Результат интеллектуальной деятельности: Реактор-смеситель для проведения процессов в гетерогенных средах

Изобретение относится к оборудованию для крахмалопаточной промышленности, а именно к конструкциям реакционных аппаратов периодического действия, и может быть использовано для интенсификации технологических процессов, в том числе с выделением или поглощением тепла, в частности к устройствам для модификации (в т.ч. для катионизации, фосфорилирования, окисления, декстринизации и т.д.) крахмала и крахмалосодержащего сырья, и может найти применение в различных отраслях промышленности, например в пищевой, химической, фармацевтической, нефтехимической и др. для получения однородных смесей.

Известны реакторы для проведения физико-химических процессов в гетерогенных средах, содержащих жидкую и твердую фазы. Общие недостатки известных реакторов: невозможность проведения процессов для пастообразных сред, сложность конструкции, в некоторых случаях существуют трудности получения продукта высокой чистоты, недостаточная скорость образования конечного продукта из-за недостаточной интенсивности перемешивания реагентов, налипание продукта на рабочий орган, образование застойных зон, в которых накапливаются непрореагировавшие вещества, недостаточный отвод тепла при экзотермической и подвод тепла при эндотермической реакциях, сложности или невозможность создания реакторов большой единичной мощности.

Известен аппарат для перемешивания маловязких жидкостей [1], состоящий из корпуса, крышки, многоярусной мешалки и привода, расположенного на крышке, патрубков для ввода и вывода реагентов, в котором мешалки закреплены на отдельных валах, установленных концентрично друг другу в виде телескопической конструкции и расположенных по оси осесимметрично корпусу аппарата.

Недостатками этого аппарата являются: невозможность отбора проб реакционной смеси во время работы и невозможность проведения процессов при высокой концентрации суспензии, невозможность создания равномерного интенсивного гидродинамического режима при совместной реализации процесса перемешивания и химической реакции, невозможность контролировать и регулировать температуру и рН реакционной смеси, сложность конструкции привода валов мешалок.

Известен смеситель вязких материалов [2], состоящий из корпуса с паровой рубашкой, внутри которого расположен вал с наклонными лопастями, соединенными с помощью ступиц в крыльчатки. Лопатки имеют противоположные углы наклона в соседних крыльчатках. Между соседними рядами лопастей размещены ножи-очистители. Смеситель имеет выпускной лоток, форсунку в выпускной лоток.

Недостатками этого смесителя являются: низкая производительность, неравномерное распределение жидкого компонента, невозможность контролировать и регулировать температуру процесса.

Известен реактор-смеситель для проведения каталитических процессов в системе жидкость - твердое вещество, содержащий привод и корпус, внутри которого размещен горизонтальный вал с криволинейными лопастями, при этом лопасти крепятся к валу посредством радиальных стержней [3].

Недостатками этого реактора являются: конструктивная сложность и большая металлоемкость перемешивающего вала, невозможность проведения процессов при высокой концентрации суспензии.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату является реактор для проведения гетерогенных каталитических процессов, идущих с выделением реакционно-способных газов, содержащий корпус с теплообменной рубашкой и расположенный в нем горизонтально вращающийся вал с радиальными лопастями, сечение которых имеет форму треугольника с криволинейными сторонами [4] - прототип.

К недостаткам реактора по прототипу относятся: низкая эффективность перемешивания системы жидкость - твердое и низкая дегазация реагентов, образование комков и налипание реакционной массы на рабочие органы, невозможность контролировать и регулировать температуру, рН-среды, отсутствие теплоизоляции теплообменной рубашки.

Таким образом, задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является усовершенствование конструкции ректора-смесителя для проведения процессов в гетерогенных средах, предназначенного для смешивания и обработки текучих высоковязких и пастообразных сред.

