ТРУБЧАТЫЙ РЕАКТОР Российский патент 1996 года по МПК B01J8/06 F28F13/12 

Изобретение относится к химическому машиностроению и предназначено для проведения химических реакций с предварительным нагреванием полимеризующейся реакционной массы, в частности для синтеза полимера волокна оксалон.

Известно применение теплообменных аппаратов типа "труба в трубе" для нагрева и проведения начального процесса синтеза полимера для волокна оксалон [1]
Однако использование таких аппаратов в качестве трубчатых реакторов ограничивается их низкой производительностью и возможно только в опытном производстве. Это объясняется тем, что увеличение диаметра трубы влечет неравномерный прогрев вязкого продукта по сечению трубы. Повышение же производительности при трубах малого диаметра приводит к значительным габаритам и повышенной энергоемкости за счет увеличения длины трубчатого аппарата и оснащения насосами высокого давления.

Известны также кожухотрубчатые теплообменные аппараты, содержащие корпус с патрубками, в полости которого размещены трубы, закрепленные в трубных решетках [2] Раствор олигомера (мономера оксалон, капролактам и т.д.) самопроизвольно поступает по трубам, обогреваемым теплоносителем, в результате чего происходит форполиконденсация полимера.

Однако промышленное применение таких теплообменных аппаратов для нагрева полимеризующихся жидкостей ограничено по следующим причинам. Раствор олигомера перемещается по трубам с разными скоростями в центральных трубах скорость большая, а в периферийных меньшая. В результате застоя раствора в периферийных трубах и большего их нагрева происходит ускоренный процесс полимеризации (поликонденсации) с образованием вязкого полимера. Часть периферийных трубок закупоривается, вследствие чего скорость прохождения раствора через оставшиеся трубки увеличивается, что приводит к недостаточному нагреву выходящего из аппарата раствора и снижению качества полимера.

Наиболее близким к изобретению является трубчатый реактор, предназначенный для осуществления химических реакций и включающий корпус, в полости которого размещены трубы, закрепленные в трубных решетках [3] В этом реакторе последовательно чередуются трубы разных диаметров.

Однако использование такого реактора ограничивается эффективностью и низкой надежностью в работе, возникающими ввиду неравномерного нагрева вязкого продукта в трубах большого сечения, что приводит к снижению качества готового полимера.

Цель изобретения обеспечение равномерного нагрева подаваемой в реактор полимеризующейся реакционной массы и повышение надежности работы реактора, достигаемые за счет того, что трубчатый реактор, содержащий корпус с торцовыми крышками и патрубками для ввода и вывода теплоносителя и реакционной массы, в полости которого размещен закрепленный в трубных решетках пучок труб, снабжен распределительной камерой, выполненной в виде корпуса с установленным по оси его с возможностью вращения барабаном, на сопряженной с концами труб поверхности которого выполнены отверстия для переменного сообщения полости каждой трубы с полостью барабана, а распределительная камера реактора установлена в размере пучка труб и выполнена в виде стакана.

Размещение распределительной камеры в разъеме пучка труб обеспечивает непрерывный приток и накопление реакционной смеси. Установленный в распределительной камере вращающийся барабан с каналами на боковой поверхности способствует тому, что реакционная смесь из полости распределительной камеры принудительно под давлением поочередно подается в полость каждой трубы реактора. При этом каждому отверстию на барабане соответствует свой ряд труб в пучке. Концы пучка труб в разъеме выполнены сопряженными с вращающимся барабаном, т. е. эквидистантно его боковой поверхности, что обеспечивает при вращении дозированную импульсную подачу реакционной смеси попеременно в каждую трубку реактора. Таким образом, при помощи каналов вращающийся барабан в совокупности с сопряженными концами труб образует в определенный момент сквозной проход, сообщающий полость отдельной трубы с полостью распределительной камеры, в которую реакционная смесь подается под давлением. При этом предыдущая порция массы в каждой трубе при соединении с определенным каналом барабана продавливается новой порцией реакционной массы, а все трубы реактора работают в одном режиме, исключены застой реакционной массы в трубах и их закупоривание.

Таким образом, осуществляется равномерный нагрев полимеризующейся массы, способствующий проведению реакции форполиконденсации в соответствии с технологическим регламентом, повышается надежность работы реактора и качество получаемого полимера.

На фиг. 1 изображен трубчатый реактор, разрез; на фиг.2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг.3 вариант выполнения одностороннего трубчатого реактора; на фиг.4 развертка боковой поверхности барабана; на фиг.5 и 6 возможные варианты крепления пучков труб в боковых стенках распределительной камеры, выполняющих роль трубных решеток.

