Способ обработки мелкозернистых и порошкообразных материалов жидкостями и аппарат для его реализации

Способ обработки мелкозернистых и порошкообразных материалов жидкостями и аппарат для его реализации

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к способам обработки мелкозернистых и порошкообразных материалов жидкостями, с одновременной их гидравлической транспортировкой в плотном слое и устройствам для их обработки, и может быть использовано в химической, металлургической, пищевой и других отраслях промышленности для растворения, экстрагирования, выщелачивания, кристаллизации, смешения с одновременной подачей концентрированной суспензии.

Известен способ обработки мелкозернистых и порошкообразных материалов жидкостями, заключающийся в подаче мелкодисперсной пульпы в верхнюю часть пульсационной колонны при соотношении твердой фазы к жидкой Т:Ж=1:10, подаче жидкости противотоком в нижнюю часть колонны и наложении пульсаций на суспензию в колонне (Карпачева С.М., Рябчиков Б.Е. Пульсационная аппаратура в химической промышленности. - М.: Химия, 1983; с.139-141), а также устройство для его реализации, содержащее пульсационную колонну, верхнюю загрузочную и нижнюю отстойную зоны, пульсационную камеру, генератор пульсаций и эрлифтный узел разгрузки (Карпачева С.М., Захаров Е.И. Основы теории и расчета пульсационных колонных реакторов. - М.: Атомиздат, 1980, с.38-39). Обработанную и сгущенную пульпу выводят из нижней отстойной зоны пульсационным насосом, а осветленный раствор выходит через верхний слив колонны. Известные способ и устройство позволяют интенсифицировать воздействие на гетерогенную среду за счет пульсаций.

Однако при использовании известных способа и устройства возникают серьезные проблемы, связанные с надежной и равномерной выгрузкой шлама, накапливающегося в нижней части аппарата. Предусмотренный для этого эрлифт не позволяет добиться гарантированной выгрузки в случае частиц с плотностью более 2500-3000 кг/м³ и при их размере крупнее 100 мкм. Установка в нижней части механических разгрузочных устройств (шнековых или шлюзовых питателей и т.п.), во-первых, не может обеспечить полной герметичности аппарата, во-вторых, сопряжена, с повышенным износом оборудования и разрушением частиц (что особенно нежелательно в процессах кристаллизации).

Кроме того, в известных способе и устройстве не использована возможность снижения энергетических затрат путем возбуждения пульсаций на частоте, близкой к собственной частоте колебаний системы гетерогенная среда - элементы аппарата. Таким образом, известные способ и устройство характеризуются повышенными затратами энергии на проведение процесса массообмена.

Известны способ обработки мелкозернистых и порошкообразных материалов жидкостями, заключающийся в перекачке по трубам концентрированных смесей различных жидких продуктов и мелкозернистых или порошкообразных материалов, а также устройство для его реализации (Смолдырев А.Е., Сафонов Ю.К. Трубопроводный транспорт концентрированных гидросмесей. - М.: Машиностроение, 1989. - 256 с.; с.3). Известные способ и устройство нашли широкое применение в различных отраслях промышленности, однако их экономическая эффективность ограничивается стоимостью подачи жидкости-носителя и ее дальнейшей очистки. Кроме того, экспериментально установлено, что в известном способе существуют предельно достижимые объемные концентрации частиц мелкозернистых материалов, при которой еще происходит перемещение гидросмеси по трубам (в отн. ед.): для мелкоизмельченных - до 0,4-0,5, для зернистых - до 0,35-0,45, для кусковых - 0,2-0,25, а для полидисперсных материалов - до 0,35-0,4 (Смолдырев А.Е., Сафонов Ю.К. Трубопроводный транспорт концентрированных гидросмесей. - М.: Машиностроение, 1989. - 256 с.; с.50). Это ограничивает применимость способа при необходимости вертикального транспорта частиц, либо при большой производительности по твердому материалу, когда производительность по жидкости должна быть в 3-5 раз выше.

