Реактор с оптимизированной конструкцией внутренних лотков
Система включает в себя реактор, имеющий множество вертикально разнесенных наклонных книзу лотков, поверх которых протекает реакционная среда, подвергаясь воздействию условий реакции. Наклон лотков увеличивается книзу, согласуясь с увеличивающейся вязкостью реакционной среды по мере протекания ее вниз через реактор. Верхняя часть лотков имеет односкатную конфигурацию, а нижняя часть лотков имеет двухскатную конфигурацию. Ориентация течения по односкатным лоткам поворачивается на 90 градусов в одном месте, когда реакционная среда протекает вниз по односкатным лоткам. Изобретение обеспечивает эффективный и экономичный реактор. 4 н. и 16 з.п. ф-лы, 21 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится в основном к реактору для обработки реакционной среды, имеющей вязкость, которая увеличивается, когда среда протекает через реактор. В другом аспекте, настоящее изобретение касается реактора-полимеризатора, имеющего множество вертикально разнесенных лотков, по которым протекает реакционная среда, в то время как степень полимеризации реакционной среды увеличивается.
Предшествующий уровень техники
В некоторых схемах химической обработки желательно проводить химические реакции в реакционной среде, протекающей в одном или нескольких относительно тонких слоях. В такой схеме химической обработки реакция проходит в течение длительного периода времени, а слои реакционной среды при этом подвергаются воздействию необходимых условий реакции. Способ этого типа, в частности, выгоден, когда химическая реакция дает газообразный побочный продукт реакции, и желательно быстро и полностью отделить побочный продукт от реакционной среды. Например, если химическая реакция, дающая газообразный побочный продукт, обратима, то отсутствие адекватного отделения побочного продукта может обусловить противодействие желаемой реакции. Когда реакционная среда протекает в одном или нескольких относительно тонких слоях, газообразный побочный продукт реакции может быстро выделиться из реакционной среды. Кроме того, когда реакционная среда протекает в одном или нескольких относительно тонких слоях, низкое гидростатическое давление в нижней части реакционной среды минимизирует подавление кипения, что может оказаться недопустимым, когда проводят реакции, пользуясь относительно глубокими реакционными средами.
Хотя проведение химических реакций в относительно тонких слоях реакционной среды имеет ряд преимуществ, способ этого типа также создает и ряд проблем. Например, поскольку тонкие слои реакционной среды требуют больших величин площади поверхности, по которой должно происходить протекание, для получения коммерческих количеств реакционной среды, вязкость которой изменяется по мере осуществления способа, могут потребоваться очень большие и/или многочисленные реакторы. Кроме того, во многих способах, где применяются тонкие слои реакционной среды, вязкость реакционной среды изменяется по мере осуществления способа. Таким образом, вязкость конечного продукта может оказаться значительно большей или значительно меньшей, чем вязкость исходной реакционной среды. Эта изменяющаяся вязкость реакционной среды создает ряд проблем конструкции, потому что значительные изменения расхода и/или глубины реакционной среды могут оказаться нежелательными.
Один пример обычного коммерческого способа, в котором желательно проводить химическую реакцию в одном или нескольких относительно тонких слоях реакционной среды, имеет место на «заключительной» стадии производства полиэтилентерефталата (ПЭТФ). На заключительной стадии производства ПЭТФ поликонденсация вызывает значительное увеличение степени полимеризации реакционной среды и приводит к получению этиленгликоля, ацетальдегида и воды в качестве побочных продуктов реакции. Как правило, степень полимеризации реакционной среды, вводимой в заключительный реактор или заключительную зону, составляет от 20 до 60, тогда как степень полимеризации реакционной среды или реакционного продукта, являющегося результатом заключительной реакции, составляет от 80 до 200. Это увеличение степени полимеризации реакционной среды во время заключительной стадии обуславливает значительный рост вязкости реакционной среды. Кроме того, поскольку реакция поликонденсации, связанная с заключительной стадией производства ПЭТФ, обратима, желательно отделять побочный этиленгликолевый продукт реакции от реакционной среды как можно быстрее и полнее.
Таким образом, существует потребность в более эффективном и экономичном реакторе, который облегчает обработку больших количеств реакционной среды в относительно тонких слоях в течение продолжительных периодов времени. Кроме того, существует потребность в более эффективном и действенном заключительном реакторе для производства ПЭТФ, который облегчает поликонденсацию больших количеств реакционной среды, протекающей в относительно однородных тонких слоях через заключительный реактор, обеспечивая при этом адекватное время пребывания в нем для достижения необходимой степени полимеризации.
Краткое изложение сущности изобретения
В соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения предложен реактор, содержащий множество вертикально разнесенных односкатных наклонных лотков и множество вертикально разнесенных двухскатных наклонных лотков, причем наклон односкатных лотков увеличивается книзу.
В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения предложен реактор для обработки реакционной среды. Этот реактор содержит множество вертикально разнесенных наклонных лотков. По меньшей мере, некоторые из лотков включают в себя проходящую вверх переливную перегородку, поверх которой протекает, по меньшей мере, часть реакционной среды, чтобы пройти к следующему лотку, расположенному непосредственно под этим.
В соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения предложен способ полимеризации, при котором: (а) вводят реакционную среду в реактор-полимеризатор, содержащий множество вертикально разнесенных наклонных лотков; (b) обеспечивают течение реакционной среды вниз в реакторе-полимеризаторе по вертикально разнесенным лоткам, при этом средняя толщина реакционной среды, текущей на вертикально разнесенных лотках, поддерживается на уровне примерно 2,5 дюйма или более; и (с) выводят реакционную среду из реактора-полимеризатора, при этом степень полимеризации реакционной среды, выводимой из реактора-полимеризатора, по меньшей мере, на 25% больше, чем степень полимеризации реакционной среды, вводимой в реактор-полимеризатор.
В соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения предложен способ, при котором: (а) вводят реакционную среду в верхнюю секцию реактора, содержащего множество вертикально разнесенных односкатных наклонных лотков и множество вертикально разнесенных двухскатных наклонных лотков; (b) обеспечивают течение реакционной среды вниз в реакторе по односкатным и двухскатным лоткам; и (с) выводят реакционную среду из нижней секции реактора.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлено сечение на виде спереди реактора для обработки реакционной среды, текущей вниз через этот реактор, в частности, иллюстрирующее реактор как включающий в себя две камеры с лотками, в каждой из которых заключено множество вертикально разнесенных наклонных внутренних лотков, по которым протекает реакционная среда, когда проходит вниз через реактор.
На фиг.2а представлено сечение на виде сверху реактора, проведенное вдоль линии 2а-2а, показанной на фиг.1, в частности, иллюстрирующее продольное направление течения реакционной среды на односкатном лотке.
На фиг.2b представлено сечение на виде сверху реактора, проведенное вдоль линии 2b-2b, показанной на фиг.1, в частности, иллюстрирующее продольное направление течения реакционной среды на односкатном лотке, расположенном непосредственно под лотком, показанным на фиг.2а.
На фиг.3а представлено сечение на виде сверху реактора, проведенное вдоль линии 3а-3а, показанной на фиг.1, в частности, иллюстрирующее поперечное направление течения реакционной среды на односкатном лотке, расположенном под лотками продольного течения, изображенными на фиг.2а и 2b.
На фиг.3b представлено сечение на виде сверху реактора, проведенное вдоль линии 3b-3b, показанной на фиг.1, в частности, иллюстрирующее поперечное направление течения реакционной среды на односкатном лотке, расположенном непосредственно под лотком, показанным на фиг.3а.
На фиг.4а представлено сечение на виде сверху реактора, проведенное вдоль линии 4а-4а, показанной на фиг.1, в частности, иллюстрирующее направление течения реакционной среды на сходящемся книзу двухскатном сводчатом лотке, расположенном под односкатными лотками.
На фиг.4b представлено сечение на виде сверху реактора, проведенное вдоль линии 4b-4b, показанной на фиг.1, в частности, иллюстрирующее направление течения реакционной среды на сходящемся книзу двухскатном желобчатом лотке, расположенном непосредственно под сводчатым лотком, показанным на фиг.4а.
На фиг.5а представлен в увеличенном масштабе вид спереди пары односкатных лотков продольного течения, окруженных штрихпунктирными линиями и обозначенных позицией 5 на фиг.1.
На фиг.5b представлен вид сбоку односкатных лотков продольного течения, показанных на фиг.5а.
На фиг.6а показан в увеличенном масштабе вид спереди пары односкатных лотков поперечного течения, окруженных штрихпунктирными линиями и обозначенных позицией 6 на фиг.1.
На фиг.6b представлен вид сбоку односкатных лотков поперечного течения, показанных на фиг.6а.
На фиг.7а показан в увеличенном масштабе вид спереди пары двухскатных лотков поперечного течения, окруженных штрихпунктирными линиями и обозначенных позицией 7 на фиг.1.
На фиг.7b представлен вид сбоку двухскатных лотков, показанных на фиг.7а.
На фиг.8а показан в увеличенном масштабе вид спереди переходного узла, окруженного штрихпунктирными линиями и обозначенного позицией 8 на фиг.1.
На фиг.8b представлен вид сверху переходного узла, показанного на фиг.8а.
На фиг.9 представлено сечение на виде спереди реактора, выполненного в соответствии с первым альтернативным вариантом осуществления настоящего изобретения, в частности, демонстрирующее, что реактор имеет только одну камеру с расположенными в нем лотками.
На фиг.10 представлено сечение на виде сверху реактора, проведенное вдоль линии 10-10, показанной на фиг.9, в частности, иллюстрирующее расположение единственной камеры с лотками в реакторе.
На фиг.11 представлено сечение на виде спереди реактора, выполненного в соответствии со вторым альтернативным вариантом осуществления настоящего изобретения, в частности, демонстрирующее, что реактор имеет три камеры с расположенными в них лотками.
На фиг.12 представлено сечение на виде сверху реактора, проведенное вдоль линии 12-12, показанной на фиг.1, в частности, иллюстрирующее расположение трех камер с лотками в реакторе.
На фиг.13 представлено сечение на виде спереди реактора, выполненного в соответствии с третьим альтернативным вариантом осуществления настоящего изобретения, в частности, демонстрирующее, что реактор имеет шесть камер с расположенными в них лотками.
На фиг.14 представлен вид сбоку ряда односкатных лотков, выполненных в соответствии с альтернативным вариантом осуществления настоящего изобретения, в частности, демонстрирующий, что у тыльных концов односкатных лотков можно сформировать зазор для обеспечения перетекания части реакционной среды через тыльный конец одного лотка и падения на следующий, нижерасположенный лоток.
Подробное описание иллюстративных вариантов осуществления
Обращаясь сначала к фиг.1, отмечаем, что реактор 20 изображен содержащим баллонную оболочку 22, распределитель 24 и две камеры 26а,b с лотками. Оболочка-сосуд 22 предпочтительно имеет удлиненную, в основном цилиндрическую конфигурацию. Отношение длины к диаметру (L/D) оболочки-сосуда 22 предпочтительно составляет, по меньшей мере, 1:1, более предпочтительно - находится в диапазоне от 2:1 до 30:1, а наиболее предпочтительно - в диапазоне от 3:1 до 10:1. Во время нормальной работы реактора 20 оболочка-сосуд 22 поддерживается, по существу, в вертикальном положении.
