УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ НИТРОЭФИРОВ Российский патент 2002 года по МПК B01F5/00 C07C201/02 

Изобретение относится к области производства эфиров азотной кислоты. Наибольшую эффективность оно найдет при получении эфиров азотной кислоты с низкой стойкостью реакционных масс, в частности при получении циклогексилнитрата (ЦГН), применяемого в качестве присадки к дизельным топливам, повышающей их цетановое число. ЦГН получают нитрованием циклогексанола смесью серной и азотной кислот. Реакционная масса, образующаяся при смешении циклогексанола с кислотной смесью, при температурах выше 0^oС может существовать без разложения от 1 до 5 мин. Кроме того, чтобы избежать образования локальных очагов резкого температурного скачка в местах контакта циклогексанола с нитросмесью необходимо обеспечить быстрое дробление циклогексанола на мелкие капли и их равномерное распределение по объему нитросмеси.

Известна установка для получения ЦГН по авт. свид. СССР 687791 (заявитель ЛТИ им. Ленсовета, 24.07.78. Авторы: Вишневский Е.Н., Веретнов Б. Я., Селиванов В.Ф. и др.). В ней для нитрования используются обычные реакторы с мешалками и охлаждающими поверхностями, а стабильность нитромассы обеспечивается низкими температурами нитрования (от -25^o до -16^oС) и добавкой к циклогексанолу от 5 до 25% ранее полученного чистого ЦГН, являющегося инертной добавкой, смягчающей условия нитрования. Для эксплуатации такой установки необходимо иметь холодильные машины глубокого холода (ниже -30^oС), которые дефицитны и требуют больших энергозатрат.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой установке является взятая за прототип установка для получения нитроэфиров (патент RU 2077127, В 01 F 5/00, 1997). Она включает емкости для подготовки нитруемого спирта и нитросмеси, насосы для их транспортирования, средства управления поступлением нитросмеси и спирта, клапан переключения потоков спирта, струйный смеситель, охлаждаемый трубопровод, разрывное предохранительное устройство, инжектор для смешения нитромассы с водой, холодильник разбавленной нитромассы и центрифугу для разделения органической и кислотной фаз. В данной установке важнейшим аппаратом, обеспечивающим быстрое дробление циклогексанола и равномерное распределение его в нитросмеси, является струйный смеситель. Выходной патрубок для спирта у клапана соединяется с входным отверстием для спирта у струйного смесителя трубопроводом. Конструкция клапана в данной установке может быть любой, позволяющей плавно изменять расход спирта в пределах от нуля, когда нижний конец штока перекрывает входное отверстие спирта, до максимального для заданной производительности установки, когда шток находится в верхнем положении и спирт через внутреннюю полость клапана по трубопроводу поступает в смеситель. Цилиндрический конец штока имеет продольные прорези для прохода спирта. Рабочий конец штока может быть коническим, иметь на боковой поверхности прорези любой конфигурации или вообще не иметь их.

Струйный смеситель состоит из полого цилиндрического корпуса с отверстиями для тангенциального ввода нитросмеси и вывода нитромассы: крышки в виде направленного внутрь корпуса смесителя конуса с центральной полостью, от которой отходят сквозные радиальные отверстия, соединяющие полость крышки с полостью корпуса. Корпус снабжен охлаждающей рубашкой с патрубками для хладоносителя. Нитросмесь, входящая через патрубок, закручивается вдоль стенки корпуса и в виде турбулентного потока перемещается вниз по полости; спирт через полость в крышке по каналам, направленным в зону, омываемую потоком нитросмеси, впрыскивается в виде тонких струек в объем нитросмеси, где дробится на мелкие капли, нитруется и образующаяся нитроэмульсия выводится из смесителя.

Однако, имея значительные преимущества перед существующими установками, установка-прототип недостаточно надежна в эксплуатации. Это заключается в следующем. Хотя процесс нитрования циклогексанола проходит без разложения нитроэмульсии после вывода расхода спирта на уровень, требуемый для заданной производительности установки, в период запуска установки в работу наблюдались случаи разложения нитромассы в смесителе с разрывом предохранительного устройства. Этот период охватывает начало открытия клапана до момента достижения оптимального расхода спирта. Указанный недостаток связан с тем, что клапан имеет внутри заполняемую спиртом полость, которая связана со смесителем трубопроводом, поэтому в первый момент после открытия клапана идет заполнение спиртом объема полости в самом клапане, затем трубопровода между клапаном и смесителем и полости в крышке смесителя. При этом какое-то время, определяемое инерционностью пневматического управления клапаном, давление спирта перед каналами смесителя недостаточно для формирования скоростных струек спирта. В результате нарушается режим дробления спирта в нитросмеси и возникают очаги разложения с высокой температурой, которые приводят к бурному разложению нитромассы, находящейся в смесителе и трубопроводе между смесителем и инжектором для разбавления нитромассы водой.

