Реактор-смеситель Советский патент 1987 года по МПК B01F7/10 

112

Изобретение относится к аппаратурному оформлению гетерогенного катализа и может быть использовано в химической и других промьшленностях для проведения различных процессов в системе жидкость - твердое тело, в частности для непрерывного деалки- лирования ионола до о-трет-бутил-п- крезола - полупродукта производства антиоксиданта Агидол-2,

Цель изобретения - интенсификация процессов путем уменьшения уноса катализатора из жидкой фазы.

На фиг. 1 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

20

25

При первой схеме (фиг. 2) обесп чив ается, по сравнению с второй (фиг. 3), меньшее разбрызгивание р акционной смеси у внутренних стен корпуса, так как импульс частиц ср ды у поверхности направлен от пери ферии к центру реактора, что умен шает вероятность налипания катализатора на стенках с последующей ег термодеструкцией, К преимуществу второй схемы следует отнести мене жесткие требования к герметичности в месте соединения вращающегося в ла и торцовой крьш1ки за счет размещения уровня смеси ниже вала. Предложенн 1Я геометрическая фор ма криволинейных вертикально вра щающихся лопастей позволяет свести до минимума унос катализатора из смеси реагентов, описывается уравн нием

положение нормальной V и тангенци- альной % составляющих окружной скорости V произвольной точки кривой- лопасти предлагаемой формы при выходе точки из реакционной смеси; на фиг. 5 - некоторые кривые семейства по уравнению (I),

Реактор содержит привод 1 и корпус 2р внутри которого размещен горизонтальный 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 h - R, , где Rj - радиус вала. Поперечное сечение лопастей 4 может иметь 35 скольжению (в противоположном на- произвольную форму, а концы лопастей в продольном сечении имеют обтекаемую форму.

30

Ч J(R(h) -l - arctg |(R/hf-l

(1

Некоторая плоская кривая-лопас Ч (И) вращается с угловой скоростью и) вокруг оси О, расположенной на расстоянии h от уровня смеси (фиг, 4). С математической точки зрения такое вр.ащение эквивалентн

правлении) уровня смеси вдоль окру ности радиуса h вокруг неподвижной кривой. Рассмотрим произвольную т ку кривой-лопасти, которая в данны момент выходит из объема на поверх ность смеси, т.е. точку пересечен кривой и уровня смеси. Следует от тить, что вьшос катализатора из ж кой фазы происходит преимущественн 45. при выходе лопастей из реакционной смеси, так как в этом случае импул силы упругости, действующий на ча тицы среды у поверхности со сторон каждого элемента лопасти, направле вверх от свободной поверхности. В дем обозначения: о(. - угол между к сательной t к кривой в данной точк и уровнем смеси; р- угол между к сательной t и радиусом вращения R точки, равный углу между нормалью к кривой в данной точке и вектором

Реактор работает следуюпдам образом.

При вращении приводом 1 вала 3 происходит перемешивание реакционной смеси лопастями 4, каждая точка которых выходит под прямым углом (ct 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 из зоны реакции, интенсифицируя тем самым проводимый процесс. Обтекаемая форма концов лопастей уменьшает разбрызгивание реагентов в момент рхода (выхода) лопастей в смесь (из снеси).

Возможны две различные схемы работы реактора, отличающиеся положением уровня смеси и направлением вращения вала.

При первой схеме (фиг. 2) обеспечив ается, 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 крьш1ки за счет размещения уровня смеси ниже вала. Предложенн 1Я геометрическая форма криволинейных вертикально вращающихся лопастей позволяет свести до минимума унос катализатора из смеси реагентов, описывается уравнением

скольжению (в противоположном на-

Ч J(R(h) -l - arctg |(R/hf-l.

(1)

Некоторая плоская кривая-лопасть Ч (И) вращается с угловой скоростью и) вокруг оси О, расположенной на расстоянии h от уровня смеси (фиг, 4). С математической точки зрения такое вр.ащение эквивалентно

скольжению (в противоположном на-

правлении) уровня смеси вдоль окружности радиуса h вокруг неподвижной кривой. Рассмотрим произвольную точку кривой-лопасти, которая в данный момент выходит из объема на поверхность смеси, т.е. точку пересечения кривой и уровня смеси. Следует отметить, что вьшос катализатора из жидкой фазы происходит преимущественно при выходе лопастей из реакционной смеси, так как в этом случае импульс силы упругости, действующий на частицы среды у поверхности со стороны каждого элемента лопасти, направлен вверх от свободной поверхности. Введем обозначения: о(. - угол между касательной t к кривой в данной точке и уровнем смеси; р- угол между касательной t и радиусом вращения R точки, равный углу между нормалью п к кривой в данной точке и вектором

окружной скорости V точки, как углы взаимно перпендикулярными сторона- Ф1; Ji - угол между радиусом враще

312996

ния R и уровнем переливного патрубка; V-J. и V - соответственно тангенциальная и нормальная составляющие

V .

