Способ проведения реакций и реактор для его осуществления

Изобретение относится к технике физико-химических превращений текучих сред и может использоваться в химических, пищевых, фармацевтических технологиях, а также для получения эмульсий, состоящих из трудно смешиваемых компонентов. Техническим результатом, на который направлено предлагаемое изобретение, является достижение равномерности распределения энергии перемешивания в объеме смеси и полного взаимодействия исходных компонентов. Это достигается с помощью трубно-реакторного байпасного циркуляционного контура, содержащего проточное кавитационно-акустическое устройство, и режима работы, регулируемого вентилями, при котором количество продукта, перекачиваемого насосом во время циркуляции, больше количества готового продукта, удаляемого на использование. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к технике физико-химических превращений текучих сред и может использоваться в химических, пищевых, фармацевтических технологиях, а также для получения эмульсий, состоящих из трудно смешиваемых компонентов.

Основным показателем, определяющим эффективность проведения химической реакции, является значение коэффициента конверсии физико-химического превращения исходных компонентов в продукт, обладающий новыми свойствами, без образования побочных продуктов из-за неполного взаимодействия исходных компонентов. Для обеспечения полного взаимодействия исходных компонентов используют различные факторы воздействия для интенсификации и стимуляции проведения реакции и получения продуктов высокого качества, например температуру, давление, перемешивание, акустическое возбуждение, газонасыщение и т.д. Реализация этих воздействий осуществляется специальными устройствами и приемами в виде погружных мешалок, барбатеров, выносных циркуляционных контуров, которыми оснащаются емкостные химические реакторы.

Известен аппарат большой вместимости с выносными перемешивающими устройствами [патент РФ 2006274, B01F 5/10, опубликован 30.01.94], который с целью интенсификации процесса снабжен, по меньшей мере, одним дополнительным циркуляционным контуром и установленным в нем перемешивающим устройством. При этом всасывающие трубопроводы циркуляционных контуров размещены на разных уровнях по высоте корпуса, а нагнетательные трубы размещены у днища аппарата на разном расстоянии от продольной оси корпуса. Основным недостатком такого технического решения является неравномерность распределения вводимой мощности, расходуемой на перемешивание среды, и аппаратная громоздкость. Кроме этого, существует определенная вероятность неравномерного вовлечения всего объема содержимого аппарата в циркуляционные смесительные контуры и появление застойных зон. Этот недостаток является следствием большой кратности объемов активной среды, заключенной в циркуляционном контуре, относительно пассивной среды всего аппарата, из-за этого равномерное перемешивание трудно осуществимо.

Наиболее близким по технической сущности является способ получения жидкой эмульсии без применения эмульгатора и устройство для его осуществления [патент РФ 2072891, B01F 3/00, 3/08, 5/10, опубликован 10.02.97]. Согласно этому способу эмульсия, состоящая из гидрофобной и гидрофильной фаз, одна из которых является дисперсионной фазой в виде коллоидного состояния, пропускается в виде смеси через смесительную камеру, имеющую симметричную форму в осевом направлении. В этой камере смесь приводится во вращение вокруг оси при направлении потока параллельно оси. При этом за счет увеличения скорости потока изменяется давление смеси до давления пара смеси, но не становится равным давлению пара. Устройство для реализации описанного способа представляет собой емкостной реактор с выносным статическим смесителем, включенным в циркуляционный контур. Недостатком этого способа является неравномерность распределения энергии перемешивания в объеме смеси, возможность появления застойных зон, что не гарантирует получения стабильной эмульсии. При проведении химических реакций этот способ не гарантирует полного взаимодействия исходных компонентов.

Техническим результатом, на который направлено предлагаемое изобретение, является достижение равномерности распределения энергии перемешивания в объеме смеси и полного взаимодействия исходных компонентов.

Технический результат достигается тем, что с помощью проточного кавитационно-акустического устройства проводят многократное кавитационно-акустическое возбуждение текучих продуктов в проточно-циркуляционном режиме в объеме, равном объему трубно-реакторного байпасного контура. При этом с помощью вентилей часть готового продукта удаляют на использование, а другую часть возвращают во всасывающую магистраль насоса и устанавливают в трубно-реакторном байпасном контуре режим работы, при котором количество продукта, перекачиваемого насосом во время циркуляции, больше количества готового продукта, удаляемого на использование.

