Реактор для реализации физико-химических процессов при высоких температурах



Реактор для реализации физико-химических процессов при высоких температурах
Реактор для реализации физико-химических процессов при высоких температурах
Реактор для реализации физико-химических процессов при высоких температурах

 

B01J19/00 - Химические, физические или физико-химические способы общего назначения (физическая обработка волокон, нитей, пряжи, тканей, пера или волокнистых изделий, изготовленных из этих материалов, отнесена к соответствующим рубрикам для такого вида обработки, например D06M 10/00); устройства для их проведения (насадки, прокладки или решетки, специально предназначенные для биологической обработки воды, промышленных и бытовых сточных вод или отстоя сточных вод C02F 3/10; разбрызгивающие планки или решетки, специально предназначенные для оросительных холодильников F28F 25/08)

Владельцы патента RU 2590169:

Никифоров Алексей Никифорович (RU)

Изобретение относится к устройству для утилизации вредных отходов промышленных производств, отравляющих веществ в составе жидкого ракетного топлива в условиях высоких температур. Сущность изобретения заключается в том, что возникающие при высоких температурах зазоры в пограничном слое химического реагента, через которые отравляющее вещество проходит не вступая в реакцию с химическим реагентом, ликвидируются в ходе нагревания реактора под воздействием усилий, прилагаемых к слою химического реагента со стороны герметичного устройства с газом с регулируемым давлением, боковыми стенками которого служат гофрированные по их образующим обечайки, а также действующих одновременно ударных нагрузок на верхнее днище рабочей камеры реактора. Для обеспечения указанного взаимодействия слоя химического реагента, закрепленного в рабочей камере устройства, с герметичным устройством с газом, последнее жестко соединено с внутренней цилиндрической решеткой, высота которой меньше высоты наружной решетки. В промышленных реакторах, в которых относительная высота рабочей камеры может быть особенно велика, для закрепления слоя химического реагента и проведения утилизации вещества могут быть использованы два герметичных устройства с газом с гофрированными обечайками, соединенными с нижним и верхним днищами рабочей камеры. Технический результат: улучшение экологической обстановки при утилизации вредных отходов промышленных производств и отравляющих веществ за счет разложения последних на нейтральные компоненты. 4 ил.

 

Предлагаемое устройство может быть применено для утилизации вредных отходов промышленных производств, жидкого ракетного топлива и химических отравляющих веществ (далее ОВ).

Известный способ утилизации ОВ основан на сжигании их после предварительной температурной обработки при высоких температурах /1/, при этом продукты сгорания выбрасывают в атмосферу.

Также известны устройства для очистки воздуха и воды от вредных веществ, в которых для очистки среды используют активированный уголь или другое активное вещество, располагаемое между двумя цилиндрическими решетками в напряженном состоянии, авторские свидетельства №55654, 822844. Однако при высоких температурах эти устройства из-за образования зазоров в пограничном слое активного вещества с днищами для утилизации ОВ неприменимы.

С целью устранения указанных недостатков утилизации ОВ может быть использовано устройство, в котором в присутствии химического реагента, в частности катализатора, при высокой температуре происходит реакция разложения ОВ на нейтральные компоненты. В качестве катализатора могут быть использованы окиси металлов. Устройство предлагаемого реактора приведено на фиг. 1 с описанием ниже назначений его отдельных частей. В камере реактора, заключенной между внутренней 1 и внешней 2 цилиндрическими решетками, верхним 3 и нижним 4 днищами из жаропрочного материала, располагают слой 5 сыпучего катализатора.

Основными свойствами материала цилиндрических решеток и слоя катализатора, которые необходимо учитывать при обосновании параметров конструкции реактора, являются их коэффициенты линейного расширения (КЛР). Например, КЛР конструкционного материала - стали больше КЛР слоя сыпучего катализатора - окисей металлов.

При высоких температурах этот фактор приводит к образованию между слоем катализатора и днищами реактора зазоров - незаполненных катализатором пустот. Слой сыпучего катализатора, обладающий высокими значениями коэффициента внутреннего трения, не следует за перемещениями днищ реактора, вызываемыми различными значениями КЛР цилиндрических решеток и катализатора. Даже при нормальной температуре в пограничном слое катализатора, закрепленном между днищами 3 и 4, поток утилизируемого вещества имеет контакт с катализатором только с одной стороны последнего, и для полной нейтрализации вещества увеличивают длину пути его потока в пограничном слое с днищами с помощью кольцевого выступа - барьера 6 (фиг. 1). Этот эффект называется стеночным.

