SU1581372A1 - Реактор - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к массообменным аппаратам и позвол ет интенсифицировать процесс перемешивани . Реактор снабжен установленной над перемешивающим органом кольцевой вставкой с внутренней рифленой поверхностью, кольцевой перегородкой в центре верхнего диска, размещенного с возможностью перемещени  вдоль оси реактора, перемешивающий орган мешалки выполнен в виде сплошного усеченного конуса со сквозными цилиндрическими каналами, а дно реактора выполнено коническим со вставкой в виде обратного конуса. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Изобретение относитс  к химической промышленности и может быть использовано дл  осуществлени  самых различных технологических процессов: синтеза органических и неорганических веществ, перемешивани  жидких веществ и суспензий, адсорбции, экстракции и т.д.

Цель изобретени  - повышение интенсификации процесса перемешивд- ни .

На фиг. 1 представлен реактор, разрез; на Фиг. 2 - конфигураци  лопаток .

Реактор содержит цилиндрический корпус 1, коническое днище 2 и крышку 3 эллиптической формы. Днище 2 приварное, крышка 3 крепитс  к корпусу 1 при помощи фланцев 4. Снаружи реактор имеет рубашку 5, служащую дл  нагрева или охлаждени  его содержимого . Сверху на крышке реактора имеютс  патрубки 6 и 7 с наход щимис 

внутри них сальниковыми уплотнени ми (не показаны). Через эти уплотнени  внутрь реактора введены штоки 8 и 9 гидравлических (или пневматических ) цилиндров 10 и 11, укрепленных на станине (не показана), установленной на крышке 3. К головкам штоков при помощи осей 12 и 13 и штифтов 14 и 15 прикреплена подвижна  вставка , состо ща  из проушин 16 и 17, дисков 18 и 19 с установленными между ними направл ющими спиралевидными лопатками 20.

- В верхнем диске 18 по центру имеетс  отверстие 21 дл  загрузки твер- дых веществ. По периметру данного отверсти  расположена кольцева  перегородка 22, предназначенна  дл  предотвращени  слива жидкости на дно реактора свободно падающей струей при загрузке..

Наружный диаметр верхнего диска 18 выполнен с зазором относительно

сл

ел

00

|ш

со -J

(

внутреннего диаметра цилиндрического корпуса реактора. Величина зазора находитс  в пределах 2-4 мм и выбираетс  из услови , чтобы кра  диска при перемещении подвижной вставки по высоте могли очищать внутреннюю бокову поверхность реактора от возможных налипаний а при загрузке в реактор давали возможность жидкости стекать вниз по стенке реактора в виде пленки без образовани  зар дов статического электричества..

В нижнем диске 19 по центру имеетс  отверстие 23 дл  прохода жидкости от периферии к приосевой зоне потока. Между наружным диаметром нижнего диска 19 и стенкой корпуса 1 имеетс  кольцевой зазор 24, служащий дл  прохода вращающегос  потока жидкости, поднимающейс  вверх вдоль стенки раектора.

В верхнем диске 18 подвижной вставки встроены патрубки 25 и 26, к которым соответственно подсоединены импульсный шланг 27 и гибкий металический трубопровод 28. Противополоный конец импульсного шланга 27 выведен на крышку 29 патрубка 30, дале он направл етс  к регул тору давлени , импульг Р , (не показан), В свою очередь, другой конец гибкого металлического трубопровода 28 закреплен на внутренней стороне крышки 31 патрубка 32.

С наружной стороны к крышке 31 подсоединен металлический трубопровод 33, который в своей нижней части прикреплен к трехходовому крану 34, подсоединенному к сливному патрубку 35. Кран 34 предназначен дл  пропуска циркулирующей жидкости из верхней части реактора путем сообщени  низа реактора с разгрузочной емкостью (не показана).

