RU100430U1 - Газожидкостный реактор (варианты) - Google Patents

Abstract

1. Газожидкостный реактор, содержащий вертикальный корпус с патрубками ввода реагентов и вывода продуктов реакции и размещенный в нижней части корпуса смеситель, включающий коаксиальную трубу и вихревую камеру, имеющую тангенциальный входной патрубок, соединенный с патрубком ввода первого реагента, и осевой выходной патрубок, направленный в сторону днища реактора, причем коаксиальная труба введена в цилиндрический корпус вихревой камеры, верхний конец коаксиальной трубы соединен с патрубком ввода второго реагента, отличающийся тем, что нижняя часть реактора содержит экран, размещенный вблизи днища реактора напротив выходного патрубка смесителя. ! 2. Газожидкостный реактор по п.1, отличающийся тем, что он содержит дополнительный экран, размещенный концентрично стенке корпуса реактора в зоне расположения смесителя. ! 3. Газожидкостный реактор по п.1, отличающийся тем, что нижний конец коаксиальной трубы расположен по ходу движения реагентов после входного отверстия тангенциального входного патрубка и не достигает среза выходного осевого патрубка. ! 4. Газожидкостный реактор по п.1, отличающийся тем, что смеситель содержит, по крайней мере, одну дополнительную вихревую камеру, соосную первой и последовательно с ней соединенную, имеющую тангенциальный входной патрубок и осевой выходной патрубок, причем осевой выходной патрубок каждой предшествующей камеры введен в цилиндрический корпус последующей камеры. ! 5. Газожидкостный реактор по п.4, отличающийся тем, что тангенциальные входные патрубки камер расположены таким образом, чтобы направление вращения потоков во всех камерах было одинаковым, а осевой вы�

Description

Полезная модель относится к аппаратурному оформлению химических процессов, протекающих в газожидкостной среде, а именно к конструкции газожидкостного реактора с восходящим однонаправленным движением фаз, и может быть использована, в частности, для промышленного получения карбамида.

Эффективное проведение процессов в колонных газожидкостных реакторах с восходящим однонаправленным движением фаз возможно только в условиях равномерного распределения скоростей, размеров пузырей и газосодержания по сечению восходящего газожидкостного потока. Указанное распределение зависит от конструктивных особенностей реактора.

Известен газожидкостный реактор, содержащий вертикальный цилиндрический корпус с двумя патрубками ввода жидких реагентов и патрубком ввода газообразного реагента, расположенными в нижней части реактора, патрубком вывода продуктов реакции, расположенным в верхней части реактора, и колпачковое смесительное устройство, расположенное над патрубками ввода реагентов (SU 1088779, В01J 10/00, 19/00, 1984). Исходные реагенты вводят в реактор раздельными струйно-осевыми потоками через три патрубка. Пройдя смесительное устройство, потоки поступают в реакционное пространство в виде смеси.

Недостатком данной конструкции реактора является низкая интенсивность смешения реагентов и недостаточная степень диспергирования газа в нижней части реактора вследствие раздельного ввода реагентов и слабой турбулизации потока на выходе из смесителя.

Известен также газожидкостный реактор, содержащий вертикальный цилиндрический корпус с патрубками ввода жидких и газообразного реагентов, патрубком вывода продуктов реакции и патрубком вывода отходящих газов, распределительное устройство для подачи газообразного реагента, расположенное в нижней части реактора, установленную ниже патрубка вывода продуктов реакции полую коническую поверхность, обращенную открытым основанием к днищу реактора, установленный под конической поверхностью циклонный эжектор с тангенциальным патрубком, соединенным с одним из патрубков ввода жидкого реагента, соплом, направленным в сторону днища реактора, и коаксиальной трубой, расположенной внутри эжектора, причем верхний конец трубы соединен с объемом полой конической поверхности, а нижний ее конец расположен на уровне среза сопла над распределительным устройством для подачи газообразного реагента (SU 1648544, В01J 19/00, В01D 53/18, 1991). Для данной конструкции реактора характерно неравномерное распределение газа в объеме жидкости из-за раздельного ввода реагентов и особенностей конструкции газораспределительного устройства.

