ITMI930289A1 - Dispositivo di agitazione rotante - Google Patents

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Description

Descrizione dell'invenzione industriale
La presente invenzione si riferisce ad un dispositivo di agitazione rotante, particolarmente per la miscelazione di sistemi eterogenei in reattori ad agitazione meccanica.
Sono noti nella tecnica vari tipi di reattori ad agitazione meccanica, di forma generalmente cilindrica, nei quali vengono realizzati processi in cui ? richiesta una continua ed uniforme miscelazione di diversi componenti ed un efficiente scambio di materia fra fasi differenti (ad esempio, gas-liquido, gas-liquido-solido, liquido-solido, liquido- liquido, ecc.) . L'agitazione meccanica viene comunemente realizzata tramite un agitatore posto all'interno del reattore in posizione assiale. La particolare forma dell'agitatore (a turbina, a pale, ad elica, ecc.) viene scelta principalmente in funzione della viscosit? della massa che deve essere posta in agitazione (a questo proposito vedi "Advances in Chemical Engineering", voi.17, pag. 5-8, Academic Press, 1992).
Un limite comune a tutti i dispositivi di agitazione dell'arte nota ? rappresentato, nel caso di sistemi gas-liquido, da un coefficiente di trasferimento di materia tra le fasi generalmente non elevato, e che diminuisce considerevolmente nel caso in cui si abbia un aumento nel tempo del volume della massa posta in agitazione. E' questo ad esempio-'il caso di reazioni di polimerizzazione in emulsione od in sospensione in cui almeno uno dei monomeri sia presente nella fase gas: man mano che quest'ultimo polimerizza si ha un graduale aumento del volume e del contenuto di solido della fase liquida. Ne segue una diminuzione del trasferimento di massa tra fase gas e fase liquida e conseguentemente una diminuzione della produttivit? del processo.
La difficolt? di ottenere scambi di materia soddisfacenti tra le varie fasi impone inoltre dei limiti nella configurazione del reattore. In particolare con i sistemi di agitazione tradizionali ? di fatto impossibile l'uso di reattori con un elevato rapporto altezza/diametro, i quali garantirebbero uno scambio termico pi? efficiente.
Nei sistemi gas- liquido, allo scopo di migliorare lo scambio di materia tra le fasi, ? noto l'impiego di dispositivi di distribuzione del gas all'interno della fase liquida (spargersi? Si tratta in pratica di dispositivi a forma toroidale dotati di fori, attraverso i quali viene fatto gorgogliare il gas. Tali dispositivi richiedono per? una manutenzione molto frequente, in quanto tendono ad otturarsi con facilit?, soprattutto nel caso in cui nella fase liquida sia presente o si formi durante la reazione una fase solida (? il caso ad esempio delle reazioni di polimerizzazione).
La Richiedente ha ora ideato un nuovo tipo di dispositivo di agitazione rotante come qui di seguito descritto , particolarmente adatto al mescolamento di sistemi eterogenei, il quale permette di ottenere uno scambio di materia tra fasi diverse molto efficiente e che rimane sostanzialmente costante al-1'aumentare del volume della massa posta in agitazione. Si ottiene inoltre un'elevata omogeneit? di miscelazione, con valori di sforzo di taglio (shear stress) particolarmente bassi .
Costituisce pertanto oggetto della presente invenzione un dispositivo di agitazione rotante, particolarmente per la miscelazione di sistemi eterogenei in reattori ad agitazione meccanica, atto ad essere unito ad un albero di comando coassiale rispetto all'asse di rotazione del dispositivo, caratterizzato dal fatto di comprendere una pluralit? di elementi di agitazione allungati e conformati sostanzialmente a C, detti elementi di agitazione essendo disposti simmetricamente rispetto all'asse di rotazione ed essendo tra loro uniti alle rispettive estremit? in corrispondenza dell'asse di rotazione.
Le caratteristiche del trovato verranno ora meglio illustrate dalla descrizione che segue e dai disegni allegati relativi ad un esempio di realizzazione a carattere non limitativo, in cui le figure mostrano:
la Figura 1, una sezione longitudinale lungo il piano X-X'; la Figura 2, una vista dall'alto.
