1) a periodic change in the cross-sectional area along the movement (along the streamlines), due to the presence of zones 3 of smooth narrowing, narrow necks 4, zones 5 of smooth expansion, wide necks 6, leading to the appearance of pulsations when the mixed solutions move along the axis of the apparatus; 2) swirling flows, created and maintained along each of the elements 2 by means of swirlers 7; 3) near-wall turbulization of the flow caused by the flow around the wire from which the swirlers are made 7.

Благодаря суперпозиции этих трех факторов в предлагаемом устройстве создаются условия, позволяющие добиться достижения поставленного технического результата.Due to the superposition of these three factors in the proposed device, conditions are created to achieve the desired technical result.

Решение задачи предлагаемого изобретения достигается следующим образом:The solution to the problem of the proposed invention is achieved as follows:

1) повышение равномерности времени пребывания в аппарате достигается за счет существенного улучшения макро-, мезо - и микроперемешивания;1) an increase in the uniformity of the residence time in the apparatus is achieved due to a significant improvement in macro-, meso- and micro-mixing;

2) повышение эффективности перемешивания, а именно - достижение заданного высокого уровня макро-, мезо- и микроперемешивания при сниженных затратах энергии;2) increasing the efficiency of mixing, namely, achieving a predetermined high level of macro-, meso- and micro-mixing with reduced energy consumption;

3) увеличение интенсивности тепло- и массообмена в аппарате, в том числе при низких числах Рейнольдса - как результат улучшение гидродинамической обстановки в аппарате, а именно условий перемешивания на всех уровнях.3) an increase in the intensity of heat and mass transfer in the apparatus, including at low Reynolds numbers - as a result of an improvement in the hydrodynamic situation in the apparatus, namely, mixing conditions at all levels.

Принято различать три уровня (масштаба) перемешивания -макроперемешивание, мезоперемешивание и микроперемешивание (Baldyga, J., Bourne, J.R., 1986. Transport phenomena and hydrodynamics of complex flows. In: Cheremisinoff, N.P. (Ed.), Encyclopedia of Fluid Mechanics, vol. 1. Gulf PublishingCompany, Houston, TX, p.145; Baldyga, J., Bourne, J.R. Interactions between mixing on various scales in stirred tank reactors// Chem. Eng. Sci. 1992, 47, 1839).It is customary to distinguish three levels (scales) of mixing - macro mixing, meso mixing and micro mixing (Baldyga, J., Bourne, JR, 1986. Transport phenomena and hydrodynamics of complex flows. In: Cheremisinoff, NP (Ed.), Encyclopedia of Fluid Mechanics, vol 1. Gulf Publishing Company, Houston, TX, p. 145; Baldyga, J., Bourne, JR Interactions between mixing on various scales in stirred tank reactors // Chem. Eng. Sci. 1992, 47, 1839).

Макроперемешивание соответствует масштабу аппарата в целом. Оно определяет условия переноса вещества крупномасштабной конвекцией по всему объему течения в реакторе, т.е. средней скоростью движения макрообъемов. Основной характеристикой макроперемешивания является кривая распределения времени пребывания. По существу, время пребывания характеризует продолжительность нахождения макрообъемов жидкости от точки ввода в аппарат до точки вывода из него. В то же время, именно такое движение отвечает за перенос макрообъемов жидкости от зон без перемешивания к зонам с высокой скоростью диссипации энергии. Простой пример - циркуляционное течение в реакторе с пропеллерной или турбинной мешалкой.Macro-mixing corresponds to the scale of the apparatus as a whole. It determines the conditions for the transfer of matter by large-scale convection throughout the volume of the flow in the reactor, i.e. the average speed of movement of macrovolumes. The main characteristic of macro-mixing is the residence time distribution curve. In essence, the residence time characterizes the duration of the presence of the macrovolumes of the liquid from the point of entry into the apparatus to the point of exit from it. At the same time, it is precisely this motion that is responsible for the transfer of macrovolumes of liquid from zones without mixing to zones with a high rate of energy dissipation. A simple example is circulating flow in a reactor with a propeller or turbine stirrer.