На трубопроводе 33 можно устанавливать датчики температуры, водородного показател  рН среды, в зкости, участок из термостойкого стекла дл  наблюдени  за двшатцейс  реакционной средой, (не показаны), а также патрубок 36 с краном 37 дл  отбора пробы и штуцер 38 дл  отбора импульса статического давлени  Р, который подаетс  на вторичный прибор дл  измерени  давлени  (или на регул тор давлени ).

В средней части общей высоты реатора , в месте перехода конического днища 2 в цилиндрический корпус 1,

имеетс  кольцева  вставка (кольцо) 39 с внутренней рифленой поверхностью . Кольцо 39 предназначено дл 

интенсификации тепло-и массобмена в пристенной зоне реактора, в месте удара о стенку корпуса 1 высоконапор ных жидкостных струй, выбрасываемых вращающимс  перемешивающим органом.

В основание нижней кониче.ской части р еактора вмонтирован герметичный привод (с регулируемым числом оборотов ) , состо щий из электродвигател  40,укороченного ступенчатого вала 41 с закрепленным на нем при помощи гравер-шайбы 42 и гайки 43 перемешивающим органом в виде усеченного сплошного конуса 44, изготовленного из дюралюмини , со сквозными

0

0

цилиндрическими каналами 45 диаметром 25-30 мм, равномерно распределенными по периметру и проход щими вдоль образующей в теле конуса у его поверхности под углом 45 к горизон- 5 тальной плоскости. Дл  заполнени  реактора жидкостью служит труба 46, твердый материал загружаетс  через центральный патрубок 47. Патрубки 48,49 предназначены дл  подачи в рубашку и выхода из нее теплоносител  или хладагента. Через патрубок 50 в реактор могут дополнительно вводитс  по ходу ведени  процесса газообразные или жидкие вещества. В нижнюю часть реактора помещена 5 вставка 51 в видеобратного конуса. Наличие этой вставки обеспечивает полное опорожнение реактора при разгрузке .

Снаружи реактора имеютс  лапы 52, 53 дл  креплени  и фиксации реактора в вертикальном положении. Штуцеры 54-57 на корпусах гидравлических (пневматических) цилиндров предназначены дл  подвода или отвода масла (воздуха) от регул тора давлени .

Реактор работает следующим образом .

Заливку жидкости в реактор осуществл ют через патрубок 46 при 0 максимально верхнем положении подвижной вставки. Путь движени  жидкости таков: поступив на верхний диск 18 с минимальной высоты и не найд  выхода через отверстие 21 вви- 5 ДУ наличи  кольцевой перегородки 22, она растекаетс  по поверхности диска 18, распредел етс  по кольцевому зазору между наружным диаметром диска 18 и внутренней стенкой корпуса

0

1 и стекает по стенке реактора в вид пленки. Заполнение внутреннего объема реактора жидкостью происходит постепенно без удара падающей струи о зеркало жидкости, образование зар дов статического электричества при этом исключаетс .

После окончани  ввода заранее рассчитанного объема жидкости приступают к разгрузке твердого зернистого материала через патрубок 47. Предварительно жидкость, наход щуюс  в реакторе, привод т в интенсивное движение, определ емое наличием в аппарате двух устройств: вращающегос  перемешивающего органа 44 мешалки и подвижной вставки с дисками 18,19 и направл ющими спиралевидными лопатками 20.

С этой целью включают в работу регул тор давлени , (не показан), на задатчике регул тора давлени  устанавливают величину давлени , соответствующую глубине погружени  в жидкость конца патрубка 26 импульсного шланга 27 (а сней заодно и подвижной вставки), по которому на регул тор поступает импульс статического давлени  Р. После срабатывани  регул тора подвижна  вставка оказываетс  погруженной в верхнюю часть жидкостного сло  на заданную глубину. Следует отметить, что включение в работу регул тора давлени  обеспечивает автоматическое регулирование положени  подвижной вставки в зависимости от высоты уровн  жидкости в реакторе.

Как только подвижна  вставка окажетс  погруженной в верхний слой жидкости включает в работу привод мешалки. С этого момента перемешивающий орган 44 мешалки придет в интенсивное вращательное движение.

