АППАРАТУРА ПЛЁНОЧНОГО ТИПА ДЛЯ ПРОЦЕССА ЖИДКОФАЗНОГО НИТРОВАНИЯ (ОБЗОР КОНСТРУКЦИЙ)

DOI: 10.257127ASTU.2072-8921.2018.04.021 УДК 666.9.022.3

АППАРАТУРА ПЛЁНОЧНОГО ТИПА ДЛЯ ПРОЦЕССА ЖИДКОФАЗНОГО НИТРОВАНИЯ

М. С. Василишин, А. А. Кухленко, А. Г. Овчаренко, О. С. Иванов, А. Г. Карпов, Д. Б. Иванова, С. Е. Орлов

В статье проанализированы требования, предъявляемые к аппаратурно-технологическому оформлению процесса жидкофазного нитрования. Отмечена безальтернативность использования для этих целей оборудования непрерывного действия. Сформулированы требования, обеспечивающие полноту химического превращения в условиях жидкофазного нитрования. Сделан вывод о перспективности использования массообменной аппаратуры плёночного типа. С применением критериального уравнения массоотдачи при плёночном течении жидкости показана возможность значительного увеличения эффективности перемешивания фаз за счёт больших градиентов скорости в потоке и интенсификации процесса нитрования. Проведён обзор конструкций аппаратов, обеспечивающих взаимодействие реагирующих фаз в стекающей плёнке. Отмечена сравнительно невысокая эффективность массообмена вследствие её значительной толщины, малой относительной скорости движения контактирующих сред и неустойчивости гидродинамических режимов течения. Рассмотрен малогабаритный нитратор роторного типа, лишённый части отмеченных недостатков. Однако он не обеспечивает гарантированное получение однородных тонкодисперсных эмульсий и обладает пониженными эксплуатационными характеристиками. Проанализирована конструкция центробежного массообменного аппарата, реализующая принцип предварительного диспергирования одной из фаз. Аппарат отличается повышенной технологической эффективностью и может дополнительно выполнять функции транспортирующего средства. На основе анализа образцов аппаратуры выявлены некоторые тенденции при их проектировании. Выполнена оценка возможности использования отдельных конструкций в качестве базового оборудования для процесса жидкофазного нитрования.

Ключевые слова: массообменное оборудование плёночного типа, процесс жидкофазного нитрования.

Основным технологическим процессом получения большого числа нитросоединений, в том числе нитратов спиртов, является жидкофазное нитрование [1, 2], сопровождающееся выделением

значительного количества тепла и характеризующееся, как правило, низкой химической стабильностью продуктов реакции. Отмеченные обстоятельства предъявляют специфические требования как к безопасному ведению самого технологического процесса, так и к конструкции аппаратов-нитраторов.

Аппаратурно-технологическое оформление жидкофазного нитрования должно соответствовать ряду требований [3]. Прежде всего, сам процесс необходимо осуществлять в аппаратуре непрерывного действия, что гарантирует устойчивое поддержание рабочего технологического режима. Для обеспе-

чения полноты химического превращения движущая сила процесса (концентрационный напор) должна быть максимальной, а контакт продуктов реакции с веществами в неё вступающими - исключаться. В свою очередь, технологическое оборудование, в котором происходит нитрование, должно быть малогабаритным и обеспечивать интенсивное перемешивание фаз при оптимальном времени их контакта.

В практике нитрования спиртов [2, 4] указанным требованиям в значительной степени отвечают струйные смесительные устройства (инжекторы), с помощью которых обеспечивается необходимая однородность реакционной смеси в достаточно малом объёме за короткий промежуток времени, что создаёт предпосылки для эффективного протекания химического превращения. В то же время применение инжекторов не позволяет

получать тонкодисперсные эмульсии, что является важнейшим условием для жидкофаз-ного нитрования. Кроме того, относительная скорость струи в смесительной камере инжектора быстро снижается до нулевых значений, при этом её энергия расходуется не на диспергирование, а на перемещение всего объёма контактирующих фаз, что связано с дополнительными энергозатратами.

Сама установка нитрования занимает значительные производственные площади. В её состав входит большое количество специализированного оборудования, в том числе насосы высокого давления. По этим причинам она малопригодна для получения небольших партий нитратов спиртов, потребность в которых особенно велика в фармацевтике, производстве присадок к моторным топливам и т. д.

