CZ25723U1 - Zařízení pro oxidaci chemických látek vzduchem nebo kyslíkem - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká zařízení pro oxidaci chemických látek vzduchem nebo kyslíkem ve dvoufázovém systému kapalina - plyn.

Dosavadní stav techniky

Provádění oxidace chemických látek ve dvoufázovém systému kapalina - plyn vyžaduje přestup hmoty reaktantů z plynné fáze (vzdušný kyslík, čistý kyslík, jejich směs) do kapaliny, kde dojde k oxidaci chemické látky, která je v kapalné fázi ve formě čisté chemické látky nebo ve formě roztoku s rozpuštěnou chemickou látkou. Metoda vyžaduje intenzivní promíchání plynné a kapalné fáze tak, aby byla vytvořena co největší mezifázová plocha, tzn., vytvoření velkého počtu malých bublin v kapalné fázi. Metoda se obvykle provádí za normálního, nebo mírně zvýšeného tlaku.

Jsou známa různá zařízení k provádění popsané metody, např. patrové kolony různých typů, jako jsou sítové, mřížkové, kloboučkové nebo náplňové, které jsou vhodné pro velkoobjemové výroby. Nevýhody patrových kolon spočívají v tom, že se velice pracně upravují pro jiné druhy chemických reakcí, než pro jakou byly konstruovány, při oxidaci chemických látek dochází k výkyvům kvality probíhající oxidace, neboť není možné dostatečně regulovat teplotu reakční směsi obsažené v kolonách.

Dalším známým řešením jsou míchané probublávané reaktory, které obsahují míchadlo vhodné konstrukce, které při svém spuštění umožňuje aeraci bublajícího plynu od dna reaktoru do kapaliny. Aby bylo promíchání plynu a kapaliny intenzivní, musejí být míchadla konstruována pro práci při vysokých otáčkách. Nevýhody řešení spočívají v tom, že reaktor má velice složitou konstrukci, míchadlo reaktoru spotřebovává hodně energie, teplota reakční směsi se špatně reguluje a celý reaktor je určený především pro velké objemy kapalin.

V jiném známém řešení se k provádění způsobu oxidace používá víceúčelový reaktor, ve kterém je do kapalného roztoku obsahujícího oxidovanou látku vháněn plyn, který je rozptylován, aby probublával co největší částí objemu roztoku. Nevýhoda takového řešení spočívá v tom, že zařízení je málo účinné v promíchávání plynné fáze s kapalnou fází a dochází k úniku plynu z reakční směsi po jeho vybublání nad hladinu, což v případě použití čistého kyslíku je z ekonomického hlediska nepřípustné.

Dále je známo polosmyčkové zařízení, kdy je reakční směs ze spodní části míchaného reaktoru nasávána do cirkulačního čerpadla a zároveň je do potrubí cirkulačního čerpadla přisáván reagující plyn. V čerpadle dochází k intenzivnímu promíchání kapalné a plynné fáze, k následné oxidaci a poté je reakční směs vrácena zpět do reaktoru. Nevýhody tohoto řešení spočívají v používání míchadla, v tom, že funkci vlastního reaktoru nahrazuje cirkulační čerpadlo a oběhové potrubí, které má oproti reaktoru malou kapacitu, přičemž velikost docílené mezifázové plochy je poměrně malá, neboť čerpadlo nevytvoří dostatečně malé bublinky plynu v kapalné fázi.

Úkolem technického řešení je vytvoření zařízení, které by odstraňovalo výše uvedené nevýhody. Zařízení by bylo vhodné i pro menší výrobní kapacity, mělo by schopnost dobré regulace teploty reakční směsi, vytvářelo by dostatečnou mezifázovou plochu pro dobrý průběh oxidace v reakční směsi a nemělo by příliš vysoké provozní a pořizovací náklady.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nevýhody odstraňuje předložené technické řešení. Technické řešení se týká zařízení pro oxidaci chemických látek kyslíkem nebo vzduchem, které zahrnuje reaktor a potrubí, které je připojené k reaktoru. Potrubí je opatřené cirkulačním čerpadlem pro oběh reakční směsi s obsahem kapalné fáze oxidované látky a plynu zařízením.

