RU2153929C2 - Устройство для контактирования твердого материала в виде сыпучих частиц - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к устройству для контактирования твердого материала в виде сыпучих частиц с жидкостями или твердого материала с жидкостями и газами в реакторе путем приведения реагентов в контакт друг с другом, включающему корпус и установленный в нем ситовой элемент, в зоне которого осуществляется контактирование, при этом ситовой элемент выполнен в виде вращающегося барабана 5. Во время работы барабан 5 установлен с возможностью вращения в ванне 10, которая содержит взаимодействующую с твердым материалом газообразную или жидкую среду. Ванна 10 установлена с возможностью опускания до того, что находящиеся в барабане 10 частицы твердого материала и находящуюся в ванне 10 среду можно отделять друг от друга для регулирования конечной степени химической реакции или физического процесса или прерывания данной реакции или процесса. Технический результат - повышение экономичности и надежности устройства. 14 з.п.ф-лы, 9 ил.

Description

Изобретение относится к устройству для контактирования твердого сыпучего материала с жидкостями и, в случае необходимости, газами в реакторе путем приведения реагентов в контакт, содержащему корпус и установленный в нем ситовой элемент, в зоне которого осуществляется контактирование.

Из патента DE N 3244972 C1 известны способ и устройство для непрерывного получения алкоголятов алюминия. Согласно данному литературному источнику в корпусе реактора установлен подобный корзинке ситовой элемент, на котором размещен слой алюминия в виде очень тонких частиц, имеющих, например, форму иголок. Корзинкообразный ситовой элемент образует реакционную зону, находящуюся над ванной. Для достижения достаточно высокой скорости реакции необходимо обеспечить взвешенное положение частиц алюминия в реакционной зоне. Для этого по соответствующим линиям непрерывно подают большое количество жидкости (алкоголята) в ванну и через расположенное над ванной дно корзинкообразного ситового элемента в реакционную зону. Большая доля подаваемой жидкости перед достижением реакционной зоны утекает через выполненные во дне ванны отверстия обратно к насосу, а жидкость, которая достигает реакционной зоны, вытекает из нее через боковые стенки корзинки. Интенсивное перекачивание и утекание жидкости через отверстия ванны обратно к насосу явно приводят к потере энергии. Для сокращения количества жидкости, подаваемой снизу через дно ситового элемента, до экономически разумных пределов необходимо, чтобы частицы металла, которые необходимо держать во взвешенном положении, были очень маленькими. Например, обычно используемые иголкообразные частицы имеют длину 5 - 12 мм и диаметр 0,5 - 0,8 мм. Иначе частицы металла осаждались бы и образовывали бы комки на дне ситового элемента. Это привело бы к блокированию большой части ситового элемента или же к его полному блокированию, и работа реактора прекращалась бы.

Другой недостаток известного реактора заключается в том, что получение маленьких игольчатых частиц металла стоит очень дорого. Вместе с необходимостью перекачивания огромного количества жидкости и распределения жидкости на подачу сверху и подачу снизу, что требует больших затрат энергии и капиталовложений, работа известного реактора является неоптимальной.

В случае нарушения работы известного реактора, например в случае загрязнения ситового элемента, не удается быстро и полностью отделять реагенты друг от друга. Поэтому не всегда полностью гарантирован контроль над экзотермической реакцией алюминия со спиртом.

Из заявки DE N 4026938 A1 известен реактор в виде вращающейся колонны, снабженной перфорированным барабаном. Данный реактор служит для получения веществ путем адсорбции. В указанном источнике не описана реакция, включающая растворение твердого материала, в частности частиц алюминия, с помощью спирта и связанные с этим специфические проблемы.

В основу изобретения положена задача создать устройство вышеуказанного типа для растворения твердого материала, в котором обеспечена экономичная и надежная работа.

Согласно изобретению поставленная задача решается в предлагаемом устройстве для контактирования твердого материала в виде сыпучих частиц с жидкостями или твердого материала с жидкостями и газами в реакторе путем приведения реагентов в контакт друг с другом, включающем корпус и установленный в нем ситовой элемент, в зоне которого осуществляется контактирование, за счет того, что ситовой элемент выполнен в виде вращающегося барабана, который во время работы установлен с возможностью вращения в ванне, содержащей взаимодействующую с твердым материалом газообразную или жидкую среду, при этом ванна установлена с возможностью опускания до того, что находящиеся в барабане частицы твердого материала и находящуюся в ванне среду можно отделять друг от друга для регулирования конечной степени химической реакции или физического процесса или прерывания данной реакции или процесса.