Трубчатый реактор содержит корпус 1 с патрубками 2 для вывода олигомера, патрубками 3 и 4 ввода и вывода теплоносителя и торцовые крышки 5 и 6. В полостях корпуса 1 размещены трубы 7, собранные в виде пучка, закрепленного в трубных решетках 8 и 9. В разъеме пучка труб 7 размещена распределительная камера 10 с патрубком 11 для подвода реакционной массы, в которой установлен барабан 12 с приводом 13. На боковой поверхности барабана 12 выполнены каналы 14 (отверстия) для попеременного сообщения полости каждой из труб 7 с полостью камеры 10. Каждому отверстию 14 барабана 12 соответствует свой ряд труб в пучке, размещенный по горизонтали. Концы труб, сопряженных с барабаном, выполнены эквидистантно его боковой поверхности с небольшим зазором от нее, необходимым для проворачивания барабана. Распределительная камера 10 выполнена в виде стакана. Такая форма наиболее технологична в изготовлении, однако, камере можно придать любую форму. Месторасположение камеры выбирается в зависимости от планировки в цехе, от габаритов реактора. На фиг.3 показан реактор, трубный пучок которого расположен с одной стороны распределительной камеры. Следует отметить также, что роль трубных решеток 9 могут выполнять боковые стенки стакана 10. При этом возможны различные варианты закрепления труб 7 в стенках стакана. Например, концы труб можно выполнить выступающими в полость стакана (фиг.5). Концы труб могут быть закреплены заподлицо с его стенками (фиг.6). В этом случае барабан своей наружной поверхностью сопрягается с внутренней поверхностью боковых стенок стакана.

На развертке боковой поверхности барабана (фиг.4) пунктирными линиями показаны трубы, закрепленные в трубных решетках в шахматном порядке. Поочередное (попеременное) сообщение полостей каждой трубы с полостью распределительной камеры обеспечивается, например, при условии равенства между собой минимального диаметра (d₁) отверстия в барабане шага между трубами (а) по горизонтали, шага между трубами (b) по вертикали и внутреннего диаметра трубы (d), т.е. a b d d₁. Нумерация на трубах (1-14) обозначает очередность совпадения полости каждой трубы своего ряда с подошедшим отверстием вращающегося барабана. При этом исключена возможность совпадения (открытия) отверстий с трубами соседнего ряда. Для расположения труб, показанного на развертке, расстояние между центральными осями обоих пучков труб равно 14а, минимальная же длина развертки наружной поверхности барабана составит 28а, т. е. равна минимальному расстоянию между вертикальными рядами труб, умноженному на суммаpное количество труб в обоих пучках. Таким образом, длина окружности барабана
πD n·a, где D диаметр барабана;
n количество труб;
а шаг между трубами по горизонтали.

При большом количестве труб в пучке, т.е. при изготовлении трубного реактора с большой поверхностью теплообмена с целью снижения габаритов барабана за счет уменьшения его диаметра, возможно принять попеременное сообщение полостей сразу двух труб с полостью камеры. В этом случае диаметр барабана составит D 1/2 n·a.

Трубчатый реактор работает следующим образом.

Раствор олигомера (мономера), вязкостью до 200 пауз, например оксалона, под давлением до 10 ати, подается через патрубок 11 в распределительную камеру 10 и в полость барабана 12, который непрерывно вращается от привода 13. При вращении барабана 12 в момент последовательного совпадения отверстий 14 на его боковой поверхности с сопряженными концами труб 7 реакционная масса импульсно поступает в обогреваемые трубы реактора. Барабан, продолжая вращаться, перекрывает ранее открытые трубы, прекращая подачу в них реакционной массы. Другая часть труб через отверстия 14 соединяется с полостью распределительной камеры. Таким образом, происходит попеременное дозированное заполнение каждой трубы. Новая порция полимера продавливает предыдущую, предотвращая образование пробок. Реакционная масса принудительно течет по трубам и, находясь одинаковое время в каждой трубе при определенной температуре в реакторе, подвергается равномерному прогреву. В результате форполиконденсации из реактора через патрубок 2 выходит олигомер с заданной температурой и высоким качеством. В реакторе, изображенном на фиг.3, происходит аналогичный процесс. Очевидно, что реакционная смесь в таком реакторе поступает в одну сторону. Поэтому реактор такого исполнения применяется в случаях с более низкой производительностью, либо при более низкой вязкости исходной реакционной массы, ввиду того, что вращающийся барабан испытывает одностороннюю боковую нагрузку.

Использование: в химическом машиностроении для проведения химических реакций с предварительным нагреванием полимеризующейся реакционной массы, в частности для синтеза полимера волокна оксалан. Сущность изобретения: трубчатый реактор, содержащий корпус с торцовыми крышками и патрубками для ввода и вывода теплоносителя и реакционной массы, в полости которого размещен закрепленный в трубных решетках пучок труб, снабжен распределительной камерой, выполненной в виде корпуса с установленным по оси его с возможностью вращения барабаном, на сопряженной с концами труб поверхности которого выполнены отверстия для попеременного сообщения барабана. Распределительная камера установлена в разъеме пучка труб, а корпус выполнен в виде стакана. 1 з. п. ф-лы, 6 ил.

1. ТРУБЧАТЫЙ РЕАКТОР, содержащий корпус с торцевыми крышками и патрубками для ввода и вывода теплоносителя и реакционной массы, в полости которого размещен закрепленный в трубных решетках пучок труб, отличающийся тем, что он снабжен распределительный камерой, выполненной в виде корпуса с установленным по его оси с возможностью вращения барабаном, на сопряженной с концами труб поверхности которого выполнены отверстия для попеременного сообщения полости каждой трубы с полостью барабана. 2. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что распределительная камера установлена в разъеме пучка труб, а корпус выполнен в виде стакана.