Il dispositivo di agitazione (1) mostrato nelle suddette figure comprende tre elementi di agitazione (2), i quali, secondo una forma preferita di realizzazione della presente invenzione, sono conformati a pala concava con concavit? rivolta nel verso di rotazione del dispositivo stesso. Gli elementi di agitazione (2) sono disposti simmetricamente rispetto all'asse di rotazione, formando l'uno rispetto all'altro un angolo (A) di 120?. Ciascun elemento di agitazione (2) ? costituito da una porzione di estremit? inferiore (3), da una porzione verticale (4) e da una porzione di estremit? superiore (5). Come mostrato in Figura 1, il dispositivo di agitazione (1) preferibilmente mostra una rastremazione verso l'alto, per cui la porzione di estremit? inferiore (3) ? pi? lunga della porzione di estremit? superiore (5) in modo tale che la porzione verticale (4) individua con l'asse di rotazione un angolo (B) compreso tra 0? a 10?. Tale rastremazione ha la funzione di ottenere una pi? omogenea distribuzione della portata assiale all'interno del reattore.
I tre elementi di agitazione (2) sono tra loro uniti tramite gli elementi di collegamento inferiore (6) e superiore (7), su cui si inseriscono le porzioni di estremit? inferiore (3) e superiore (5) rispettivamente. L'elemento di collegamento superiore (7) ? solidalmente unito ad un asse di comando, atto ad impartire la rotazione al dispositivo di agitazione (1).
II bordo inferiore della porzione di estremit? inferiore (3) forma con il piano orizzontale un angolo (C) compreso tra 0? e 45?, in funzione della particolare conformazione del fondo del reattore, il quale solitamente ? concavo.
Per quanto riguarda le caratteristiche dimensionali del dispositivo di agitazione oggetto della presente invenzione, queste dipendono essenzialmente dalle dimensioni del reattore in cui il dispositivo deve essere impiegato. Considerando un reattore di forma sostanzialmente cilindrica avente diametro (T) ed altezza (V), le dimensioni del dispositivo di agitazione oggetto della presente invenzione sono preferibilmente le seguenti :
diametro di base (D) del dispositivo di agitazione (1): da 1/3 a 2/3 del diametro (T);
raggio di curvatura (E) degli elementi di agitazione (2): maggiore od uguale ad 1/3 del diametro (T);
altezza (F) della porzione di estremit? inferiore (3): maggiore od uguale ad 1/5 del diametro (D);
larghezza (G) della porzione verticale (4): da l/20 ad 1/4 del diametro (T);
altezza (L) degli elementi di agitazione (2): da 3/2 del diametro (D) ad un valore circa pari all'altezza (V). Naturalmente il valore massimo dell'altezza (L) dipende dalla particolare conformazione del reattore e deve essere comunque tale da permettere la libera rotazione del dispositivo all'interno del reattore stesso.
Per quanto riguarda l'altezza (M) della porzione di estremit? superiore (5), questa ? generalmente ininfluente sull'efficacia dell'agitazione, in quanto rimane, in condizioni usuali, al di fuori della massa posta in agitazione. In genere, comunque, l'altezza (M) ? almeno pari ad l/20 del diametro (T).
I valori forniti sopra sono puramente indicativi e possono subire modifiche in funzione delle caratteristiche del particolare sistema eterogeneo preso in considerazione, quali viscosit?, densit?, contenuto di solidi, numero di fasi, ecc.
E' inoltre evidente che all'esempio di realizzazione precedentemente illustrato potranno essere apportate numerose modificazioni, adattamenti, varianti e sostituzioni di elementi con altri funzionalmente equivalenti, senza peraltro uscire dall'ambito di protezione delle rivendicazioni riportate pi? avanti .
Grazie all'elevato scambio di materia tra le diverse fasi ed al basso sforzo di taglio, il presente trovato risulta particolarmente vantaggioso per reattori da impiegarsi in:
reazioni di (co)polimerizzazione in emulsione, in particolare di monomeri olefinici fluorurati, per la produzione di (co) polimeri quali, ad esempio: omopolimeri del tetraf luoroetilene e suoi copolimeri elastomerici o plastomerici con esafluoropropene, f luorovinileteri, quali perf luoropropilviniletere o perfluorometilviniletere; omopolimeri del vinilidene fluoruro e suoi copolimeri elastomerici o plastomerici con esafluoropropene, tetrafluoroetilene, fluorovinileteri , olefine completamente idrogenate, comonomeri vinilici bromurati e/o iodurati, ecc .;
reazioni di (co)polimerizzazione in sospensione, in particolare di monomeri olefinici fluorurati, per la produzione di (co)polimeri quali, ad esempio, i copolimeri etilene/tetraf luoroetilene (ETFE) od etilene/clorotrifluoroetilene (CTFE) ;
reazioni di fermentazione per la produzione di principi attivi ad uso farmaceutico, in particolare quelle reazioni in cui sono presenti microorganismi e/o prodotti sensibili agli sforzi di taglio;
processi per la preparazione di dispersioni (slurry), in particolare quei processi in cui si impiegano prodotti sensibili agli sforzi di taglio (ad esempio preparazione di dispersioni di zeoliti).