Наиболее близкими по технической сущности к вариантам предложенного реактора являются варианты известного газожидкостного реактора (RU 2256495, B01J 10/00, 2005).

Согласно одному из вариантов известен газожидкостный реактор, содержащий вертикальный корпус с патрубками ввода реагентов и вывода продуктов реакции и размещенный в нижней части корпуса смеситель, включающий коаксиальную трубу и вихревую камеру, имеющую тангенциальный входной патрубок, соединенный с патрубком ввода первого реагента, и осевой выходной патрубок, направленный в сторону днища реактора, причем коаксиальная труба введена в цилиндрический корпус вихревой камеры, и верхний конец коаксиальной трубы соединен с патрубком ввода второго реагента.

Согласно другому варианту известен газожидкостный реактор, содержащий вертикальный корпус с патрубками ввода реагентов и вывода продуктов реакции и размещенный в нижней части корпуса смеситель, включающий, по крайней мере, две последовательно соединенные соосные вихревые камеры, имеющие тангенциальные входные патрубки, соединенные с патрубками ввода реагентов, и осевые выходные патрубки, направленные в сторону днища реактора, причем осевой выходной патрубок каждой предшествующей камеры введен в цилиндрический корпус последующей камеры.

Известный газожидкостный реактор в обоих вариантах обеспечивает высокую степень диспергирования реагентов при их смешении за счет обеспечения движения реагентов в смесителе в виде многослойного потока с концентрическими вращающимися слоями относительно небольшой толщины. Такой характер движения потока обеспечивает невысокую степень взаимного диспергирования слоев при их движении в смесителе и, вместе с тем, чрезвычайно интенсивное взаимное диспергирование и равномерное распределение реагентов при выходе этого потока в объем реактора. Вместе с тем, интенсивное турбулентное диспергирование реагентов в непосредственной близости от днища и стенок нижней части реактора создает опасность их коррозионно-эрозионного износа.

Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является увеличение срока службы реактора между ремонтами его корпуса и/или футеровки при сохранении интенсивного диспергирования взаимодействующих фаз.

Для решения этой задачи предложены два варианта конструкции газожидкостного реактора.

В первом варианте предложен газожидкостный реактор, содержащий вертикальный корпус с патрубками ввода реагентов и вывода продуктов реакции и размещенный в нижней части корпуса смеситель, включающий коаксиальную трубу и вихревую камеру, имеющую тангенциальный входной патрубок, соединенный с патрубком ввода первого реагента, и осевой выходной патрубок, направленный в сторону днища реактора, причем коаксиальная труба введена в цилиндрический корпус вихревой камеры, верхний конец коаксиальной трубы соединен с патрубком ввода второго реагента, отличающийся тем, что нижняя часть реактора содержит экран, размещенный вблизи днища реактора напротив выходного патрубка смесителя.

В зависимости от конкретной конструкции реактора он при необходимости может содержать дополнительный экран, размещенный концентрично стенке корпуса реактора в зоне расположения смесителя. Для улучшения качества диспергирования реагентов нижний конец коаксиальной трубы может быть расположен по ходу движения реагентов после входного отверстия тангенциального входного патрубка и не достигать среза выходного осевого патрубка. В зависимости от количества потоков взаимодействующих реагентов смеситель может также содержать, по крайней мере, одну дополнительную вихревую камеру, соосную первой и последовательно с ней соединенную, имеющую тангенциальный входной патрубок и осевой выходной патрубок, причем осевой выходной патрубок каждой предшествующей камеры введен в цилиндрический корпус последующей камеры. Предпочтительно, чтобы тангенциальные входные патрубки камер были расположены таким образом, чтобы направление вращения потоков во всех камерах было одинаковым, а осевой выходной патрубок каждой предшествующей камеры был введен в цилиндрический корпус последующей камеры таким образом, чтобы его срез был расположен по ходу движения реагентов после входного отверстия тангенциального входного патрубка и не достигал среза выходного осевого патрубка последующей камеры. Предпочтительно также, чтобы смеситель содержал вихревые камеры с последовательно увеличивающимся по ходу движения реагентов диаметром. При использовании предложенного газожидкостного реактора в качестве реактора синтеза карбамида смеситель может содержать одну или две вихревые камеры.

