RU2236899C1 - Reactor for conducting chemical processes - Google Patents

Abstract

FIELD: heat and mass exchange apparatus; chemical, food-processing and pharmaceutical industries.

SUBSTANCE: proposed reactor is used for hydrolysis, etherification, acidolysis of silicon-organic monomers. Reactor has housing provided with branch pipes for delivery of reagents and discharge of reaction products and film-forming elements; housing is provided with cover and bottom of conical shape which are connected by cylindrical shell; mounted coaxially on cover of housing is two-stage three-passage sprayer whose central and middle passages form first stage-ejector with inner mixing chamber, outlet nozzle of first stage and third passage of sprayer form third stage-ejector with frameless outer mixing chamber; circular passage of peripheral nozzle of third passage is made at angle of inclination relative vertical axis equal to 29-32 deg.; used as film-forming elements are two coaxial bushes-liquid traps; outer bush is movable over vertical axis; heated taper disk mounted in reactor housing is provided with set of flow dividers in form of truncated cones for deaeration of gas phase at observance of ratio of total sectional area of clearances between them over diameter of bush-trap to its section area equal to (1.4-3.5):1. Vertical position of taper disk and clearances between truncated cones of reactor are adjustable.

EFFECT: intensification of heat and mass exchange; possibility of obtaining required rate of desorption of gaseous product; increased productivity and enhanced selectivity.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение представляет собой реактор для проведения химических процессов, в частности гидролиза, этерификации, ацидолиза кремнийорганических мономеров и других реакций, протекающих с выделением газообразных продуктов. Аппарат пригоден для использования в других областях химической, а также пищевой и фармацевтической промышленности.The invention is a reactor for carrying out chemical processes, in particular hydrolysis, esterification, acidolysis of organosilicon monomers and other reactions proceeding with the release of gaseous products. The device is suitable for use in other areas of the chemical, as well as food and pharmaceutical industries.

В результате указанных выше химических процессов из органохлорсиланов образуются олигомерные и полимерные кремнийорганические соединения, так называемые силоксаны. На состав, выход и структуру силоксанов влияют многочисленные факторы, важнейшими из которых являются условия смешения компонентов, их распределение по фазам системы и десорбция хлористого водорода.As a result of the above chemical processes, oligomeric and polymeric organosilicon compounds, the so-called siloxanes, are formed from organochlorosilanes. The composition, yield, and structure of siloxanes are influenced by numerous factors, the most important of which are the conditions for mixing the components, their distribution over the phases of the system, and the desorption of hydrogen chloride.

Одним из основных промышленных аппаратов для получения кремнийорганических олигомеров является емкостной аппарат, оснащенный механической мешалкой (Л.М.Хананашвили. Химия и технология элементоорганических мономеров и полимеров. М.: Химия, 1998, с.197).One of the main industrial apparatus for the production of organosilicon oligomers is a capacitive apparatus equipped with a mechanical stirrer (L.M. Khananashvili. Chemistry and technology of organoelement monomers and polymers. M: Chemistry, 1998, p.197).

Реакторы такого типа громоздки и имеют внушительные размеры по высоте, что затрудняет необходимый тепло- и массообмен с удалением побочных газообразных продуктов. Относительно низкая поверхность раздела фаз в аппаратах большого объема затрудняет десорбцию из реакционной массы хлористого водорода.Reactors of this type are bulky and have impressive dimensions in height, which complicates the necessary heat and mass transfer with the removal of by-product gaseous products. The relatively low phase interface in large volume apparatus makes it difficult to desorb hydrogen chloride from the reaction mass.

Известно также устройство реактора-гидролизера, снабженного насосной установкой, которая создает циркуляционный контур с целью интенсификации контакта реагентов между собой и ускорения десорбции хлористого водорода на начальной стадии процесса (Л.М.Хананашвили. Химия и технология элементоорганических мономеров и полимеров. М.: Химия, 1998, с.199). В циркуляционном контуре имеет место некоторое повышение производительности и выхода циклических и гидроксилсодержащих соединений. Однако полностью исключить довольно длительный контакт продуктов реакции с газообразным НСl и концентрированной соляной кислотой на этой установке не удается, что приводит к образованию побочных продуктов.It is also known to design a reactor-hydrolyzer equipped with a pumping unit, which creates a circulation loop in order to intensify the contact of the reactants with each other and accelerate the desorption of hydrogen chloride at the initial stage of the process (L.M. Khananashvili. Chemistry and technology of organoelement monomers and polymers. M: Chemistry , 1998, p.199). A slight increase in the productivity and yield of cyclic and hydroxyl-containing compounds takes place in the circulation circuit. However, it is not possible to completely eliminate the rather prolonged contact of the reaction products with gaseous HCl and concentrated hydrochloric acid in this unit, which leads to the formation of by-products.

