Колонний реактор

1. Колонний реактор, який містить вертикальний корпус з патрубками входу ви хідної сировини і виходу отриманих продуктів та розташовані в корпусі розподільчі елементи, який відрізняється тим, що розподільчі елементи виконані у вигляді плоскопаралельних змійовикових тр уб і/або плоскопаралельних циліндрів, і/або капсул, заповнених композиційним матеріалом та герметично закупорених. C2 2 UA 1 3 85621 рівноваги хімічних реакцій, законом розподілу компонентів між фазами і правилом фаз. Реактори для проведення гетерогенних процесів в системі газ-рідка фаза або рідка-тверда фаза є типовими апаратами в яких здійснюють також фізичні масообмінні процеси та операції - фізичну абсорбцію і десорбцію, випарювання, дистиляцію і ректифікацію, промивку газів, теплообмін а також хемосорбційні процеси [1]. Відома ректифікаційна колона, яка включає куб-випарювач, колону з внутрішніми розподільчими елементами і конденсатор. В процесі роботи колони пари, що утворюються у кубі випарювача проходять через колону знизу вверх, контактуючи з рідиною, що стікає вниз. Із колони пар поступає в конденсатор, звідки частина конденсату, що утворюється в конденсаторі, повертається на зрошення колони у вигляді флегми, а залишок є кінцевим продуктом - дистилятом. Флегма стікає вниз, контактує з паром і попадає в куб-випарювач, де знову випарюється. Внутрішні розподільчі елементи, призначені для контакту рідини і пари, являють собою тарілки різних конструкцій (ковпачкові, ситчаті, решетчаті) або насадки (кільця Рашига, сідла Берля, плоско-паралельні або трубчаті насадки). Насадочні колони з плоскопаралельною або трубчатою насадкою відносяться до плівкових колон. Вони мають високу продуктивність, невеликий гідравлічний опір, але по ефективності значно поступаються тарільчаним і навіть звичайним насадочним колонам [2]. Відомі трубчаті реактори, що працюють в режимі перемішування ідеального витискання з супротивним або прямоточним рухом фаз. Ці реактори використовуються переважно для процесів абсорбції, піролізу нафти і нафтопродуктів, полімеризації у газовій фазі. Трубча ті реактори характеризуються простотою конструкції, легкістю управління та регулювання режиму, але мають малу інтенсивність роботи [1]. Відомі високоефективні з хорошим управлінням пінні реактори та реактори з киплячим шаром твердого реагенту: зі звичайним киплячим або фонтануючим шаром, які працюють в режимі повного змішування з перехресним або прямоточним рухом фаз. Але такі реактори характеризуються високим споживанням енергії (1). Найбільш близьким за технічною сутністю і досягаємим результатом до запропонованого реактору є колонний реактор включаючий вертикальний корпус з патрубками входу ви хідної сировини і виходу отриманих продуктів та розташовані в корпусі розподільчі елементи. Розподільчими елементами є ковпачкові або ситчаті тарілки. Реактор характеризується середньою інтенсивністю роботи і працює в режимі ідеального витискування газу і повного змішування рідини. Забезпечує перехресний режим перемішування фаз на кожній тарілці та супротивний режим перемішування фаз по висоті реактора (1). Недоліком відомого реактора є недостатня інтенсивність його роботи і значне енергоспоживання, через недостатньо розвинуту поверхню контакту фаз та недостатню відносну швидкість 4 переміщення фаз особливо при роботі з рідинами, що мають значну густину та/або в'язкість, а також за наявності в реакційному середовищі твердих компонентів. В основу запропонованого винаходу поставлено задачу удосконалення відомого колонного реактора, в якому, шляхом нової форми виконання самих по собі відомих елементів та нового матеріалу, з якого виготовлені ці елементи, а також нового взаємозв'язку цих елементів з відомими елементами реактора, забезпечується можливість підвищення інтенсивності роботи реактора та зниження споживання енергії. Поставлена задача вирішується тим, що відомий колонний реактор, включаючий вертикальний корпус з патрубками входу вихідної сировини і виходу отриманих продуктів та розташовані в корпусі розподільчі елементи, відповідно до запропонованого винаходу, розподільчі елементи виконані у вигляді