Во втором варианте предложен газожидкостный реактор, содержащий вертикальный корпус с патрубками ввода реагентов и вывода продуктов реакции и размещенный в нижней части корпуса смеситель, включающий, по крайней мере, две последовательно соединенные соосные вихревые камеры, имеющие тангенциальные входные патрубки, соединенные с патрубками ввода реагентов, и осевые выходные патрубки, направленные в сторону днища реактора, причем осевой выходной патрубок каждой предшествующей камеры введен в цилиндрический корпус последующей камеры, отличающийся тем, что нижняя часть реактора содержит экран, размещенный вблизи днища реактора напротив выходного патрубка смесителя.

В зависимости от конкретной конструкции реактора он при необходимости может содержать дополнительный экран, размещенный концентрично стенке корпуса реактора в зоне расположения смесителя. Предпочтительно, чтобы тангенциальные входные патрубки камер были расположены таким образом, чтобы направление вращения потоков во всех камерах было одинаковым, а осевой выходной патрубок каждой предшествующей камеры был введен в цилиндрический корпус последующей камеры таким образом, чтобы его срез был расположен по ходу движения реагентов после входного отверстия тангенциального входного патрубка и не достигал среза выходного осевого патрубка последующей камеры. Предпочтительно также, чтобы смеситель содержал вихревые камеры с последовательно увеличивающимся по ходу движения реагентов диаметром. При использовании предложенного газожидкостного реактора в качестве реактора синтеза карбамида смеситель может содержать две или три вихревые камеры.

Техническим результатом, который может быть получен при использовании полезной модели, является предотвращение износа материала реактора (или его коррозионно-стойкой футеровки), поскольку съемные и легко заменяемые экраны защищают днище и стенки реактора от коррозионно-эрозионного разрушения.

Сущность вариантов полезной модели иллюстрируется приложенными фиг.1-3, на которых изображена в продольном разрезе нижняя часть газожидкостного реактора, являющегося конкретным воплощением предложенной конструкции - на фиг.1 и 2 по первому варианту, на фиг.3 по второму варианту.

В соответствии с фиг.1 газожидкостный реактор включает корпус 1 и размещенный в нижней части корпуса смеситель, состоящий из вихревой камеры 2 и коаксиальной трубы 3, соединенной с патрубком подвода газообразного реагента 4. Вихревая камера содержит тангенциальный входной патрубок 5, соединенный с патрубком подвода жидкого реагента 6, и выходной осевой патрубок 7, обращенный в сторону днища реактора. Нижний конец коаксиальной трубы 3 расположен по ходу движения реагентов после входного отверстия тангенциального входного патрубка 5 и не достигает среза выходного осевого патрубка 7. Под выходным осевым патрубком 7 вблизи днища аппарата расположен защитный экран 8. На цилиндрическом участке нижней части аппарата в зоне расположения смесителя концентрично стенке корпуса реактора расположен защитный экран 9.