В некоторых отраслях химической промышленности используют, например, для очистки газов аппарат форсуночного типа, который состоит из цилиндрического корпуса с патрубками для ввода очищаемого и отвода очищенного продуктов. Аппарат снабжен ударно-струйной форсункой с соплом для орошаемого раствора, отражателем в форме полого шарового сегмента и патрубком для слива раствора. По трубопроводу, предназначенному для обогрева отражателя и соединенному с ним, подают пар. Выпуклая часть отражателя выполнена из материала катализатора (Патент РФ 1207485, МПК В 01 J 19/26, В 05 В 1/26, 1986 г.).In some sectors of the chemical industry, for example, for the purification of gases, a nozzle-type apparatus is used, which consists of a cylindrical body with nozzles for entering the cleaned and discharging the cleaned products. The apparatus is equipped with a shock-jet nozzle with a nozzle for irrigated solution, a reflector in the form of a hollow spherical segment, and a nozzle for draining the solution. Steam is supplied through a pipe designed to heat the reflector and connected to it. The convex part of the reflector is made of catalyst material (RF Patent 1207485, IPC B 01 J 19/26, B 05 B 1/26, 1986).

При использовании такого типа реактора для синтеза кремнийорганических олигомеров не удастся получить качественную продукцию: отсутствует система регулирования соотношения компонентов, неизбежны высокие потери продуктов реакции через каналы отсоса газообразного хлористого водорода, возникнут затруднения в обеспечении эффективного массо- и теплообмена, а также быстрой десорбции хлористого водорода. Выход целевых продуктов в таких аппаратах не превысит 20-25%.When using this type of reactor for the synthesis of organosilicon oligomers, it is not possible to obtain high-quality products: there is no system for controlling the ratio of components, high losses of reaction products through the suction channels of gaseous hydrogen chloride are inevitable, difficulties will arise in ensuring effective mass and heat transfer, as well as rapid desorption of hydrogen chloride. The yield of the target products in such devices will not exceed 20-25%.

Наиболее близким по функциональному назначению аналогом предложенному изобретению является аппарат пленочного типа (авт. свид. СССР 1318242, МКИ В 01 D 3/28, 1987 г.). Он состоит из вертикального корпуса с установленными внутри рабочими трубами, закрепленными в трубной решетке, делителя потока жидкости, расположенного над трубной решеткой, выполненного в виде тарелки, которая разделена на сегменты радиальными перегородками. В центре тарелки - распределительный стакан с вертикальными прорезями.The closest in functionality to the analogue of the proposed invention is a film-type apparatus (ed. Certificate. USSR 1318242, MKI B 01 D 3/28, 1987). It consists of a vertical housing with working tubes installed inside, fixed in the tube sheet, a liquid flow divider located above the tube sheet, made in the form of a plate, which is divided into segments by radial partitions. In the center of the plate is a dispensing cup with vertical slots.

К недостаткам прототипа относятся его значительная металлоемкость и большие габариты. Приготовленная смесь реагентов распределяется по трубам в соответствии с законом сообщающихся сосудов для формирования пленочного режима в вертикальных рабочих трубах. Благодаря этому процесс химических превращений происходит в диффузионном режиме, т.е. не столь интенсивно, как в кинетическом. При этом выход целевого продукта не превышает величину 25-32%.The disadvantages of the prototype include its significant metal consumption and large dimensions. The prepared mixture of reagents is distributed through the pipes in accordance with the law of communicating vessels for the formation of a film regime in vertical working pipes. Due to this, the process of chemical transformations occurs in the diffusion mode, i.e. not as intense as in kinetic. In this case, the yield of the target product does not exceed 25-32%.

Задача предлагаемого изобретения - разработка реактора, обеспечивающего интенсивный тепло- и массообмен реагентов, необходимую скорость десорбции газообразного продукта реакции и, как следствие, повышение производительности и селективности процессов.The objective of the invention is the development of a reactor that provides intensive heat and mass transfer of reagents, the necessary rate of desorption of the gaseous reaction product, and, as a result, increase the productivity and selectivity of the processes.

