Лабораторный реактор

 

Изобретение относится к химическому машиностроению, конкретно к лабораторному реакционному оборудованию, предназначенному для проведения тепло- , массообменных, химических, физических и механических процессов в аппаратах роторного типа. Сущность изобретения: реактор содержит разъемный корпус со штуцерами подвода отвода рабочих сред, проточные и циркуляционные каналы и смонтированные в его корпусной полости приводной ротор с нагнетательными наклоннорасположенными перекрывающимися каналами, в корпусе реактора вокруг боковой и с торцевой поверхности ротора расположены вихревые камеры, соединенные друг с другом, корпусной полостью, вихревые камеры выполнены в виде параллельных и перпендикулярных оси ротора рядов. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к химическому машиностроению, конкpетно к лабораторному реакционному оборудованию, предназначенному для проведения тепло-, массообменных. химических, механических и физических процессов в аппаратах роторного типа.

Реактоp лабораторный может применяться для тонкого измельчения, смешения, разделения, растворения, гомогенизации, суспендирования, эмульгирования, очистки, осушки, газификации, дегазации, активации, химического взаимодействия и энергетического разделения газа на горячий и холодный потоки.

Известен лабораторный реактор, содержащий разъемный корпус с переточными каналами, штуцерами подвода отвода рабочих сред и смонтированный в его корпусной полости приводной ротор с нагнетательными каналами, взаимодействующими с переточными каналами корпуса. Реактор прост конструктивно, в нем могут реализоваться все отмеченные выше технологические процессы.

Однако его ротор не может создавать больших перепадов давления при вращении, что снижает физико-химическую и экономическую эффективность реактора [1] Наиболее близким к изобретению является реактор [2] Лабораторный реактор-прототип отличается от приведенных аналогов наличием в роторе нагнетательных, наклонно расположенных перекрещивающихся каналов, что позволяет создавать более высокий напор и конструктивно просто реализовать циркуляционные и вихревые эффекты.

Недостатком прототипа является плохая четкость классификации продукции и снижение в связи с этим функциональных возможностей.

Целью изобретения является повышение сепарационных и функциональных возможностей лабораторного реактора.

Это достигается тем, что лабораторный реактор, содержащий разъемный корпус со штуцерами подвода-отвода рабочих сред, проточные и циркуляционные каналы и смонтированный в его корпусной полости приводной ротор с нагнетательными наклонно-расположенными перекрещивающимися каналами, снабжен расположенными в корпусе вокруг боковой и с торцевой поверхности ротора рядами параллельных и перпендикулярных оси ротора вихревых камер, соединенных друг с другом корпусной полостью.

Расположение вихревых камер в корпусе вокруг боковой и с торцевой поверхностей ротора позволяет иметь два этапа обработки: первичную и вторичную, что повышает четкость разделения продукции, т.е. сепарационную способность реактора лабораторного.

Первый ряд вихревых камер, расположенных в корпусе вокруг и параллельно продольной оси ротора, в дальнейшем продольные камеры, производит первоначальную обработку рабочей среды.

Второй ряд вихревых камер, расположенных в корпусе перпендикулярно оси ротора и параллельно его торцу, в дальнейшем радиальные камеры, осуществляет окончательную обработку среды.

Продольные вихревые камеры образованы стенками корпуса и ротора. Образование цилиндрического вихря в них происходит как за счет закрутки пульсирующих струй нагнетаемого потока стенками камер корпуса, так и за счет трения боковой поверхности вращающегося ротора о поток и сообщения последнему дополнительного импульса вращения. Это улучшает условия измельчения частиц, истирание их, разрушение срезающими и сжимающе-растягивающими напряжениями. При выбросе частиц центробежными силами из вихревых камер через пульсационно-кавитационные зоны в радиальный кольцевой зазор и в корпусную полость, происходит вторичное их измельчение. При прохождении частицами этих зон происходит вторичное нагнетание и диспергирование, но уже преимущественно крупной фракции, что снижает энергозатраты.

