Реактор для сернокислотного алкилирования

 

Изобретение относится к аппаратам для процесса алкилирования углеводородов, может быть использовано для кислотно-каталитического окисления и позволяет увеличить выход алкилата за счет повышения однородности получаемой эмульсии. Реактор содержит патрубки для ввода реагентов и кислоты и смесительный элемент. Углеводородные реагенты вводятся на смесительный элемент в виде пленки через кол1^цевое сопло, образованное смесительным элементом и отсекателем. Кислота распыливается через форсунки и орошает пленку, пробивая и перемешивая ее по всей толщине, что достигается тем, что расстояние от нижней плоскости отсекателя до поверхности смесительного элемента определяют по формуле h = 0,019 И dc°'^ /(da^ - - do^) '^, где И - расстояние от сопл форсунок до нижней плоскости отсекателя, м; dc - диаметр сопл форсунок, мм: da, do - соответственно диаметры смесительного элемента и отсекателя, м, при этом угол наклона винтовых каналов вкладышей форсунок определяют по формуле а= io^32.4o'^-«9(d, /2fi)r</dj? 0.32, где d^ -диаметр отверстия центрального канала вкладыша. Для поддержания однородности эмульсии и стабилизации толщины пленки смесительный элемент имеет бортик, высоту которого находят по формуле h6= 1 - 1,9hdo/d3. 5 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5ц5 В 01 3 19/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4804833/26 (22) 09,02.90 (46) 23,02.92. Бюл. М 7 (71) Ярославский политехнический институт (72) А.А.Чуфаровский, В.С.Галустов и

А.Б,Бобылев (53) 66.023 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 1099834, кл. B 01 F 19/00, 1983.

Авторское свидетельство СССР

N 1346219, кл. В 01 F 5/18, 1988. (54) эЕАКТОР ДЛЯ СЕРНОКИСЛОТНОГО

АЛ ИИ Л И РОВАН ИЯ (57) Изобретение относится к аппаратам для процесса алкилирования углеводородов, может быть использовано для кислотно-каталитического окисления и позволяет увеличить выход алкилата за счет повышения однородности получаемой эмульсии. Реактор содержит патрубки для ввода реагентов и кислоты и смесительный элемент.

Углеводородные реагенты вводятся на смесительный элемент в виде пленки чеИзобретение относится к аппаратурному оформлению процесса алкилирован ия углеводородов и может быть использовано для кислотно-каталитического окисления.

Известен аппарат для алкилирования, содержащий корпус с патрубками для ввода кислоты, устройствами для впрыскивания реагентов и смесительными тарелками. Недостатком данного аппарата является то, что в нем не достигается контакт кислоты и

„, ЯЛÄÄ 1713641 А1 рез кольцевое. сопло, образованное смесительным элементом и отсекателем. Кислота распыливается через форсунки и орошает пленку, пробивая и перемешивая ее по всей толщине, что достигается тем, что расстояние от нижней плоскости отсекателя до поверхности смесительного элемента определяют по формуле h = 0,019 Н бс /(бэ- бс ), где Н вЂ” расстояние от сопл форсунок

2 0,9 до нижней плоскости отсекателя, м; d — диаметр сопл форсунок, мм; бэ, бо — соответственно диаметры смесительного элемента и отсекателя, м, при этом угол наклона винтовых каналов вкладышей форсунок определящт по формуле

< 105,32. 10 агс1ц(б> /2pgp< /d ) + 0 32 гд, где ц— диаметр отверстия центрального канала вкладыша. Для поддержания однородности эмульсии и стабилизации толщины пленки смесительный элемент имеет бортик, высоту которого находят по формуле

h6= -1 - 1,911бо/бэ. 5 ил. реагентов из-за неоднородного перемешивания распыленных реагентов с пленкой кислоты, Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для смешения жидкостей, содержащее корпус, патрубок ввода сплошной фазы, патрубок и форсунку для распыливания дисперсной фазы и смесительный элемент.