При высоких температурах стеночный эффект усиливается за счет зазоров в пограничном слое катализатора со стенками днищ. Для устранения указанных зазоров используют подвижное нижнее днище 4, соединенное при монтаже реактора с герметичным сильфонным устройством, гофрированной по образующей обечайкой 7, снабженной ограничительными кольцами жесткости 8 и штуцером 9.

При повышении температуры реактора под действием сильфонного устройства днище 4 испытывает нагрузку, направленную вверх. Для преодоления сил внешнего трения с целью ликвидации образовавшихся зазоров приложенные к нижнему днищу нагрузки должны быть больше сил трения. Однако нагрузки, развиваемые сильфонным устройством, ограничены. Промышленные образцы изделий по утилизации вредных веществ экономичны только при объемах камер реактора высотой до двух метров и более. Для ликвидации зазоров в пограничном слое катализатора, образующихся в промышленных изделиях при высоких температурах, немаловажную роль играют особенности конструкции внутренней и внешней цилиндрических решеток и использование в технологии утилизации веществ физических методов.

Так, внутренняя цилиндрическая решетка, выполненная разновысокой с внешней решеткой, соединена жестко с площадкой 10 сильфонного устройства, и при высоких температурах перемещение внутренней решетки и слоя катализатора практически происходит как единое целое без относительного сдвига; таким образом, перемещение слоя катализатора и ликвидация зазора в его пограничном слое с днищем достигается за счет преодоления только внешнего трения о наружную решетку.

Другим способом уменьшения сил трения - преодоления сопротивления цилиндрической решетки сдвигу слоя катализатора может послужить способ использования ударных нагрузок при падении массивного цилиндрического тела 11 на верхнее днище реактора. Под действием ударных нагрузок, импульсы которых проходят через толщу слоя катализатора, коэффициент сопротивления сдвигу последнего изменяется по закону (1):

где f1 - эффективный коэффициент сопротивления решеток сдвигу катализатора;

f - коэффициент сопротивления решеток сдвигу слоя катализатора в статических условиях;

m - масса тела; а - ускорение падения ударного тела;

N - число ударных импульсов; α, β и γ - численные коэффициенты.

Для слоя активированного гранулированного угля относительной высотой hP/S=21 и f=0,22, где Р и S - периметр и площадь поперечного сечения слоя, получены следующие значения коэффициентов α, β и γ: γ=0,02, α=0.02, β=0,22.

Для указанного слоя при массе груза m, равной 5 кг, и ускорении падения а, равном 1,0 g, после 10-кратного приложения ударной нагрузки коэффициент f1 равен 0.108.

Приведенные данные свидетельствуют: под действием ударных импульсов, проходящих через слой катализатора, ликвидация зазоров в пограничном слое с днищами реактора, образующихся при его нагревании, производят при значительном ослаблении нагрузок, развиваемых сильфонным устройством.

Далее приводят описание конструкции промышленных реакторов с относительно высокими камерами, в которых закрепление в напряженном состоянии слоя катализатора производят способом двустороннего его поджатия (фиг. 3). В реакторе применяются два сильфонных устройства. В нижней части расположено описанное выше устройство, а в верхней части - также герметичное устройство, состоящее из двух коаксильных гофрированных по образующим обечаек, снабженных кольцами жесткости и штуцером. Так как в верхней части реактора расположен центральный канал для подачи утилизируемого вещества, то устройство с одной обечайкой неприменимо. Мощность этого устройства можно увеличивать путем увеличения расстояния между обечайками. Например, внутреннюю обечайку 1 можно расположить ближе к оси реактора, изменив конфигурацию прессующего прижима. В относительно толстых слоях катализатора в реакторе двустороннее поджатие обеспечивает суммарное усилие поджатия слоя. Эпюры напряжений, возникающих при этом, показаны на фигурах 4а и 4б.

