Реактор, содержащий контур для циркуляции теплоносителя, способ изготовления и применения такого реактора

Изобретение относится к реактору, который используют для обработки вязкой среды или проведения химических реакций, таких как полимеризация. Реактор содержит резервуар и контур для циркуляции теплоносителя в виде текучей среды, причем контур содержит, по меньшей мере, один сегмент трубки, закрученный вдоль спиралевидной направляющей. Также контур содержит, по меньшей мере, второй сегмент трубки, закрученный вдоль спиралевидной направляющей и расположенный параллельно первому сегменту, между распределителем и коллектором. Первый и второй сегменты центрированы относительно одной и той же геометрической оси, по существу с одним и тем же радиусом изгиба и вставлены один в другой таким образом, что вместе они образуют по существу цилиндрический пучок. Контур может содержать второй пучок, образованный с помощью, по меньшей мере, одного сегмента трубки, закрученного вдоль спиралевидной направляющей, расположенной между распределителем и коллектором, и центрированный относительно оси. Причем второй пучок имеет по существу цилиндрическую форму, с радиусом, меньшим радиуса первого пучка. Способ включает стадию чередования спиралевидных сегментов трубки таким образом, чтобы формировался по существу цилиндрический пучок. Изобретение позволяет повысить эффективность подачи тепла к реакционной среде. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Изобретение относится к реактору для обработки вязкой среды или для проведения химических реакций в вязкой среде, таких как полимеризация, причем такой реактор содержит контур для циркуляции теплоносителя в виде текучей среды. Изобретение также относится к способу изготовления такого реактора и к применению такого реактора.

В Европейском патенте ЕР-А-0659476 описано устройство, используемое для полимеризации винилхлорида, в котором используются контуры для циркуляции теплоносителя в виде текучей среды.

Известно непрерывное или периодическое воздействие на полимеризацию полиамида. В так называемых «непрерывных» методах процесс осуществляется с помощью набора реакторов автоклавного типа. Известно, что в этом случае происходит испарение воды из водного раствора из двух мономеров и воды, полученной при полимеризации, за счет снабжения теплом извне.

Такое снабжение теплом может быть существенным для реакции полимеризации, которая происходит в период времени, сравнимый с критериями продуктивности в промышленном масштабе. Не должно поставляться слишком много тепла для того, чтобы избежать, насколько это возможно, увлечения одного из мономеров в паровую фазу. Если некоторое количество мономеров увлекается в паровую фазу, это количество должно быть постоянным для того, чтобы характеристики полученного полиамида были воспроизводимыми. Кроме того, снабжение теплом дает возможность контролировать реакцию полимеризации в такой степени, как это позволяет испарение воды, которое контролируется.

Для подачи тепла к реакционной среде контуры, в которых циркулирует теплоноситель в виде текучей среды, использовались в автоклавах малого объема, т.е. менее чем 3 м³.

Для реакторов большего объема, в частности объема порядка 5-6 м³, стало возможным предусмотреть использование контура и мешалки, последняя используется для улучшения однородности реакционной среды и увеличения коэффициента передачи тепла.

Однако это решение нельзя применять для реакторов с большим объемом, в частности для реакторов с объемом более 8 м³, поскольку невозможно достаточно увеличить поверхности обмена, которые образуются стенками контура. Действительно, если внешний диаметр контура увеличивается, в этом случае становится невозможным размещать необходимую мешалку в резервуаре реактора. Если диаметр трубок, составляющих контур, уменьшается, перепад давления, связанный с циркуляцией теплоносителя в виде текучей среды в этих трубках, значительно увеличивается. Если создается контур очень сложной формы, осевая рециркуляция реакционной среды затрудняется, и так называемый эффект «накачки» в центре мешалки исчезает. Наконец, контур сложной формы с трубками малого диаметра не будет удовлетворять критериям механической прочности, которая обеспечивает возможность выдерживать длительное использование и/или случайности при изготовлении.