Оболочка-сосуд 22 ограничивает верхнее впускное отверстие 28 и нижнее выпускное отверстие 30. Распределитель 24 и камеры 26а,b с лотками расположены по вертикали между впускным отверстием 28 и нижним выпускным отверстием 30 таким образом, что реакционная среда, попадающая в реактор 20 через входное отверстие 28, может протекать вниз через распределитель 24 и камеры 26а,b с лотками перед тем, как выпускается из реактора через выходное отверстие 30.
Когда реактор 20 включает в себя камеры 26а,b с лотками, распределитель 24 используется для разделения и распределения потока поступающей реакционной среды таким образом, что каждая камера 26а,b с лотками принимает и обрабатывает, по существу, одно и то же количество реакционной среды. Если бы в реакторе 20 применялась только одна камера с лотками, то распределитель не разделял бы поток реакционной среды, но по-прежнему оказывал бы свое действие, надлежащим образом распределяя реакционную среду во входное отверстие камеры с лотками.
В варианте осуществления, изображенном на фиг.1-8, реактор 20 включает в себя две, по существу, идентичные камеры 26a,b с лотками (тарелками). В нижеследующем разделе будет описана конфигурация только одной камеры 26a,b с лотками, учитывая, что все камеры 26a,b с лотками имеют, по существу, одну и ту же конфигурацию.
Обращаясь к фиг.1 и 2а, отмечаем, что камера 26а с лотками включает в себя множество боковых стенок 27а,b,c,d, которые ограничивают в основном прямоугольное внутреннее пространство. Камера 26а с лотками также включает в себя множество вертикально разнесенных наклонных лотков, заключенных во внутреннем пространстве и жестко соединенных с боковыми стенками 27а,b,c,d. Внутреннее пространство, ограниченное боковыми стенками 27а,b,c,d, открыто вверху и внизу, так что реакционная среда может попадать сверху в камеру 26а с лотками, протекать вниз через внутреннее пространство по наклонным лоткам и выходить внизу камеры 26а с лотками. Камера 26а с лотками предпочтительно включает в себя, по меньшей мере, 10 лотков, более предпочтительно - по меньшей мере, 20 лотков, а в наиболее предпочтительном варианте их количество находится в диапазоне от 30 до 100 лотков. Конечно, предпочтительное общее количество лотков в реакторе 20 - это просто количество лотков в одной камере с лотками, умноженное на количество камер с лотками в реакторе 20. Наклон лотков в общем случае увеличивается книзу в реакторе 20, согласуясь с увеличивающейся вязкостью реакционной среды по мере протекания книзу по лоткам.
Возвращаясь к фиг.1, отмечаем, что камера 26а с лотками предпочтительно предусматривает возможность разных конфигураций и/или ориентаций для оптимизации течения реакционной среды через них. Камера 26а с лотками включает в себя множество односкатных лотков 32 и множество двухскатных лотков 34. В том смысле, в каком он употребляется в данном описании, термин «односкатный лоток» обозначает лоток, который наклонен только в одном направлении, так что реакционная среда, протекающая в камере с лотками сверху этого лотка, течет лишь в одном направлении. В том смысле, в каком он употребляется в данном описании, термин «двухскатный лоток» обозначает лоток, который наклонен в двух направлениях, так что реакционная среда, протекающая в камере с лотками сверху этого лотка, течет в двух направлениях. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, по меньшей мере, часть односкатных лотков 32 расположена выше, по меньшей мере, части двухскатных лотков 34. В наиболее предпочтительном варианте все односкатные лотки 32 расположены выше всех двухскатных лотков 34. Камера 26а с лотками предпочтительно включает в себя, по меньшей мере, примерно 5 односкатных лотков, более предпочтительно - по меньшей мере, примерно 10 односкатных лотков, а в наиболее предпочтительном варианте их количество находится в диапазоне от 15 до 50 односкатных лотков. Камера 26а с лотками предпочтительно включает в себя, по меньшей мере, примерно 5 двухскатных лотков, более предпочтительно - по меньшей мере, примерно 10 двухскатных лотков, а в наиболее предпочтительном варианте их количество находится в диапазоне от 15 до 50 двухскатных лотков. В предпочтительном варианте, по меньшей мере, примерно 10 процентов всех лотков в камере 26а с лотками являются односкатными лотками, более предпочтительно - по меньшей мере, примерно 20 процентов являются односкатными лотками, а в наиболее предпочтительном варианте доля односкатных лотков находится в диапазоне от 30 процентов до 80 процентов. В предпочтительном варианте, по меньшей мере, примерно 10 процентов всех лотков в камере 26а с лотками являются двухскатными лотками, более предпочтительно - по меньшей мере, примерно 20 процентов являются двухскатными лотками.
Как показано на фиг.1, камера 26а с лотками предпочтительно включает в себя верхний набор 36 и нижний набор 38 односкатных лотков 32. Верхний набор 36 односкатных лотков 32 предпочтительно включает в себя множество наклонных лотков 40 продольного течения. Нижний набор 38 односкатных лотков 32 предпочтительно включает в себя множество наклонных лотков 42 поперечного течения. Как показано стрелками на фиг.2 и 3, каждый односкатный лоток 32 предпочтительно является удлиненным, при этом наклонные лотки 40 продольного течения (фиг.2) наклонены в направлении удлинения лотка, а наклонные лотки 42 поперечного течения (фиг.3) наклонены перпендикулярно направлению удлинения лотка. Как показано на фиг.2 и 3, направления наклона наклонных лотков 40 продольного течения и наклонных лотков 42 поперечного течения, по существу, перпендикулярны друг другу.
