SU1299614A1 - Реактор-смеситель - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к аппаратурному оформлению гетерогенного катализа и позвол ет интенсифицировать процесс,за счет уменьшени  уноса катализатора из жидкой фазы, внутри корпуса установлен вал с криволинейными лопаст ми форма которых позвол ет уменьшить унос катализатр- ра при вращении вала. 1 з.п. ф-лы, 5 ил. го со со а

Description

112

Изобретение относитс  к аппаратурному оформлению гетерогенного катализа и может быть использовано в химической и других промьшленност х дл  проведени  различных процессов в системе жидкость - твердое тело, в частности дл  непрерывного деалки- лировани  ионола до о-трет-бутил-п- крезола - полупродукта производства антиоксиданта Агидол-2,

Цель изобретени  - интенсификаци  процессов путем уменьшени  уноса катализатора из жидкой фазы.

На фиг. 1 схематически изображен реактор, продольный разрез; на фиг. 2 и 3 - сечение А-А на фиг. 1 (варианты расположени  лопастей мешалки относительно уровн  смеси); на фиг. 4

20

25

При первой схеме (фиг. 2) обесп чив аетс , по сравнению с второй (фиг. 3), меньшее разбрызгивание р акционной смеси у внутренних стен корпуса, так как импульс частиц ср ды у поверхности направлен от пери ферии к центру реактора, что умен шает веро тность налипани  катализатора на стенках с последующей ег термодеструкцией, К преимуществу второй схемы следует отнести мене жесткие требовани  к герметичности в месте соединени  вращающегос  в ла и торцовой крьш1ки за счет размещени  уровн  смеси ниже вала. Предложенн 1Я геометрическа  фор ма криволинейных вертикально вра щающихс  лопастей позвол ет свести до минимума унос катализатора из смеси реагентов, описываетс  уравн нием

положение нормальной V и тангенци- альной % составл ющих окружной скорости V произвольной точки кривой- лопасти предлагаемой формы при выходе точки из реакционной смеси; на фиг. 5 - некоторые кривые семейства по уравнению (I),

Реактор содержит привод 1 и корпус 2р внутри которого размещен горизонтальный вал 3 с криволинейными лопаст ми 4, геометрическа  форма которых в плоскости вращени  описываетс  уравнением (1), при этом лопасти креп тс  к валу посредством радиальных стержней 5 длиной h - R, , где Rj - радиус вала. Поперечное сечение лопастей 4 может иметь 35 скольжению (в противоположном на- произвольную форму, а концы лопастей в продольном сечении имеют обтекаемую форму.

30

Ч J(R(h) -l - arctg |(R/hf-l

(1

Некотора  плоска  крива -лопас Ч (И) вращаетс  с угловой скоростью и) вокруг оси О, расположенной на рассто нии h от уровн  смеси (фиг, 4). С математической точки зрени  такое вр.ащение эквивалентн

правлении) уровн  смеси вдоль окру ности радиуса h вокруг неподвижной кривой. Рассмотрим произвольную т ку кривой-лопасти, котора  в данны момент выходит из объема на поверх ность смеси, т.е. точку пересечен кривой и уровн  смеси. Следует от тить, что вьшос катализатора из ж кой фазы происходит преимущественн 45. при выходе лопастей из реакционной смеси, так как в этом случае импул силы упругости, действующий на ча тицы среды у поверхности со сторон каждого элемента лопасти, направле вверх от свободной поверхности. В дем обозначени : о(. - угол между к сательной t к кривой в данной точк и уровнем смеси; р- угол между к сательной t и радиусом вращени  R точки, равный углу между нормалью к кривой в данной точке и вектором

Реактор работает следуюпдам образом .

При вращении приводом 1 вала 3 происходит перемешивание реакционной смеси лопаст ми 4, кажда  точка которых выходит под пр мым углом (ct на фиг. 4) к уровню смеси, при этом нормальна  составл юща  окружной скорости точки направлена у поверхности вдоль уровн  смеси и, следовательно , импульс частицам перемешиваемой среды в направлении от свободной поверхности практически не передаетс , что существенно уменьшает унос катализатора из зоны реакции, интенсифициру  тем самым проводимый процесс . Обтекаема  форма концов лопастей уменьшает разбрызгивание реагентов в момент рхода (выхода) лопастей в смесь (из снеси).