-1 CZ 25723 Ul

Podstata technického řešení spočívá v tom, že reaktor je opatřen alespoň jednou směšovací a rozprašovací tryskou pro vytvoření aerosolové směsi z oxidované chemické látky a plynu na vstupu do reaktoru, přičemž směšovací a rozprašovací tryskaje připojena k potrubí. Výhody spočívají v tom, že při tvorbě aerosolu z kapalné fáze látky a plynné fáze látky dochází v reaktoru k výskytu kapiček, které mají rozměry v řádech desítek nanometrů až desítek mikrometrů. Pro oxidaci chemických látek obsažených v kapičkách to znamená vytvoření mnohonásobně větší mezifázové plochy, než je tomu u doposud používaného promíchávání a probublávání oxidačního plynu kapalnou fází oxidované látky, takže k procesu oxidace dochází s větší efektivitou.

Ve výhodném provedení zařízení podle technického řešení je směšovací a rozprašovací tryska upravena pro přisávání plynu a/nebo je ke směšovací a rozprašovací trysce připojen přívod plynu.

V případě, že plyn obsažený v reakční směsi nedostačuje pro průběh oxidace, je tryska upravena tak, aby přisávala další plyn z prostoru nad hladinou reakční směsi v reaktoru, nebo je k trysce připojen samostatný přívod plynu.

V dalším výhodném provedení zařízení podle technického řešení je směšovací a rozprašovací tryska uspořádána pod hladinou reakční směsi uložené v reaktoru. Tryska svým proudem dokáže vytvořit aerosolovou bublinu v kapalině, kde dojde k oxidaci v jednotlivých kapičkách směsi, načež zbylý nezreagovaný plyn se probubláváním k hladině promísí se směsí a směs obohatí, případně během probublávání zoxiduje další množství chemické látky nacházející se v kapalné fázi.

V jiném výhodném provedení zařízení podle technického řešení je směšovací a rozprašovací tryska opatřena vířícím tělískem a/nebo má tvarované vyústění pro změnu charakteristiky výstupního proudu reakční směsi. Vířící tělísko zvyšuje úroveň rozprášení reakční směsi, což vede k efektivnější oxidaci chemické látky.

V dalším výhodném provedení zařízení podle technického řešení je k potrubí připojen směšovač plynu a reakční směsi a dále je připojen tepelný výměník pro ochlazení nebo ohřev cirkulující reakční směsi. Směšovač dotuje cirkulující směs plynem, aby při rozprášení směsi na výstupu trysky byl zajištěn dostatek oxidačního plynu. V některých případech se v průběhu oxidace uvolňuje chemická energie ve formě tepla, které je potřeba odvádět z reaktoru, aby nedošlo k nežádoucímu přehřátí zařízení. V jiných případech je třeba reakční směs naopak zahřát, protože některé chemické reakce probíhají pouze za vyšších teplot.

V jiném výhodném provedení zařízení podle technického řešení je potrubí opatřeno odbočovací potrubní větví, která je opatřená separační nádobou pro odplynění kapalné fáze reakční směsi nebo pro odběr reakční směsi. Pokud je v průběhu oxidace potřeba odebrat vzorek reakční směsi, otevře se odbočovací potrubní větev a v separační nádobě se zachytí požadovaný vzorek reakční směsi.

V dalším výhodném provedení zařízení podle technického řešení je reaktor opatřen přepadem pro odvod reakční směsi z reaktoru při kontinuálním provozu zařízení. Pokud je zařízení součástí kontinuálního provozu, je výhodné, že se reakční směs v reaktoru průběžně obměňuje, aniž by se muselo zařízení vypínat. Těžší nezoxidovaná reakční směs se drží u dna reaktoru, zatímco již lehčí reagovaná směs je odváděna přepadem u hladiny směsi uložené v reaktoru.