Указанная задача решена тем, что разработан реактор для проведения химических процессов, в частности гидролиза, этерификации, ацидолиза кремнийорганических мономеров, состоящий из корпуса, снабженного патрубками для ввода реагентов и вывода продуктов реакций, а также пленкообразующих элементов, в котором корпус реактора имеет крышку и днище конической формы, связанные цилиндрической обечайкой, на крышке корпуса соосно размещен двухступенчатый трехканальный распылитель, центральный и средний каналы которого образуют первую ступень - эжектор с внутренней камерой смешения, выходное сопло первой ступени и третий канал распылителя образуют вторую ступень - эжектор с бескаркасной наружной камерой смешения, при этом кольцевой канал периферийного сопла третьего канала распылителя выполнен под углом наклона относительно вертикальной оси, равным 29-32°, а в качестве пленкообразующих элементов используются две коаксиально расположенные втулки-ловушки капель жидкости, внешняя из которых выполнена подвижной по вертикальной оси, в полости корпуса реактора установлен обогреваемый конический диск с размещенным на нем набором разделителей потока жидкости в форме усеченных конусов для деаэрации газовой фазы при соблюдении соотношения суммарной площади сечения зазоров между ними по диаметру втулки-ловушки к площади сечения последней, равной (1,4-3,5):1.This problem is solved by the fact that a reactor has been developed for carrying out chemical processes, in particular hydrolysis, esterification, acidolysis of organosilicon monomers, consisting of a body equipped with nozzles for introducing reagents and outputting reaction products, as well as film-forming elements, in which the reactor body has a lid and a bottom conical shape, connected by a cylindrical shell, on the housing cover coaxially placed two-stage three-channel sprayer, the central and middle channels of which form the first stage - an ejector with an internal mixing chamber, an output nozzle of the first stage and a third spray channel form a second stage - an ejector with a frameless external mixing chamber, while the annular channel of the peripheral nozzle of the third spray channel is made at an angle of inclination relative to the vertical axis equal to 29-32 °, and as film-forming elements, two coaxially located sleeves-traps of liquid droplets are used, the outer of which is made movable along the vertical axis, heating is installed in the cavity of the reactor vessel a conical disk with a set of liquid flow dividers placed on it in the form of truncated cones for deaeration of the gas phase, subject to the ratio of the total cross-sectional area of the gaps between them along the diameter of the trap sleeve to the cross-sectional area of the latter equal to (1.4-3.5): 1 .

Положение конического диска по вертикали и зазоры между усеченными конусами регулируемы.The vertical position of the conical disk and the gaps between the truncated cones are adjustable.

На фиг. 1 представлен общий вид реактора для проведения химических процессов.In FIG. 1 shows a general view of a reactor for carrying out chemical processes.

На фиг. 2 представлен общий вид двухступенчатого трехкапельного распылителя.In FIG. 2 shows a general view of a two-stage three-droplet atomizer.

Реактор (фиг.1) состоит из корпуса, имеющего крышку 1 и днище 2 конической формы, которые связаны цилиндрической обечайкой 3. На крышке корпуса реактора соосно размещен двухступенчатый трехканальный (позиционный) распылитель жидких веществ 4, состоящий из центрального канала 5 (фиг. 2) для подачи кремнийорганических мономеров среднего канала подвода воды 6 выходного сопла 7 камеры смешения 17, а также периферийного сопла 8 с кольцевым каналом, выполненным под углом 29-32° относительно вертикальной оси. Кольцевой канал сопла соединен с третьим каналом распылителя 9, являющимся линией подвода газообразных веществ, например азота или других кремнийорганических мономеров (при согидролизе). Соосно двухступенчатому распылителю в качестве пленкообразующих элементов установлен каплеуловитель в виде двух коаксиально установленных втулок-ловушек 10 и 11, внешняя из которых 11 выполнена подвижной по вертикальной оси. В полости конического днища 2 установлены обогреваемый конический диск 12 (конусность 115-125°) на неподвижной стойке 13 с размещенным на нем разделителем потока жидкости 14, представляющим собой набор разделителей потока жидкости в форме усеченных конусов для деаэрации газовой фазы, установленных с зазором между ними. На крышке корпуса установлен патрубок 15 для отвода газообразных веществ, а в нижней части днища - патрубок 16 для отвода продуктов синтеза.The reactor (Fig. 1) consists of a housing having a lid 1 and a bottom 2 of a conical shape, which are connected by a cylindrical shell 3. A two-stage three-channel (positional) liquid atomizer 4, consisting of a central channel 5, is coaxially placed on the lid of the reactor vessel. ) for feeding organosilicon monomers of the middle water supply channel 6 of the output nozzle 7 of the mixing chamber 17, as well as the peripheral nozzle 8 with an annular channel made at an angle of 29-32 ° relative to the vertical axis. The annular channel of the nozzle is connected to the third channel of the atomizer 9, which is a line for supplying gaseous substances, for example nitrogen or other organosilicon monomers (during cohydrolysis). A drip catcher is installed coaxially with the two-stage atomizer as film-forming elements in the form of two coaxially mounted trap bushings 10 and 11, the outer of which 11 is made movable along the vertical axis. In the cavity of the conical bottom 2, a heated conical disk 12 (taper 115-125 °) is installed on a stationary rack 13 with a liquid flow separator 14 located on it, which is a set of liquid flow dividers in the form of truncated cones for deaerating the gas phase, installed with a gap between them . A nozzle 15 for removing gaseous substances is installed on the housing cover, and a nozzle 16 for removing synthesis products is installed in the lower part of the bottom.

