Роторный пленочный реактор

Предлагаемое техническое решение относится к области химических реакционных аппаратов и может быть использовано для проведения химических реакций в системах жидкость-жидкость с интенсивным тепловыделением с возможным выделением твердой фазы, например в производстве ксантогенатов.
Из существующего уровня техники известно пленочное массообменное устройство с закручиванием потоков, содержащее корпус, устройство ввода жидкости в аппарат, штуцер вывода жидкости из аппарата, штуцеры ввода и вывода газа, центральную стойку, верхнюю и нижнюю опоры стойки и массообменного устройства, отличающееся тем, что массообменное устройство выполнено в виде системы консольно расположенных на центральной стойке профилированных пластин так, что пластины образуют нисходящую ступенчатую спираль. (Патент на полезную модель RU 82132, МПК B01D 3/28, B01D 53/18, 2009 г)
Недостатками данного технического решения является малая поверхность теплообмена, поэтому химические реакции с интенсивным тепловыделением проводить нецелесообразно. Так же профилированные пластины нисходящей спирали имеют высокое гидравлическое сопротивление и, в случае выделения твердой фазы в ходе химического процесса пространство между пластинами закупорятся.
Известен пленочный роторный реактор, содержащий вертикальный корпус с наружными рубашками, ротор со скребками, вращающуюся вместе с ротором тарелку, технологические штуцеры, отличающийся тем, что тарелка выполнена асимметрично оси корпуса, и на тарелке по окружности симметрично расположены как минимум два патрубка, высота которых над поверхностью тарелки превышает 1/4 диаметра патрубка, а конец штуцера ввода полимеризата, находящегося над тарелкой, размещен от оси патрубка тарелки в направлении к оси тарелки на расстоянии, не меньшем чем на величину суммы радиусов патрубка и конца штуцера (Патент на полезную модель RU 40912, МПК B01J 10/02, 2004 г)
Недостатками данного технического решения является малая поверхность теплообмена, ограниченная размером аппарата, а так же наличие скребков, которые разрывают пленку нисходящей реакционной массы, что приводит к неравномерному проведению химических реакций, что в целом снижает производительность.
Известен так же пленочный аппарат с рубашкой и полым ротором с закрепленными лопастями, причем ротор выполняет функцию распределительного пленкообразующего устройства. (Патент SU 1648524, МПК B01D 3/30, 1991 г).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся малая поверхность теплообмена, ограниченная размером аппарата, и то, что полости распределительного пленкообразующего устройства в случае выделения твердой фазы в ходе химической реакции закупориваются, что значительно снижает производительность аппарата.
Наиболее близким техническим решением является роторно-дисковый экстрактор (Патент SU 142627, МПК B01D 11/04, 1961 г), состоящий из цилиндрического корпуса и проходящего через него осевого вала с насаженными на нем дисками, а также с целью интенсификации процесса путем лучшего перемешивания жидкостей, на валу экстрактора насажены последовательно чередующиеся между собою диски различных диаметров, из которых одни диски с диаметром, почти равным внутреннему диаметру корпуса и со сквозными отверстиями в осевой их зоне, а другие сплошные диски меньшего диаметра.
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата при использовании данного аппарата в качестве реактора для проведения химических реакций в системах жидкость-жидкость с интенсивным тепловыделением, относятся трудоемкость удаления твердой фазы, которая может выделиться из реакционной массы на охлаждаемой поверхности, неравномерное распределение в виде пленки из-за провальных отверстий на стационарных дисках аппарата, и отсутствие поверхности теплообмена, то есть невозможность отведения теплоты химической реакции с интенсивным тепловыделением, что в целом значительно снижает производительность.
Задачей является разработка конструкции реактора, позволяющего проводить химические реакции с интенсивным тепловыделением и возможным выделением твердой фазы.
Техническим результатом предлагаемой конструкции реактора является увеличение производительности химических процессов, проходящих в пленке нисходящей реакционной массы посредством увеличения поверхности теплообмена и снижения вероятности возможного отложения твердой фазы, выделяющейся в ходе химической реакции.
