Реактор

 

Изобретение относится к массообменным аппаратам и позволяет интенсифицировать процесс перемешивания. Реактор снабжен установленной над перемешивающим органом кольцевой вставкой с внутренней рифленой поверхностью, кольцевой перегородкой в центре верхнего диска, размещенного с возможностью перемещения 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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУВ 1ИН щ) 5 В 01 J 10/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМУ СВИД=ТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4371842/23-26 (22) 26.01 ° 88 (46) 30.07,90, Бюл. Н 28 (72) Д.Г.Иванов (53) 66.063 (088.3) (56) Авторское свидетельство СССР

1115789, кл. В 01 F 5/10, 1983. (4) РЕАКТОР (57) Изобретение относится к массообменным аппаратам и позволяет интенсифицировать процесс перемешивания, Реактор снабжен установленной над

Изобретение относится к химической промьппленности и может быть использовано для осуществления самых различных технологических процессов: синтеза органических и неорганическйх веществ, перемешивания жидких веществ и суспензий, адсорбции, экстракции и т.д.

Цель изобретения — повышение интенсификации процесса перемешивания.

На фиг. 1 представлен реактор, разрез; на фиг. 2 — конфигурация лопаток.

Реактор содержит цилиндрический корпус 1,, коническое днище 2 и крышку 3 эллиптической формы. Днище 2 приварное, крьппка 3 крепится к корпусу 1 при помощи фланцев 4. Снаружи реактор имеет рубашку 5, служащую для нагрева или охлаждения ецио содержимого. Сверху на крьппке реактора: ,имеются патрубки 6 и 7 с находящимися

„„SU, 1581 2 А 1

2 перемешив ающим органом кольцевой вставкой с внутренней рифленой поверхностью, кольцевой перегородкой в центре верхнего диска, размещенного с возможностью перемещения вдоль оси реактора, перемешивающий орган мешалки выполнен в виде сплошного усеченного конуса со сквозными ци-линдрическими каналами, а дно реактора выполнено коническим со вставкой в виде обратного конуса. 1 з.II.ô-лы, 2 ил. внутри. них сальниковыми уплотнениями (не показаны). Через эти уплотнения внутрь реактора введены штоки

8 и 9 гидравлических (или пневматических) цилиндров 10 и 11, укрепленHblx на станине (Hp. показана), установленной на крьппке 3. К головкам штоков при помощи осей 12 и 13 и штифтов

14 и t5 прикреплена подвижная вставка, состояшая из проушин 16 и 17, дисков 18 и 19 с установленными между ними направляющими спиралевидными лопатками 20. . B верхнем диске 18 по центру имеется отверстие 21 для загрузки твер-. дых веществ. По периметру данного отверстия расположена кольцевая перегородка 22, предназначенная для предотвращения слива жидкости на дно реактора свободно падающей струей при загрузке..

Наружный диаметр верхнего диска

18 выполнен с зазором относительно

1581372 вн;-треннего диаметра цилиндрического корпуса реактора. Величина зазора находится в пределах 2-4 мм и выбирается из условия, чтобы края диска при перемещении подвижной вставки по. высоте моглиочищать внутреннююбоковую. поверхность реактора от возможных налипаний, а при загрузке в реактор давали возможность жидкостистекать вниз по стенке реактора в виде пленки беэ образования зарядов статического электричества,.

В нижнем диске t9 по центру имеется отверстие 23 для прохода жидкости от периферии к приосевой зоне потока..Между наружным диаметром нижнего диска 19 и с.тенкой корпуса 1 имеется кольцевой зазор 24, служащий для прохода вращающегося потока жидкости, поднимающейся вверх вдоль стенки раектора.

В верхнем диске 18 подвижной вставки встроены патрубки 25 и 26, к которым соответственно подсоединены импульсный шланг 27 и гибкий метал лический трубопровод 28. Противополож ный конец импульсного шланга 27 выведен на крышку 29 патрубка 30, далее он направляется к регулятору давле" ния, импульс Р, (не показан), В

1 свою очередь, другой конец гибкого металлического трубопровода 28 закреплен на внутренней стороне крышки 31 латрубка 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 для пропуска циркулирующей жидкости иэ верхней части реактора" путем сообщения низа реактора с разгрузочной емкостью (не показана).