Более конкретной задачей настоящего изобретения является преодоление этих недостатков за счет создания нового реактора, снабженного контуром, который позволяет осуществлять эффективную подачу тепла к реакционной среде, имеющей большой объем, в то же время сравнимый с размерами резервуара реактора и мешалки.

Короче говоря, изобретение относится к реактору для обработки вязкой среды или для проведения химических реакций в вязкой среде, причем реактор содержит резервуар и контур для циркуляции теплоносителя в виде текучей среды, который содержит, по меньшей мере, один сегмент трубки, закрученный вдоль спиралевидной образующей, отличающийся тем, что контур содержит, по меньшей мере, второй сегмент трубки, закрученный вдоль спиралевидной образующей, расположенный параллельно первой части, между распределителем и коллектором, причем первый и второй сегменты центрированы относительно одной и той же геометрической оси, по существу с одним и тем же радиусом изгиба, и вставляются один в другой таким образом, что вместе они формируют по существу цилиндрический пучок.

Благодаря использованию двух вставленных один в другой спиралевидных сегментов трубки возможно, чтобы каждый из этих сегментов имел относительно небольшую длину, в результате чего перепад давления, который они создают, является относительно слабым, даже если поперечное сечение используемой трубки также является небольшим. Кроме того, тот факт, что спиралевидные сегменты трубки имеют относительно короткую длину, обеспечивает довольно значительный их уклон, больший, чем в случае отдельного круглого сегмента, проходящего по всей длине контура. Таким образом, в случае теплоносителя, в виде текучей среды, подаваемого в паровой фазе, способной конденсироваться в трубках, поток конденсированной жидкости в этих сегментах является более скоростным, следовательно, снижается риск аккумуляции конденсата, и для жидкости требуется меньше пространства. Тот факт, что эти сегменты формируют цилиндрический пучок, позволяет избежать существенного нарушения потока или рециркуляции реакционной среды в центральной части реактора.

В соответствии с первым преимущественным и необязательным аспектом изобретения контур содержит второй пучок, сформированный, по меньшей мере, одним сегментом трубки, закрученным вдоль спиралевидной образующей, расположенной между распределителем и коллектором, и центрированный относительно той же оси, что и первые спиралевидные части, причем второй пучок по существу имеет цилиндрическую форму, с радиусом, меньшим, чем радиус первого пучка. В этом случае второй пучок преимущественно формируется, по меньшей мере, с помощью двух вставленных один в другой спиралевидных сегментов трубки, расположенных параллельно между распределителем и коллектором.

В соответствии с другими преимущественными, но необязательными аспектами изобретения контур реактора включает один или более следующих признаков:

- первый пучок формируется тремя вставленными один в другой спиралевидными сегментами трубки;

- спиралевидные сегменты трубки по существу имеют одинаковую длину и/или обеспечивают по существу один и тот же перепад давления в потоке теплоносителя в виде текучей среды между распределителем и коллектором;

- трубка, размещенная в реакторе, расположена в направлении, по существу параллельном оси первого пучка, между первым и вторым пучками, причем трубка подсоединена либо к распределителю, либо к коллектору;

- распределитель и/или коллектор имеют торическую форму, они центрированы относительно оси первого пучка. В этом случае распределитель и/или коллектор могут быть выполнены закругленными с радиусом, по существу равным радиусу первого пучка или, возможно, второго пучка, в результате чего они находятся по существу на одной линии с первым пучком или, возможно, со вторым пучком.

Изобретение также относится к способу изготовления реактора, описанного выше и, более конкретно, к способу, который содержит стадию, включающую вставку одного в другой двух сегментов трубки, закрученных вдоль спиралевидных образующих по существу с одним и тем же радиусом изгиба, таким образом, чтобы сформировать по существу цилиндрический пучок.

Сегменты трубки преимущественно вставлены один в другой за счет винтообразного перемещения вокруг геометрической оси, общей для этих сегментов.

В соответствии с другим преимущественным аспектом изобретения реактор может содержать мешалку, расположенную вокруг или внутри контура. Мешалка может проходить от крышки реактора и образовывать кожух, окружающий контур, подача теплоносителя в виде текучей среды к контуру или его удаление из контура осуществляется через днище реактора. В соответствии с другой формой осуществления изобретения, мешалка может быть выполнена посредством бесконечного винта, центрированного относительно геометрической оси внутреннего пучка или отдельного пучка контура.

