RU2056928C1

RU2056928C1 - Tubular reactor

Info

Publication number: RU2056928C1
Authority: RU
Inventors: Евгений Михайлович Матулевич
Original assignee: Евгений Михайлович Матулевич
Priority date: 1992-03-18
Filing date: 1992-03-18
Publication date: 1996-03-27

Abstract

FIELD: chemical engineering. SUBSTANCE: tubular reactor has body with butt lids and branch pipes for heat carrier and reaction mass feeding and discharge, bank of pipes fixed in tube lattices located in its cavity. distributing chamber with rotating drum mounted along axis of chamber body, on conjugated with ends of pipes surface of which there are holes for alternating communication of the drum. Distributing chamber is mounted in joint of bank of pipes and its body is made in the form of cylinder. EFFECT: increased productivity. 2 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к химическому машиностроению и предназначено для проведения химических реакций с предварительным нагреванием полимеризующейся реакционной массы, в частности для синтеза полимера волокна оксалон. The invention relates to chemical engineering and is intended for chemical reactions with pre-heating of the polymerizable reaction mass, in particular for the synthesis of polymer fiber oxalon.

Известно применение теплообменных аппаратов типа "труба в трубе" для нагрева и проведения начального процесса синтеза полимера для волокна оксалон [1]
Однако использование таких аппаратов в качестве трубчатых реакторов ограничивается их низкой производительностью и возможно только в опытном производстве. Это объясняется тем, что увеличение диаметра трубы влечет неравномерный прогрев вязкого продукта по сечению трубы. Повышение же производительности при трубах малого диаметра приводит к значительным габаритам и повышенной энергоемкости за счет увеличения длины трубчатого аппарата и оснащения насосами высокого давления.It is known the use of tube-in-tube heat exchangers for heating and conducting the initial polymer synthesis process for oxalon fiber [1]
However, the use of such devices as tubular reactors is limited by their low productivity and is possible only in pilot production. This is because an increase in the diameter of the pipe entails uneven heating of the viscous product over the cross section of the pipe. The increase in productivity with pipes of small diameter leads to significant dimensions and increased energy intensity by increasing the length of the tubular apparatus and equipping high pressure pumps.

Известны также кожухотрубчатые теплообменные аппараты, содержащие корпус с патрубками, в полости которого размещены трубы, закрепленные в трубных решетках [2] Раствор олигомера (мономера оксалон, капролактам и т.д.) самопроизвольно поступает по трубам, обогреваемым теплоносителем, в результате чего происходит форполиконденсация полимера. Shell-and-tube heat exchangers are also known, which include a housing with nozzles, in the cavity of which pipes are mounted, fixed in tube sheets [2] The oligomer solution (oxalon monomer, caprolactam, etc.) spontaneously enters through pipes heated by a heat transfer medium, as a result of which prepolycondensation occurs polymer.

Однако промышленное применение таких теплообменных аппаратов для нагрева полимеризующихся жидкостей ограничено по следующим причинам. Раствор олигомера перемещается по трубам с разными скоростями в центральных трубах скорость большая, а в периферийных меньшая. В результате застоя раствора в периферийных трубах и большего их нагрева происходит ускоренный процесс полимеризации (поликонденсации) с образованием вязкого полимера. Часть периферийных трубок закупоривается, вследствие чего скорость прохождения раствора через оставшиеся трубки увеличивается, что приводит к недостаточному нагреву выходящего из аппарата раствора и снижению качества полимера. However, the industrial use of such heat exchangers for heating polymerizable liquids is limited for the following reasons. The oligomer solution moves through pipes with different speeds in the central pipes, the speed is large, and in the peripheral pipes less. As a result of stagnation of the solution in the peripheral pipes and their greater heating, an accelerated polymerization (polycondensation) process occurs with the formation of a viscous polymer. Part of the peripheral tubes is clogged, as a result of which the rate of passage of the solution through the remaining tubes increases, which leads to insufficient heating of the solution leaving the apparatus and a decrease in the quality of the polymer.

Наиболее близким к изобретению является трубчатый реактор, предназначенный для осуществления химических реакций и включающий корпус, в полости которого размещены трубы, закрепленные в трубных решетках [3] В этом реакторе последовательно чередуются трубы разных диаметров. Closest to the invention is a tubular reactor designed to carry out chemical reactions and comprising a housing in the cavity of which pipes are mounted, fixed in tube sheets [3] In this reactor, pipes of different diameters alternate in series.

