Реактор

Изобретение относится к химическому машиностроению, к конструкциям реакционных аппаратов и может быть применено для интенсификации гетерогенных процессов при избыточном давлении с большим газо- и тепловыделением. Корпус реактора состоит из цилиндрической обечайки, верхнего и нижнего днища и закреплен в кольцевой опоре. На верхнем днище установлены горловина, газосепаратор, соединенный патрубком с горловиной, пробоотборник и трубка ввода катализатора, причем наружная поверхность горловины соединена ребрами жесткости с кольцевой опорой. Змеевиковая рубашка закреплена ниже кольцевой опоры на наружной поверхности обечайки, на консольном валу закреплены разбрызгиватель, пеногаситель и клетьевая мешалка. По периметру цилиндрической обечайки внутри корпуса установлены шесть отражательных перегородок, на которых закреплены верхний и нижний змеевиковые теплообменники, расположенные соответственно ниже и выше статического перемешивающего устройства, закрепленного на внутренней поверхности обечайки. Обеспечивается повышение производительности и качества продукта, образующегося в результате синтеза. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к химическому машиностроению, к конструкциям реакционных аппаратов и может быть применено для интенсификации гетерогенных процессов при избыточном давлении с большим газо- и тепловыделением.

Известен реактор, включающий корпус, крышку и днище, штуцеры для ввода исходной газовой смеси и вывода целевого продукта, газопроницаемую горизонтальную перегородку, на которой расположен неподвижный слой гранулированных частиц катализатора (патент России №2283174, В01О 8.02, опубл. 10.09.2006 г.).

Известен реактор для проведения гетерогенных процессов, содержащий корпус, состоящий из обечайки, верхнего и нижнего днища, рубашки охлаждения, штуцеров входа основного компонента и выхода готового продукта (Заявка США 2005118088, B01J 8/00, опубл. 02.06.2006).

Известен реактор, позволяющий проводить гетерогенный экзотермический синтез, состоящий из вертикального цилиндрического корпуса, сферических крышки и днища, штуцеров для ввода исходной газовой смеси и вывода целевого продукта, распределителей холодного газа, расположенных горизонтально на разных уровнях в реакторе и разделяющих сплошной слой катализатора на условные последовательно расположенные слои (Заявка Японии N58-47214, кл. С07С 31/04). Смешение горячего и холодного газа происходит в полых камерах, имеющих вертикальное сечение в форме ромба и размещенных вокруг распределителей холодного газа.

Известен реактор для проведения гетерогенного экзотермического синтеза (патент США N3480407, кл. С07С 31/04), имеющий вертикальный цилиндрический корпус, состоящий из обечайки с верхним и нижним днищем, штуцера для ввода исходной газовой смеси и вывода целевого продукта. Между газопроницаемыми перегородками со слоями катализатора имеется камера смешения. Смешиваемые горячий и холодный потоки газа поступают в камеру смешения через отверстия, выполненные в боковой стенке корпуса. Горячий поток образуется в слое катализатора, а холодный поток поступает от штуцеров ввода исходной газовой смеси через распределительное средство. Для обеспечения дополнительного перемешивания газовых потоков камера снабжена вертикально расположенными лопатками, создающими в ней периферийные турбулентные потоки. Выход из камеры смешения выполнен в виде отверстия в нижней горизонтальной перегородке в центральной части реактора.

Наиболее близким является реактор для проведения процессов в гетерогенных средах, содержащий корпус с теплообменной рубашкой, консольный вал с перемешивающим устройством, отражательные перегородки, змеевик штуцера входа основного компонента и выхода готового продукта (патент России №2132726, B01J 8/10, опубл. 10.07.1999 г.)

Этот реактор принят за прототип изобретения.

В известных конструкциях реакторов подобного назначения имеется ряд следующих недостатков:

- нестабильность протекания процесса;

- образование в верхней части реакционной зоны пенно-газового слоя (ПГС) с концентрацией в нем катализатора;

- недостаточная скорость образования конечного продукта из-за больших потерь реагентов в уходящем газе;

- воронкообразование в жидкой фазе;

- недостаточное перемешивание реагентов, образование застойных зон, в которых накапливается катализатор;

- неудовлетворительное диспергирование газа в жидкости;

- сепарирование газа у вала перемешивающего устройства;

- недостаточный отвод тепла экзотермической реакции.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение производительности и качества продукта, образующегося в результате синтеза, за счет усовершенствования конструкции.

