Реакционный аппарат

 

Изобретение относится к конструкции аппаратов с перемешивающим устройством для проведения в них процессов диспергирования , суспендирования и др. Оно может найти применение в химической, нефтехимической , медицинской и др. отраслях промышленности ,ипозволяет интенсифицировать процесс перемешивания за счет повышения эффективности работы теплообменных устройств и создания многоходового циркуляционного потока, а также расширения диапазона по минимальному коэффициенту заполнения. Реактор содержит корпус, встроенный кожухотрубчатый теплообменник с центральной циркуляционной трубой, внутри которой размещено винтовое перемешивающее устройство с цилиндрической вставкой. Новым является то, что между корпусом и теплообменником устанавливается кольцевая теплообменная камера, по всей высоте которой расположены сквозные отверстия с уменьшающейся площадью от 0,8-1,8 до 0,4-0,8 площади вставки по ходу движения рабочей среды. Для обеспечения многоходового движения рабочей среды кожухотрубчатый теплообменник сверху снабжен конической перегородкой, а циркуляционная труба в нижней части соединена с днищем кольцевой теплообменной камеры. Отношение площади кольцевого пространства аппарата к площади труб кожухотрубчатого теплообменника составит 0,8-1,5. 1 з.п. ф-лы, 3 ил. W VJ О со о ю

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)ю В 01 J 19/18

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ЭМФ

ПРИ ГКНТ СССР

М ;-НТЦЗ- Т

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4774789/26 (22) 26.12,89 (46) 30,12.91. Бюл. М 48 (71) Ленинградский научно-исследовательский и конструкторский институт химического машиностроения (72) В.И.Лосик, Б.Л.Бабинцева, Н.П.Цвигун и К.H.Бабинков (53) 66.025 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 1212554, кл. В 01 J 19/18, 1987, Авторское свидетельство СССР

ЬЬ 1321457, кл. В 01 J 19/18, 1988. (54) РЕАКЦИОННЫЙ АППАРАТ (57) Изобретение относится .к конструкции аппаратов с перемешивающим устройством для проведения в них процессов диспергирования, суспендирования и др. Оно может найти применение в химической, нефтехимической, медицинской и др. отраслях промышленности, и позволяет интенсифицировать процесс перемешивания за счет повышения эффективности работы теплообменных устройств и создания

Изобретение относится к конструкции реакционных аппаратов с перемешивающими устройствами для проведения в них процессов диспергирования, суспендирования и др. при значительных тепловых нагрузках в химической, нефтехимической, медицинской и др. отраслях промышленности.

Известен реактор, содержащий корпус, внутри которого размещен теплообменник с центральной трубой с укрепленным в ней перемешивающим устройством, а над цир„„ Ы ÄÄ 1701362 А1 многоходового циркуляционного потока, а также расширения диапазона по минимальному коэффициенту заполнения. Реактор содержит корпус, встроенный кожухотрубчатый теплообменник с центральной циркуляционной трубой, внутри которой размещено винтовое перемешивающее устройство с цилиндрической вставкой. Новым является то, что между корпусом и теплообменником устанавливается кольцевая теплообменная камера, по всей высоте которой расположены сквозные отверстия с уменьшающейся площадью от 0,8 — 1,8 до 0,4-0,8 площади вставки по ходу движения рабочей среды. Для обеспечения многоходового движения рабочей среды кожухотрубчатый теплообменник сверху снабжен конической перегородкой, а циркуляционная труба в нижней части соединена с днищем кольцевой теплообменной камеры. Отношение площади кольцевого пространства аппарата к площади труб кожухотрубчатого теплообменника составит 0,8 — 1,5. 1 з.п. ф-лы, 3 ил. куляционной трубой с целью интенсификации процесса помещена контактная тарелка с форсункой, Этот аппарат характеризуется следующими недостатками.

В известном аппарате достаточно эффективно используется вся поверхность теплообмена встроенного кожухотрубчатого теплообменника, так как в данной конструкции наружный кожух теплообменника не омывается рабочей средой и поэтому в про1701362

55 цессе теплообмена не работает значительная часть поверхности теплообмена.

Вследствие того, что верхний торец циркуляционной трубы выше уровня верхней трубной доски теплообмен ника и расположения контактной тарелки в верхней части аппарата, аппарат имеетузкий диапазон применения по коэффициенту заполнения, а именно он работоспособен при значительном коэффициенте заполнения при р > 0,7 — 0,9, где p — коэффициент заполнения.

