Смеситель-реактор

 

Сущность изобретения: смеситель-реактор, содержащий реакционную камеру, устройство для предварительного перемешивания и узел подачи реагентов. На входе в реакционную камеру, представляющую короткий цилиндр с вертикальной осью, установлено цилиндрическое устройство для предварительного перемешивания реагентов, с расположенными внутри устройства турбулизирующими элементами, сопрягаемое с боковой поверхностью реакционной камеры, обеспечивающее тангенциальную подачу смеси в реакционную камеру, и соосное с узлом подачи реагентов, по оси которого установлено сопло для регулируемой подачи одного из компонентов. 3 ил.

Изобретение относится к устройствам с использованием вихревых потоков и предназначено для перемешивания потоков реагентов и химического взаимодействия между этими потоками в газовых и жидких средах. Оно может быть использовано в качестве смесителей-реакторов в технологических схемах очистки промышленных стоков, в процессах хлорирования газообразных углеводородов, а также в химической, нефтехимической и топливной отраслях промышленности.

Известны устройства для перемешивания жидких и газообразных сред, в которых перемешивание осуществляется за счет энергии поступающих в устройство потоков и содержащих смесительную камеру и узел подачи исходных потоков. Названные устройства можно разделить на две конструктивные группы. К первой относятся аппараты, в которых смесительная камера и устройство для подачи жидкости выполнены соосно и перемешивание осуществляется при поступательном движении перемешиваемой среды вдоль оси аппарата. Для интенсификации процесса перемешивания в смесительной камере устанавливаются различной конструкции внутренние устройства (А. с. N 1156721, МКИ B 01 F 5/00, 1985 г. А.с. N 1223982, МКИ B 01 F 5/00, 1985 г.), при этом длина смесительной камеры выбирается в пределах 5-20 диаметров камеры смешения.

В аппаратах второй группы устройство для подачи обеспечивает тангенциальную подачу исходных потоков в камеру смешения и перемешивание осуществляется при вращательном движении жидкости вокруг оси аппарата, отношение высоты камеры смешения к ее диаметру составляет 0,5-2 (А.с. N 1200957, МКИ B 01 F 7/00, 1985 г. А.с. N 422433, МКИ B 01 F 3/12, 1974 г.). Перечисленные устройства первой и второй групп отличаются достаточной сложностью внутренних элементов, значительным гидравлическим сопротивлением и неэффективным перемешиванием при малых расходах перемешиваемых сред. Общим недостатком смесителей обеих групп является их ориентация только на осуществление процесса перемешивания и исключает возможность проведения в них химических реакций из-за ограниченного рабочего объема и отсутствия реакционной камеры.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является вихревой смеситель по А.с. N 1606167, МКИ B 04 C 1/00, 1990 г. Этот вихревой смеситель содержит корпус, выполненный из полосовой стали, с приваренным к нему основанием и крепящейся на фланцах крышкой, которые в совокупности образуют смесительную камеру. По образующей корпуса выполнено отверстие, к которому приварен входной патрубок. В центре основания приварен выходной патрубок. К основанию жестко приварены турбулизаторы, имеющие форму двугранных углов. Турбулизаторы установлены так, что линия, соединяющая их вершины, образует спираль Архимеда, биссектриса угла является касательной к спирали, а ребра угла параллельны оси корпуса и обращены навстречу движению потока жидкости.

Данный смеситель не обеспечивает интенсивного перемешивания поступающих в него потоков жидкости в широком диапазоне изменения расходов сред и соотношения расходов поступающих в смеситель потоков жидкости и имеет низкий технический уровень. При малых расходах турбулизаторы не дают возможности эффективно разрушать поступающий в смесительную камеру поток жидкости на отдельные струи, а при больших появляется вероятность проскока жидкости непосредственно с грани турбулизатора на выход из аппарата, что снижает эффект перемешивания, поэтому указанный смеситель имеет ограниченный диапазон работы и не может быть использован как реактор потому, что распад поступающих в смесительную камеру потоков происходит во всем объеме ее и, как правило, завершается к выходу из аппарата. В результате этого не происходит гарантированного перемешивания на границах изменения расходов и тем самым снижается степень превращения реагентов, что приводит к нерациональному использованию сырья.

В этой связи важной задачей является создание новой конструкции аппарата, сочетающей в себе функции и смесителя, и реактора, что позволяет проводить в этом аппарате перемешивание поступающих в него потоков жидкости на уровне гарантированного химического превращения реагентов. В конструкцию предлагаемого смесителя-реактора входят узел подачи реагентов, узел предварительного их перемешивания и реакционная камера, что позволяет создать полный технологический цикл гарантированного перемешивания и превращения реагентов.

Техническим результатом заявленного смесителя-реактора является повышение эффективности перемешивания поступающих потоков на макро- и микроуровне и увеличение степени превращения реагирующих веществ в широком диапазоне изменения расходов и соотношения расходов потоков реагентов. Это повышает надежность работы технологического оборудования.

Указанный технический результат достигается тем, что предлагаемая конструкция смесителя-реактора содержит реакционную камеру, представляющую собой короткий цилиндр с вертикальной осью, на входе в которую установлено цилиндрическое устройство для предварительного перемешивания реагентов с расположенными внутри него турбулизирующими элементами, сопрягаемое с боковой поверхностью реакционной камеры, обеспечивающее тангенциальную подачу смеси в реакционную камеру и соосное с узлом подачи реагентов, по оси которого установлено сопло для регулируемой подачи одного из компонентов. Существенные отличия заявленного смесителя-реактора характеризуются новой совокупностью признаков, обеспечивающих новый достигаемый эффект.