Далее описывают технологию снаряжения реактора катализатором и предусмотренные в процессе его нагревания операции для приведения реактора в рабочее состояние перед подачей ОВ для утилизации.

Снаряжение реактора катализатором

Прежде всего канал поступления утилизируемого вещества закрывают заглушкой 1 (фиг. 1а) и засыпают в камеру реактора зернистый катализатор через воронку, расположенную по оси камеры, равномерно поднимая по мере образования естественного откоса. Затем на вибростенде при частоте 40-50 Гц катализатор уплотняют. При любой температуре рабочим состоянием снаряженного реактора является напряженное состояние слоя катализатора при отсутствии в камере незаполненных пустот. Закрепляют верхнее днище, сняв при этом заглушку 1.

Включение сильфонных устройств (далее СУ).

Каждое СУ должно быть отградуировано на предельную нагрузку с коэффициентом запаса прочности. Определяют максимальное допустимое давление бх инертного газа в СУ для температуры t, при которой предстоит утилизация ОВ. Допустим, предусмотрена утилизация ОВ при t, равной 500°С, а предельное давление в СУ равно 1 атм, комнатная температура 25°. Допустимое давление бх в СУ определяют по формуле (2):

Для температуры в 500°С допустимое давление в СУ равно 0,365 атм.

Включение ударных нагрузок

При использовании ударных нагрузок последние включают после начала нагревания реактора, постепенно увеличивая их амплитуду, и по достижении заданной температуры выключают. Напряженное состояние слоя катализатора в реакторе в ходе утилизации ОВ поддерживается за счет поджимающих усилий СУ.

Определение параметров цилиндрических решеток

Было отмечено, что решетки 1 и 2 выполнены равновысокими. Реактор будет работать только при высоте внутренней решетки, меньшей, чем внешняя, на определенную величину. Эта разность высот Δh определяется из условия (3).

где К1, К2 - коэффициенты линейного расширения материала решеток и слоя катализатора соответственно; t - температура, при которой утилизируется вещество; t1 - комнатная температура.

Допустим, температура утилизации t=400°С; высота внешней стальной решетки h=1000 мм, K1 стали - 1,1 10-5, а катализатора - 6,10-6. По условию (3) Δh=1,875 мм. Следовательно, внутренняя решетка должна быть короче не менее 2 мм.

Далее проводят экспериментальную проверку работы реактора, которая выполнена с помощью аналогичного устройства, описанного выше. В устройстве использован серийный латунный сильфон. В качестве физико-химического процесса смоделирована очистка водного раствора щелочи при температуре до 200°С в реакторе с активированным углем с использованием ударных нагрузок при следующих параметрах конструкции: высота внешней стальной цилиндрической решетки 50 см, внутренней стальной - 48 см; цилиндрические решетки выполнены из листовой стали в виде «терки» с использованием для кольцевого канала ее гладкой стороны; радиусы решеток 10 см и 20 см.

Был составлен трехпроцентный водный раствор щелочи, который подавался в нагревающийся реактор при давлении в сильфоне в 0,8 атм. На выходе из реактора водяной пар проходил через ледяной холодильник, после которого поступал в приемник с лакмусовой бумагой. При температуре реактора 160°С вода после охлаждения в приемнике «подкрашивалась» слабый синий цвет.

В повторном эксперименте при температуре 50°С в сильфоне давление увеличено до 1 атм и включены ударные нагрузки массы в 5 кг через каждые 5 сек. При температуре 160°С, последняя держалась постоянной в течение 10 мин, в приемник с лакмусовой бумагой поступала чистая вода, как и при дальнейшем нагревании до 180°С.

В третьем эксперименте при давлении в сильфоне в 0,1 атм и комнатной температуре без включения ударных нагрузок в реактор поступал трехпроцентный водный раствор щелочи в течение 20 мин и в приемник поступала чистая вода.

Во всех экспериментах раствор щелочи в реактор поступал в количестве 10 мл в мин, а в последнем - 20 мл в мин.

Проведенный эксперимент является основанием для утверждения о том, что в реакторе, устройство которого подробно рассмотрено выше, физико-химические процессы при высоких температурах могут протекать без усиления стеночного эффекта, обусловленного различными значениями коэффициента линейного расширения конструкционного материала и химического реагента, в частности катализатора.

