Реактор-смеситель для проведения процессов в гетерогенных средах

Полезная модель относится к оборудованию для крахмалопаточной промышленности, а именно к конструкциям реакционных аппаратов периодического действия, и может быть использована для интенсификации процессов, протекающих в гетерогенных средах, в том числе, с выделением или поглощением тепла, в частности, к устройствам для модификации (в т.ч. для гидролиза (ферментативного, кислотного, щелочного), окисления, фосфорилирования, оксиалкилирования, карбоксиметилирования, катионизации и т.д.) крахмала и крахмалосодержащего сырья, и может найти применение в различных отраслях промышленности, например в консервной, пищевой, химической, фармацевтической, нефтехимической и др. для получения однородных смесей жидких компонентов, суспензий или порошков.
Известны реакторы для проведения физико-химических процессов в гетерогенных средах, содержащих жидкую и твердую фазы. Общие недостатки известных реакторов: невозможность проведения процессов при высокой концентрации суспензии, сложность конструкции, в некоторых случаях существуют трудности получения продукта высокой чистоты, недостаточная скорость образования конечного продукта из-за недостаточной интесивности перемешивания реагентов, образование застойных зон, в которых накапливаются непрореагировшие вещества, неудовлетворительное диспергирование жидкости в реакционной массе, недостаточный отвод тепла при экзотермической и подвод тепла при эндотермической реакциях, сложности или невозможность создания реакторов большой единичной мощности.
Известен реактор [1], включающий цилиндрическую емкость с перфорированным ложным дном, барботером, съемную крышку с люком и патрубками, рубашкой для подачи теплоносителей.
Недостатками этого реактора являются: недостаточная интенсивность перемешивания особенно высококонцентрированных суспензий, невозможность отбора проб реакционной смеси во время работы, невозможность проведения процессов при высокой концентрации суспензии и при заданном значении pH, невозможность создания реактора большой единичной мощности.
Известен аппарат для перемешивания маловязких жидкостей [2], состоящий из корпуса, крышки, многоярусной мешалки и привода, расположенного на крышке, патрубков для ввода и вывода реагентов, в котором мешалки закреплены на отдельных валах, установленных концентрично друг другу в виде телескопической конструкции и расположенных по оси осесимметрично корпусу аппарата.
Недостатками этого аппарата являются: невозможность отбора проб реакционной смеси во время работы и невозможность проведения процессов при высокой концентрации суспензии, невозможность создания равномерного интенсивного гидродинамического режима перемешивания во всем объеме реактора при совместной реализации процесса перемешивания и химической реакции, невозможность контролировать и регулировать температуру и pH реакционной смеси, сложность конструкции привода валов мешалок.
Известен химический реактор для проведения процессов в гетерогенных средах, содержащий корпус с теплообменной рубашкой, перемешивающее и турбулизирующее устройства, барботер, двухрядный змеевик, установленный по центру внутри реактора [3].
Недостатками этого реактора являются: невозможность отбора проб реакционной смеси во время работы и невозможность проведения процессов при высокой концентрации суспензии, сложность создания интенсивного гидродинамического режима перемешивания во всем объеме реактора вследствие расположения внутри него двухрядного змеевика и барботера, выпадение осадка на днище, невозможность регулировать и контролировать величину температуры и pH реакционной смеси.
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, вал с перемешивающим устройством, датчик температуры, соединенный с блоком управления [4] - прототип.
К недостаткам реактора по прототипу относятся: невозможность отбора проб реакционной смеси для контроля во время работы и невозможность проведения процессов при высокой концентрации суспензии, невозможность создания интенсивного гидродинамического режима перемешивания во всем объеме реактора, невозможность контролировать и регулировать величину рН реакционной смеси.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является обеспечение ведения процесса в гетерогенных средах с низкой и высокой концентрацией суспензии за счет установки внутри корпуса реактора-смесителя нескольких независимых перемешивающих устройств различных типов, возможности контроля и регулирования рН реакционной смеси, обеспечения требуемой интенсивности физико-химических процессов путем создания высокой регулируемой турбулентности во всем объеме реактора-смесителя и устранения застойных зон, обеспечение безопасности его работы.