Известны способ обработки мелкозернистых и порошкообразных материалов жидкостями и устройство для его реализации (Романков П.Г., Курочкина М.И. Экстрагирование из твердых материалов. - Л.: Химия, 1983, с.209, рис.5.27). Известное устройство содержит корпус в виде колонны, пористую перегородку в нижней части, расположенную под ней нижнюю камеру, оборудованную вертикальной трубой для отвода жидкости, центральную трубу, расположенную соосно корпусу, а в верхней части - распределитель жидкости и кольцевую разгрузочную камеру для выгрузки отработанного материала. Известный способ заключается в наложении колебаний на суспензию, подаваемую в верхнюю часть аппарата в виде плотного слоя в центральной трубе, а затем движущуюся вверх в кольцевой зоне под действием пульсаций жидкости, подаваемых снизу через пористую перегородку. Жидкость подается через распределитель в верхнюю часть аппарата в кольцевую зону, движется вниз, фильтруется через пористую перегородку и отводится из нижней камеры через вертикальную трубу. Известное способ и устройство позволяют интенсифицировать обработку твердых частиц жидкостью.

Недостатками известного способа и устройства являются следующие. Пульсации, подводимые к нижней камере, накладываются в большей степени на жидкость, отводимую из аппарата, и в меньшей - на суспензию, находящуюся над пористой перегородкой. Кроме того, разделение фаз в кольцевой разгрузочной камере в верхней части аппарата в виде сгущенной суспензии не может быть осуществлено без дополнительных физических воздействий на суспензию. Поэтому отработанный твердый материал будет выгружаться из верхней части аппарата в виде сильно разбавленной суспензии. Это приведет к необходимости использования дополнительных устройств для дальнейшей сепарации фаз (таких как гидроциклоны, фильтры, центрифуги), увеличению расхода вводимой в аппарат жидкости и росту непроизводительных затрат энергии.

Известен аппарат для обработки мелкозернистых материалов (RU 2077362 С1 B01D 11/02), в котором осуществляется возбуждение пульсации в суспензии с частотой, близкой к частоте собственных колебаний системы, состоящей из суспензии и цилиндра с поршнем (газонаполненным упругим элементом). Такой режим позволяет более эффективно использовать вводимую в аппарат энергию. В известном аппарате предполагается обработка твердой фазы в виде плотного слоя, что ограничивает объемную долю жидкости в аппарате и в некоторой степени затрудняет массоотдачу от частиц к жидкости, приводит к снижению равномерности распределения концентрации целевых компонентов в жидкости. Кроме того, известный аппарат работает в периодическом режиме, что снижает его производительность и усложняет эксплуатацию.

Известен аппарат для обработки мелкозернистых материалов (RU 2188057 С2 B01D 11/02), содержащий один или более одинаковых корпусов, соединенных друг с другом в нижней части переточным каналом, побудитель колебаний давления и технологические патрубки, снабженный пульсационной трубой, нижний конец которой через задвижку соединен с переточным каналом, а верхний через вентиль - с побудителем колебаний давления, причем побудитель колебаний давления подсоединен к верхней части одного из корпусов также через вентиль. Известное изобретение позволяет повысить эффективность устройства и надежность его работы. Однако область применения этого устройства ограничена обработкой капиллярно-пористых частиц. Кроме того, в конструкции аппарата предусмотрены контейнеры с перфорированными днищами, на которых лежит слой обрабатываемых капиллярно-пористых частиц в виде плотного слоя. Использование таких элементов предполагает работу аппарата только в периодическом режиме, что снижает его производительность и усложняет эксплуатацию.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ обработки мелкозернистых и порошкообразных материалов жидкостями и устройство для его реализации (RU 2100044 С1 В01D 11/02). Известный способ заключается в проведении тепломассообменных и гидродинамических процессов в системах твердая фаза - жидкость, включающем контакт фаз в условиях пульсирующего несинусоидального течения дисперсной фазы в технологическом аппарате, при этом контакт фаз осуществляют непрерывно в условиях плотного слоя дисперсной фазы с объемной концентрацией 75-85%, перемещающегося в течение полупериода пульсации со скоростью, превышающей скорость псевдоожижения, с направлением движения дисперсионной среды в этом полупериоде. Предлагаемый способ реализован на установке, состоящей из U-образного аппарата, связанного через пульсопровод с пульсатором. Верхняя часть одного из колена аппарата является пульсационной камерой. Конструкция пульсатора позволяет формировать несинусоидальные импульсы давления, которые по пульсопроводу передаются в пульсационную камеру. Известное изобретение позволяет повысить эффективность способа проведения процессов в гетерогенной системе. К недостаткам известного изобретения относятся:

1) пульсации в суспензии возбуждают с произвольной частотой, т.е. в известном способе и аппарате не используются упруго-инерционные свойства системы, что приводит к недостаточно эффективному использованию энергии;

