Химический реактор

Химический реактор

Реферат

Изобретение относится к химическому машиностроению, а именно к конструкциям реакторов непрерывного действия, предназначенных для проведения процессов, идущих с выделением или поглощением тепла, в частности процесса получения мыльной основы в составе установок производства мыла по непрерывной технологии, и может быть использовано в мыловаренной, масложировой, пищевой и других отраслях промышленности.

Известен химический реактор для экзотермического процесса получения мыльной основы, описанный в GB 633138, содержащий снабженный входным и выходным патрубками протяженный полый корпус, в котором по его продольной оси установлено перемешивающее устройство шнекового типа. В данном реакторе процесс конверсии исходных реагентов в целевой продукт осуществляется при перемещении реакционной массы от входного патрубка к выходному с ее одновременным перемешиванием с помощью устройства шнекового типа.

В рассматриваемом реакторе за счет перемешивания реагентов в процессе их перемещения внутри корпуса достигается интенсификация массо- и теплообмена, в результате чего достигается ускорение химического процесса. Однако для работы перемешивающего устройства требуются дополнительные затраты энергии.

Известен химический реактор для экзотермического процесса получения мыльной основы [GB 2104542], содержащий полый корпус с входным и выходным патрубками, в котором установлены распределенные по рабочему объему реактора и ориентированные вдоль продольной оси корпуса концентрично расположенные пары трубчатых протяженных элементов. В данном реакторе химические реагенты поступают в узкие кольцевые зазоры между трубчатыми элементами и продвигаются в указанных зазорах в направлении от входного патрубка к выходному патрубку. При этом в рабочий объем реактора подается теплоноситель. Взаимодействие реагентов в реакторе происходит в тонкопленочном слое в присутствии теплоносителя, за счет чего достигается интенсификация химического процесса.

Однако данный реактор является сложным по конструкции и требует дополнительных затрат на нагрев и подачу теплоносителя.

Известен химический реактор непрерывного действия, в частности для проведения экзотермического процесса окисления сточных вод [DE 19614766], являющийся наиболее близким по конструкции к заявляемому реактору и выбранный авторами в качестве ближайшего аналога.

Рассматриваемый реактор содержит полый протяженный цилиндрический корпус, имеющий отверстие в верхней части и снабженный выходным патрубком, расположенным радиально в верхней части корпуса. В полости корпуса помещен разделитель, делящий рабочий объем реактора на две зоны перемещения потоков реакционной массы. Разделитель выполнен в виде стакана, диаметр боковой поверхности которого согласован с диаметром отверстия в верхней части корпуса, размещенного в полости корпуса донной частью вверх с образованием кольцевого зазора между его наружной боковой поверхностью и внутренней боковой поверхностью корпуса, при этом донная часть разделителя выступает наружу относительно верхней части корпуса. Реактор содержит входной патрубок, расположенный радиально в донной части разделителя, а также размещенные в полости разделителя и пропущенные через его донную часть Г-образные протяженные патрубки различной длины, предназначенные для подвода теплоносителя в различные реакционные зоны.

В данном реакторе осуществляется встречное продвижение реакционной массы в цилиндрической полости разделителя и в кольцевом зазоре между корпусом и разделителем. При этом происходит теплообмен через стенку разделителя между перемещающимися в указанных зонах потоками реакционной массы, что способствует выравниванию температурного поля в рабочем объеме реактора и соответственно интенсификации химического процесса. Кроме того, выравнивание температурного поля в рабочем объеме реактора достигается с помощью подвода теплоносителя в различные зоны полости разделителя через Г-образные патрубки.

Задачей заявляемого изобретения является расширение арсенала реакторов непрерывного действия, обеспечивающих выравнивание температурного поля в рабочем объеме реактора при проведении химического процесса, идущего с поглощением или выделением тепла.

Сущность изобретения заключается в том, что в химическом реакторе, содержащем полый протяженный цилиндрический корпус, входной и выходной патрубки, а также выполненный в виде стакана разделитель рабочего объема реактора, установленный коаксиально в корпусе с образованием кольцевого зазора между боковыми поверхностями разделителя и корпуса, согласно изобретению входной и выходной патрубки расположены на противоположных торцах корпуса по его продольной оси, разделитель полностью размещен внутри корпуса с образованием зазора между донной частью разделителя и торцевой поверхностью корпуса, на которой расположен выходной патрубок, и зазора между концевыми участками боковой поверхности разделителя и торцевой поверхностью корпуса, на которой расположен входной патрубок, входной патрубок выполнен в виде протяженного открытого с входного и выходного концов трубчатого элемента, установленного с образованием зазора между донной частью разделителя и выходным концом входного патрубка, а также кольцевого зазора между боковыми поверхностями указанного патрубка и разделителя.

В заявляемом изобретении за счет выполнения входного патрубка протяженным и установки его по продольной оси корпуса, расположения входного патрубка и разделителя внутри корпуса с образованием внутреннего кольцевого зазора между боковыми поверхностями входного патрубка и разделителя и внешнего кольцевого зазора между боковыми поверхностями разделителя и корпуса продвижение реакционной массы от входа в реактор к выходу из него осуществляется при ее прохождении по зазорам, сформированным в рабочем объеме реактора поверхностями разделителя и входного патрубка. Благодаря выбранному взаимному расположению корпуса, разделителя, входного и выходного патрубков поступающая в реактор через входной патрубок реакционная масса равномерно распределяется по внутреннему кольцевому зазору, поступательно перемещается сначала по внутреннему, а затем по внешнему кольцевым зазорам и выходит из реактора через выходной патрубок, обтекая донную часть разделителя. При этом происходит вытеснение каждого предыдущего слоя реакционной массы последующим слоем без их перемешивания. При малых скоростях движения реакционной массы, обеспечивающих ее ламинарное течение, конструктивные особенности реактора, обуславливающие описанный выше характер продвижения реакционной массы в рабочем объеме реактора, позволяют осуществлять в нем химический процесс в режиме, близком к режиму идеального вытеснения.

