RO130617B1 - Reactor industrial cu încălzire mixtă în câmp de microunde - Google Patents

Description

Invenția de față se referă la un reactor chimic industrial cu încălzire mixtă bazată atât pe încălzirea prin iradierea cu microunde cât și încălzirea conductivă, la temperaturi înalte, operat în mod discontinuu pentru diferite procese de solvoliză a materialelor plastice precum și a unor reacții de polimerizare la presiuni mici.

Este cunoscut faptul că procesele chimice industriale actuale sunt în general energofage. în cazul încălzirii convenționale utilizând încălzirea cu abur, cu ulei sau electrică, încălzirea masei de reacție presupune transferul termic de la peretele încălzit al reactorului către întreaga masă.

Dezavantajele pe care le prezintă încălzirea convențională sunt:

- încălzirea se face de la exterior către interior conducând la apariția unor gradienți termici care pot conduce la degradări ale constituenților sau la obținerea unor produși de reacție diferiți;

- durata ridicată a sintezelor chimice, de la câteva ore la 1...2 zile;

- sunt necesare mai multe echipamente în procesul tehnologic.

Dezavantajele proceselor industriale actuale pot fi rezolvate prin realizarea unui reactor de capacitate industrială încălzit prin iradiere cu microunde, care prezintă următoarele avantaje:

- încălzirea masei de reacție se produce rapid în întregul volum;

- este necesar un singur echipament;

- consumurile energetice sunt reduse (15...20%);

- încălzirea este rapidă și ușor de controlat;

- se reduce durata de sinteză în medie cu 1 până la 2 ordine de mărime;

- randamentul reacției este mai ridicat, bazat pe prezența microundelor în masa de reacție;

- reduce apariția reacțiilor secundare.

Utilizarea încălzirii cu microunde în sinteza organică este prezentă încă din anul 1986. La nivel de reactor cu microunde pentru cercetare în laborator, volumele amestecului de reacție erau între 1 ...5 ml, lucrând cu echipamente în modul monomod. După anul 2003 are loc o creștere a volumelor de reacție la 50 până la 2000 ml, echipamentele putând lucra fie în mod monomod fie în mod multimod. Din perspectiva volumului vasului de reacție (camera de reacție), este cunoscut faptul că dezvoltarea tehnologiei microundelor pentru aplicații industriale necesită o proiectare adecvată în funcție de regimul procesului, continuu sau discontinuu.

Cercetările în domeniu au arătat că trecerea de la nivel de laborator la nivel industrial privind proiectarea și execuția unor camere de reacție de dimensiuni industriale prezintă o serie de inconveniente dintre care, principalele sunt:

- creșterea pierderii de căldură;

- adâncimea de penetrare limitată a microundelor în material (doar câțiva cm pentru frecvența de 2,45 GHz);

- costuri asociate construirii aplicatoarelor.

Studiile efectuate au arătat posibilitatea aplicării directe a sintezelor asistate de microunde în procesele discontinue la scară industrială, efectuate în vase de reacție deschise sau închise. Factorul limitativ din considerente de siguranță îl constitue presiunea de vapori generată de solventul supraîncălzit, datorită formării punctelor fierbinți în masa de reacție. Pentru utilizarea unor reactoare de dimensiuni industriale, este necesară identificarea și proiectarea unor de sisteme de siguranță mai complexe și de expertiză tehnică precum și de un proces mai avansat.

RO 130617 Β1

Sunt cunoscute reactoare chimice la nivel de laborator cu încălzire în câmp de 1 microunde la temperaturi înalte și diferite presiuni, operate continuu sau discontinuu.

Brevetul CN 103599742 descrie un reactor cu microunde care funcționează la 3 presiuni și temperaturi ridicate, iradierea cu microunde făcându-se în aplicator (incinta reactorului) folosind surse de microunde montate radial în peretele camerei de reacție. 5 Brevetul US 8383053 B2 se referă la un reactor cu microunde în care iradierea cu microunde se face din interiorul aplicatorului, echipat cu sistem de răcire care poate fi montat 7 în interiorul său în exteriorul reactorului. Injecția de microunde se face direct în amestecul de reacție, cu ajutorul unui ghid de undă special. 9

Brevetul US 8263917 B2 prezintă un sistem de încălzire al unui fluid având în componență un generator de microunde și un ghid prin care se propagă energia, trecerea 11 substanței de încălzit făcându-se printr-o serpentină din material care nu absoarbe energia microundelor. încălzirea se realizează prin trecerea unor cantități mici de sustanță în câmp 13 de microunde.

