RU2031704C1 - Реактор смешения - Google Patents

Abstract

Сущность изобретения: реактор смешения содержит вертикальный цилиндрический корпус, расположенный по оси приводной вал, на котором закреплен шнек с якорной мешалкой, внутренний теплообменник, теплообменную рубашку, технологические патрубки, большой и малый отбойники, реактор выполнен разъемным, верхняя часть выполнена в виде перевернутого стакана, внутренний теплообменник выполнен в виде змеевика, вертикальные пальцы якорной мешалки смещены под углом 1-30°. 4 ил.

Description

Изобретение относится к химическому машиностроению и касается вопросов конструирования реакторов смешения периодического (РПД), полунепрерывного (РПНД) и непрерывного (РНД) действий, которое может найти широкое применение в химической, нефтехимической, химико-фармацевтической, лакокрасочной и других отраслях промышленности при синтезе целевых продуктов: лекарственных препаратов, лаков, красок, ингибиторов коррозий и присадок к моторным топливам и маслам. Известно большое количество конструкций химических реакторов, каждый из которых находит конкретное применение исходя из особенностей технологии, физико-технических свойств реакционной массы, химизма процесса и объема производства.

Известен реактор, содержащий корпус, теплообменники, пропеллерную мешалку, патрубки подачи и выхода энергоносителей, а также исходных веществ и продуктов реакции [1].

Недостатками приведенного реактора являются следующие: увеличенные габаритные размеры змеевика из-за ввода входной трубки через низ змеевика, что не позволяет расположить лопасти мешалки близко к поверхности теплосъема змеевика; исключена возможность реализации процесса с высокой вязкостью реакционной массы из-за применения пропеллерной мешалки и отсутствия принудительного выброса массы через переток; длительность эвакуации содержимого реактора через нижний патрубок, что связано с его низкой пропускной способностью и высокой опасностью в случае возникновения аварийных режимов; жесткость конструкции корпуса реактора, не позволяющая варьировать его объемом.

Известна конструкция реактора с комбинированным перемешивающим устройством в одном аппарате, включающим в себя одну центральную якорную мешалку и две шнековые, работающие от общего двигателя [2].

Недостатками приведенной конструкции являются: сложность ее кинематической схемы; расположение кинемати- ческого узла непосредственно в зоне нахождения агрессивной газовой фазы; невозможность установки внутри реактора теплообменника в виде змеевика.

Известен реактор полунепрерывного действия с клапаном выгрузки [3], состоящий из цилиндрического сосуда, крышки, мешалки, клапана выгрузки, рубашки, патрубков подачи материальных потоков внутрь реактора, а также подвода отвода энергоносителей к теплообменным устройствам реактора. Внутри реактора расположены перемешивающие устройства, отбойник, направляющие потока, змеевик.

Недостатками приведенной конструкции являются следующие: невозможность реализации химико-технологического процесса при широком изменении вязкостных свойств реакционной массы, что ограничивает область его применения и ведет к снижению выхода целевого продукта; значительная длительность эвакуации содержимого реактора в случае аварийного сброса, что связано с ограниченной пропускной способностью клапана выгрузки, что ведет к повышенной аварийности процесса и снижению производительности реактора; жесткость конструкции исключает возможность увеличения или уменьшения объема реактора и смещение отбойника относительно уровня мешалки; конструктивное исполнение мешалки не позволяет менять расположения непосредственно перемешивающих устройств относительно объема реакционной массы при изменении высоты реактора, что осложняет использование реактора в гибких производственных объемах; техническая сложность установки данного типа реактора в каскад реакторов, что связано с жесткостью конструкции реактора и перемешивающих устройств; выполнение верхней части реактора металлической способствует усиленной коррозии корпуса, так как он постоянно работает в условиях наличия высокоагрессивных газов, что сокращает ресурс его исправной работы; наличие подводящих или отводящих трубок змеевика, проходящих снаружи или внутри змеевика, препятствует близкому расположению мешалок к корпусу змеевика, что ухудшает теплообмен и перемешивание.