В этом плане практический интерес представляют аппараты плёночного типа [5], в которых процесс химического превращения реализуется в тонком слое жидкости, движущейся в поле массовых сил (гравитационных, центробежных). Известно [6], что процессы тепло- и массообмена, протекающие в тонких плёнках, обладают значительной интенсивностью. Из критериального уравнения массо-отдачи следует, что увеличение коэффициента переноса р пропорционально уменьшению толщины плёнки б:

р=(й/б)Рет8сп,

где й - коэффициент диффузии, м2/с; б -толщина плёнки, м; Ре, Бс - критерии Рей-нольдса и Шмидта соответственно; т, п - коэффициенты, определяемые опытным путём.

С учётом того, что толщина жидкостной плёнки, генерируемой, например, на внутренней поверхности ротора центробежного мас-сообменного аппарата, находится в пределах от 1-10-4 до 110-5 м, а скорость её движения составляет 0,5-2,0 м/с [7], следует ожидать существенного увеличения интенсивности перемешивания фаз за счёт значительных градиентов скорости в потоке.

Следует отметить, что сведения о реакционном оборудовании, использующем такой способ контакта фаз, немногочисленны. В этой связи определённый интерес представляет анализ отдельных конструкций, которые могут применяться в качестве основной технологической аппаратуры для жидко-фазного нитрования.

В [8] сообщается о разработке конструкции аппарата, предназначенного для смешения жидкостей в режиме стекающей плёнки. Принципиальная схема аппарата представ-

лена на рисунке 1.

Аппарат включает вертикальный цилиндрический корпус 1 с коническим днищем. На его внутренней поверхности размещается винтовая вставка 2 и тангенциальный щелевой патрубок 3 для подвода одного из реагентов. Патрубок 4 с радиальным распылителем 5 предназначается для подвода второго реагента. Вывод продуктов реакции из аппарата производится через патрубок 6. Согласно описанию, один из реагентов через щелевой патрубок 3 непрерывно поступает на внутреннюю поверхность корпуса 1 и винтовую вставку 2. Второй реагент подводится через патрубок 4 и распылителем 5 диспергируется на стекающую плёнку. Образующиеся продукты взаимодействия выводятся из аппарата самотёком через патрубок 6. Следует отметить, что эффективность массооб-мена в данном случае оказывается сравнительно невысокой вследствие значительной толщины стекающей плёнки и малых значений относительных скоростей движения контактирующих фаз. Кроме того, велика вероятность нарушения сплошности плёнки, что может привести к нарушению режимов обработки.

1 - корпус; 2 - винтовая вставка; 3, 4 - патрубки для подвода реагентов; 5 - распылитель; 6 - патрубок вывода продуктов реакции

Рисунок 1 - Схема аппарата для смешения жидкостей

Оригинальная конструкция устройства для нитрования, отличающаяся малым рабочим объёмом и позволяющая проводить нитрование спиртов при низких значениях модуля кислотной смеси, предложена в [9]. Схема устройства представлена на рисунке 2.

1 - камера смешения; 2 - перегородки; 3, 4 - патрубки подвода реагентов;

5 - крышка; 6 - корпус; 7 - кольцевая камера; 8 - отражательный диск;

9 - патрубок вывода продуктов реакции

Рисунок 2 - Схема устройства для нитрования спиртов

Устройство состоит из двух вертикально расположенных секций. В состав первой секции входит вращающаяся камера смешения 1, выполненная в виде колеса центробежного насоса, закреплённого на валу привода устройства. Между верхним и нижним дисками колеса расположены перегородки 2, образующие самостоятельные ячейки для нитрования. Подача спирта и кислотной смеси во внутреннюю полость колеса производится через патрубки 3 и 4, закреплённые на крышке 5. Вторая секция представляет собой конический корпус 6, имеющий в верхней части кольцевую камеру 7, в которой коакси-ально устанавливается камера смешения 1

первой секции. Кольцевая камера 7 закрыта отражательным диском 8, имеющим канал для выхода нитрозных газов. В нижней части корпуса 6 имеется патрубок 9 для вывода продуктов реакции.

Работа устройства осуществляется следующим образом. Исходные реагенты через патрубки 3 и 4 поступают самотёком во внутреннюю полость вращающегося колеса и перегородками 2 распределяются по ячейкам, в которых, собственно, и происходит процесс нитрования. Далее нитромасса поступает в кольцевую камеру 7, где образует вращающийся слой, который затем трансформируется в плёнку, стекающую по стенке конического корпуса 6 и выводящуюся из устройства через патрубок 9. Сообщается, что устройство обеспечивает надёжное протекание процесса нитрования при температуре 15-20 С. Необходимость в применении насосов-дозаторов и другой специализированной техники отсутствует. Вместе с тем существенным недостатком устройства является то, что определённая часть продуктов реакции может оседать в виде капель на внутренней поверхности отражательного диска, что создаёт повышенную опасность их термического разложения.