На трубопроводе 33 можно устанавливать датчики температуры, водородного показателя рН среды, вязкости, участок из. термостойкого стекла для наблюдения за движущейся реакционной средой, (не показаны), а также патрубок 36 с краном 37 для отбора пробы и штуцер 38 для отбора импульса статического давления Р, который подается на вторичный прибор для Измерения давления (или на регулятор давления).

В средней части общей высоты реак. тора, в месте перехода конического днища 2 в цилиндрический корпус 1, имеется кольцевая вставка (кольцо)

39 с внутренней рифленой поверхностью. Кольцо 39 предназначено для

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

В основание нижней конической час" ти реактора вмонтирован герметичный привод (с регулируемым числом оборотов) состоящий иэ электродвигателя 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 дюралюминия, со сквозными цилиндрическими кàíanами 45 диаметром 25-30 мм, равномерно распределенными по периметру и проходящими вдоль образующей в теле конуса у его о поверхности под углом 45 к горизонтальной плоскости. Для заполнения реактора жидкостью служит труба 46, твердый материал загружается через центральный патрубок 47. Патрубки

48,49 предназначены для подачи в

ЗО рубашку и выхода из нее теплоноси-. теля или хладагента. Через латрубок

50 в реактор могут дополнительно вводится по ходу ведения процесса газообразные или жидкие вещества.

В нижнюю часть реактора помещена вставка 51в видеобратного конуса. Наличие этойвставки обеспечиваетполное опорожнение реактора при разгрузке.

Снаружи реактора имеются лапы 52, 53 для крепления и фиксации реактора в вертикальном положении. Штуцеры

54-57 на корпусах гидравлических (пневматических) цилиндров предназначены для подвода или отвода масла (воздуха) от регулятора давления.

Реактор работает следующим образом.

Заливку жидкости в реактор осуществляют через патрубок 46 при

50 максимально верхнем положении подвижной вставки. Путь движения жидкости таков: поступив на верхний диск 18 с минимальной высоты и не найдя выхода через отверстие 21 вви55 ду наличия кольцевой перегородки 22, она растекается по поверхности диска 18, распределяется по кольцевому зазору между наружным диаметром диска 18 и внутренней стенкой корпуса

81372

30

40

5

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

После окончания ввода заранее рассчитанно о объема жидкости приступают к разгрузке твердого зернистого материала через патрубок 47.

Предварительно жидкость, находящуюся в реакторе, приводят в интенсивное движение, определяемое наличием в аппарате двух устройств: вращающегося перемешивающего органа

44 мешалки и подвижной вставки с дисками 18, 19 и направляющими спиралевидными лопатками 20.

С этой целью включают в работу регулятор давления, (не показан), BB задатчике регулятора давления устанавливают величину давления, соответствующую глубине погружения в жидкость конца патрубка 26 импульсного шланга 27 (a сией заодно и подвижной вставки), ло которому на регулятор поступает импульс статического давления P. После срабатывания регулятора подвижная вставка оказывается погруженной в верхнюю часть жидкостного слоя на заданную глубину. Следует отметить, что включение в работу регулятора давления обеспечивает автоматическое регулирование положения подвижной вставки в зависимости от высоты уровня жидкости в реакторе.

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

Прилегающая к нижней части перемешивающего органа 44 жидкость начинает эасасываться в каналы 45 и, продвигаясь вдоль них с ускорением под действием центробежной силы, с силой выбрасывается в окружающий мешалку жидкостный объем в виде высоконапорных, дальнобойных струй, достигающих повепхностикольцевой вставки 39 с рифленой. поверхностью.

В момент удара о стенку непрерывно выбрасываемые мешалкой высоконапорные струи расладаются на.множество мел их вихрей, что приводит, в конечном итоге, к значительной интенсификации тепло-и массопереносп в пристенной зоне реактора.

Поскольку жидкость в реакторе интенсивно вращается, а при выбрасывании струй по направлению к верхней крьппке в объеме создаются значительные осевые скорости, то вдоль стенки Формируется устремляющийся вверх вращающийся поток жидкости.

Дойдя до подвижной вставки, погруженной к этому моменту в жидкость, этот периферийный поток набегает на неподвижные спиралевидные лопатки

20, установленные между дисками

18,19, и. устремляется вдоль них в центральную приос евую зону реактора со все возрастающими (пропорционально уменьшению радиуса) вращательными и радиальными скоростями.