Brevetul US2011/0052456 A1 se referă la un dispozitiv pentru tratarea prin iradiere 15 electromagnetică a unui mediu de reacție care este alcătuit dintr-un reactor care conține mediul de reacție, un dispozitiv pentru transmiterea radiației electromagnetice generată la 17 mediul de reacție, acest dispozitiv cuprinzând un ghid de undă care include un segment în formă de U (rev 1). Reactorul poate fi prevăzut cu o izolație termică și cu un lichid de răcire 19 pentru a minimiza pierderile de căldură și respectiv pentru a controla temperatura în mediu de reacție. Ghidul de undă este prevăzut cu ferestre de inertizare care sunt constituite 21 dintr-un material transparent pentru unde, cum ar fi cuarțul.

Brevetul US 4.786.477 se referă la un reactor cu pat fluidizat cu un sistem de 23 încălzire cu microunde, sistem care cuprinde un generator de microunde și un ghid de undă, în acest caz reactorul este realizat din cuarț. 25

De asemenea, articolul M. Komorowska-Durka ș.a., “Novei microwave reactor equipment using internai transmission line (INTLI) for efficient liquid phase 27 chemistries: A study-case of polyester preparation”, Chemical Engineering and Processing 69 (2013) 83-89, se referă la o linie de transmitere a microundelor interioară 29 care pernițe ca radiația să fie transmisă în interiorul reactorului pentru a se evita realizarea reactorului din materiale transparente la unde (sticlă PTFE). Energia este concentrată în 31 interiorul amestecului de reacție prin utilizarea unui solvent transparent pentru microunde.

Dezavantajele pe care le prezintă utilizarea unor echipamente realizate conform 33 specificațiilor tehnice din stadiul tehnicii menționat constau în:

- cantitățile mici de substanțe ce se pot expune iradierii cu microunde; 35

- omogenizarea redusă a materiilor prime în special a reacțiilorîn care materiile prime sunt în stare solidă și lichidă, respectiv au viscozități ridicate fie la început de proces sau la 37 final de proces;

- probleme de neomogenitate a câmpului de microunde în aplicator (camera de 39 reacție).

Problema tehnică pe care o rezolvă invenția de față constă în realizarea unui reactor 41 chimic industrial compact, de capacitate mare, în care pentru încălzirea masei de reacție se utilizează încălzirea mixtă bazată atât pe încălzirea prin iradierea cu microunde cât și pe 43 încălzirea conductivă, în vederea solvolizei materialelor plastice la temperaturi ridicate, încălzirea cu microunde presupune iradierea masei de reacție pe la partea inferioară a 45 aplicatorului, injecția microundelor în camera de reacție se realizează prin intermediul unor

RO 130617 Β1 fante etanșate cu ajutorul unor ferestre de cuarț. încălzirea conductivă se realizează prin iradierea unui strat de material ceramic susceptor la microunde depus pe exteriorul peretelui aplicatorului, folosind un ansamblu de magnetroane dispuse radial în jurul acestuia.

Camera de reacție conform invenției presupune un reactor realizat din oțel inoxidabil utilizat ca aplicator de microunde. Se dă în continuare un exemplu de realizare a reactorului industrial cu încălzire mixtă în câmp de microunde, în legătură și cu fig. 1 și fig. 2 care reprezintă :

- fig. 1 o vedere de ansamblu a reactorului;

- fig. 2 o vedere în secțiune longitudinală a sistemului de injecție a microundelor.

Reactorul este format din corpul reactorului 1 de formă cilindrică prevăzut la partea superioară cu un capac 2 care se montează etanș de corp și de fundul reactorului 3. Pe fund sunt prevăzute locașuri pentru montarea sistemelor de iradiere cu microunde 4 și ștuțul de golire 5 care are fixat la capătul exterior un robinet cu acționare manuală sau electrică. Sistemul de iradiere cu microunde 4 este constituit dintr-o fereastră de cuarț 6 fixată cu o flanșă de adaptare 7 pe care se montează ghidul de undă 8, care este în montaj cu un magnetron 9 ce lucrează la frecvența de 2,45 GHz. Etanșarea sistemului de injecție se relizează cu ajutorul garniturilor 10 și 11.