Недостатком такого устройства является то, что с его помощью нельзя получить

1713641

1 эмульсию с высокой степенью однородности. Пленка сплошной фазы пробивается каплями дисперсной фазы и необходимо, чтобы глубина такого пробивания была равна толщине пленки по всему смесительному элементу. Тогда пленка будет равномерно насыщаться каплями и иметь в поперечном направлении степень однородности, близкую к единице. В данном устройстве это условие не обеспечено, так кэк не заданы оптимальные геометрические соотношения основных узлов, В общем случае глубина пробоя либо меньше толщины пленки (тогда не насыщаются каплями нижние слои), либо больше нее (тогда дисперсная фаза будет скапливаться в виде слоя под пленкой сплошной фазы). Оба варианта при сернокислотном алкилировании приведут к резкому ухудшению однородности эмульсии и появлению нежелательных продуктов реакции, Кроме того, не обеспечивается постоянная оптимальная толщина пленки нэ всем смесительном элементе, так по мере ее продвижения по смесительному элементу (диску) ее толщина может уменьшаться. Это также приводит к снижению однородности эмульсии, Недостатком устройства является также и то, что геометрические параметры форсунки не связаны с основными параметрами реактора и в общем случае сечение факела дисперсной фазы может оказаться как больше диаметра смесительного элемента (что приведет к перерасходу компонента), так и меньше него (что вследствие увеличения удельной плотности орошения приведет к более глубокому пробиванию пленки).

Цель изобретения — повышение выхода алкилата за счет увеличения однородности эмул ьсии.

Для достижения поставленной цели расстояние от нижней плоскости отсэкателя до поверхности смесительного элемента определяют по формуле 0, 155

h = 0,019Н (С1э — do) где dc — диаметР сопл фоРсУнок, мм; Н— расстояние от сопл форсунок до нижней плоскости отсекателя,м; бэ, dp — соответственно диаметры смесительного элемента и отсекателя, м; при этом угол наклона и винтовых каналов вкладышей форсунок определяют по формуле

Q= 105 32 10 arcing(d>/2Н)(4„/d<) + 0 32 (2) где dö — диаметр отверстия центрального канала вкладыша форсунки, а высоту бортика на смесительном элементе рассчитывают по формуле

5 (3) h6= h-1,9 оэ

Сопоставление предлагаемого устрой10 ства с известными показывает, что заявляемое устройство отличается наличием ! строгой связи геометрических параметров основных узлов. Расстояние h определяется по формуле (1) в зависимости от Н; бэ, do, dc.

15 Угол наклона каналов вкладыша аопределяется по формуле (2) в зависимости от d>, Н, dc, бц, а высота бортика на смесительном элементе — по формуле (3) в зависимости от

h1, С1о.

20 Известно, что при распылительно-пленочном смешении жидких компонентов (т.е, когда одна из фаз диспергируется в промежуточную газовую среду и орошает пленку сплошной фазы) глубина проникновения

25 дисперсных потоков в пленку является функцией параметров факела. Существует зависимость для определения этой глубины

hn=0,164 и Н, 30 где Н вЂ” высота от среза форсунки до пленки, м; и — безразмерный комплекс, рассчитываемый по формуле

35 3/4 . 3/4

104 К Сйс 0

Sñð где V» — скорость капель факела при ударе о пленку, м/с; бк — средний обьемно-поверхностный диаметр капель факела, м;

Q — о бьем н ы и расход дис перс ной фазы,м /с, Scp — площадь сечения факела íà расСТОЯнии Н, м .

В численный коэффициент входят значения кинематической вязкости пленки v co степенью 3/4 и скорости разбегания волны кратера Vp = 0,08. При получении эмульсий необходимо, чтобы толщина пленки была равна глубине hn, т.е. чтобы пленка насыщалась каплями и перемешивалась по всей толщине. Получают зависимость h от основных геометрических параметров реактора в общем виде и исключая режимные параметры и константы.

Зависимость (2) записана для жидкостей, близких по свойствам к воде. Можно записать, принимая во внимание, что

1 spp,ы = 10 м /С:

-6 2

1713641

dk = 0 154d 0,23. Р 0.44

dk=026d о,гз,исм = 6,31 мПа с.

Тогда vcM =ucM/p«

З/4

h= 0,164 Н(0,043

0,16 3600 0,785

10,155 с

Отсюда h = 0,019h 2 12 )09 где Vð — скорость разбегания волны всплеска (кратера) от единичной капли по поверхности пленки смеси,м/с:

v « — кинематическая вязкость смеси, м /с, которую можно определить по уравне- 5. нию, Аррениуса-Кендалла

1ц,и,м = х1 19,и1 + хг 19,иг, где,и«м „и1 „иг — динамические вязкости 10 смеси и компонентов, Па с; х1, хг, — мольные, доли компонентов в смеси.

Принимая х1.= хг = 0,5 и учитывая, что вязкость 75;(, серной кислоты,и1= 15,9 мПа с, вязкость углеводородов,иг=2,8 мПа с, получают где p — плотность смеси; /AM = 1100; v« =

=5,7 10 м /с.

Скорость разбегания волны кратера Vð 25 в углеводородной пленке можно принять равной 0,16 м/с, что объясняется меньшим поверхностным натяжением; чем у воды.