Возможны две различные схемы работы реактора, отличающиес  положением уровн  смеси и направлением вращени  вала.

При первой схеме (фиг. 2) обеспечив аетс , по сравнению с второй (фиг. 3), меньшее разбрызгивание реакционной смеси у внутренних стенок корпуса, так как импульс частиц среды у поверхности направлен от периферии к центру реактора, что уменьшает веро тность налипани  катализатора на стенках с последующей его термодеструкцией, К преимуществу второй схемы следует отнести менее жесткие требовани  к герметичности в месте соединени  вращающегос  вала и торцовой крьш1ки за счет размещени  уровн  смеси ниже вала. Предложенн 1Я геометрическа  форма криволинейных вертикально вращающихс  лопастей позвол ет свести до минимума унос катализатора из смеси реагентов, описываетс  уравнением

скольжению (в противоположном на-

Ч J(R(h) -l - arctg |(R/hf-l.

(1)

Некотора  плоска  крива -лопасть Ч (И) вращаетс  с угловой скоростью и) вокруг оси О, расположенной на рассто нии h от уровн  смеси (фиг, 4). С математической точки зрени  такое вр.ащение эквивалентно

скольжению (в противоположном на-

правлении) уровн  смеси вдоль окружности радиуса h вокруг неподвижной кривой. Рассмотрим произвольную точку кривой-лопасти, котора  в данный момент выходит из объема на поверхность смеси, т.е. точку пересечени  кривой и уровн  смеси. Следует отметить , что вьшос катализатора из жидкой фазы происходит преимущественно при выходе лопастей из реакционной смеси, так как в этом случае импульс силы упругости, действующий на частицы среды у поверхности со стороны каждого элемента лопасти, направлен вверх от свободной поверхности. Введем обозначени : о(. - угол между касательной t к кривой в данной точке и уровнем смеси; р- угол между касательной t и радиусом вращени  R точки, равный углу между нормалью п к кривой в данной точке и вектором

окружной скорости V точки, как углы взаимно перпендикул рными сторона- Ф1; Ji - угол между радиусом враще

312996

ни  R и уровнем переливного патрубка; V-J. и V - соответственно тангенциальна  и нормальна  составл ющие

V .

14

(6)

Как видно из фиг, 4,

о( э + у . Как известно,

где Ч (К), уравнение кривой-лопасти в пол рной системе координат (полюс - центр вращени  0). Из фиг. 4

у arcsin h/R.

Тогда, использу  известные соотношени  между обратными тригонометрическими функци ми

х+у arctg X + arctg у arotg т;

уравнение (2), с учетом (3) и (4), будет иметь вид

с arctg

-hR dR

Полученное уравнение (5) позвол - ет найти- углы ot выхода (входа при обратном вращении вала) дл  различных кривых лопастей f (R) , С другой стороны , с помощью уравнени  (5) можно решить и обратную задачу: по задан- ному значению ot расчитать в плоское- ти геометрическую формулу лопасти f(R), В частности, практически важен случай, когда дл  каждой точки криволинейной лопастиok 90°, так как в этом случае угол uoi.-90 между нормальной составл ющей V окружной скорости и уровнем смеси будет равным нулю, т.е. импульс, передаваемый лопастью части цам перемешиваемой среды у поверхности , будет направлен все врем  вдоль уровн  смеси, что существенно уменьшит разбрызгивание реагентов, а, следовательно, и унос катализато-

ра из жидкой фазы. Из уравнени  (5)

1

легко найти форму криволинейной лопасти , удовлетвор ющей этому условию

(2)

Интеграл (6): 1

Ч ( -h arccos h/R)-fC

0

15

20

25

30

35 40 45 -50 55

1

:

или

f - Whf-l -arctg /(R/nf-1 + +C 4(R, C).