Как показано на фиг.1, 2 и 5, вертикально соседние наклонные лотки 40а,b продольного течения наклонены в основном в противоположных направлениях, так что реакционная среда вынуждена течь назад и вперед по наклонным лоткам 40 продольного течения по мере ее продвижения вниз в реакторе 20. Как показано на фиг.2 и 5, каждый наклонный лоток 40 продольного течения включает в себя, по существу, плоский прямоугольный основной элемент 44 и переливную перегородку 46. В варианте осуществления, проиллюстрированном на фиг.1-6, три стороны основного элемента 44 предпочтительно соединены с тремя из четырех боковых стенок 27 камеры 26а с лотками и уплотнены вдоль этих стенок, а между четвертой стороной основного элемента 44 и остающейся боковой стенкой 27 камеры 26а с лотками образован зазор 47 (фиг.2а,b и 5b). Зазор 47 обеспечивает проходной канал, через который реакционная среда может падать вниз на следующий, нижерасположенный наклонный лоток 40 продольного течения. Основной элемент 44 наклонен книзу, так что реакционная среда может течь под действием силы тяжести к переливной перегородке 46. Наклон вниз основного элемента 44 предпочтительно находится в диапазоне от примерно 0,5 до примерно 10 градусов от горизонтали, а в наиболее предпочтительном варианте - в диапазоне от 1 до 4 градусов от горизонтали.
Возвращаясь к фиг.2 и 5, отмечаем, что основной элемент 44 представляет собой, по существу, плоскую, обращенную кверху верхнюю поверхность. В предпочтительном варианте, основной элемент 44, по существу, не имеет выполненных в нем отверстий, так что вся жидкость, протекающая на лотке 40, должна пройти через переливную перегородку 46 или сквозь нее, чтобы покинуть лоток 40. Переливная перегородка 46 проходит, по существу, вверх от верхней поверхности основного элемента 44 вблизи самого низкого возвышения основного элемента 44. Переливная перегородка 46 предпочтительно отстоит менее чем примерно на 6 дюймов от оконечного края основного элемента 44, более предпочтительно - менее чем примерно на 3 дюйма, а наиболее предпочтительно - менее чем на 2 дюйма. Переливная перегородка 46 предпочтительно проходит все время вдоль ширины наклонного лотка 40 продольного течения от боковой стенки 27а до боковой стенки 27с. Переливная перегородка 46 способствует поддержанию, по существу, однородного слоя реакционной среды на лотке 40. Переливная перегородка 46 предпочтительно имеет высоту, по меньшей мере, примерно 2,5 дюйма. В более предпочтительном варианте высота переливной перегородки 46 находится в диапазоне от 3 до 12 дюймов. Как показано на фиг.5а, около низа переливной перегородки 46 рядом с основным элементом 44 предпочтительно выполнено множество малых отверстий 48 переливной перегородки. Отверстия 48 переливной перегородки обеспечивают протекание относительно малого количества реакционной среды сквозь них во время нормальной работы реактора. Отверстия 48 переливной перегородки обеспечивают слив, по существу, всей реакционной среды с лотков 40, так что за переливной перегородкой 46 не остается ванна реакционной среды, когда реактор 20 отключают.
Как показано на фиг.1, 3 и 6, вертикально соседние наклонные лотки 42а,b поперечного течения наклонены в основном в противоположных направлениях, так что реакционная среда вынуждена течь назад и вперед по наклонным лоткам 42 поперечного течения по мере ее продвижения вниз в реакторе 20. Как показано на фиг.3 и 6, каждый наклонный лоток 42 поперечного течения включает в себя, по существу, плоский прямоугольный основной элемент 50 и переливную перегородку 52. Три стороны основного элемента 50 предпочтительно соединены с тремя из четырех боковых стенок 27 камеры 26а с лотками и уплотнены вдоль этих стенок, а между четвертой стороной основного элемента 50 и остающейся боковой стенкой 27 камеры 26а с лотками образован зазор 53 (фиг.3а,b и 6а). Зазор 53 обеспечивает проходной канал, через который реакционная среда может падать вниз на следующий, нижерасположенный наклонный лоток 42 поперечного течения. Основной элемент 50 наклонен так, что реакционная среда может течь под действием силы тяжести к переливной перегородке 52. Наклон вниз наклонных лотков 42 поперечного течения увеличивается книзу в реакторе 20. В предпочтительном варианте крайний сверху из наклонных лотков 42 поперечного течения имеет наклон вниз в диапазоне от примерно 0,5 до примерно 10 градусов от горизонтали, а в наиболее предпочтительном варианте - в диапазоне от 1 до 4 градусов от горизонтали. В предпочтительном варианте крайний снизу из наклонных лотков 42 поперечного течения имеет наклон вниз в диапазоне от примерно 2 до примерно 20 градусов от горизонтали, а в наиболее предпочтительном варианте - в диапазоне от примерно 4 до примерно 10 градусов от горизонтали. В предпочтительном варианте наклон вниз крайнего снизу из наклонных лотков 42 поперечного течения, по меньшей мере, на 1 градус больше, чем наклон вниз крайнего сверху из наклонных лотков 42 поперечного течения, более предпочтительно - по меньшей мере, на 2 градуса больше, чем наклон вниз крайнего сверху из наклонных лотков 42 поперечного течения, а в наиболее предпочтительном варианте имеет диапазон превышения наклона вниз крайнего сверху из наклонных лотков 42 поперечного течения, составляющий от 4 до 10 градусов.
