RU2168351C1

RU2168351C1 - Mixing reactor

Info

Publication number: RU2168351C1
Application number: RU99124231A
Authority: RU
Inventors: А.Б. Голованчиков; А.А. Мамедова; Г.В. Рябчук; Н.А. Дулькина; А.В. Ильин; В.А. Фокина
Original assignee: Волгоградский государственный технический университет
Priority date: 1999-11-16
Filing date: 1999-11-16
Publication date: 2001-06-10

Abstract

FIELD: mixing equipment, possibly in chemical, petrochemical, microbiological, biochemical and other branches of industry fort performing hydromechanical, mass exchange and reaction processes. SUBSTANCE: mixing rector includes cylindrical housing, drive shaft arranged along axis of housing, auger mounted on said shaft, heat exchange jacket, inlet and outlet branch pipes for heat transfer agent, initial reagents and reaction mass. Reactor is also provided with units for radial mixing arranged in staggered fashion. Each unit is in the form of plate having screw surface and mounted symmetrically with possibility of free rotation on axle rigidly secured to mean portion of height of auger ridges. EFFECT: increased rate of heat conduction from reaction mass to heat transfer agent. 1 dwg

Description

Изобретение относится к аппаратам для проведения гидромеханических, тепло- и массообменных и реакторных процессов, которое может быть использовано в химической, нефтехимической, микробиологической, биохимической и других отраслях промышленности. The invention relates to apparatus for hydromechanical, heat and mass transfer and reactor processes, which can be used in chemical, petrochemical, microbiological, biochemical and other industries.

Известен аппарат для химических реакций, включающий корпус и теплообменные устройства, выполненные в виде коаксиальных цилиндров с двойными стенками, в кольцевом пространстве которых размещены спиральные перемешивающие лопасти с противоположным углом подъема, закрепленные на вращающейся крестовине (авт.св. СССР N 436529, B 01 J 19/18, 1970). A known apparatus for chemical reactions, including a housing and heat exchangers made in the form of coaxial cylinders with double walls, in the annular space of which are placed spiral mixing blades with an opposite angle of elevation, mounted on a rotating cross (ed. St. USSR N 436529, B 01 J 19/18, 1970).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится неравномерность времени пребывания реакционной массы из-за продольного ее перемешивания спиральными перемешивающими лопастями, что приводит к снижению степени конверсии реакционной массы. The reasons that impede the achievement of a given technical result include uneven residence time of the reaction mass due to its longitudinal mixing with spiral mixing blades, which leads to a decrease in the degree of conversion of the reaction mass.

Известен ленточный шнековый смеситель непрерывного действия, включающий цилиндрический корпус, привод, загрузочное отверстие, смещенное в сторону привода, и узел выгрузки, находящийся на противоположном конце корпуса, и ленточный шнековый рабочий орган (X. Герман. Шнековые машины в технологии. - Л.: Химия, 1975, с. 71-72). Known continuous auger belt mixer, including a cylindrical body, a drive, a loading hole, biased towards the drive, and an unloading unit located on the opposite end of the body, and a tape auger working body (X. German. Screw machines in technology. - L .: Chemistry, 1975, pp. 71-72).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится обратное перемешивание, что приводит к неравномерности времени пребывания частиц реакционной массы в смесителе и снижению степени ее конверсии. Наиболее близким техническим решением к заявленному объекту и выбранному за прототип является 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 и патрубки ввода и вывода теплоносителей, исходных реагентов и реакционной массы, большой и малый отбойники (патент России N 2031704, B 01 J 19/18, 1991). The reasons that impede the achievement of a given technical result include back mixing, which leads to uneven residence time of the particles of the reaction mass in the mixer and a decrease in the degree of its conversion. The closest technical solution to the claimed object and selected for the prototype is a mixing reactor containing a vertical cylindrical body located along the axis of the body of the drive shaft, on which is attached a screw combined with an anchor mixer, the shaft of which is equipped with a support element, an internal heat exchanger mounted coaxially to the screw, heat-exchange jacket and nozzles for input and output of coolants, initial reagents and reaction mass, large and small chippers (Russian patent N 2031704, B 01 J 19/18, 1991).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится большой разброс по времени пребывания частиц реакционной массы из-за ее хорошего продольного перемешивания шнеком и якорной мешалкой и слабого радиального перемешивания, что приводит к снижении степени конверсии реакционной массы и недостаточной теплопередачи от нее к теплоносителям. The reasons that impede the achievement of the desired technical result include a large spread in the residence time of the particles of the reaction mass due to its good longitudinal mixing by the screw and anchor stirrer and weak radial mixing, which leads to a decrease in the degree of conversion of the reaction mass and insufficient heat transfer from it to the coolants.