Однако использование такого реактора ограничивается эффективностью и низкой надежностью в работе, возникающими ввиду неравномерного нагрева вязкого продукта в трубах большого сечения, что приводит к снижению качества готового полимера. However, the use of such a reactor is limited by the efficiency and low reliability that arise due to uneven heating of the viscous product in large cross-section pipes, which leads to a decrease in the quality of the finished polymer.

Цель изобретения обеспечение равномерного нагрева подаваемой в реактор полимеризующейся реакционной массы и повышение надежности работы реактора, достигаемые за счет того, что трубчатый реактор, содержащий корпус с торцовыми крышками и патрубками для ввода и вывода теплоносителя и реакционной массы, в полости которого размещен закрепленный в трубных решетках пучок труб, снабжен распределительной камерой, выполненной в виде корпуса с установленным по оси его с возможностью вращения барабаном, на сопряженной с концами труб поверхности которого выполнены отверстия для переменного сообщения полости каждой трубы с полостью барабана, а распределительная камера реактора установлена в размере пучка труб и выполнена в виде стакана. The purpose of the invention is to ensure uniform heating of the polymerizable reaction mass supplied to the reactor and to increase the reliability of the reactor, achieved due to the fact that the tubular reactor containing a housing with end caps and nozzles for the input and output of the coolant and the reaction mass, in the cavity of which is fixed in the tube sheets the tube bundle is provided with a distribution chamber made in the form of a housing with a drum mounted on its axis to rotate, on a surface conjugated with the ends of the tubes which holes are made for alternating communication of the cavity of each pipe with the cavity of the drum, and the distribution chamber of the reactor is installed in the size of the tube bundle and is made in the form of a glass.

Размещение распределительной камеры в разъеме пучка труб обеспечивает непрерывный приток и накопление реакционной смеси. Установленный в распределительной камере вращающийся барабан с каналами на боковой поверхности способствует тому, что реакционная смесь из полости распределительной камеры принудительно под давлением поочередно подается в полость каждой трубы реактора. При этом каждому отверстию на барабане соответствует свой ряд труб в пучке. Концы пучка труб в разъеме выполнены сопряженными с вращающимся барабаном, т. е. эквидистантно его боковой поверхности, что обеспечивает при вращении дозированную импульсную подачу реакционной смеси попеременно в каждую трубку реактора. Таким образом, при помощи каналов вращающийся барабан в совокупности с сопряженными концами труб образует в определенный момент сквозной проход, сообщающий полость отдельной трубы с полостью распределительной камеры, в которую реакционная смесь подается под давлением. При этом предыдущая порция массы в каждой трубе при соединении с определенным каналом барабана продавливается новой порцией реакционной массы, а все трубы реактора работают в одном режиме, исключены застой реакционной массы в трубах и их закупоривание. Placing the distribution chamber in the tube bundle connector provides a continuous flow and accumulation of the reaction mixture. A rotating drum installed in the distribution chamber with channels on the side surface ensures that the reaction mixture from the cavity of the distribution chamber is forcedly under pressure alternately fed into the cavity of each reactor pipe. In addition, each hole in the drum has its own series of pipes in the bundle. The ends of the tube bundle in the connector are made conjugated with a rotating drum, i.e., equidistant to its lateral surface, which ensures a metered pulse feed of the reaction mixture alternately into each tube of the reactor during rotation. Thus, with the help of channels, the rotating drum together with the conjugated ends of the pipes forms at a certain moment a through passage communicating the cavity of a separate pipe with the cavity of the distribution chamber into which the reaction mixture is supplied under pressure. In this case, the previous portion of the mass in each pipe, when connected to a specific channel of the drum, is pressed by a new portion of the reaction mass, and all the pipes of the reactor operate in the same mode, stagnation of the reaction mass in the pipes and their clogging are excluded.

Таким образом, осуществляется равномерный нагрев полимеризующейся массы, способствующий проведению реакции форполиконденсации в соответствии с технологическим регламентом, повышается надежность работы реактора и качество получаемого полимера. Thus, the polymerizable mass is uniformly heated, which contributes to the prepolycondensation reaction in accordance with the technological regulations, the reliability of the reactor and the quality of the resulting polymer are increased.

На фиг. 1 изображен трубчатый реактор, разрез; на фиг.2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг.3 вариант выполнения одностороннего трубчатого реактора; на фиг.4 развертка боковой поверхности барабана; на фиг.5 и 6 возможные варианты крепления пучков труб в боковых стенках распределительной камеры, выполняющих роль трубных решеток. In FIG. 1 shows a tubular reactor, section; in Fig.2 a section aa in Fig. 1; figure 3 an embodiment of a one-sided tubular reactor; figure 4 scan of the side surface of the drum; Figures 5 and 6 show possible options for fastening tube bundles in the side walls of the distribution chamber, which act as tube sheets.