Кроме растворения твердого материала в таком устройстве можно осуществлять химические реакции или физические процессы, как, например, каталитическую обработку, прививки, окрашивание, дезинфекцию, адсорбцию, термическую обработку холодом или теплотой и/или смешивание.

Благодаря заключению ситового элемента во вращающийся барабан отпадает необходимость перекачивания большого объема жидкой реакционной среды. Приведение в движение твердого материала осуществляется барабаном, обеспечивающим контакт твердого материала с газовой или жидкой средой в реакторе, соответственно ванне. Больше не требуется обеспечение взвешенного положения частиц твердого материала. Можно взять частицы значительно большего размера. Возможно использование частиц твердого материала в виде гранулята, кубиков, прямоугольных параллелепипедов или же частиц еще большего размера, например части имеющихся в торговле слитков или же целые слитки весом до 25 кг. Получение таких частиц твердого материала является заметно более дешевым, а целые слитки можно использовать даже без возникновения каких-либо дополнительных расходов. Кроме преимуществ, заключающихся в снижении расходов в связи с тем, что не требуется сильного перекачивания среды, и в том, что используют частицы твердого материала, имеющие больший размер, и осуществление самого процесса становится более экономичным. Установка ванны с возможностью опускания позволяет быстро отделить реагенты друг от друга в реакционной зоне, причем возможно отделение по желанию между 0 и 100%. Этим одновременно становится возможным более чуткое управление реакцией, и значительно повышается безопасность работы.

Путем использования вращающегося барабана обеспечивается полная проницаемость реакционной зоны. В нижней зоне корпуса жидкость может течь из ванны в барабан и из барабана в ванну. В верхней зоне образующиеся при реакции газы и пары могут поступать из барабана в корпус, и оттуда их можно подать на охлаждение или конденсацию. В случае использования спирта в качестве среды как продукт реакции получается водород. В качестве среды для отвода тепла из сильно экзотермической реакции служит спирт в виде пара. Во всех зонах своей стенки барабан является проницаемым для подаваемой реакционной жидкости.

Свободную от жидкости зону верхней половины барабана целесообразно выбрать достаточно большой для обеспечения возможности выхода чрезвычайно большого количества газа и пара.

Дальнейшее преимущество предлагаемого устройства заключается в том, что объем реакционной зоны можно приспосабливать к конверсии, то есть к скорости реакции частиц твердого материала, а именно путем простого удлинения барабана, а также путем изменения положения ванны по высоте.

Согласно другому варианту изобретения предусмотрено наличие введенной в барабан трубки, позволяющей подачу свежей среды или равномерно по всей длине барабана или же в определенные ее зоны. Этим вызывается особенно быстрая реакция внутри барабана.

Согласно дальнейшей форме выполнения изобретения барабан выполнен из двух концентричных, установленных один в другом барабанов, наружного и внутреннего, причем ширина зазоров в ситовом элементе внутреннего барабана больше, чем ширина зазоров в ситовом элементе наружного барабана. Это дает возможность предварительного нагревания частиц твердого материала и эрозии их поверхности в рамках предварительного разложения во внутреннем барабане до того, как частицы выпадают через зазоры ситового элемента внутреннего барабана в наружный барабан, где они полностью растворяются. При этом в случае частиц большого размера внутренний барабан одновременно обеспечивает механическую защиту тонкого ситового элемента наружного барабана.

Согласно еще одной форме выполнения изобретения частицы твердого материала вводят в полость барабана через его вал. Это обеспечивает возможность непрерывной беспроблемной загрузки.

Далее, в полости барабана могут быть установлены лопатки для направления и распределения частиц твердого материала. При вращении барабана лопатками осуществляется горизонтальное и вертикальное направление и распределение частиц с обеспечением их равномерного распределения.

