Реактор для проведения реакций гидролиза
REACTOR FOR HYDROLYSIS REACTIONS

Изобретение относится к химическим реакторам для проведения реакций гидролиза в гидротермальных условиях в присутствии воды при температурах выше 100°C и давлениях не менее величины давления насыщенного пара воды для данной температуры, например, для гидролиза неорганических солей, получения оксидов и гидроксидов путем гидролиза солей металлов, а также проведения обратимых реакций в водных растворах неорганических веществ в присутствии дополнительных компонентов, изменяющих гидролитические равновесия, например, комплексообразователей, осадителей, регуляторов рН, совместного гидролиза солей.
При проведении гидролиза часто возникает необходимость решения проблем полноты протекания гидролиза, что является общей проблемой проведения обратимых реакций. Также в многофазных системах при проведении химических реакций возникает необходимость решения проблем организации оптимального профиля концентрации контактирующих веществ (В.А. Кириллов. Реакторы с участием газа, жидкости и твердого неподвижного катализатора. Новосибирск, Изд-во Сибирского Отделения Российской Академии наук, 1997, 1997, 483 стр., ISBN-5-7692-0057-X). В случаях проведения обратимых реакций нахождение в зоне проведения реакции образующихся продуктов приводит к сдвигу равновесия в сторону образования исходных реагентов, а оптимизация профиля концентраций путем удаления из зоны реакции продукта приведет к сдвигу равновесия в сторону образования продуктов (принцип Ле Шателье).
Известен реактор для проведения экстракции и гидролиза в среде субкритической воды в статическом режиме (с постоянным объемом воды), представляющий собой герметично закрывающийся цилиндрический сосуд из нержавеющей стали, имеющий два отверстия для ввода и вывода компонентов реакции, расположенных на плоских поверхностях устройства (К.С. Тихомирова, Р.Н. Борисенко, Е.В. Ветрова, С.Н. Борисенко, Е.В. Максименко, Н.И. Борисенко, B.И. Минкин. Экстракция глицирризиновой кислоты из корня солодки в среде субкритической воды // Сверхкритические флюиды: теория и практика. 2008. №3. C. 71-74). Реактор не позволяет управлять профилем концентраций в зоне реакции и осуществить полное протекание обратимых реакций гидролиза.
Известен реактор для химических реакций для проведения реакций в среде субкритической воды, воды, находящейся под давлением выше атмосферного при температуре выше 100°C, например, реакций, протекающих с комплексообразованием, а также гидролиза, и экстракции (Пат. на полезную модель RU 125490, B01J 8/20, 10.03.2013), включающий корпус и четыре технологических отверстия, отличающийся тем, что отверстия снабжены клапаном и резиновой прокладкой, повторяющей форму клапана. Существенными недостатками известного реактора являются ограниченные возможности применения реактора. Реактор предназначен для проведения узкого круга процессов с использованием субкритической воды и не предназначен для проведения обратимых реакций гидролиза, не решены проблемы организации оптимального профиля концентрации контактирующих веществ, не решены проблемы надежности.
Известен также реактор, предназначенный для проведения щелочного гидролиза, который взят в качестве прототипа, представляющий собой реактор периодического действия, который используется в системах химической предочистки сточных вод (Пат. Китая №104817157, C02F 1/20; C02F 1/52; C02F 1/72, 2015.08.05). Реактор щелочного гидролиза включает реакционный сосуд, в котором реакционный сосуд соединен с патрубком подачи воды, дренажной трубой и трубой сброса; патрубок сброса выхлопных газов соединен с верхней частью реакционного сосуда; устройство нагрева и устройство аэрации расположены в реакционном сосуде; реакционный сосуд соединен с устройством добавления гидроксида кальция и гипохлорита кальция.
Реактор щелочного гидролиза обеспечивает предварительную обработку сточных вод путем химической очистки с широким диапазоном применения по составу сточных вод и с низкими эксплуатационными расходами. Существенными недостатками известного реактора являются ограниченные возможности применения реактора (используется окисление органических соединений гипохлоритами в присутствии воздуха, при этом перечень реакций гидролиза ограничен случаями гидролиза образующихся цианатов в карбонаты; температурная область применения ограничена диапазоном рабочих температур от 40 до 60°C, не решены проблемы организации оптимального профиля концентрации контактирующих веществ).
Изобретение решает задачу создания оптимального реактора для проведения процессов гидролиза в гидротермальных условиях различных неорганических солей, получения оксидов и гидроксидов путем гидролиза солей металлов, а также проведения обратимых реакций в водных растворах неорганических веществ в присутствии дополнительных компонентов, изменяющих гидролитические равновесия (комплексообразователей, осадителей, регуляторов рН, совместного гидролиза солей). При этом важно обеспечить решение проблем организации оптимального профиля концентрации контактирующих веществ, интенсифицировать процессы гидролиза, обеспечить полноту протекания реакций и обеспечить надежность и технологическую гибкость устройства.