Pe capacul 2 este montat un sistem de agitare a masei de reacție constituit dintr-un motor electric 12, un reductor 13 și agitator 14. Sistemul este prevăzut să lucreze la diferite turații, fiind prevăzut cu un convertizor de frecvență. Pe capacul 2 mai sunt prevăzute o gură de vizitare 15, un ștuț de alimentare a materiei prime 16, un ștuț pentru alimentare cu gaz inert 17, un ștuț de alimentare cu solvenți 18, un sistem tip teacă 20 pentru senzorul de temperatură.

în exterior, pe corpul reactorului 1 este depus un film de ceramică susceptoare la microunde 21. Filmul de ceramică 21 este încălzit prin intermediul unor sisteme de generare a microundelor, dispuse circular în jurul corpului reactorului 1, pe unul sau mai multe nivele. Fiecare sistem de generare a microundelor este constituit dintr-un magnetron 22 cuplat cu un ghid de undă 23. Partea de comandă se realizează prin intermediul unui sistem de operare 24.

Soluția tehnică conform invenției referitoare la încălzirea cu microunde a reactorului presupune că fundul reactorului este prevăzut cu locașuri de montare pentru fixarea unor ferestre de cuarț. Suprafața totală a locașurilor de montare pentru ferestrele de cuarț trebuie să fie între 15 și 35% din aria fundului reactorului, de preferință între 15...25%. Locașul de montare pentru fixarea ferestrei de cuarț prezintă o prelucrare care să asigure o bună etanșare. Sistemul de montare și etanșare este inovativ și fiabil pentru diferitele tipuri de medii agresive la temperaturi mari. Sistemul cu fereastră de iradiere folosind energia microundelor este constituit din: disc cuarț, elemente etanșare, flanșa de adaptare. Flanșa de adaptare permite fixarea ghidului de undă pe corpul fundului reactorului. Sistemul de încălzire cu microunde presupune utilizarea unor generatoare de microunde care lucrează pe frecvența de 2,45 GHz. Iradierea masei de reacție din incinta aplicatorului (reactor) se realizează prin intermediul unui sistem constituit din: magnetron cuplat cu un variator de putere, ghid de undă, flanșa de adaptare, disc de cuarț cu elemente de etanșare. Pentru asigurarea temperaturilor de reacție, sistemul de încălzire cu microunde conform invenției asigură densități de putere cuprinse între zeci și mii de W/kg, de preferință sute de W/kg. Sistemul de microunde este conectat la un sistem de termostatare care poate fi programat manual sau prin intermediul unui program de operare, în vederea realizării unui regim izoterm necesar pentru desfășurarea sintezelor stabilite.

RO 130617 Β1 în vederea realizării încălzirii prin convecție, pe peretele exterior al reactorului este 1 depus un strat de material ceramic susceptibil la microunde, zona acoperită având o pondere din înălțimea reactorului cuprinsă între 20 și 80%, de preferință între 25 și 55%. Materialele 3 care pot fi utilizate pentru formarea stratului pot fi din categoria materialelor ceramice rezistente la temperaturi ridicate, exemplificate prin carburi, nitruri sau boruri ale metalelor 5 tranziționale de preferat a celor din grupa a IV-a (Ti, Zr, Hf). Grosimea depusă de strat susceptor este cuprinsă între 1 și 10 mm, de preferință între 3 și 6 mm. Metodele cunoscute 7 de formare a unui strat de susceptor sunt depunerea chimică de vapori, turnarea, presarea uscată, presarea izostatică, sinterizare directă. în cazul prezentei invenții realizarea stratului 9 susceptor depus se realizează de preferință prin metoda de sinterizare directă.

Stratul de material depus este încălzit prin intermediul unui ansamblu de generare 11 de microunde, dispus circular în jurul reactorului. Ansamblul de generare a microundelor conform invenției constă dintr-un set de magnetroane care funcționează pe frecvența de 13 2,45 GHz, care iradiază stratul depus pe peretele exterior al reactorului prin intermediul unor ghiduri de undă. Poziționarea ghidurilor de undă se face la o distanță de maxim x mm față 15 de suprafața peretelui reactorului. în funcție de înălțimea reactorului se pot folosi între 1 și 3 nivele de seturi de magnetroane, de preferință între unu și două seturi. Numărul de 17 magnetroane dintr-un set, per nivel, este cuprins între 3 și 9 magnetroane, de preferință între 4 și 6 magnetroane. Fiecare sistem de magnetroane este conectat la un senzor de tem- 19 peratură cu control de programare a temperaturii. Senzorul este imersatîn masa de reacție pentru a avea un control asupra temperaturii sintezei. Programatorul de temperatură permite 21 setarea unei temperaturi constante de lucru, în vederea menținerii unui regim izoterm.