Кроме того, может иметься планка с соплами, служащими для набрызгивания очистительного средства на наружную поверхность стенки барабана. При вращении барабана все зоны барабана проходят мимо сопел. Набрызгиванием при повышенном давлении достигается оптимальная очистка. При набрызгивании наружный барабан очищается непрерывно во время эксплуатации, благодаря чему не возникает необходимости приостановления работы или даже демонтажа установки для очистки. Данное средство можно набрызгивать на барабан в количестве, необходимом для дополнительного наполнения или дополнительной подачи для осуществления реакции, а также для охлаждения. При этом очистительное или промывочное средство одновременно представляет собой реакционную и охлаждающую среду.

В полости барабана могут иметься свободно перемещающиеся мелющие тела, выполненные, например, в виде шариков, кубиков или цилиндров из материала, который средой не разрушается. При механическом направлении и распределении твердого материала, размещенного в полости барабана, при вращении барабана частицы твердого материала подвергаются определенному измельчению. Данному измельчению и скорости растворения содействуют упомянутые мелющие тела, так как они способствуют активации поверхности и, таким образом, повышают скорость реакции во время эксплуатации.

Для опускания ванны может иметься подъемное приспособление в виде канатной тяги. Согласно другой форме выполнения подъем и опускание ванны могут осуществляться с помощью гидравлического приспособления. Процесс опускания ванны имеет большое значение для быстрой остановки эксплуатации в случае аварии. Частичным опусканием можно управлять реакцией. Независимо от того, осуществляется ли подъем гидравлически или с помощью канатной тяги, важным является то, чтобы в экстренной ситуации возможно было опускать ванну без вспомогательных средств, а именно путем отпуска не показанного на чертеже тормоза, чем достигается быстрое разделение среды и частиц твердого материала, что приводит к прекращению реакции.

Ванна может быть установлена с возможностью опускания путем поворота вокруг вала, установленного параллельно валу барабана. В этом случае, который представляет собой особый интерес, необходимые для опускания средства могут действовать лишь на одну сторону ванны.

Корпус может быть выполнен в поперечном сечении в виде верхней и нижней полуцилиндрических чашек, кромки которых соединены друг с другом с помощью соединительных стенок. Это означает, что корпус удлинен в направлении опускания ванны. Однако из-за имеющегося в корпусе давления может возникнуть необходимость повысить жесткость корпуса. В этом случае корпус может быть выполнен с цилиндрической формой в поперечном сечении.

Барабаны могут быть выполнены цилиндрическими, однако возможно также их выполнение многогранными.

Реагенты, то есть частицы твердого материала и газообразные или жидкие среды, можно подать в барабан через концы его полого вала, причем их можно подать противотоком, прямотоком или перекрестным током.

Направляемые и распределяемые в барабане твердые материалы могут взаимодействовать с имеющимися в нем газами.

Для получения алкоголятов металлов в барабане можно привести в контакт алюминий, магний или кремний в чистом виде или в виде смеси или сплава, имеющиеся в форме сыпучих частиц, и спирты с 1-12 атомами углерода в чистом виде или в виде смеси. В конкретном случае получения алкоголятов алюминия в барабане алюминий в виде сыпучих частиц можно привести в контакт со спиртом с 1 - 20 атомами углерода в чистом виде или в виде смеси.

Далее, для получения алкоголятов алюминия в барабане алюминий в виде сыпучих частиц можно привести в контакт с алифатическим спиртом с 2-10 атомами углерода, предпочтительно со спиртом с 5-8 атомами углерода в чистом виде или в виде смеси, в частности, со спиртом с 6 атомами углерода.

Изобретение ниже более подробно поясняется со ссылкой на чертежи, на которых представлено:
фиг. 1 - устройство для получения алкоголятов металлов, снабженное барабаном, содействующим взаимодействию алюминия и спирта,
фиг. 2 - приспособление для опускания ванны в корпусе, содержащее канатные тяги,
фиг. 3 - приспособление для опускания ванны в корпусе, содержащее гидравлические цилиндры,
фиг. 4 и 5 - разрезы внутренней и наружной перемычек барабана с разной шириной зазоров,
фиг. 6-8 - разные формы выполнения приспособлений для опускания ванны,
фиг. 9 - схема эксплуатации устройства согласно фиг. 1 - 8.