Задачей настоящего изобретения является разработка конструкции установки для получения нитроэфиров с повышенной эксплуатационной надежностью, исключающей возможность создания аварийных ситуаций, связанных с нарушением режима дробления спирта в нитросмеси в период начала подачи нитруемого спирта в реакционный аппарат.

Технический результат, заключающийся в устранении указанных недостатков в установке для получения нитроэфиров, содержащей аппарат нитрования, выполненный в виде струйного смесителя с камерой смешения, имеющей патрубок для ввода нитросмеси, и с крышкой, соединенной со средством подачи нитруемого спирта через регулирующий клапан, оборудование для разбавления, охлаждения и разделения нитроэмульсии, согласно изобретению достигается тем, что аппарат нитрования и клапан регулирования расхода нитруемого спирта совмещены в единый элемент, при этом в крышке смесителя выполнен центральный сквозной канал и в нем размещен шток пневмоканала, выполненный полым и с отверстиями на боковой стенке, расположенными по винтовой линии, полость штока связана с линией нагнетания спирта горизонтальным каналом, выполненным в крышке, а вокруг штока в области отверстий герметично размещено фторопластовое уплотнение, имеющее форму направленных в разные стороны конусов.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 изображена схема установки, на фиг.2 детально показана в разрезе конструкция струйного смесителя, совмещенного с регулирующим клапаном спирта.

Предложенная конструкция установки содержит аппарат для нитрования 8, средства для подачи 3, 4 нитруемого спирта и нитросмеси из расходных емкостей 1, 2, средства управления 5, 7 потоками жидкостей, оборудование для охлаждения нитроэмульсии 23, ее разбавления 11 водой, повторного охлаждения и разделения 12 кислого нитроэфира от отработанной кислоты. Аппарат для нитрования представляет собой совмещенную с клапаном 6 регулирования расхода спирта конструкцию в виде струйного смесителя 8, состоящего из полого цилиндрического корпуса 18 с охлаждающей рубашкой 23 и с патрубками для ввода нитросмеси и вывода нитроэмульсии 19, 24 и крышки 20 с центральным отверстием 28 для размещения передвигаемого поступательно вдоль оси крышки полого штока 16, регулирующего расход пневмоклапана, и с боковыми отверстиями 21 для поступления нитруемого спирта в полость штока 16 пневомоклапана 6. Отверстия 24 на боковых стенках штока 16 располагаются по поднимающейся вверх винтовой линии. Шток 16 по всей высоте расположения отверстий герметично обжимается фторопластовым уплотнением 26, имеющим форму направленных в разные стороны конусов и сжимаемым между корпусом и крышкой смесителя. Шток 16 при передвижении вниз вводится нижним концом непосредственно в зону, омываемую потоком нитросмеси.

Установка работает следующим образом.

Спирт и охлажденная нитросмесь из расходных емкостей 1 и 2 насосами 3 и 4 подаются в струйный смеситель 8. Клапан 7 на линии спирта служит для переключения потока спирта на возврат в расходный бак, а клапан 5 на линии нитросмеси регулирует расход нитросмеси на требуемом уровне. Нитросмесь, входящая через тангенциальный патрубок 19 внутрь корпуса 18 смесителя, движется закрученным турбулентным потоком вниз по камере смесителя. Выполняющий функцию регулирующего клапана полый конец 25 штока 16 пневмоклапана, расположенный в крышке 20, в начале процесса нитрования находится в крайнем верхнем положении, когда отверстия 21 перекрыты фторопластовым уплотнением 26. Трубопровод спирта до смесителя, входной патрубок 17 и полость штока заполнены спиртом, который находится под давлением, создаваемым насосом 3. При открытии пневмоклапана полый шток передвигается вниз и по мере выхода его из фторопластового вкладыша в зону, омываемую нитросмесью, происходит поочередное открытие отверстий 21, через которую спирт сразу же под требуемым давлением в виде тонких струй впрыскивается в нитросмесь. При этом скорость движения штока не влияет на качество смешения спирта с нитросмесью. Образующаяся нитроэмульсия охлаждается через рубашку 23, затем в трубопроводе 9 проходит через предохранительный элемент 10, разбавляется водой в инжекторе 11, охлаждается в холодильнике 12 и разделяется на две фазы (кислый нитроэфир и отработанная кислота) в центрифуге 13.