Радиальные вихревые камеры выполняют функции гомогенизирующего устройства, т.к. повышают четкость классификации. Повышение четкости классификации происходит во-первых, из-за того, что в радиальных камерах нет возбуждающего нестабильность действия вращающегося ротора, что имеется в продольных камерах. Во-вторых, в радиальных камерах происходит постоянный тангенциальный отсос отсепарированной периферийной крупной фракции в корпусную полость и свободный выход тонкодисперсной гомогенной фракции к потребителю. В-третьих, предварительно отсепарированный в продольных вихревых камерах поток рабочей среды входит в радиальные вихревые камеры тангенциально и импульсами. Это способствует его более полному растеканию по поверхности вихревых камер, что повышает четкость классификации.

Радиальные вихревые камеры создают возможность энергетического разделения газа на горячий и холодный потоки, что расширяет функциональные возможности реактора лабоpаторного и повышает качество продукции.

Таким образом, изобретение позволяет повысить сепарационные и функциональные возможности реактора лабораторного, следовательно, изобретение соответствует критерию "промышленная применимость".

При этом возникают сдвиговые напряжения, обусловленные вращением ротора и скоростью потока; раздавливающие напряжения, вызванные заклиниванием частичек твердых компонентов рабочей среды в клиновидных полостях, образованных клиновыми периферийными пазами и внутренними стенками корпуса, в котором размещен ротор; пульсации давления в клиновидных полостях и в вихревых продольных камерах, вызывающие объемные напряжения сжатия растяжения рабочей среды и разрушение ее твердых компонентов.

Однако расположение вихревых камер в корпусе параллельно и перпендикулярно оси ротора является новым по отношению к прототипу. Следовательно, техническое решение соответствует критерию "новизна".

На фиг. 1 схематически показан реактор лабораторный в продольном разрезе; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1 (приведена конструкция и расположение радиальных вихревых камер, переточных и циркуляционных каналов); на фиг. 3 разрез Б-Б на фиг. 1 (конструкция и расположение нагнетательных наклонных перекрещивающихся каналов в роторе, конструкции клиновых периферийных пазов в роторе, продольных вихревых камер и прорезей в промежуточном корпусе).

Реактор состоит из разъемных корпусов 1, 2, 3 и смонтированного между ними на приводном валу 4 ротора 5. Корпус 1 снабжен штуцером 6 и каналами 7 для подвода рабочей среды в корпусную полость 8 и к ротору 5. Корпус 1 снабжен также штуцером 9 для отвода обработанного продукта по проточным каналам 10 через радиальные вихревые камеры 11 и проточные каналы 12 к потребителю и циркуляционными каналами 13 для отвода крупной фракции на повторную обработку в корпусную полость 8. Радиальные вихревые камеры 11 для получения компактной и маломатериалоемкой конструкции целесообразно расположить в ряд параллельно торцу ротора 5 и/или перпендикулярно оси ротора 5 и корпуса 1.

Промежуточный корпус 2 снабжен рядом вихревых камер 14, расположенных вокруг и предпочтительно параллельно продольной оси ротора 5. Продольные вихревые камеры 14 соединяются прорезями 15 с корпусной полостью 8. Промежуточный корпус 2 может иметь штуцер 16 для отвода крупнодисперсной фракции или иных технологических целей.

Во всех случаях штуцер 16 рекомендуется соединить с полостью одной из продольных вихревых камер 14, а последние располагать соосно проточным каналам 10. Проточные каналы 10 имеют тангенциальный вход в радиальные камеры 11. Для интенсификации вихревого эффекта в радиальных камерах 11 должен быть тангенциальный выход через циркуляционные каналы 13 в корпусную полость 8 и осевой выход через каналы 12 в полость штуцера 9.

Корпус 3 снабжен уплотнением 17, а также штуцером 18 для отвода-подвода компонентов рабочей среды и продуктов.

Ротор 5 расположен в корпусной полости 8 с образованием радиального кольцевого зазора 19 между его боковой стенкой и внутренними стенками промежуточного корпуса 2. Рекомендуемый радиальный кольцевой зазор (в дальнейшем кольцевой зазор 19) 0,5-1,5 мм.

Ротор 5 снабжен нагнетательными наклонно расположенными перекрещивающимися каналами 20, 21, которые оканчиваются клиновыми периферийными пазами 22. Привод ротора 5 во вращение осуществляется от двигателя 23.