Задачей предлагаемого технического решения является уменьшение продольного перемешивания реакционной массы и увеличение ее радиального перемешивания, что способствует выравниванию времени пребывания частиц и улучшению качества продуктов реакции. The objective of the proposed technical solution is to reduce the longitudinal mixing of the reaction mass and increase its radial mixing, which helps to equalize the residence time of the particles and improve the quality of the reaction products.

Техническим результатом является увеличение скорости теплопередачи от реакционной массы к теплоносителю, что приводит к возрастанию степени конверсии реакционной массы. The technical result is an increase in the rate of heat transfer from the reaction mass to the coolant, which leads to an increase in the degree of conversion of the reaction mass.

Поставленный технический результат достигается тем, что реактор смешения, содержащий цилиндрический корпус, расположенный по оси корпуса приводной вал, на котором закреплен шнек, теплообменную рубашку, патрубки ввода и вывода теплоносителя, исходных реагентов и реакционной массы, снабжен узлами радиального смешения, установленными в шахматном порядке, каждый из которых выполнен в виде пластины, имеющей форму винтовой поверхности и установленной симметрично с возможностью свободного вращения на оси, жестко закрепленной в средней части высоты гребней шнека. The technical result is achieved by the fact that the mixing reactor containing a cylindrical body located on the axis of the housing of the drive shaft, on which is fixed a screw, a heat exchange jacket, nozzles for the inlet and outlet of the coolant, initial reagents and reaction mass, is equipped with radial mixing units installed in a checkerboard pattern , each of which is made in the form of a plate having the shape of a helical surface and mounted symmetrically with the possibility of free rotation on an axis rigidly fixed in the middle part the height of the crests of the screw.

Снабжение реактора узлами радиального смешения, установленными в шахматном порядке, каждый из которых выполнен в виде пластины, имеющей форму винтовой поверхности и установленной симметрично с возможностью свободного вращения на оси, жестко закрепленной в средней части высоты гребней шнека, позволяет осевой напор реакционной массы, возникающий при вращении шнека, использовать для вращения пластин, имеющих форму винтовой поверхности, и интенсифицировать радиальное перемешивание реакционной массы в каждой кольцевой зоне между гребнями шнека. The supply of the reactor with staggered radial mixing units, each of which is made in the form of a plate having the shape of a helical surface and mounted symmetrically with the possibility of free rotation on an axis rigidly fixed in the middle part of the height of the screw ridges, allows the axial pressure of the reaction mass that occurs when the rotation of the screw, use to rotate the plates having the shape of a helical surface, and intensify the radial mixing of the reaction mass in each annular zone between the ridges and auger.

Это приводит к снижению осевой скорости в средней части высоты шнека и ее увеличению вблизи вала и стенки корпуса, выравниванию времени пребывания частиц реакционной массы и возрастанию конверсии. Турбулизация потока вблизи стенки за счет радиального смешения при вращении пластин, имеющих форму винтовой поверхности, приводит к интенсификации теплопередачи от реакционной массы к теплоносителю, выравниванию концентрации и температуры в радиальном направлении, предупреждению термической деструкции и увеличению качества продуктов реакции и степени конверсии. This leads to a decrease in the axial velocity in the middle part of the screw height and its increase near the shaft and the housing wall, equalization of the residence time of the particles of the reaction mass and increase in conversion. Turbulence of the flow near the wall due to radial mixing during rotation of plates having the shape of a helical surface leads to intensification of heat transfer from the reaction mass to the coolant, equalization of concentration and temperature in the radial direction, prevention of thermal degradation and an increase in the quality of reaction products and the degree of conversion.