Прилегающа  к нижней части перемешивающего органа 44 жидкость начинает засасыватьс  в каналы 45 и, предвид сь вдоль них с ускорением под действием центробежной силы, с силой выбрасываетс  в окружающий мешалку жидкостный объем в виде высоконапорных , дальнобойных струй, достигающих повеохностикольцевой вставки 39 с рифленой поверхностью.

В момент удара о стенку непрерывно выбрасываемые мешалкой высоконапорные струи распадаютс  на,множество мел- их вихрей, что приводит,

581372

е

10

15

20

25

6

в конечном итоге, к значительной интенсификации тепло-и массоперенос в пристенной зоне реактора.

Поскольку жидкость в реакторе интенсивно вращаетс , а при выбрасывании струй по направлению к верхней крышке в объеме создаютс  зна- чительные осевые скорости, то вдоль стенки Формируетс  устремл ющийс  вверх вращающийс  поток жидкости. Дойд  до подвижной вставки, погруженной к этому моменту в жидкость, этот периферийный поток набегает на неподвижные спиралевидные лопатки 20, установленные между дисками 18,19, и устремл етс  вдоль них в центральную приосевую зону реактора со все возрастающими (пропорционально уменьшению радиуса) вращательными

и радиальными скорост ми.

Сформировавшись в приосевой зоне в виде вращающегос  цилиндра, выход щего из отверсти  23, нисход щий поток жидкости устремл етс  в нижнюю часть реактора, откуда ушла ранее на верх реактора жидкость (ввиду сохранени  услови  неразрывности движени  жидкостного потока), По пути движени  сверху вниз нисход щий поток жидкости (в виде вращающегос  с большой скоростью цилиндра) частично рассеиваетс  по радиальным направлени м в основной объем реактора, но основна  его часть подходит к вращающемус  перемешивающему органу и, обтека  его (перемешивающий орган сверху не имеет отверстий дл  прохода жидкости), пересекаетс  с жидкостными стру ми, выбрасываемыми из каналов 45 (а также частично проходит между ними). В месте их встречи наблюдаютс  большие относительные скорости,создаваемые непосредственно в объемереак- 45 тора.

Продолжающий опускатьс  вниз жидкостный поток после прохождени  через мощный восход щий поток устремл етс  к стенке реактора, а точнее к месту, 50 где его коническа  часть переходит в цилиндрическую, разворачиваетс  и начинает опускатьс  вниз вдоль конического днища 2 к оси реактора со все возрастающими (по мере уменьшени  сг радиуса) вращательными и радиальными скорост ми, преп тству  образованию отложений на днище 2. Дойд  до вставки 51, поток жидкости в виде поднимающегос  с большой вращательной

30

35

40

скоростью цилиндра устремл етс  к нижней части переметивающего органа и всасываетс  в его каналы 45.

После выброса высоконапорных струй жидкости из наклонных каналов 45 вращающегос  конуса 44 в объем реактора описанна  выше схемадвижени  жидкое- ти повтор етс .

Подлежащие загрузке в реактор твер-, п дые частицы не дожны иметь размер, превышающий 5-10 мм, из-за опасности их заклинивани  в каналах перемешивающего органа мешалки, имеющий диаметр

25 - 30 мм.

Твердые частицы поступают в реактор вначале через патрубок 47, затем через отверстие 21 на нижний диск 19 либо непосредственно через центральное отверстие 23 в нижнем диске в нисход щий жидкостный поток. Частицы попавшие на поверхность нижнего диска 19 (между направл ющими лопатками 20), подхватываютс  потоком жидкости , двил;ущимс  от периферии к центральной зоне, и унос тс  снова в тот же нисход щий жидкостный поток.

Движение твердых частиц (особенно больших размеров) в объеме аппарата tпроисходит иначе, чем движение жид- кости, так как на их движение оказывает большое вли ние1 центробежна  сила, силы инерции и сопротивлени  среды, а также лобовое давление набегающего на них потока жидкости.

