ХИМИЧЕСКИЙ РЕАКТОР ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ПРОЦЕССОВ В ГЕТЕРОГЕННЫХ СРЕДАХ
CHEMICAL REACTOR FOR CARRYING OUT PROCESSES IN HETEROGENEOUS MEDIA

Изобретение относится к конструкциям реакционных аппаратов малого объема периодического действия и может использоваться для получения смесей горячего отверждения различного назначения.
Известен химический реактор для проведения гетерогенных процессов, содержащий корпус с теплообменной рубашкой, вал с перемешивающим устройством, барботер, двухрядный змеевик, отражательные перегородки [Васильцов Э.А., Ушаков В.Г. Аппараты для перемешивания жидких сред. Справочное пособие. - Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1979, 26 с., 76 с.].
Недостатком реактора является низкая эффективность перемешивания высоковязкой жидкости с вкраплениями твердой фазы в горизонтальном направлении, обусловленная наличием теплообменного элемента в виде двухрядного змеевика внутри реакционной камеры.
Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату является химический реактор для проведения процессов в гетерогенных средах, содержащий корпус с теплообменной рубашкой, направляющие устройства, крышку, загрузочный и разгрузочный патрубки и вал с перемешивающим устройством [патент RU 2429063, МПК: B01J 8/10, опубл. 20.09.2011 г.]. Направляющие устройства выполнены в виде радиально расположенных пластин, закрепленных на внутренней поверхности корпуса.
Недостатком реактора является низкая эффективность гомогенизации компонентов реакционной смеси, обусловленная появлением застойных зон между пластинами направляющих устройств внутри реактора, а также увеличением инерционности системы при поддержании заданного температурного режима в связи с использованием теплообменной рубашки с патрубками для подвода и отвода теплоносителя.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение эффективности гомогенизации компонентов реакционной смеси за счет исключения застойных зон внутри реактора и использования малоинерционного разогрева при получении образцов герметизирующих материалов.
Технический результат достигается тем, что в химическом реакторе для проведения процессов в гетерогенных средах, содержащем корпус с теплообменной рубашкой, крышку, загрузочный и разгрузочный патрубки, механизм вращения, на оси которого установлен вал вдоль продольной оси корпуса, последовательно соединенные датчик температуры и блок управления, дополнительно в нижней части вала установлена якорная мешалка, выше которой дополнительно установлены перпендикулярно валу, по меньшей мере, две лопасти, хвостовик которых имеет кручение относительно плоскости основания на 40…50°, при этом лопасти установлены с заданным зазором по отношению к внутренней стенке корпуса, датчик температуры установлен в корпусе реактора между якорной мешалкой и дополнительно установленными лопастями, в теплообменной рубашке установлен нагревательный элемент, дополнительно введен блок ввода данных, выход которого соединен со вторым входом блока управления, первый выход блока управления соединен с механизмом вращения, а второй выход - с нагревательным элементом.
Сущность изобретения заключается в том, что в нижней части вала установлена якорная мешалка, выше которой дополнительно установлены перпендикулярно валу, по меньшей мере, две лопасти, хвостовик которых имеет кручение относительно плоскости основания на 40…50°, при этом лопасти установлены с заданным зазором по отношению к внутренней стенке корпуса, датчик температуры установлен в корпусе реактора между якорной мешалкой и дополнительно установленными лопастями, в теплообменной рубашке установлен нагревательный элемент, дополнительно введен блок ввода данных, выход которого соединен со вторым входом блока управления, первый выход блока управления соединен с механизмом вращения, а второй выход - с нагревательным элементом.
Известно, что установление лопастей под углом 40…50° позволяет достичь некоторого повышения интенсивности перемешивания за счет усиления осевого потока [Гельперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. В двух книгах. М: Химия, 1981. 812 с.]. Установленная якорная мешалка и дополнительно установленные перпендикулярно валу, по меньшей мере, две лопасти, хвостовик которых имеет кручение относительно плоскости основания на 40…50° позволяют значительно интенсифицировать движение твердых кусков и вязкой жидкости вблизи стенки реактора в двух плоскостях без перегрева материала. Именно такое расположение якорной мешалки и дополнительно установленных лопастей, обеспечивающее движение жидкости в горизонтальном и вертикальном направлениях, обеспечивает высокую эффективность гомогенизации реакционной смеси.
Дополнительно установленные лопасти расположены с заданным зазором по отношению к внутренней стенке реактора, который может быть рассчитан как отношение диаметра мешалки d к внутреннему диаметру D реактора d/D=0,7-0,9, при этом именно такой зазор позволяет достичь высокой эффективности гомогенизации компонентов вблизи внутренней стенки [Гельперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. В двух книгах. М.: Химия, 1981. 812 с.].
Установление датчика температуры в корпусе реактора между якорной мешалкой и дополнительно установленными лопастями обеспечивает наиболее точное определение температуры в центре реактора для своевременного включения механизма вращения, так как нагревание и последующее размягчение твердых исходных ингредиентов происходит от стенок вглубь реактора.
Введение блока ввода данных позволяет задавать необходимые параметры технологического процесса: температуру внутри реактора, при которой происходит размягчение исходного материала и температуру расплавленной смеси ингредиентов, при которой происходит химическая реакция. Выход блока ввода данных соединен с входом блока управления, первый выход блока управления соединен с механизмом вращения, а второй выход - с нагревательным элементом, установленным в теплообменной рубашке для снижения инерционности системы. Такое последовательное соединение дает возможность формировать и подавать команды на отключение или включение нагрева нагревательному элементу и на включение механизма вращения при достижении температуры размягчения исходных ингредиентов, что обеспечивает высокую эффективность гомогенизации.
Химический реактор для проведения процессов в гетерогенных средах представлен на фиг., где обозначено: 1 - корпус реактора; 2 - теплообменная рубашка; 3 - нагревательный элемент; 4 - загрузочный патрубок; 5 - разгрузочный патрубок; 6 - вал мешалки; 7 - якорная мешалка; 8 - дополнительно установленные лопасти; 9 - датчик температуры; 10 - блок управления; 11 - блок ввода данных; 12 - механизм вращения.
Назначение нагревательного элемента 3, якорной мешалки 7, дополнительно установленных лопастей 8, датчика температуры 9, механизма вращения 12 ясны из их названия. Они могут быть выполнены с использованием известных технических элементов.
1
2
1
2
1
2
2
Химический реактор работает следующим образом: в реактор через загрузочный патрубок 4 загружаются жидкие и твердые исходные ингредиенты. В блок ввода данных 11 вводятся исходные данные: t - температура внутри реактора, при которой происходит размягчение исходного материала, и t - температура расплавленной смеси ингредиентов, при которой происходит химическая реакция, например, для смеси битумно-полимерных композитов t=70°C, t≈120-170°C [Платонов А.П. Полимерные материалы в дорожном и аэродромном строительстве. - М.: Транспорт, 1994. 157 с.]. Включают нагревательный элемент 3, с датчика температуры 9 поступает сигнал на блок управления и при достижении температуры внутри химического реактора до температуры t в блоке управления формируется команда на включение механизма вращения 12. Начинается процесс перемешивания реакционной смеси. Нагрев реакционной смеси продолжается до заданной температуры t. При достижении температуры t эффективность гомогенизации становится максимальной и в блоке управления формируется команда на отключение или включение нагрева нагревательному элементу для поддержания данной температуры до окончания химических реакций, протекающих в гомогенизированной реакционной смеси в изотермических условиях. По окончании процесса нагрев реактор и механизм вращения отключают, и смесь горячего отверждения выводят из реактора через разгрузочный патрубок 4.