Реактор-смеситель

 

Изобретение относится к аппаратурному оформлению гетерогенного катализа и позволяет интенсифицировать процесс,за счет уменьшения уноса катализатора из жидкой фазы, внутри корпуса установлен вал с криволинейными лопастями форма которых позволяет уменьшить унос катализатрра при вращении вала. 1 з.п. ф-лы, 5 ил. го со со а

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН аО4 В О! F 7/!О ф pppt gq q

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К A ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTHA (21) 3972438/31-26 (22) 24.09.85 (46) 30.03.87. Бюл, У 12 (75) И. Д. Лучейко и В, П, Бодров (53) 66. 023 (088. 8) (56) Авторское свидетельство СССР !! 1159613, кл. В О1 F 7/02, 1984.

„„Я0„„) 299614 А I (54) РЕАКТОР-СИЕСИТЕЛЬ (57) Изобретение относится к аппаратурному оформлению гетерогенного катализа и позволяет интенсифицировать процесс за счет уменьшения уноса катализатора из жидкой фазы, внутри корпуса. установлен вал с криволинейными лопастями форма которых позволяет уменьшить унос катализатора при вращении вала, 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1299614

25

Изобретение относится к аппаратурному оформлению гетерогенного катализа и может быть использовано в химической и других промышленностях для проведения различных процессов в системе жидкость — твердое тело, в частности для непрерывного деалкилирования ионола до о-трет-бутил-пкрезола - полупродукта производства антиоксиданта Агидол-2.

Цель изобретения — интенсификация процессов путем уменьшения уноса катализатора из жидкой фазы, На фиг. l схематически изображен реактор, продольный разрез; на фиг. 2 и 3 — сечение А-А на фиг. 1 (варианты расположения лопастей мешалки относительно уровня смеси); на фиг. 4— положение нормальной V и тангенциальной V составляющих окружной скорости V произвольной точки кривойлопасти предлагаемой формы при выходе точки иэ реакционной смеси; на фиг. 5 — некоторые кривые семейства по уравнению (!), Реактор содержит привод 1 и корпус 2, внутри которого размещен гори" зонтальный вал 3 с криволинейными лопастями 4, геометрическая форма которых в плоскости вращения описывается уравнением (1), при этом лопасти крепятся к валу посредством радиальных стержней 5 длиной

Ь вЂ” Rb, где Rb — радиус вала. Поперечное сечение лопастей 4 может иметь произвольную форму, а концы лопастей в продольном сечении имеют обтекаемую форму.

Возможны две различные схемы работы реактора, отличающиеся положением уровня смеси и направлением spaщения вала, При первой схеме (фиг. 2) обеспечивается, по сравнению с второй (фиг. 3), меньшее разбрызгивание реакционной смеси у внутренних стенок корпуса, так как импульс частиц среды у поверхности направлен от периферии к центру реактора, что уменьшает вероятность налипания катализатора на стенках с последующей его термодеструкцией, К преимуществу второй схемы следует отнести менее жесткие требования к герметичности в месте соединения вращающегося вала и торцовой крышки за счет размещения уровня смеси ниже вала.

Предложенная геометрическая форма криволинейных вертикально вращающихся лопастей позволяет свести до ьынимума унос катализатора иэ смеси реагентов, описывается уравнением

9 = j(R(h) - — azctg J(R/hl -l. (1) Некоторая плоская кривая-лопасть

30 Q(R) вращается с угловой скоростью оЭ вокруг оси О, расположенной на расстоянии h от уровня смеси (фиг. 4). С математической точки зрения такое вращение эквивалентно скольжению (в противоположном направлении) уровня смеси вдоль окружности радиуса h вокруг неподвижной кривой, Рассмотрим произвольную точку кривой-лопасти, которая в данный

Реактор работает следующим образом, При вращении приводом 1 вала 3 происходит перемешивание реакционной смеси лопастями 4, каждая точка которых выходит под прямым углом (с на фиг. 4) к уровню смеси, при этом нормальная составляющая окружной скорости точки направлена у поверхности вдоль уровня смеси и, следовательно, импульс частицам перемешиваемой среды в направлении от свободной поверхности практически не передается, что существенно уменьшает унос катализатора иэ зоны реакции, интенсифицируя тем самым проводимый процесс. Обтекаемая форма концов лопастей уменьшает разбрызгивание реагентов в момент входа (выхода) лопастей в смесь (из смеси}.