Мезоперемешивание имеет место на промежуточном уровне и отвечает за крупномасштабный турбулентный перенос между вводимым в аппарат энергонесущим потоком и окружающей его средой. Быстрая химическая реакция обычно протекает в близи точки ввода (зона «питания», ввода «свежего» потока), формирующей «облако» (сгусток, англ.: plume, blob) с высокой концентрацией продукта вокруг вводимого потока. Это облако является промежуточным масштабом между уровнем микроперемешивания и размером реактора. Пространственная эволюция облака может быть идентифицирована как процесс турбулентной диффузии. Другой аспект мезоперемешивания относится к инерционно-конвективному процессу дезинтеграции больших вихрей, и характеризуется почти полным отсутствием влияния молекулярной диффузии. С другой стороны, инерционно-конвективное перемешивание оказывает влияние на процессы микроперемешивания. Полное понимание и точное описание инерционно-конвективного перемешивания пока отсутствует. В качестве количественных характеристик мезоперемешивания используют кинетическую энергию турбулентности k, масштаб длины турбулентных флуктуаций L, и их сочетание, выраженное коэффициентом турбулентной диффузии Dt. Вместе с тем, мезоперемешивание зависит и от конкретных условий, таких как диаметр трубы, отношение скоростей питания и средней скорости среды в аппарате.Meso-mixing takes place at an intermediate level and is responsible for large-scale turbulent transfer between the energy-carrying flow introduced into the apparatus and its environment. A fast chemical reaction usually takes place in the vicinity of the injection point (zone of "feed", input of the "fresh" stream), which forms a "cloud" (clot, English: plume, blob) with a high concentration of the product around the injected stream. This cloud is an intermediate scale between the micromixing level and the size of the reactor. The spatial evolution of a cloud can be identified as a process of turbulent diffusion. Another aspect of meso-mixing relates to the inertial-convective process of disintegration of large vortices, and is characterized by an almost complete absence of the influence of molecular diffusion. On the other hand, inertial-convective mixing influences micro-mixing processes. A complete understanding and accurate description of inertial-convective mixing is still lacking. The kinetic energy of turbulence k, the scale of the length of turbulent fluctuations L, and their combination, expressed by the coefficient of turbulent diffusion D t, are used as quantitative characteristics of meso mixing. At the same time, meso-mixing also depends on specific conditions, such as the pipe diameter, the ratio of the feed rates and the average speed of the medium in the apparatus.

Микроперемешивание - последний этап перемешивания в традиционных аппаратах, состоит из вязко-конвективной деформации элементов жидкости, который ускоряет распад агрегатов жидкости вплоть до диффузионного масштаба [Baldyga, J., Bourne, J.R., 1989. Simplification of micro-mixing calculations: I. Derivation and application of a new model. Chem. Eng. J. 42, 83-92]. Селективность реакций в конечном счете зависит от микроперемешивания, т.е. от того, как перемешиваются реагенты на молекулярном уровне [Baldyga J., Bourne J.R. Turbulent Mixing and Chemical Reactions. Wiley, Chichester, 1999]. Этот механизм влечет за собой вовлечение (англ.: "engulfment") и деформацию вихрей колмогоровского масштаба λk и является лимитирующим процессом в уменьшении локальных градиентов концентрации. Количественными характеристиками являются время микроперемешивания, связанное со скоростью диссипации энергии ε [Baldyga J., Bourne J.R. Turbulent Mixing and Chemical Reactions. Wiley, Chichester, 1999]: чем выше ε, тем лучше микроперемешивание и выше селективность быстропротекающих реакций.Micro-mixing, the last stage of mixing in traditional apparatus, consists of visco-convective deformation of the elements of the liquid, which accelerates the breakdown of liquid aggregates up to the diffusion scale [Baldyga, J., Bourne, JR, 1989. Simplification of micro-mixing calculations: I. Derivation and application of a new model. Chem. Eng. J. 42, 83-92]. The selectivity of the reactions ultimately depends on micromixing, i.e. on how the reagents are mixed at the molecular level [Baldyga J., Bourne JR Turbulent Mixing and Chemical Reactions. Wiley, Chichester, 1999]. This mechanism entails the involvement (English: "engulfment") and deformation of vortices of the Kolmogorov scale λ k and is the limiting process in the reduction of local concentration gradients. Quantitative characteristics are the micro-mixing time associated with the rate of energy dissipation ε [Baldyga J., Bourne JR Turbulent Mixing and Chemical Reactions. Wiley, Chichester, 1999]: the higher the ε, the better the micromixing and the higher the selectivity of fast reactions.