Использование в качестве нитратора струйного смесителя, в конструкцию крышки которого введен элемент регулирующего клапана, полый шток с отверстиями для впрыскивания нитруемого спирта в нитросмесь, улучшило эксплуатационные возможности установки, обеспечив надежное дробление спирта на мелкие капли и быстрое распределение по объему нитросмеси как в начале процесса подачи спирта в смеситель при открытии регулирующего пневмоклапана, так и в ходе процесса при любом расходе спирта (от нуля до оптимального заданного регламентом значения).

Представленная конструкция был опробована на промышленной установке по получению ЦГН. Использовался струйный смеситель с диаметром смесительной камеры 16 мм, диаметром полого штока пневмоклапана 6 мм, имеющего 8 боковых отверстий диаметром по 0,8 мм каждый, полный ход штока 10 мм. Устойчивая работа установки обеспечивалась при любой скорости открытия пневмоклапана и изменении расхода циклогексанола от нуля до 240 кг/ч. Температура нитроэмульсии на выходе из смесителя устойчиво поддерживалась пневмоклапаном смесителя в пределах 7-14^oС.

Как видно из представленных материалов, предложенная конструкция установки отличается от прототипа тем, что в ней струйный смеситель для проведения реакции нитрования и клапан, регулирующий расход спирта, поступающего в смеситель, выполнены в виде единой конструкции, в которой цилиндрический конец штока пневмоклапана, регулирующего расход спирта, выполнен полым, размещен в центральном канале крышки смесителя, имеет боковые отверстия, располагаемые по поднимающейся вверх винтовой линии, а также тем, что поверхность штока с боковыми отверстиями герметично обжата фторопластовым уплотнением в форме направленных в разные стороны конусов, размещаемым между крышкой и корпусом смесителя. Следовательно, данное предложение обладает новизной.

Сравнение предложенной конструкции не только с прототипом, но и с другими струйными смесителями показало, что именно такое совмещение в единый элемент струйного смесителя и регулирующего расход спирта пневмоклапана, при котором рабочий конец штока пневмоклапана имеет полость с боковыми отверстиями, перекрываемыми фторопластовым уплотнением и открывающимися при выдвижении штока непосредственно в зону смесителя, омываемую нитросмесью, позволило повысить эксплуатационную надежность установки при получении нитроэфиров с крайне низкой стабильностью реакционной смеси. Такое совмещение исключило процесс заполнения спиртом полости пневмоклапана и трубопровода между клапанами смесителя во время открытия пневмоклапана при запуске установки, что и являлось причиной появления очагов разложения нитромассы в установке-прототипе.

Такая возможность реализации предложенной конструкции установки очевидна, так как в установке используются те же узлы, что и в прототипе, а совмещенный с клапаном струйный смеситель может быть изготовлен на механическом участке с обычным оснащением металлообрабатывающими станками. Потребность промышленности в таких установках подтверждается работой производства циклогексилнитрата, эффективной присадки к дизельным топливам. Другим их потребителем могут быть производства ароматических нитросоединений, для которых используются высокие температуры нитрования при малой длительности контакта углеводорода с нитросмесью. Таким образом, предложение обладает и третьим признаком изобретения - промышленной применимостью.

Установка содержит аппарат для нитрования в виде струйного смесителя с камерой смешения, которая имеет патрубок для ввода нитросмеси, крышку, соединенную со средством подачи нитруемого спирта через регулирующий клапан, оборудование для разбавления, охлаждения и разделения нитроэмульсии. Аппарат нитрования и клапан регулирования расхода нитруемого спирта совмещены в единый элемент. В крышке смесителя выполнен центральный сквозной канал и в нем размещен шток пневмоклапана, выполненный полым и с отверстиями на боковой стенке, расположенными по винтовой линии. Полость штока связана с линией нагнетания спирта горизонтальным каналом, выполненным в крышке, а вокруг штока в области отверстий герметично размещено фторопластовое уплотнение, имеющее форму направленных в разные стороны конусов. Данная установка обладает повышенной эксплуатационной надежностью. 2 ил.

Установка для получения нитроэфиров, содержащая аппарат нитрования, выполненный в виде струйного смесителя с камерой смешения, имеющей патрубок для ввода нитросмеси, и с крышкой, соединенной со средством подачи нитруемого спирта через регулирующий клапан, оборудование для разбавления, охлаждения и разделения нитроэмульсии, отличающаяся тем, что аппарат нитрования и клапан регулирования расхода нитруемого спирта совмещены в единый элемент, при этом в крышке смесителя выполнен центральный сквозной канал и в нем размещен шток пневмоклапана, выполненный полым и с отверстиями на боковой стенке, расположенными по винтовой линии, полость штока связана с линией нагнетания спирта горизонтальным каналом, выполненным в крышке, а вокруг штока в области отверстий герметично размещено фторопластовое уплотнение, имеющее форму направленных в разные стороны конусов.