Реактор может работать в различных режимах и на различных средах. Во всех случаях при вращении ротора 5 от двигателя 23 в корпусной полости 8 создается закрученный в вихрь поток с разряжением в центре и избыточным давлением на периферии. При сохранении основной схемы движения рабочей среды через реактор лабораторный по системе элементов 6-7-8-20-22-19-15-14-10-11-12-9, одновременно осуществляется циркуляция части рабочей среды по системе элементов: -8-20-22-19-15-14-10-11-13-8; -8-20-22-19-8; -19-15-14-19-; -8-21-22-19-8.

Работа реактора при основной схеме движения рабочей среды осуществляется следующим образом.

Рабочая среда, например суспензия, подается к штуцеру 6 и по каналам 7 в корпусную полость 8. При вращении ротора 5 она поступает в его каналы 20, 21 и нагнетается ими в кольцевой зазор 19, где механически истирается и подвергается импульсной обработке перепадами давления, возникающими в клиновых периферийных пазах 22. Давление в клиновых периферийных пазах 22 становится избыточным при расположении их в глухой зоне кольцевого зазора 19 из-за возникновения "клинового эффекта" и пониженным при совпадении их с прорезями 15. При этом рабочая среда за счет избыточного напора в каналах 20 и 21; давления "клинового эффекта" в периферийных пазах 22 и тангенциальной скорости вращения ротора 5 поступает через прорези 15 в вихревые камеры 14, где закручивается в кольцевые вихри. В центральной зоне вихревых камер 14 возникает зона пониженного давления, а на периферии повышенного давления. Одновременно в кольцевых вихрях возникает центробежное поле и происходит разделение рабочей среды по плотности и тонкости измельчения. Крупнодисперсная и более плотная фракция отбрасывается к периферии и выносится из вихревых камер 14 через прорези 15 в кольцевой зазор 19, корпусную полость 8 попадает в каналы 20 или 21 ротора 5, которыми нагнетается в кольцевой зазор 19, клиновые периферийные пазы 22 и с высокой скоростью в виде кавитирующей струи выбрасывается из них и далее через прорези 15 снова в вихревые камеры 14 на повторное измельчение и разделение во вращающемся кольцевом потоке.

В центральной зоне вихревых камер 14 скапливается тонкодисперсная фракция, которая по каналам 10 поступает тангенциально в радиальные вихревые камеры 11. В радиальных вихревых камерах 11 происходит закрутка потока в кольцевые вихри и вторичное разделение фракции на центральную тонкодисперсную и периферийную крупнодисперную. Центральная тонкодисперсная фракция удаляется из радиальных вихревых камер 11 по каналам 12 через штуцер 9 к потребителю, а периферийная более крупная через каналы 13 поступает в корпусную полость 8. В корпусной полости 8 она смешивается со свежей порцией рабочей среды и нагнетается каналами 20 и 21 ротора 5 снова на обработку в периферийные пазы 22, кольцевой зазор 19, вихревые камеры 14 и т.д.

Интенсивная турбулизация процесса и кавитационные эффекты, связанные с периодическим перекрытием нагнетательных каналов 20, 21 внутренними стенками промежуточного корпуса 2, и высокоскоростное истечение через прорези 15 в зону вихревых камер 14 через зоны уплотнений, разряжений рабочей среды и скоростей сопровождается разрушением твердых и жидких частиц и выделением растворенных в жидкости газов. Эти газы можно отводить через штуцер 18. В этом случае реактор лабораторный работает как дегазатор. Если, наоборот подавать через штуцер 18 газ, то реактор лабораторный будет работать как газификатор. Если подавать через штуцер 18 рабочие компоненты, то реактор лабораторный будет работать в режиме смесителя, а нагнетательные каналы 21 будут работать предпочтительно на подмешиваемых компонентах.

Крупноизмельченную фракцию можно отводить через штуцер 16. Если одновременно из лабораторного реактора отводить через штуцер 16 крупную фракцию, через штуцер 9 среднедиспеpсную фракцию, то реактор лабораторный будет работать в качестве классификатора-диспергатора.