Применение рассмотренного реактора в промышленности по утилизации вредных и отравляющих веществ может обеспечить значительное улучшение экологической обстановки. Устройство предлагаемого реактора реализуемо. Изготовление гофрированных обечаек крупного габарита освоено на предприятиях акционерного общества «Энергия».

Источники информации

1. Телепередача по каналу НТВ ГТРК, октябрь 2012 г.

2. Выписка из протокола объединенного коллоквиума лабораторий прочности дисперсных структур и лаборатории Ордена Трудового Красного Знамени Института физической химии АН СССР от 01.02.1971 г.

Реактор для реализации физико-химических процессов при высоких температурах, рабочая камера которого заключена между коаксиальными цилиндрическими решетками, верхним и нижним днищами, в которой закрепляют в напряженном состоянии слой химического зерненого реагента, в контакте с которым при высокой температуре вступает в реакцию поступающее утилизируемое вещество, отличающийся тем, что как нижнее, так и верхнее днище могут быть подвижными путем соединения их с устройством, состоящим из обечаек, гофрированных по их образующим, герметично закрытых днищами и заполняемых инертным по отношению к поступающему веществу газом с регулируемым давлением, а в случае использования только подвижного нижнего днища камеры закрепление слоя реагента в напряженном состоянии производят при одновременном воздействии как ударных нагрузок на верхнее днище камеры, так и усилий, прилагаемых к нижнему днищу камеры герметичным устройством с газом, составленным из гофрированной обечайки.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к химической промышленности и может быть использовано для исследования закономерностей протекания химического процесса получения синтетических нефтяных фракций.

Изобретение относится к слоистым химическим ректорам, в частности микроканальным устройствам, способам их производства и эксплуатации. Химический реактор для проведения одной или более технологических операций включает слоистый микроканальный узел, включающий смежные первый и второй листы, которые являются по существу плоскими, причем площадь поперечного сечения листа превышает 100 см2, при этом первый лист содержит системы параллельных микроканалов, отделенные друг от друга перегородкой, и включающий сварные швы, которые проходят по длине перегородок и соединяют первый и второй листы.

Способ массообмена включает стадии, в которых: направляют первую текучую среду и вторую текучую среду в массообменное устройство. Массообменное устройство включает емкость, которая имеет головную зону, зону основания и массообменную зону, причем первая текучая среда приходит в контакт со второй текучей средой по меньшей мере в массообменной зоне.

Изобретение относится к реакторам плазменной газификации или витрификации материалов, которые имеют реакционные слои из углеродсодержащего материала, способу формирования и поддержания углеродсодержащего слоя и исходному материалу для формирования углеродсодержащего изделия для использования среди частиц углеродсодержащего слоя.

Изобретение относится к управляемому изменению свойств жидкостей путем интенсивного динамического воздействия на них и может быть использовано в пищевой и нефтехимической промышленности, биотехнологии, медицине, в промышленной гидроэкологии для водоподготовки и сельском хозяйстве для получения суспензий и молекулярных растворов.

Изобретение относится к способу и устройству для окисления реагентов в водной реакционной среде с использованием газообразного молекулярного кислорода. Способ окисления материала в окислительном реакторе, включающем внешний циркуляционный контур, имеющий приспособление для увеличения давления во внешнем контуре, включает стадии: a) измерение концентрации кислорода в реакторе, b) выведение объема водной среды из реактора и измерение концентрации кислорода в этом объеме, c) введение кислорода в объем в растворенном виде и обеспечение достаточным временем пребывания для достижения желательного концентрации кислорода, где количество введенного кислорода определяют путем измерения растворенного кислорода в реакторе и его давления и измерения плотности объема и концентрации кислорода в незаполненном объеме, d) введение объема обратно в реактор при повышенном давлении и через устройство Вентури в жидкостный распределитель, e) образование циркуляционной схемы в реакторе, в результате чего повышенная концентрация кислорода поддерживается в водной среде в нижней части реактора, и где внешний циркуляционный контур поддерживают под давлением во время проведения стадий c), d) и е).