Техническим результатом изобретения является высокая скорость проведения физико-химических процессов в гетерогенных средах в объеме реактора-смесителя за счет высокой интенсивности смешивания продукта, отсутствия образования комков и застойных зон, налипания реакционной смеси на рабочие органы, снижения потерь тепла в окружающую среду, возможности контролировать и регулировать температуру в рабочей зоне и поддержание заданного показателя рН-среды при обеспечении безопасности работы.

Технический результат достигается тем, что реактор-смеситель для проведения процессов в гетерогенных средах, характеризующийся тем, что включает цилиндрический корпус с теплообменной рубашкой, крышку, перемешивающее устройство, загрузочные патрубки и разгрузочный парубок, дополнительно содержит измельчители, выполненные в виде ротора, с насаженными крест-накрест ножами, установленные в объеме реактора датчики температуры и рН-среды, а также наружный слой теплоизоляции и предохранительный клапан.

На фиг. 1 представлен реактор-смеситель для проведения процессов в гетерогенных средах, на фиг. 2 - возможные варианты перемешивающих устройств, на фиг. 3 - возможные варианты исполнения цилиндрического корпуса реактора-смесителя.

Реактор для проведения процессов в гетерогенных средах содержит корпус (1), выполненный из коррозионно-стойкого материала (например, нержавеющей стали) или имеющего антикоррозионную футеровку внутри и заключенный в теплообменную рубашку (2) с внутренней полостью (3) и со слоем теплоизоляции (4), который обшит тонкой стенкой (5) для защиты и придания эстетического вида. Теплообменная рубашка (2) снабжена патрубками (6), (7), (8) и (9), (10), (11) для подвода и отвода теплоносителя; патрубками (12), (13), (14) для подвода реакционной среды и патрубком (15) для отвода конденсата. Корпус (1) снабжен патрубками (16) и (17) для подачи сырья и патрубком (18), к которому крепится колпак (19).

К корпусу (1) с одной стороны крепится крышка (20) при помощи фланцевого соединения. Между фланцем корпуса (1) и крышкой (20) имеется герметизирующая прокладка (21).

Внутри корпуса (1) размещен полый горизонтально вращающийся вал (22), который опирается на подшипниковые узлы (23) и (24). На валу (22) закреплены перемешивающие элементы: плуги (25), или скребки (44), или радиальные мешалки, сечение которой имеет форму треугольника с отверстиями на боковых сторонах (45), или лопатки под углом (46) и установлены форсунки (26).

Реактор также снабжен приводом, состоящим из электродвигателя (27), редуктора (28), муфт соединительных (29) и (30). Электродвигатель (27) с редуктором (28) закреплены на сварной раме (31).

Реактор-смеситель содержит ряд измельчителей (32), установленных сбоку корпуса (1). Измельчитель (32) состоит из независимого электродвигателя (33), вала (34), на котором насажены ножи (35). Для соединения электродвигателя (33) с валом (34) используется специальный фланец (36).

Для выхода готового продукта предусмотрен патрубок (37), в котором смонтирован люк (38). Открытие и закрытие люка (38) осуществляется гидроцилиндром (39), который крепится к уху (40) корпуса (1) и рычагу (41).

Аппарат крепится к опорам (42) и (43), благодаря которым аппарат можно будет установить на фундаментной плите или перекрытии.

В объеме реактора-смесителя для проведения процессов в гетерогенных средах, установлены датчик температуры (47) и датчик рН среды (48). На патрубке (49) купола (19) установлен предохранительный клапан (50).

Возможные варианты перемешивающих устройств приведены на чертеже (фиг. 2): а) плугообразная мешалка; б) мешалка в виде скребков под углом с хвостом; в) мешалка с радиальными мешалками, сечение которых имеет форму треугольника с отверстиями на боковых сторонах; г) лопастная мешалка под углом; д) плугообразная мешалка с установкой скребков под углом с хвостом; е) мешалка в виде скребков под углом с хвостом с установкой мешалок, сечение которых имеет форму треугольника с отверстиями на боковых сторонах; ж) лопастная мешалка с установкой мешалок, сечение которых имеет форму треугольника с отверстиями на боковых сторонах; д) комбинированная мешалка (содержит в себе все перечисленные виды).