Конструктивно устройство, осуществляющее этот способ, выполнено в виде реактора, содержащего подающие продуктовые магистрали, соединенные через вентили со смесителем, выход которого соединен с всасывающей магистралью насоса, насос, включенный в регулирующий байпасный контур с вентилем. Дополнительно относительно насоса введен трубно-реакторный байпасный контур, который содержит проточное кавитационно-акустическое устройство, при этом магистраль трубно-реакторного байпасного контура после кавитационно-акустического устройства с одной стороны сообщена через вентиль с выходной продуктовой магистралью, а с другой стороны через другой вентиль сообщена с всасывающей магистралью насоса. Как вариант, отводная магистраль трубно-реакторного байпасного контура может быть сообщена с всасывающей магистралью насоса через смеситель. Так же и регулирующий байпасный контур с всасывающей магистралью насоса может быть сообщен через смеситель.

Для описания работы реактора прилагаются следующие чертежи, на которых условно представлено:

на фиг.1 - схема устройства, в котором магистрали байпасных контуров раздельно сообщены с всасывающей магистралью насоса;

на фиг.2 - схема устройства, в котором магистрали байпасных контуров раздельно сообщены с всасывающей магистралью насоса и со смесителем;

на фиг.3 - схема устройства, в котором магистрали байпасных контуров раздельно сообщены со смесителем;

на фиг.4 - схема устройства, в котором магистрали байпасных контуров объединены в общую ветку и сообщены с всасывающей магистралью насоса;

на фиг.5 - схема устройства, в котором магистрали объединены в общую ветку и сообщены со смесителем;

на фиг.6 - вариант объединения устройств в технологическую линию;

на фиг.7 - вариант сырьевого баланса потоков исходных компонентов готового продукта и полуфабриката в циркуляционном режиме.

Схема устройства, представленная на фиг.1, состоит из первой 1, второй 2 и третьей 3 подающих продуктовых магистралей, первого 4, второго 5 и третьего 6 вентилей, смесителя 7, всасывающей магистрали насоса 8, насоса 9, напорной магистрали 10, первой байпасной магистрали 11, четвертого вентиля 12, второй байпасной магистрали 13, проточного кавитационно-акустического аппарата 14, пятого 15 и шестого 16 вентилей, выходной продуктовой магистрали 17, первого 18, второго 19 и третьего 20 манометров. Первая 1, вторая 2 и третья 3 технологические магистрали через первый 4, второй 5 и третий 6 вентили соединены со смесителем 7, который через всасывающую магистраль 8 соединен с насосом 9. Насос 9 через напорную магистраль 10 соединен по первой байпасной магистрали 11 через четвертый вентиль 12 и по второй байпасной магистрали 13 через проточный кавитационно-акустический аппарат 14 и пятый вентиль 15 с всасывающей магистралью насоса 8. Проточный кавитационно-акустический аппарат 14 через шестой вентиль 16 соединен с выходной продуктовой магистралью 17. Первый манометр 18 установлен на входе насоса 9, второй манометр 19 - на входе проточного кавитационно-акустического аппарата 14, третий манометр 20 - в выходной продуктовой магистрали 17 перед шестым вентилем 16.

Осуществление предлагаемого способа рассмотрим на примере работы устройства, показанного на фиг.1. Нормированные потоки исходных компонентов А, В и С по входным продуктовым магистралям 1, 2 и 3 через первый 4, второй 5 и третий 6 вентили подаются в смеситель 7 для пропорционального смешения. Образовавшаяся первичная смесь по всасывающей магистрали 8 засасывается насосом 9, а затем под давлением подается в напорную магистраль 10. Далее первичная смесь расходится по двум байпасным контурам, расположенным относительно насоса 9. Первый байпасный контур состоит из всасывающей магистрали насоса 8, первого манометра 18, насоса 9, напорной магистрали 10, первой байпасной магистрали 11 с четвертым вентилем 12, соединенной с всасывающей магистралью насоса 8, и является регулирующим. Второй байпасный контур состоит из всасывающей магистрали насоса 8, первого манометра 18, насоса 9, напорной магистрали 10, второй байпасной магистрали 13, содержащей второй манометр 19, проточный кавитационно-акустический аппарат 14, пятый вентиль 15, соединенной с всасывающей магистралью насоса 8, и является трубно-реакторным контуром для кавитационно-акустического возбуждения, генерируемого проточным кавитационно-акустическим аппаратом 14. С помощью четвертого вентиля 12 перед проточным кавитационно-акустическим аппаратом 14 устанавливается нужное давление, контролируемое вторым манометром 19, которое обеспечивает эффективный турбулентный гидродинамический режим генерации, кавитации и ультразвука. Под действием этих факторов в проточном режиме происходит реакция. Часть полученной смеси через шестой вентиль 16 поступает в выходную продуктовую магистраль 17, отводящую готовый продукт на использование. Давление смеси в выходной продуктовой магистрали 17 регулируется шестым вентилем 16 и контролируется третьим манометром 20.

