184241. lajstromszámú szabadalom • Eljárás és berendezéselem folyadék-folyadék, folyadék-szilárd fázisok közti hő és/vagy anyagátadásos folyamatok megvalósitására és intenzifikálására.
1 184 241 2 A találmány szerinti eljárás és berendezéselem lehetővé teszi a folyadék-folyadék, folyadék-szilárd fázisok közti hő és/vagy anyagátadásos folyamatok intenzív megvalósítását a hagyományosan alkalmazott autokláv mint alapberendezés felhasználásával. Az eljárás az intenzív érintkeztetést és keverőhatást az autoklávba helyezhető speciális hatású betételem révén az intenzív hőátadást szabadon választható és méretezhető külső hűtővel biztosítja. Az eljárás a betételem kedvező hatásait és az intenzív hőközlés, ill. hőelvonás megvalósítását a folyadékfázis megfelelő részének megfelelő sebességgel történő cirkuláltatásával biztosítja. A keverés intenzifikálása a betételemben elhelyezett, a megfelelő folyadékcirkulációval kiegyensúlyozott rugalmas gázdugó alatti külső folyadékrétegben fellépő örvényképződési effektus felhasználásával történik. A jelenség, miszerint dugós áramlásnál, ahol egy nagy buborékot — rugalmas gázdugót (slug) - képző gázfázisú komponens és a mellette folytonosan áramló folyadékfázis határrétegében igen jó keveredési viszonyok alakulnak ki, s a gázdugó alatti folyadéktérben erős örvénylés keletkezik a kétfázisú rendszerekkel kapcsolatban ismert tény (lásd megnevezett irodalmi helyek: I. Yabe, D. Kunii: Flow pattern around a spherical-cap gas bubble... International Chemical Engineering 20, 2. 1980 pp. 203—210. P. H. Calderbank et al: Mechanics and mass transfer of single bubbles in free rise... Chemical Engineering Science 25, 1970 pp. 235-256. - M. Fillaet al: Gas phase controlled mass transfer from a bubble. Chemical engineering Science 31,1976 pp. 359—367. D. J. Nicklin et al: Two-phase flow in vertical tubes Trans. Inst. Chemical engrs. 40, 1962, pp. 61—68. Ajelenség műveleti hasznosítása, mint a két-, ill. háromfázisú rendszerekben végbemenő hő- és/vagy anyagátadásos folyamatok intenzifikálási lehetősége irodalomból nem ismertek, ipari gyakorlatban alkalmazható megoldás ez ideig nincs. Az általunk alkalmazott speciális geometriájú betételem a rugalmas gázdugó kiegyensúlyozását, a folyadékcirkulációs sebesség szélesebb határokon belüli változtathatóságát teszi lehetővé, s egyben az ipari alkalmazhatóság, a méretnövelés lehetőségét biztosítja. A vegyipari technológiákban legáltalánosabban előforduló folyadék-folyadék, illetve folyadék-szilárd fázisú hő- és anyagátadási műveletek a következők: oldás, extrahálás- homogén, vagy heterogén folyadék fázisban végbemenő kémiai reagáltatás,- oldatból történő szilárdanyag kiválasztás (kristályosítás, csapadékképzés, kisózás), továbbá: szuszpenzió- és emulzióképzés. A jelenlegi üzemi gyakorlatban ezeket a műveleteket — néhány kivételtől eltekintve — fütő/hűtőköpenynyel ellátott, kevert tartályokban, autoklávokban valósítják meg. Bár az elmúlt évtizedekben jelentős új intenzív eljárások születtek, mint pl. a fluidizációs, rotációs film, habkolonnás, gejzír eljárások, ipari elterjedésük csak szórványosnak tekinthető. Ennek egyik magyarázata az, hogy a vegyi- és rokonipari termelők nem tudják vállalni azt a jelentős többlet költséget, ami egy működő üzem korszerűsítéséhez szükséges lenne. A korszerű eljárásokhoz ugyanis döntően folytonos működésű berendezések tartoznak, melyek kiszolgálásához a jelenlegi, általában szakaszos üzemű