плоскопаралельних змійовикових труб і/або плоскопаралельних циліндрів, і/або капсул, заповнених композиційним матеріалом та герметично закупорених. Поставлена задача вирішується тим, що розподільчі елементи згруповані в секції, включаючи від одного до трьох регулярно розташованих шарів плоскопаралельних змійовикових труб і/або плоскопаралельних циліндрів; і/або від одного до трьох шарів капсул. Поставлена задача вирішується тим, що розподільчі елементи виконані з матеріалу, який в робочому стані реактора не перешкоджає переходу енергії фазового перетворення від композиційного матеріалу до реакційного середовища, яке знаходиться у вн утрішньому об'ємі реактора, та навпаки, переходу енергії хімічних перетворень, що проходять у реакційному середовищі, на композиційний матеріал. Поставлена задача вирішується також тим, що матеріалом з якого виконані розподільчі елементи є сталь, а композиційним матеріалом, яким заповнені розподільчі елементи є суміш металів або їх сполук 2-5-ї груп п'ятого-шостого періодів ПСЕ ім. Д.І. Менделєєва. Поставлена задача вирішується також тим, що корпус реактора додатково обладнаний щонайменше одним вікном, встановленим між розподільчими елементами або їх секціями, яке виконане з матеріалу що пропускає світловий потік з найменшими втратами, зокрема, із скла. Поставлена задача вирішується також тим, що реактор додатково обладнаний щонайменше одним джерелом світлового потоку, що направляє світловий потік у внутрішній об'єм реактора через вікно, встановлене в корпусі реактора між розподільчими елементами або їх секціями. Поставлена задача вирішується тим, що джерелом світлового потоку є світловід або лампа. Технічний результат запропонованого винаходу заключається в підвищенні інтенсивності роботи реактора та зниженні споживання енергії через розвинення міжфазної поверхні контакту і підвищення відносної швидкості переміщення фаз під дією безперервної зміни термодинамічних умов композиційного матеріалу у вн утрішньому об'ємі 5 85621 розподільчих елементів в процесі роботи реактора. Додатковий технічний результат запропонованого реактора з додатково встановленими в корпусі реактора вікнами для направлення світлового потоку від джерела енергії у внутрішній об'єм реактора заключається в підсиленні трансформації речовин реакційного середовища та зміні їх хімічного складу під дією енергії світлового потоку. Запропонована конструкція реактора дозволяє модифікувати процеси, що проходять в реакторі, таким чином, що при цьому здійснюється розвинення міжфазної поверхні контакту та підвищення відносної швидкості переміщення фаз, прискорюється трансформація речовин, зміна їх фізикохімічних властивостей та хімічного складу речовин, як в місці введення сировини, так і по висоті реактора, під дією енергії фазового перетворення при безперервній зміні термодинамічних умов композиційного матеріалу у вн утрішньому об'ємі розподільчих елементів: плоскопаралельних змійовикових труб і/або плоскопаралельних циліндрів, і/або капсул, та дії енергії світлового потоку. Утворюється замкнута система взаємовпливу енергії термодинамічних змін композиційного матеріалу на реакційне середовище і зворотний вплив енергії хімічних реакцій на композиційний матеріал, здійснюється прискорення досягнення рівноваги оборотних хімічних реакцій в усьому об'ємі реактора, розширення діапазону хімічних реакцій та їх поглиблення, що приводить до інтенсифікації процесів та обумовлює підвищення якості продуктів. Запропонована конструкція реактора дозволяє: - підвищити інтенсивність роботи реактору з одночасним зниженням споживання енергії; - знизити температурний режим здійснення процесів, що протікають в реакторі; - забезпечити саморегулювання оборотних реакційних систем; - підвищити вихід та якість продуктів, що утворюються. Наприклад, здійснення в запропонованому варіанті реактору технологічного процесу переробки мазуту дозволяє: - отримати котельне паливо - мазут з показниками якості, які відповідають вимогам специфікації (ДСТУ 4058-2001) для котельного палива марки М100; - додатково отримати 10-15 % легких та середніх дистилятів в режимі виробництва котельного