При гидролизе более вязких кремнийорганических соединений высота цилиндрической обечайки 3 может быть увеличена сообразно технологическому процессу.When hydrolyzing more viscous organosilicon compounds, the height of the cylindrical shell 3 can be increased in accordance with the technological process.

Реактор работает следующим образом. Через центральное сопло 5 двухступенчатого распылителя подают кремнийорганический мономер, например диметилдихлорсилан, а через канал средний 6 подают воду, которая направляется к выходному соплу 7, инжектируя мономер из центрального канала. Эти два жидких потока, перемешиваясь в камере смешения 17, образуют реакционную смесь. Начинается интенсивный процесс гидролиза в диффузионном режиме, и полученная смесь, вытекающая с определенной скоростью, распыляется на мелкие капли, обеспечивая максимальный контакт реагирующих компонентов друг с другом. Одновременно из третьего канала 9 распылителя под давлением (3-12 ати) подают нагретый газообразный азот.The reactor operates as follows. Organosilicon monomer, for example dimethyldichlorosilane, is fed through the central nozzle 5 of the two-stage atomizer, and water is fed through the middle channel 6, which is directed to the outlet nozzle 7, injecting monomer from the central channel. These two liquid streams, mixing in the mixing chamber 17, form a reaction mixture. An intensive hydrolysis process begins in the diffusion mode, and the resulting mixture, flowing out at a certain speed, is sprayed into small droplets, ensuring maximum contact between the reacting components and each other. At the same time, heated nitrogen gas is supplied from the third channel 9 of the atomizer under pressure (3-12 ati).

Кольцевой канал периферийного сопла 8 выполнен с наклоном относительно вертикальной оси, благодаря чему поток азота образует перед выходным соплом 7 коническую газовую воронку. Молекулы азота под давлением способны расщеплять капли жидкости на еще более мелкие частицы. В момент истечения реагентов из сопла 7 капли жидких компонентов смеси разлетаются по расходящимся траекториям и сталкиваются с потоком азота, подаваемым с большой скоростью. Происходит столкновение двух потоков с физическим и химическим взаимодействием между ними. Капли жидкости распыляются на более мелкие капли (туман), чем в сопле, и процесс гидролиза осуществляется в кинетическом режиме. Реакция синтеза проходит до конца и с высокой селективностью.The annular channel of the peripheral nozzle 8 is inclined relative to the vertical axis, so that the nitrogen flow forms a conical gas funnel in front of the output nozzle 7. Nitrogen molecules under pressure are able to split liquid droplets into even smaller particles. At the time of the expiration of the reagents from the nozzle 7, the droplets of the liquid components of the mixture fly apart along diverging paths and collide with a stream of nitrogen supplied at a high speed. A collision of two streams occurs with a physical and chemical interaction between them. Drops of liquid are sprayed onto smaller drops (fog) than in a nozzle, and the hydrolysis process is carried out in a kinetic mode. The synthesis reaction proceeds to the end and with high selectivity.

Распыленная смесь продуктов реакции осаждается на стенки втулки (каплеуловителя), на поверхность конического диска и на элементы деаэратора, где из капель формируются потоки жидкости в виде пленки. Происходит десорбция газа (НСl) и переход его через пленочный барьер, создаваемый выше размещенным элементом деаэратора.The atomized mixture of reaction products is deposited on the walls of the sleeve (droplet eliminator), on the surface of the conical disk and on the elements of the deaerator, where liquid flows in the form of a film form from drops. There is a desorption of gas (Hcl) and its transition through the film barrier created by the above placed element of the deaerator.

Благодаря этому газовый поток освобождается от капель жидких веществ, попадает в свободный объем корпуса реактора и отсасывается через патрубок 15 в систему отвода газообразных веществ.Due to this, the gas stream is freed from droplets of liquid substances, enters the free volume of the reactor vessel and is sucked off through the pipe 15 into the gaseous substances removal system.