В соответствии с другим аспектом изобретения, внутренний пучок или отдельный пучок контура образует центральный отсек с радиусом в диапазоне от 20 до 70% от радиуса резервуара, что позволяет осуществлять хорошую рециркуляцию реакционной среды в резервуаре. В случае контура с двумя пучками центральный отсек, образованный внутренним пучком, предпочтительно имеет радиус, в диапазоне между 20 и 40% от радиуса резервуара.

Наконец, изобретение относится к применению реактора, который описан выше, имеющему объем более 8 м³, для обработки вязкой среды или получения полимеров, таких как полиамиды, в частности 6-6 полиамида, или полиэстеров. Это применение может быть периодическим, например, при получении групп полимеров большого объема, или непрерывным.

Изобретение станет более понятным, и другие его преимущества станут более очевидными из нижеследующего описания варианта осуществления контура и реактора в соответствии с изобретением, их соответствующего изготовления и применения, приведенного исключительно в качестве примера и выполненного со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:

на фиг.1 изображено продольное сечение реактора в соответствии с изобретением, снабженного контуром;

на фиг.2 изображена половина сечения контура, показанного на фиг.1;

на фиг.3 схематично изображена стадия изготовления контура на фиг.2;

на фиг.4 изображен вид, аналогичный фиг.3, для другой стадии изготовления контура;

на фиг.5 изображен вид сверху контура на фиг.2;

на фиг.6 изображен вид снизу контура на фиг.2 и

на фиг.7 изображен вид в перспективе контура на фиг.2-6.

Реактор 1, показанный на фиг.1, используется для полимеризации полиамида. Он имеет объем V порядка 11 м³. Этот реактор 1 содержит резервуар 2 по существу цилиндрической формы с по существу усеченным днищем 21. Крышка (не показана) прикрепляется к резервуару 2 для того, чтобы заменять его верхнюю часть и обеспечивать изоляцию внутреннего объема V реактора 1 относительно окружающей среды.

Мешалка 4 размещена в объеме V. Она управляется рукояткой 41, расположенной вдоль центральной оси Х-Х' реактора и проходящей через крышку. Мешалка 4 содержит по существу спиралевидные лопасти, закрепленные на кожухе, который окружает контур 5. Для того чтобы сделать изображение яснее, контур мешалки 4 изображен с помощью пунктирных и точечных линий только на фиг.1.

Могут использоваться другие виды мешалок, сравнимых с пространством, доступным в объеме V.

Резервуар 2 имеет двойную оболочку для того, чтобы обеспечить циркуляцию теплоносителя в виде текучей среды, это позволяет нагревать объем V.

Контур 5 установлен внутри резервуара 2 и снабжен теплоносителем в виде текучей среды из испарителя 6, который может быть любого известного типа. Два отдельных канала 59 присоединяют контур 5 к трубкам 61 и 62 соответственно, что позволяет снабжать контур 5 горячим теплоносителем в виде текучей среды и удалять сравнительно меньше горячего теплоносителя в виде текучей среды в направлении испарителя 6.

В данном случае теплоносителем в виде текучей среды является масло в паровой фазе при температуре в диапазоне между 300 и 350°С. Масло в паровой фазе ведет себя подобно чистой консистенции и работает при скрытом тепле, в результате чего оно сохраняет свою температуру, поэтому среда, в которой происходит реакция, получает по существу однородную подачу тепла на протяжении контура.

Стрелки E₁ и Е₂ показывают поток масла по каналам 59.

Как более детально можно видеть на фиг.2-7, контур 5 образован с помощью двух пучков из трубок. Более конкретно, первый пучок 51 образован с помощью трубок, с радиусом изгиба R₁, являющимся по существу постоянным. Второй пучок трубок 52 образован с помощью трубок с радиусом изгиба R₂, меньшим, чем радиус R₁. Пучки 51 и 52 являются по существу цилиндрическими, они центрированы относительно центральной оси X₅ контура 5, причем эта ось сливается с осью Х-Х', когда контур установлен в реактор 1.

