RU2114691C1

RU2114691C1 - Reactor

Info

Publication number: RU2114691C1
Application number: RU95119509A
Authority: RU
Original assignee: Товарищество с ограниченной ответственностью "Экос"; Жестков Сергей Васильевич; Сергеев Юрий Андреевич; Косырев Владимир Михайлович; Цацура Павел Дмитриевич; Потапов Виктор Валерьянович
Priority date: 1995-11-20
Filing date: 1995-11-20
Publication date: 1998-07-10

Abstract

FIELD: reactors for conduction of processes in gas-liquid medium used in synthesis of carbamides. SUBSTANCE: reactor has vertical body and pipe unions for inlet and outlet of reagents, horizontal perforated plates, vertical contact devices which consist of external and internal members fastened with their upper edges to supporting grate and provided with inlet hole on side surface on side wall of external member and outlet holes on supporting grate. Internal member of contact device is made in the form of flat partition located along axis of external member, and inlet holes of side wall of external member of contact device are separated for liquid and gas phases. EFFECT: reduced metal specific content of reactor. 2 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к химическим реакторам, в частности для проведения процессов в газожидкостной среде, и может быть использовано, например, для синтеза карбамида из аммиака и двуокиси углерода при повышенных температурах и давлениях. The invention relates to chemical reactors, in particular for carrying out processes in a gas-liquid medium, and can be used, for example, for the synthesis of urea from ammonia and carbon dioxide at elevated temperatures and pressures.

Известен аппарат для синтеза карбамида, представляющий собой вертикальный сосуд высокого давления, футерованный коррозионностойким материалом, со штуцерами ввода и вывода реагентов [1]. A known apparatus for the synthesis of urea, which is a vertical pressure vessel lined with a corrosion-resistant material, with fittings for input and output of reagents [1].

Недостатком известного аппарата является низкая его эффективность. Как установлено в процессе эксплуатации, такие аппараты работают в малоинтенсивном режиме, близком к идеальному смешению. При этом удовлетворительную степень превращения CO₂ в мочевину (Х≈65%) можно обеспечить лишь при низкой удельной производительности П (порядка 300-400 кг/м³ ч). При попытках увеличения значений П до 650-700 кг/м³ ч величина X снижается до 57-58%, что вызывает недопустимое ухудшение технико-экономических показателей.A disadvantage of the known apparatus is its low efficiency. As established during operation, such devices operate in a low-intensity mode, close to perfect mixing. At the same time, a satisfactory degree of conversion of CO ₂ to urea (X≈65%) can be ensured only with a low specific productivity P (of the order of 300-400 kg / m ³ h). When trying to increase the P values to 650-700 kg / m ³ h, the X value decreases to 57-58%, which causes an unacceptable deterioration of technical and economic indicators.

Известен также реактор, содержащий вертикальный корпус, вертикальные контактные устройства, состоящие из наружного и внутреннего элементов, концентрично расположенных один в другом, каждый элемент имеет отверстие (щель) для входа среды в верхней его части [2]. Also known is a reactor containing a vertical casing, vertical contact devices, consisting of external and internal elements concentrically located one in another, each element has an opening (slot) for the medium to enter in its upper part [2].

Однако в данном реакторе невозможно обеспечить равномерное распределение газовой фазы по всем контактным устройствам, что снижает эффективность процесса. Содержание газовой фазы по сечению аппарата переменно и уменьшается от центра к стенке. However, in this reactor it is impossible to ensure uniform distribution of the gas phase across all contact devices, which reduces the efficiency of the process. The gas phase content over the apparatus cross section is variable and decreases from the center to the wall.