С точки зрения циркуляции материальных потоков происходит следующее. На чертеже фиг.7 условно показаны материальные нормированные потоки компонентов А, В и С и готового продукта АВС. При этом условно, как вариант, задано пропорциональное соотношение исходных компонентов к их общему количеству, поступающему в реактор: A=0,1Q, B=0,15Q, C=0,25Q, где Q - общее количество исходных компонентов, выраженное в объемных или весовых единицах измерения, которое соответствует производительности насоса 9. Условимся, что производительность насоса 9Q=36,0 т/ч, а поступает из смесителя 7 смесь 0,5Q=18 т/ч. Установлены условные проходы вентилей: четвертого 12 на производительность 0,3Q, пятого 15 - 0,2Q, шестого 16 - 0,5Q. Получается, что на насос 9 поступают: через смеситель 7 исходных компонентов 0,5Q=18 т/ч (0,1Q+0,15Q+0,25Q); через первый байпасный контур полуфабриката 0,3Q=10,8 т/ч; через второй байпасный контур готового продукта 0,2Q=7,2 т/ч. При этом 0,7Q=25,2 т/ч непрерывно поступает на проточный кавитационно-акустический аппарат 14, a 0,5Q=18 т/ч непрерывно отводится на использование. Допустим, если в трубном объеме второго байпасного контура содержится 10 л жидкости, то можно утверждать, что через проточный кавитационно-акустический аппарат 14 в режиме циркуляции проходит 25200:10=2520 циклов в час или 2520:60=42 цикла в минуту, т.е. в минуту происходит 42 возбуждения. В зависимости от свойств исходных компонентов кратность возбуждения можно менять путем уменьшения или увеличения с помощью шестого вентиля 16 количество выходного готового продукта на использование и регулировкой четвертого 12 и пятого 15 вентилей - циркуляционный режим в байпасных контурах.

Специфика воздействия кавитационно-акустического возбуждения заключается в механодеструкции молекулярной структуры, в стимуляции поверхностно-активного состояния структуры, образованной силами межмолекулярного взаимодействия. Эти изменения вызывают глубокие химические превращения, которые позволяют интенсифицировать проведение химических реакций и обеспечить полномасштабное превращение исходных компонентов в продукт без катализаторов и побочных продуктов.

Узлы и детали описанного устройства могут быть изготовлены на обычном оборудовании, что подтверждает промышленную применимость изобретения.

Из вышеизложенного следует, что предлагаемые способ проведения реакций и реактор для его осуществления позволяют увеличить длительность кавитационно-акустического возбуждения продукта в проточном режиме за счет его циркуляции в трубно-реакторном байпасном контуре и полностью исключить появление непрореагировавших компонентов или побочных продуктов.

1. Способ проведения реакций путем кавитационно-акустического возбуждения смеси исходных компонентов, отличающийся тем, что с помощью проточного кавитационно-акустического устройства проводят многократное кавитационно-акустическое возбуждение текучих продуктов в проточно-циркуляционном режиме в объеме, равном объему жидкости, вмещаемой в объем трубно-реакторного байпасного контура, при этом с помощью вентилей часть готового продукта удаляют на использование, а другую часть возвращают во всасывающую магистраль насоса и устанавливают в трубно-реакторном байпасном контуре режим работы, при котором количество продукта, перекачиваемого насосом во время циркуляции, больше количества готового продукта, удаляемого на использование.

2. Реактор, содержащий подающие продуктовые магистрали, соединенные через вентили со смесителем, выход которого соединен с всасывающей магистралью насоса, насос, включенный в регулирующий байпасный контур с вентилем, отличающийся тем, что относительно насоса введен трубно-реакторный байпасный контур, который содержит проточное кавитационно-акустическое устройство, при этом магистраль трубно-реакторного байпасного контура после кавитационно-акустического устройства с одной стороны сообщена через вентиль с выходной продуктовой магистралью, а с другой стороны через другой вентиль сообщена с всасывающей магистралью насоса.

3. Реактор по п.2, отличающийся тем, что в трубно-реакторный байпасный контур перед всасывающей магистралью насоса введен смеситель.

4. Реактор по п.3, отличающийся тем, что в регулирующий байпасный контур перед всасывающей магистралью насоса введен смеситель.