РЕАКТОР СМЕШЕНИЯ

Предлагаемое техническое решение относится к реакторам смешения и может найти применение в химической, нефтехимической промышленности, микробиологической, биохимической и других отраслях промышленности при проведении гидромеханических, массообменных и реакционных процессов, особенно с высоковязкими жидкостями.
Известен ленточный шнековый смеситель непрерывного действия, включающий цилиндрический корпус, привод, загрузочное отверстие, смещенное в сторону привода, узел выгрузки, находящийся на противоположном конце корпуса, и ленточный шнековый рабочий орган [X.Герман. Шнековые машины в технологии. - Л.: Химия.. 1975. с.71-72].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится обратное перемешивание, что приводит к неравномерности времени пребывания частиц реакционной массы в смесителе и снижению степени ее конверсии.
Известен реактор смешения, содержащий вертикальный цилиндрический корпус, расположенный по оси корпуса, приводной вал, на котором закреплен шнек комбинированный с якорной мешалкой, вал которой снабжен опорным элементом, внутренний теплообменник, установленный коаксильно шнеку, теплообменную рубашку и патрубки ввода и вывода теплоносителей, исходных реагентов и реакционной массы, большой и малый отбойники [Патент РФ №2031704, B01J 19/18, 1991]. К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится большой разброс по времени пребывания частиц реакционной массы из-за ее хорошего радиального перемешивания шнеком и якорной мешалкой и слабого продольного перемешивания, что приводит к снижению степени конверсии реакционной массы и недостаточной теплопередачи от нее к теплоносителям.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является реактор смешения, содержащий цилиндрический корпус, расположенный по оси корпуса приводной вал, на котором закреплен шнек, теплообменную рубашку, патрубки входа и выхода теплоносителя, исходных реагентов и реакционной массы, реактор снабжен узлом принудительного радиально-осевого смешения, выполненного в виде набора пластин, жестко закрепленных на валах, установленных в средней части высоты гребней шнека параллельно приводному валу и имеющих возможность вращения посредством зубчатых колес, расположенных на одном из их концов, находящихся в зацеплении с шестерней, неподвижно закрепленной на стенке корпуса осесимметрично с приводным валом [Патент РФ №2314865, В01J 19/18, 2008]..
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится значительный разброс по времени пребывания частиц реакционной массы из-за однонаправленного обратного потока реакционной массы у стенки корпуса, что снижает степень конверсии реакционной массы.
Техническим результатом предлагаемой конструкции реактора смешения является увеличение степени конверсии за счет выравнивания времени пребывания частиц реакционной массы в корпусе реактора.
Поставленный технический результат достигается тем, что в реакторе смешения, содержащем корпус, расположенный по оси корпуса приводной вал, на котором закреплен шнек, теплообменную рубашку, патрубки входа и выхода теплоносителя, исходных реагентов и реакционной массы и узел принудительного радиально-осевого смешения, шнек состоит из чередующихся участков, между которыми расположены секции узла принудительного радиально-осевого смешения, равномерно распределенные по длине вала и представляющие собой элементы дополнительного шнека с противоположным направлением витков, высота гребней которых составляет 0,8-0,92 высоты гребней шнека.
Выполнение узла радиально-осевого смешения в виде секций, равномерно распределенных по длине вала и представляющих собой элементы дополнительного шнека, позволяет разделить весь объем реактора, представляющий собой единую зону идеального вытеснения реакционной массы от входа к выходу с обратным перемешиванием по всей длине в кольцевом зазоре между гребнями шнека и стенкой корпуса на чередующиеся зоны идеального вытеснения с обратным перемешиванием и зоны принудительного радиально-осевого смешения в секциях, где находятся элементы дополнительного шнека.
Противоположное направление витков у каждого элемента дополнительного шнека позволяет разорвать общий поток обратного перемешивания реакционной массы в кольцевом зазоре между гребнями шнека и стенкой корпуса на чередующиеся обратные потоки прямого и обратного направления. А уменьшение высоты гребней витков дополнительного шнека по сравнению с высотой гребней витков шнека уменьшает обратную подачу реакционной массы от входа к выходу и не препятствует ее продвижению к патрубку выхода реакционной массы, то есть превращает реактор смешения в каскад реакторов смешения и вытеснения, что увеличивает степень конверсии, выравнивает время пребывания, улучшается теплоперенос от реакционной массы к теплоносителю в рубашку, предотвращает термическую деструкцию и увеличивает в целом качество продуктов реакции.