Известно, что сопротивление отверстий при протекании через них среды прямо пропорционально плотности среды. Плотность реакционной среды в реакторе синтеза мочевины в центральной части меньше, чем у стенок, что определяется содержанием газовой фазы. Следовательно, через отверстия (щели) контактных устройств, расположенных в центральной части, будет проходить большее количество реакционной среды, чем через отверстия контактных устройств, расположенных на периферии, и перераспределения газовой фазы по сечению аппарата в зоне расположения отверстий (щелей) в стержневых элементах произойти не может. It is known that the resistance of the holes when the medium flows through them is directly proportional to the density of the medium. The density of the reaction medium in the urea synthesis reactor in the central part is lower than that of the walls, which is determined by the content of the gas phase. Consequently, through the openings (slots) of the contact devices located in the central part, a larger amount of the reaction medium will pass through the openings of the contact devices located on the periphery and redistribution of the gas phase over the cross section of the apparatus in the area of the openings (slots) in the core elements can not.

Наиболее близким к предлагаемому решению по технической сущности и достигаемому эффекту является реактор для проведения процессов в газожидкостной среде [3] (прототип). Closest to the proposed solution for the technical nature and the achieved effect is a reactor for carrying out processes in a gas-liquid medium [3] (prototype).

Известный реактор содержит вертикальный корпус и штуцера для ввода и вывода реагентов, горизонтальные перфорированные тарелки, вертикальные контактные устройства, состоящие из наружного и внутреннего элементов, закрепленные своими верхними кромками в опорной решетке и снабженные входными отверстиями на боковой стенке наружного элемента и выходными отверстиями на опорной решетке. The known reactor contains a vertical housing and fittings for input and output of reagents, horizontal perforated plates, vertical contact devices consisting of external and internal elements, fixed with their upper edges in the support grid and provided with inlets on the side wall of the outer element and outlet openings on the support grid .

Реактор работает следующим образом. Исходные компоненты вводят в аппарат через штуцера для ввода реагентов, расположенные в днище корпуса реактора. Пройдя горизонтальную перфорированную тарелку, газожидкостная смесь попадает в пространство, заполненное вертикальными контактными устройствами, и через входные устройства в наружном трубчатом элементе попадает внутрь этих устройств, из которых выходит через отверстия в опорной решетке. Пройдя через горизонтальные перфорированные тарелки, расположенные по высоте аппарата, продукты реакции выходят через штуцер в крышке. The reactor operates as follows. The initial components are introduced into the apparatus through the reagent nozzle located in the bottom of the reactor vessel. Having passed the horizontal perforated plate, the gas-liquid mixture enters the space filled with vertical contact devices, and through the input devices in the outer tubular element it enters these devices, from which it exits through the holes in the support grid. After passing through horizontal perforated plates located along the height of the apparatus, the reaction products exit through a fitting in the lid.

Входные отверстия в наружных трубчатых элементах расположены таким образом, что под опорной решеткой создается газовая подушка, которая позволяет равномерно распределить газовую фазу по внутренним контактным устройствам. Это позволяет интенсифицировать процесс контактирования газообразных и жидких реагентов. The inlet openings in the outer tubular elements are arranged in such a way that a gas cushion is created under the support grid, which allows the gas phase to be evenly distributed across the internal contact devices. This allows you to intensify the process of contacting gaseous and liquid reagents.

Недостатком известного реактора является сравнительно высокая металлоемкость и недостаточно высокая эффективность. A disadvantage of the known reactor is a relatively high metal consumption and insufficiently high efficiency.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, - совершенствование конструкции реактора. The task to which the invention is directed is to improve the design of the reactor.

Технический результат заключается в том, что снижается металлоемкость реактора и повышается эффективность его работы за счет увеличения эффективности контактных устройств. The technical result consists in the fact that the metal consumption of the reactor is reduced and its efficiency is increased by increasing the efficiency of contact devices.

