Реактор-смеситель для проведения процесса карбоксиметилирования щелочной целлюлозы

Реактор-смеситель используется для обработки комкующихся вязковолокнистых материалов и может быть применен в химической, пищевой, фармацевтической, парфюмерно-косметической промышленности и в производстве строительных материалов. Устройство содержит корпус и находящиеся в зацеплении друг с другом шнеки с лопастями. Шнеки выполнены с настраиваемой скоростью вращения, лопасти съемные и являются фрагментами винтовой поверхности с шагом H от 0,5 до 1,3 диаметра, с центральным углом ϕ от 90 до 270°, лопасти на валу установлены с шагом H₁=Н·ϕ/360°, со сдвигом на угол ϕ/2, преимущественно в направлении винтовой линии лопастей. Направление закрутки винтовых линий лопастей смежных шнеков различное, лопасти устанавливаются с угловым смещением от 0 до 180°. Изобретение позволяет предотвратить избыточную осевую рециркуляцию смеси, усреднить время пребывания частиц в реакторе, выравнять время контакта частиц с теплообменной поверхностью. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к химической, пищевой, фармацевтической, парфюмерно-косметической отраслям промышленности и к производству строительных материалов и может быть применено для обработки вязковолокнистых материалов, склонных к образованию агломератов, например, в производстве натрий-карбоксиметилцеллюлозы, в установках карбоксиметилирования щелочной целлюлозы монохлорацетатом натрия.

Известен смеситель [1], содержащий горизонтальный корпус, днище которого выполнено из двух параллельно расположенных соприкасающихся цилиндров с загрузочными и выгрузочными отверстиями, привод вращения и два параллельно расположенных вала. Смесительные элементы, установленные на одном из валов, выполнены двухлопастными, чередующимися вдоль вала левой и правой навивок, а смесительные элементы, установленные на другом валу, выполнены четырехлопастными, также чередующимися вдоль вала левой и правой навивок, при этом двухлопастные элементы выполнены с углом навивки их лопастей, большим угла навивки лопастей четырехлопастных элементов с противоположной навивкой. Валы соединены с приводом из условия сообщения валу с двухлопастными элементами частоты вращения, в два раза большей частоты вращения вала с четырехлопастными элементами. Смеситель обладает слабым осевым транспортирующим эффектом, что затрудняет его применение при обработке материалов волокнистой структуры, в частности при карбоксиметилировании щелочной целлюлозы.

Наиболее близким к изобретению является смеситель вязковолокнистых материалов [2] для предварительного замешивания щелочной целлюлозы с жидким сероуглеродом, содержащий корпус, в котором размещены два зацепляющихся шнека. Дополнительно на периферии витков шнеков равномерно по окружности выполнены прорези в виде полусегментов, образованных радиальной и хордовой кромкой. Радиальная кромка заострена под углом, равным по величине и противоположным по направлению углу наклона витка шнека. Недостатками данной конструкции является то, что применительно к процессу карбоксиметилирования щелочной целлюлозы происходит частичный возврат массы в смесителе и интенсивное продольное перемешивание, которые приводят к нежелательному перегреву реакционной смеси в реакторе. Также такая конструкция шнеков не позволяет достигнуть необходимой степени поперечного перемешивания.

Изобретение направлено на решение задачи обеспечения требуемого соотношения между степенью поперечного перемешивания и величиной осевого транспортирования при обработке вязковолокнистых материалов, в частности при проведении процесса карбоксиметилирования щелочной целлюлозы.

Техническими результатами изобретения являются предотвращение избыточной осевой рециркуляции продукта во избежание перегрева реакционной массы, усреднение времени пребывания частиц в реакторе, выравнивание времени контакта частиц с теплообменной поверхностью.

Заявляемый реактор-смеситель состоит из горизонтального корытообразного корпуса с охлаждающей и греющей рубашками, в котором расположены два параллельных шнека, находящихся в зацеплении друг с другом, приводящиеся во вращательное движение при помощи привода. Корпус включает в себя зону загрузки реакционной массы, зону смешения и основной реакции, зону выгрузки продукта. Каждый из шнеков состоит из отдельных разрезных лопастей, выполненных в виде фрагментов винтовой поверхности, установленных на валу каждого из шнеков в зоне загрузки, зоне смешения и основной реакции. Отличительными от прототипа существенными признаками, в совокупности обеспечивающими получение технического результата, являются: привод шнеков выполнен с настраиваемой скоростью вращения, лопасти выполнены съемными, каждая из лопастей представляет собой часть фрагмента винтовой поверхности (кругового сектора) с центральным углом в плане ϕ в пределах от 90° до 270°, шаг винтовой поверхности Н составляет от 0,5 до 1,3 диаметра винта, шаг установки лопастей на валу Н₁ составляет долю шага винтовой поверхности винта, рассчитываемой по соотношению

где Н₁ - шаг установки лопастей;

Н - шаг винтовой поверхности лопасти;

ϕ - центральный угол лопасти.