Средний объемно-поверхностный диа метр капель факела определяется в зависи30 мости от параметров форсунки и давления распыливания

Выполнение этого условия при изготовлении реактора позволяет задать г.-убину проникновения дисперсной фазы равной толщине пленки сплошной фазь|. Это позволяет получать эмульсию с высокой степенью однородности как в продольной, так и в поперечном направлении и обеспечивает интенсивное перемешивание пленки на требуемую глубину.В качестве распылителя дисперсной фазы (кислоты) используются гидравлические центробежно-струйные форсунки, обеспечивающие конический заполненный факел и однородную плотность орошения по его сечению. Необходимо, чтобы диаметр сечения факела на расстоянии H от форсунки был равен диаметру смесительного элемента (фиг.5). Сечение факела определяется углом его раскрытия о, который задается Ьутем где dc — диаметр сопла форсунки, мм;

P — избыточное давление на распыли-. теле, МПа. При сернокислотном алкилировании значение давления составляет

Р=О,З МПа, следовательно

Общий расход кислоты в горизонтальном каскадном реакторе Qg = 90 м /ч. В

3 предлагаемом устройстве 12 форсунок. Расход через одну форсунку 7,5 м /ч. Диаметр з сечения конического факела целесообразно задавать равным диаметру смесительного элемента (фиг.5).

Поэтому площадь, орошаемую факелом, определяют по формуле

«>ф 4 (С1э - dp) = 0,785(«1э - dp)

2 2

ГдЕ Cla, Clp — дИаМЕтрЫ СМЕСИтЕЛЬНОГО ЭЛЕмента и отсекателя, м, так как часть факела перекрывается отсекателем.

Учитывая, что при P = 0,3 МПа гидравлические центробежно-струйные форсунки обеспечивают на расстоянии 0,75 м от среза сопла до пленки скорость капель до 15 м/с, получают з 0,26 с10,2з з/4 7 5 (сЯ вЂ” d2) (57 10 ) выбора необходимого угла наклона а винтовых каналов вкладыша форсунки (фиг.3 и

4) по расчетной зависимости

2. /,1ь

102,66 10 Я(б./д«) + p где dö — диаметр центрального отверстия вкладыша.

Диаметр сечения конического факела равен диаметру смесительного элемента, поэтому

p= 2 агст9(бэ/2H);

А (в

2 10 2,66 10 2 arctg (d+/2H)(d„/d,) + p 32

2 1р 5.32.10 arctg(d,/2H)(g/ф) + 0 32

Таким образом, каждая форсунка орошает весь смесительный элемент, что увели1713641

he= h- hcì= чивает однородность получаемой эмульсии, На практике это достигается тем, что ось каждой из форсунок направлена на центр смесительного элемента.

При распылительно-пленочном смешении газокапельный поток создает интенсивный динамический напор на пленку, за счет чего происходит ее частичное утоньшение и вытеснение со смесительного элемента.

Для предотвращения этого явления и поддержания постоянной толщины пленки служит бортик 7 на смесительном элементе, В ысота бортика должна быть строго определена, так как если бортик ниже, чем требуется, то пленка тоньше, и наоборот.

Получим зависимость для расчета оптимальной высоты бортика, При осесимметричном растекании пленки с постоянной скоростью происходит уменьшение ее толщины, так что с учетом Q„= const; V = const;

Q = V 2л rh, получают r<>h = r h<, где h>— толщина пленки сплошной фазы на границе смесительного элемента, м, откуда h1=

= hrc/r3.

Таким образом произойдет приращение толщины пленки за счет дисперсной фазы на величину h2 = (ОцИсп) пго/гэ.

Следовательно, толщина потока смеси, сливающегося со смесительного элемента, равна

hcì = (— +1) =1,9 гэ Qcn r>

Высота бортика должна быть такой, чтобы компенсировать разницу h и hcM, т,е.

= h-1,9. о =h — 1,9 гэ оэ

Следовательно, толщина пленки при наличии бортика требуемой высоты будет поддерживаться постоянной на всем смесительном элементе и равной h, и не менее h — у бортика. Этим достигается однородность эмульсии по толщине пленки.

Таким образом, предлагаемый реактор увеличивает выход продукта по сравнению с известными за счет увеличения однородности кислотно-углеводородной эмульсии.

На фиг,1 изображен реактор для сернокислотного алкилирования, поперечный разрез; на фиг,2 — разрез А-А на фиг.1; на фиг,З вЂ” узел на фиг.1; на фиг.

4 — вкладыш в двух проекциях; на фиг,5— смесительный элемент с бортиком и на35

55 правленные на него форсунки (патрубки условно не показаны).