Базовый вариант иллюстрируется следующим примером (пример 1)The basic version is illustrated by the following example (example 1)

ПРИМЕР 1. Диспергирование капель масла в воде (эмульгирование) и жидкостная экстракция в известном устройстве.EXAMPLE 1. Dispersion of oil droplets in water (emulsification) and liquid extraction in a known device.

Диспергирование капель подсолнечного масла в воде проводилось в известном устройстве (пат. РФ 2264847) при комнатной температуре. Диаметр узкой горловины составлял 10 мм, широкой горловины 20 мм, число последовательно соединенных элементов - 10; общий объем аппарата 180 мл. При расходе воды 0.7 м /ч и расходе масла 0.007 м /ч средний размер капель масла был равен 180 мкм. Время пребывания смеси в реакторе составляло 0,926 с. В том же устройстве исследовался массоперенос при экстракции янтарной кислоты из капель н-бутанола в воду. В экспериментах было выявлено, что в водную фазу переходит не более 7.2% янтарной кислоты, что обусловлено недостаточно высоким коэффициентом массоотдачи от поверхности капель и недостаточно развитой поверхностью контакта фаз.Dispersion of drops of sunflower oil in water was carried out in a known device (US Pat. RF 2264847) at room temperature. The diameter of the narrow neck was 10 mm, the wide neck was 20 mm, the number of elements connected in series was 10; the total volume of the apparatus is 180 ml. At a water flow rate of 0.7 m3 / h and an oil flow rate of 0.007 m3 / h, the average oil droplet size was 180 μm. The residence time of the mixture in the reactor was 0.926 s. The same device was used to study the mass transfer during the extraction of succinic acid from n-butanol droplets into water. It was revealed in the experiments that no more than 7.2% of succinic acid passes into the aqueous phase, which is due to an insufficiently high coefficient of mass transfer from the droplet surface and an insufficiently developed phase contact surface.

Таким образом, известное устройство позволяет получать относительно мелкие капли, но уровень перемешивания недостаточно высокий для обеспечения интенсивного массопереноса.Thus, the known device makes it possible to obtain relatively small droplets, but the level of mixing is not high enough to ensure intensive mass transfer.

Предлагаемый вариант иллюстрируется следующим примером (пример 2)The proposed option is illustrated by the following example (example 2)

ПРИМЕР 2. Диспергирование капель масла в воде (эмульгирование) и жидкостная экстракция в предлагаемом устройстве.EXAMPLE 2. Dispersion of oil droplets in water (emulsification) and liquid extraction in the proposed device.

Процессы эмульгирования и экстракции, описанные в примере 1, были проведены в предлагаемом устройстве (см. фиг. 1), изготовленном по формуле изобретения с диаметром узкой горловины 10 мм и диаметром широкой горловины 20 мм. В зонах плавного сужения и расширения аппарата вставлены завихрители, выполненные в виде конических винтовых пружин, навитых из проволоки (сталь 12Х18Н10Т), как показано на фиг. 1 и фиг. 4.The processes of emulsification and extraction, described in example 1, were carried out in the proposed device (see Fig. 1), made according to the claims with a narrow neck diameter of 10 mm and a wide neck diameter of 20 mm. In the zones of smooth contraction and expansion of the apparatus, swirlers are inserted, made in the form of conical helical springs wound from wire (steel 12X18H10T), as shown in Fig. 1 and FIG. 4.

Вода и масло подавались с теми же расходами, что и в примере 1. Полученные капли масла имели средний размер 80 мкм, что в 2.25 раза выше, чем в известном устройстве.Water and oil were supplied at the same flow rates as in example 1. The resulting oil droplets had an average size of 80 μm, which is 2.25 times higher than in the known device.