СФормировавшись в приосевои зоне в виде вращающегося цилиндра, выходящего из отверстия 23, нисходящий поток жидкости устремляется в нижнюю часть реактора, откуда ушла ранее на верх реактора жидкость (ввиду сохранения условия неразрывности движения жидкостного потока). По пути движения сверху вниз нисходящий поток жидкости (в виде вращающегося с большой скоростью цилиндра) частично рассеивается по радиальным направлениям в основной объем реактора, но основная его часть подходит к вращающемуся перемешивающему органу и, обтекая его (перемешивающий орган сверху не имеет отверстий для прохода жидкости), пересекается с жидкостными струями, выбрасываемыми иэ каналов

45 (а,также частично проходит между ними). В месте их встречи наблюдаются большие относительные скорости, создаваемые непосредственнов объемереак-, тора..

Продолжающий опускаться вниз жидкостньп поток после прохождения через мощный восходящий поток устремляется к стенке реактора, а точнее к месту, где его коническая часть переходит в цилиндрическую, разворачивается и начинает опускаться вниз вдоль конического днища 2 к оси реактора со все возрастающими (по мере уменьшения радиуса) вращательными и радиальными скоростями, препятствуя образованию отложений на днище 2. Дойдя до вставки 51, поток жидкости в виде поднимающегося с большой вращательной .

1581372 скоростью цилиндра устремляется к нижней части перемешивающего органа и всасывается в его каналы 45.

После выброса высоконапорных струй жидкости из наклонных каналов 45

5 вращающегося конуса 44 в объем реактора описаннаявыше схемадвижения жидкости повторяется.

Подлежащие загрузке в реактор твер-„ дые частицы не дожны иметь размер, превышающий 5-10 мм, из-за опасности" их заклинивания 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 нисходящий жидкостный поток. Частицы, попавшие на поверхность нижнего диска 19 (между направляющими лопатка-. ми 20), подхватываются потоком жидкости, движущимся от периферии к 25 центральной зоне, и уносятся снова в тот же нисходящий жидкостный поток.

Движение твердых частиц (особенно больших размеров) в объеме аппарата

1происходит иначе, чем движение жид- 30 кости, так как на их движение оказывает большое влияние:центробежная сила, силы инерции и сопротивления среды, а также лобовое давление набегающего на них потока жидкости. 35

Наличие больших относительных скоростей создает благоприятные условия для перемешивания твердых частиц с жидкостью и их растворения, В придонной части твердые час- 40 тицы засасываются с жидкостью в каналы 45 перемешивающего органа 44 и выбрасываются из них вместе с. жидкостью в виде высоконапорных струй.

При ударе о рифленую стенкУ твердые 45 частицы дробятся.

Распределив твердые частицы равномерно по объему жидкости, находящейся в реакторе, приступают к разогреву содержимого реактора (если в этом естественно, имеется необходимость) ° В случае, если растворимость вещества твердых частиц возрастает при повышении тампературы, разогревать реактор можно уже на стадии разгрузки и распределения твердых частиц по жидкостному объему.

Поскольку в данном реакторе все датчики температуры, рН среды, вязкости и т.д. вынесены за его пределы иэ соображений удобства и снижения 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 циркуляционный контур движения жидкости.

Для этого терхходовой кран 34 устанавливают в положение, при котором нижняя часть реактора оказывается сообщенной с верхней через сливной патрубок 35, трехходовой кран 34, трубопровод 33 и гибкий металлический трубопровод 28.

Ввиду наличия вращающегося перемешивающего органа мешалки, выбрасывающего струи жидкости в верхнюю часть реактора, внизу конического днища 2 создается разрежение, и жидкость из его верхней части устремляется 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, промывая последний.

В момент выхода на установившееся движение жидкости по внешнему циркуляционному контуру величина разрежения в верхней части трубы у штуцера, 38 становится строго фиксированной и в дальнейшем не неизменяю,щейся (импульс давления P ): в про-.. г веденных опытах данное разрежение достигает величины, равной 11,0 кПа. .

Этот факт облегчает осуществление контроля за наличием названного контура.

