Кавітаційний газо-рідинний реактор

Изобретение относится к устройствам для осуществления массообменных процессов в системе "жидкость-газ" и может быть использовано в пищевой, химической и других отраслях промышленности. В качестве прототипа выбран кавитационный смеситель, содержащий цилиндрический корпус с патрубками подвода и отвода обрабатываемой среды, в котором радиально размещены закрепленные на внутренней поверхности корпуса цельные кавитаторы [1]. Недостатком такого устройства является невысокая эффективность массообменных процессов в обрабатываемой среде. Это вызвано тем, что конструкция смесителя позволяет получать кавитационное поле только однородной структуры, поэтому поверхность контакта фаз развита недостаточно. В основу изобретения поставлена задача усовершенствования кавитацыонного. смесителя путем увеличения поверхности контакта фаз, за счет чего интенсифицируется процесс массообмена в системе "жидкость-газ". Поставленная задача решается тем, что в кавитационном газожидкостном реакторе, содержащем цилиндрический корпус с патрубками подвода и отвода обрабатываемой среды, в котором радиально размещены закрепленные на внутренней поверхности корпуса цельные кавитаторы. согласно изобретению, он снабжен полыми кавитаторами и установленным на наружной поверхности корпуса, связанным с источником газообразного компонента коллектором, полость которого соединена с полостью корпуса посредством полых кавитаторов, при этом последние имеют отверстия со стороны патрубка отвода обрабатываемой среды и установлены между цельными кавитаторами. В предлагаемом изобретении поток обрабатываемой среды через патрубок подвода поступает в цилиндрический корпус и натекает на радиально размещенные закрепленные на его внутренней поверхности кавитаторы. При этом, за каждым кавитатором образуется присоединенная каверна. Часть кавитаторов выполнена полыми, соединенными с внутренней полостью корпуса и внутренней полостью установленного на его наружной поверхности коллектора, связанного с источником газообразного компонента, а часть кавитаторов - цельными. Поэтому, образующиеся за ними каверны различны по характеру и строению. При обтекании полых кавитаторов, за ними возникают вакуумные каверны, в полость которых через отверстия со стороны патрубка отвода среды из коллектора за счет всасывания или принудительно подается газ. Газовые каверны в хвостовой части пульсируют, генерируя поле газовых пузырьков с размерами 50-300 мкм, создавая при этом развитую поверхность контакта фаз для эффективного проведения реакций массообмена. При обтекании цельных кавитаторов, за ними возникают вакуумные кавитационные каверны, образующие при. распаде поле паровых кавитационных пузырьков, насыщающих обрабатываемую среду по всему сечению корпуса реактора. Таким образом, в корпусе реактора создается нестационарное поле паровых и газовых пузырьков в потоке обрабатываемой среды. При этом, паровые кавитационные пузырьки, в отличие от газовых, имеют большую склонность к схлопыванию в зоне повышенного давления, и при их схлопывании возникают высокие локальные давления (до 1000 МПа), оказывающие диспергирующее воздействие на распределенные в объеме газовые пузырьки. При этом газовые пузырьки интенсивно дробятся, деформируются, сжимаются, начинают пульсировать; тем самым увеличивается удельная поверхность контакта фаз и разрушаются диффузионные слои на поверхности их раздела, интенсифицируется циркуляция газа в объеме пузырька. Благодаря этому ускоряется протекание реакции массообмена в системе "газ-жидкость". Возникающие также при схлопывании паровых кавитационных пузырьков поличастотные волны давления оказывают интенсивное перемешивающее воздействие на обрабатываемую среду, разрушая диффузионные пограничные слои жидкости, и перераспределяют ее в корпусе реактора. На протекание процесса массообмена на границе "газовый пузырек - жидкость" также оказывает влияние широкий спектр акустических колебаний, образующи хся при схлопывании паровых кавитационных пузырьков, а также пульсации кавитационных каверн, которые интенсифицируют дробление более длинных газовых каверн, увеличивая количество газовых пузырьков. При этом. равномерному распределению газовых и кавитационных каверн в корпусе реактора способствует предложенное размещение кавитаторов. Таким образом, обеспечивается вовлечение в реакцию массообмена практически всего объема газообразного компонента. Кроме того, из-за перепада давления в газовых и кавитационных присоединенных кавернах, прослойки жидкой фазы обрабатываемой среды насыщаются газообразным компонентом, что приводит к существенному усилению процесса массообмена в системе "газ-жидкость", начиная уже с границы каверны. Следовательно, образование поля газовых пузырьков и паровых кавитационных пузырьков, оказывающих при схлопывании диспергирующее воздействие на газовые пузырьки, пульсации вакуумных присоединенных каверн, интенсивно дробящих более длинные газовые каверны, увеличивая количество газовых пузырьков, и усиление процесса массообмена начиная уже с границы каверны, а также акустические колебания от охлопывающихся паровых кавитационных пузырьков и поличастотные волны давления - в совокупном воздействии на обрабатываемую среду позволяют значительно интенсифицировать массообменные реакции в системе "жидкость-газ". Обработанная среда выводится из корпуса через патрубок отвода. Подача газа в вакуумную каверну в зависимости от условий процесса осуществляется непрерывно. либо дозированно. Техническая сущность и принцип'дейст-вия заявляемого кавитационного газожидкостного реактора поясняются чертежом, где изображено: на фиг. 1 - продольный разрез реактора: на фиг. 2 - вид со стороны патрубка отвода среды. Кавитационный газожидкостной реактор состоит из цилиндрического корпуса 1 с патрубками подвода 2 и отвода 3 обрабатываемой среды. В корпусе 1 радиально размещены на его внутренней поверхности кавитаторы 6-13 и, например, закрепленные на оси 4. На наружной поверхности корпуса 1 установлен связанный с источником газообразного компонента коллектор 5. полость которого соединена с полостью корпуса 1 посредством полых кавитаторов, например 6. 7. 8,9, имеющими отверстия со стороны патрубка отвода обрабатываемой среды 3. Причем, между каждой парой полых кавитаторов, например, 6 и 7, 7 и 8, 8 и 9, 9 и 6. размещены цельные кавитаторы, например,10, 11,12,13. Для подвода и дозирования газообразного компонента служит устройство 14. Кавитационный газожидкостной реактор работает следующим образом. Обрабатываемая среда через патрубок 2 поступает в корпус 1 реактора с размещенными в нем радиально закрепленными на внутренней поверхности корпуса 1 и, например, на оси 4 кавитаторами 613. Так как часть кавитаторов выполнена полыми, например, 6, 7,8, 9, имеет отверстия со стороны патрубка отвода обрабатываемой среды 3 и соединена с полостью коллектора 5, установленного на наружной поверхности корпуса 1 и связанного с источником газообразного компонента, а часть цельными, например, 10, 11, 12, 13, при обтекании потоком обрабатываемой среды за ними генерируются вакуумные присоединенные каверны: соответственно - газовые и кави-тационные, различные по форме и строению. Газовые каверны пульсируют в хвостовой части, образуя поле газовых пузырьков с размерами 50-300 мкм и развитой поверхностью контакта фаз в системе "газжидкость". Пульсирующие кавитационные каверны образуют при распаде паровые кавитационные пузырьки, интенсивно насыщающие обрабатываемую среду по всему объему корпуса 1. Предложенное размещение кавитаторов 6-13 способствует равномерному распределению газовых и кавитационных каверн в корпусе 1 реактора. Из-за перепада давлений в присоединенных газовых и кавитационных кавернах, прослойки жидкой фазы между ними интенсивно насыщаются газообразным компонентом и реакция массообмена в системе "газ-жидкость" начинается уже с границы каверны. Таким образом, в корпусе 1 реактора образуется трехфазный поток, включающий распределенные в обрабатываемой среде газовые пузырьки и паровые кавитационные пузырьки, при схлопывании которых возникают высокие локальные давления и оказывают эффективное диспергирующее воздействие на газовые пузырьки. Газовые пузырьки при этом дробятся, деформируются, сжимаются, начинают пульсировать; удельная поверхность контакта фаз существенно возрастает, диффузионные пограничные слои на поверхности их раздела разрушаются, интенсифицируется циркуляция газа в объеме пузырька и. таким образом, ускоряются реакции массообмена. На протекание реакции массообмена на границе раздела фаз "газовый пузырек - жидкость" воздействует также широкий спектр акустических колебаний, возникающих при схлопывании паровых кавитационных пузырьков, и пульсации вакуумных кавитационных каверн, интенсифицирующи х дробление более длинных газовых каверн, увеличивая количество газовых пузырьков и обеспечивая вовлечение в реакцию массообмена практически всего объема газообразного компонента. Возникающие при этом поличастотные волны давлений, оказывают интенсивное перемешивающее воздействие на обрабатываемую среду. разрушают ди ффузионные пограничные слои жидкости, перераспределяют компоненты среды в корпусе 1 реактора. Обработанный поток среды отводится через патрубок 3. Для подвода и дозирования газообразного компонента служит устройство 14.