Процесс экстракции янтарной кислоты проводили по методике, описанной в примере 1. Эксперименты показали, что в водную фазу переходит 52% янтарной кислоты, что в 7,36 раза выше, чем в базовом варианте.The process of extraction of succinic acid was carried out according to the method described in example 1. Experiments have shown that 52% of succinic acid passes into the aqueous phase, which is 7.36 times higher than in the base version.

Таким образом, коэффициент массоотдачи в предлагаемом аппарате при указанных параметрах возрос в 3,27 раза по сравнению с известными аналогами.Thus, the coefficient of mass transfer in the proposed device with the specified parameters increased by 3.27 times compared with the known analogues.

Аналогичные эксперименты были проведены при расходе воды 0.006 м3/ч и расходе масла 6⋅10-5 м3/ч, при этом средний размер капель масла был равен 280 мкм (в 1,7 раза меньше, чем для базового варианта), а доля перешедшей янтарной кислоты составила 74% (в 5,4 раза выше, чем для базового варианта).Similar experiments were carried out at a water flow rate of 0.006 m 3 / h and an oil flow rate of 6⋅10 -5 m 3 / h, while the average size of oil droplets was 280 μm (1.7 times less than for the basic version), and the share of succinic acid transferred was 74% (5.4 times higher than for the baseline variant).

Этот результат подтверждает улучшение эффективности перемешивания на макро-, мезо- и минимасштабных уровнях, увеличение интенсивности массообмена в аппарате, в том числе при низких числах Рейнольдса.This result confirms an improvement in the mixing efficiency at macro-, meso- and minimum-scale levels, an increase in the intensity of mass transfer in the apparatus, including at low Reynolds numbers.

Учитывая аналогию процессов переноса энергии и вещества, можно ожидать и интенсификацию теплоотдачи от стенок к ядру потока.Taking into account the analogy of the processes of energy and matter transfer, one can expect an intensification of heat transfer from the walls to the core of the flow.

Таким образом, использование предлагаемого устройства позволяет обеспечить повышение эффективности перемешивания на макро-, мезо- и минимасштабных уровнях, увеличение интенсивности тепло- и массообмена в аппарате, в том числе при низких числах Рейнольдса.Thus, the use of the proposed device allows for an increase in the mixing efficiency at macro-, meso- and minimum-scale levels, an increase in the intensity of heat and mass transfer in the apparatus, including at low Reynolds numbers.

Claims (1)

Аппарат для проведения массообменных и реакционных процессов в однофазных и многофазных средах, содержащий корпус вытянутой формы, насосы для подачи исходных компонентов, отличающийся тем, что поперечное сечение корпуса выполнено периодически изменяющимся вдоль оси, причем корпус состоит из последовательно соединенных одинаковых элементов, включающих зону плавного сужения, узкую горловину, зону плавного расширения, широкую горловину, причем в зонах плавного сужения и расширения элементов установлены завихрители.An apparatus for carrying out mass transfer and reaction processes in single-phase and multiphase media, containing an elongated body, pumps for supplying initial components, characterized in that the cross-section of the body is made periodically changing along the axis, and the body consists of series-connected identical elements including a smooth narrowing zone , a narrow throat, a zone of smooth expansion, a wide throat, and swirlers are installed in the zones of smooth narrowing and expansion of the elements.
RU2020140577A 2020-12-08 2020-12-08 Apparatus for conducting mass exchanging and reaction processes in single-phase and multi-phase media RU2753756C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020140577A RU2753756C1 (en) 2020-12-08 2020-12-08 Apparatus for conducting mass exchanging and reaction processes in single-phase and multi-phase media

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020140577A RU2753756C1 (en) 2020-12-08 2020-12-08 Apparatus for conducting mass exchanging and reaction processes in single-phase and multi-phase media

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2753756C1 true RU2753756C1 (en) 2021-08-23

Family

ID=77460335

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020140577A RU2753756C1 (en) 2020-12-08 2020-12-08 Apparatus for conducting mass exchanging and reaction processes in single-phase and multi-phase media