Пучок 51 образован с помощью трех сегментов трубок 511, 512 и 513, каждый из которых закручивается вдоль спиралевидной образующей и вставляется один в другой, вместе они образуют пучок 51.

Таким же образом пучок 52 образован с помощью двух сегментов трубки 521 и 522, каждый из которых закручен вдоль спиралевидной направляющей и вставлен один в другой.

Как видно на фиг.3, пучок 51 образован за счет «завинчивания» сегментов 511, 512 и 513 вокруг оси Х₅, которая является их общей центральной осью. Стрелка F₁ показывает вставку сегмента 512 в сегмент 511, такая вставка осуществляется за счет продвижения сегмента 512 параллельно оси Х₅, как показано стрелкой F₂. Таким же образом сегмент 513 может быть вставлен между сегментами 511 и 512.

Как видно на фиг.4, пучок 52 образован с помощью сегмента 522, вставленного в сегмент 521, благодаря винтообразному перемещению, показанному стрелками F₁ и F₂.

Когда каждый из двух пучков 51 и 52 образован по существу с цилиндрической формой и с предварительно заданным радиусом R₁ или R₂, возможно подсоединить сегменты 511, 512, 513 и 521, 522 трубки к питающему резервуару 53, образуя распределитель, и к выходу коллектора 54, причем резервуар и коллектор по существу имеют торическую форму и центрированы относительно оси Х₅.

Элементы 53 и 54 имеют диаметр больший, чем диаметр сегментов 511, 512, 513 и 521, 522 трубки, в результате чего они обеспечивают возможность эффективного снабжения этих сегментов теплоносителем в виде текучей среды и эффективного сбора жидкости, выходящей из этих сегментов, как это показано стрелками потока Е на фиг.5 и 6.

Радиус тора R₃, образованного резервуаром 53, выбирается равным радиусу R₂, так же, как радиус R₄ выхода коллектора 54. Таким образом, элементы 53 и 54 по существу совмещаются с пучком 52, в результате чего они не мешают потоку в центральной части контура 5, причем такой поток показан стрелкой Е' на фиг.1.

Резервуар 53 снабжен двумя перемещающимися проушинами 531 и 532 для удержания контура 5, когда он находится в месте расположения резервуара 2 или когда он удаляется из него. Другие перемещающиеся элементы могут быть предусмотрены на резервуаре 53 или на других сегментах контура 5.

Трубка 56, по существу параллельная оси Х₅, расположена между пучками 51 и 52, эта трубка обеспечивает возможность снабжения резервуара 53 из канала 59, подсоединенного к трубке 61 испарителя 6. Трубка 56 имеет внутреннее поперечное сечение, по существу равное поперечному сечению резервуара 53.

Как более детально видно на фиг.5, три сегмента 511, 512 и 513 трубки подсоединены к резервуару 53 с помощью соединительных элементов 511а, 512а, 513а, расположенных по существу в радиальном направлении по отношению к резервуару 53. Кроме того, трубки 521 и 522 подсоединены к резервуару 53 с помощью соединительных элементов 521а и 522а, расположенных внизу резервуара 53, т.е. в направлении, по существу параллельном оси Х₅, в то время как соединительные элементы 511а, 512а и 513а по существу перпендикулярны этой оси.

Таким же образом, как видно на фиг.6, сегменты 511, 512, 513 трубки подсоединены с помощью по существу радиальных соединительных элементов 511b, 512b и 513b к коллектору 54, в то время как трубки 521 и 522 подсоединены к коллектору 54 с помощью по существу аксиальных соединительных элементов 521b и 522b.

Радиусы R₁ и R₂, высота h₅ контура 5 и расположение элементов 53 и 54 могут быть выбраны таким образом, что сегменты 511, 512, 513 и 521, 522 трубки имеют по существу одну и ту же длину. Эти сегменты имеют одно и то же внутреннее поперечное сечение. В этом случае они обеспечивают один и тот же перепад давления в потоке теплоносителя в виде текучей среды.