палива; - додатково отримати 30-60 % легких та середніх дистилятів в режимі виробництва бітуму з показниками якості, які відповідають вимогам специфікації для бітумів нафтових дорожніх в'язких (ДСТУ 4044-2001) для марок БНД 90/130, БНД 60/90, при цьому отримати показник «Зчеплення зі склом» більше 90 %, а показник «Масова частка парафінів» на 10-50 % нижче, в порівнянні з аналогічними марками бітумів, отриманих по традиційним технологіям; - підвищити те хнологічність процесу переробки через забезпечення можливості зниження тем 6 ператури процесу, тиску, забезпечення саморегулювання протікання хімічних реакцій; - зменшити споживання енергії. Промислова реалізація технологічного процесу переробки мазуту в запропонованому колонному реакторі в блоках потужністю 0,5-1,0млн.т/рік дозволяє знизити капітальні витрати в 3-5 разів, а споживання енергії - в 5-10 разів. Відповідно до запропонованого винаходу колонний реактор в загальному вигляді включає: - вертикальний корпус з патрубками входу вихідної сировини і виходу отриманих продуктів; - розподільчі елементи, розташовані в корпусі і виконані у вигляді плоскопаралельних змійовикових тр уб і/або плоскопаралельних циліндрів, і/або капсул, заповнених композиційним матеріалом і герметично закупорених. Капсули виконані, переважно, у вигляді: кульок, циліндрів, конусів. Для виключення капілярних явищ, які спричинені впливом поверхневого натяжіння на утворення, рух та рівновісні форми поверхні розподілу фаз, а також спричинених молекулярними силами взаємодії рідкої фази та твердої стінки, один з лінійних розмірів капсули, наприклад діаметр кульки, діаметр циліндра або його висота, діаметр основи конуса або його висота, більше 30мм. Причому, розподільчі елементи згруповані в секції, що включають від однієї до трьох регулярно розташованих шарів плоскопаралельних змійовикових труб і/або плоскопаралельних циліндрів, і/або капсул. Групування розподільчих елементів в секції забезпечує конструктивне формування та роботу цих елементів як решітчатих і/або сітчатих тарілок і/або насадок. Розподільчі елементи виконані з матеріалу, який в робочому стані реактора не перешкоджає переходу енергії фазового перетворення від композиційного матеріалу до реакційного середовища, яке знаходиться у внутрішньому об'ємі реактора, та навпаки, переходу енергії хімічних перетворень, які проходять у реакційному середовищі, на композиційний матеріал. Зокрема, матеріалом з якого виконані розподільчі елементи можуть бути різні марки сталі, а композиційним матеріалом, яким заповнені розподільчі елементи є суміш металів або їх сполук 2-5-ї груп п'ятого-шостого періодів ПСЕ ім. Д.І. Менделєєва. Одним із варіантів реактора є реактор корпус якого додатково обладнаний одним або декількома вікнами, встановленими між розподільчими елементами або їх секціями, Вікна виконані з матеріалу що пропускає світловий потік з найменшими втратами, зокрема із термостійкого та хімічностійкого скла. В цьому варіанті реактор додатково обладнаний одним або декількома джерелами світлового потоку, що направляють світловий потік у вн утрішній об'єм реактора через вікна, встановлені в корпусі реактора між розподільчими елементами або їх секціями. Запропонований колонний реактор пояснюється кресленням: Фіг.1 - загальний вид реактора, розріз; Фіг.2 - розподільчий елемент у вигляді плоскопаралельної змійовикової труби; 7 85621 Фіг.3 - розподільчий елемент у вигляді плоскопаралельних циліндрів; Фіг.4 - розподільчий елемент у вигляді капсул. Колонний реактор включає: - вертикальний корпус 1 з патрубками 2 входу вихідної сировини та флегми, виходів 3, 4 отриманих продуктів; - розподільчі елементи 5, згруповані в секції включаючи від одного до трьох регулярно розташованих шарів плоскопаралельних змійовикових труб і/або плоскопаралельних циліндрів, і/або від одного до трьох шарів капсул, заповнених композиційним матеріалом і герметично закупорених; - вікна 6, встановлені в корпусі 1 та призначені для пропускання світлового потоку від джерела освітлення (на кресленні не показано) у внутрішній об'єм реактора. На кресленні Фіг.1 показаний також барботер 7, розміщений в нижній частині