Come gi? accennato in precedenza, il dispositivo di agitazione della presente invenzione garantisce una velocit? di reazione praticamente costante nel tempo, con miscelazione omogenea e basso sforzo di taglio. In particolare, nel caso di reazioni di polimerizzazione in emulsione, un basso sforzo di taglio risulta estremamente vantaggioso, in quanto permette di ottenere lattici di polimerizzazione stabili ed evita la forinazione indesiderata di coaguli di polimero. Tali coaguli, come ben noto, oltre a sporcare il reattore con conseguenti problemi di manutenzione, causano vari inconvenienti, quali riduzione del coefficiente di scambio termico, contaminazione del polimero, diminuzione della velocit? di reazione, ecc.
Nel caso di polimerizzazioni in sospensione, il dispositivo di agitazione della presente invenzione permette inoltre di ottenere una miscelazione omogenea anche per contenuti di solido sospeso superiori al 50% in peso.
La particolare efficacia del presente trovato nella miscelazione di sistemi eterogenei risulta evidente dai dati riportati qui di seguito, i quali mettono a confronto il dispositivo di agitazione della presente invenzione (Figura 3) con un dispositivo dell'arte nota (Figura 4), in cui l'agitazione ? ottenuta tramite due turbine tipo Rushton disposte sul medesimo asse di rotazione.
La Figura 3 mostra una sezione del dispositivo di agitazione oggetto della presente invenzione inserito in un reattore (8) munito di una coppia di frangiflutti (baffles) (9) disposti simmetricamente all'interno del reattore (8). Con H viene indicato il livello del liquido posto in agitazione. Le misure effettive dei vari elementi del sistema reattore agitatore impiegato nelle misurazioni sono le seguenti:
Reattore (notazione di Fig. 3):
T = 202 mm; a = 150 mm; b = 36 min; c = 7 mm; d = 6 mm; e 60 mm; f 110 mm; g 324 mm;
Agitatore (notazione di Fig. 1 e 2):
A = 120?; B = 2,42?; C = 10?; D = 112 mm; E = 60 mm; F = 54 mm; G = 14 mm; L = 420 mm; M = 20 mm.
La Figura 4 mostra una sezione del dispositivo dell'arte nota (10), costituito da una coppia di turbine tipo Rushton (il) a sei pale (12), dette turbine (11) essendo montate su un albero di rotazione (13), inserito in un reattore (14) munito di quattro frangiflutti (15) disposti simmetricamente all'interno del reattore (14). Con H viene indicato il livello del liquido posto in agitazione. Le effettive misure dei vari elementi del sistema reattore agitatore impiegato nelle misurazioni sono le seguenti:
T = 202 mm; m = 20,2 mm; n = 100 mm; p = 25 mm; q = 20 mm; r = 67,3 mm; s = 200 mm.
Per ciascun sistema agitatore reattore ? stato misurato il coefficiente di trasferimento di materia (k,) dell'ossigeno tra fase liquida (acqua) e fase gas (aria), secondo il metodo descritto da Y.Imai, H.Takei e M.Matsumura in "Biotechnology and Bioengineering", Voi. XXIX, p. 982-993 (1987). Le misurazioni sono state effettuate a diversi livelli di riempimento del reattore.
I risultati sono riportati in Figura 5. In ascisse ? riportato il rapporto H/T, cio? il rapporto tra altezza del liquido (H) e diametro del reattore (T), in ordinate il prodotto
dove kj ? il coefficiente di trasf?rimento di mate?
ria (espresso in m/sec), a ? l'area specifica di interfaccia gas-liquido (espressa in m-1) e V, ? il volume del liquido nel reattore (espresso in m3).