14

(6)

Как видно из фиг, 4,

о( э + у . Как известно,

где Ч (К), уравнение кривой-лопасти в полярной системе координат (полюс - центр вращения 0). Из фиг. 4

у arcsin h/R.

Тогда, используя известные соотношения между обратными тригонометрическими функциями

х+у arctg X + arctg у arotg т;

уравнение (2), с учетом (3) и (4), будет иметь вид

с arctg

-hR dR

Полученное уравнение (5) позволя- ет найти- углы ot выхода (входа при обратном вращении вала) для различных кривых лопастей f (R) , С другой стороны, с помощью уравнения (5) можно решить и обратную задачу: по задан- ному значению ot расчитать в плоское- ти геометрическую формулу лопасти f(R), В частности, практически важен случай, когда для каждой точки криволинейной лопастиok 90°, так как в этом случае угол uoi.-90 между нормальной составляющей V окружной скорости и уровнем смеси будет равным нулю, т.е. импульс, передаваемый лопастью части цам перемешиваемой среды у поверхности, будет направлен все время вдоль уровня смеси, что существенно уменьшит разбрызгивание реагентов, а, следовательно, и унос катализато-

ра из жидкой фазы. Из уравнения (5)

1

легко найти форму криволинейной лопасти, удовлетворяющей этому условию

(2)

Интеграл (6): 1

Ч ( -h arccos h/R)-fC

0

15

20

25

30

35 40 45-50 55

1

:

или

f - Whf-l -arctg /(R/nf-1 + +C 4(R, C).

где h выступает в роли параметра, а С C(R) - произвольная постоянная. В найденном уравнении R и для крепления криволинейной лопасти ) к валу служат стержни 5 радиальной длиной h-R jj, где Rj, - радиус вала (фиг. 2 и 3). Постоянную С, не теряя общности, можно положить равной нулю, так как все семейство кривых Y (R С) получается простым вращением одной кривой Ч (R, О) вокруг полюса О (фиг, 5),

Таким образом, предлагаемая форма криволинейных вертикально вращающихся лопастей позволяет значительно уменьшить вынос катализатора из зоны реакции, так как тангенциальная составляющая V-j- окружной скорости V каждой точки лопасти при ее выходе из смеси составляет прямой угол с уровнем смеси, а нормальная составляющая 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 из 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 ci. в смесь для различных точек лопасти предлагаемой формы:

5

dtp

p-y arctg R 5 - arcsin h/R,

(7)

.или, после дифференцирования (1) и несложных преобразований.

вх

arctg

arctg (R/h)- 1 - 1

5

/ (R/h)-l

1 (R/h)--2 arctg

l(R/h) -l .0 (8)

Как следует из (8), концы лопастей входят в смесь под большими углами нежели точки, расположенные ближе к валу:

2

(9)

что уменьшает разбрызгивание реагентов у внутренних стенок корпуса, уменьшая тем самым вероятность налипания частиц катализатора на стенках и, следовательно, их термодеструкцию.

Нормальная составляклцая V окружной скорости для всех точек лопасти в форме (1) будет величиной постоянной :

V cos (3

f.(R).

u)R

SA

(10)

Как следует из (10), степень раз- брызгивания (оцениваемую по V) при выходе лопастей из смеси можно уменьшить (при данной частоте вращения валаи5), уменьшая расстояние h от оси вращения до уровня смеси (естественно, изменяя форму лопастей в соответствии с уравнением (1). При этом автоматически уменьшится разбрызгивание реагентов при входе лопастей в смесь:

limoi-,

(И)

1Г

бх 2

Однако уменьшение параметра h ведёт к увеличению длин криволинейных лопастей (при заданной их радиальной длине R):

