Устройство для интенсификации массопереноса

Техническое решение относится к химической промышленности. Устройство для интенсификации массопереноса состоит из корпуса (5), внутри которого размещен контейнер (4) с исходным реагентом (3). Стенка, днище и (или) крышка контейнера (4) выполнены пористыми. Между корпусом (5) и контейнером (4) расположена смачивающая жидкость (6). Площадь ячейки стенки контейнера (4) выбирают из соотношения с учетом отношения молекулярной массы выделяемого вещества к молекулярной массе исходного вещества, площади ячейки стенки контейнера (4), контактирующей со смачивающей жидкостью (6) и четырех эмпирических коэффициентов. Максимальную площадь ячейки контейнера (4) обеспечивают меньше минимальной площади гранул исходного реагента (3). Пористость стенки, днища и (или) крышки контейнера (4) соответствует диапазону от 0,17 до 1. Предложенное техническое решение расширяют функциональные возможности устройства при интенсификации массопереноса. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Полезная модель относится к химической промышленности и может быть использована при производстве химических элементов и веществ.

Известно устройство для получения кремния из кремнефтористых соединений натрия и калия [Патент на изобретение США 4442082 «Process for obtaining silicon from fluosilicic acid» кл. МПК С01В 33/02. Дата подачи заявки 27.12.1982. Зарегистрирован 10.04.1984.].

Известное устройство состоит из внешнего и внутреннего корпусов, исходного реагента H₂SiF₆, капель щелочного металла с температурой на входе 523 К, реагента SiF₄ под давлением от 0,5 до 5 атм. Быстрая реакция протекает при температуре от 433 1673 К.

Недостатком известного устройства является отсутствие рекомендаций по выбору конструкции, обеспечивающей оптимальный массоперенос.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство выделения кремния [Патент на изобретение РФ 2181104 под названием «Способ выделения кремния». МПК⁸ С01В 33/033. Приоритет от 03.02.2000. Зарегистрирован 10.04.2002].

Устройство состоит из корпуса, внутри которого установлен контейнер с исходным реагентом в виде кремнефторида натрия Na₂SiF₆. Кольцевой зазор между контейнером и корпусом заполнен натрием.

Недостатком известного устройства является отсутствие рекомендаций по обеспечению оптимального режима работы устройства, обеспечивающего оптимальный массообмен.

Предложенное техническое решение позволяет исключить указанный недостаток, а именно, обеспечить оптимальный массоперенос.

Технический результат предложенного технического решения состоит в расширении его функциональных возможностей.

Для исключения указанного недостатка в устройстве для интенсификации массопереноса, состоящем из корпуса, внутри которого размещен контейнер с исходным реагентом, причем стенка, днище и (или) крышка контейнера выполнены пористыми, между корпусом и контейнером расположена смачивающая жидкость, предлагается:

- площадь ячейки стенки контейнера выбирать с учетом соотношения учитывающего максимальную плотность потока вещества, выделяемого в результате химической реакции, отношение молекулярной массы выделяемого вещества к молекулярной массе исходного вещества и эмпирические коэффициенты;

- максимальную площадь ячейки контейнера обеспечивать меньшей минимальной площади гранул исходного реагента;

- пористость стенки, днища и (или) крышки контейнера обеспечивать в предложенном диапазоне.

В частном случае выполнения устройства предлагается контейнер усилить арматурой.

Принципиальная схема устройства интенсификации массопереноса представлена на фигуре 1. На фигуре приняты следующие обозначения: 1 - арматура; 2 - газовакуумная линия; 3 - исходный реагент (Na₂SiF ₆); 4 - контейнер для загрузки исходного реагента; 5 - корпус; 6 - смачивающая жидкость.

Устройство для интенсификации массопереноса состоит из корпуса 5. Внутри корпуса 5 размещен контейнер 4 с исходным реагентом 3.

Стенка, днище и (или) крышка контейнера 4 выполнены пористыми.

Между корпусом 5 и контейнером 4 расположена смачивающая жидкость 6.

Площадь ячейки стенки контейнера 4 выбирают из соотношения:

где J₁ - максимальная приведенная плотность потока вещества, выделяемого в результате химической реакции, мм²; S - площадь ячейки стенки контейнера, контактирующей со смачивающей жидкостью, мм²; a ₀ - эмпирический коэффициент; a₁ - эмпирический коэффициент, мм^-2; а₂ - эмпирический коэффициент, мм^-4

Диапазон площади ячейки стенки и днища контейнера 4 выбирают из условия, что плотность потока конечного реагента вещества составляет не менее 0,2 J₀ . Оптимальный массоперенос осуществляется при выборе площади ячейки стенки и днища контейнера 4 в диапазоне, указанном в соотношении (2).

Максимальную приведенную плотность потока вещества определяют из соотношения:

где J₁ - максимальная приведенная плотность потока вещества, выделяемого в результате химической реакции, мм²; J₀ - максимальная плотность потока вещества, выделяемого в

результате химической реакции, г/(мм²с); b₀ - эмпирический коэффициент, г/(мм⁴c); k - отношение молекулярной массы выделяемого вещества к молекулярной массе исходного вещества; a₀ - эмпирический коэффициент; а₁ - эмпирический коэффициент, мм^-2; а₂ - эмпирический коэффициент, мм ^-4,

Максимальную площадь ячейки контейнера обеспечивают меньше минимальной площади гранул исходного реагента.