Устройство согласно изобретению служит для содействия взаимодействию твердого материала, имеющегося в виде частиц, с газообразной или жидкой средой, причем среда способна к растворению частиц твердого материала. Последний представляет собой предпочтительно алюминий, магний или кремний. Естественно, можно взять и другие твердые материалы. В качестве газообразной или жидкой среды возможны все среды, пригодные для растворения твердого материала. В частности, жидкие среды могут представлять собой неразветвленные или разветвленные спирты с 1 - 12 атомами углерода, многовалентные спирты с 2 - 12 атомами углерода, а также циклические и ароматические одновалентные или многовалентные спирты. В нижеследующем примере выполнения изобретения исключительно в качестве примера речь идет о получении алкоголятов алюминия из частиц алюминия и спирта.

На фиг. 1 представлено устройство для получения алкоголятов алюминия, содержащее корпус 3, передняя стенка 3а которого не показана на фиг. 1 с тем, чтобы была видна полость корпуса 3 (стенка 3а показана на фиг. 2). В корпусе 3 установлен барабан 5, вал 6 которого установлен в подшипниках 7, опирающихся о корпус 3 через опоры 8. Оба вала 6, через уплотнения 9 выведенные из корпуса 3, выполнены полыми.

Согласно фиг. 1 и 2 нижняя половина барабана установлена в принимающей ее ванне 10. Последняя установлена с возможностью опускания из поднятого положения согласно фиг. 1 до того, как имеющийся в ней спирт, соответственно алкоголяты алюминия, образовавшиеся из спирта и алюминия, с одной стороны, и частицы алюминия внутри барабана 5, с другой стороны, отделяются от спирта.

Корпус 3 через ножки 11 опирается о пол 12. На нижней стороне 3b корпуса 3 имеется патрубок 13 для выпуска жидкости. В левой стенке 3c корпуса 3 выполнено отверстие 14 для доступа человека.

Для опускания и подъема ванны 10 может иметься или канатное подъемное приспособление 15, показанное на фиг. 2, или гидравлическое подъемное приспособление 16, показанное на фиг. 3. Канатное подъемное приспособление 15 состоит из двигателя 15a, снаружи опирающегося о корпус 3. Приводимый от двигателя 15a, установленный в подшипниках 15b подъемный вал 15c приспособления 15 проходит на верхней стороне 3d корпуса 3 в основном по его длине. Из наматывающего узла 15d исходят канаты 15e, которые, как видно на фиг. 2, прикреплены к верхним кромкам 10b ванны 10. Кроме того, имеется не показанное на чертеже тормозное приспособление, с помощью которого удерживающие ванну 10 канаты 15e можно арретировать для фиксации ванны 10 в поднятом положении.

На фиг. 3 показано гидравлическое подъемное приспособление 16, служащее для подъема ванны 10. Оно состоит из некоторых подъемных цилиндров 16a и установленных в них поршней 16b, через штоки 16c воздействующих на кромки 10b ванны.

Барабан 5 выполнен или лишь из наружного барабана 5a, или же из двух концентричных барабанов, а именно наружного барабана 5a и внутреннего барабана 5b. Барабаны 15a и 15b выполнены из подробно не показанной несущей конструкции из продольных и поперечных профильных перемычек, служащих для приема плитообразных ситовых элементов 5a1, 5b1 и лопаток 5c. Плитообразные ситовые элементы 5a1 и 5b1 соединены друг с другом посредством не показанных на чертеже поперечных перемычек, в результате чего образованы ситообразные решетки, удерживающие подлежащие обработке частицы алюминия в барабане 5. Оба барабана 15a, 15b соединены друг с другом посредством несущих стержней 5c1. На фиг. 4 и 5 показаны разрезы продольных перемычек 5a1 и 5b1 (представлены по двум перемычкам, один рядом с другим). На фиг. 4 показаны две продольные перемычки наружного барабана 5a, а на фиг. 5 - две продольные перемычки внутреннего барабана 5b. Между продольными перемычками 5a1 наружного барабана выполнены зазоры 5a2, размер которых лежит в пределах 0,2 - 0,4 мм, предпочтительно 0,3 мм. Между продольными перемычками 5b1 внутреннего барабана 5b предусмотрены зазоры 5b2 размером 10 - 50 мм. Очистительная жидкость подается по направлению стрелок 5k, благодаря чему зазор 5a2 хорошо очищается.