При осуществлении процессов, идущих с поглощением иди выделением тепла, между сформированными в рабочем объеме реактора потоками реакционной массы, движущимися навстречу друг другу, происходит перенос тепла через стенки и дно разделителя, в результате которого в каждом поперечном сечении реактора температура реакционной массы, находящейся во внутреннем и внешнем кольцевых зазорах, усредняется. При этом в каждом поперечном сечении реактора устанавливается практически одинаковая средняя температура слоев реакционной массы, расположенных во внутреннем и внешнем кольцевом зазорах. Таким образом, техническим результатом, достигаемым при осуществлении изобретения, является выравнивание температурного поля в рабочем объеме реактора при осуществлении процессов, идущих с выделением или поглощением тепла.

На чертеже представлен общий вид заявляемого реактора.

Реактор содержит полый протяженный цилиндрический вертикально ориентированный корпус 1, снабженный входным и выходным патрубками 2 и 3, расположенными соответственно на нижнем и верхнем торцах корпуса 1 по его продольной оси. Внутри корпуса коаксиально установлен выполненный в виде стакана разделитель 4 рабочего объема реактора. Разделитель 4 полностью размещен внутри корпуса 1 с образованием внешнего кольцевого зазора между боковыми поверхностями разделителя 4 и корпуса 1, а также с образованием зазора между донной частью разделителя 4 и верхним торцом корпуса 1 и зазора между концевыми участками боковой поверхности разделителя 4 и нижним торцом корпуса 1. Входной патрубок 2 выполнен в виде протяженного открытого с входного и выходного концов трубчатого элемента, установленного с образованием зазора между донной частью разделителя 4 и выходным концом входного патрубка 2, а также внутреннего кольцевого зазора между боковыми поверхностями патрубка 2 и разделителя 4. Диаметры корпуса 1, разделителя 4 и входного патрубка 2 выбраны такими, что площади поперечного сечения внешнего и внутреннего кольцевых зазоров равны. Реактор также содержит внешнюю тепловую рубашку 5, предназначенную для подачи в нее, в случае необходимости, хладагента или теплоносителя.

Реактор работает следующим образом.

В патрубок 2 со стороны его входного конца поступает смесь исходных реагентов, в частности в виде высокодисперсной эмульсии.

Из патрубка 2 со стороны его выходного конца реакционная масса поступает в зазор между указанной частью патрубка 2 и донной частью разделителя 4, обтекает внутреннюю поверхность указанной донной части, а затем равномерно распределяется по внутреннему кольцевому зазору и перемещается по нему сверху вниз. После заполнения рабочего объема реактора в области зазора между концевыми участками боковой поверхности разделителя 4 и нижним торцом корпуса 1 реакционная масса поступает во внешний кольцевой зазор и движется в указанном зазоре снизу вверх, а затем попадает в зазор между донной частью разделителя 4 и верхним торцом корпуса 1 и выходит из реактора через указанный патрубок, обтекая наружную поверхность донной части разделителя 4. Таким образом, в реакторе образуются внутренний поток реакционной массы, движущийся внутри разделителя 4, и внешний по отношению к нему поток, движущийся в зазорах между разделителем 4 и корпусом 1. В ходе поступательного перемещения реакционной массы в указанных зонах рабочего объема реактора осуществляется взаимодействие реагентов с образованием целевого продукта, сопровождающееся, в зависимости от типа реакции, выделением или поглощением тепла. При равенстве площадей поперечного сечения внешнего и внутреннего кольцевых зазоров скорости продвижения в них реакционной массы и соответственно время пребывания в них реакционной массы одинаковы, при этом удается в максимальной степени для конструкции заявляемого реактора (практически в два раза) уменьшить температуру адиабатического разогрева или охлаждения.

За счет переноса тепла между внутренним и внешним потоками реакционной массы происходит выравнивание ее температуры в каждом поперечном сечении реактора и по его высоте, то есть процесс осуществляется в режиме, близком к изотермическому.

Химический реактор, содержащий полый протяженный цилиндрический корпус, входной и выходной патрубки, а также выполненный в виде стакана разделитель рабочего объема реактора, установленный коаксиально в корпусе с образованием кольцевого зазора между боковыми поверхностями разделителя и корпуса, отличающийся тем, что входной и выходной патрубки расположены на противоположных торцах корпуса по его продольной оси, разделитель полностью размещен внутри корпуса с образованием зазора между донной частью разделителя и торцевой поверхностью корпуса, на которой расположен выходной патрубок, и зазора между концевыми участками боковой поверхности разделителя и торцевой поверхностью корпуса, на которой расположен входной патрубок, входной патрубок выполнен в виде протяженного открытого с входного и выходного концов трубчатого элемента, установленного с образованием зазора между донной частью разделителя и выходным концом входного патрубка, а также кольцевого зазора между боковыми поверхностями указанного патрубка и разделителя.