40 момент выходит иэ объема на поверхность смеси, т.е. точку пересечения кривой и уровня смеси. Следует отметить, что BbIHoc катализатора из жидг кой фазы происходит преимущественно

45 при выходе лопастей иэ реакционной смеси, так как в этом случае импульс силы упругости, действующий на частицы среды у поверхности со стороны каждого элемента лопасти, направлен

50 вверх от свободной поверхности. Введем обозначения: al — угол между касательной к кривой в данной точке и уровнем смеси; - угол между касательной 7 и радиусом вращения R точки, равный углу между нормалью и к кривой в данной точке и вектором окружной скорости V точки, как углы с взаимно перпендикулярными сторонами; (— угол между радиусом враще14 (6) Интеграл (6) (2) "= Р +У °

Как известно, tgp= R

d P (3) 30

3 12996 ния К и уровнем переливного патрубка; V-„ è U — соответственно тангенциальная и нормальная составляющие

Ч

Как видно из фиг, 4, 5 где 9 =V(R), уравнение кривой-лопасти в полярной системе координат (полюс — центр вращения О), Иэ фиг. 4

15 = arcsin h//R. (4) Тогда, используя известные соотношения между обратными тригонометрическими функциями х

arcsin х = arctg — — --, 1-х

x+y 25

arctg х + arctg у = arctg -- -, 1-ху уравнение (2), с учетом (3) и (4), будет иметь вид а

К-У К вЂ” +1

dR с/ =arctg (5)

Я2 2

Полученное уравнение (5) позволя- 35 ет найти углы cL выхода (входа при обратном вращении вала) для различных кривых лопастей V(R). С другой стороны, с помощью уравнения (5) можно решить и обратную задачу: по задан- 40 ному значению Ы расчитать в плоскос ти вращения геометрическую формулу лопасти У(К). В частности, практически важен случай, когда для каждой точки криволинейной лопасти с = 45

О

=90, так как в этом случае угол асА =с -90 между нормальной составляющей V окружной скорости и уровh нем смеси будет равным нулю, т,е. импульс, передаваемый лопастью части-50 цам перемешиваемой среды у поверхности, будет направлен все время вдоль уровня смеси, что существенно уменьшит разбрызгивание реагентов, а, следовательно, и унос катализато- 55 ра из жидкой фазы, Из уравнения (5)

I легко найти форму криволинейной лопасти, удовлетворяющей этому условию:

4 с/ =90 =/ R -h -hR — = 0 о ЙЧ

dR /ГГ:Т

y=-„1 — — — dR hФ0.

hJ R — (Д вЂ” Р -h arccos и/R)+C

h или

/(R/ü) -1 -are tg J(R/n)* -1 +

+C=9(R, С), где h выступает в роли параметра, а С 4 C(R) — произвольная постоянная. В найденном уравнении К >h и для крепления криволинейной лопасти „(К) к валу служат стержни 5 радиальной длиной h-К где R — радиус вала (фиг. 2 и 3) ° Постоянную С, не теряя общности, можно положить равной нулю, так как все семейство кривых P (R, С) получается простым и вращением одной кривой 9 (R, О)

Ь вокруг полюса 0 (фиг, 5) .

Таким образом, предлагаемая форма криволинейных вертикально вращающихся лопастей позволяет значительно уменьшить вынос катализатора иэ зоны реакции, так как тангенциальная сс=тавляющая V-, окружной скорости

V каждой точки лопасти при ее выходе из смеси составляет прямой угол с уровнем смеси, а нормальная состав-. ляющая V направлена все время вдоль свободной поверхности смеси, и, следовательно, импульс частицам среды в направлении от ее свободной поверхности не передается.

При этом возможны два режима работы реактора, которые отличаются направлением вращения вала и положением уровня смеси (фиг. 2 и 3) . При первом режиме уровень смеси расположен на длину радиального стержня 5 выше вала, причем вал вращается в таком направлении, при котором сначала иэ смеси выходят (входят) обтекаемые концы, а затем уже остальные точки лопастей. В случае второго режима уровень смеси размещен ниже вала (на длину радиального стержня), вращающегося таким образом, что последними входят (выходят) концы лопастей.

Рассчет углов входа в смесь в для различных точек лопасти предлагаемой формы:

5 1299614 6 поэтому выбор значения h должен быть (7) компроьыссным, ия (1) и Следует особо отметить, что пред,или, после дифференцирования лагаемая форма лопастей, описывае,несложных преобразований, 5 мая УРавнением (1), не является частс щ = агсгg (К/Ь) — 1 ным случаем известной формы лопастей, описываемой уравнением

1 1 R/h "2

= -(ш -1 -arctg mV -1 + (1 /h) -1 (R/h) 1 (p (8) +С(п, m) (13) Как следует иэ (8), концы лопастей входят в смесь под большими углами нежели точки, расположенные ближе к валу:

15 полярный угол точек лопасти, рад; полярный радиус R точек лопасти в единицах радиуса вала R

Ф безразмерные параметры; не зависящая от V постоя иная, где у

ll, tlat гR/R + 1 Т

lim

Вх 2 ° (9) и >1, m>l

С(п, m) cdR сдR

V„=V co 8 p — — —.——

Г! tgêð Д,Р5

dR (1О) вдЬ P f(R).