Реактор лабораторный может работать в режиме энергоразделителя, например газа, на горячий и холодный потоки. В этом случае через штуцеры 6 и 18 в реактор лабораторный подают газ, подлежащий энергетическому разделению, через штуцер 16 отводят горячий поток, а через штуцер 9 холодный поток. Газ, например, воздух будет нагнетаться каналами 20 и 21 ротора 5, дополнительно сжиматься в клиновых периферийных пазах 22 и через прорези 15 при совпадении с выходами нагнетательных каналов 20, 21 и клиновых периферийных пазов 22, истекать в вихревые камеры 14. Здесь газ будет закручиваться в цилиндрические вихри за счет тангенциальной составляющей скорости истечения и трения боковой поверхности ротора 5 о вращающийся в вихревых камерах 14 поток, сообщая ему дополнительный импульс. Это приводит к повышению температуры на периферии цилиндрического вихря при одновременном уменьшении этой температуры в центре цилиндрического вихря. Горячие периферийные слои цилиндрического вихря отводят через штуцер 16, а холодные через штуцер 9 к потребителю. Поскольку периферии вихревых камер 14 соединены через прорези 15 кольцевым зазором 19 друг с другом, то снабжать промежуточный корпус 2 множеством штуцеров 16 нецелесообразно ^_ достаточно одного.

Реактор можно использовать для промывки и осушки газов, например, для очистки дымовых газов. Работа реактора лабораторного в режиме скpуббера происходит следующим образом. К штуцеру 6 подводят газ, подлежащий очистке. К штуцеру 18 подводят жидкость, предназначенную для промывки газа (в случае его мокрой очистки). Если очистка газа сухая, то штуцер 18 заглушают, штуцер 16 соединяют с системой удаления твердых отходов, уловленных из газа. Через штуцер 9 удаляют очищенный и/или осушенный газ. Загрязненный газ нагнетается каналами 20 ротора 5, а жидкость (если очистка мокрая) каналами 21 ротора 5.

В кольцевом зазоре 19 газ и жидкость смешиваются и с высокой скоростью истекают через прорези 15 в вихревые камеры 14. В вихревых камерах 14 за счет действия центробежного поля твердые частицы и жидкость отбрасываются к периферии и выносятся через штуцер 16 из лабораторного реактора. Очищенный газ выходит по системе каналов 10 в радиальные каналы 11. Проходя по радиальным каналам 11, он вторично очищается. Твердые и жидкие продукты улова вторичной очистки выбрасываются из радиальных каналов 11 через циркуляционные каналы 13 в полость 8 на дальнейшую обработку, а центральные слои очищенного газа удаляются по системе элементов 11-12-9 из лабораторного реактора к потребителю.

Технико-экономическая эффективность изобретения заключается в использовании большого числа физических и технических эффектов для активации различных тепло-, массообменных, химических и физико-химических процессов. Так, например, при проведении реакции хлорирования фенола отпадает надобность в теплообменном, разделительном, очистительном, насосном и другом оборудовании, что позволяет помимо экономического выигрыша еще и ускорить и обезопасить процесс. При этом хлор попадает через штуцер 6, фенол через штуцер 18, реакция с образованием хлорфенола происходит в кольцевом зазоре 19 и вихревых камерах 14, хлорфенол удаляют через штуцер 16, а абгаз через штуцер 9. Образующееся тепло в типовых реакциях снимают путем увеличения расхода хлора. В настоящем реакторе абгаз за счет вихревого эффекта энергетически охлаждается и вторично, но уже охлажденный поступает через циркуляционные каналы 13 в корпусную полость 8 и зоны реакции. Это уменьшает расход хлора и делает процесс хлорирования фенола безопасным и экономически выгодным.

Формула изобретения

1. ЛАБОРАТОРНЫЙ РЕАКТОР, содержащий разъемный корпус с штуцерами подвода-отвода рабочих сред, проточные и циркуляционные каналы и смонтированные в его корпусной полости приводной ротор с нагнетательными наклонно расположенными перекрещивающимися каналами, отличающийся тем, что корпус реактора снабжен расположенными вокруг боковой и с торцевой поверхностей ротора вихревыми камерами, соединенными одна с другой и с корпусом.

2. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что вихревые камеры выполнены в виде рядов, установленных параллельно и перпендикулярно оси ротора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3