С учетом вышеописанного, будет легко понять, что сегменты 511, 512, 513, 521 и 522 закреплены параллельно по отношению друг к другу между элементами 53 и 54, что обеспечивает возможность получения относительно слабого перепада давления, принимая во внимание, в частности, тот факт, что полный перепад давления для трех сегментов 511, 512 и 513 трубки по существу меньше, чем перепад давления, который обеспечивался бы отдельной трубкой в спиралевидной конструкции, формирующей отдельно пучок такой же плотности, как пучок 51.

Кроме того, единый наклон каждого из сегментов 511, 512, 513 трубки, который может быть определен, как показано на фиг.1 и 3, углом α₁ между трубкой и линией Y₅, перпендикулярной к оси 5, по существу оказывается больше, чем наклон, который имела бы отдельная трубка при спиралевидной конфигурации, если она одна составляет пучок 51. Это значительно снижает риск аккумуляции конденсата внутри сегментов 511, 512, 513 и минимизирует задержку жидкости в нижней части трубок.

Перечисленные выше наблюдения также применимы к сегментам 521 и 522 второго пучка 52.

Поскольку трубка 56 расположена в направлении, по существу параллельном оси Х-Х' резервуара 2, она по существу не мешает потоку Е' среды, в которой происходит реакция.

На практике, радиус R₂ внутреннего пучка 52 выбирается так, чтобы он имел величину в диапазоне от 20% до 40% от радиуса R резервуара 2. При этих условиях центральный отсек Р, образованный пучком 52 в объеме V реактора 1, имеет достаточную ширину для того, чтобы рециркуляция реакционной среды, обеспечиваемая с помощью мешалки 4, была эффективной.

Также необходимо отметить, что конструкция контура 5 позволяет подбирать его геометрию к геометрии днища 21 резервуара 2, в результате чего нерабочий объем реактора 1, т.е. часть, где создается слабая рециркуляция, максимально ограничивается.

Изобретение было показано с контуром 5, содержащим внешний пучок 51 и внутренний пучок 52. Однако оно применимо к контуру, содержащему отдельный пучок, образованный, по меньшей мере, из двух вставленных один в другой сегментов трубки со спиралевидной конфигурацией.

В случае контура, содержащего один единственный пучок, радиус этого пучка может выбираться равным величине, заключенной между 20 и 70% от радиуса резервуара реактора.

Изобретение было показано с внешним пучком 51, содержащим три сегмента 511, 512 и 513 трубки. Однако оно применимо к пучку, содержащему два сегмента или, напротив, более трех сегментов.

Изобретение было показано с мешалкой 4, расположенной вокруг контура 5. Однако оно также применимо к мешалке, которая может быть расположена в центральном отсеке контура 5. В этом случае радиусы R₁ и R₂ контура 5 могут быть увеличены, и мешалка может иметь форму бесконечного винта.

Изобретение не зависит от точного типа испарителя 6 и от природы используемого теплоносителя в виде текучей среды.

На фиг.3, 4 и 7 различные текстуры использовались единственный раз для того, чтобы отличать различные части контура 5 визуально.

1. Реактор для обработки вязкой среды или для проведения химических реакций в вязкой среде, содержащий резервуар и контур для циркуляции теплоносителя в виде текучей среды, причем контур содержит, по меньшей мере, один сегмент трубки, закрученный вдоль спиралевидной направляющей, отличающийся тем, что контур содержит, по меньшей мере, второй сегмент трубки (512, 513), закрученный вдоль спиралевидной направляющей и расположенный параллельно первому сегменту (511) между распределителем (53) и коллектором (54), причем первый и второй сегменты центрированы относительно одной и той же геометрической оси (Х₅), по существу, с одним и тем же радиусом изгиба (R₁) и вставлены один в другой таким образом, что вместе они образуют, по существу, цилиндрический пучок (51).