Уменьшение высоты гребней витков дополнительного шнека по сравнению с высотой гребней витков шнека ниже указанного предела h/H<0,8, где Н и h - соответственно высота гребней витков шнека и дополнительного шнека уменьшает эффект радиально-осевого перемешивания в секциях, где установлен дополнительный шнек, так как реакционная масса в кольцевом зазоре между гребнями дополнительного шнека и стенкой корпуса не будет вовлекаться в такое перемешивание. Это увеличит разброс времени пребывания частиц реакционной массы в реакторе, уменьшит их степень конверсии, а, кроме того, ухудшит теплоперенос к теплоносителю в рубашку, что может привести к термической деструкции и снижению качества продуктов реакции.
Увеличение высоты гребней витков дополнительного шнека по сравнению с высотой гребней витков шнека выше указанного предела h/H>0,92 вызывает значительное гидравлическое сопротивление и энергозатраты, а также снижает производительность реактора, так как противоположное направление витков дополнительного шнека тормозит поток реакционной массы от патрубка входа исходных реагентов к патрубку выхода продуктов реакции. Поэтому для высоковязких реакционных масс целесообразно, чтобы высота гребней витков дополнительного шнека была ближе к нижнему пределу h/H=0,8. Для реакционных масс большой вязкости высота гребней витков дополнительного шнека должна быть ближе к верхнему пределу h/H=0,92.
На фиг. показан продольный разрез реактора смешения.
Он состоит из цилиндрического корпуса 1 и расположенного по его оси приводного вала 2. На приводном валу 2 закреплен шнек 3. Снаружи цилиндрический корпус 1 охватывает теплообменная рубашка 4 с патрубками входа 5 и выхода 6 теплоносителя. Цилиндрический корпус 1 имеет патрубки для подвода 7 исходных реагентов и отвода 8 реакционной массы. По длине вала 2 равномерно распределены элементы узла принудительного радиально-осевого смешения, представляющие собой элементы дополнительного шнека 9 с противоположным направлением витков и высотой гребней этих витков составляющих 0,8-0,92 высоты гребней шнека 3. Таким образом, весь объем реактора по длине разбит на основные зоны I, между которыми установлены элементы дополнительного шнека 9, образующие зоны II интенсивного радиально-осевого смешения реакционной массы.
Предлагаемый реактор смешения работает следующим образом.
1
2
Привод приводит во вращение приводной вал 2 с угловой скоростью ω, который с той же угловой скоростью передает вращение шнеку 3. При угле наклона витков шнека α<90° он при вращении перемещает реакционную массу от патрубка подвода 7 исходных реагентов к патрубку отвода 8 реакционной массы (слева направо). Тепло реакции отводится к теплоносителю, который движется в теплообменной рубашке 4. На выходе из каждой основной зоны 1 реакционная масса попадает в зоны II интенсивного принудительного радиально-осевого перемешивания, так как направление витков элементов дополнительного шнека имеет противоположное направление виткам шнека 3, то есть угол наклона α>90°. Поэтому витки элементов дополнительного шнека 9 направляют реакционную массу навстречу реакционной массе, выходящей из зон I работы шнека 3, а так как высота гребней h элементов витков дополнительного шнека 9 меньше высоты гребней Н витков шнека 3 и составляет отношение h/H=0,8-0,92, то реакционная масса выдавливается на периферию над гребнями витков дополнительного шнека 9, создавая интенсивное радиально-осевое перемешивание реакционной массы в зонах II. Кроме того, в этих зонах разрывается сплошное направление обратного потока реакционной массы в кольцевом зазоре над гребнями шнека 3 в зонах I.
Таким образом, создание нескольких зон I с направлением потока реакционной массы от патрубка входа 7 к патрубку отвода 8 и представление узла принудительного радиально-осевого смешения в виде секций равномерно распределенных по длине вала 2 и являющихся элементами дополнительного шнека 9 с противоположным направлением витков и высотой гребней этих витков, составляющих 0,8-0,92 высоты гребней витков шнека 3 позволяет уменьшить разброс частиц реакционной массы по времени пребывания, предотвратить образование застойных зон и разорвать сплошной обратный поток в периферийном кольцевом зазоре над гребнями витков шнека 3, интенсифицировать процесс радиально-осевого перемешивания реакционной массы в зонах II работы элементов дополнительного шнека 9, приблизить работу реактора смешения по структуре потоков к каскаду реакторов идеального смешения, предотвратить термическую деструкцию реакционной массы за счет интенсификации теплообмена с теплоносителем в рубашке 4, увеличить качество продуктов реакции и степень конверсии.