С целью повышения выхода целевых продуктов при нитровании спиртов и повышения безопасности процесса разработана конструкция малогабаритного нитратора [10]. Принципиальная схема нитратора представлена на рисунок 3.

1 - корпус; 2 - крышка; 3 - тарель; 4 - диск; 5 - смесительная трубка; 6, 7 - трубки для подачи кислотной смеси и спирта

Рисунок 3 - Схема малогабаритного нитратора

Нитратор содержит корпус 1 с крышкой 2, вращающуюся на вертикальном валу тарель 3 с закреплённым на ней диском 4,

смесительную трубку 5, а также трубки 6 и 7 для подачи кислотной смеси и спирта. С внутренней стороны крышки 2 крепится отбойник 8.

Работа нитратора осуществляется в следующей последовательности. Кислотная смесь и спирт подаются в полость тарели 3 по трубкам 6 и 7 соответственно. Кислотная смесь по зазору между диском 4 и поверхностью тарели отбрасывается к её периферии в торовое пространство. Туда же поступает спирт. Реакционная смесь поступает в смесительную трубку 5, на выходе из которой насыщается воздухом. Разбрызгивание реакционной смеси предотвращает отбойник 8.

Как показали испытания нитратора, температура процесса не превышала допустимых значений, а наличие отбойника гарантировало отсутствие капель нитропродуктов на внутренней поверхности крышки аппарата. Однако реализованную в конструкции нитра-тора схему смешения реагирующих потоков нельзя признать эффективной, поскольку она не гарантирует тонкого диспергирования одной из фаз, что является обязательным условием для обеспечения высокого выхода целевых продуктов.

1 - корпус; 2 - крышка; 3 - средство приёма реагентов; 4 - конфузор; 5 - крышка;

6 - центробежная форсунка; 7 - трубка для подачи реагентов; 8 - рубашка; 9, 10 - патрубки для ввода и вывода теплоносителя или хладагента; 11 - трубка вывода реакционной массы; 12 - ротор;

13 - вал привода; 14 - зазор; 15 - технологический патрубок

Рисунок 4 - Схема центробежного массообменного аппарата для систем «жидкость - жидкость»

Отмеченный недостаток устранён в конструкции центробежного массообменного аппарата для систем «жидкость - жидкость» [11], реализующего принцип предварительно-ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК № 4 2018

го диспергирования одной из фаз. Принципиальная схема аппарата представлена на рисунке 4.

Аппарат содержит корпус 1 с крышкой 2, дно которой соединяется со средством приёма реагентов 3. Верхняя часть средства сопрягается с конфузором 4, закрытого сверху крышкой 5. На крышке размещены центробежная форсунка 6 и трубка 7, обеспечивающие подачу реагентов в аппарат. Дополнительно конструкция снабжена плоской приварной рубашкой 8, внутреннее пространство которой сообщается с патрубком 9 для ввода и патрубком 10 для вывода теплоносителя или хладагента.

Для вывода реакционной массы из аппарата предусмотрена трубка 11, которая вводится в тороидальную часть комбинированного ротора 12, закреплённого непосредственно на приводном валу 13.

Внутренние поверхности конических частей крышки 2 и ротора 12 образуют зазор 14 для прохода реакционной массы по рабочему пространству аппарата. Для сброса реакционной массы в аварийных ситуациях в аппарате предусмотрен технологический патрубок 15.

Аппарат работает следующим образом. Исходные жидкие компоненты (реагент 1 и реагент 2) подаются во внутреннюю полость средства приёма 3. Первый реагент диспергируется центробежной форсункой 6, а второй поступает через трубку 7 в виде струи на периферийную часть внутренней поверхности конфузора 4.

При движении по внутренней поверхности конфузора реагент 2 образует вращающуюся плёнку, на которую направлен факел распыла реагента 1. Такая схема контактирования фаз позволяет обеспечить их оптимальное соотношение в микрообъёмах, повысить безопасность процесса и увеличить выход целевого продукта. Проходя через зазор 14, реакционная масса дополнительно подвергается мощному сдвиговому воздействию, что также усиливает межфазный контакт и далее выводится из аппарата через трубку 11 под избыточным давлением. Аппарат может выступать в роли самостоятельного транспортного средства и легко вписывается в непрерывно действующие линии.