При работе реактора жидкий реагент из патрубка 6 через тангенциальный ввод 5 поступает в вихревую камеру 2, где приобретает интенсивное закрученное движение. Из патрубка 4 и коаксиальной трубы 3 в вихревую камеру 2 поступает газообразный реагент. В результате закрученного движения потока жидкого реагента в вихревой камере 2 формируется структурированный вращающийся поток, в котором за счет центробежных сил реагенты распределяются по плотности: через осевую зону выходного сопла 7 движется газообразный реагент, через периферийную зону - жидкий реагент. При выходе из сопла 7 в результате потери гидродинамической устойчивости закрученного потока происходит интенсивное турбулентное диспергирование газообразного реагента и смешение фаз. За счет размещения смесителя вблизи днища происходит дополнительное диспергирование потока. Пузырьки газа, образовавшиеся при распаде закрученной струи, разлетаются под разными углами, равномерно заполняя сечение реактора, включая области, непосредственно прилегающие к днищу. В поперечном сечении реактора, начиная от самого дна, формируется однородный восходящий газожидкостный поток с мелкодисперсной пузырьковой структурой. При этом исключается образование периферийных застойных зон, не заполненных диспергированным газом, и не диспергированных газовых струй. Защитный экран 8, расположенный под выходным соплом вихревого смесителя вблизи днища аппарата, и экран цилиндрической формы 9, расположенный на цилиндрическом участке нижней части аппарата, препятствуют контакту струи, выходящей из смесителя, с материалом днища и стенок, защищая их тем самым от интенсивного коррозионно-эрозионного износа, который бы имел место в случае контакта с газожидкостной струей.

В соответствии с фиг.2 газожидкостный реактор включает корпус 1 и размещенный в нижней части корпуса смеситель, состоящий из верхней и нижней вихревых камер 2, 3 и коаксиальной трубы 4, соединенной с патрубком подвода газообразного реагента 5. Диаметр вихревой камеры 3 больше диаметра вихревой камеры 2. Вихревые камеры 2 и 3 содержат тангенциальные входные патрубки 6 и 7, соединенные с патрубками подвода жидких реагентов 8 и 9, и выходные осевые патрубки 10 и 11, обращенные в сторону днища реактора. Тангенциальные входные патрубки 6 и 7 расположены таким образом, чтобы направление вращения потоков в обеих камерах было одинаковым. Нижний конец коаксиальной трубы 4 расположен по ходу движения реагентов после входного отверстия тангенциального входного патрубка 6 и не достигает среза выходного осевого патрубка 10. Нижний конец выходного осевого патрубка 10 расположен по ходу движения реагентов после входного отверстия тангенциального входного патрубка 7 и не достигает среза выходного осевого патрубка 11. Под выходным осевым патрубком 11 вблизи днища аппарата расположен защитный экран 12. На цилиндрическом участке нижней части аппарата в зоне расположения смесителя концентрично стенке корпуса реактора расположен защитный экран 13.

Реактор работает аналогично реактору, изображенному на фиг.1, с тем отличием, что к структурированному вращающемуся потоку, сформированному в верхней вихревой камере 2, в нижней вихревой камере 3 присоединяется наружный слой второго жидкого реагента, вращающийся однонаправлено с потоком первого жидкого реагента.

В соответствии с фиг.3 газожидкостный реактор включает корпус 1 и размещенный в нижней части корпуса смеситель, состоящий из трех вихревых камер 2, 3, 4. Диаметр вихревой камеры 3 больше диаметра вихревой камеры 2, а диаметр вихревой камеры 4 больше диаметра вихревой камеры 3. Вихревые камеры содержат тангенциальные входные патрубки 5, 6 и 7, соединенные соответственно с патрубком подвода газообразного реагента 8 и патрубками подвода жидких реагентов 9 и 10, и выходные осевые патрубки 11, 12 и 13, обращенные в сторону днища реактора. Нижние концы выходных осевых патрубков 11 и 12 расположены по ходу движения реагентов после входных отверстий тангенциальных входных патрубков 6 и 7 и не достигают срезов выходных осевых патрубков 12 и 13 (соответственно). Под выходным осевым патрубком 13 вблизи днища аппарата расположен защитный экран 14. На цилиндрическом участке нижней части аппарата в зоне расположения смесителя концентрично стенке корпуса реактора расположен защитный экран 15.

Реактор работает аналогично реактору, изображенному на фиг.2, с тем отличием, что в вихревых камерах 2, 3 и 4 структурированный вращающийся поток формируется в результате однонаправленного вращения газообразного и двух жидких реагентов.