Наличие больших относительных скоростей создает благопри тные услови  дл  перемешивани  твердых частиц с жидкостью и их растворени .

В придонной части твердые час- тицы засасываютс  с жидкостью в каналы 45 перемешивающего органа 44 и выбрасываютс  из них вместе с жидкостью в виде высоконапорных стру При ударе о рифленую стенку твердые частицы дроб тс .

Распределив твердые частицы равномерно по объему жидкости, наход щейс  в реакторе, приступают к pa- зогреву содержимого реактора (если в этом естественно, имеетс  необходимость ). В случае, если растворимость вещества твердых частиц возрастает при повышении температуры, разогревать реактор можно уже на стадии разгрузки и распределени  твердых частиц по жидкостному объему .

п

5

0

5

0 5

0 5

JO «

Поскольку в данном реакторе все датчики температуры, рН среды, в зкости и т.д. вынесены за его пределы из соображений удобства и снижени  затрат энергии, затрачиваемой на перемешивание, и установлены на трубопроводе 33, то перед выходом на заданную температуру синтеза в реакторе необходимо дополнительно привести в действие так называемый внешний циркул ционный контур движени  жидкости.

Дл  этого терхходовой кран 34 устанавливают в положение, при котором нижн   часть реактора оказываетс  сообщенной с верхней через сливной патрубок 35, трехходовой кран 34, трубопровод 33 и гибкий металлический трубопровод 28. о

Ввиду наличи  вращающегос  перемешивающего органа мешалки, выбрасывающего струи жидкости в верхнюю часть реактора, внизу конического днища 2 создаетс  разрежение, и жидкость из его верхней части устремл етс  в нижнюю по вышеуказанному пути, но в обратном направлении, т.е. через гибкий металлический трубопровод 28, трубопровод 33, трехходовой кран 34 и сливной патрубок 35, промыва  последний.

В момент выхода на установившеес  движение жидкости по внешнему циркул ционному контуру величина разрежени  в верхней части трубы у штуцера 38 становитс  строго фиксированной и в дальнейшем не неизмен ющейс  (импульс давлени  Р7): в прот веденных опытах данное разрежение . достигает величины, равной 11,0 кПа. - Этот Факт облегчает осуществление 1 контрол  за наличием названного контура .

Перепад давлений АР можно использовать при одновременной регулировке при помощи регул тора /4 Р глубины погружени  подвижной вставки в жидкость, обеспечивающей наличие устойчивого внешнего циркул ционного контура. К этой схеме регулировки, однако, надо подходить с осторожностью , учитыва , что подача или подсос различных текучих сред под вращающийс  перемешивающий орган могут существенно изменить величину давлени  Р .

Как только жидкость по внешнему циркул ционному контуру придет в

движение, на задатчике регул тора температуры (не показан) устанавливают заданную температуру нагрева содержимого реактора и в рубашку 5 начинают подавать теплоноситель При наличии тепловой изол ции на трубопроводе 33 температура движущейс  среды во внешнем циркул ционно контуре стабилизируетс  и становитс  равной температуре в объеме реактора (это утверждение верно и дл  химического состава жидкости, протекающей по трубе) ввиду практически мгновенного выравнивани  (за 2-3 с) полей температур и концентраций в объеме реактора вследствие особой гидродинамической структуры потока, исключающей образование застойных зон, создающей услови  дл  больших относительных скоростей и, как следствие, обеспечивающей достижение высоких значений степеней перемешивани .

Врем  выхода на заданную температуру синтеза завист от объема реактора и вида примен емого теплоносител  (пар, вода, высокотемпературный органический теплоноситель и т.д.).

При достижении заданной температуры синтеза приступают к подаче в реактор дополнительных количеств газообразных или жидких веществ. Така  ситуаци  складываетс , например, когда в нагретую смесь, наход щуюс  в реакторе, необходимо быстро ввести промотор (или ингибитор) в жидком виде, а по ходу процесса надо еще подавать инертный газ.

