Химический реактор

Полезная модель относится к области химического машиностроения, в частности к конструкциям реакционных аппаратов, а именно стационарным реакторам с подвижными элементами внутри, и может быть применена для интенсификации гетерогенных процессов в производствах химической, нефтехимической и фармацевтической промышленности.
Известна барботажная колонна для получения уксусной кислоты патент RU №2319689, МПК B01J 8/24, (Опубл. 2008.03.20), в которой реализуется способ получения уксусной кислоты посредством карбонилирования метанола монооксидом углерода в барботажной реакторной колонне в присутствии твердого катализатора, причем реакция проводится при высокой концентрации катализатора.
Недостатком данного аппарата является конструкция барботера, которая не способствует высокой эффективности массообменных процессов, что в свою очередь может привести к повышению коррозии внутренних элементов реакционного аппарата, а так же к повышенному образованию побочного продукта - метил ацетата.
Известен химический реактор для проведения процессов в гетерогенных средах патент RU №2132726, МПК B01J 8710, (Опубл. 1999.07.10), содержащий корпус с теплообменной рубашкой, перемешивающее устройство, боковые направляющие устройства, барботер и двухрядный теплообменник змеевикового типа, выполненный таким образом, что расстояние между витками змеевика в свету составляет 0,5÷0,8 диаметра трубы змеевика, расстояние между рядами змеевика равно 1,2 диаметра трубы, и вместе с барботером он образует диффузор с конусом в нижней части сепаратора. На выходе из диффузора размещается дополнительное турбулизирующее устройство пропеллерного типа в виде пяти пластин с шириной пластины, равной 1/3 ее длины, которое установлено под углом 90° к направлению движения перемешивающего потока.
К недостаткам известного реактора следует отнести сложность конструкции, повышенную металлоемкость, приводящую к увеличению затрат на дорогостоящие материалы для элементов внутренних устройств, работающих в высоко агрессивных средах и наличие многорядного змеевика, который осложняет эксплуатацию реактора, в частности, очистку от внутренних и внешних отложений. Все это ограничивает его применение при непрерывном режиме работы. Кроме того, наличие большого количества внутренних устройств, приводит к тому, что процесс протекает в нерациональном потоке реакционной среды.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является химический реактор синтеза уксусной кислоты фирмы «COEKENGINEERINGN.V.» (Адрес-Liessel 13, 244 Geel, Бельгия, http//www.coek.be), содержащий корпус с теплообменной рубашкой, перемешивающие устройства на центральном валу, барботер, боковые отражательные перегородки, штуцеры для ввода исходных компонентов и вывода целевого продукта.
Недостатками известной конструкции является относительно низкая эффективность барботера, расположенного в нижней части реактора, не обеспечивающего требуемого контакта фаз на всю высоту слоя жидкости, что приводит к повышенному образованию побочного продукта - метилацетата и снижению количества получаемого целевого продукта, т.е. производительности.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая заявка на полезную модель, является повышение качества синтезируемого продукта при одновременном увеличении производительности реактора, за счет обеспечивается наиболее полного газонасыщения значительной части слоя жидкости, что позволит увеличить эффективность массообменных процессов и сократить количество образующихся побочных продуктов - метилацетата, пропионовой кислоты и диоксида углерода (в случае синтеза уксусной кислоты).
Технический результат достигается за счет того, что барботер выполнен в виде горизонтального трубчатого элемента в форме тора с четырьмя вертикальными трубчатыми элементами, расположенными на диаметрально противоположных сторонах между отражательными перегородками и имеющими высоту, равную 2/3 высоты цилиндрического корпуса, причем трубчатый элемент в форме тора и четыре вертикальных трубчатых элемента снабжены отверстиями, расположенными по винтовой линии, а их оси направлены под углом 35-45° к оси движения жидкости.
Технический результат предлагаемого технического решения заключается в увеличении выхода готовой продукции за счет достижения наиболее полного газонасыщения значительной части слоя жидкости, что приводит к повышению коэффициента смешивания и положительной динамике реакций синтеза, турбулизации жидкости в периферийной зоне реактора у его стенки, исключению «мертвых зон», что увеличивает эффективность теплообменных и массообменных процессов и сокращает количество образующегося побочного продукта, например, в случае многотоннажного производства уксусной кислоты.
На Фиг. 1 и Фиг. 2 - представлен общий вид реактора.
Реактор состоит из цилиндрического корпуса с теплообменной рубашкой 1, крышки 2 и днища 3, с размещенными на них штуцерами для ввода исходных компонентов и вывода целевого продукта 10. Внутри цилиндрического корпуса с теплообменной рубашкой 1 по центру расположен вал 4, на котором закреплены перемешивающие устройства 5. Барботер размещен соосно с цилиндрическим корпусом с теплообменной рубашкой 1 в его днище 3 и выполнен в виде горизонтального трубчатого элемента в форме тора 6 с четырьмя вертикальными трубчатыми элементами 7, расположенными на диаметрально противоположных сторонах горизонтального трубчатого элемента в форме тора 6 между боковыми отражательными перегородками 9, барботер снабжен подводящим штуцером 8. Трубчатый элемент в форме тора 6 и четыре вертикальных трубчатых элемента 7 снабжены отверстиями, расположенными по винтовой линии, а их оси направлены под углом 35-45° к оси движения жидкости.
Принцип работы реактора показан на примере производства уксусной кислоты. Суть его состоит в следующем. Сначала метанол в реактор подается из уравнительной емкости метанола через штуцер для ввода исходных компонентов 10. Перед подачей в реактор метанол подогревается до температуры 185°С. Температура метанола после подогревателя регулируется автоматически. Также через штуцер для ввода исходных компонентов 10 в реактор подается обводненная уксусная кислота, катализатор родиевый и промотор метилиодид-водородйодид, который ускоряет реакцию. Оксид углерода под давлением 2.815 МПа подается через подводящий штуцер 8 в барботер, выполненный в виде горизонтального трубчатого элемента в форме тора 6 с четырьмя вертикальными трубчатыми элементами 7. С помощью горизонтального трубчатого элемента в форме тора 6 оксид углерода пронизывает весь слой реакционной смеси, что увеличивает контакт на поверхности фаз, а с помощью четырех вертикальных трубчатых элементов 7 поддерживается интенсивность массообменных процессов. Перемешивание реакционной смеси обеспечивается с помощью перемешивающих устройств 5, которые закреплены на центральном валу 4.
Предлагаемая конструкция реактора обеспечивает высокий коэффициент смешивания и положительную динамику синтеза. При выходе из строя перемешивающего устройства 5 реактора барботер будет работать как пневматический смеситель, способный поддерживать высокий процент выхода качественной готовой продукции, снижая потери производительности, и позволяя доработать аппарату до плановых ремонтных работ без аварийной остановки.
Применение вертикальных трубчатых элементов 7, расположенных на диаметрально противоположных сторонах барботера и имеющих высоту, равную 2/3 высоты корпуса аппарата, позволяет повысить степень газонасыщения реакционной смеси во всем объеме аппарата, увеличивая при этом скорость протекания реакций и приводя к увеличению эффективности массообмена по сравнению с рассмотренными выше реакторами.
Вертикальные трубчатые элементы также выполняют роль дополнительных отражательных перегородок, способствующих интенсивной турбулизации рабочей смеси в периферийной зоне реактора у его стенки, что существенно улучшает массообменные и теплообменные процессы в контактирующих средах.