Известен также реакционный аппарат, который приемлем для ограниченных тепловых нагрузок, так как поверхность теплообмена ограничена поверхностью теплообмена только кожухотрубчатого теплообменника и не приемлем для больших тепловых нагрузок в связи с отсутствием дополнительных встроенных теплообменных устройств.

Кроме того, аппарат имеет недостаточно интенсивный теплообмен вследствие того, что расход рабочей среды, создаваемый винтовым перемешивающим устройством раздваивается и направляется параллельно одновременно по трубам теплообменника и по кольцевому зазору. Вследствие этого в трубах теплообменника и в радиальном зазоре создается незначительная скорость рабочей среды, определяемая частичным расходом. А так как коэффициент теплоотдачи пропорционален скорости среды, т,е. а со, то уменьшение скорости среды приводит к уменьшению коэффициента теплоотдачи и отводимого (подводимого) теплового потока, соответственно уменьшению эффективности работы теплообменного устройства и производительности аппарата в целом. Аппарат характеризуется значительными пусковыми нагрузками электродвигателя при минимальном уровне заполнения аппарата, так как при минимальном уровне заполнения аппарата для начала циркуляционного движения необходимо создать повышенный напор винтового перемешивающего устройства для переброса рабочей среды через верхний торец циркуляционной трубы. Это увеличивает установочную мощность электродвигателя, необходимого для работы аппарата при минимальном уровне заполнения и соответственно увеличивает металлоемкость и стоимость аппарата, делает нецелесообразным использование аппарата при мини. мальном уровне заполнения аппарата.

Известен реактор, который содержит теплообменник, размещенный между циркуляционной трубой и корпусом аппарата, а

30 а

45 циркуляционная труба содержит горизонтальные сквозные каналы, расположенные по всей высоте циркуляционной камеры с уменьшающейся площадью поверхности.

Аппарат позволяет проводить циркуляцию при коэффициенте заполнения меньше 0,7 вследствие размещения в циркуляционной трубе сквозных прорезей.

Однако аппарат неприемлем для процессов со значительными тепловыми нагрузками, так как в аппарате не создается значительных скоростей из-за отсутствия многоходовых каналов рабочей среды. Кроме того, в аппарате нет возможности размещения теплообменных устройств со значительными поверхностями теплообмена вследствие того, что значительную часть объема аппарата нецелесообразно занимает циркуляционная труба без размещенных в ней теплообменных устройств. Аппарат не применим при минимальных коэффициентах заполнения при значительных тепловых нагрузках вследствие того, что при минимальном коэффициенте заполнения среда проходит через нижние прорези в циркуляционной трубе и омывает минимальную поверхность теплообмена, определяемую только нижними витками теплообменной камеры, что уменьшает отводимый (подводимый) тепловой поток, снижает диапазон применения аппарата для ря а процессов со значительными тепловыми нагрузками при переменном коэффициенте заполнения. цел ь изобретения — интенсификация жидкофазных процессов за счет создания развитой поверхности теплообмена и значительных скоростей обтекания рабочей среды теплообменных поверхностей, определлемых полным расходом рабочей среды, создаваемой винтом, а также расширения диапазона применения аппарата по коэффициенту заполнения аппарата без увеличения мощности электропривода.

Поставленная цель достигается тем, что в реакторе между корпусом и теплообменником устанавливается кольцевая теплообменная камера. Кожухотрубчатый теплообменник у трубной доски вверху снабжен конической перегородкой с отверстием для ввода вала с винтовым перемешивающим устройством в циркуляционную трубу, которая в нижней части у трубной доски соединена с днищем кольцевой теплообменной камеры, установленной концентрично между корпусом аппарата и кожухом кожухотрубчатого теплообменника. Кольцевая камера выполнена перфорированной по высоте рядом сквозных переливных отверстий, расположенных от

1701362

Аппарат работает следующим образом.

Включается электродвигатель с винто- 55 вым перемешивающим устройством 2. Возникает следующее циркуляционное движение рабочей среды: вверх по внутренней циркуляционной трубе 4, затем поворот верхнего торца до минимального уровня заполнения, при этом суммарная площадь отверстий уменьшается от 0,8 — 1,8 в первых сквозных отверстиях по ходу рабочей среды до 0.4 — 0,8 от площади проходного сечения циркуляционной трубы в зоне винта в последних сквозных отверстиях. Площади каждого кольцевого пространства, образованного стенками теплообменной камеры и суммарная площадь труб кожухотрубчатого теплообменника имеют соотношения: кп! кп! 0 8 1 5

Ркп2 Frp

Сопоставительный анализ с известным устройством показывает, что он дополнительно имеет кольцевую камеру, расположенную между теплообменником и корпусом аппарата, которая перфорирована по высоте.

