Устройство для проведения массообменных процессов
Полезная модель направлена на увеличение выхода конечного продукта и улучшение его качества при одновременном упрощении технологии и снижении энергетических и капитальных затрат. Указанный технический результат достигается за счет того, что устройство для проведения массообменных процессов содержит реактор, выполненный в виде цилиндра. Внутренний объем реактора разделен на последовательно расположенные зону смешения, зону расслоения продуктов взаимодействия компонентов и зону отвода продуктов реакции. В зоне смешения и зоне отвода продуктов реакции установлены распределительные кольцевые камеры, которые соединены с упомянутыми зонами посредством каналов тангенциального ввода и вывода, выполненных криволинейными по форме спирали Архимеда. 3 ил.
Полезная модель относится к области технологических переделов при переработке многотоннажных сырьевых потоков углеводородного сырья в двухфазных и более системах между жидкостями, газами и их комбинациями, и может быть использовано для проведения технологических процессов в химической, нефтехимической, нефтегазовой и других отраслях промышленности.
В современной технике в большинстве случаев массообменные процессы протекают на поверхности раздела фаз, в связи с чем скорость протекания процессов зависит от величины поверхности соприкосновения между реагирующими компонентами: чем выше степень диспергирования компонентов, тем выше скорость реакции.
В традиционных аппаратах, представляющих собой вертикальные колонны-реакторы со штуцерами ввода сырья, воздуха и пара и вывода готового продукта и отработанных газов движение взаимодействующих восходящих и нисходящих углеводородных сырьевых потоков в колонне происходит под действием разности плотностей жидкой и газообразной (паровой) фаз, что требует не только тонкого диспергирования одной жидкости в другой, но и значительных затрат энергии на испарение, охлаждение и конденсацию всей массы перерабатываемых углеводородных потоков: нефть, конденсат, газ, сланцы и т.д. Поэтому скорость массопередачи в таких аппаратах низка, а сами аппараты громоздки [1].
Кроме того, в рабочем объеме экстракционной колонны легко образуются застойные зоны, участки трудноразделимых эмульсий и канальные эффекты, при этом сравнительно низка четкость разделения на рафинат и экстракт.
Для повышения эффективности работы таких аппаратов их дополняют различными техническими средствами для диспергирования компонентов перед их подачей в зону реакции. Эти средства могут быть механическими,
струйно-эжекторными, барботажными, эффективность которых не всегда удовлетворительна, что, в свою очередь, не позволяет существенно интенсифицировать процессы с участием компонентов, прошедших подобную обработку.
Известно устройство для периодического получения нефтяного битума путем окисления нагретого нефтяного гудрона и окислителя в кубе, в котором для диспергирования воздуха в массу окисляемого продукта и последующего перемешивания массы окисляемого продукта установлены турбомешалки. [2].
Известное решение характеризуется недостаточной степенью перемешивания всей массы окисляемого продукта, что приводит к образованию в первоначальных местах контакта реагирующих веществ локализованных зон, в которых отмечается либо образование карбенов и карбоидов, либо неполное окисление сложных надмолекулярных структур, способствующих увеличению продолжительности процесса окисления и приводящих к ухудшению качества продукта.
Известно также устройство для серно-кислотного алкилирования, содержащее перемешивающие устройство в виде форсунок, предназначенных для приготовления эмульсии и перемешивания реакционной смеси алкилирования [3].
Данное устройство также не обеспечивает дисперсность распыленного потока, достаточную для получения развитой поверхности контакта реагирующих веществ, причем получаемая эмульсия, будучи легкой и нестабильной, разрушается до завершения реакции, что не способствует обеспечению достаточно высокого качества получаемого продукта.
Однако, используемые в известном решении перемешивающие устройства (форсунки) не позволяют обеспечить качественную эмульсию и она, будучи легкой и нестабильной, разрушается до завершения реакции, следствием чего является неполная конверсия олефинов, образование локальных участков скопления концентрированной серной кислоты и
протекание первичных побочных реакций с ухудшением качества алкилбензина и недостаточно высокая производительность процесса.
К числу других недостатков этих способов следует отнести относительную громоздкость аппаратуры, конструктивную сложность (наличие подшипниковых узлов, движущихся частей, электроприводов), высокие затраты мощности на перемешивание.