2. Реактор по п.1, отличающийся тем, что контур содержит второй пучок (52), образованный с помощью, по меньшей мере, одного сегмента трубки (521, 522), закрученного вдоль спиралевидной направляющей, расположенной между распределителем (53) и коллектором (54), и центрированного относительно оси (Х₅), причем второй пучок имеет, по существу, цилиндрическую форму с радиусом (R₂), меньшим радиуса (R₁) первого пучка (51).

3. Реактор по п.2, отличающийся тем, что второй пучок (52) образован, по меньшей мере, двумя сегментами трубки (521, 522), закрученными вдоль спиралевидных направляющих, вставленными один в другой и расположенными параллельно между указанным распределителем (53) и коллектором (54).

4. Реактор по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что первый пучок (51) образован тремя сегментами трубки (511, 512, 513), закрученными вдоль спиралевидных направляющих и вставленными один в другой.

5. Реактор по п.1, отличающийся тем, что сегменты (511, 512, 513, 521, 522) имеют, по существу, одну и ту же длину и/или обеспечивают, по существу, один и тот же перепад давления в потоке теплоносителя в виде текучей среды между распределителем (53) и коллектором (54).

6. Реактор по п.1, отличающийся тем, что контур содержит трубку (56), расположенную в направлении, по существу, параллельном оси (Х₅) между первым (51) и вторым (52) пучками, причем трубка подсоединена либо к распределителю (53), либо к коллектору (54).

7. Реактор по п.1, отличающийся тем, что распределитель (53) и/или коллектор (54) имеют форму тора и центрированы относительно оси (Х₅).

8. Реактор по п.7, отличающийся тем, что распределитель (53) и/или коллектор (54) закруглены с радиусами кривизны (R₃, R₄, по существу, равными радиусу (R₂) первого пучка (51) или, возможно, второго пучка (52), в результате чего они, по существу, находятся на одной линии с первым пучком или, возможно, вторым пучком.

9. Реактор по п.1, отличающийся тем, что он содержит мешалку (4), расположенную вокруг или внутри контура (5).

10. Реактор по п.9, отличающийся тем, что мешалка проходит от крышки реактора (1) и образует кожух, окружающий контур (5), причем подача жидкого теплоносителя в виде текучей среды к контуру и его удаление из него (56, 59, 61, 62) осуществляется через днище (21) реактора.

11. Реактор по п.9, отличающийся тем, что мешалка образована бесконечным винтом, центрированным относительно геометрической оси (Х5) внутреннего пучка (52) или отдельного пучка (51) контура (5).

12. Реактор по п.2, отличающийся тем, что внутренний пучок (52) или отдельный пучок (51) контура образует центральный отсек (Р) радиуса (R₂), находящегося между 20 и 70% от радиуса (R) резервуара (2), предпочтительно между 20 и 40% от радиуса в случае внутреннего пучка.

13. Реактор по одному из пп.9-12, отличающийся тем, что он имеет объем (V) больше, чем около 8 м³.

14. Реактор по п.13, отличающийся тем, что он используется для проведения реакции полимеризации в вязкой среде.

15. Реактор по п.13, отличающийся тем, что он используется для проведения периодической реакции полимеризации в вязкой среде.

16. Реактор по п.13, отличающийся тем, что он используется для проведения непрерывной реакции полимеризации в вязкой среде.

17. Способ изготовления реактора для обработки вязкой среды или для проведения химических реакций в вязкой среде, причем реактор содержит резервуар и контур для циркуляции теплоносителя в виде текучей среды, причем контур содержит, по меньшей мере, один сегмент трубки, закрученный вдоль спиралевидной направляющей, отличающийся тем, что он включает стадию чередования (F₁, F₂) сегмента (511), по меньшей мере, со вторым сегментом трубки (512, 513), закрученным вдоль спиралевидной направляющей, по существу, с тем же радиусом кривизны (R₁), что и первая часть, так, чтобы образовать, по существу, цилиндрический пучок (51).

18. Способ по п.17, отличающийся тем, что сегменты чередуются за счет винтообразного движения (F₁, F₂) вокруг геометрической оси (Х₅), общей для сегментов.