В качестве прототипа выбран реактор-смеситель с электроприводом и редуктором для вращения перемешивающего устройства, состоящего из шнека и якорной мешалки [4], содержащий вертикальный цилиндрический корпус, центральный направляющий цилиндр с теплообменной рубашкой, установленный коаксиально в корпусе, приводной вал, расположенный по оси корпуса, шнек, закрепленный на валу внутри направляющего цилиндра, подпорный элемент, размещенный соосно под нижним торцом направляющего цилиндра, и штуцера ввода и вывода перемешивающих сред, а направляющий цилиндр установлен с возможностью возвратно-поступательного переме- щения в вертикальном направлении и снабжен скребком, закрепленным над подпорным элементом, выполненным в виде перфорированной горизонтальной пластины.

Недостатками приведенной конструкции реактора-смесителя являются следующие:
ограниченная область применения, обусловленная жесткостью конструкции реактора, не позволяющая варьировать его объемом; незначительный ресурс эксплуатации, связанный с изготовлением корпуса реактора из металла; трудности разгрузки реактора по окончании процесса; сложность аварийного сброса содержимого реактора; низкая эффективность теплосъема из-за установки внутреннего теплообменника в виде рубашки; наличие подпорного элемента ограничивает область применения при синтезе высокочувствительных веществ и способствует созданию дополнительного гидродинамического сопротивления, снижающего эффективность перемешивания; расположение вертикальных пальцев якорной мешалки гораздо ниже уровня установки внутреннего теплообменника снижает очистительный эффект мешалки и не устраняет местного перегрева реакционной массы; конструктивные трудности установки его в каскаде реакторов.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей реактора, обеспечение длительности ресурса его эксплуатации, интенсификация теплообмена и ускорение аварийного сброса.

Цель достигается тем, что реактор смешения, содержащий вертикальный цилиндрический корпус, расположенный на оси корпуса приводной вал, на котором закреплен шнек, комбинированный с якорной мешалкой, вал которой снабжен опорным элементом, внутренний теплообменник, установленный коаксиально шнеку, теплообменную рубашку, патрубки ввода и вывода энергоносителей, исходных реагентов и реакционной массы, снабжен отверстиями в корпусе для вала мешалки и патрубков ввода и вывода энергоносителей к внутреннему теплообменнику и подачи реагентов.

На фиг.1 изображен предлагаемый реактор; на фиг.2 - вид А на фиг.1; на фиг.3 - конструкция змеевика; на фиг.4 - установка с каскадом реакторов.

Реактор 1 (фиг.1 и 2) состоит из верхнего фторопластового корпуса 2 и нижнего металлического днища 3. Верхняя часть корпуса, снабженная фланцем 4, соединена с днищем посредством двух откидных винтов 5, нижняя часть которых прикреплена к днищу с помощью приварных ушек 6 и вставленных через отверстия штифтов 7 и 8. Верхняя резьбовая часть откидных винтов крепится в радиальных прорезях фланца посредством гаек 9.

В крышке корпуса расположены входной 10 и выходной 11 патрубки змеевика, а также верхняя часть перемешивающего устройства, состоящего из вала 12 мешалки в виде стержневой нижней части, снабженной вверху штифтом 13, и пустотелого винта 14 с гайкой 15 (фиг.2). Корпус снабжен входным перетоком 16 реакционной массы, а днище - входным патрубком 17 подачи энергоносителя к теплообменнику реактора. Мембранный приводной механизм 18, предназначенный для реализации аварийного сброса содержимого реактора, соединен с одним из штифтов крепления откидного винта к ушку днища.

В качестве теплообменников реактора используются рубашка 19, встроенная в днище, и змеевик 20, расположенный внутри реактора. Днище снабжено верхней конической обечайкой 21 и выходным патрубком 22 отвода энергоносителя. Нижняя часть корпуса снабжена кольцевой проточкой для посадки обечайки днища.