где h выступает в роли параметра, а С C(R) - произвольна  посто нна . В найденном уравнении R и дл  креплени  криволинейной лопасти ) к валу служат стержни 5 радиальной длиной h-R jj, где Rj, - радиус вала (фиг. 2 и 3). Посто нную С, не тер   общности, можно положить равной нулю, так как все семейство кривых Y (R С) получаетс  простым вращением одной кривой Ч (R, О) вокруг полюса О (фиг, 5),

Таким образом, предлагаема  форма криволинейных вертикально вращающихс  лопастей позвол ет значительно уменьшить вынос катализатора из зоны реакции, так как тангенциальна  составл юща  V-j- окружной скорости V каждой точки лопасти при ее выходе из смеси составл ет пр мой угол с уровнем смеси, а нормальна  составл юща  V направлена все врем  вдоль свободной поверхности смеси, и, следовательно , импульс частицам среды в направлении от ее свободной поверхности не передаетс .

При этом возможны два режима работы реактора, которые отличаютс  направлением вращени  вала и положением уровн  смеси (фиг, 2 и 3), При первом режиме уровень смеси расположен на длину радиального стержн  5 выше вала, причем вал вращаетс  в таком направлении, при котором сначала из смеси выход т (вход т) обтекаемые концы, а затем уже остальные точки лопастей, В случае второго режима уровень смеси размещен ниже вала (на длину радиального стержн ), вращающегос  таким образом, что последними вход т (выход т) концы лопастей .

Рассчет углов входа ci. в смесь дл  различных точек лопасти предлагаемой формы:

5

dtp

p-y arctg R 5 - arcsin h/R,

(7)

.или, после дифференцировани  (1) и несложных преобразований.

вх

arctg

arctg (R/h)- 1 - 1

5

/ (R/h)-l

1 (R/h)--2 arctg

l(R/h) -l .0 (8)

Как следует из (8), концы лопастей вход т в смесь под большими углами нежели точки, расположенные ближе к валу:

2

(9)

что уменьшает разбрызгивание реагентов у внутренних стенок корпуса, уменьша  тем самым веро тность налипани  частиц катализатора на стенках и, следовательно, их термодеструкцию.

Нормальна  составл клца  V окружной скорости дл  всех точек лопасти в форме (1) будет величиной посто нной :

V cos (3

f.(R).

u)R

SA

(10)

Как следует из (10), степень раз- брызгивани  (оцениваемую по V) при выходе лопастей из смеси можно уменьшить (при данной частоте вращени  валаи5), уменьша  рассто ние h от оси вращени  до уровн  смеси (естественно, измен   форму лопастей в соответствии с уравнением (1). При этом автоматически уменьшитс  разбрызгивание реагентов при входе лопастей в смесь:

limoi-,

(И)

1Г

бх 2

Однако уменьшение параметра h ведёт к увеличению длин криволинейных лопастей (при заданной их радиальной длине R):

RK

50

Действительноj оба уравнени  со падают (с точностью до посто нной) если и R , но это совпадение носит чисто формальный характе так как ни радиус вала R, ни действительное число m никоим образом не св заны с уровнем смеси, опреде рассто нием h от оси вращен вала до свободной поверхности смес Практически же это означает, что р зультат будет тот же, если уровень смеси в известном реакторе подобра таким образом, чтобы выполн лось с отношение /т, что с очевидност совершенно не вытекает из известно уравнени  (13), Более того, при вы полнении услови  , лопасти в форме (13), как следует из услови  т:, , т.е. уровень смеси до жен быть в известном реакторе не н же вала, что предъ вл ет более жес кие требовани  к герметичности в месте соединени  вращающегос  вала и торцовой крьш1ки, в то врем  как предлагаемом реакторе уровень смес может быть выбран и ниже вала, что никак не вли ет на услови  выхода лопастей из смеси, обеспечивающих минимальный унос катализатора из жи кой фазы (фцг, 3),

В известном реакторе уровень см си проходитчерез осьвраиени  вгшаО что обеспечивает одинаковые (с точ

|. I4Llv XIl ж GL А . -njbJ,- -

L di --- 1 Ii-f(R If)dRm55 зрени  величины угла A«it.между V и

u - J cospJ dRуровнем смеси) услови  дл  входа и

сС

. i(5-h) „

(12)

уровнем

выхода лопастей из реакционной сме

ш.