2) известный способ предполагает обработку твердых частиц в виде плотного слоя дисперсной фазы с объемной концентрацией 75-85%, т.е. в виде плотного слоя, что снижает эффективность процессов обработки, приводит к увеличению неравномерности распределения параметров (температуры, концентрации извлекаемых либо растворяемых компонентов) по объему аппарата, поскольку движение жидкости в поровом пространстве происходит в стесненных условиях, а объем жидкости также существенно ниже, чем в разбавленных суспензиях;

3) в известном изобретении плотный слой частиц перемещается в течение полупериода пульсации со скоростью, превышающей скорость псевдоожижения, что связано со спецификой плотного слоя, т.е. известный способ не может быть распространен на случай разбавленной суспензии;

4) в известном изобретении предлагается создавать пульсирующее несинусоидальное течение дисперсной фазы в технологическом аппарате, необходимое для продвижения дисперсной фазы в виде плотного слоя; этот признак также имеет специфическую направленность, т.е. пригоден лишь для плотного слоя и не может быть обобщен на случай разбавленной суспензии.

Таким образом, известные способ и аппарат имеют ряд существенных ограничений, обусловленных областью их применения для обработки дисперсной фазы с объемной концентрацией 75-85%, т.е. в виде плотного слоя. При обработке дисперсной фазы в более широком диапазоне концентраций эффективность известного изобретения недостаточно высока, а энергетические затраты, обусловленные необходимостью продвижения плотного слоя большой протяженности, чрезмерно высоки (для обеспечения заданного времени пребывания аппарат должен иметь достаточную длину, которая может достигать от нескольких метров до десятков и даже сотен метров. По этой же причине снижается и надежность аппарата, поскольку не исключено закупоривание (образование "пробок") дисперсной фазы, движущейся в виде плотного слоя, особенно на поворотных участках.

Задача предлагаемого изобретения - повышение эффективности способа за счет ускорения процесса массообмена и снижения энергетических затрат, а также повышение надежности работы аппарата, реализующего способ.

Поставленная задача решается тем, что в способе обработки мелкозернистых и порошкообразных материалов жидкостями, заключающемся в подаче в аппарат твердых частиц и жидкости, осаждении частиц в жидкости и наложении пульсаций на образовавшуюся суспензию с последующей выгрузкой выпавшего осадка в виде плотного слоя, согласно изобретению, пульсации в суспензии возбуждают с частотой, близкой к частоте собственных колебаний системы, состоящей из суспензии и газонаполненного упругого элемента, амплитуду колебаний задают такой, чтобы скорость колебательного движения частиц относительно жидкости превышала скорость их свободного осаждения в неподвижной жидкости, при этом в суспензию вводят газ, а на выгружаемый слой осадка накладывают пульсации давления с помощью жидкости, подаваемой в нижнюю часть слоя осадка, или газа, подаваемого в верхнюю часть осадка.

Поставленная задача решается также тем, что в нижнюю часть выгружаемого слоя осадка импульсно вводят газ, причем импульсы ввода газа подают в конечной фазе импульсов давления жидкости, накладываемых на выгружаемый плотный слой осадка.

Кроме того, поставленная задача решается тем, что аппарат для обработки мелкозернистых и порошкообразных материалов, включающий вертикальный корпус, узлы подачи суспензии и разгрузки, один или несколько газонаполненных упругих элементов, присоединенные к нижней части корпуса, одну или несколько пульсационных камер, к которым подключен генератор колебаний суспензии, а также патрубки для подачи жидкости и газа, согласно изобретению, снабжен управляемыми клапанами для прерывания расходов жидкости и газа, соединенными с генератором импульсов, а узел разгрузки выполнен в виде трубы, заканчивающейся разгрузочным патрубком.

Поставленная задача решается также тем, что узел разгрузки снабжен коническим бункером с нижним разгрузочным патрубком и верхним патрубком, к которому подсоединен управляемый клапан для подачи сжатого газа, а нижняя часть бункера выполнена проницаемой для жидкости и оборудована кольцевой камерой для подачи жидкости.

Поставленная задача решается также тем, что к разгрузочному патрубку подключен управляемый исполнительным механизмом запорный клапан, периодически герметично закрывающий и открывающий разгрузочный патрубок, причем управляемый запорный клапан снабжен внутренними каналами для подачи сжатого воздуха, в верхней части закрытыми защитным козырьком в виде конуса, присоединенного к клапану.