Установка пластин, имеющих форму винтовой поверхности, симметрично с возможностью свободного вращения обеспечивает их хорошую балансировку на осях и позволяет преобразовать осевой и окружной потоки в радиальный, при этом область смешения охватывает всю зону между гребнями шнека, а так как узлы радиального смешения установлены в шахматном порядке, то радиальное смешение интенсифицируется во всей реакционной массе. Эффект радиального смешения усиливается за счет жесткого закрепления осей в средней части высоты гребней шнека, так как в этом случае симметричная установка на них пластин, имеющих форму винтовой поверхности, позволяет вовлекать в радиальное смешение при вращении пластин частицы реакционной массы от стенки цилиндрического корпуса до приводного вала. The installation of plates having the shape of a helical surface, symmetrically with the possibility of free rotation, ensures their good balance on the axes and allows the axial and circumferential flows to be converted to radial, while the mixing area covers the entire area between the screw ridges, and since the radial mixing units are staggered , then the radial mixing is intensified throughout the reaction mass. The effect of radial mixing is enhanced due to the rigid fixing of the axes in the middle part of the height of the screw ridges, since in this case the symmetrical installation of plates having the shape of a helical surface on them allows the particles of the reaction mass to be involved in the radial mixing during rotation of the plates from the wall of the cylindrical body to the drive shaft .

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из перечня аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения. The analysis of the prior art by the applicant, including a search by patent and scientific and technical sources of information and identification of sources containing information about analogues of the claimed invention, allowed to establish that the applicant did not find an analogue characterized by features identical to all the essential features of the claimed invention, and the definition from the list analogues of the prototype, as the closest in the totality of the features of the analogue, allowed to identify the set of essential in relation to the seen lem the technical result of the distinguishing features in the claimed object set forth in the claims.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству. Therefore, the claimed invention meets the requirement of "novelty" under applicable law.

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалистов явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявляемого изобретения преобразований на достижение технического результата. To verify the conformity of the claimed invention to the requirements of the inventive step, the applicant conducted an additional search for known solutions in order to identify features that match the distinctive features of the prototype of the claimed invention, the results of which show that the claimed invention does not explicitly follow from the prior art, since the prior art defined by the applicant, the effect of the transformations provided for by the essential features of the claimed invention on tizhenie technical result.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень" по действующему законодательству. Therefore, the claimed invention meets the requirement of "inventive step" under applicable law.

Общий вид предлагаемой конструкции реактора смешения представлен на чертеже. Он состоит из цилиндрического корпуса 1 и расположенного по его оси приводного вала 2. На приводном валу 2 закреплен шнек 3. Снаружи цилиндрический корпус 1 охватывает теплообменная рубашка 4 с патрубками входа 5 и выхода 6 теплоносителя. Цилиндрический корпус 1 имеет патрубки для подвода 7 исходной смеси и отвода 8 реакционной массы. A general view of the proposed design of the mixing reactor is shown in the drawing. It consists of a cylindrical body 1 and a drive shaft 2 located on its axis. A screw 3 is fixed on the drive shaft 2. Outside, the cylindrical body 1 covers a heat exchange jacket 4 with nozzles for the inlet 5 and the outlet 6 of the coolant. The cylindrical body 1 has nozzles for supplying 7 the initial mixture and removal 8 of the reaction mass.

Между гребнями шнека 3 в шахматном порядке расположены узлы радиального смешения, представляющие собой оси 9, жестко закрепленный в средней части высоты гребней шнека 3, на которых симметрично установлены пластины 10 с винтовой поверхностью. Between the ridges of the screw 3 in a checkerboard pattern are the nodes of radial mixing, representing the axis 9, rigidly fixed in the middle part of the height of the ridges of the screw 3, on which the plates 10 with a helical surface are mounted symmetrically.