Le tre curve riportate in Figura 5 si riferiscono a: sistema reattore dispositivo di agitazione oggetto della presente invenzione (Figura 3), con velocit? di rotazione N = 5,8 sec-1 e potenza specifica W == 2,0 - 2,6 Kw/m3 (simbolo ?);
sistema reattore dispositivo di agitazione dell'arte nota (Figura 4), con velocit? di rotazione N = 10 sec-1 e potenza specifica W = 6,5 - 10 Kw/m3 (simbolo ?); sistema reattore dispositivo di agitazione dell'arte nota (Figura 4), con velocit? di rotazione N = 6,5 sec1 e potenza specifica W = 1,8 - 2,8 Kw/m3 (simbolo ?).
La potenza specifica, che ? una grandezza correlata allo sforzo di taglio, varia al variare del livello di riempimento del reattore.
Dal confronto dei grafici riportati in Figura 5, risulta evidente che con il dispositivo di agitazione oggetto della presente invenzione ? possibile ottenere uno scambio di materia tra fase gas e fase liquida sostanzialmente costante al variare del livello di riempimento del reattore, mentre con il dispositivo dell'arte nota si osservano oscillazioni molto rilevanti. E' altres? importante notare come, a parit? di potenza specifica, il dispositivo oggetto della presente invenzione assicura uno scambio di materia tra le fasi molto pi? elevato.

Claims (10)

  1. RIVENDICAZIONI . 1. Dispositivo di agitazione rotante (1), particolarmente per la miscelazione di sistemi eterogenei in reattori ad agitazione meccanica, atto ad essere unito ad un albero di comando coassiale rispetto all'asse di rotazione del dispositivo, caratterizzato dal fatto di comprendere una pluralit? di elementi di agitazione (2) allungati e conformati sostanzialmente a C, detti elementi di agitazione essendo disposti simmetricamente rispetto all'asse di rotazione ed essendo tra loro uniti alle rispettive estremit? in corrispondenza dell'asse di rotazione.
  2. 2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui gli elementi di agitazione (2) sono conformati a pala concava con concavit? rivolta nel verso di rotazione del dispositivo (1).
  3. 3. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui gli elementi di agitazione (2) sono tre .
  4. 4. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui ciascun elemento di agitazione (2) ? costituito da una porzione di estremit? inferiore (3), da una porzione verticale (4) e da una porzione di estremit? superiore (5), tali che la porzione di estremit? inferiore (3) sia pi? lunga della porzione di estremit? superiore (5), mentre la porzione verticale (4) indiv?dua con l'asse di rotazione un angolo (B) compreso tra 0? a 10?.
  5. 5. Dispositivo secondo la rivendicazione 4, in cui il bordo inferiore della porzione di estremit? inferiore (3) forma con il piano orizzontale un angolo (C) compreso tra 0? e 45? .
  6. 6. Reattore di forma sostanzialmente cilindrica, caratterizzato dal fatto di contenere un dispositivo di agitazione (1) secondo le rivendicazioni da 1 a 5.
  7. 7. Reattore secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto di avere diametro (T) ed altezza (V), mentre il dispositivo di agitazione (1) ha dimensioni tali per cui: il diametro di base (D) di detto dispositivo di agitazione (1) ? compreso tra 1/3 e 2/3 del diametro (T); il raggio di curvatura (E) degli elementi di agitazione (2) ? maggiore od uguale ad 1/3 del diametro (T); l'altezza (F) della porzione di estremit? inferiore (3) ? maggiore od uguale ad 1/5 del diametro (D); la larghezza (G) della porzione verticale (4) ? compresa tra 1/20 e 1/4 del diametro (T); l'altezza (L) degli elementi di agitazione (2) ? compresa tra 3/2 del diametro (D) ed un valore pari circa all'altezza (V).
  8. 8. Reattore secondo la rivendicazione 7, in cui l'altezza (M) della porzione di estremit? superiore (5) degli elementi di agitazione (2) del dispositivo (1) ? almeno pari ad 1/20 del diametro (T)?
  9. 9. Processo di (co)polimerizzazione in emulsione o sospensione, realizzato in un reattore comprendente il dispositivo di agitazione secondo le rivendicazioni da 1 a 5.
  10. 10. Processo secondo la rivendicazione 9, in cui si (co)polimerizzano monomeri olefinici fluorurati.
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