Výhody zařízení pro oxidaci chemických látek vzduchem nebo kyslíkem spočívají ve vysoké efektivitě oxidace, v ekonomickém provozu, v univerzálnosti zařízení, v nízké energetické náročnosti provozu zařízení a v možnosti modifikaci zařízení podle aktuální aplikace.

Objasnění výkresů

Technické řešení bude blíže objasněno v následujícím vyobrazení, kde je na obr. 1 schematicky vyobrazeno zařízení a jeho zapojení pro oxidaci chemických látek.

-2CZ 25723 Ul

Příklady uskutečnění technického řešení

Rozumí se, že dále popsané a zobrazené konkrétní příklady uskutečnění technického řešení jsou představovány pro ilustraci, nikoli jako omezení příkladů provedení technického řešení na uvedené případy. Odborníci znalí stavu techniky najdou nebo budou schopni zjistit za použití rutinního experimentování větší, či menší počet ekvivalentů ke specifickým uskutečněním technického řešení, která jsou zde speciálně popsána. I tyto ekvivalenty budou zahrnuty v rozsahu následujících nároků na ochranu.

Na obr. 1 je schematicky vyobrazeno zařízení 12 pro oxidaci chemických látek vzduchem nebo kyslíkem.

Základem zařízení 12 je reaktor I s připojeným potrubím 4, do kterého je zařazeno čerpadlo 2 schopné čerpat směs kapalné a plynné fáze látek. Potrubí 4 je vedeno přes zapojený tepelný výměník 5 k směšovací a rozprašovací trysce 6, která je nainstalována na vstupu reaktoru L

Reaktor i je vyroben ze skleněné nádoby o objemu 30 1. Potrubí 4 je vyrobeno ze skleněných trubek a připojené čerpadlo 2 je elektricky poháněné vzduchové čerpadlo schopné čerpat kapaliny s infiltrovaným plynem. Tepelný výměník 5 je rozšířené skleněné potrubí, jímž prochází reakční směs a v němž je vložena skleněná vinutá trubice s proudícím médiem, které zajišťuje chlazení nebo ohřev reakční směsi. Směšovací a rozprašovací tryska 6 je vyrobena z teflonu, přičemž výstupní charakteristika proudu trysky 6 je ovlivněna geometrickým tvarováním trysky 6, nebo vířícím tělískem vloženým do trysky 6.

Tryska 6 v základním provedení promíchává plynnou fázi obsaženou v reakční směsi. Plynná fáze se již ve směsi nachází při nasávání z reaktoru i, nebo může být na trysku 6 přisávána z homí části reaktoru i potrubím 8. Čerstvý plyn je možné do reakční směsi přivádět přisáváním přes rotametr 7 přímo na trysku 6 nebo se dodatečně do reakční směsi dodává ve směšovači 9, kam je přisáván přes rotametr 10.

Potrubí 4 je ve variantě provedení zařízení 12 vyobrazeného na obr. 1 rozdvojeno a druhá část potrubí 4 funkčně oddělená ventily 15 obsahuje zapojený směšovač 9 kapaliny s plynem, který v zařízení 12 dotuje cirkulující reakční směs dalším množstvím plynu. V nevyobrazeném příkladu zařízení 12 nemusí být směšovač 9 vůbec zahrnut, nebo naopak je neodpojitelnou součástí okruhu cirkulace reakční směsi.

Dále na obr. 1 je k cirkulačnímu okruhu zařízení 12 připojena odboěovací potrubní větev 14, která je vyústěna do separaění nádoby 11. Separaění nádoba 11 zachycuje reakční směs a odděluje z reakční směsi plyn. Odboěovací větev 14 je uzavíratelná ventilem 15.