Возможные варианты исполнения корпуса реактора-смесителя приведены на чертеже (фиг. 3): а) корпус реактора-смесителя, содержащий измельчители, патрубки подачи раствора щелочи на ножи измельчителей и в зону смешивания, наличие тепловой рубашки; б) корпус реактора-смесителя, содержащий измельчители, патрубки подачи раствора щелочи в зону смешивания и тепловую рубашку; в) корпус реактора-смесителя, содержащий тепловую рубашку; г) корпус реактора-смесителя, содержащий измельчители, патрубки подачи раствора щелочи на ножи измельчителей и в зону смешивания.

Реактор-смеситель для проведения процессов в гетерогенных средах работает следующим образом. Рассмотрим работу реактора-смесителя, у которого установлена плугообразная мешалка. Перед началом процесса аппарат прогревают путем подачи пара через патрубки (6), (7), (8) в теплообменную рубашку (2). После достижения нужной температуры внутри аппарата (50-100°С), по одному из патрубков (16), (17) заполняют реактор на 30…40% (от общего объема), включают в работу полый горизонтально вращающийся вал (22) со скоростью вращения 20±5 мин^-1 и подается оставшаяся часть сырья. После полного заполнения реактора-смесителя внутри его объема создается давление при помощи насосной станции (условно не показана), увеличивается скорость вращения плугообразного вала (22) постепенно до максимума (200±100 мин^-1). В процессе интенсивного перемешивания по патрубкам (12), (13), (14) производится подача и распыление через форсунки (не обозначены) реакционной смеси. Все это перемешивают при необходимой температуре в течение заданного времени. Температуру в реакторе устанавливают и регулируют с помощью датчика температуры (47), соединенного электрически с блоком управления (условно не показан). Требуемую величину рН реакционной смеси устанавливают и регулируют с помощью датчика рН (48), соединенного электрически с блоком управления.

Чтобы предотвратить большие комки кристаллов, периодически включаются измельчители (32), на валах (34) которых установлены ножи (35). Ножи (35) при соударении с комками дробят кристаллы сырья на мелкие комочки, перемещают их в продольном направлении.

После того как пройдет реакция модификации сырья реакционной смесью, производится сушка модифицированного сырья, которая осуществляется за счет контакта модифицированного сырья с нагретой стенкой корпуса (1) реактора. В период сушки производится перемешивание модифицированного сырья плугообразным валом для повышения эффективности сушки.

Для обеспечения безопасности работы реактора-смесителя он снабжен предохранительным клапаном (50), который стравливает избыточное давление в атмосферу.

Готовый продукт из реактора-смесителя выгружают через разгрузочный патрубок (37) при открытии люка (38).

В данном аппарате производится подача реакционной смеси из трех мест:

- подача реакционной смеси на ножи измельчителей (35);

- подача реакционной смеси от стенки корпуса (1) вовнутрь аппарата;

- подача реакционной смеси от центра к периферии аппарата благодаря конструкции вала (22), который выполнен полым и на нем с определенным шагом установлены форсунки (26).

Таким образом, заявляемый реактор-смеситель является простым, эффективным и надежным в эксплуатации, обеспечивающим обработку текучих высоковязких и пастообразных сред, позволяющим проводить процессы смешивания порошков и реакции между их компонентами в сухом виде.

Источники информации

1. Патент на полезную модель RU №25285. Реактор. МКИ B01J 19/08. 2002.

2. Патент SU №856516. Смеситель вязких материалов. МКИ B01F 7/04, 1981.

3. Патент SU №1299614. Реактор-смеситель. МКИ B01F 7/10, 1987.

4. Патент SU №1155289. Реактор для проведения гетерогенных каталитических процессов, идущих с выделением реакционно-способных газов. МКИ В01J 9/18, 1985.