Этот технический результат достигается тем, что в известном реакторе, содержащем вертикальный корпус и штуцера для ввода и вывода реагентов, горизонтальные перфорированные тарелки, вертикальные контактные устройства, состоящие из наружного и внутреннего элементов, закрепленные своими верхними кромками в опорной решетке и снабженные входными отверстиями на боковой стенке наружного элемента и выходными отверстиями на опорной решетке, внутренний элемент контактного устройства выполнен в виде плоской перегородки, расположенной вдоль оси наружного элемента контактного устройства, а входные отверстия на боковой стенке наружного элемента контактного устройства выполнены раздельными для жидкой и газовой фаз, нижняя кромка плоской перегородки выполнена зубчатой. This technical result is achieved by the fact that in a known reactor containing a vertical casing and fittings for input and output of reagents, horizontal perforated plates, vertical contact devices consisting of external and internal elements, fixed with their upper edges in the support grid and provided with inlet openings on the side the wall of the outer element and the outlet holes on the support grid, the inner element of the contact device is made in the form of a flat partition located along about si of the external element of the contact device, and the inlet holes on the side wall of the external element of the contact device are made separate for the liquid and gas phases, the lower edge of the flat partition is made of gear.

Снижение металлоемкости обеспечивается за счет плоских внутренних элементов контактных устройств. The reduction in metal consumption is provided due to the flat internal elements of the contact devices.

Повышение эффективности работы обеспечивается более стабильным вводом газовой и жидкой фаз в контактные устройства даже при значительных колебаниях давления в реакторе. The increase in operating efficiency is ensured by a more stable introduction of the gas and liquid phases into the contact devices even with significant pressure fluctuations in the reactor.

Выполнение нижней кромки плоской перегородки зубчатой обеспечивает более равномерное распределение газовой фазы по контактному элементу и большую поверхность контакта фаз. The implementation of the lower edge of the flat toothed septum provides a more uniform distribution of the gas phase over the contact element and a large contact surface of the phases.

На фиг.1 представлен продольный разрез предлагаемого реактора; на фиг.2 - узел I на фиг.1; на фиг.3 - сечение Б-Б на фиг.2, контактный элемент выполнен из трубы; на фиг.4 - сечение Б-Б на фиг.2, контактный элемент выполнен из S-образной заготовки со сваркой в местах стыка; на фиг.5 - вид А на фиг. 1, нижняя кромка с треугольными зубьями; на фиг.6 - вид А на фиг.1, нижняя кромка с прямоугольными зубьями. Figure 1 presents a longitudinal section of the proposed reactor; figure 2 - node I in figure 1; figure 3 is a section bB in figure 2, the contact element is made of pipe; figure 4 is a section bB in figure 2, the contact element is made of an S-shaped workpiece with welding at the joints; 5 is a view A in FIG. 1, the bottom edge with triangular teeth; in Fig.6 is a view A in Fig.1, the lower edge with rectangular teeth.

Реактор состоит из вертикального корпуса 1, разделенного горизонтальными перфорированными тарелками 2, 3, 4 на зоны, крышки 5, штуцеров 6, 7, 8 для ввода реагентов и вывода 9 продукционного плава синтеза мочевины. В нижней трети аппарата, где преобладает газовая фаза, установлены вертикальные контактные устройства, состоящие из наружной трубы 10 и плоской перегородки 11, образующие опускной 12 и подъемный 13 каналы. Нижние кромки 14 плоских внутренних перегородок 11 выполнены зубчатыми различной формы. Вертикальные контактные устройства своими верхними кромками закреплены в опорной решетке 15 и снабжены расположенными на боковой стенке наружного элемента 10 входными отверстиями для газовой фазы 16 и для жидкой фазы 17, которые сообщаются с опускными каналами 12. Причем входные отверстия для жидкой фазы 17 расположены ниже входных отверстий для газовой фазы 16. Вертикальные контактные устройства снабжены также расположенными на опорной решетке 15 выходными отверстиями 18, сообщающимися с подъемными каналами 13. The reactor consists of a vertical casing 1, divided by horizontal perforated plates 2, 3, 4 into zones, covers 5, fittings 6, 7, 8 for introducing reagents and output 9 of the production urea synthesis melt. In the lower third of the apparatus, where the gas phase predominates, vertical contact devices are installed, consisting of an outer pipe 10 and a flat partition 11, forming a lowering 12 and lifting 13 channels. The lower edges 14 of the flat inner partitions 11 are made of gear different shapes. Vertical contact devices with their upper edges are fixed in the support grid 15 and are provided with inlet openings for the gas phase 16 and for the liquid phase 17 located on the side wall of the outer element 10, which communicate with the outlet channels 12. Moreover, the inlet openings for the liquid phase 17 are located below the inlet openings for the gas phase 16. The vertical contact devices are also provided with outlet openings 18 located on the support grid 15, in communication with the lifting channels 13.