Пористость стенки, днища и (или) крышки контейнера обеспечивают в соответствии с соотношением:

где - пористость стенки, днища и (или) крышки контейнера. Значение пористости стенки, днища и (или) крышки контейнера, равное 0,17 получено эмпирически.

В частном случае контейнер 4 усилен арматурой 1.

Устройство работает следующим образом.

Исходный реагент 3 помещают в контейнер 4 для загрузки исходного реагента 4. Затем контейнер 4 погружают в корпус 5. Полость корпуса 5 с контейнером 4 вакуумируют. Обеспечивают контакт исходного реагента 3 со смачивающей жидкостью 6 через ячейки стенки контейнера 4. В результате химической реакции между исходным реагентом 3 и смачивающей жидкостью 6 через ячейки контейнера 4 возникает поток вещества, образующийся в результате химической реакции.

Пример конкретного исполнения устройства

Устройство выполнено следующим образом.

Исходный реагент 3 - кремнефторид натрия (Na ₂SiF₆). Насыпная плотность исходного реагента 3 составляет 1,5 г/см³, плотность литого исходного реагента 3-2,5 г/см³. Минимальная площадь поперечного сечения гранул исходного реагента 3-0,2 мм². Масса исходного реагента 3 в контейнере 4 составляет 4,9 г, а масса натрия между корпусом 5 и контейнером 4-240 г.

Контейнер 4 выполнен из стали 10Х18Н10Т. Диаметр и высота пористой боковой стенки контейнера 4 равны соответственно 20 мм и 25 мм. В качестве боковой стенки контейнера 4 использована сетка со следующими характеристиками: площадь ячейки 0,12 мм² , толщина утка и основы, соответственно, 0,12 мм и 0,18 мм. Общая площадь наружной поверхности контейнера 4 равна 1570 мм² , а суммарная площадь контакта Na₂SiF₆ с натрием 900 мм².

Днище контейнера 4 имеет диаметр 20 мм. Крышка контейнера 4 отсутствует. Объем контейнера 4 составляет 7800 мм³. Пористость боковой стенки и днища контейнера 4 составляет 0,48. Выбранная по формуле (1) площадь ячейки контейнера составляет 0,12 мм².

При расчете по указанной формуле использованы следующие коэффициенты: k=0,15, b₀=10^-11 г/(мм ⁴с), a₀=0,021, a₁=-0,847 мм^-2 , а₂=13,225 мм^-4.

При этом плотность потока кремния J=1,88·10^-12 г/(мм ²с), максимальная плотность потока кремния J₀ =7,09·10^-12 г/(мм²с), максимальная приведенная плотность потока кремния J₁=0,709 мм.

Корпус 5 устройства выполнен из стали 10Х18Н10Т и имеет внутренний диаметр и высоту соответственно равные 70 мм и 800 мм.

Смачивающая жидкость 6 - натрий, очищенный от примесей методом отстаивания в емкости при температуре 376 К. Чистота использованного натрия составляла 99,95%. Содержание кислорода в натрии составляет около 10 мг/кг.

Температура натрия в кольцевом зазоре между корпусом 5 и контейнером 4 составляет 434-503 К.

Размер гранул Na₂ SiF₆ составляет 0,2 мм².

Стенка контейнера 4 усилена арматурой 1 в виде верхнего и нижнего металлических колец с внутренними диаметрами по 20 мм, толщиной - по 5 мм, соединенных между собой прутками диаметром 3 мм, расположенными вдоль наружной поверхности контейнера 4.

Представленная на фиг.2 зависимость плотности потока кремния от площади ячейки контейнера использована для получения эмпирических коэффициентов в соотношении (1) и (2).

1. Устройство для интенсификации массопереноса, состоящее из корпуса, внутри которого размещен контейнер с исходным реагентом, причем стенка, днище и (или) крышка контейнера выполнены пористыми, между корпусом и контейнером расположена смачивающая жидкость, отличающееся тем, что площадь ячейки стенки контейнера выбирают из соотношения:

где J₁ - максимальная приведенная плотность потока вещества, выделяемого в результате химической реакции, мм²;

S - площадь ячейки стенки контейнера, контактирующей со смачивающей жидкостью, мм²;

а₀ - эмпирический коэффициент;

a₁ - эмпирический коэффициент, мм^-2;

а₂ - эмпирический коэффициент, мм^-4,

причем приведенную плотность потока вещества определяют из соотношения:

где J₁ - максимальная приведенная плотность потока вещества, выделяемого в результате химической реакции, мм²; J₀ - максимальная плотность потока вещества, выделяемого в результате химической реакции, г/(мм ²с); b₀ - эмпирический коэффициент, г/(мм ⁴с); k - отношение молекулярной массы выделяемого вещества к молекулярной массе исходного вещества; а₀ - эмпирический коэффициент; а₁ - эмпирический коэффициент, мм ^-2; а₂ - эмпирический коэффициент, мм^-4 ,

при этом максимальную площадь ячейки контейнера обеспечивают меньше минимальной площади гранул исходного реагента, а пористость стенки, днища и (или) крышки контейнера обеспечивают в соответствии с соотношением:

где - пористость стенки, днища и (или) крышки контейнера.

2. Устройство по п.4, отличающееся тем, что контейнер усилен арматурой.