Возвращаясь к фиг.3 и 6, отмечаем, что основной элемент 50 предпочтительно не имеет выполненных в нем отверстий, так что вся жидкость, протекающая на лотке 42, должна пройти через переливную перегородку 52 или сквозь нее, чтобы покинуть лоток 42. Основной элемент 52 представляет собой, по существу, плоскую, обращенную кверху верхнюю поверхность. Переливная перегородка 52 проходит вверх от верхней поверхности основного элемента 50 вблизи самого низкого возвышения основного элемента 50. Переливная перегородка 52 предпочтительно отстоит на расстояние менее чем примерно на 6 дюймов от оконечного края основного элемента 50, более предпочтительно - менее чем примерно на 3 дюйма, а наиболее предпочтительно - менее чем на 1 дюйм. Переливная перегородка 52 предпочтительно проходит все время между боковой стенкой 27b и боковой стенкой 27d. Переливная перегородка 52 способствует поддержанию, по существу, однородного слоя реакционной среды на лотке 42. Переливная перегородка 52 предпочтительно имеет высоту, по меньшей мере, примерно 2,5 дюйма. В более предпочтительном варианте высота переливной перегородки 52 находится в диапазоне от 3 до 12 дюймов. Как показано на фиг.6b, около низа переливной перегородки 52 рядом с основным элементом 50 предпочтительно выполнено множество малых отверстий 54 переливной перегородки. Отверстия 54 переливной перегородки обеспечивают протекание относительно малого количества реакционной среды сквозь них во время нормальной работы реактора. Отверстия 54 переливной перегородки обеспечивают слив, по существу, всей реакционной среды с лотков 42, так что за переливной перегородкой 52 не остается ванна реакционной среды, когда реактор 20 отключают.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения, по меньшей мере, 5 из односкатных лотков 32 оснащены переливной перегородкой, более предпочтительно - по меньшей мере, 10 из односкатных лотков 32 оснащены переливной перегородкой. В предпочтительном варианте, по меньшей мере, 10 процентов всех односкатных лотков в камере 26а с лотками оснащены переливной перегородкой, в более предпочтительном варианте - по меньшей мере, 33 процента односкатных лотков 32 оснащены переливной перегородкой, а в наиболее предпочтительном варианте - по меньшей мере, 66 процентов односкатных лотков 32 оснащены переливной перегородкой.
Переливная перегородка способствует обеспечению большего времени пребывания в предлагаемом реакторе, чем в обычных конструкциях, требуя при этом наличия эквивалентных или меньших объема реактора, количества лотков и/или площадей поверхностей металла. Кроме того, переливные перегородки могут способствовать обеспечению более толстого слоя реакционной среды на лотках, чем в обычных конструкциях заключительных реакторов для производства ПЭТФ. Следует также отметить, что описанные здесь варианты осуществления с выгодой обеспечивают более тонкие слои реакционной среды, падающей вниз с лотка на лоток, и более толстые слои реакционной среды на лотках.
Как показано на фиг.1, 4 и 7, двухскатные лотки 34 соединены с боковыми стенками 27b,d камеры 26а с лотками. Двухскатные лотки 34 включают в себя чередующиеся сводчатые лотки 34а и желобковые лотки 34b. Как, может быть, лучше всего изображено на фиг.4а и 7а, каждый двухскатный сводчатый лоток 34а включает в себя вертикально стоящий разделяющий элемент 56 и пару наклоненных вниз сводчатых элементов 58, 60, проходящих в основном в противоположных направлениях от низа разделяющего элемента 56. Сводчатые элементы 58, 60 расходятся друг от друга, когда проходят вниз и наружу от разделяющего элемента 56. Между оконечным краем сводчатого элемента 58 и боковой стенкой 27а образован первый зазор 62. Между оконечным краем сводчатого элемента 60 и боковой стенкой 27с образован второй зазор 64. Реакционная среда течет вниз через зазоры 62, 64, чтобы достичь следующего, нижерасположенного двухскатного желобкового лотка 34b.
Обращаясь теперь к фиг.4b и 7а, отмечаем, что каждый двухскатный лоток 34b включает в себя пару наклоненных вниз желобковых элементов 66, 68, соединенных с боковыми стенками 27а,с камеры 26а с лотками. Желобковые элементы 66, 68 сходятся друг с другом, когда проходят вниз и внутрь от боковых стенок 27а,с. Между нижними оконечными краями желобковых элементов 66, 68 образован зазор 70. Зазор 70 достаточно велик, чтобы обеспечить ситуацию, в которой отдельные слои реакционной среды, протекающей на желобковых элементах 66, 68, остаются отдельными, когда они падают через зазор 70 на следующий, нижележащий лоток 34а. Отдельные части реакционной среды, которая течет по желобковым элементам 66, 68, падают вниз через зазор 70 на противоположных сторонах разделяющего элемента 56 следующего, нижележащего сводчатого лотка 34а.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения наклон двухскатных лотков 34 увеличивается книзу в реакторе 20. Крайний сверху из двухскатных лотков 34 предпочтительно имеет наклон вниз в диапазоне от примерно 0,5 до примерно 10 градусов от горизонтали, наиболее предпочтительно - в диапазоне от 1 до 4 градусов от горизонтали. Крайний снизу из двухскатных лотков 42 предпочтительно имеет наклон вниз в диапазоне от примерно 5 до примерно 40 градусов от горизонтали, наиболее предпочтительно - в диапазоне от 10 до 25 градусов от горизонтали. Крайний снизу из двухскатных лотков 34 предпочтительно имеет наклон вниз, по меньшей мере, примерно на 2 градуса больше, чем наклон вниз крайнего сверху из двухскатных лотков 34, более предпочтительно - по меньшей мере, примерно на 4 градуса больше, чем наклон вниз крайнего сверху из двухскатных лотков 34, а в наиболее предпочтительном варианте имеет диапазон превышения наклона вниз крайнего сверху из двухскатных лотков 34 поперечного течения, составляющий от 6 до 20 градусов.