Изобретение относится к устройству для получения бензина. Устройство содержит реакционные трубы для осуществления синтеза бензина из метанола, причем два типа катализаторов, включая катализатор синтеза диметилового эфира для осуществления синтеза диметилового эфира из метанола и катализатор синтеза бензина для осуществления синтеза бензина из диметилового эфира, загружены внутрь реакционной трубы в две ступени и канал, который позволяет воздуху проходить с наружной стороны реакционных труб.

Изобретение относится к реактору газификации и/или очистки, а также к способу частичного разложения, в частности деполимеризации и/или очистки пластмассового материала.

Изобретение относится к способу получения полимера с использованием устройства блокировки. Устройство блокировки представляет собой инструментальную систему, которая сконструирована для действия в ответ на условия, указывающие на потенциальную опасную ситуацию или последовательность, и предназначено для применения в способе получения полимера, который включает стадии: полимеризацию мономера и необязательно сомономера в реакторе с получением полимера, необязательно в присутствии инертного углеводорода, и выгрузку полученного полимера из реактора, при этом блокировка основана на температуре в реакторе и включает стадии: измерение температуры в реакторе и сравнении измеренной температуры с пороговым значением температуры, которое находится ниже обычного интервала температуры в реакторе, ожидаемого для получения соответствующего полимера, при этом выгрузку допускают, если измеренная температура выше, чем пороговое значение, и предотвращают, если измеренная температура ниже, чем пороговое значение.

Изобретение относится к области химии высокомолекулярных соединений и нанотехнологиям и касается, в частности, способа получения полимерного материала, содержащего неорганические нано- или микрочастицы, который может найти применение в технике, например, в качестве: полимерных материалов с улучшенными механическими свойствами, газопроницаемых материалов, наполнителей резин, каучуков и нанокатализаторов.

Способ очистки поверхности открытых водоемов от загрязнения нефтью и нефтепродуктами включает применение сорбентов и нефтеокисляющих микроорганизмов, в качестве сорбента используют опил сосновый фракцией 2-10 мм, помещенный в сорбирующие боновые заграждения, которые размещают по выбранным рубежам локализации нефти и нефтепродуктов, смывают с береговой кромки в водную массу нефть и нефтепродукты водой под давлением, очищают почву береговой линии сорбентом - опилом сосновым, производят нефтесборной системой сбор с поверхности открытого водоема нефтеводяной смеси, помещают эту смесь в цистерны или быстроразворачиваемые емкости, осуществляют сбор сорбирующих боновых заграждений с поверхности открытого водоема, изготавливают из насыщенного нефтью и нефтепродуктами сорбента брикеты, определяют остаточную концентрацию нефти и нефтепродуктов в обработанной водной массе, сравнивают последнюю с уровнем предельно допустимой концентрации их в водных объектах соответствующего значения, при превышении остаточной концентрацией уровня предельно допустимой производят доочистку водных масс с помощью микроорганизмов, способных к деструкции углеводородов нефти и нефтепродуктов, для чего в водную массу погружают инертную загрузку - полиэтиленовую пленку на период до четырех месяцев, поддерживают в течение всего периода температуру водной массы на уровне не менее 10°C, определяют с периодичностью один раз в неделю остаточную концентрацию нефти и нефтепродуктов в водной массе, при достижении уровня предельно допустимой концентрации нефти и нефтепродуктов из водной массы удаляют инертную загрузку.

Изобретение относится к способу очистки микафунгина. Способ включает нанесение исходного сырья микафунгина на подложку гидрофобной адсорбирующей смолы, воздействие на связанный микафунгин водного раствора растворенной фармацевтически приемлемой соли, элюирование растворенной фармацевтически приемлемой соли микафунгина раствором, содержащим органический растворитель, смешивающийся с водой, при этом исходное сырьё или водный раствор содержат органический растворитель, смешивающийся с водой.

Изобретение относится к способу выделения триптофана из водных смесей веществ, прежде всего из уже частично подвергнутых переработке ферментационных бульонов, путем хроматографии с псевдодвижущимся слоем.