Предлагаемый реактор смешения работает следующим образом. Привод приводит во вращение с угловой скоростью вал 2, который с той же угловой скоростью передает вращение шнеку 3. По патрубку 7 подают исходную смесь, а по патрубку 8 выводят реакционную массу. В теплообменную рубашку 4 по патрубку 5 подают теплоноситель, а выводят его через патрубок 6. Под действием гребней шнека 3 осевой напор реакционной массы преобразуется во вращение пластин 10, имеющих форму винтовой поверхности, с угловой скоростью. The proposed mixing reactor operates as follows. The drive rotates the shaft 2 at an angular speed, which at the same angular speed transmits the rotation of the screw 3. The mixture is fed through the pipe 7, and the reaction mixture is fed through the pipe 8. The heat carrier is supplied to the heat exchange jacket 4 through the nozzle 5, and it is removed through the nozzle 6. Under the action of the ridges of the screw 3, the axial pressure of the reaction mass is converted into rotation of the plates 10 having the shape of a helical surface with an angular velocity.

Интенсивное перемешивание реакционной массы пластинами 10, имеющими форму винтовой поверхности, приводит к усреднению скорости движения реакционной массы в осевом направлении, выравниванию среднего времени пребывания ее частиц и в конечном счете увеличению степени конверсии. Intensive mixing of the reaction mass with plates 10 having the shape of a helical surface leads to an averaging of the axial velocity of the reaction mass, equalization of the average residence time of its particles and ultimately an increase in the degree of conversion.

Кроме того, турбулизация потока реакционной массы при вращении пластин 10, имеющих форму винтовой поверхности, интенсифицирует процесс теплопередачи от реакционной массы в корпусе 1 к теплоносителю в рубашке 4, предупреждает термическую деструкцию вблизи твердых теплопередающих поверхностей и значит увеличивает качество реакционной массы. In addition, the turbulization of the flow of the reaction mass during the rotation of the plates 10 having the shape of a helical surface intensifies the process of heat transfer from the reaction mass in the housing 1 to the coolant in the jacket 4, prevents thermal degradation near solid heat transfer surfaces and, therefore, increases the quality of the reaction mass.

Предлагаемая конструкция реактора смешения позволяет несложно провести реконструкцию существующих шнековых реакторов смешения. Для этого достаточно в середине высоты гребней шнека 3 установить в шахматном порядке узлы радиального смешения, представляющие собой заранее подготовленные оси 9 с пластинами 10, имеющими форму винтовой поверхности. Жесткая установка осей 10 достигается известными методами, например сваркой. The proposed design of the mixing reactor makes it easy to reconstruct the existing screw mixing reactors. To do this, it is sufficient to install in the staggered manner the auger ridges 3 in the staggered order of the radial mixing units, which are pre-prepared axes 9 with plates 10 having the shape of a helical surface. A rigid installation of the axes 10 is achieved by known methods, for example by welding.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:
- устройство, воплощающее заявленное изобретение при осуществлении, предназначено для использования в химической, нефтехимической, микробиологической и биохимической и других отраслях промышленности и может быть использовано при проведении гидромеханических, массообменных и реакционных процессов;
- заявленное изобретение, в том виде как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждает возможность его осуществления с помощью описанных в заявке известных до даты приоритета средств и методов;
- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение технического результата.Thus, the above information indicates the fulfillment of the following set of conditions when using the claimed invention:
- a device embodying the claimed invention in the implementation, is intended for use in chemical, petrochemical, microbiological and biochemical and other industries and can be used in hydromechanical, mass transfer and reaction processes;
- the claimed invention, as described in the claims, confirms the possibility of its implementation using the means and methods known up to the priority date described in the application;
- a tool embodying the claimed invention in its implementation, is able to achieve the technical result.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию промышленная промышленность. Therefore, the claimed invention meets the requirements of industrial industry.

Claims

Mixing reactor containing a cylindrical body located on the axis of the housing of the drive shaft, on which is fixed a screw, a heat exchange jacket, nozzles for the inlet and outlet of the coolant, initial reagents and reaction mass, characterized in that it is equipped with staggered radial mixing units, each of which is made in the form of a plate having the shape of a helical surface and mounted symmetrically with the possibility of free rotation on an axis rigidly fixed in the middle part of the height of the screw ridges.