Трубчатый реактор содержит корпус 1 с патрубками 2 для вывода олигомера, патрубками 3 и 4 ввода и вывода теплоносителя и торцовые крышки 5 и 6. В полостях корпуса 1 размещены трубы 7, собранные в виде пучка, закрепленного в трубных решетках 8 и 9. В разъеме пучка труб 7 размещена распределительная камера 10 с патрубком 11 для подвода реакционной массы, в которой установлен барабан 12 с приводом 13. На боковой поверхности барабана 12 выполнены каналы 14 (отверстия) для попеременного сообщения полости каждой из труб 7 с полостью камеры 10. Каждому отверстию 14 барабана 12 соответствует свой ряд труб в пучке, размещенный по горизонтали. Концы труб, сопряженных с барабаном, выполнены эквидистантно его боковой поверхности с небольшим зазором от нее, необходимым для проворачивания барабана. Распределительная камера 10 выполнена в виде стакана. Такая форма наиболее технологична в изготовлении, однако, камере можно придать любую форму. Месторасположение камеры выбирается в зависимости от планировки в цехе, от габаритов реактора. На фиг.3 показан реактор, трубный пучок которого расположен с одной стороны распределительной камеры. Следует отметить также, что роль трубных решеток 9 могут выполнять боковые стенки стакана 10. При этом возможны различные варианты закрепления труб 7 в стенках стакана. Например, концы труб можно выполнить выступающими в полость стакана (фиг.5). Концы труб могут быть закреплены заподлицо с его стенками (фиг.6). В этом случае барабан своей наружной поверхностью сопрягается с внутренней поверхностью боковых стенок стакана. The tubular reactor contains a housing 1 with nozzles 2 for outputting the oligomer, nozzles 3 and 4 of the coolant inlet and outlet, and end caps 5 and 6. In the cavities of the housing 1 pipes 7 are assembled in the form of a bundle fixed in the tube sheets 8 and 9. In the connector of the tube bundle 7 there is a distribution chamber 10 with a nozzle 11 for supplying a reaction mass in which a drum 12 with a drive 13 is mounted. On the lateral surface of the drum 12 there are channels 14 (holes) for alternately communicating the cavity of each of the pipes 7 with the cavity of the chamber 10. Each hole fourteen drum 12 corresponds to its row of pipes in the beam, placed horizontally. The ends of the pipes associated with the drum are made equidistant to its side surface with a small gap from it, necessary for turning the drum. The distribution chamber 10 is made in the form of a glass. This form is the most technologically advanced in manufacture, however, the camera can be given any shape. The location of the chamber is selected depending on the layout in the workshop, on the dimensions of the reactor. Figure 3 shows a reactor whose tube bundle is located on one side of the distribution chamber. It should also be noted that the side walls of the glass 10 can play the role of tube sheets 9. In this case, various options for fixing the pipes 7 in the walls of the glass are possible. For example, the ends of the pipes can be made protruding into the cavity of the glass (figure 5). The ends of the pipes can be fixed flush with its walls (Fig.6). In this case, the drum with its outer surface mates with the inner surface of the side walls of the glass.

На развертке боковой поверхности барабана (фиг.4) пунктирными линиями показаны трубы, закрепленные в трубных решетках в шахматном порядке. Поочередное (попеременное) сообщение полостей каждой трубы с полостью распределительной камеры обеспечивается, например, при условии равенства между собой минимального диаметра (d₁) отверстия в барабане шага между трубами (а) по горизонтали, шага между трубами (b) по вертикали и внутреннего диаметра трубы (d), т.е. a b d d₁. Нумерация на трубах (1-14) обозначает очередность совпадения полости каждой трубы своего ряда с подошедшим отверстием вращающегося барабана. При этом исключена возможность совпадения (открытия) отверстий с трубами соседнего ряда. Для расположения труб, показанного на развертке, расстояние между центральными осями обоих пучков труб равно 14а, минимальная же длина развертки наружной поверхности барабана составит 28а, т. е. равна минимальному расстоянию между вертикальными рядами труб, умноженному на суммаpное количество труб в обоих пучках. Таким образом, длина окружности барабана
πD n·a, где D диаметр барабана;
n количество труб;
а шаг между трубами по горизонтали.On the scan of the side surface of the drum (Fig. 4), the dashed lines show the pipes fixed in the tube sheets in a checkerboard pattern. Alternate (alternate) communication of the cavities of each pipe with the cavity of the distribution chamber is provided, for example, provided that the minimum diameter (d ₁ ) of the hole in the drum of the pitch between the pipes (a) horizontally, the step between the pipes (b) vertically and the inner diameter pipes (d), i.e. abdd ₁ . The numbering on the pipes (1-14) indicates the sequence of coincidence of the cavity of each pipe of its row with the approaching hole of the rotating drum. In this case, the possibility of coincidence (opening) of the holes with the pipes of the adjacent row is excluded. For the location of the pipes shown in the reamer, the distance between the central axes of both bundles of tubes is 14a, the minimum length of the recess of the outer surface of the drum will be 28a, i.e. it is equal to the minimum distance between the vertical rows of tubes multiplied by the total number of tubes in both bundles. Thus, the circumference of the drum
πD n · a, where D is the diameter of the drum;
n number of pipes;
and the pitch between the pipes is horizontal.