Предлагаемое изобретение позволяет за счет возможности реализации резонанса, за счет существенного снижения расхода циркулирующей жидкости повысить эффективность процесса массообмена, снизить энергетические затраты; за счет выгрузки осадка в виде плотного слоя, без использования механических устройств позволяет снизить износ и повысить долговечность аппарата, т.е. увеличить надежность его работы.

Заявляемое техническое решение является новым, обладает изобретательским уровнем и промышленно применимо.

Возбуждение колебаний с частотой, близкой к частоте собственных колебаний системы, состоящей из суспензии и элементов аппарата, при задании амплитуды колебаний такой, чтобы скорость колебательного движения частиц относительно жидкости превышала скорость их свободного осаждения в неподвижной жидкости, позволяет повысить эффективность процесса массообмена и снизить энергетические затраты.

Это достигается за счет того, что при скорости колебательного движения частиц относительно жидкости, превышающей скорость их свободного осаждения в неподвижной жидкости, уменьшается толщина гидродинамического и диффузионного пристенных слоев на поверхности частиц, вследствие чего возрастает коэффициент массоотдачи. Средняя скорость движения частиц остается при этом практически неизменной, что позволяет обеспечить необходимое время их пребывания в аппарате.

Способы осуществления связи между амплитудой колебаний и скоростью движения частиц известны из уровня техники.

Суть предлагаемого приема сводится к тому, чтобы обеспечить скорость колебательного движения частиц относительно жидкости V_кол больше скорости их осаждения в неподвижной жидкости V_oc.

Скорость осаждения частиц в неподвижной жидкости V_ос может быть найдена либо экспериментальным путем (осаждение частиц в емкости с жидкостью с измерением времени и пути осаждения; см., например, Коузов П.А. Основы дисперсионного анализа промышленных пылей. - Л.: Химия, 1971. - 279 с.), либо рассчитана теоретически, с использованием кривой Релея (зависимость коэффициента сопротивления от числа Рейнольдса при осаждении) - итерационным методом или прямым методом - по зависимости числа Рейнольдса от числа Архимеда (см., например, Романков П.Г., Курочкина М.И. Гидромеханические процессы химической технологии. - Л.: Химия, 1974. - С.121-133).

Скорость колебательного движения частиц относительно жидкости V_кол, разумеется, также может быть определена опытным путем, например, с использованием высокоскоростной видеосъемки частиц в колеблющейся жидкости. Она может быть также рассчитана с использованием соотношений, приведенных в литературе для одиночной частицы (см., например. Тепло- и массообмен в звуковом поле / В.Е.Накоряков, А.П.Бурдуков, А.М.Болдарев, П.Н.Терлеев; Под ред. С.С.Кутателадзе. - Новосибирск: Ин-т теплофизики СО АН СССР, 1970. - С.49; Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. - М.: Иностр. лит, 1957. - 948 с.), либо для частицы, находящейся в суспензии (Блехман И.И. Вибрационная механика. - М.: Физматлит, 1994. - С.331-334). В литературе (см., например, Блехман И.И. Вибрационная механика. - М.: Физматлит, 1994. - С.331-334) приведены формулы для расчета амплитуды линейных смещений частиц А_r и сдвига по фазе ε_r по отношению к колебаниям жидкости.

Таким образом, скорость колебательного движения частиц относительно жидкости V_кол может быть рассчитана по вычисленным значениям А_r и ε_r по известной формуле (см., например, Ден-Гартог Дж.П. Механические колебания. М.: Гос. изд-во физ-мат. лит., 1960. - С.12-17)

где ω - угловая частота колебаний (пульсаций), создаваемых в аппарате, с^-1;

t - время, с.

Согласно изобретению, амплитуду колебаний задают такой, чтобы скорость колебательного движения частиц относительно жидкости превышала скорость их свободного осаждения в неподвижной жидкости, что равносильно удовлетворению неравенства

Таким образом, по известным соотношениям следует найти такую амплитуду колебаний, чтобы удовлетворялось неравенство (2).

Возбуждение колебаний с частотой, близкой к частоте собственных колебаний системы, состоящей из суспензии и элементов аппарата, позволяет реализовать резонансный режим колебаний, требующий значительно меньших затрат энергии по сравнению с нерезонансными колебаниями или другими способами взаимодействия твердой и жидкой фаз.