Ввод вышеназванных веществ осуществл ют через придонную часть реактора , а точнее через патрубок 50. Вводимое жидкое вещество сразу подхватываетс  восход щим жидкостным потоком, подсасываетс  в каналы 45 вращающегос  конуса 44 и выбрасываетс  из них в объем реактора-. Пройд  описанный выше путь по внутреннему циркул ционному контуру, введенное вещество оказываетс  равномерно распределенным по всему объему реактора (интервал времени от момента ввода компонента до момента его равномерного распределени  по объему реактора , определ емого по выходу на посто нную концентрацию во времени в различных точках реактора, практически равен 2-3 с).

81372Ю

Данный компонент можно распределить по объему реактора и заранее, т.е. еще до выхода на температуру синтеза.

Подачу газообразного вещества в в реакционную массу осуществл ют аналогичным образом. Интересно, что при подаче газа в реактор только за JQ счет разрежени , создаваемого в его придонной части, величина разрежени  (импульс Р2) уменьшаетс  по сравнению с аналогичной величиной при работе мешалки без подсоса и колеблетс  в пределах 5,0-6,6 кПа. Объ сн етс  эта пульсаци  тем, что газ вначале, в момент наибольшего разрежени , засасываетс  жидкостью, идущей в каналы 45, затем выбрасываетс  в окружающую мешалку жидкость, дробитс , распредел етс  по объему (при этом разрежение падает), выходит из жидкости при прохождении вдоль лопаток, при этом разрежение возрастает , оп ть подсасываетс  к каналам 45, выбрасываетс  с жидкостью

15

20

25

0

5

0

5

0

5

Распределение газа по объему реактора происходит в виде мельчайших пузырьков.

Ход процесса синтеза контролируетс  при условии устойчивой рабо- ты его внешнего циркул ционного контура. Дл  контрол  протекающего в аппарате процесса, на трубопроводах 33 устанавливают всевозможные датчики температуры, рН среды, в зкости и т.д., в разрыв трубы (или параллельно с ней) встраивают участок из прозрачного термостойкого стекла (название детали на чертеже не показаны ) и патрубок 36 с краном 37 дл  отбора пробы в предварительно отва- куумированный пробоотборник (ввиду наличи  в данной линии разрежени  даже при проведении процесса под атмосферным давлением).

Движуща с  по трубопроводу 33 реакционна  масса хорошо усреднена, имеет тот же состав, что и наход ща с  в реакторе реакционна  масса. Все это обеспечивает отбор представительной пробы.

Возможен контроль и управление процессом синтеза по изменению показател  преломлени  среды по визуальному наблюдению за реакционной массой -и т.д.

Процесс синтеза при проведении в данном реакторе легко контролируетс  и регулируетс .

Когда к концу указанного процесса 5 возникнет необходимость его мгновенной остановки, например, из-за ольших тепловыделений, то гидродинамиа данногореактора позвол ет выйти из того затруднительного положени . 10

Использование в этих услови х теплоотвода через боковую поверхность реактора или встроенный змеевик не позвол ет быстро остановить процесс ввиду ограниченных значений коэффи- 15 циента теплоотдачи от реакционной массы к охлаждаемой металлической стенке. Охлаждаемой поверхности дл  быстрого отвода тепла в этих услови х процесс просто не хватает и ее 20 нельз  создать конструктивно.

В этом случае можно использовать тфеЬект охлаждени  реакционной массы  а счет испарени  воды или какого- либо другого растворител .25

Во всех известных конструкци х реакторов это меропри тие не помага- ет - вода просто испар етс  с поверхности зеркала реакционной массы в реакторе, а сшивка массы и неуправ- 30 л емый при этом процесс тепловыделени  все равно идут до конца из-за того, что не от всех точек объема в этих услови х отбираетс  тепло.