Технический результат полезной модели достигается тем, что реактор-смеситель для проведения процессов в гетерогенных средах содержит цилиндрический корпус с теплообменной рубашкой, крышку и днище, центральный вал с перемешивающим устройством, загрузочные трубы и разгрузочный патрубок, при этом центральный вал с перемешивающим устройством, расположенный вдоль центральной оси корпуса реактора-смесителя, снабжен перемешивающим устройством в виде трех пропеллерных мешалок и якорной мешалкой, включающей турбулизаторы, установленные со стороны днища с зазором между их нижней кромкой и днищем, при этом реактор смеситель содержит два дополнительных вала с тремя перемешивающими устройствами, в объеме реактора-смесителя дополнительно установлен датчик рН реакционной смеси, электрически связанный с устройством регулирования рН, а на внутренней стенке корпуса установлены турбулизаторы-отбойники, реактор-смеситель также дополнительно снабжен приспособлением для отбора проб реакционной смеси и предохранительным клапаном, а теплообменная рубашка реактора-смесителя содержит наружный слой теплоизоляции.
При этом турбулизаторы якорной мешалки выполнены в виде пластин прямоугольной формы с отверстиями.
При этом между крышкой и корпусом установлена герметизирующая прокладка.
При этом в качестве перемешивающих устройств дополнительных валов используют две лопастные и одну пропеллерную мешалки.
Реактор-смеситель создает возможность проведения физико-химических процессов не только в жидких средах, но и в суспензиях с низким и высокими содержанием твердой фазы путем повышения эффективности перемешивания реакционной смеси, предотвращении выпадения твердой фазы в осадок, автоматическом контролировании и регулировании рН среды.
В заявляемом реакторе-смесителе возможно проводить процессы перемешивания реакционной смеси, предотвращая выпадение твердой фазы в осадок, автоматического контролирования и регулирования pH среды. В заявляемом реакторе-смесителе возможно проводить процессы смешивания порошков и осуществлять реакции между их компонентами в сухом виде, что практически невозможно в смесителях известных типов.
Реактор-смеситель изображен на фиг. 1, на фиг. 2 - варианты турбулизатовров.
Реактор-смеситель для проведения процессов в гетерогенных средах содержит корпус (7), выполненный из коррозионно-стойкого материала (например, нержавеющей стали) или имеющего антикоррозионную футеровку внутри, и заключенный в теплообменную рубашку (2) с внутренней полостью (3) и со слоем теплоизоляции (4). Теплообменная рубашка (2) снабжена патрубками (6) и (75) для подвода и отвода теплоносителя. Снаружи корпуса (7) установлена емкость (28) для сбора отбираемой пробы, которая через патрубок (27) сообщена с атмосферой, а пробоотборной трубкой (25) соединена с объемом реакционной смеси. Емкость (28) снабжена краном (30) и патрубком (29) для выпуска пробы. На внутренних стенках реактора по высоте установлены турбулизаторы (5). Внутри реактора размещены валы (19), (21) с (24) перемешивающими устройствами со смонтированными на них пропеллерными мешалками (32), (33), (34), (35) и (36) и лопастными мешалками (37), (37) и (38). Сверху на корпусе (7) установлена крышка (16) с загрузочными трубами (75), (20) и (22). В крышке (7) установлены втулки (условно не показаны) для пропуска датчика (23) температуры, датчика (77) pH с электродом (72), которые электрически соединены с блоком управления (условно не показан) и для пропуска труб (75), (20) и (22) и валов (19), (21) и (24) перемешивающих устройств. Перемешивающие устройства смонтированы на валах (19), (21) и (24), которые соединены с приводами вращения валов (условно не показаны). В торце центрального вала (27) установлена якорная мешалка (7), снабженная турбулизаторами (8), установленными со стороны, обращенной к днищу, и выполненными в виде пластин прямоугольной формы с отверстиями, причем турбулизаторы установлены с шагом (просветом) между пластинами равным 0,5…1,5 их размера по длине. Диаметр отверстий предпочтительно 5…10 мм, а наклон их оси к горизонту составляет 10…45 (предпочтительно 25…35) градусов в направлении сверху-вниз. Длина пластин 10…30 см (предпочтительно 5…15 см). Турбулизаторы установлены с зазором от их нижней кромки до внутренней поверхности днища, достаточным для взмучивания выпадающего осадка и составляющим предпочтительно 3…7 см. Для вывода готового продукта на выходе разгрузочного патрубка (9) установлена задвижка (10). Реактор-смеситель также снабжен предохранительным клапаном (14) и имеет герметизирующую прокладку (15) между фланцем корпуса (1) и крышкой (16).