На фиг. 6 показан корпус 3 с удлиненной вверх формой в поперечном сечении, причем корпус 3 выполнен из двух полуцилиндрических чашек 3f, через соединительные стенки 3а соединенных друг с другом. В этом корпусе согласно фиг. 6 ванну 10 можно опускать вниз вне зоны находящихся в барабане частиц алюминия также при большом диаметре барабана.

При более высоком давлении более выгодным является цилиндрический корпус 3h, показанный на фиг. 7 и 8.

На фиг. 8 представлена форма выполнения с цилиндрическим корпусом 3h. Однако согласно этой форме выполнения ванна 10 установлена не с возможностью вертикального опускания, как в примерах выполнения согласно фиг. 6 и 7, а с возможностью поворота вокруг вала 10c, простирающегося параллельно валу 6 барабана. При такой установке ванны 10 подъемное приспособление, а именно канатное подъемное приспособление 15, так же, как и гидравлическое подъемное приспособление 16, может быть выполненным более простым, так как ванну необходимо поднимать и опускать лишь на одной стороне 10b. Для обеспечения равномерного вытекания жидкости из ванны та кромка, которая опускается, может быть снабженной зубчатой кромкой.

Во время работы барабан 5 приводится во вращение через ременный шкив 17. Частицы алюминия размером порядка гранулята, кубиков или прямоугольных параллелепипедов, или даже большие частицы как, например, участки слитков или целые слитки, через полый вал 6 подают в барабан 5, причем они сперва падают во внутренний барабан 5b, ситовой элемент которого имеет зазоры большего размера. Реагенты, то есть частицы алюминия и спирт, можно также подать в барабан 5 противотоком через оба полых вала. Через впускной патрубок 19 в корпус впускают спирт с 1 - 12 атомами углерода. После этого в нижней половине барабана, обхваченной ванной 10, находится смесь частиц алюминия и спирта. Во время процесса, когда вращается барабан 5, частицы алюминия постепенно растворяются, пока их размер не уменьшен настолько, что они выпадают из внутреннего барабана 5b в наружный барабан 5a, зазоры ситового элемента которого имеют меньший размер. Благодаря небольшой ширине зазоров 5a2 ситового элемента наружного барабана 5a имеется опасность их забивания. Для предотвращения такого забивания имеется планка 18, снабженная соплами 18a, распределенными по длине барабана 5. По отдельным соплам 18a спирт с высоким давлением набрызгивают на наружную поверхность наружного барабана 5a, что служит для постоянной очистки барабана 5 во время эксплуатации.

Схема согласно фиг. 9 показывает корпус 3 с барабаном 5 и ванной 10. Для контролированной подачи частиц алюминия служит дозирующее приспособление 21 со снабженным воронкой узлом загрузки 22. Из данного узла загрузки 22 частицы алюминия поступают в шлюз 23 с запорными вентилями 23a, установленными один за другим с расстоянием между ними и управляемыми с помощью управляющего шлюз узла 23c. Шлюзы необходимы, в частности, в том случае, если работают с повышенным давлением или вредными для здоровья или легко воспламеняемыми газами и парами. Шлюз 23 можно промывать, например, азотом или другим инертным газом с помощью вентиля 23b. Частицы алюминия за шлюзом достигают полого вала 6, и с помощью шнекового транспортера 24 они подаются в барабан 5. Неподвижный шлюз 23 и вращающийся вал 6 соединены друг с другом через пригодное уплотнение. Для эксплуатации с помощью насоса 25 свежий спирт перекачиванием подается в устройство. Линия 26 сообщена с другим насосом 27, подающим спирт с высоким давлением по линии промывки 18 и через сопла 18a в барабан 5. Для начальной загрузки или дополнительного ввода свежего спирта последний можно, естественно, также подать в барабан 5 через вал 6 по направлению стрелки 28, причем с помощью трубки 51 обеспечивается равномерное распределение, указанное стрелками 5m.