На фиг.1 приведен аппарат, общий вид; на фиг.2 — сечение А — А, Б — Б,  — В на фиг.1; на фиг.3 — зависимости скорости рабочей среды (в), отводимого теплового потока (Ф), коэффициента сопротивления (Q от соотношений проходных сечений.

Реакционный аппарат содержит корпус

1, винтовое перемешивающее устройство 2, встроенный кожухотрубчатый теплообменник 3, расположенный снаружи циркуляционной трубы 4, кольцевую теплообменную камеру 5. Наружное кольцевое пространст= во аппарата 6 образовано между корпусом аппарата 1 и наружной обечайкой кольцевой камеры 5, внутреннее кольцевое пространство 7 образовано между внутренней обечайкой кольцевой камеры 5 и кожухом кожухотрубчатого теплообмен ника 3.

Кожухотрубчатый теплообменник 3 снабжен вверху встроенной конической перегородкой 8 с отверстием 9 для ввода вала

10, циркуляционная труба 4 соединена с днищем 11 теплообменной камеры 5. Кольцевая камера 5 перфорирована по высоте рядом отверстий 13 — расположенных в первом ряду по ходу рабочей среды (фиг. 2в), 14 — расположенных во втором ряду по ходу рабочей среды (фиг. 2б), 15 — расположенных в последнем ряду по ходу рабочей среды (фиг. 2а). Винтовое перемешивающее устройство 2 расположено в цилиндрической вставке 16, расположенной в циркуляционной трубе 4.

50 среды у верхней конической перегородки 8 вниз по трубам теплообменника 3, нижний поворот у днища 11 теплообменной камеры

5, перелив. через ряд отверстий 13 — 15, размещенных в кольцевой теплообменной камере 5, в наружное кольцевое пространство

6 и затем снова во внутреннюю трубу 4, При минимальном уровне заполнения среда циркулирует чеоез ряд нижних отверстий

13, расположенных в кольцевой теплообменной камере 5 (фиг. 2в), при увеличении уровня заполнения циркуляция среды проводится через средний ряд отверстий 14 и затем через верхний ряд отверстий 15. При максимальном уровне заполнения среда циркулирует через все ряды отверстий 13—

15 и через верхний торец кольцевой теплообменной камеры.

Вследствие того, что кожухотрубчатый теплообменник снабжен вверху конической перегородкой с отверстием для ввода вала во внутреннюю циркуляционную трубу, расположенную по оси кожухотрубчатого теплообменника, которая в нижней части у трубной доски соединена с днищем кольцевой теплообменной камеры, то весь расход, создаваемый винтовым перемешивающим устройством, проходит по трубам кожухотрубчатого теплообменника, затем через внутреннее кольцевое пространство аппарата 7 и затем через наружное кольцевое пространство 6, Благодаря тому, что не происходит разделения потока, достигается увеличение скорости рабочей среды в кожухотрубчатом теплообменнике, а также во внутреннем и наружном канале аппарата, т.е. возникает интенсификация теплообмена вследствие создания многоходовых про-. ходных каналов для рабочей среды в аппарате, увеличения соответственно скорости рабочей среды, коэффициента теплоотдачи и теплового потока, А так как коэффициент теплоотдачи от рабочей среды пропорционален ее скорости, т.е. а в, то достигается увеличение коэффициентов теплоотдачи, выравнивание концентраций среды и температур по объему, увеличение эффективности работы теплообменных устройств, что позволяет увеличить производительность аппарата в целом, Происходит интенсивный теплообмен между теплоносителем в межтрубном пространстве кожухотрубчатого теплообменнлка и рабочей средой, проходящей с увеличенной скоростью по трубам теплообменника и по внутреннему кольцевому пространству, а также интенсивный теплообмен между теплоносителем в кольцевой камере и рабочей средой, проходящей с увеличенной скоростью по внутреннему и наружному кольцевому про1701362

55 странству аппарата, так как коэффициенты теплоотдачи от рабочей среды пропорциональные ее скорости.