Обращаясь теперь к фиг.1 и 8, отмечаем, что переходный элемент 72 применяется для перехода течения реакционной среды от течения в единственном слое на односкатных лотках 32 к течению двумя слоями на двухскатных лотках 34. Переходный элемент 72 соединен со стенками 27b,d камеры 26а с лотками и проходит между ними. Переходный элемент 72 включает в себя верхний распределительный бункер 76 и нижний распределительный лоток 78. Распределительный бункер 76 выполнен с возможностью приема реакционной среды из крайнего снизу односкатного лотка 32 и разделения реакционной среды на две, по существу, одинаковых части. Обе одинаковых части реакционной среды из дна распределительного бункера 76 попадают на отдельные расходящиеся секции 80а,b распределительного лотка 78. Таким же образом можно осуществить последующие разделения в потоке, сходящем с расположенных ниже по течению двухскатных лотков, с помощью аналогичных распределительных камер. Таким образом можно создавать многочисленные двухскатные проходные каналы, если этого потребуют целевые параметры вязкости, расхода и глубины жидкости.
Распределительный бункер 76 включает в себя пару наклонных боковых стенок 82а,b, которые сходятся друг с другом книзу. В месте, где боковые стенки 82а,b соединяются друг с другом, определена разделительная линия 84. Множество первых отверстий 86а ограничены в боковой стенке 82а рядом с разделительной линией 84. Множество вторых отверстий 86b ограничены в боковой стенке 82b рядом с разделительной линией 84. Распределительный лоток 78 предпочтительно включает в себя в общей сложности, по меньшей мере, примерно 10 отверстий 86а,b. Как лучше всего показано на фиг.8b, первые и вторые отверстия 86а,b находятся на противоположных сторонах от разделительной линии 84. В предпочтительном варианте суммарная площадь проема, ограниченная первыми отверстиями 86а, по существу, равна суммарной площади проема, ограниченной вторыми отверстиями 86b, так что сквозь первые и вторые отверстия 86a,b автоматически протекают одинаковые количества реакционной среды. Первые отверстия 86а выровнены по первой секции 80а распределительного лотка 78, а вторые отверстия 86b выровнены по второй секции 80b распределительного лотка 78.
Как показано на фиг.8а,b, оконечные края первой и второй наклоняющихся секций 80а,b распределительного лотка 78 отстоят от боковых стенок 27а,с, так что между ними образуются зазоры 88а,b. Две, по существу, одинаковых части реакционной среды, выходящие из распределительного бункера 76, текут по наклоняющимся вниз расходящимся секциям 80а,b распределительного лотка 78 к зазорам 88а,b. Отдельные части реакционной среды затем падают с распределительного лотка 78 через зазоры 88а,b на крайний сверху двухскатный лоток 34b. Как упоминалось выше, затем две, по существу, равные части реакционной среды поддерживаются отдельными по мере их протекания вниз по двухскатным лоткам 34.
Обращаясь теперь к фиг.9 и 10, отмечаем, что здесь изображена первая альтернативная конструкция реактора. Альтернативный реактор 100 включает в себя только одну камеру 102 с лотками. Эта конструкция обладает преимуществом, заключающимся в том, что не нужно разделять питающий поток поровну между несколькими камерами с лотками. Таким образом, конструкция распределителя 104 упрощается. Кроме того, общее количество лотков, распределение лотков разных типов, количество переливных перегородок, местоположение переливных перегородок и наклонных лотков в реакторе 100 отличаются от соответствующих параметров реактора 20 (фиг.1-8). Эти различия показывают, что может оказаться желательным изменение конструкции реактора для удовлетворения конкретных требований способа, в рамках которого воплощают реактор. Вместе с тем, все описываемые здесь конструкции находятся в рамках объема защиты настоящего изобретения.
Обращаясь теперь к фиг.11 и 12, отмечаем, что здесь изображена вторая альтернативная конструкция реактора. Альтернативный реактор 200 включает в себя три камеры 202a,b,c с лотками.
Обращаясь к фиг.13, отмечаем, что здесь изображена третья альтернативная конструкция реактора. Альтернативный реактор 300 включает в себя шесть камер 302 с лотками. Эта конструкция обладает преимуществом использования большего пространства внутри реакционного сосуда, вследствие чего можно уменьшить габариты реакционного сосуда.
Обращаясь теперь к фиг.14, отмечаем, что здесь изображена альтернативная конструкция с односкатными лотками. Односкатные лотки 400, изображенные на фиг.14, похожи на те, которые изображены на фиг.5 и 6, но имеют конфигурацию, обеспечивающую зазор 402 между тыльным концом 404 каждого односкатного лотка 400 и ближайшей боковой стенкой 406 камеры с лотками. Следует понять, что боковая стенка 406 не обязательно должна быть стенкой камеры с лотками, с которой связаны лотки 400; наоборот, боковая стенка 406 может быть стенкой другой камеры с лотками или стенкой реакционного сосуда. Как показано на фиг.14, этот зазор 402 между тыльным концом 404 каждого лотка 400 и ближайшей боковой стекой 406 обеспечивает перетекание части обработанной реакционной среды 408 через тыльный конец 404 лотка 400 и падение вниз на следующий, нижерасположенный лоток 400. Чтобы обеспечить достаточно большой проем для прохождения перетекающей реакционной среды 408, зазор между тыльными концами 404 лотков 400 и ближайшей боковой стенкой 406 должен иметь среднюю ширину, по меньшей мере, примерно 1 дюйм, более предпочтительно - находиться в диапазоне от примерно 1,5 до примерно 12 дюймов, а наиболее предпочтительно - в диапазоне от 2 до 8 дюймов.