За счет ввода в суспензию газа достигается, во-первых, снижение частоты собственных колебаний системы, так как при этом резко снижается жесткость колеблющегося столба суспензии, во-вторых, пузырьки газа играют роль локальных трансформаторов энергии, поскольку вблизи каждого из пузырьков амплитуда пульсаций жидкости и находящихся в них частиц максимальны. Вблизи колеблющихся пузырьков возникают микротечения, омывающие частицы, вводимая в гетерогенную систему энергия перераспределяется, массоперенос от частиц в жидкость улучшается, энергия расходуется более целенаправленно. Все это позволяет дополнительно повысить эффективность процесса массообмена.

За счет выгрузки образовавшегося в аппарате осадка в виде плотного слоя, и наложения на выгружаемый слой осадка пульсаций давления повышается надежность работы аппарата, так как перечисленные физические воздействия способствуют разрушению связей между частицами в плотном слое, обладающем свойствами жидкости Шведова-Бингама, и облегчают его выгрузку из аппарата даже в направлении вертикально вверх.

На фиг.1 представлен один из вариантов исполнения аппарата для обработки мелкозернистых и порошкообразных материалов жидкостями, на фиг.2 и 3 в увеличенном масштабе показаны некоторые его элементы. На фиг.1-3 использованы следующие буквенные обозначения: Г - газ, Ж - жидкость, Т - твердые частицы, О - осадок, П - "пробка" суспензии в виде плотного слоя, Ж+Т - суспензия. На фиг.4 показан характер движения твердых частиц относительно жидкости: z - вертикальная координата центра тяжести частицы, t - время.

Аппарат содержит вертикальный корпус 1, узел подачи суспензии 2 (может представлять собой питатель для подачи твердых частиц и патрубок ввода жидкости, на фиг.1 показан условно) и узел разгрузки 3, патрубки 4, 5 для подачи жидкости и патрубки 6, 7 для подачи газа, снабжено управляемыми клапанами 8, 9, 10 для прерывания расходов жидкости и газа, соединенными с генератором импульсов 11, а узел разгрузки 3 выполнен в виде трубы 12, соединенной с нижней частью корпуса 1 при помощи плавного перехода 13.

Узел разгрузки 3 может быть снабжен присоединенным к трубе 12 коническим бункером 14 (см. фиг.2) с нижним разгрузочным патрубком 15 и верхним патрубком 16, к которому подсоединен управляемый клапан 17 для подачи сжатого газа, а нижняя часть бункера выполнена проницаемой для жидкости, например, в виде перфорированной конической перегородки 18 и оборудована кольцевой камерой 19 для подачи жидкости через патрубок 20. В альтернативном варианте труба 12 в верхней части имеет отвод (плавный поворот) 21 на угол от 0 до 180°, обеспечивающий выгрузку осадка в необходимом направлении (от вертикального вверх до вертикального вниз), заканчивающийся нижним разгрузочным патрубком 15.

К разгрузочному патрубку 15 подключен управляемый исполнительным механизмом 22 запорный клапан 23 (см. фиг.3), периодически герметично закрывающий и открывающий разгрузочный патрубок 15 при помощи исполнительного механизма 22 (на фиг.3 условно не показан). Исполнительный механизм 22 может представлять собой механический, электромагнитный, электромеханический, пневматический или гидравлический привод возвратно-поступательного движения.

Управляемый запорный клапан 23 может быть снабжен внутренними каналами 24 (см. фиг.3) для подачи сжатого воздуха, в верхней части закрытыми защитным козырьком 25 в виде конуса, присоединенного к клапану 23. Это позволяет подавать воздух через разгрузочный патрубок 15, не допуская засорения каналов 24 истекающей из патрубка 15 суспензией.

К нижней части корпуса присоединена пульсационная камера 26, а также газонаполненный упругий элемент 27, в котором газ (например, воздух) защемлен жидкостью. Пульсационных камер 26 и газонаполненных упругих элементов 27 может быть несколько, что позволяет добиться более равномерного распределения поля течения в корпусе 1. Диаметры патрубков, соединяющих пульсационную камеру 26 и газонаполненный упругий элемент 27, достаточно большие по сравнению с размером частиц суспензии, что позволяет предотвратить их засорение. Объем газа в газонаполненном упругом элементе 27 может в процессе работы аппарата изменяться в результате его растворения в жидкости либо утечек и должен регулироваться при помощи известных средств автоматизации путем постепенной подкачки необходимого количества газа (на фиг.1 условно не показаны).