Перепад давлений Д P = P -P „можно использовать при одновременной регулировке при помощи регулятора Д P глубины погружения подвижной вставки в жидкость, обеспечивающей наличие устойчивого внешнего циркуляционного контура. К этой схеме регулировки, однако, надо подходить с осторожностью, учитывая, что подача или подсос различных текучих сред под вращающийся перемешивающий орган могут существенно изменить величину давления P .

Как только жидкость по внешнему . циркуляционному контуру придет в

158 1372 движение, на задатчике регулятора температуры (не показан) устанавливают заданную температуру нагрева содержимого реактора и в рубашку 5 начинают подавать теплоноситель.

При наличии тепловой изоляции на трубопроводе 33 температура движущейся среды во внешнем циркуляционном контуре стабилизируется и становится равной температуре в объеме реактора (это утверждение верно и для химического состава жидкости, протекающей по трубе) ввиду практически мгновенного выравнивания (за

2-3 с) полей температур и концентраций в объеме реактора вследствие особой гидродинамической структуры потока, исключающей образование застойных зон, создающей условия для

20 больших относительных скоростей и, как следствие, обеспечивающей достижение высоких значений. степеней перемешивания.

Время выхода на заданную темпера туру синтеза завист от объема реактора и вида применяемого теплоносителя (пар, вода, высокотемпературный органический теплоноситель и т.д.) .

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

Ввод вышеназванных веществ осуществляют через придонную часть .Реактора, а точнее через патрубок 50.

Вводимое жидкое вещество сразу подхватывается восходящим жидкостным 45 потоком, подсасывается в каналы 45 вращающегося конуса 44 и выбрасывается иэ них в объем реактора. Пройдя описанный выше путь по внутреннему циркуляционному контуру, введенное вещество оказывается равномерно распределенным по всему объему реактора (интервал времени от момента ввода компонента до момента его равномерного Распределения по объему Реактора, определяемого по выходу на постоянную концентрацию во времени в различных точках реактора, практически равен 2-3 c.).

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

Подачу газообразного вещества в в реакционную массу осуществляют аналогичным образом. Интересно, что при подаче газа в реактор только за счет разРежения, создаваемого в его придонной части, величина разрежения (импульс Р ) уменьшается по сравнению с аналогичной величиной при работе мешалки без подсоса и колеблется в пределах 5,0-6,6 кПа.

Объясняется эта пульсация тем, что газ вначале,. в момент наибольшего разрежения, засасывается жидкостью, идущей в каналы 45, затем выбрасывается в окружающую мешалку жидкость, дробится, распределяется по объему (при этом Разрежение падает), выходит из жидкости при прохождении вдоль лопаток, при этом разрежение возрастает, опять подсасывается к каналам 45, выбрасывается с жидкостью из них, и процесс повторяется.

Распределение газа по объему реактора происходит в виде мельчайших пузырьков °

Ход процесса синтеза контролируется при условии устойчивой работы его внешнего циркуляционного контура. Для контроля протекающего в аппарате процесса, на трубопроводах 33 устанавливают всевозможные датчики температуры, РН среды, вязкости 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 для отбора пробы в предварительно отвакуумированный пробоотборник (ввиду наличия в данной линии разрежения даже при проведении процесса под атмосферным давлением).

Движущаяся по трубопроводу 33 ðåàêe ционная масса хорошо усреднена, имеет тот же состав, что и находящаяся в реакторе реакционная масса. Все это обеспечивает отбор представительной пробы.

Возможен контроль и управление процессом синтеза по изменению показателя преломления срецы по визуальному наблюдению за реакционной массой и т.д.

1581372

Процесс синтеза при проведении в данном реакторе легко контролируется и регулируется, Когда к концу указанного процесса возникнет необходимость его мгновеннои остановки, например, из-за больших тепловыделений, то гидродинамика данногореактора позволяет выйти из этого затруднительного положения. 1О

Использование в этих условиях теплоотвода через боковую поверхность реактора или встроеннь<й змеевик .не

1 поаволяйт быстро остановить процесс ввиду ограниченных значений коэффи- 15 циента теплоотдачи от реакционной массы к охлаждаемой металлической

<тенке. Охлаждаемой поверхности для быстрого отвода тепла в этих условиях процесс просто не хватает и ее 20 нельзя создать конструктивно.