Реакторы, изображенные на фиг.1, 2 и 3, могут быть использованы в качестве реакторов синтеза карбамида. При этом газообразным реагентом является диоксид углерода, а жидкими реагентами - аммиак и водноаммиачный раствор карбамата аммония (раствор углеаммонийных солей) или их смесь.

Claims (10)

1. Газожидкостный реактор, содержащий вертикальный корпус с патрубками ввода реагентов и вывода продуктов реакции и размещенный в нижней части корпуса смеситель, включающий коаксиальную трубу и вихревую камеру, имеющую тангенциальный входной патрубок, соединенный с патрубком ввода первого реагента, и осевой выходной патрубок, направленный в сторону днища реактора, причем коаксиальная труба введена в цилиндрический корпус вихревой камеры, верхний конец коаксиальной трубы соединен с патрубком ввода второго реагента, отличающийся тем, что нижняя часть реактора содержит экран, размещенный вблизи днища реактора напротив выходного патрубка смесителя.

2. Газожидкостный реактор по п.1, отличающийся тем, что он содержит дополнительный экран, размещенный концентрично стенке корпуса реактора в зоне расположения смесителя.

3. Газожидкостный реактор по п.1, отличающийся тем, что нижний конец коаксиальной трубы расположен по ходу движения реагентов после входного отверстия тангенциального входного патрубка и не достигает среза выходного осевого патрубка.

4. Газожидкостный реактор по п.1, отличающийся тем, что смеситель содержит, по крайней мере, одну дополнительную вихревую камеру, соосную первой и последовательно с ней соединенную, имеющую тангенциальный входной патрубок и осевой выходной патрубок, причем осевой выходной патрубок каждой предшествующей камеры введен в цилиндрический корпус последующей камеры.

5. Газожидкостный реактор по п.4, отличающийся тем, что тангенциальные входные патрубки камер расположены таким образом, чтобы направление вращения потоков во всех камерах было одинаковым, а осевой выходной патрубок каждой предшествующей камеры введен в цилиндрический корпус последующей камеры таким образом, что его срез расположен по ходу движения реагентов после входного отверстия тангенциального входного патрубка и не достигает среза выходного осевого патрубка последующей камеры.

6. Газожидкостный реактор по п.4, отличающийся тем, что смеситель содержит вихревые камеры с последовательно увеличивающимся по ходу движения реагентов диаметром.

7. Газожидкостный реактор, содержащий вертикальный корпус с патрубками ввода реагентов и вывода продуктов реакции и размещенный в нижней части корпуса смеситель, включающий, по крайней мере, две последовательно соединенные соосные вихревые камеры, имеющие тангенциальные входные патрубки, соединенные с патрубками ввода реагентов, и осевые выходные патрубки, направленные в сторону днища реактора, причем осевой выходной патрубок каждой предшествующей камеры введен в цилиндрический корпус последующей камеры, отличающийся тем, что нижняя часть реактора содержит экран, размещенный вблизи днища реактора напротив выходного патрубка смесителя.

8. Газожидкостный реактор по п.7, отличающийся тем, что он содержит дополнительный экран, размещенный концентрично стенке корпуса реактора в зоне расположения смесителя.

9. Газожидкостный реактор по п.7, отличающийся тем, что тангенциальные входные патрубки ввода реагентов в камеры расположены таким образом, чтобы направление вращения тангенциальных потоков во всех камерах было одинаковым, а осевой выходной патрубок каждой предшествующей камеры введен в цилиндрический корпус последующей камеры таким образом, что его срез расположен по ходу движения реагентов после входного отверстия тангенциального входного патрубка и не достигает среза осевого выходного патрубка последующей камеры.

10. Газожидкостный реактор по п.7, отличающийся тем, что смеситель содержит вихревые камеры с последовательно увеличивающимся по ходу движения реагентов диаметром.