Наиболее близким к описываемой полезной модели следует принять установку для получения алкилбензина, содержащее устройство для проведения массообменных процессов - реактор для смешивания компонентов и получения эмульсии, снабженный в нижней части тангенциальными вводами для подачи в смесительную зону реактора компонентов с перепадом давления на входе, под воздействием которого потоки смешиваются в смесительно-реакционной зоне с образованием закрученного вихревого восходящего потока устойчивой мелкодисперсной эмульсии, поступающей в реакционную зону реактора, где установлены тангенциальные вводы олефинового сырья в восходящий мелкодисперсный поток смеси катализатора с изобутаном [4].
Потоки смешиваются с восходящим потоком из зоны смешения для проведения реакции алкилирования и поступают в верхнюю зону реактора - зону разделения ультрацентрифугированием, за которой расположены тангенциально установленные патрубки для отвода катализатора и продуктов реакции. Расслоение эмульгированной реакционной смеси на составляющие компоненты и вывод их из реактора производится методом центрифугирования вместо массо-теплообменного процесса, осуществляемого в существующих технологических агрегатах реакторах
Известное устройство обеспечивает достаточно высокую степень смешения, однако в нем не использованы все возможности для дальнейшего повышения возможности разделения продуктов реакции на отдельные углеводородные фракции с различными удельными весами.
Задачей настоящей полезной модели является разработка конструкции устройства, обеспечивающего увеличение выхода конечного продукта и улучшение его качества при одновременном упрощении конструкции технологических реакторов и аппаратов и снижении энергетических затрат.
Указанная задача решена за счет того, что устройство для проведения массообменных процессов, содержащее реактор, выполненный в виде цилиндра, внутренний объем которого разделен на зону смешения с каналами тангенциального ввода компонентов, зону расслоения продуктов взаимодействия компонентов и зону отвода продуктов с каналами тангенциального их вывода, дополнительно снабжено распределительными кольцевыми камерами, расположенными в зоне смешения и зоне отвода продуктов, а каналы тангенциального ввода и вывода выполнены криволинейными по форме спирали Архимеда.
Благодаря акустическому полю, генерируемому в каналах, выполненных по форме спирали Архимеда, образуется монодисперсная система, что обеспечивает быстрое проведение реакции или извлечение нежелательных компонентов из сырья, но затрудняет коалесценцию капель фазовых растворов из-за создания дисперсной системы с развитой межфазной поверхностью, для разрушения которой требуется продолжительное время для коалесценции и расслоения фазовых растворов в поле гравитационных сил.
В описываемой полезной модели в зону смешения сырьевыми потоками вносится дополнительная энергия в виде турбулентных вихрей, акустического поля и поля инерционных, центробежных и центростремительных сил, а диспергирование реагента перед смешением в реакционной зоне снижает затраты энергии на диспергирование.
Наличие нескольких генераторов акустических колебаний при раздельной подаче каждого из перемешиваемых компонента в смеситель, позволяет сократить время контакта, обеспечить разные скорости обновления межфазных поверхностей контактирующих фаз и увеличить движущую силу
процесса массообмена. Кроме того, раздельная подача компонентов в смеситель позволяет сообщать акустические колебания только потоку сырья.
Применение в качестве гомогенизаторов струйных излучателей колебаний с каналами по форме спирали Архимеда позволяет получить гомогенизированные потоки исходных компонентов перед их поступлением в реакционную зону, при этом струйные излучатели колебаний позволяют формировать на выходе высокоскоростные закрученные потоки компонентов, а за счет запаса энергии потоков осуществляется последовательная гомогенизация смеси после смешения и продолжительная выдержка готовой гомогенизированной смеси при ее движении в зону разделения.
Обеспечивается структура гомогенизированного потока смеси, в котором капли жидких компонентов имеют размеры отдельных частиц не более 20 мкм. Столь высоко гомогенизированная система имеет развитую межфазную поверхность, что позволяет завершить процесс реакции значительно быстрее и получить продукт лучшего качества, так как в потоке отсутствуют крупные частицы с малой скоростью движения - частицы имеют примерно равные размеры и, следовательно, реагируют с равной скоростью.
Центробежные и центростремительные силы вращающегося потока углеводородного сырья или продуктов реакции со скоростью, превышающей 20000 оборотов в минуту и более в зависимости от перепада давления сырьевого потока и реагентов на входе в аппарат и высокая линейная скорость вращающегося потока сырья или продуктов реакции позволяют мгновенно разделить потоки на целевые фракции без испарения и конденсации многотоннажных потоков углеводородного сырья.