technológiára épült be- 2 rendezések költséges, beruházásigényes átalakítása lenne szükséges. A termelők bár elismerik a korszerű intenzív eljárások előnyeit (nagy fajlagos kapacitás, egyenletes termékminőség stb.), mégsem vállalják a bevezetésük költségét és kockázatát addig, amíg egy üzem, bár elvileg korszerűtlen eljárással de gazdasági rentabilitás szempontjából még működőképes. Különösen nem teszik ezt a jelenleg világviszonylatban jelentkező energiaproblémák, gazdasági nehézségek fokozódásakor. Másrészről azonban a vegyipar, különösen a gyógyszeripar, valamint egyes mezőgazdasági termékek világpiaci értékesíthetőségéhez elengedhetetlenül szükséges a termelékenység és a termékminőség javítása, amelyek viszont csak megfelelően kézbentartható, jól szabályozható intenzív folyamatok révén biztosíthatók. Azért, hogy ezeknek az ellentétes szempontoknak eleget lehessen tenni, olyan eljárások, illetve berendezéskialakítások szükségesek, melyek kis beruházási költséggel, a jelenlegi üzemi technológiák csak kismértékű átalakításával, mégis hatékonyan üzemeljenek, lehetőleg energiamegtakarítást eredményezzenek és eleget tegyenek a korszerű minőségi követelményeknek is. A már említett vegyi- és rokoniparágak legáltalánosabban elterjedt készülékei a hőátadó köpennyel ellátott, keverővei felszerelt tartályok, azaz autoklávok a 0,05 m3-10 m3 térfogatig. Ezek legnagyobb előnye éppen egyszerű működésükben és jellegtelenségükben rejlik, hogy szinte univerzálisan használhatók a legkülönbözőbb hő- és anyagátadásos, illetve kémiai átalakítással járó folyamatok megvalósítására. Éppen ez a tény magyarázza népszerűségüket, hiszen az egyszerűség és igénytelenség, mindenképpen kedvező tulajdonságok ma is és a jövőben is. Sajnálatos azonban, hogy az említett előnyök mellett ez a megoldás igen gazdaságtalan és alkalmatlan pontos műveletvitelre. Ennek okai a következők: térfogatukhoz képest kis hőátadó felülettel rendelkeznek. Míg egy 0,05 m3 térfogatú duplikátor hőátadó felülete 0,38 m2, azaz 7,6 m2/m3 fajlagos hőátadó felületű, a 0,15 m3 térfogathoz már csak 0,8 m2 hőátadó felület, azaz 5,3 m2/m3 fajlagos érték tartozik. A térfogat további növelésével a fajlagos felület tovább csökken. Mivel ezek a készülékek többnyire lassú fordulatú keverővei vannak ellátva — a hatásos mechanikai keverésnek technikai akadályai vannak -, az oldat mozgatása nem kielégítő, a hőmérsékleteloszlás nem egyenletes. Mindezek azt eredményezik, hogy a hő- és anyagátadási folyamatok rossz hatásfokkal mennek végbe, a berendezések konstrukciójából adódóan pedig nincs mód a gyors, eredményes menetközbeni beavatkozásra. Két példa a konkrét problémák közül: — Hűtéses kristályosítás esetén a hűtőfelület közelében levő oldatréteg a leghidegebb, itt a legintenzívebb a hőelvonás. Ennek következtében szinte elkerülhetetlen a kéregképződés, azaz a hűtőfelületre történő kristálykiválás, ez rohamosan továbbrontja az amúgy is gyenge hőátadást. Másrészt a korszerű követelményeknek megfelelő kristályosítást csak a kinetikai folyamatok irányításával, kézbentartásával, intenzív és szabályozható érintkeztetéssel lehet megvalósítani. Ez esetben lehet egyenletes szemcseminőségű és méretű terméket előállítani. Ehhez azonban elengedhetetlenül szükséges az oldathőmérséklet és koncentráció programszerinti, adott sebességű változtatása. Könnyen belátható, hogy erre a keverős autokláv nem ideális. 5 (0 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