Дл  мгновенной остановки процесса

синтеза на заданной температуре (или гораздо ниже нее) в предлагаемой конструкции реактора достаточно влить сверху заранее рассчитанное количество воды или летучего растворител в приосевую зону реактора, а точнее в его нисход щий жидкостный- поток. В этом случае вода распредел етс  по всему объему реакционной массы, отбира  тепловую энергию у послед- ней по всех точках реакционного пространства . Путь движени  введе-нной дл  охлаждени  воды на участке ее нагрева за счет непосредственного контакта с реакционной массой таков; нисход щий жидкостный поток с рассеиванием по радиальным направлени м низ аппарата - распределение переме- шиващим органом по объему аппарата в области, прилегающей к стенке, - движение снизу вверх вдоль боковых стенок.

На участке перебрасывани  реакционной массы с периферии реактора

5 0

5

0

5

Q 5

0

5

к центру, когда она движетс  в относительно тонком слое по поверхности нижнего диска 19 вдоль спиралевидных лопаток 20, вода испар етс .

Вариант ввода небольшой порции воды дл  остановки процесса синтеза через патрубок 50, наход щийс  в нижней части реактора, не всегда оказываетс  приемлемым из-за того, что масса жидкости в месте продви- жени  центрального нисход щего потока не успевает отдать воде свое тепло.

Особенно хорошо срабатывает эф- сЬект мгновенной остановки процесса синтеза, заканчивающегос  резким повышением температуры и объемной сшивкой реакционной массы, когда по услови м синтеза необходим вакуум, а все реагирующие вещестнн  вл ютс  нелетучими (или высококип щими) компонентами . Ввод воды в этом случае в реакционную массу, ее нагрев с последующим испарением в вакуум и св занное с этим охлаждение реакционной массы по всему объему реактора происход т действительно практически мгновенно (в течение 3-4 с).

При проведений процесса синтеза под разрежением регулировку положени  подвижной вставки в зависимости от уровн  жидкости в реакторе осуществл ют по величине перепада давлений 4Р Рг -Р,, либо по разнице давлений между величиной Р1 и величиной остаточного давлени , создаваемого под крышкой реактора (данный импульс на чертеже не показан ) .

По окончании процесса синтеза готовый продукт охлаждают до температуры , при которой происходит разгрузка реактора. Дл  этого через рубашку 5 прокачивают хладагент1 (чаще всего техническую воду). Содержимое в реакторе при этом продолжают перемешивать.

Готовый охлажденный продукт выгружают из реактора через сливной патрубок 35. Трехходовой кран 34 при этом устанавливают в такое положение, когда низ реактора сообщаетс  с емкостью (не показана) дл  приема готового продукта.

При опорожнении реактора привод мешалки выключают и только в конце разгрузки снова включают на непродолжительное врем  дл  сбрасывани  с его

1315

поверхности налипшего на него готового продукта.

Дл  очистки стенок реактора от налипаний используют продвижение подвижной вставки по высоте реактора сверху вниз. Эффективность очистки внутренних поверхностей реактора (особенно боковых стенок) резко воз- растает при возвратно-поступательном перемещении подвижной вставки по высоте реактора и одновременном вводе какого-либо растворител  дл  готового продува.

Claims (2)

1. Реактор, содержащий вертикальный цилиндрический корпус с крышкой 20 и днищем, в верхней части которого

14

о периметру размещены поперечные спиральные направл ющие лопатки, снабженные дисками с отверсти ми по центру, перемешивающий орган с валом , отличающийс  тем, что, с целью интенсификации процесса перемешивани , реактор снабжен установленной над перемешивающим органом кольцевой вставкойг внутреннейрифле- ной поверхностью, кольцевой пере ород- кой в центре верхнегодиска, размещенного с возможностью перемещени  вдоль оси реактора, при этом переметивающий. орган мешалки выполнен в виде сплошного усеченного конуса со сквозными цилиндрическими каналами.

2. Реактор по п.1, отличающий с   тем, что верхний диск снабжен дополнительным патрубком дл  отвода реагентов.

Фиг.1

16 19 2В fa

2В

20

21

фиг. 2