В этом случае можно игпользовать эф<Ьект охлаждения реакционной массы за счет испарения воды или какоголибо другого растворителя. Л

Во всех известных конструкциях реакторов это мероприятие не помагает — вода просто испаряет<.я с поверх.— ности зеркала реакционной магUbl в реакторе, а сшивка массы и неуправ- 30 ляемый при этом процесс тепловыделения все равно идут до конца из-за того, что не от всех точек объема в этих условиях отбирается тепло.

Для мгновенной o<.:TBHoBKH процесса синтеза на заданной температуре (или гораздо ниже нее) в предлагаемой коне струкции реактора достаточно влить сверху заранее рассчитанное количество воды или летучего растворителя 4О в приосевую зону реактора, а точнее в его нисходящий жидкостны& поток.

В этом случае вода рас:пределяется по всему объему реакционной массы, отбирая тепловую энергию у послед45 ней по всех точках реакционного пространства. Путь движения введенной для охлаждения воды на участке ее нагрева за счет непосредственного контакта с реакционной массой таков. нисходящий жидкостный поток с рас< еиванием rto радиальным наг1равлениям низ аппарата — распределение перемешиващим органом по объему аппарата в области, прилегающей к стенке, движение снизу вверх вдоль боковых стенок., На участке перебрасывания реакционной массы с периферии реактора к центру, когда она движется в относительно тонком слое по поверхности нижнего диска 19, вдоль спиралевидных лопаток 20, вода испаряется.

Вариант ввода небольшой порции воды для о<:тановки процесса синтеза через патрубок 50, находящийся в нижней части реактора, не всегда оказывается приемлемым из-за того, что масса жидкости в месте продвижения центрального нисходящего потока не успевает отдать воде свое тепло.

Особенно хорошо срабатывает эффект мгновенной остановки процесса синтеза, заканчивающегося резким повышением температуры и объемной сшивкой реакционной массы, когда по условиям синтеза необходим вакуум, а все реагирующие веществн являются нелетучими (или высококипящими) комЮ понентами. Ввод воды в этом случае в реакционную массу, ее нагрев с последующим испарением в вакуум и связанное с этим охлаждение реакционной массы по всему объему реактора происходят действительно практически мгновенно (в течение 3-4 с).

При проведении процесса синтеза под разрежением регулировку положения подвижной вставки .в зависимости от уровня жидкости в реакторе . осуществляют по величине перепада давлений Л Р = P -P » либо по разнице давлений между величиной,. Р и

1 величиной остаточного давления, создаваемого под крышкой реактора . (данный импульс на чертеже не показан) .

По окончании процесса синтеза готовый продукт охлаждают до температуры, при которой происходит разгрузка реактора. Для этого через рубашку 5 прокачивают хладаген1 (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 сообщается с емкостью (не показана) для приема готового продукта.

При опорожнении реактора привод мешалки выключают и только в конце разгрузки снова включают на непродолжительное время для сбрасывания с его

)4 l 5S1372

13 поверхности налипшего на него готового продукта.

Для очистки стенок реактора от ,.налипаний используют продвижение подвижной вставки по высоте реактора сверху вниз. Эффективность очистки внутренних поверхностей реактора (особенно боковых стенок) резко возрастает при возвратно-поступательном перемещении подвижной вставки по высоте реактора и одновременном вводе какого-либо растворителя для готового продукта. формула и з о б р е т е н и я

1. Реактор, содержащий вертикальный цилиндрический корпус с крышкои и днищем, в верхней части которого по периметру размещены поперечные спиральные направляющие лопатки, снабженные дисками с отверстиями по центру, перемешивающий орган с ва5 лом, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью интенсификации процесса перемешивания, реактор снабжен установленной над перемешивающим органом ,кольцевой вставкойс внутреннейрифленой поверхностью, кольцевой переЪ ород.4 кой в центре верхнегодиска, размещенного с возможностью перемещениявдоль оси ре ак тор а, при этом перемешив ающий, орган мешалки выполнен в виде сплош15 . ного усеченного конуса со сквозными цилиндрическими каналами.

2. Реактор по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что верхний диск

20 снабжен дополнительным патрубком для отвода реагентов.

1581372

Составитель Л.Лазаренко

Редактор М. Товтин Техред JI. Îëèéíûê Корректор M.Øàðoøè

Заказ 2049 Тираж 404 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Иосква, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101