Технический результат достигается при использовании роторного пленочного реактора, выполненного в виде колонного аппарата с цилиндрическим корпусом, крышкой, осевым валом с насаженными на нем тарелками, штуцерами подачи реагентов, штуцерами отвода охлаждающей жидкости, штуцерами подачи охлаждающей жидкости, дисковыми полками с отверстием для вала, причем корпус снабжен бункерами вывода продуктов и рубашкой с установленными штуцерами подвода охлаждающей жидкости к ней и отвода охлаждающей жидкости от нее, вал выполнен полым, а в верхней его части закреплен смеситель, выполненный в виде диска с отверстиями, при этом тарелки установлены с чередованием с дисковыми полками и выполнены в виде полых конических выпуклых по ходу движения реакционной массы дисков, внутри каждого из которых установлено распределительное устройство, выполненное в виде конического выпуклого диска, закрепленного ребрами к нижней внутренней стороне полой конической тарелки.
Смеситель, выполненный в виде диска с отверстиями и закрепленный в верхней части вращающегося вала, благодаря своей конструкции смешивает реагенты в реакционную массу и измельчает вероятные отложения твердой фазы, выделяющейся в ходе химической реакции, что дает возможность увеличить производительность.
Полые конические тарелки, выполненные в виде полых конических выпуклых по ходу движения реакционной массы дисков, служат емкостью для поступающего в полый вращающийся вал охлаждающей жидкости, поэтому их развитая поверхность используется как поверхность теплообмена с пленкой нисходящей реакционной массы, что в совокупности с их формой (усеченный конус, выпуклый по ходу движения реакционной массы) и вращением полого вращающегося вала позволяет под действием центробежной силы и силы тяжести сбрасывать с себя выделяющуюся в ходе химической реакции твердую фазу, а отверстие в дисковых полках позволяет проходить нисходящей реакционной массе и снижает вероятность возможного отложения твердой фазы, выделяющейся в ходе химической реакции, что в целом увеличивает производительность процессов проведения химических реакций в системах жидкость-жидкость с интенсивным тепловыделением с возможным выделением твердой фазы.
Поверхность полых конических тарелок является не только поверхностью теплообмена, но и поверхностью-носителем пленки нисходящей реакционной массы, поэтому теплота химической реакции с интенсивным тепловыделением, проходящей в пленке нисходящей реакционной массы на поверхности тарелок будет непрерывно отводиться, что позволяет увеличить производительность.
Полые конические тарелки и дисковые полки установлены с чередованием для того, чтобы движение пленки нисходящей реакционной массы было равномерным без разрывов для увеличения производительности реактора.
Преимуществами данной конструкции являются так же распределительное устройство, выполненное в виде конического выпуклого диска, закрепленного ребрами к внутренней стороне конической тарелки, которое позволяет полностью заполнить пространство полой конической тарелки охлаждающей жидкостью, что дает возможность эффективно отводить теплоту химической реакции с интенсивным тепловыделением, повышая производительность.
Уменьшение вероятности возможного отложения твердой фазы, выделяющейся в ходе химической реакции, достигается за счет вращения полого вала и формы полых конических тарелок, а бункеры вывода продуктов, установленные внизу роторного пленочного реактора, позволяют собирать практически всю твердую фазу, выделяющуюся в ходе химической реакции, и выводить ее из аппарата, что позволяет увеличить производительность, уменьшая время на очистку аппарата от твердой фазы, выделяющейся в ходе химической реакции.
Установка рубашки с установленными штуцерами подвода охлаждающей жидкости к ней и отвода охлаждающей жидкости от нее на внешнюю поверхность цилиндрического корпуса аппарата в совокупности с полым вращающимся валом и полыми коническими тарелками, заполненными охлаждающей жидкостью, дает возможность использовать две независимые поверхности теплообмена и тем самым эффективнее осуществлять контроль и регулирование проведения химических реакций в системах жидкость-жидкость с интенсивным тепловыделением.
Таким образом, увеличение производительности достигается за счет того, что поверхность теплообмена является поверхностью-носителем пленки нисходящей реакционной массы. То есть за счет отведения теплоты химической реакции на протяжении всей поверхности пленки равновесие будет смещаться в сторону образования продуктов, а сама поверхность-носитель и поверхность теплообмена ограничивается количеством полых конических тарелок, а не геометрическими размерами аппарата.
На Фиг.1 представлен предлагаемый аппарат в продольном разрезе.
На Фиг.2 представлено сечение А-А.