Поставленная задача достигается тем, что в реакторе, содержащем корпус с теплообменной змеевиковой рубашкой, консольный вал, перемешивающее устройство, отражательные перегородки, штуцера входа основного компонента и выхода готового продукта, корпус состоит из цилиндрической обечайки, верхнего и нижнего днища и закреплен в кольцевой опоре, на верхнем днище установлены горловина, газосепаратор, соединенный патрубком с горловиной, пробоотборник и трубка ввода катализатора, причем наружная поверхность горловины соединена ребрами жесткости с кольцевой опорой, змеевиковая рубашка закреплена ниже кольцевой опоры на наружной поверхности обечайки, на консольном валу закреплены разбрызгиватель, пеногаситель и клетьевая мешалка, по периметру цилиндрической обечайки внутри корпуса установлены шесть отражательных перегородок, на которых закреплены верхний и нижний змеевиковые теплообменники, расположенные соответственно ниже и выше статического перемешивающего устройства, закрепленного на внутренней поверхности обечайки.

Дополнительно штуцер входа основного компонента и штуцер выхода готового продукта установлены диаметрально противоположно в цилиндрической обечайке, в зоне расположения клетьевой мешалки.

Дополнительно разбрызгиватель, обеспечивающий орошение внутренней части корпуса, имеет тарельчатую форму с расположенными по периферии вертикальными ребрами.

Дополнительно верхнее и нижнее днища имеют эллиптическую форму.

Дополнительно пеногаситель состоит из набора горизонтальных ребер и вертикальных ребер, расположенных под углом 30° к оси консольного вала.

Дополнительно консольный вал через фланцевое соединение соединен с выходным валом привода перемешивающего устройства, опора которого имеет цилиндрическую форму с фланцем и установлена на горловине.

Дополнительно газосепаратор соединен патрубком с горловиной, причем в верхней части патрубка установлен штуцер для ввода жидкого реагента.

Дополнительно статическое перемешивающее устройство состоит из шести лопастей пропеллерного типа, равномерно расположенных в диаметральном сечении реактора и установленных под углом 30° к горизонтальной плоскости навстречу потоку реакционной смеси, подаваемой через газораспределительное устройство.

Изобретение поясняется чертежом.

Принципиальная схема реактора

Реактор включает вертикальный корпус 1, состоящий из цилиндрической обечайки 2, верхнего днища 3 и нижнего днища 4, имеющих эллиптическую форму. Корпус 1 закреплен в кольцевой опоре 5. На наружной поверхности обечайки 2, ниже кольцевой опоры 5 закреплена теплообменная змеевиковая рубашка 6, состоящая из последовательно соединенных и параллельно работающих секций. На верхнем днище 3 установлена горловина 7, причем наружная поверхность горловины соединена с кольцевой опорой 5 ребрами жесткости 8. Внутри корпуса 1 расположено перемешивающее устройство, состоящее из консольного вала 9, на котором закреплены разбрызгиватель 10, обеспечивающий орошение внутренней части корпуса и имеющий тарельчатую форму с расположенными по периферии вертикальными ребрами, пеногаситель 11, состоящий из набора горизонтальных ребер и вертикальных ребер, расположенных под углом 30° к оси консольного вала 9, на конце вала установлено турбулирующее устройство в виде клетьевой мешалки 12. Консольный вал 9 через фланцевое соединение 13 соединен с выходным валом 14 привода 15 перемешивающего устройства, опора 16 которого имеет цилиндрическую форму с фланцем, и установлена на горловине 7. Штуцер 17 входа основного компонента А и штуцер 18 выхода готового продукта установлены диаметрально противоположно в цилиндрической обечайке 2, в зоне расположения клетьевой мешалки 12.

На фланце 19 опоры 16 установлен штуцер 20 для ввода жидкого реагента - компонента Б. На внутренний фланец 21 опоры 16 установлено торцовое уплотнение 22, заполненное затворной жидкостью и обеспечивающее герметичность выходного вала 14.