Хорошо перемешанная масса поступает в реакционную камеру, где завершается химическое превращение реагентов. Длина камеры перемешивания и количество элементов подбираются в зависимости от физических свойств перерабатываемых сред и обеспечивают хорошее перемешивание реагентов в любом диапазоне изменения расходов и их соотношений. Тангенциальная подача подготовленной смеси в реакционную камеру позволяет осуществить интенсивное перемешивание реагирующей массы в объеме реакционной камеры. По своей структуре реакционная камера приближается к модели идеального перемешивания (Дарманян А.П. Тишин О.А. Тябин Н. В. Романов С.Н. Исследование качества перемешивания жидких сред в статических смесителях. Ж. прикл. химии, 1988, т. 61, N 9, стр. 2028-2032). Соотношение диаметров реакционной камеры и узла перемешивания, а также высоты и диаметра реакционной камеры, определяется физическими свойствами среды. Совокупное действие указанных факторов обеспечивает эффективную работу заявляемого устройства как смесителя-реактора.

Проведенный заявителем анализ новой техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного решения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого решения по совокупности признаков, позволило выявить совокупность существенных, по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату, отличительных признаков в заявляемом объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию "изобретательского уровня" заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение для специалиста не следует явным образом из известного уровня техники.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 изображен смеситель-реактор, общий вид; на фиг. 2 разрез по A-A на фиг. 1; на фиг. 3 смеситель-реактор, вид сбоку.

Смеситель-реактор содержит реакционную камеру 1 (фиг. 1), выполненную в виде короткого цилиндра, закрытого с обеих сторон крышками, снизу глухой 2, сверху крышкой 3 с патрубком 4 (фиг. 3) для отвода обработанной смеси. На входе в реакционную камеру установлено цилиндрическое устройство 5, предназначенное для предварительного перемешивания реагентов, с расположенными внутри него турбулизаторами 6 (например перфорированными перегородками, фиг. 2), и соединенное с боковой поверхностью реакционной камеры по касательной. Узел подачи реагентов 7 соединяется соосно с устройством для предварительного перемешивания и состоит из корпуса 8, сопла 9 и патрубков 10 и 11 для подачи реагентов в аппарат. Узел подачи реагентов 7 и камера смешения 5 обеспечивают гарантированное перемешивание реагентов на макро- и микроуровне перед подачей их в реакционную камеру. Перемешивание обеспечивается за счет образования двух спутных струй в узле подачи и установкой турбулизаторов внутри смесительной камеры.

Смеситель-реактор работает следующим образом. Через патрубки 10 и 11 подаются потоки исходных реагентов (фиг. 1). В корпусе 8 узла подачи реагентов 7 образуются две спутные струи: внутренняя при истечении одного из потоков из сопла 9 и охватывающая при течении второго потока по кольцевому сечению узла подачи и перемешивание начинается при взаимном разрушении обеих струй. Частично перемешанные потоки поступают в узел перемешивания 5, где за счет прохождения смеси через серию турбулизирующих элементов 6 осуществляется дальнейшая гомогенизация массы. При прохождении через турбулизирующий элемент поток разбивается на несколько струй, в пространстве за турбулизатором происходит распад этих струй. Многократное повторение актов образования и распада струй приводит к полному перемешиванию массы и на вход в реакционную камеру поток поступает перемешанным на макро- и микроуровне. Длина камеры перемешивания, конструкция и число турбулизирующих элементов подбираются таким образом, чтобы на входе в реакционную камеру потоки реагентов были полностью перемешаны. В объеме реакционной камеры осуществляется химическое взаимодействие реагентов, сопровождаемое интенсивным перемешиванием, обусловленным наличием тангенциальной и радиальной составляющих скорости течения. Пройдя таким образом через весь аппарат, обработанные жидкости сливаются через штуцер 4 (фиг. 3).

Эффективность перемешивания в предлагаемом аппарате оценивалась по степени превращения вещества в модельной реакции (Дарманян А.П. Тишин О.А. Тябин Н. В. К вопросу об изучении кинетики в проточных аппаратах смешения, Ж. прикл. химии, 1985, т. 58, N 9, стр. 2046-2050). В качестве меры эффективности была принята разница между теоретически возможным и экспериментально наблюдаемым значениями степени превращения реагентов для потоков, предварительно перемешанных. Испытания показали, что в широком диапазоне изменения расходов наблюдаемая разница между этими величинами находится в пределах ошибки методики определения степени превращения.

Таким образом вышеизложенное свидетельствует о выполнении заявленным устройством следующей совокупности условий: смеситель-реактор, воплощающий заявленное изобретение при его осуществлении, предназначен для перемешивания реагентов и химического взаимодействия между ними в газовых и жидких средах, и обеспечивает гарантированное перемешивание и превращение реагентов; для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления в соответствии с описанием и предлагаемым чертежом; смеситель-реактор, воплощающий заявленное изобретение при его осуществлении, способен обеспечить достижение заявленного технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованиям "промышленного применения".

Формула изобретения

Смеситель-реактор, содержащий реакционную камеру с вертикальной осью, высота которой меньше ее диаметра, устройство для предварительного перемешивания и узел подачи реагентов, отличающийся тем, что устройство для предварительного перемешивания выполнено в виде цилиндрической камеры смешения, расположенной на входе в реакционную камеру по касательной линии к ней и имеющей внутри турбулизирующие элементы, а узел подачи реагента соединен соосно с камерой смешения и имеет сопло для регулируемой подачи одного из реагентов, установленное по оси узла подачи реагентов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3