Опорная решетка 15 содержит обечайку 19, высота которой перекрывает входные отверстия 16 и 17, расположенные на наружных элементах 10. The support lattice 15 contains a casing 19, the height of which overlaps the inlets 16 and 17 located on the outer elements 10.

Реактор работает следующим образом. The reactor operates as follows.

Исходные компоненты NH₃, CO₂ и раствор углеаммонийных солей (рус) вводятся в аппарат через штуцера 6, 7, 8. Для их распределения по сечению аппарата и смешения на высоте, примерно 1-1,5 D_a от днища корпуса 1 (D_a - диаметр аппарата), установлена горизонтальная перфорированная тарелка 2. Пройдя тарелку 2, газожидкостная смесь попадает в зону, заполненную вертикальными контактными устройствами. Газовая фаза при опережающем движении вверх образует газовую подушку под опорной решеткой 15. Затем газ через входные отверстия 16 поступает в опускные каналы 12. В эти же каналы через входные отверстия 17 поступает жидкая фаза.The initial components of NH ₃ , CO ₂ and a solution of carbon ammonium salts (rus) are introduced into the apparatus through fittings 6, 7, 8. For their distribution over the apparatus cross section and mixing at a height of about 1-1.5 D _a from the bottom of housing 1 (D _a is the diameter of the apparatus), a horizontal perforated plate is installed 2. After passing through the plate 2, the gas-liquid mixture enters the zone filled with vertical contact devices. The gas phase when advancing upwardly forms a gas cushion under the support grill 15. Then the gas through the inlet holes 16 enters the lowering channels 12. The liquid phase enters the same channels through the inlet holes 17.

Газожидкостная смесь стекает в нижнюю часть наружного элемента 10. Затем она огибает кромки внутренней плоской перегородки и переходит внутрь подъемного канала 13. The gas-liquid mixture flows into the lower part of the outer element 10. Then it goes around the edges of the inner flat walls and goes into the lifting channel 13.

Через выходные отверстия 18 на опорной решетке 15 газожидкостная смесь поступает в следующую реакционную зону аппарата. Пройдя горизонтальные перфорированные тарелки 3 и 4, продукты реакции выводятся из аппарата через штуцер 9. Through the outlet openings 18 on the support grid 15, the gas-liquid mixture enters the next reaction zone of the apparatus. Having passed the horizontal perforated plates 3 and 4, the reaction products are removed from the apparatus through the nozzle 9.

Наличие газовой подушки между отверстиями 16 и решеткой 15 позволяет равномерно распределить газовую фазу по контактным устройствам. The presence of a gas pad between the holes 16 and the grill 15 allows you to evenly distribute the gas phase across the contact devices.

Сравним металлоемкость контактных устройств прототипа и заявляемого решения. Compare the intensity of the contact devices of the prototype and the proposed solution.