Таким образом отпадает необходимость в эксплуатации существующих реакторов и аппаратов, использующих в качестве силового поля только гравитационное силовое поле и прекратить сжигание огромного количества топлива или потребление энергии и увеличить многократно
производительность действующих предприятий с одновременным улучшением экологической обстановки.
Полезная модель иллюстрируется прилагаемыми чертежами, на которых изображено:
На фиг.1 показан общий вид реактора;
На фиг.2 показан разрез по А-А на фиг.1.
На фиг.3 показан разрез по В-В на фиг.1.
Устройство для проведения массообменных процессов состоит из реактора 1, выполненного в виде цилиндра 2, внутренний объем которого разделен на зону 3 смешения и проведения реакции, зону 4 разделения (расслоения) на целевые фракции ультрацентробежным центрифугированием и зону 5 вывода целевых продуктов реакции из реактора 1.
В зоне 3 смешения реактора 1 выполнены распределительные кольцевые камеры 6 с гомогенизаторами, представляющими собой струйные излучатели колебаний, выполненные в виде криволинейных каналов 7 по форме спирали Архимеда. Каналы 7 соединяют распределительные кольцевые камеры 6 с внутренним объемом реактора 1.
Выходные окна цилиндрических камер, в которые выходят каналы 7, выполнены с диаметром, равным внутреннему диаметру реактора 1.
Зона 4 разделения (расслоение) на целевые фракции представляет собой гладкий участок цилиндра 2.
В зоне 5 удаления целевых продуктов реакции также выполнены распределительные кольцевые камеры 6, каждая из которых соединена с внутренним объемом реактора 1 посредством криволинейных каналов 7, выполненных по форме спирали Архимеда.
Работа описываемой полезной модели осуществляется следующим образом.
Реагенты и сырье поступают в кольцевые распределительные камеры 6, а затем в каналы 7, выполненные по форме спирали Архимеда (см. фиг.2),
где подвергаются воздействию акустических колебаний, в результате чего гомогенизируются. Из каналов 7 гомогенизированные реагенты и сырье поступают в зону смешения, где осуществляется реакция взаимодействия между ними с образованием восходящего высокоскоростного закрученного потока, которые с высокой линейной скоростью проходят смесительную и реакционную зоны и поступают в зону разделения, где за счет центробежных сил расслаиваются на фракции цетрифугированием за счет по разности удельных весов.
Предпочтительно реагенты и компоненты сырья, имеющие наибольшую плотность, подавать в реактор через первую по ходу распределительную камеру 6, а реагенты и компоненты сырья, имеющих наименьшую плотность, подавать в реактор через последнюю по ходу распределительную камеру 6.
Расслоенные потоки фракций попадают в зону вывода продуктов, где каждый из продуктов отводится через свой криволинейный канал по форме спирали Архимеда (см. фиг.3) и далее по кольцевой камере 6 из устройства.
При этом, в связи с тем, что направление движения потоков в криволинейных каналах обратное направлению движения исходных компонентов в зоне смешения, акустический эффект не проявляется, а за счет тангенциального вывода продуктов падение напора минимальное.
Полезная модель обеспечивает однородную структуру гомогенизированного сырья и высокую степень гомогенизации газожидкостных потоков, имеющую развитую межфазную поверхность, что сокращает время протекания реакций между компонентами потока, обеспечивает избирательность процессов, ускорение отвода продуктов реакции из реакционной зоны и обеспечивает разделение жидких и газообразных продуктов реакции по фракциям.
Кроме того, полезная модель упрощает конструкцию аппарата вследствие отсутствия необходимости использования энерго- и
металлоемкой ректификационной и адсорбционно-десорбционной аппаратуры.
1. Грудников И.Б. Производство нефтяных битумов, М, Химия, 1983, с.127-132.
2. Р.Б.Гун. Нефтяные битумы, М., Химия, 1973, с.186-188.
3. US 5777189 A, 07.07.1998
4. RU 2175311 C1, 27.10.2001
Устройство для проведения массообменных процессов, содержащее реактор, выполненный в виде цилиндра, внутренний объем которого разделен на последовательно расположенные зону смешения с тангенциальными каналами ввода компонентов, зону расслоения продуктов взаимодействия компонентов и зону отвода продуктов реакции с тангенциальными каналами, отличающееся тем, что оно снабжено расположенными в зоне смешения и зоне отвода продуктов реакции распределительными кольцевыми камерами, соединенными с упомянутыми зонами посредством, соответственно, каналов тангенциального ввода и вывода, выполненных криволинейными по форме спирали Архимеда.