В известном реакторе уровень смеси проходит через ось вращения вала О, что обеспечивает одинаковые (с точки

I зрения величины угла вебмежду Ч„и уровнем смеси) условия для входа и выхода лопастей из реакционной смеси .

К

1+(н 2)2dR 55

dR (12) 2 Rv, dI

dR и СО8 Р

1 R

2 ф Qg) и

-(- h) п О, 2 h что уменьшает разбрызгивание реаген- 20 тов у внутренних стенок корпуса, уменьшая тем самым вероятность налипания частиц катализатора на стенках и, следовательно, их термодеструкцию, Нормальная состанляющая Ч окружной скорости для всех точек лопасти в форме (1) будет величиной постоянной:

Как следует из (10), степень разбрызгивания (оцениваемую по V ) при выходе лопастей из смеси можно уменьшить (при данной частоте вращения вала д ), уменьшая расстояние h от оси вращения до уровня смеси

40 (естественно, изменяя форму лопастей в соответствии с уравнением (1), При этом автоматически уменьшится раз брызгивание реагентов при входе лопастей в смесь: "ш в и (11)

h -О

Однако уменьшение параметра h не- 5р дет к увеличению длин криволинейных лопастей (при заданной их радиальной длине R„):

Действительно, оба ураннения совпадают (с точностью до постоянной), если п=1 и К /m=h но это совпадеФ

Л ние носит чисто формальный характер, так как нн радиус вала Rb ни действительное число ш никоим образом не связаны с уровнем смеси, определяемым расстоянием h от оси вращения вала до свободной поверхности смеси.

Практически же это означает, что результат будет тот же, если уровень смеси в известном реакторе подобрать таким образом, чтобы выполнялось соотношение h=R /m, что с очевидностью совершенно не вытекает иэ известного уравнения (13), Более того, при выполнении услония h=R„!m, лопасти в форме (13), как следует иэ условия

m >1, h R т,е, уровень смеси должен быть н известном реакторе не ниже вала, что предъявляет более жесткие требования к герметичности в месте соединения вращающегося вала и торцовой крышки, в то нремя как в предлагаемом реакторе уровень смеси может быть выбран и ниже вала, что никак не влияет на условия выхода лопастей из смеси, обеспечивающих минимальный унос катализатора из жидкой фазы (фиг. 3), При этом! 299614

Формула иэобретения

dv аЫ=М =/)d = arctg R — =

ЬХ ЬЬ! Х dR

= arctg m r

2 2)) (!4) 5

Как следует из (14) при фиксированной радиальной длине лопасти

Ч„аñ =O только в том случае, если

m w или и—

Однако это достигается прн боль-. ших (s пределе бесконечных) длинах криволинейных лопастей из ве стной формы ш (+1 m e 15

1/R = — -(r -1) —., (15) и+1 п -еоо

L|R - =-(-.в

1 R к 2 h

1R -h

Х2 Rah

h — — ) =

R.í

R»h1R (l6)

2 Ь что увеличивает металлоемкость и нагрузку на привод мешалки.

В предлагаемом устройстве равен— сТВО 6 + ь,„ =0  каждой TO%KB JIO пасти достигается при конечной длине криволинейной лопасти, которую, к тому же, на основании (12) можно в достаточно широких пределах варьи- 25 ровать (при R = const) изменяя к величину пар аме тр à h:

/ ) — arctg (()(/h) *-I .я полярный угол точки лопасти, Радв полярный радиус (радиус вращения) точки лопасти; расстояние от оси вращения вала до переливного патруб- ка. где

2. Реактор поп. 1, о тличаю шийся тем, что он снабжен соединяющими лопасти с валом радиальными стержнями длиной h-R ь где L — длина стержня;

R — радиус вала, Ь

1, Реактор-смеситель для проведения каталитических процессов в системе жидкость — твердое вещество, содерж щий корпус, горизонтальный вал с криволинейными лопастями, при-. вод и перелнвной патрубок, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью интенсификации процессов за счет уменьшения уноса катализатора из жидкой фазы, форма криволинейных лопастей соответствует уравнению

12996!4

4-4

Со ст ави тель А, Лихано в

Редактор Э. Слиган ТехредН.Глущенко Корректор М, Самборская

Заказ 958/5 Тираж 566 Подпи сн о е

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

11 3035, Москва, Ж" 35, Раушская наб, „д, 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4