В боковой части корпуса радиально под углом расположен выходной переток 23 реакционной массы, посаженный в кольцевую проточку корпуса и фиксирующийся в ней штифтом 24.

Верхняя часть корпуса снабжена смотровым люком 25 и отверстиями 26, предназначенными для установки датчиков и патрубков подачи дозируемых компонентов.

Для перемешивания реакционной массы предназначена комбинированная мешалка, состоящая из наружной якорной 27 и внутренней шнековой 28 частей, посаженных на общий вал 12 и закрепленных на нем конусной гайкой 29, выполняющей одновременно функцию нижней опоры вала. В своей верхней части шнековая мешалка крепится к валу посредством штифта 30. Над шнековой мешалкой расположен малый отбойник 31, а верхняя часть вала мешалки посажена на два подшипника скольжения: нижний 32 и верхний 33, установленных внутри на противоположных концах пустотелого винта. В нижней части его на наружной резьбовой поверхности расположен подвижной большой отбойник 34, направляющими для которого служат входной 10 и выходной 11 патрубки змеевика. Для фиксирования пустотелого винта в корпусе предназначена гайка 35.

Стержневой вал мешалки соединен с промежуточным пустотелым валом 36, имеющим в своей нижней части вертикальные пазы 37, штифтом 13. Стержневой вал 12 мешалки и промежуточный пустотелый вал 36 расположены внутри несущей трубчатой конструкции 38, крепящейся к пустотелому винту 14 при помощи накидной гайки 39. Для обеспечения устойчивого положения промежуточного пустотелого вала в этой конструкции предназначен подшипник 40 скольжения.

Несущая трубчатая конструкция 38 при помощи накидной гайки 41 и разрезного штуцера с фланцем 42, образующих в паре цанговый зажим, устанавливается на каркасе стенда 43.

При необходимости увеличения объема реактора между корпусом 2 и днищем 3 размещается дополнительно промежуточное кольцо 44, фиксируемое по углубленным и выступающим проточкам.

На фиг. 3 представлена конструкция змеевика 20, состоящего из нижнего общего кольца 45, входной 46 и выходной 47 трубчатых навивок, входного 10 и выходного 11 патрубков.

На фиг. 4 изображена конструкция установки стенда с каскадом реакторов непрерывного действия, состоящая из реакторов 1, входных 16 и выходных перетоков 29, несущей трубчатой конструкции 38, разрезного штуцера с фланцем 42, каркаса стенда 43, двигателя мешалки 48 и передачи 49.

На чертежах стрелками обозначены направления следующих материальных и энергетических потоков жидкости:
А - вход реакционной массы по перетоку в реактор;
Б - выход реакционной массы по перетоку из реактора;
В - вход хладагента в змеевик;
Г - выход хладагента из змеевика;
Д - вход хладагента в рубашку;
Е - выход хладагента из рубашки.

Реактор работает следующим образом.

Реакционная масса поступает в реактор 1 из предыдущего реактора по входному перетоку 16, и, смешиваясь, взаимодействует с реагентами, дозируемыми через отверстие 26 в крышке корпуса 2, переливается по выходному перетоку 23 в последующий реактор.

Реакционная масса перемешивается комбинированной мешалкой: шнековой частью 28 внутри змеевика по восходящему вертикальному потоку и якорной снаружи змеевика по горизонтальному круговому и нисходящему вертикальному потокам. Якорная мешалка установлена с минимальным зазором между наружными поверхностями змеевика 20 и внутренней поверхности днища 3 реактора, что способствует постоянному принудительному обновлению поверхности теплообмена как со стороны рубашки, так и со стороны змеевика, обеспечивая высокую эффективность теплосъема.