Задача решается тем, что в реакторе гидролиза, включающем реакционный сосуд, в котором реакционный сосуд соединен с патрубком подачи воды, дренажной трубой и трубой сброса; патрубок сброса выхлопных газов соединен с верхней частью реакционного сосуда; реактор содержит встроенное устройство подачи и управления потоком вытесняющего газа, реактор дополнительно содержит встроенный коррозионно-стойкий вкладыш, реактор дополнительно имеет съемную верхнюю часть, реактор дополнительно имеет антикоррозионное покрытие внутренних поверхностей и устройств.
Технический результат - интенсификация обратимых процессов гидролиза, повышение производительности реакторов, в простоте изготовления и эксплуатации устройств, в широкой универсальности применения, в повышении надежности химических процессов.
Заявляемое устройство поясняется чертежом, на котором представлена блок-схема устройства реактора для проведения реакций гидролиза в гидротермальных условиях, а также проведения обратимых реакций в водных растворах неорганических веществ в присутствии дополнительных компонентов, изменяющих гидролитические равновесия.
На чертеже представлена блок-схема реактора для проведения процессов гидролиза в гидротермальных условиях, где: 1 - реакционный сосуд, 2 - встроенный коррозионно-стойкий вкладыш, 3 - встроенное устройство подачи и управления потоком вытесняющего газа, 4 - патрубок подачи воды и реагентов, 5 - патрубок сброса выхлопных газов, 6 - дренажная труба, 7 - блок контроля состава и рН раствора, 8 - блок контроля и управления температурой и давлением, 9 - блок контроля и управления уровнем жидкости, 10 - механизм регулируемого выдвижения и позиционирования относительно уровня жидкости в реакторе.
Блок-схема демонстрирует суть заявляемого устройства реактора для проведения процессов гидролиза в гидротермальных условиях.
Устройство работает следующим образом.
В реактор 1 через патрубок подачи воды и реагентов 4 загружается необходимый объем раствора гидролизуемых веществ до уровня, контролируемого блоком контроля и управления уровнем жидкости 9, далее механизмом регулируемого выдвижения и позиционирования 10 производится позиционирование относительно уровня жидкости в реакторе встроенного устройства подачи и управления потоком вытесняющего газа 3, встроенным устройством подачи и управления потоком вытесняющего газа 3 в реактор в приповерхностное пространство над уровнем жидкости подается поток вытесняющего газа, предпочтительно более тяжелого, чем газы и пары, выделяющиеся в процессе гидролиза веществ, блоком контроля и управления температурой и давлением 8 производится нагрев реактора от внешнего источника до заданной температуры при одновременном достижении заданной величины давления за счет давления вытесняющего газа. При этом величина давления в реакторе равна или превосходит величину давления насыщенного пара воды для данной температуры. При этом выделяющиеся в процессе гидролиза газообразные продукты и пары веществ удаляются вытесняющим газом из зоны реакции через патрубок сброса выхлопных газов 5, что приводит к достижению оптимального профиля концентрации участвующих в реакции гидролиза веществ, и, соответственно приводит к интенсификации процесса гидролиза, обеспечивая полноту его протекания.
Выбор для реактора встроенного коррозионно-стойкого вкладыша 2 обусловлен необходимостью обеспечения надежности аппарата для проведения гидролиза коррозионно-опасных веществ и защиты от выделяемых агрессивных компонентов, например пары сильных кислот.
Выбор для реактора съемной верхней части позволяет решить проблему замены внутренних элементов конструкции реактора и элементов встроенного устройства подачи и управления потоком вытесняющего газа 4 при необходимости проведения ремонтных и регламентных работ по обслуживанию реактора, что облегчает проведение таких работ и повышает надежность проведения химических процессов.
Дополнительное антикоррозионное покрытие внутренних поверхностей и устройств обеспечивает безопасность проведения процессов гидролиза в гидротермальных условиях и также повышает надежность проведения химических процессов.
Механизм регулируемого выдвижения и позиционирования относительно уровня жидкости в реакторе 10 обеспечивает требуемое положение встроенного устройства подачи и управления потоком вытесняющего газа 3 относительно уровня жидкости, что повышает эффективность удаления выделяющихся в процессе гидролиза газообразных продуктов и паров веществ, способствуя достижению оптимального профиля концентрации участвующих в реакции гидролиза веществ, и, соответственно, интенсификации процесса гидролиза и полноты его протекания.