RK

50

Действительноj оба уравнения со падают (с точностью до постоянной) если и R , но это совпадение носит чисто формальный характе так как ни радиус вала R, ни действительное число m никоим образом не связаны с уровнем смеси, опреде расстоянием h от оси вращен вала до свободной поверхности смес Практически же это означает, что р зультат будет тот же, если уровень смеси в известном реакторе подобра таким образом, чтобы выполнялось с отношение /т, что с очевидност совершенно не вытекает из известно уравнения (13), Более того, при вы полнении условия , лопасти в форме (13), как следует из условия т:, , т.е. уровень смеси до жен быть в известном реакторе не н же вала, что предъявляет более жес кие требования к герметичности в месте соединения вращающегося вала и торцовой крьш1ки, в то время как предлагаемом реакторе уровень смес может быть выбран и ниже вала, что никак не влияет на условия выхода лопастей из смеси, обеспечивающих минимальный унос катализатора из жи кой фазы (фцг, 3),

В известном реакторе уровень см си проходитчерез осьвраиения вгшаО что обеспечивает одинаковые (с точ

|. I4Llv XIl ж GL А . -njbJ,- -

L di --- 1 Ii-f(R If)dRm55 зрения величины угла A«it.между V и

u - J cospJ dRуровнем смеси) условия для входа и

сС

. i(5-h) „

(12)

уровнем

выхода лопастей из реакционной сме

ш.

)

1299614. 6

поэтому выбор значения h должен быть

kOMnpONMCCHblM.

Следует особо отметить, что предлагаемая форма лопастей, описывае- 5 мая уравнением (1), не является частным случаем известной формы лопастей, описываемой уравнением

0

5

0

5

0

-

0

5

0

i(/

а,7п

fC(n, m), где ч f

И

-1 -arctgJm V -l + (13)

полярный угол точек лопасти, рад;

/ 1 - полярный радиус R точек лопасти в единицах радиуса вала R ;

п 1, m 1 - безразмерные параметры; С(п, т) - не зависящая от V постоянная.

Действительноj оба уравнения совпадают (с точностью до постоянной), если и R , но это совпадение носит чисто формальный характер, так как ни радиус вала R, ни действительное число m никоим образом не связаны с уровнем смеси, опреде- 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 /т, что с очевидностью совершенно не вытекает из известного уравнения (13), Более того, при выполнении условия , лопасти в форме (13), как следует из условия т:, , т.е. уровень смеси должен быть в известном реакторе не ниже вала, что предъявляет более жесткие требования к герметичности в месте соединения вращающегося вала и торцовой крьш1ки, в то время 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 (фцг, 3),

В известном реакторе уровень смеси проходитчерез осьвраиения вгшаО, что обеспечивает одинаковые (с точки

4Llv XIl ж GL А . -njbJ,- -

5 зрения величины угла A«it.между V и

уровнем смеси) условия для входа и

уровнем

выхода лопастей из реакционной смеш.

при этом , Лс/, arctg R 1

arctgy/m r - .(14)

Как следует из (14), при (JMKCH- рованной радиальной длине лопасти . только в том случае, если m - со или п - со

Однако это достигается при больших (в пределе бесконечных) длинах криволинейных лопастей известной формы

. , ш / - 1 , 1п

I /VnTT K - )что увеличивает металлоемкость и нагрузку на привод мешалки,

В предлагаемом устройстве равенство 4bix каждой точки лопасти достигается при конечной длине криволинейной лопасти, которую, к тому же, на основании (12) можно в достаточно широких пределах варьировать (при R const), изменяя величину параметра h:

L/R.

1(Ь . Ь-) R./

RK h

1Rj

2h

(16)

1299614

Формула

8 изобретения

)

to

5

20

25

30

1.Реактор-смеситель для проведения каталитических процессов в системе жидкость - твердое вещество, содерж щий корпус, горизонтальный вал с криволинейнь1ми лопастями, при-- вод и переливной патрубок, отличающийся тем, что, с целью интенсификации процессов за счет уменьшения уноса катализатора из жидкой фазы, форма криволинейных лопастей соответствует уравнению

Ч /(R/h) -1 - arctg /(R/h) -Г

где Ч - полярный угол точки лопасти, рад;

R - полярный радиус (радиус вращения) точки лопасти;

h - расстояние от оси вращения вала до переливного патруб- ка.

2.Реактор по п. 1, отличающий с я тем, что ои снабжен соединяющими лопасти с валом радиальными стержнями длиной

L h - R,

где L - длина стержня; R - радиус вала.

b

фие.7

фиг.

.Л

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 катализатр- ра при вращении вала. 1 з.п. ф-лы, 5 ил. го со со а

.Фые.

.5