реактора та призначений для подання через нього інертного газу або водяної пари в реакційне середовище з метою його перемішування. На кресленнях Фіг.2, 3, 4 показані розподільчі елементи 5: у вигляді плоскопаралельної змійовикової труби (Фіг.2), у вигляді плоскопаралельних циліндрів (Фіг.3) та у вигляді капсул (Фіг.4). Розподільчі плоскопаралельні елементи, показані на Фіг.2, 3, виконані із стальних тр уб діаметром 8-20мм, з товщиною стінки 0,4-2мм, і зазором між витками змійовикової труби або між двома суміжними циліндрами 12-20мм. Капсули, показані на Фіг.4, виконані із сталі у вигляді: кульок, циліндрів або конусів, з товщиною стінок 0,4-2мм, з діаметром 40мм. Розподільчі плоскопаралельні елементи заповнені композиційним матеріалом, який являє собою суміш металів або їх сполук 2-5-ї груп п'ятогошостого періодів ПСЕ ім. Д.І. Менделєєва. Вікна виконані із термостійкого та хімічностійкого скла, яке пропускає світловий потік заданого діапазону. Робота реактора пояснюється конкретним прикладом здійснення технологічного процесу переробки атмосферних і вакуумних залишків нафти 8 - важкого мазуту з умовною в'язкістю при 80°С - 10 сек. в колонному реакторі діаметром 108 мм, висотою 2500мм, з розподільчими елементами у вигляді плоскопаралельних циліндрів 5 (Фіг.3), згрупованих в секції, включаючи два регулярно розташовані шари плоскопаралельних циліндрів. Секції розташовані в зоні введення сировини а також флегми і по всій висоті реактора. Розподільчі елементи - циліндри виконані з стальної труби діаметром 20мм, заповнені композиційним матеріалом із суміші металів, в % мас: олово 10, вісмут 28, свинець 27,5, кадмій 34,5, з інтервалом затвердіння 71-120°С, та після заповнення герметично закупорені. Технологічний процес переробки мазуту здійснюють при температурі 280-360°С. Приклад №1. 100л/годину мазуту під напором 5-150мм.вод.ст. з температурою 280-360°С подають у вищенаведений колонний реактор. В режимі отримання бітумів з верхньої частини реактора через верхній патрубок 3 і далі через конденсатор (на кресленні не показаний) відбирають близько 50 л/годину легких та середніх дистилятів а з нижньої частини через патрубок 4 відводять бітумну масу. Частина дистилятів повертається в реактор у вигляді флегми через боковий патрубок 2. В режимі отримання котельного палива з верхньої частини реактора відбирають близько 65 л/годину легких дистилятів а з низу реактора відводять котельне топливо - мазут топливний. Для виконання аналізів сировини і продуктів реакції проби мазуту відбирають з аналізної точки до реактора, проби продуктів реакції відбирають з аналізних точок на виході з реактора. Результати аналізів приведені в таблиці №1. Джерела інформації, прийняті до уваги при экспертизі: 1. Общая химическая технология, Изд-во «Высшая школа», М., 1977г, т. 1, с. 159, 161, 198. 2. Краткая химическая энциклопедия, Изд-во «Советская энциклопедия», М. 1965г, т. 4, с. 628632. Таблиця №1 Фактичні результати Продукти реакції Мазут Бітум Дистиляти Режим отримання бітумів (з відділенням утворених дистилятів) В'язкість умовна при 80°С, сек 10 275 Пенетрація при 25°С, 0,1мм 115 Температура розм'якшення по кільцю і шару, °С 43 Температура спалаху у відкритому тиглі, °С 120 240 Зчеплення зі склом, % 98 Масова частка парафінів, % 9,1 1,9 Фракційний склад: Температура початку кипіння °С 250 70 10% переганяється при температурі °С 310 200 20% переганяється при температурі °С 325 260 30% переганяється при температурі °С 365 325 50% переганяється при температурі °С 450 368 Найменування показників 9 85621 10 Продовження таблиці №1 Режим отримання котельного палива (з відділенням утворених легких дистилятів) В'язкість умовна при 80°С, сек 10 13 Температура спалаху у відкритому тиглі, °С 120 112 Фракційний склад: Температура почату кипіння, °С 250 180 10% перегоняється при температурі, °С 310 280 20% перегоняється при температурі, °С 325 310 30% перегоняється при температурі, °С 365 370 50% перегоняється при температурі, °С 440 480 65 90 150 215 310 11 Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін 85621 Підписне 12 Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601