Поток жидких веществ после отделения от газообразной фазы поступает на поверхность конического диска, растекаясь по его поверхности и расширяя фронт своего движения, что способствует постепенному уменьшению толщины движущегося слоя. Жидкость, стекая с поверхности конического диска, попадает в зазор между цилиндрической обечайкой 3 корпуса реактора и краем конического диска 12, образует пленочный режим течения по поверхности обечайки 3, а затем на поверхность конического днища корпуса, по форме напоминающего воронку.The liquid flow after separation from the gaseous phase enters the surface of the conical disk, spreading over its surface and widening the front of its movement, which contributes to a gradual decrease in the thickness of the moving layer. The liquid flowing from the surface of the conical disk falls into the gap between the cylindrical shell 3 of the reactor vessel and the edge of the conical disk 12, forms a film flow regime along the surface of the shell 3, and then onto the surface of the conical bottom of the housing, which is shaped like a funnel.

В коническом днище пленка жидкости превращается в струйный поток продуктов реакции и через патрубок 16 выводится из реактора.In the conical bottom, the liquid film is converted into a jet stream of reaction products and through the pipe 16 is removed from the reactor.

При гидролизе более вязких кремнийорганических соединений высоту цилиндрической обечайки 3 корпуса необходимо увеличивать до расчетных значений, благодаря чему возрастает площадь движущейся по поверхности цилиндрической обечайки жидкой пленки.In the hydrolysis of more viscous organosilicon compounds, the height of the cylindrical shell 3 of the housing must be increased to the calculated values, thereby increasing the area of the liquid film moving along the surface of the cylindrical shell.

В случае взаимодействия низковязких реагентов реактор можно использовать без разделителя потока жидкости - деаэратора 14.In the case of the interaction of low-viscosity reagents, the reactor can be used without a liquid flow separator - deaerator 14.

Claims (2)

1. Реактор для проведения химических процессов, в частности, гидролиза, этерификации, ацидолиза кремнийорганических мономеров, состоящий из корпуса, снабженного патрубками для ввода реагентов и вывода продуктов реакций, а также пленкообразующих элементов, отличающийся тем, что корпус реактора имеет крышку и днище конической формы, которые связаны цилиндрической обечайкой, на крышке корпуса соосно размещен двухступенчатый трехканальный распылитель, центральный и средний каналы которого образуют первую ступень - эжектор с внутренней камерой смешения, выходное сопло первой ступени и третий канал распылителя образуют вторую ступень - эжектор с бескаркасной наружной камерой смешения, при этом кольцевой канал периферийного сопла третьего канала распылителя выполнен под углом наклона относительно вертикальной оси, равным 29-32°, а в качестве пленкообразующих элементов используются две коаксиально расположенные втулки-ловушки капель жидкости, внешняя из которых выполнена подвижной по вертикальной оси, в полости корпуса реактора установлен обогреваемый конический диск с размещенным на нем набором разделителей потока жидкости в форме усеченных конусов для деаэрации газовой фазы при соблюдении соотношения суммарной площади сечения зазоров между ними по диаметру втулки-ловушки к площади сечения последней, равной (1,4-3,5):1.1. A reactor for carrying out chemical processes, in particular, hydrolysis, esterification, acidolysis of organosilicon monomers, consisting of a body equipped with nozzles for introducing reagents and outputting reaction products, as well as film-forming elements, characterized in that the reactor body has a lid and a conical bottom which are connected by a cylindrical shell, a two-stage three-channel atomizer is coaxially placed on the housing lid, the central and middle channels of which form the first stage - an ejector with an internal chamber With the mixing method, the output nozzle of the first stage and the third channel of the sprayer form the second stage - an ejector with a frameless external mixing chamber, while the annular channel of the peripheral nozzle of the third spray channel is made at an angle of inclination relative to the vertical axis equal to 29-32 °, and as film-forming elements two coaxially located sleeves-traps of liquid droplets are used, the outer of which is made movable along the vertical axis, a heated conical disk with r zmeschennym thereon a set of fluid flow dividers in form of truncated cones deaeration gas phase in compliance with the ratio of the total cross-sectional area of gaps between the diameter of the sleeve to the trap-sectional area of the latter, to be (1,4-3,5): 1. 2. Реактор по п.1, отличающийся тем, что положение конического диска по вертикали и зазоры между усеченными конусами регулируемы.2. The reactor according to claim 1, characterized in that the vertical position of the conical disk and the gaps between the truncated cones are adjustable.

Images