В варианте осуществления, изображенном на фиг.14, тыльный конец 404 каждого односкатного лотка 400 предпочтительно включает в себя закругленный нижний край 410, который позволяет перетекающей реакционной среде 408 «прилипать» к верхнему лотку 400, пока он находится, по меньшей мере, над частью следующего, нижерасположенного лотка 400. Находясь над следующим, нижерасположенным лотком 400, реакционная среда 408 падает с верхнего лотка 400 на нижний лоток 400, где она воссоединяется с частью реакционной среды 408, которая протекала через оконечный край 412 верхнего лотка 400, и попадает на нижний лоток 400. Чтобы обеспечить прилипание перетекающей реакционной среды к верхнему лотку 400, пока тот находится над нижним лотком 400, закругленный нижний край 410 односкатных лотков 400 предпочтительно имеет минимальный радиус кривизны, по меньшей мере, 1 дюйм, а в более предпочтительном варианте этот радиус находится в диапазоне от примерно 1,5 дюйма до примерно 12 дюймов, а в наиболее предпочтительном варианте - в диапазоне от 2 до 8 дюймов.
Следует также отметить, что в варианте осуществления, изображенном на фиг.14, применяются односкатные лотки без переливных перегородок. Таким образом, оконечные края 412 лотков 400, изображенных на фиг.14, ограничены краем, по существу, плоского основного элемента 414 лотков 400, а не верхним краем переливной перегородки. Вместе с тем, предполагается, что конструкция, предусматривающая перетекание через задний конец, изображенная на фиг.14, пригодна также для использования с лотками, имеющими переливные перегородки.
Реакторы, изображенные на фиг.1-14, можно применять во множестве разных способов. В частности, эти реакторы полезны в способах, где выгодно проводить химические реакции в относительно тонких слоях реакционной среды. Кроме того, эти реакторы предназначены для того, чтобы справиться с ситуацией, в которой вязкость реакционной среды увеличивается во время обработки. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения динамическая вязкость (измеряемая в пуазах) реакционной среды, выходящей из реактора, по меньшей мере, примерно на 50 процентов больше, чем динамическая вязкость реакционной среды, попадающей в реактор, более предпочтительно - по меньшей мере, примерно на 250 процентов больше, чем динамическая вязкость реакционной среды, попадающей в реактор, а наиболее предпочтительно - по меньшей мере, примерно на 1000 процентов больше, чем динамическая вязкость реакционной среды, попадающей в реактор. Вышеописанный реактор (вышеописанные реакторы) предпочтительно являются реакторами-полимеризаторами, применяемыми для обработки реакционной среды, которая подвергается полимеризации.
При осуществлении конкретно предпочтительного способа реактор применяется в способе производства полиэтилентерефталата (ПЭТФ). При осуществлении такого способа реакционная среда, попадающая в реактор, предпочтительно имеет степень полимеризации (СП) в диапазоне от примерно 20 до примерно 75, более предпочтительно - в диапазоне от примерно 35 до примерно 60, а наиболее предпочтительно - в диапазоне от примерно 40 до примерно 55. В том смысле, в каком он употребляется в данном описании, термин «степень полимеризации» или «СП» означает количественно-усредненную степень полимеризации, которая определяется как количественно-усредненная молекулярная масса, деленная на молекулярную массу повторяющегося элемента молекулы. По мере протекания реакционной среды вниз через реактор СП реакционной среды увеличивается из-за поликонденсации. СП реакционной среды, выходящей из реактора, предпочтительно, по меньшей мере, примерно на 25 процентов больше, чем СП реакционной среды, попадающей в реактор, в более предпочтительном варианте имеет диапазон превышения СП реакционной среды, попадающей в реактор, составляющий от примерно 50 до примерно 500 процентов, а в наиболее предпочтительном варианте имеет диапазон превышения СП реакционной среды, попадающей в реактор, составляющий от примерно 80 до примерно 400 процентов. Реакционная среда, выходящая из реактора, предпочтительно имеет СП в диапазоне от примерно 75 до примерно 200, более предпочтительно - в диапазоне от примерно 90 до примерно 180, а наиболее предпочтительно - в диапазоне от примерно 105 до примерно 165.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения условия реакции в реакторе поддерживаются при температуре в диапазоне от примерно 250 до примерно 325°С и давлении в диапазоне от примерно 0,1 до примерно 4 торр, более предпочтительно - в диапазоне от примерно 270 до примерно 310°С и давлении в диапазоне от примерно 0,2 до примерно 2 торр, а наиболее предпочтительно - в диапазоне от примерно 275 до примерно 295°С и давлении в диапазоне от примерно 0,3 до примерно 1,5 торр. Среднее время пребывания реакционной среды в реакторе предпочтительно находится в диапазоне от примерно 0,25 до примерно 5 часов, а наиболее предпочтительно - в диапазоне от 0,5 до примерно 2,5 часов.
Конфигурация реактора, описанная выше со ссылками на фиг.1-14, предпочтительно выполнена с возможностью поддержания средней глубины реакционной среды на лотках, по меньшей мере, примерно 2,5 дюйма, а наиболее предпочтительно - в диапазоне от 3 до 12 дюймов.
Авторы изобретения отмечают, что для всех приведенных здесь количественных диапазонов верхний и нижний пределы диапазонов могут быть независимыми друг от друга. Например, количественный диапазон от 10 до 100 означает допустимость величин, которые больше 10 и/или меньше 100. Таким образом, диапазон от 10 до 100 обеспечивает обоснование ограничения пункта формулы изобретения, связанного с величиной, которая больше 10 (без верхней границы), ограничения пункта формулы изобретения, связанного с величиной, которая меньше 100 (без нижней границы), а также обоснование всего диапазона от 10 до 100 (с верхней и нижней границами).
Изобретение подробно описано с конкретными ссылками на предпочтительные варианты его осуществления, но следует понять, что в рамках существа и объема притязаний изобретения возможно проведение изменений и модификаций.