Наложение пульсаций на суспензию осуществляется при помощи генератора колебаний суспензии, выполненного либо в виде генератора пневматических пульсаций 28, либо в виде насоса 29, присоединенных к пульсационной камере 26 (как показано на фиг.1) либо непосредственно к корпусу 1. Трубопроводы 30 и 31 позволяют организовать рецикл жидкой фазы в устройстве, в том числе поступающей из вакуум-насоса 32 (к заявляемому устройству непосредственно не относится и показан для объяснения принципа его действия), обеспечивающего дополнительное концентрирование и подсушку выгруженного через патрубок 15 осадка. Подача свежей жидкости осуществляется через всасывающий патрубок насоса 29; таким образом реализуется противоточное движение фаз в корпусе 1. При возбуждении пульсаций суспензии при помощи генератора пневматических пульсаций 28 насос 29 может подключаться непосредственно к нижней части корпуса 1 для обеспечения необходимого расхода жидкости.

В корпусе 1 установлен датчик 33 давления или скорости, или ускорения, или перемещения суспензии, соединенный с контроллером 34, причем контроллер 34 подстраивает частоту генератора колебаний 28 суспензии так, чтобы обеспечить максимальную амплитуду колебаний суспензии в корпусе 1. В альтернативном варианте генератор импульсов 11 выполняет функции генератора колебаний суспензии; при этом контроллер 34 подключен к генератору импульсов 11, а сигнал с контроллера 34 поступает на генератор импульсов 11, управляющий клапаном 10. В обоих случаях использование датчика 33 с контроллером 34 позволяет настраивать частоту колебаний суспензии в корпусе 1 на резонансный режим, характеризующийся максимальной амплитудой колебаний.

Предлагаемый аппарат работает следующим образом, реализуя три основных процесса: 1) загрузку твердой и жидкой фаз (происходит по известному способу), 2) взаимодействие твердой и жидкой фаз при осаждении частиц в пульсирующей жидкости, 3) выгрузку образовавшегося осадка из аппарата.

Процесс взаимодействия твердой и жидкой фаз при осаждении частиц в пульсирующей жидкости осуществляется следующим образом.

В верхнюю часть корпуса 1 при помощи узла загрузки 2 подают твердые частицы и жидкость (в случае прямотока). В случае необходимости противоточного движения фаз жидкость подается насосом 29 в пульсационную камеру 26, а из нее - через патрубок 5 в корпус 1.

При использовании в качестве генератора колебаний суспензии генератора пневматических пульсаций 28 клапан 10 открывают и удерживают в открытом положении, пульсации на жидкость в пульсационной камере 26 передаются от генератора пневматических пульсаций 28. Струи жидкости, проникая через патрубок 5 в корпус 1, создают колебательное движение суспензии в корпусе 1.

При использовании в качестве генератора колебаний суспензии насоса 29 (генератор пневматических пульсаций 28 при этом отключен) клапан 10 периодически открывается и закрывается в соответствии с сигналами, поступающими от генератора импульсов 11. Жидкость, подаваемая насосом, на первой стадии каждого цикла колебаний (при закрытом состоянии клапана 10) накапливается в пульсационной камере 26, сжимая находящийся над ней газ. Газ накапливает потенциальную энергию, которую он при открытии клапана 10 передает жидкости в пульсационной камере. Жидкость, перетекая через патрубок 5 в корпус 1, сообщает вертикальный импульс находящейся в нем суспензии.

Под действием импульса, передаваемого суспензии струями жидкости, суспензия совершает движение снизу вверх, поскольку находящийся в нижней части корпуса осадок препятствует заметному проницанию жидкости через межзерновые каналы в осадке. При этом происходит расширение газа в газонаполненном упругом элементе 27, а жидкость из него частично вытесняется в корпус 1. Достигнув предельного верхнего положения, суспензия начинает движение вниз, сжимая газ в газонаполненном упругом элементе 27. Таким образом осуществляется один цикл колебаний. Далее процесс колебаний суспензии продолжается. Благодаря разности плотностей твердых частиц и жидкости частицы не успевают повторять колебательные движения жидкости, т.е. существует сдвиг по фазе колебательного движения твердых частиц и жидкости. Кроме того, амплитуда колебаний твердых частиц также ниже амплитуды колебаний жидкости. В результате этого возникает колебательное относительное движение твердых частиц и жидкости, накладываемое на поступательное относительное движение твердых частиц и жидкости, типичное для простого осаждения.