Реактор-смеситель для проведения процессов в гетерогенных средах работает следующим образом (на примере производства химически модифицированного крахмала). По трубе (18) подают требуемый объем предварительно приготовленной суспензии крахмала. Нижний торец (11) трубы (18) расположен на уровне мешалки (36). При этом вращается центральный вал (21). При заполнении реактора (1) на 30…40% его объема включают в работу перемешивающие устройства, смонтированные на валах (19) и (24). После заполнения реактора (1) суспензией до требуемого уровня в объем реактора-смесителя (1) по трубе (20) вводят предварительно приготовленный химический агент. Затем по трубе (22) в реакционную смесь дополнительно добавляют кислоту или щелочь и водную реакционную смесь перемешивают при необходимой температуре (для крахмала не выше 50°C) в течение заданного времени. Температуру в реакторе устанавливают и регулируют с помощью датчика (23) температуры, соединенного электрически с блоком управления (условно не показан). Требуемую величину pH реакционной смеси устанавливают и регулируют с помощью датчика (17) pH, соединенного электрическим с блоком управления. Нагрев реакционной смеси осуществляют с помощью теплообменной рубашки (2), в которую теплоноситель подают по патрубку (6) и отводят по патрубку (13). При вращении центрального вала (21) якорная мешалка (7) турбулизаторами (8) взмучивает осадок на днище, а с помощью вращающихся перемешивающих устройств, смонтированных на валах (19), (21) и (24), частицы крахмала (взвесь) равномерно распределяется по всему объему реактора, и процесс химической модификации крахмала интенсивно протекает при перемешивании реакционной смеси в режиме высокой турбулентности во всем объеме реактора-смесителя. Увеличению степени турбулизации потока способствуют турбулизаторы (5), установленные на стенках реактора, турбулизаторы (8) на якоре (7), а также перемешивающие устройства на валах (19), (21) и (24) с мешалками разного типа, причем количество лопастей мешалок предпочтительно менее 4. Для обеспечения безопасности работы корпус (1) реактора-смесителя снабжен предохранительным клапаном (14), который стравливает избыточное давление в атмосферу. Готовый продукт из реактора выгружают через разгрузочный патрубок (9) при открытой задвижке (10).
Снабжение реактора-смесителя для проведения процессов в гетерогенных средах дополнительными различными перемешивающими устройствами, установленными на валах по всему объему реактора-смесителя, турбулизаторами, датчиком pH, пробоотборной трубкой с емкостью для сбора пробы и предохранительным клапаном обеспечивает:
- высокую скорость проведения физико-химических процессов в гетерогенных средах в реакционном пространстве реактора-смесителя за счет высокой интенсивности массообменных процессов в турбулентном режиме, благодаря обеспечению нахождения всей твердой фазы во взвешенном состоянии и поддержания значения pH в оптимальном диапазоне;
- стабильность процесса и упрощение обслуживания за счет исключения воронкообразования при перемешивании реакционной гетерогенной среды;
- безопасность работы, т.к. при повышении давления выше заданного происходит автоматическое срабатывание предохранительного клапана и снижение давления;
- реактор-смеситель обладает упрощенной технологией сборки и возможностью регулирования интенсивности массообменных процессов в объеме реакционной смеси.
Результатом полезной модели является простой, эффективный и надежный в эксплуатации реактор-смеситель для проведения процесса в гетерогенных средах, обеспечивающий обработку суспензий низкой и высокой концентрации, позволяющий проводить процессы смешения порошков и реакции между их компонентами в сухом виде, повышает безопасность и упрощает его работу и обслуживание.
Источники информации, принятые во внимание при оформлении заявки:
1. Патент на полезную модель RU №25285. Реактор. МКИ B01J 19/08, 2002.
2. Патент на полезную модель RU №111025. Аппарат для перемешивания маловязких жидкостей. МКИ B01F 7/16, 2006.
3. Патент RU №2132726. Химический реактор для проведения процессов в гетерогенных средах. B01J 8/10, 1999.
4. Патент RU №2429063. Химический реактор для проведения процессов в гетерогенных средах. МКИ B01J 8/10, 2006.