Барабан приводится во вращение с помощью двигателя 29. Выделяющиеся при эксплуатации паровые водород и спирт через патрубок 19 подаются в конденсатор, снабженный коллектором жидкости 31. Паровой спирт подвергается конденсации, и затем его рециркулируют в процесс, например, по направлению стрелки 28. Вывод из коллектора 31 осуществляется в зависимости от высоты с помощью датчика 32 и управляемого им выпускного клапана 33. Алкоголят алюминия выводится по линии 34 с помощью насоса 35. Пары и газы из шлюза 23 отсасывают через воздуходувку 30, и их подают на использование, например вводят в водородный поток ниже конденсатора.

В описанном примере выполнения исходят от непрерывной эксплуатации. Однако возможна также периодическая эксплуатация. Это может быть желательным в случае прерывания реакции с тем, чтобы осуществлять часть реакции с одной жидкостью, а другую часть реакции - с другой жидкостью. Кроме того, часть реакции может осуществляться в жидкой фазе, и другая часть реакции - в газовой фазе. Для ускорения реакции ванна и/или барабан могут быть снабжены обогревательными трубами. Для замедления реакции возможно также охлаждение, например, путем пропускания охлаждающей среды через обогревательные трубы.

Температуру реакции можно контролировать с помощью не показанного на чертеже измерительного приспособления, установленного в ванне 10.

Claims (15)

1. Устройство для контактирования твердого материала в виде сыпучих частиц с жидкостями или твердого материала с жидкостями и газами в реакторе путем приведения реагентов в контакт друг с другом, включающее корпус и установленный в нем ситовой элемент, в зоне которого осуществляется контактирование, отличающееся тем, что ситовой элемент выполнен в виде вращающегося барабана (5), который во время работы установлен с возможностью вращения в ванне (10), содержащей взаимодействующую с твердым материалом газообразную или жидкую среду, при этом ванна (10) установлена с возможностью опускания до того, что находящиеся в барабане (5) частицы твердого материала и находящуюся в ванне (10) среду можно отделять друг от друга для регулирования конечной степени химической реакции или физического процесса или прерывания данной реакции или процесса.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что барабан (5) выполнен из двух концентричных, установленных один в другом барабанов, наружного (5а) и внутреннего (5b), причем ширина зазоров в ситовом элементе внутреннего барабана (5b) больше, чем ширина зазоров в ситовом элементе наружного барабана (5а).

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что оно содержит введенную во внутренний барабан (5b) трубку (5d), позволяющую подачу свежей среды или равномерно по всей длине барабана (5), или же в ее определенные зоны.

4. Устройство по одному из пп.1 - 3, отличающееся тем, что частицы твердого материала вводят в полость барабана через его вал (6).

5. Устройство по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что в полости барабана установлены лопатки (5с) для направления и распределения частиц твердого материала.

6. Устройство по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что оно содержит планку с соплами (18), служащими для набрызгивания очистительного средства на наружную поверхность (15е) барабана.

7. Устройство по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что в полости барабана размещены свободно перемещающиеся мелющие тела.

8. Устройство по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что оно содержит подъемное приспособление в виде канатной тяги (15), предназначенное для опускания ванны (10).

9. Устройство по одному из пп.1 - 7, отличающееся тем, что оно содержит гидравлическое подъемное приспособление (16), предназначенное для опускания ванны (10).

10. Устройство по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что ванна (10) установлена с возможностью опускания путем поворота вокруг вала (10с), установленного параллельно валу (6) барабана.

11. Устройство по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что корпус (3) выполнен в поперечном сечении в виде верхней и нижней полуцилиндрических чашек (3f), кромки которых соединены друг с другом с помощью соединительных стенок (3а).

12. Устройство по одному из пп.1 - 10, отличающееся тем, что корпус (3h) выполнен цилиндрическим в поперечном сечении.

13. Устройство по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что барабаны (5а, 5b) выполнены цилиндрическими или многогранными.

14. Устройство по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что реагенты, частицы твердого материала и жидкости, в случае необходимости, вместе с газами, подают в барабан (5) противотоком через его полые валы (6).

15. Устройство по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что направляемые и распределяемые в барабане (5) твердые материалы могут взаимодействовать с находящимися в нем газами.

Images