1. Реактор, содержащий множество вертикально разнесенных односкатных наклонных лотков и множество вертикально разнесенных двухскатных наклонных лотков, причем наклон упомянутых односкатных лотков увеличивается книзу.
2. Реактор по п.1, в котором наклон упомянутых двухскатных лотков увеличивается книзу.
3. Реактор по п.1, в котором, по меньшей мере, часть упомянутых односкатных лотков расположена выше, по меньшей мере, части упомянутых двухскатных лотков.
4. Реактор по п.1, в котором соседние из упомянутых односкатных лотков наклонены в противоположных направлениях.
5. Реактор по п.1, в котором упомянутые двухскатные лотки включают в себя чередующиеся сводчатые и желобковые лотки, причем упомянутые сводчатые лотки включают в себя пару расходящихся книзу сводчатых элементов, при этом упомянутые желобковые лотки включают в себя пару сходящихся книзу желобковых элементов.
6. Реактор по п.1, в котором упомянутое множество односкатных лотков включает в себя верхнюю группу односкатных лотков, наклоняющихся назад и вперед в первом направлении, и нижнюю группу односкатных лотков, наклоняющихся назад и вперед во втором направлении, причем упомянутые первое и второе направления, по существу, перпендикулярны друг к другу.
7. Реактор по п.1, в котором наклон упомянутых односкатных лотков изменяется, по меньшей мере, примерно на 2°, при этом наклон упомянутых двухскатных лотков изменяется, по меньшей мере, примерно на 4°.
8. Реактор по п.7, в котором, по меньшей мере, часть упомянутых односкатных лотков включает в себя переливную перегородку, соединенную с упомянутым основным элементом и проходящую вверх от упомянутой обращенной кверху наклонной поверхности.
9. Реактор по п.8, в котором, по меньшей мере, 10% всех упомянутых односкатных лотков оснащены упомянутыми переливными перегородками, при этом упомянутые переливные перегородки имеют высоту в диапазоне от 3 до 12 дюймов.
10. Реактор для обработки реакционной среды, содержащий множество вертикально разнесенных наклонных лотков, причем, по меньшей мере, 10% упомянутых лотков включают в себя проходящую вверх переливную перегородку, имеющую высоту, по меньшей мере, 2,5 дюйма, поверх которой протекает, по меньшей мере, часть упомянутой реакционной среды, чтобы пройти к следующему лотку, расположенному непосредственно под этим.
11. Реактор по п.10, в котором упомянутая переливная перегородка имеет высоту в диапазоне от 3 до 12 дюймов.
12. Реактор по п.10, в котором упомянутые лотки включают в себя множество односкатных лотков, наклоненных в противоположных направлениях, и причем наклон упомянутых лотков увеличивается книзу от лотка к лотку.
13. Способ полимеризации, при котором: (а) вводят реакционную среду, содержащую полиэтилентерефталат, в реактор-полимеризатор, содержащий множество вертикально разнесенных наклонных лотков; (b) обеспечивают течение упомянутой реакционной среды вниз в упомянутом реакторе-полимеризаторе по упомянутым вертикально разнесенным лоткам, при этом средняя толщина упомянутой реакционной среды, текущей на упомянутых вертикально разнесенных лотках, поддерживается на уровне примерно 2,5 дюйма или более; и (с) выводят упомянутую реакционную среду из упомянутого реактора-полимеризатора, при этом степень полимеризации (СП) упомянутой реакционной среды, выводимой из упомянутого реактора-полимеризатора, по меньшей мере, на 25% больше, чем СП упомянутой реакционной среды, вводимой в упомянутый реактор-полимеризатор.
14. Способ полимеризации по п.13, при котором среднюю толщину упомянутой реакционной среды, текущей на упомянутых вертикально разнесенных лотках, поддерживают в диапазоне от 3 до 12 дюймов.
15. Способ полимеризации по п.13, при котором упомянутая реакционная среда поддерживается при температуре в диапазоне от примерно 250 до примерно 325°С и давлении в диапазоне от примерно 0,1 до примерно 4 торр в упомянутом реакторе-полимеризаторе.
16. Способ полимеризации по п.13, при котором упомянутые лотки включают в себя множество односкатных лотков и множество двухскатных лотков наклонены в противоположных направлениях.
17. Способ полимеризации по п.16, при котором упомянутые двухскатные лотки включают в себя чередующиеся сводчатые и желобковые лотки, причем упомянутые сводчатые лотки включают в себя пару расходящихся книзу сводчатых элементов, при этом упомянутые желобковые лотки включают в себя пару сходящихся книзу желобковых элементов, причем наклон упомянутых двухскатных лотков увеличивается книзу.
18. Способ, при котором: (а) вводят реакционную среду, содержащую полиэтилентерефталат, в верхнюю секцию реактора, содержащего множество односкатных наклонных лотков и множество двухскатных наклонных лотков; (b) обеспечивают течение упомянутой реакционной среды вниз в упомянутом реакторе по упомянутым односкатным и двухскатным лоткам; и (с) выводят упомянутую реакционную среду из нижней секции упомянутого реактора, причем наклон упомянутых односкатных лотков увеличивается книзу и наклон упомянутых двухскатных лотков увеличивается книзу.
19. Способ по п.18, при котором средняя толщина упомянутой реакционной среды, текущей на упомянутых вертикально разнесенных лотках, составляет примерно 2,5 дюйма.
20. Способ по п.18, при котором упомянутое множество односкатных лотков включает в себя верхнюю группу односкатных лотков и нижнюю группу односкатных лотков, при этом упомянутая реакционная среда протекает назад и вперед по упомянутой верхней группе односкатных лотков в первом направлении, при этом упомянутая реакционная среда протекает назад и вперед по упомянутой нижней группе односкатных лотков во втором направлении, причем упомянутые первое и второе направления, по существу, перпендикулярны друг к другу.