При большом количестве труб в пучке, т.е. при изготовлении трубного реактора с большой поверхностью теплообмена с целью снижения габаритов барабана за счет уменьшения его диаметра, возможно принять попеременное сообщение полостей сразу двух труб с полостью камеры. В этом случае диаметр барабана составит D 1/2 n·a. With a large number of pipes in the bundle, i.e. in the manufacture of a pipe reactor with a large heat exchange surface in order to reduce the dimensions of the drum by reducing its diameter, it is possible to accept alternate communication between the cavities of two pipes at once with the chamber cavity. In this case, the diameter of the drum will be D 1/2 n · a.

Трубчатый реактор работает следующим образом. The tubular reactor operates as follows.

Раствор олигомера (мономера), вязкостью до 200 пауз, например оксалона, под давлением до 10 ати, подается через патрубок 11 в распределительную камеру 10 и в полость барабана 12, который непрерывно вращается от привода 13. При вращении барабана 12 в момент последовательного совпадения отверстий 14 на его боковой поверхности с сопряженными концами труб 7 реакционная масса импульсно поступает в обогреваемые трубы реактора. Барабан, продолжая вращаться, перекрывает ранее открытые трубы, прекращая подачу в них реакционной массы. Другая часть труб через отверстия 14 соединяется с полостью распределительной камеры. Таким образом, происходит попеременное дозированное заполнение каждой трубы. Новая порция полимера продавливает предыдущую, предотвращая образование пробок. Реакционная масса принудительно течет по трубам и, находясь одинаковое время в каждой трубе при определенной температуре в реакторе, подвергается равномерному прогреву. В результате форполиконденсации из реактора через патрубок 2 выходит олигомер с заданной температурой и высоким качеством. В реакторе, изображенном на фиг.3, происходит аналогичный процесс. Очевидно, что реакционная смесь в таком реакторе поступает в одну сторону. Поэтому реактор такого исполнения применяется в случаях с более низкой производительностью, либо при более низкой вязкости исходной реакционной массы, ввиду того, что вращающийся барабан испытывает одностороннюю боковую нагрузку. A solution of oligomer (monomer), with a viscosity of up to 200 pauses, for example oxalone, under a pressure of up to 10 atm, is supplied through a pipe 11 to the distribution chamber 10 and into the cavity of the drum 12, which continuously rotates from the drive 13. When the drum 12 rotates at the moment of successive coincidence of the holes 14 on its side surface with the mating ends of the pipes 7, the reaction mass is pulsed into the heated pipes of the reactor. The drum, continuing to rotate, blocks previously opened pipes, stopping the flow of reaction mass into them. The other part of the pipes through the holes 14 is connected to the cavity of the distribution chamber. Thus, alternating dosage filling of each pipe occurs. A new batch of polymer pushes through the previous one, preventing the formation of plugs. The reaction mass is forced to flow through the pipes and, being the same time in each pipe at a certain temperature in the reactor, undergoes uniform heating. As a result of prepolycondensation, an oligomer with a predetermined temperature and high quality leaves the reactor through a pipe 2. In the reactor depicted in figure 3, a similar process occurs. Obviously, the reaction mixture in such a reactor flows in one direction. Therefore, a reactor of this design is used in cases with lower productivity, or at a lower viscosity of the initial reaction mass, due to the fact that the rotating drum experiences a one-sided side load.

Claims

1. TUBULAR REACTOR, comprising a housing with end caps and nozzles for input and output of the coolant and the reaction mass, in the cavity of which there is a bundle of pipes fixed in pipe gratings, characterized in that it is equipped with a distribution chamber made in the form of a housing with a mounted on its axis with the possibility of rotation by the drum, on the surface of which is mated to the ends of the pipes, holes are made for alternately communicating the cavity of each pipe with the cavity of the drum.

2. The reactor under item 1, characterized in that the distribution chamber is installed in the connector of the tube bundle, and the housing is made in the form of a glass.