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2753756C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2775310C1 (en) * 2021-09-28 2022-06-29 Публичное акционерное общество "Нефтяная компания "Роснефть" (ПАО "НК "Роснефть") Device for continuous implementation of biochemical processes

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2186614C2 (en) * 2000-09-07 2002-08-10 Руфат Шовкет оглы Абиев Apparatus and method of interaction of phases in gas- to-liquid and liquid-to-liquid systems
US20020119082A1 (en) * 2000-12-27 2002-08-29 Didier Letourneur Flow control in a three-phase monolithic catalyst reactor
RU2342990C1 (en) * 2007-05-04 2009-01-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)" Method of mass-exchange and reaction processes in liquid-liquid, liquid-gas systems and associated plant (versions)
RU2660150C1 (en) * 2017-05-26 2018-07-05 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)" Pulsating apparatus with a two-stepped pulsing tube

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2186614C2 (en) * 2000-09-07 2002-08-10 Руфат Шовкет оглы Абиев Apparatus and method of interaction of phases in gas- to-liquid and liquid-to-liquid systems
US20020119082A1 (en) * 2000-12-27 2002-08-29 Didier Letourneur Flow control in a three-phase monolithic catalyst reactor
RU2342990C1 (en) * 2007-05-04 2009-01-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)" Method of mass-exchange and reaction processes in liquid-liquid, liquid-gas systems and associated plant (versions)
RU2660150C1 (en) * 2017-05-26 2018-07-05 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)" Pulsating apparatus with a two-stepped pulsing tube

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2775310C1 (en) * 2021-09-28 2022-06-29 Публичное акционерное общество "Нефтяная компания "Роснефть" (ПАО "НК "Роснефть") Device for continuous implementation of biochemical processes

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7032607B2 (en) Capillary reactor distribution device and method
Barabash et al. Theory and practice of mixing: A review
Su et al. Intensification of liquid–liquid two‐phase mass transfer by gas agitation in a microchannel
Hemrajani et al. Mechanically stirred vessels
CN101489659B (en) Mixing apparatus and process
CN103328092B (en) Vibration fluid micro-reactor
Kurt et al. Continuous reactive precipitation in a coiled flow inverter: inert particle tracking, modular design, and production of uniform CaCO3 particles
EP2719452A1 (en) Method and apparatus for physical or chemical processes
WO2012011844A1 (en) Gas-liquid reactor (variant embodiments)
EP2429691A1 (en) Multi-stage cavitation device
Li et al. Characterization of liquid–liquid mass transfer performance in a novel pore‐array intensified tube‐in‐tube microchannel
Li et al. The coupled mixing action of the jet mixer and swirl mixer: An novel static micromixer
RU2186614C2 (en) Apparatus and method of interaction of phases in gas- to-liquid and liquid-to-liquid systems
RU2753756C1 (en) Apparatus for conducting mass exchanging and reaction processes in single-phase and multi-phase media
US20120236678A1 (en) Compact flow-through nanocavitation mixer apparatus with chamber-in-chamber design for advanced heat exchange
Luo et al. Experimental investigations of liquid-liquid dispersion in a novel helical tube reactor
RU2264847C2 (en) Method of intensification of the reactive and mass-exchange processes in the heterogeneous systems and the apparatus for its realization
WO2006092360A1 (en) Oscillatory flow mixing reactor
RU2625980C1 (en) Method of producing suspension of high-dispersed particles of inorganic and organic materials and apparatus for its implementation
RU2082486C1 (en) Mixer-reactor
RU2841720C2 (en) Apparatus for continuous biochemical processes in gas-liquid streams
Li et al. Numerical Simulation of a Novel Hydrocyclone Mixer Structurally Optimized for Mixing Performance and Energy Efficiency
RU2747526C1 (en) Pulsating apparatus for conducting mass-exchange and reaction processes in single-phase and multi-phase media
Zou et al. Studies of Dispersed Phase Size in a Helical Tube Reactor with a Liquid-liquid Heterogeneous System.
Kashid et al. Microstructured reactors for fluid-fluid reactions