Наличие опорного подшипника (гайки 29), а также промежуточных подшипников 32, 33 и 40 скольжения, расположенных равномерно по высоте вращающегося вала, обеспечивает его высокую динамическую устойчивость, позволяя достичь высоких скоростей вращения мешалок, повышает эффективность тепло- и масообмена.

Предотвращение проникновения реакционной массы в зазоры подшипника 32 обеспечивает малый отбойник 31, а для ограничения вертикальной циркуляции реакционной массы по высоте реактора служит большой отбойник 34. Оптимальная высота его расположения относительно выходного перетока 23 устанавливается вращением трубчатого винта 14 с предварительным отвинчиванием гайки 15.

При развитии аварийной ситуации, когда требуется срочный сброс вязкой реакционной массы, с помощью мембранного приводного клапана штифт 8 выдергивается из ушка 6 и днище за счет собственного веса, поворачиваясь по штифту 7, откидывается примерно на 90^о и повисает на шпильке. Реакционная масса сбрасывается в поддон. Мешалка при этом повисает на штифте 13, опирающемся на подшипник 33, расположенный в верхней части трубчатого винта 14.

При разгрузке реактора по окончании процесса гайки 9 сворачиваются со шпилек, которые вынимаются из пазов во фланце 4, и днище 3 полностью отсоединяется от корпуса 2.

Использование предложенного технического решения позволит расширить функциональные возможности реактора, поскольку в нем можно проводить процессы как с гомогенными, так и с гетерогенными системами, склонными к структурированию, сокращая длительность отработки технологических режимов.

Такая конструкция реактора обеспечивает длительность эксплуатации, связанной с изготовлением корпуса реактора, внутренняя часть которой постоянно находится в зоне высокоагрессивной газовой фазы, из фторопласта.

Применение комбинированной мешалки, змеевика с уплотненной степенью навивок трубок гарантирует повышенную мощность теплосъема с устранением застойных зон, уменьшая время пребывания реакционной массы в каскаде реакторов.

Соединение штока мембранного исполнительного механизма с одним из штифтов в ушке откидного винта создает оптимальные условия для мгновенного сброса реакционной массы.

Claims (1)

1. РЕАКТОР СМЕШЕНИЯ, содержащий вертикальный цилиндрический корпус, расположенный по оси корпуса приводной вал, на котором закреплен шнек, комбинированный с якорной мешалкой, вал которой снабжен опорным элементом, внутренний теплообменник, установленный коаксиально шнеку, теплообменную рубашку, патрубки ввода и вывода энергоносителей, исходных реагентов и реакционной массы, смотровой люк, датчики, соединительные штифты, отличающийся тем, что он дополнительно содержит большой отбойник, выполненный подвижным, направляющими для которого служат входной и выходной патрубки внутреннего теплообменника, малый отбойник, установленный между стержневой и полой частями вала, несущую трубчатую конструкцию, фланец с разрезным штуцером и накидной гайкой, расположенный в верхней части несущей трубчатой конструкции, клапан аварийного сброса, реактор на уровне половины его высоты выполнен разъемным с изготовлением верхнего корпуса в виде перевернутого стакана из фторопласта с нижним торцевым коническим углублением и оконтованного в верхней своей части металлическим фланцем с радиальными прорезями и нижнего металлического днища с рубашкой и верхним торцевым коническим выступом, внутренний теплообменник выполнен в виде змеевика, состоящего из двух одинаковых трубчатых спиралей с повышенной плотностью навивки и соединенных основаниями диаметрально в общее кольцо, вертикальные пальцы якорной мешалки смещены под углом 1 - 30^o относительно вала мешалки и по направлению ее вращения и расположены между стенкой днища и внутренним теплообменником, вал мешалки выполнен подвижным по вертикальной оси с опорным элементом в виде конусной гайки и сборным, состоящим из нижней стержневой и верхней полой частей, расположенным в несущей трубчатой конструкции, а один из штифтов днища соединен со штоком клапана аварийного сброса.

Images