Средняя скорость относительного движения частиц, т.е. скорость осаждения, примерно равна скорости осаждения в неподвижной жидкости (на фиг.4 она характеризуется тангенсом угла β). Это означает, что время пребывания частиц при равной высоте аппарата остается практически такой же, как при простом осаждении. Вместе с тем, мгновенная скорость относительного движения частиц, т.е. мгновенная скорость их обтекания в несколько раз превышает скорость осаждения в неподвижной жидкости (на фиг.4 ее амплитуда характеризуется тангенсом угла α). Поэтому толщина пристенного слоя на поверхности частиц становится тоньше, в ней возникают вторичные циркуляционные токи (Тепло- и массообмен в звуковом поле / В.Е.Накоряков, А.П.Бурдуков, А.М.Болдарев, П.Н.Терлеев; под ред. С.С.Кутателадзе. - Новосибирск: Ин-т теплофизики СО АН СССР, 1970. - с.8-12; Галицейский Б.М., Рыжов Ю.А., Якуш Е.В. Тепловые и гидродинамические процессы в колеблющихся потоках. - М.: Машиностроение, 1977. - с.106), что приводит к многократному снижению диффузионного сопротивления пристенного слоя и к существенному улучшению условий массоотдачи от поверхности частиц.

Реализация резонансного режима колебаний, при котором пульсации в суспензии возбуждают с частотой, близкой к частоте собственных колебаний системы, состоящей из суспензии, находящейся в корпусе 1, и элементов аппарата, а именно - газонаполненного упругого элемента 27, еще в большей степени способствует улучшению условий массоотдачи, так как высокая амплитуда относительных движений твердых частиц достигается при меньших энергетических затратах. Действительно, в этом случае суспензия в корпусе 1 выполняет роль инерционного элемента, а газ, защемленный в газонаполненном упругом элементе 27, выступает в качестве упругого элемента. Образующаяся при этом колебательная система обладает собственной частотой колебаний, определяемой комплексом упругих, инерционных и диссипативных свойств. Это позволяет легко управлять колебаниями в аппарате, взаимно подстраивая частоту внешних воздействий (частоту колебаний генератора) и собственную частоту колебаний системы. Конструктивно это возможно реализовать путем установки в корпусе датчика давления, или скорости, или ускорения, или перемещения суспензии, соединенного с контроллером, причем контроллер подстраивает частоту генератора колебаний суспензии так, чтобы обеспечить максимальную амплитуду колебаний суспензии.

Задание амплитуды колебаний такой, чтобы скорость колебательного движения частиц относительно жидкости превышала скорость их свободного осаждения в неподвижной жидкости, позволяет использовать преимущества возбуждения пульсаций в суспензии, выражающиеся в увеличении коэффициента массоотдачи при колебательном движении по сравнению с коэффициентом массоотдачи при простом осаждении.

Ввод пульсаций в суспензию может осуществляться и иначе - посредством сжатого воздуха, подаваемого импульсно в верхней части корпуса 1 либо в верхней части газонаполненного упругого элемента 27, при помощи установленных в корпусе 1 вибромешалок, путем импульсного ввода частиц твердого материала в верхней части корпуса 1 и т.д.

Ввод в суспензию газа через предусмотренный для этой цели патрубок 7 позволяет, во-первых, изменить упругие свойства колебательной системы за счет снижения жесткости столба суспензии в корпусе 1, поскольку скорость звука в газожидкостной смеси много меньше, чем в чистой жидкости (Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. - М.: Наука, 1973. - 848 с.). Во-вторых, вводимый в суспензию газ, распределяясь в суспензии в виде пузырьков, выполняет роль трансформатора энергии упругих волн сжатия - расширения в суспензии. Поверхность пузырьков газа, как наиболее легко деформируемый элемент, способна пульсировать с максимальной амплитудой (по сравнению с другими компонентами суспензии - жидкостью и твердыми частицами). Поэтому вблизи каждого из пульсирующих пузырьков усиливаются локальные пульсации, что способствует улучшению гидродинамической обстановки у поверхности твердых частиц, находящихся в окрестности пульсирующего пузырька. При этом уменьшается толщина пристенных гидродинамического и диффузионных слоев, а коэффициент массоотдачи от поверхности частиц возрастает. Для обеспечения достаточно высокой дисперсности пузырьков газ, вводимый через патрубок 7, может быть распределен при помощи барботеров, газораспределителей и т.п.