Таким образом, на примере рассмотренных конструкций малогабаритного технологического оборудования плёночного типа проанализированы основные тенденции при их проектировании и выполнена оценка возможности использования отдельных образцов для жидкофазного нитрования.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Орлова, Е. Ю. Химия и технология бризантных взрывчатых веществ / Е. Ю. Орлова. - Л.: Химия, 1973. - 688 с.

2. Питеркин, Р. Н. Технология нитроэфиров и нитроэфирсодержащих взрывчатых веществ / Р. Н. Питеркин, Р. Ш. Просвирнин, Е. А. Петров. -Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2012. - 268 с.

3. Генералов, М. Б. Химические реакторы производств нитропродуктов : учебное пособие для ВУЗов / М. Б. Генералов, В. С. Силин. - М.: ИЦК «Академкнига», 2004. - 392 с.

4. Чуфаровский, А. А. Современные методы и оборудование для получения жидкофазных смесей / А. А. Чуфаровский, В. С. Галустов. - М.: Цин-тихимнефтемаш, 1990. - 46 с.

5. Пляцук, Л. Д. Основы гидродинамики и массопереноса в роторных массообменных аппаратах / Л. Д. Пляцук, В. П. Шапоров, В. Ф. Моисеев [и др.]. - Изд-во Сумского ун-та, 2013. - 171 с.

6. Кафаров, В. В. Основы массопередачи. Системы «газ-жидкость», «пар-жидкость», «жидкость-жидкость» / В. В. Кафаров. - М.: Высшая школа, 1979. - 439 с.

7. Кухленко, А. А. Расчёт параметров течения плёнки жидкости по рабочей поверхности центробежного массообменного аппарата / А. А. Кухленко, С. Е. Орлов, М. С. Василишин // Ползуновский вестник. - 2017. - №4. - С. 145-150.

8. А.с. 997771 СССР. МКИ В01Р5/18. Аппарат для контактирования сред / Н. В. Беловолов, М. А. Борц, В. Ю. Буров, Ю. П. Гупало, Ю. В. Мартынов, Ю. С. Рязанцев; заявл. 07.08.1981, опубл. 23.02.1983, б.и. № 7.

9. Пат. 91717 на полезную модель Российская Федерация. МПК С07С201/02. Устройство для нитрования спиртов / К.Ш. Валиуллин, В. П. Ильин, С. И. Валешний, Е. В. Колганов; заявл. 13.10.2009, опубл. 27.02.2010, б.и. № 6.

10. Пат. 2603773 Российская Федерация. МПК С07С201/02, В01Л9/00, В01Р5/00. Нитратор для получения жидких нитроэфиров / В. М. Загородни-

ков, Р. Н. Питеркин, Р. Ш. Просвирнин, А. С. Савицкий; заявл. 12.10.2015, опубл. 27.11.2016, б.и. № 33.

11. Пат. 2663038 Российская Федерация СПК B01J8/10, B01J14/00, В01F5/00; B01F7/16. Центробежный массообменный аппарат для систем «жидкость-жидкость» / Г. В. Сакович, М. С. Василишин, А. А. Кухленко, О. С. Иванов, А. Г. Карпов, Д. Б. Иванова, С. Е. Орлов; заявл. 01.12.2017, опубл. 01.08.2018, б.и. № 22.

Василишин Михаил Степанович,

д.т.н., доцент, заведующий лабораторией ИПХЭТ СО РАН, г. Бийск, ул. Социалистическая, 1, 659322, e-mail: ipcet@mail.ru.

Кухленко Алексей Анатольевич, к.т.н., доцент, старший научный сотрудник ИПХЭТ СО РАН, г. Бийск, ул. Социалистическая, 1, 659322, e-mail: ipcet@mail.ru.

Овчаренко Александр Григорьевич, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой БТИ АлтГТУ им. И.И. Ползунова, г. Бийск, ул. Трофимова, 27, 659305, e-mail: tmk@bti. secna. ru.

Иванов Олег Сергеевич, к.т.н., старший научный сотрудник ИПХЭТ СО РАН, г. Бийск, ул. Социалистическая, 1, 659322, e-mail: ipcet@mail.ru.

Карпов Анатолий Геннадьевич, научный сотрудник ИПХЭТ СО РАН, г. Бийск, ул. Социалистическая, 1, 659322, e-mail: ip-cet@mail.ru.

Иванова Дарья Борисовна, к.т.н., научный сотрудник ИПХЭТ СО РАН, г. Бийск, ул. Социалистическая, 1, 659322, email: ipcet@mail.ru.

Орлов Сергей Евгеньевич, к.т.н., научный сотрудник ИПХЭТ СО РАН, г. Бийск, ул. Социалистическая, 1, 659322, email: ipcet@mail.ru.