Průtok reakční směsi cirkulačním okruhem je měřen zapojeným rotametrem 3. Množství plynu (vzduchu nebo kyslíku) přiváděného do reakční směsi je měřeno rotametry 7 a 10.

Zařízení 12 může pracovat v přerušovaném provozu, kdy se do reaktoru i zařízení 12 uloží chemická látka pro jedno naplnění reaktoru i a následně se zařízení 12 spustí, aby reakční směs cirkulovala zařízením 12 tak dlouho, dokud nedojde k úplné oxidaci chemických látek v celém objemu uložené směsi, nebo může být zařízení 12 provozováno nepřerušovaně, kdy se do potrubí 4 zařízení 12 kontinuálně přivádí nová dávka reakční směsi, zatímco zoxidovaná směs opouští reaktor i zařízení 12 přepadem 13.

Průmyslová využitelnost

Zařízení pro oxidaci chemických látek vzduchem nebo kyslíkem je určeno k přípravě chemických látek oxidací výchozích látek.

Claims (15)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Zařízení (12) pro oxidaci chemických látek vzduchem nebo kyslíkem, zahrnující reaktor (1) a potrubí (4) připojené k reaktoru (1) a opatřené cirkulačním čerpadlem (2) pro oběh reakční směsi s obsahem kapalné fáze oxidované látky a vzduchu nebo kyslíku zařízením (12), vy5 značující se tím, že reaktor (1) je opatřen alespoň jednou směšovací a rozprašovací tryskou (6) pro vytvoření aerosolové směsi z oxidované chemické látky a plynu na vstupu do reaktoru (1), přičemž směšovací a rozprašovací tryska (6) je připojena k potrubí (4).
2. 2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že směšovací a rozprašovací tryska (6) je upravena pro přisávání plynu a/nebo je k směšovací a rozprašovací trysce (6) připoío jen přívod plynu.
3. 3. Zařízení podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že směšovací a rozprašovací tryska (6) je uspořádána pod hladinou reakční směsi uložené v reaktoru (1).
4. 4. Zařízení podle alespoň jednoho z nároků laž3, vyznačující se tím, že směšovací a rozprašovací tryska (6) je opatřena vířícím tělískem a/nebo má tvarované vyústění pro

   15 změnu charakteristiky výstupního proudu reakční směsi.
5. 5. Zařízení podle alespoň jednoho z nároků laž4, vyznačující se tím, žek potrubí (4) je připojen směšovač (9) plynu a reakční směsi.
6. 6. Zařízení podle alespoň jednoho z nároků laž5, vyznačující se tím, žek potrubí (4) je připojen tepelný výměník (5) pro chlazení nebo ohřev cirkulující reakční směsi.

   20 7. Zařízení podle alespoň jednoho z nároků lažó, vyznačující se tím, že potrubí (4) je opatřeno odbočovací potrubní větví (14) opatřenou separační nádobou (11) pro odplynění kapalné fáze reakční směsi nebo pro odběr reakční směsi.

   8. Zařízení podle alespoň jednoho z nároků 1 až 6, vyznačující se tím, že reaktor (1) je opatřen přepadem (13) pro odvod reakční směsi z reaktoru (1) při kontinuálním provozu

   25 zařízení (12).

   1 výkres

   Přehled vztahových značek:

   1 reaktor

   2 cirkulační čerpadlo

   3 rotametr pro měření průtoku reakční směsi

   4 potrubí pro vedení reakční směsi

   5 tepelný výměník

   6 směšovací a rozprašovací tryska
7. 7 rotametr pro měření průtoku vstupující plynné fáze
8. 8 potrubí pro vedení plynné fáze
9. 9 směšovač plynné a kapalné fáze látek
10. 10 rotametr pro měření průtoku vstupující plynné fáze
11. 11 separační nádoba
12. 12 zařízení pro oxidaci chemických látek
13. 13 přepad
14. 14 odbočovací potrubní větev
15. 15 ventil.