Pe reactorul realizat conform invenției este montat un capac. Capacul este prevăzut 23 cu o serie de elemente: amestecator, gura de vizită, gura de alimentare materiale solide sub formă de fulgi sau pulverulente, ștuțuri pentru fitinguri cu utilizări diferite (supapa siguranță, 25 introducere aditivi, gaze inerte, măsurarea presiunii). Amestecatorul este acționat de un motor electric cu reductor care asigură gama de turații necesară diferitelor reacții chimice ce 27 se pot realiza în reactor. Constructiv, axul amestecatorului asigură posibilitatea montării diferitelor tipuri de capete de amestecare (tip ancoră, elice, ancoră cu spărgător de val etc). 29 Este cunoscut faptul că măsurarea temperaturii în masa de reacție pentru sisteme încălzite cu microunde se poate face prin intermediul unor dispozitive tip termocuplu, 31 termometru cu infraroșu sau pirometru. Reactorul conform invenției este prevăzut cu puncte de măsurare a temperaturii în zona inferioară și pe capac, folosind termometre cu 33 termocuplu ecranat.

Pe capac este montat un manometru de presiune pentru a urmări evoluția fazei de 35 vapori în timpul procesului. Pentru siguranța procesului se utilizează un senzor de proximitate care este conectat cu capacul de alimentare a reactorului în vederea operării în con- 37 diții de siguranță cu echipamentul. în momentul în care capacul de alimentare este deschis, este deconectată alimentarea de la generatorul de microundă, pornirea accidentală a iradierii 39 nefiind posibilă.

Pentru evitarea formării de atmosferă explozivă în reactor, înainte de începerea 41 sintezei cât și pe parcursul acesteia, acolo unde se impune, se introduce un gaz inert, de preferință azot, pentru a dezlocui masa de aer existent în incinta liberă și în masa de reacție. 43 Debitul de gaz inert se reglează în funcție de capacitatea reactorului, masa de reacție și cinetica de reacție. 45

Claims (4)

1. Revendicări

   1. Reactor chimic industrial pentru reacții care au loc latemperaturi ridicate, caracterizat prin aceea că, încălzirea reactorului este mixtă, bazată atât pe încălzire cu microunde cât și pe încălzire prin convecție.
2. 2. Reactor conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că, încălzirea cu microunde a masei de reacție se realizează prin iradierea la o frecvență de 2,45 GHz, prin ferestre de cuarț montate în găurile tehnologice realizate pe fundul reactorului, etanșate prin garnituri rezistente la temperaturi mari și diferiți solvenți, suprafața totală a golurilor tehnologice pentru ferestrele de cuarț fiind cuprinsă între 15 și 35% din aria fundului reactorului, de preferință între 20 și 25%.
3. 3. Reactor conform revendicărilor 1 și 2, caracterizat prin aceea că, încălzirea prin convecție se realizează prin intermediul unui strat susceptor la microunde depus pe peretele exterior al reactorului, zona acoperită având o pondere din înălțimea reactorului cuprinsă între 20 și 80%, de preferință între 25 și 55%, materialul susceptor fiind din categoria borurilor, carburilor sau nitrurilor, de preferință carburi, cu grosimi de strat susceptor depus de preferință prin sinterizare directă cuprinse între 1 și 10 mm, de preferință între 3 și 6 mm.
4. 4. Reactor conform revendicării 3, caracterizat prin aceea că, încălzirea stratului susceptor se realizează cu ajutorul unor seturi de magnetroane dispuse circular pe 1 până la 3 nivele, de preferință între unu și două seturi, numărul de magnetroane dintr-un set, pe nivel, fiind cuprins între 3 și 9 magnetroane, de preferințăîntre4și 6 magnetroane, frecvența microundelor fiind de 2,45 GHz.