)

1299614. 6

поэтому выбор значени  h должен быть

kOMnpONMCCHblM.

Следует особо отметить, что предлагаема  форма лопастей, описывае- 5 ма  уравнением (1), не  вл етс  частным случаем известной формы лопастей, описываемой уравнением

0

5

0

5

0

-

0

5

0

i(/

а,7п

fC(n, m), где ч f

И

-1 -arctgJm V -l + (13)

пол рный угол точек лопасти, рад;

/ 1 - пол рный радиус R точек лопасти в единицах радиуса вала R ;

п 1, m 1 - безразмерные параметры; С(п, т) - не завис ща  от V посто нна .

Действительноj оба уравнени  совпадают (с точностью до посто нной), если и R , но это совпадение носит чисто формальный характер, так как ни радиус вала R, ни действительное число m никоим образом не св заны с уровнем смеси, опреде- рассто нием h от оси вращени  вала до свободной поверхности смеси. Практически же это означает, что результат будет тот же, если уровень смеси в известном реакторе подобрать таким образом, чтобы выполн лось соотношение /т, что с очевидностью совершенно не вытекает из известного уравнени  (13), Более того, при выполнении услови  , лопасти в форме (13), как следует из услови  т:, , т.е. уровень смеси должен быть в известном реакторе не ниже вала, что предъ вл ет более жесткие требовани  к герметичности в месте соединени  вращающегос  вала и торцовой крьш1ки, в то врем  как в предлагаемом реакторе уровень смеси может быть выбран и ниже вала, что никак не вли ет на услови  выхода лопастей из смеси, обеспечивающих минимальный унос катализатора из жидкой фазы (фцг, 3),

В известном реакторе уровень смеси проходитчерез осьвраиени  вгшаО, что обеспечивает одинаковые (с точки

4Llv XIl ж GL А . -njbJ,- -

5 зрени  величины угла A«it.между V и

уровнем смеси) услови  дл  входа и

уровнем

выхода лопастей из реакционной смеш .

при этом , Лс/, arctg R 1

arctgy/m r - .(14)

Как следует из (14), при (JMKCH- рованной радиальной длине лопасти . только в том случае, если m - со или п - со

Однако это достигаетс  при больших (в пределе бесконечных) длинах криволинейных лопастей известной формы

. , ш / - 1 , 1п

I /VnTT K - )что увеличивает металлоемкость и нагрузку на привод мешалки,

В предлагаемом устройстве равенство 4bix каждой точки лопасти достигаетс  при конечной длине криволинейной лопасти, которую, к тому же, на основании (12) можно в достаточно широких пределах варьировать (при R const), измен   величину параметра h:

L/R.

1(Ь . Ь-) R./

RK h

1Rj

2h

(16)

1299614

Формула

8 изобретени 

)

to

5

20

25

30

Claims (2)

1.Реактор-смеситель дл  проведени  каталитических процессов в системе жидкость - твердое вещество, содерж щий корпус, горизонтальный вал с криволинейнь1ми лопаст ми, при-- вод и переливной патрубок, отличающийс  тем, что, с целью интенсификации процессов за счет уменьшени  уноса катализатора из жидкой фазы, форма криволинейных лопастей соответствует уравнению

Ч /(R/h) -1 - arctg /(R/h) -Г

где Ч - пол рный угол точки лопасти, рад;

R - пол рный радиус (радиус вращени ) точки лопасти;

h - рассто ние от оси вращени  вала до переливного патруб- ка.

2.Реактор по п. 1, отличающий с   тем, что ои снабжен соедин ющими лопасти с валом радиальными стержн ми длиной

L h - R,

где L - длина стержн ; R - радиус вала.

b

фие.7

фиг.

.Л

.Фые.

.5