На нижнем днище 4 корпуса 1 установлено газораспределительное устройство 23, выполненное в виде барботера с патрубком ввода 24 реакционной смеси. В верхнем днище 3 корпуса 1 установлены газосепаратор 25, соединенный патрубком 26 с горловиной 7, трубка ввода катализатора 27, пробоотборник 28, служащий для контроля состава рабочей смеси, люк 29, в верхней части патрубка 26 установлен штуцер 30 для ввода компонента Б. На внутренней поверхности обечайки 2 корпуса 1 закреплено статическое перемешивающее устройство 31, состоящее из опоры 32 с расположенным в опоре подшипником, допускающим работу в агрессивных средах, и шести лопастей пропеллерного типа, равномерно расположенных в диаметральном сечении реактора и установленных под углом 30° к горизонтальной плоскости навстречу потоку реакционной смеси, подаваемой через газораспределительное устройство 23. По периметру цилиндрической обечайки 2 внутри корпуса 1 реактора установлены шесть отражательных перегородок 33, способствующих перемешиванию смеси в периферийной части рабочей зоны. Внутри корпуса 1 выше перемешивающего устройства 31 расположен верхний змеевиковый теплообменник 34, ниже - нижний змеевиковый теплообменник 35, закрепленные на отражательных перегородках 33.

Реактор работает следующим образом. На вход реактора через штуцер 17 в обечайке подается компонент А, а снизу через газораспределительное устройство 23 подается реакционная смесь до установленного объема заполнения реактора. Конструкция газораспределительного устройства 23 обеспечивает равномерное распределение входящих газов в реакционном объеме в зоне расположения клетьевой мешалки 12. Для пуска и вывода реактора на режим, в зависимости от температуры реакции, включаются частотно-регулирующий преобразователь (на чертеже не показан) с приводом перемешивающего устройства 15. Вращающий момент от выходного вала 14 привода 15 передается на консольный вал 12 перемешивающего устройства посредством фланцевого соединения 13. Таким образом, в работу включаются пеногаситель 11 и клетьевая мешалка 12. Смесь компонентов в реакторе начинает интенсивно перемешиваться из-за вращения клетьевой мешалки 12 и эффективного воздействия статического перемешивающего устройства 31. Лопасти пропеллерного типа, установленные под углом к горизонтальной плоскости, способствуют интенсивному перемешиванию и равномерному распределению катализатора, ранее поданного через трубку ввода 27. Установочные расстояния клетьевой мешалки 12, статического перемешивающего устройства 31 и пеногасителя 11 определяются опытным путем.

После выхода реактора на режим частотно-регулирующий преобразователь выключается и заданное число оборотов поддерживается приводом 15 перемешивающего устройства. Вращение пеногасителя 11, установленного на оптимальной высоте, препятствует образованию пеногазового слоя, флотации частиц катализатора и уносу компонентов из реактора. При подаче компонента Б на катализаторе происходит экзотермическая реакция синтеза. Для поддержания заданного режима теплообмена используются верхний 34 и нижний 35 змеевиковые теплообменники, установленные на отражательных перегородках 33. Отражательные перегородки 33 способствуют дополнительной турбулизации рабочей смеси в периферийной зоне установки теплообменников и у охлаждаемой стенки реактора, что существенно повышает коэффициенты теплоотдачи среды. Сечение и количество витков как охлаждающих змеевиковых теплообменников 34 и 35, так и теплообменной змеевиковой рубашки 6 также обеспечивают высокие коэффициенты теплоотдачи со стороны холодного теплоносителя, и, как следствие, коэффициенты теплопередачи, достаточные для отвода тепла экзотермической реакции. Газы, выделяющиеся в процессе синтеза, отводятся через патрубок 26, соединенный с горловиной 7 реактора, и направляются в газосеператор 25. В процессе его работы создается поток, увлекающий частицы унесенного катализатора и направляющий их вниз, в рабочую зону. Освобожденный от твердых частиц газ проникает в корпус газосепаратора 25 и отводится из реактора. Вход компонента Б в аппарат производится через два штуцера 20 и 30, расположенные в верхней части реактора. Компонент Б, способствующий проведению реакции на катализаторе, входит как в среднюю зону аппарата вместе с возвращаемыми частицами твердой фазы, так и в зону работы пеногасителя 11 через отверстие в горловине 7. Это создает дополнительные условия для протекания реакции синтеза в верхней зоне. Через штуцер 20, расположенный на фланце 19 опоры 16 горловины реактора, компонент Б подается на разбрызгиватель 10. Поток брызг, отмывая катализатор с внутренней поверхности реактора, возвращается с твердыми частицами в верхнюю реакционную зону, что также интенсифицирует процесс за счет дополнительного реагента и катализатора. Готовый продукт отводится из реактора через выходной штуцер 18.