Лопасти на смежных валах выполнены с различным направлением за крутки винтовой линии. Вследствие этого абсолютная разница углов установки лопастей на смежных валах изменяется от 0° до 180°. В частных случаях каждая последующая лопасть из установленных на одном валу повернута по винтовой линии лопасти относительно конца предыдущей лопасти на угол .

На чертеже показан вид реактора-смесителя сверху.

Реактор-смеситель, как показано на чертеже, состоит из горизонтального корытообразного корпуса 1, снабженного охлаждающей и греющей рубашками, двумя параллельными находящимися в зацеплении друг с другом шнеками 2, 3 с одинаковой настраиваемой скоростью вращения, во вращательное движение шнеки могут приводиться при помощи привода. Корпус включает в себя зону загрузки реакционной массы, зону смешения и основной реакции, зону выгрузки продукта. Каждый из шнеков состоит из отдельных разрезных съемных лопастей, выполненных в виде фрагментов винтовой поверхности, установленных на валу каждого из шнеков в зоне загрузки, зоне смешения и основной реакции. Лопасть представляет собой часть фрагмента винтовой поверхности (кругового сектора) с центральным углом в плане ϕ, равным 180°, шаг винтовой поверхности Н равен диаметра винтовой поверхности, шаг установки лопастей Н₁ равен диаметра винтовой поверхности. Каждая последующая лопасть, из установленных на одном валу, повернута по винтовой линии лопасти относительно конца предыдущей лопасти на угол . В частности, (см. чертеж) угловое смещение лопастей на смежных валах по ходу винта (справа налево) на первой, третьей, пятой, и так далее, нечетных парах лопастей составляет 180°, а на второй, четвертой, шестой и так далее, четных парах лопастей равно 0°. Представленная на чертеже конструкция реактора-смесителя соответствует п.3 формулы изобретения.

Реактор-смеситель работает следующим образом. Продукт, подлежащий обработке в реакторе-смесителе, например смесь щелочной целлюлозы с монохлорацетатом натрия, представляющая собой рыхлую вязковолокнистую комкующуюся массу, непрерывно загружается сверху в смеситель в зону загрузки, где замешивается двумя вращающимися навстречу друг другу шнеками. По мере продвижения вдоль корпуса реактора-смесителя в зоне смешения и основной реакции происходит процесс реагирования компонентов смеси. В зоне выгрузки происходит непрерывная выгрузка готового продукта из реактора-смесителя.

Конструкционные особенности шнеков, используемых в данном реакторе-смесителе, позволяют обеспечить необходимое соотношение между интенсивностью поперечного перемешивания и транспортирования реакционной массы вдоль смесителя, вследствие которого происходит усреднение времени пребывания частиц в реакторе-смесителе, выравнивание времени контакта с теплообменной поверхностью и не допускается перегрев массы, исключается избыточная рециркуляция смеси.

При центральном угле лопасти ϕ, меньшим 90°, происходит избыточная осевая рециркуляция продукта, которая приводит к перегреву реакционной массы и ухудшению качества готового продукта. При центральном угле лопасти ϕ, большим 270°, ухудшается поперечное перемешивание. При уменьшении или увеличении шага винтовой поверхности относительно заявленного диапазона происходит уменьшение поперечного перемешивания реакционной массы и увеличение скорости осевого перемещения, приводящих к образованию неоднородного температурного поля внутри реакционной массы и ведущего к снижению качества готового продукта.

Данный реактор-смеситель в настоящее время работает на ОАО "Полиэкс" (г.Бийск) в производстве натрий-карбоксиметилцеллюлозы.

Источники информации

1. А.с. СССР, №1669522, В 01 F 7/08, 1991.

2. А.с. СССР, №1118399, В 01 F 7/00, 1984.

1. Реактор-смеситель, содержащий горизонтальный корытообразный корпус с рубашками для охлаждения и обогрева, размещенные в корпусе, по меньшей мере, два шнека, каждый из которых состоит из установленных на валах наборов лопастей, находящихся в зацеплении между собой, привод, отличающийся тем, что привод шнеков выполнен с настраиваемой скоростью вращения, каждая из лопастей выполнена в виде фрагмента винтовой поверхности (кругового сектора) с центральным углом в плане ϕ в пределах 90-270°, шаг винтовой поверхности Н составляет 0,5-1,3 диаметра винта, шаг установки лопастей на валу Н₁ составляет долю шага винтовой поверхности винта, рассчитываемый по соотношению H₁=Н·ϕ/360°, лопасти на смежных валах выполнены с различным направлением закрутки винтовой линии.

2. Реактор-смеситель по п.1, отличающийся тем, что каждая последующая лопасть из установленных на одном валу повернута относительно предыдущей на угол, равный ϕ/2.

3. Реактор-смеситель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что угол поворота каждой последующей лопасти, установленной на одном валу, относительно предыдущей лопасти отмерен в направлении закрутки винтовой линии.