Роторный пленочный реактор состоит из цилиндрического корпуса 1, крышки 2, смесителя 3, выполненного в виде диска с отверстиями, штуцерами подачи 4 реагентов, полого вращающегося вала 5 с установленными полыми по его длине коническими тарелками 6, выполненными в виде полых конических выпуклых по ходу движения реакционной массы дисков, распределительных устройств 7, выполненных в виде конического выпуклого диска, закрепленного ребрами 8 к нижней внутренней стороне полой конической тарелки 6, бункеров 9 вывода продуктов, штуцера отвода 10 охлаждающей жидкости, штуцера подачи 11 охлаждающей жидкости, рубашки 12 с установленными штуцерами подачи 13 и отвода 14 охлаждающей жидкости к рубашке соответственно и дисковых полок 15 с отверстием посередине для вращающегося вала.
Смеситель 3 закреплен в верхней части полого вращающегося вала 5. Конические тарелки 6 установлены с чередованием с дисковыми полками 15.
Штуцер отвода 10 охлаждающей жидкости, штуцер подачи 11 охлаждающей жидкости, штуцер подачи 13 охлаждающей жидкости к рубашке 12 и штуцер отвода 14 охлаждающей жидкости из рубашки 12 расположены таким образом, чтобы создать два независимых потока охлаждающей жидкости, движущейся прямотоком с пленкой нисходящей реакционной массы.
Роторный пленочный реактор работает следующим образом: реагенты поступают через штуцеры подачи 4 реагентов, установленные в крышке 2 в цилиндрический корпус аппарата 1. При вращении полого вращающегося вала 5 смеситель 3 смешивает реагенты в виде пленки нисходящей реакционной массы, которая равномерно и последовательно стекает по полым коническим тарелкам 6 и дисковым полкам 15. Одновременно с этим через штуцер подачи 11 охлаждающей жидкости к полому вращающемуся валу 5 и полым коническим тарелкам 6, и через штуцеры подачи 13 охлаждающей жидкости к рубашке 12 в рубашку 12 поступает охлаждающая жидкость. Благодаря распределительным устройствам 7, выполненным в виде конического выпуклого диска, закрепленного ребрами 8 к нижней внутренней стороне полой конической тарелки 6, охлаждающая жидкость заполняет весь объем полой конической тарелки. Охлаждающая жидкость и нисходящая реакционная масса в виде пленки движутся прямотоком. Через бункеры 9 отвода продуктов нисходящая реакционная масса с выделившейся твердой фазой отводится из аппарата, а через штуцер отвода 10 охлаждающей жидкости и через штуцер отвода 14 охлаждающей жидкости из рубашки 12 отработанная охлаждающая жидкость, забравшая теплоту химической реакции, так же отводится из аппарата.
Использование полых конических тарелок 6, установленных на полом вращающемся валу 5 и рубашки 12, установленной на внешней поверхности цилиндрического корпуса 1, при прямоточном движении охлаждающей жидкости и нисходящей реакционной массы позволяет избежать местных перегревов пленки. Выделяющаяся твердая фаза в ходе химической реакции имеет низкую вероятность откладываться на поверхности теплообмена и поверхности-носителя пленки при работе аппарата в таком режиме, а смеситель 3, установленный на полом вращающемся валу 5, благодаря своей конструкции смешивает реагенты в реакционную массу и измельчает вероятные отложения твердой фазы, выделяющейся в ходе химической реакции, что позволяет увеличить производительность.
Таким образом, роторный пленочный реактор, выполненный в виде колонного аппарата, состоящего из цилиндрического корпуса 1, крышки 2, смесителя 3, выполненного в виде диска с отверстиями, штуцерами подачи 4 реагентов, полого вращающегося вала 5 с установленными по его длине полыми коническими тарелками 6, выполненными в виде полых конических выпуклых по ходу движения реакционной массы дисков, распределительных устройств 7, выполненных в виде конического выпуклого диска, закрепленного ребрами 8 к нижней внутренней стороне полой конической тарелки 6, бункеров 9 отвода продуктов, штуцера отвода 10 охлаждающей жидкости, штуцера подачи 11 охлаждающей жидкости, рубашки 12 с установленными штуцерами подачи 13 и отвода 14 охлаждающей жидкости к рубашке соответственно и дисковых полок 15 с отверстием посередине для вращающегося вала обеспечивает увеличение производительности проведения химических реакций в системах жидкость-жидкость с интенсивным тепловыделением с возможным выделением твердой фазы.