Изобретение относится к усовершенствованному способу солюбилизации и выделения карбоновых кислот с использованием солюбилизирующего соединения общей формулы (I) или (II), в которых значения для групп Х, L, R'', R, R' приведены в формуле изобретения, из водных или органических растворов, эмульсий, суспензий, образующихся при лекарственной терапии, в аналитических методах медицины, в аналитических методах пищевой промышленности, при промышленной переработке продуктов питания, при промышленной переработке масел, при анализах масел, при промышленной переработке топлива, при модификации химических или физико-химических взаимодействий, для солюбилизации плохо растворимых молекул, в аналитических методах фармацевтической или химической промышленности или науки, для удаления карбоновых кислот из сточных вод после частных, коммерческих или промышленных чисток, для удаления карбоновых кислот из биореакторных процессов, при органожелировании или наноэмульсификации карбоновых кислот, где указанное солюбилизирующее соединение содержит по меньшей мере одну амидиногруппу и/или по меньшей мере одну гуанидиногруппу и где солюбилизирующее соединение имеет коэффициент разделения смеси н-октанол-вода KOW < 6,30, при этом использование указанного солюбилизирующего соединения приводит к образованию микро- или наноэмульсий указанных карбоновых кислот и обеспечивает их выделение посредством комплексообразования, адсорбции, абсорбции, диффузии, осмоса, диализа, фильтрации, нанофильтрации, дистилляции, жидкость-жидкостной экстракции или сверхкритической жидкостной экстракции, за счет создания концентрационного градиента, термического градиента, электрического градиента, физико-химического градиента или их комбинаций.

Изобретение относится к способу адсорбционного разделения компонента из потока, предпочтительно ароматических углеводородов. Поток исходного материала и поток десорбента вводят в два разных порта через две разные линии передачи вдоль камеры адсорбционного разделения с множеством слоев.

Изобретение относится к способу адсорбционного отделения компонента, преимущественно ароматического углеводорода, из сырьевого потока. Согласно способу поток сырья, содержащий преимущественно адсорбируемый компонент и не преимущественно адсорбируемый компонент, и поток десорбента вводят в два разных порта через две разные соответствующие линии передачи по направлению к камере адсорбционного разделения.

Изобретение относится к вариантам способа регулирования расхода одного или нескольких циркулирующих потоков и сохранения энергии при его/их перекачке. В свою очередь один из вариантов предусматривает использование в способе отделения при постоянном давлении адсорбированного соединения из потока сырья, который содержит два или больше химических соединений, путем адсорбционного разделения в псевдодвижущемся слое, находящемся в одной или нескольких камерах с несколькими слоями адсорбента, которые имеют множество точек доступа, где каждый поток сырья и поток десорбента вводятся внутрь, а поток экстракта, который содержит указанное адсорбированное соединение, и поток рафината каждый индивидуально выводятся из одной или нескольких камер с адсорбентом в ходе цикла переработки через сдвигающиеся индивидуальные точки доступа.

Изобретение относится к области противоточного адсорбционного разделения компонентов. Способ разделения включает введение потока сырья и потока десорбента в две различные точки с помощью двух передаточных линий.

Группа изобретений относится к области биотехнологии. Предложены способы получения биологически активного ботулинического нейротоксина с использованием хроматографии, по существу без использования продуктов животного происхождения.

Изобретение относится к адсорбционному выделению компонентов из потока сырья. Адсорбцию осуществляют в системе с псевдодвижущимся слоем адсорбента.

Изобретение относится к полимерной системе, обладающей селективностью адсорбции по размерам и, в частности, к полимерным системам, имеющим множество пор, в том числе транспортные поры, и отрицательный ионный заряд на их поверхности. Биосовместимая и/или гемосовместимая полимерная система, обладающая селективностью адсорбции по размерам, включающая по меньшей мере один полимер с множеством пор, при этом указанный полимер содержит транспортные поры с диаметром от 250 до 2000 и эффективные поры с диаметром от 100 до 250 , при этом объем транспортных пор указанного полимера составляет от 1,8 до 78% от емкости порового пространства указанного полимера, и объем эффективных пор составляет от 22 до 98,2% емкости порового пространства, где емкость пор представляет собой общую сумму эффективных пор и транспортных пор и где поровое пространство пор более 300 составляет 2,0% или менее от общего порового пространства. Изобретение позволяет получить адсорбенты для гемоперфузии, обладающие высокой селективностью адсорбции белков малых и средних размеров, исключая крупные белки. 14 з.п. ф-лы, 1 ил., 3 табл., 4 пр.
Наверх