Реактор устанавливается на люке стандартного горизонтального каскадного реактора 1 и содержит крышку 2, патрубки 3 для ввода углеводородных реагентов З,,центральный патрубок 4 и смесительный элемент 6 с бортиком 7. B центральном патрубке 4 на его днище 8 закреплена втулка 9. Центральный патрубок соединяет три патрубка 3, прикрепленные к нему с трех сторон. На крышке 2 установлен дисковый отсекатель 10, положение которого фиксируется с помощью штока 11. Резьбовой участок 12 штока 11 размещен в гайке

14, укрепленной на крышке 2 с помощью стоек 15. Шток 11 снабжен штурвалом 13.

На крышке 2 также укреплены три коллектора 16 для ввода кислоты, к которым крепятся патрубки 17, на которые навернуты форсунки 18 с вкладышами 19.

Реактор работает следующим образом.

Углеводородные реагенты вводятся в реактор через три патрубка 3, которые проходят под смесительным элементом 6. Углеводороды поступают в центральный патрубок4, из которого выводятся на поверхность смесительного элемента 6 через кольцевое сопло, образованное отсекателем 10 и поверхностью смесительного элемента 6, и образуют на смесительном элементе пленку 5 толщиной h.

Кислотный катализатор вводится через изогнутые коллекторы 16 с патрубками 17 и распыливается через центробежно-струйные форсунки 18. Факел 20 распыла от каждой из форсунок имеет такой угол раскрытия

Р, что орошает весь смесительный элемент

6. При орошении пленка 5 пробивается дисперсной. фазой 20 и происходит перемешивание ее на глубину hn, равную толщине пленки, На смесительном элементе образуется однородная эмульсия и происходит реакция сернокислотного алкилиро- вания. Стабильная толщина пленки поддерживается перел и вн ы м борти ком 7.

Со смесительного элемента эмульсия сливается в объем смеси, находящейся в реакторе, и выводится на разделение.

Требуемая толщина пленки h устанавливается путем вращения штока 11 с отсекателем 10 с помощью штурвала 13. Нижний конец штока входит во втулку 9 для фиксации его в вертикальном положении.

Тепло, выделяющееся при реакции, компенсируется вводом охлажденной кислоты. Высокая степень однородности эмульсии улучшает понижение тепла кислотной фазой, адсорбирующей тепло, и

1713641 исключает появление локальных неоднородностей (горячих пятен) в реакционной массе, которые приводят к появлению нежелательных побочных продуктов и снижению выхода алкилата. Разрушение горячих пя- 5 тен способствует также и то, что вся реагирующая масса на смесительном элементе. постоянно простреливается и перемешивается дисперсными потоками по всей ее толщине. 10

В реакторе, смонтированном на люке готовой емкости, расстояние Н составляет

0,75 м. Параметры форсунок следующие: б,= 13 мм, бц= 8 мм. По конструктивным соображениям принято da = 0,9 м, dc = 0,2 м, 15

Вычисляют h по формуле (1): h = 0,026 м, находят значение а по формуле (2), а- 18О, определяют высоту h5 по формуле (3), h5 =

= 0,015 м.

Предлагаемый реактор прост по конст- 20 рукции и удобен в эксплуатации и ремонте.

Реактор монтируется на крышке люка и может быть легко снят и поставлен, так как диаметр смесительного элемента меньше диаметра люка, Каждая из форсунок может 25 быть заменена или прочищена без разборки реактора, так как коллекторы для подачи кислоты имеют такую форму, что вместе с форсунками извлекаются через фланец.

Формула изобретения

Реактор для сернокислотного алкилирования, содержащий корпус, патрубки ввода углеводородного сырья и кислоты, центробежноструйные форсунки с вкладышами для распыливания кислоты, смесительный элемент с бортиком и пленкообразующее устройство в виде отсекателя, закрепленного на штоке, отличающийся тем, что, с целью повышения выхода алкилата за счет увеличения Однородности эмульсии, расстояние от нижней плоскости отсекателя до поверхности смесительного элемента определяют по формуле

„0.155

h =0,019Н

q 2 2 )09 где Н вЂ” расстояние от сопл форсунок до нижней плоскости отсекателя, м;

dc — диаметр сопл форсунок, мм;

da, d< — соответственно диаметры смесительного элемента и отсекателя, м; при этом угол наклона винтовых каналов вкладышей форсунок вычисляют по формуле

-А. (,K

1р 5,32 10 are<0(da/2НХ4,/4) + 0 32

> где бц — диаметр отверстия центрального канала вкладыша, а высоту бортика на смесительном элементе находят по формуле.

h5 = h - 1,9 оэ

1713641

1713641

Составитель А,Чуфаровский

Редактор А.Козориз Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор А.Осауленко

Заказ 647 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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