Применение статического перемешивающего устройства обеспечивает интенсивное перемешивание и равномерное распределение суспензии катализатора в объеме жидкой фазы.

Использование клетьевой мешалки и пеногасителя, установленных на определенной высоте, исключает воронкообразование в жидкой фазе. Тем самым уменьшается унос газов и катализатора, что повышает конверсию реагентов, скорость реакции, качество продукта и увеличивает производительность реактора.

Подача компонента Б на разбрызгиватель повышает безопасность проведения реакции, интенсифицирует процесс синтеза и способствует возвращению катализатора в рабочую зону.

Применение фланцевого соединения выходного вала привода и консольного вала мешалки увеличивает надежность работы привода.

Применение газосепаратора практически исключает унос катализатора из аппарата и, кроме того, обеспечивает ввод компонента в среднюю часть реакционной зоны для интенсификации процесса.

Использование частотно-регулирующего преобразователя обеспечивает плавный пуск и останов реактора и уменьшает время выхода на режим.

Змеевиковая рубашка, состоящая из параллельно работающих секций, обеспечивает достаточный теплоотвод от стенки реактора за счет высокого коэффициента теплоотдачи.

Размещенные внутри корпуса змеевиковые теплообменники имеют увеличенную поверхность теплообмена и высокий коэффициент теплоотдачи от стенок к охлаждающей жидкости.

Отражательные перегородки, к которым крепятся теплообменники, увеличивают жесткость конструкции реактора.

1. Реактор, содержащий корпус с теплообменной змеевиковой рубашкой, консольный вал, перемешивающее устройство, отражательные перегородки, штуцера входа основного компонента и выхода готового продукта, газораспределительное устройство, отличающийся тем, что корпус, состоящий из цилиндрической обечайки, верхнего и нижнего днища, закреплен в кольцевой опоре, на верхнем днище установлены горловина, газосепаратор, соединенный патрубком с горловиной, пробоотборник и трубка ввода катализатора, причем наружная поверхность горловины соединена ребрами жесткости с кольцевой опорой, змеевиковая рубашка закреплена ниже кольцевой опоры на наружной поверхности обечайки, на консольном валу закреплены разбрызгиватель, пеногаситель и клетьевая мешалка, по периметру цилиндрической обечайки внутри корпуса установлены шесть отражательных перегородок, на которых закреплены верхний и нижний змеевиковые теплообменники, расположенные соответственно ниже и выше статического перемешивающего устройства, закрепленного на внутренней поверхности обечайки.

2. Реактор по п.1, отличающийся тем, что штуцер входа основного компонента и штуцер выхода готового продукта установлены диаметрально противоположно в цилиндрической обечайке, в зоне расположения клетьевой мешалки.

3. Реактор по п.1, отличающийся тем, что разбрызгиватель, обеспечивающий орошение внутренней части корпуса, имеет тарельчатую форму с расположенными по периферии вертикальными ребрами.

4. Реактор по п.1, отличающийся тем, что верхнее и нижнее днища имеют эллиптическую форму.

5. Реактор по п.1, отличающийся тем, что пеногаситель состоит из набора горизонтальных ребер и вертикальных ребер, расположенных под углом 30° к оси консольного вала.

6. Реактор по п.1, отличающийся тем, что консольный вал через фланцевое соединение соединен с выходным валом привода перемешивающего устройства, опора которого имеет цилиндрическую форму с фланцем, и установлена на горловине.

7. Реактор по п.1, отличающийся тем, что в верхней части патрубка, соединяющего газосепаратор с горловиной, установлен штуцер для ввода жидкого реагента.

8. Реактор по п.1, отличающийся тем, что статическое перемешивающее устройство состоит из шести лопастей пропеллерного типа, равномерно расположенных в диаметральном сечении реактора и установленных под углом 30° к горизонтальной плоскости навстречу потоку реакционной смеси, подаваемой через газораспределительное устройство.