Осуществление выгрузки образовавшегося в аппарате осадка в виде плотного слоя позволяет, во-первых, создать в нижней части устройства зону с высоким гидравлическим сопротивлением, через которую существенно затруднена фильтрация жидкости и слабо проникают пульсации, возбуждаемые в суспензии. Во-вторых, при движении осадка в виде плотного слоя доля жидкости может составлять в нем не более 26-30% (Аэров М.Э., Тодес О.М. Гидравлические и тепловые основы работы аппаратов со стационарным и кипящим зернистым слоем. - Л.: Химия, 1968. - С.9). Это позволяет в несколько раз сократить унос воды с осадком по сравнению со случаем выгрузки разбавленной суспензии. В-третьих, при движении осадка в виде плотного слоя отпадает необходимость в механических побудителях движения, таких как шнеки, лопатки, мешалки, скребки и т.п. Это снижает износ, повышает долговечность и надежность устройства.

Наложение на выгружаемый слой осадка пульсаций давления позволяет снизить трение между плотным слоем осадка, движущегося в виде единой пробки либо отдельных пробок, разделенных слоями жидкости и газа. Пульсации давления создают жидкостью, подаваемой в нижнюю часть слоя осадка, а именно в трубу 12 через патрубок 4 и клапан 9, периодически открываемый по сигналам с генератора импульсов 11, либо газом, подаваемым в верхнюю часть осадка, а именно в разгрузочный патрубок 15 через внутренние каналы 24, выполненные в запорном клапане 23, управляемым исполнительным механизмом 22, либо газом, подаваемым в верхнюю часть осадка, а именно через патрубок 16 и клапан 17 (на фиг.1-3 подключение клапана 17, клапан на каналах 24 и его подключение к генератору импульсов 11 условно не показаны). При наложении пульсаций давления одним из перечисленных выше способов пробка плотного слоя твердого материала сдвигается из неподвижного состояния, при этом связи между частицами твердого материала и стенкой трубы 12 нарушаются, трение покоя переходит в трение движения, отличающееся меньшим коэффициентом. Кроме того, при движении пробки происходит некоторое снижение пористости слоя в зоне вблизи стенок трубы 12, связанное с большими касательными напряжениями и обусловленным ими вращением частиц. В результате этого в зону вблизи стенок трубы 12 проникает большее количество жидкости, и она выступает в роли смазки, способствуя снижению трения плотного слоя осадка, движущегося в виде пробки, о стенку трубы 12.

Импульсный ввод в нижнюю часть выгружаемого слоя осадка газа, а именно через патрубок 6 и клапан 8, способствует разделению движущегося плотного слоя частиц твердого материала на отдельные пробки сравнительно небольшой длины. Напряжения, экспоненциально возрастающие вдоль каждой из пробок, определяются длиной пробки (Аэров М.Э., Тодес О.М. Гидравлические и тепловые основы работы аппаратов со стационарным и кипящим зернистым слоем. - Л.: Химия, 1968. - С.131, рис.III.5, в; Островский Г.М. Прикладная механика неоднородных сред. - СПб: Наука, 2000. - с.136, рис.4.25, линия 2), поэтому при сокращении длины пробки общая сила трения по всем пробкам становится меньше, чем в одной пробке с длиной, равной сумме длин нескольких отдельных пробок. Это также позволяет сократить энергетические затраты и повышает надежность работы аппарата.

Благодаря тому, что импульсы ввода газа через патрубок 6 подают в конечной фазе импульсов давления жидкости, накладываемых на выгружаемый плотный слой осадка через патрубок 4 при помощи клапана 9 и генератора импульсов 11, т.е. ввод газа осуществляется наиболее рационально, так как порция газа проходит сквозь только что разрыхленный жидкостью слой частиц, еще не сформировавшийся в подвижную пробку, через который прошла волна сжатия. По этой причине сопротивление слоя при вводе газа минимально. Таким образом удается дополнительно снизить затраты энергии.

Несмотря на слабый уровень импульсов, проникающих в осадок при работе генератора колебаний суспензии, выполненного в виде генератора пневматических пульсаций 28 или насоса 29, для некоторых видов мелкозернистых и порошкообразных материалов этих импульсов вполне достаточно для разрушения связей между частицами осадка и стенкой трубы 12, что приводит к началу поступательного движения осадка в узле разгрузки 3.

Наличие управляемых клапанов 8-10, 17 для прерывания расходов жидкости и газа, соединенных с генератором импульсов 11, позволяет реализовать предлагаемый способ, а именно: 1) возбуждать пульсации в суспензии с частотой, близкой к частоте собственных колебаний системы, 2) накладывать пульсации давления на выгружаемый слой осадка (жидкостью, подаваемой в нижнюю часть слоя осадка или газом, подаваемым в верхнюю часть осадка); 3) имп