Вследствие того, что между кожухом кожухотрубчатого теплообменника и корпусом установлена коаксиально кольцевая теплообменная камера, то происходит увеличение теплообмена эа счет дополнительной поверхности теплообмена встроенной теплообменной камеры и движения рабочей среды вдоль ее стенок с увеличенной скоростью. Это позволяет увеличить эффективность работы теплообменных устройств, интенсифицировать химические процессы, использовать аппарат для процессов с большими тепловыми потоками.

Так как кольцевая теплообменная камера выполнена перфорированной по высоте рядом сквозных отверстий с уменьшающейся проходной площадью в направлении движения среды от 0,8 — 1,8 площади внутренней трубы в первом ряду по ходу

Движения среды до 0,4-0,8 в последнем ряду, то расширяется диапазон применения аппарата по коэффициенту заполнения, возникает возможность работы аппарата не только при максимальном коэффициенте заполнения, но и при минимальном коэффициенте заполнения при увеличенной скорости среды в аппарате и увеличенном тепловом отводимым (подводимым) потоком. Так как при минимальном уровне заполнения аппарата циркуляция происходит через нижний ряд отверстий 13 при отношении проходной площади сечения отверстий к площади циркуляционной трубы отв

= 0,8-1,8, а не через верхний торец циркуляционной трубы, то для начала циркуляционного движения не требуется увеличения пусковой мощности, увеличения установочной мощности электродвигателя, Это снижает металлоемкость и стоимость аппарата, расширяет диапазон применения аппарата по коэффициенту заполнения. Аппарат дает возможность проводить процессы со значительными тепловыми нагрузками при минимальном уровне заполнения, так как при минимальном уровне заполнения аппарата циркуляция происходит по циркуляционной трубе вверх, затем вниз по кожухотрубчатому теплообменнику и через нижние отверстия в кольцевой камере обратно на винт, т,е. среда омывает весь кожухотрубчатый теплообменник и весь его внутренний кожух, что увеличивает поверхность теплообмена при минимальном уровне заполнения аппарата. Это расширяет диапазон применения аппарата по коэффи5

30 а

45 циенту заполнения для процессов со значительными тепловыми потоками.

Так как при максимальном уровне заполнения циркуляция осуществляется через все отверстия, расположенные по высоте кольцевой камеры, и через верхний торец кольцевой теплообменной камеры, то в общем потоке среды во внутреннем, то кольцевом пространстве и в наружном кольцевом пространстве возникает дополнительная турбулизация за счет струй, протекаемых через отверстия, что увеличивает дополнительно интенсивность перемешивания, способствует дополнительному выравниванию температур и концентраций по объему аппарата, интенсификации жидкофаэных процессов.

Конструктивное решение позволило уменьшить эквивалентные диаметры проходных сечений рабочей среды во внутреннем и наружном кольцевых пространствах, которые определяются площадью проход4F ного сечения по формуле бз = —, а уменьи шение эквивалентных диаметров проходных сечений позволяет увеличить коэффициенты теплоотдачи от рабочей среды, которые обратно пропорциональны диамет1 рам эквивалентным, т.е. Q —, что позво< э ляет также увеличить эффективность работы теплообменного устройства.

Так как при минимальном уровне заполнения аппарата циркуляция осуществляется через нижний ряд отверстий с площадью проходного сечения 0,8 — 1,8 площади циркуляционной трубы, то при этом возникает возможность получения минимальных коэффициентов сопротивления при протекании среды через нижний ряд отверстий, что позволяет уменьшить потребляемую мощность, увеличить скорость циркуляции среды, увеличить интенсивность теплообмена.

На фиг.3 приведена зависимость теплового потока, скорости рабочей среды в трубах теплообменника от отношения суммарной площади отверстий одного ряда к площади циркуляционной трубы — и от отношения площади кольцевого пространства к площади труб теплообменника

Ф=1(—; — ); в=Е (—; — ), а такFore . Fan, Fore . Скп F Fgp F Fgp же зависимость коэффициента сопротивления одного ряда отверстий в кольцевой камере от отношения площади отверстий к площади циркуля ционной трубы и отношения площади кольцевого пространства к площади труб

1701362

10 теплообменника, т.е. (=т (>, > ).Затр висимости приведены для аппарата герметичного РГ0,4 — 0,3 для синтеза двуокиси тиомочевины, Как видно из фиг.З при атно- 5 шении площади отверстий к площади циркуляционной трубы 0,8 — 1,8 и

Ротв отношении площади кольцевого пространF 10 ства к площади труб - -"-"- = 0,8 — 1,5 скорость гтр рабочей среды в трубах теплообменника достигает максимальной величины ю= 1,65 м/с, необходимой для проведения процесса синтеза. Это может быть объяснено уменьшением коэффициента сопротивления при протекании потока через отверстия в стенке кольцевой теплообменной камеры от 4,0 до

2,75 в диапазоне отношений Р" = 0,8 — 1,8, 20

Ркп

= 0,7 — 1,5, так как уменьшаются потери

Ртр энергии на внезапное сужение, что способствует возрастанию мощности, увеличению расхода, создаваемого винтовым перемешивающим устройством и соответственно возрастанию скорости в кольцевых пространствах аппарата и в трубах кожухотрубчатого теплообменника и соответственно возрастанию отводимого теплового потока.

Вследствие того, что кольцевая теплообменная камера снабжена горизонтальными сквозными отверстиями, расположенными по ее высоте, с уменьшающейся площадью отверстий по ходу рабочей среды от 0,8 — 1,8 площади поперечного сечения циркуляционной трубы в первом ряду до 0,4 — 0,8 в последнем ряду, то коэффициент сопротивления на внезапное сужение при прохождении через отверстия возрастает по высоте камеры. Нижний ряд отверстий имеет минимальный коэффициент сопротивления и вследствие этого возникает постоянная циркуляция рабочей среды через нижний ряд отверстий с максимальной скоростью, а через верхний и средний ряд отверстий с уменьшающейся скоростью рабочей среды. Вследствие этого не возникает срыва работы винтового перемешивающего устройства при любом коэффициенте заполнения аппарата, т.е. расширяется диапазон применения аппарата при различных коэффициентах заполнения при больших тепловых нагрузках.

Верхний и нижний диапазон изменения отношений площадей отверстий к площади циркуляционной трубы от 0,8 — 1,8 до 0,4 — 0,8 выбраны исходя из расчетных данных коэффициентов сопротивлений и скоростей рабочей среды, необходимой для проведения процессов с большими тепловыми нагрузками, и в частности для процесса синтеза двуокиси тиомочевины.

По предложенному решению разработан аппарат вместимостью 0,4 м для производства двуокиси тиомочевины.

Особенностью процесса синтеза является большое тепловыделение в процессе окисления (290 ккал/моль) и необходимость поддерживать температуру реакционной массы в пределах 2 — 5 С. Аппарат имеет развитую .удельную поверхность теплообмена, равную = 45 м /м и высокую интенсивность

2 3 ч перемешивания, соответствующую турбулентному режиму (Яв = 34000). Скорости реакционной среды в трубах и в кольцевых пространствах аппарата составляют 1,65 м/с, что позволяет достичь развитый турбулентный режим, увеличить коэффициенты теплоотдачи и соответственно отвести значительный тепловой поток при минимальных затратах охлаждающей жидкости.

Аппарат предназначен для работы при коэффициентах заполнения аппарата от 0,6 до 0,8 по требованию технологического процесса синтеза двуокиси тиомочевины.

Предлагаемое техническое решение особенно эффективно для проведения химических процессов со значительными тепловыми нагрузками в широком диапазоне изменения коэффициента заполнения аппарата.

Формула изобретения

1. Реакционный аппарат, содержащий вертикальный корпус, встроенный кожухотрубчатый теплообменник с центральной циркуляционной трубой, в которой размещено винтовое перемешивающее устройство с цилиндрической вставкой, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью интенсификации жидкофаэных процессов за счет создания многоходового циркуляционного потока рабочей среды, а также расширения диапазона применения по коэффициенту заполнения при больших тепловых нагрузках, он снабжен установленной между корпусом и теплообменником кольцевой теплообменной камерой с расположенными по высоте горизонтальными рядами сквозных отверстий с уменьшающейся площадью сечения по ходу рабочей среды в соотношении от 0.8-1,8 площади проходного сечения циркуляционной трубы в первом ряду сквозных отверстий до 0,4 — 0,8 в последнем ряду сквозных отверстий и конической перегородкой, соединяющей кожухотрубчатый теплообменник с циркуляционной трубсй.-ко орая у нижней трубной

1701362 доски теплообменника соединена с днищем кольцевой камеры.

2, Аппарат по п.1, отличающийся тем, что отношение площади кольцевого пространства аппарата к площади труб кожухотрубчатого теплообменника составляет 0,8-1,5.

170136?

1701362

1-ка

Г р.

Составитель B,Ëoñèê

Редактор M.Íåäîëóæåíêî Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор И.Муска

Заказ 4493 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушскэя наб., 4/5

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