Металлоемкость контактных устройств прототипа равна
M_пр= n•π•δ•(D+d)•h•ρ_ст,
где
n - количество контактных устройств;
δ - толщина стенки наружного и внутреннего элементов;
D - средний диаметр наружного элемента;
d - средний диаметр внутреннего элемента;
h - высота элементов (с целью упрощения доказательства пренебрегаем небольшим зазором между торцом внутренней трубы и дном наружной);
ρ_ст -плотность стали.The intensity of the contact devices of the prototype is equal to
M _ol = n • π • δ • (D + d) • h • ρ _st ,
Where
n is the number of contact devices;
δ is the wall thickness of the outer and inner elements;
D is the average diameter of the outer element;
d is the average diameter of the inner element;
h is the height of the elements (to simplify the proof, neglect the small gap between the end of the inner pipe and the bottom of the outer);
ρ _{st is the} density of steel.

Выразим средний диаметр d внутреннего элемента через средний диаметр D наружного из условия равенства площадей проходных сечений этих элементов (в этом случае, не внося большой погрешности в расчеты, толщиной стенок, ввиду их незначительности, в данном случае пренебрегаем), тогда

откуда после простых математических преобразований получаем

Тогда металлоемкость контактных устройств прототипа равна

Металлоемкость контактных устройств заявляемого решения

Тогда снижение металлоемкости при выполнении конструкции по заявляемому решению составит

Таким образом, как показали расчеты, металлоемкость заявляемого решения меньше металлоемкости прототипа почти на 23%.We express the average diameter d of the inner element through the average diameter D of the outer one from the condition that the areas of the passage sections of these elements are equal (in this case, without making a large error in the calculations, the wall thickness, due to their insignificance, is neglected in this case), then

whence after simple mathematical transformations we get

Then the intensity of the contact devices of the prototype is equal to

The intensity of contact devices of the proposed solution

Then the decrease in metal consumption when performing the design according to the claimed solution will be

Thus, as the calculations showed, the metal consumption of the proposed solution is less than the metal consumption of the prototype by almost 23%.

Пример. По прототипу разработана конструкция контактного устройства из стержневых элементов со следующими конструктивными параметрами: средний диаметр наружного элемента (трубы) D = 42,5 мм, средний диаметр внутреннего элемента (трубы) d = 29,5 мм, толщина стенки наружного и внутреннего элементов = 2,5 мм, высота элементов h = 3000 мм, общее количество контактных устройств (стержневых элементов) n = 400 шт. Example. According to the prototype, a contact device design from rod elements with the following design parameters was developed: average diameter of the outer element (pipe) D = 42.5 mm, average diameter of the inner element (pipe) d = 29.5 mm, wall thickness of the outer and inner elements = 2 , 5 mm, the height of the elements h = 3000 mm, the total number of contact devices (rod elements) n = 400 pcs.

Металлоемкость стержневых элементов такой конструкции равна

В соответствии с заявляемым решением (фиг.1, 3) заменим в этой конструкции выполненный из труб внутренний элемент на пластину толщиной 2,5 мм и шириной, равной внутреннему диаметру наружного элемента. Определим металлоемкость полученной конструкции контактных устройств

Экономия металла только на одном реакторе составит:
M_пр - M_зр = 5290 - 4058 = 1232 кг
или в процентах

Поскольку для изготовления контактных устройств реакторов используются дорогостоящие коррозионностойкие стали, снижение металлоемкости контактных устройств, использование взамен трубного проката листового позволит получить немалую экономическую выгоду.The metal content of the core elements of this design is equal to

In accordance with the claimed solution (Figs. 1, 3), we replace in this design a pipe made of an inner element with a plate 2.5 mm thick and a width equal to the inner diameter of the outer element. Determine the intensity of the obtained design of contact devices

Metal savings in only one reactor will be:
M _ol - M _sp = 5290 - 4058 = 1232 kg
or as a percentage

Since expensive corrosion-resistant steels are used for the manufacture of contact devices for reactors, reducing the metal consumption of contact devices, the use of sheet metal instead of pipe will provide considerable economic benefits.

Изготовлен и испытан опытный образец, подтвердивший достижение технического результата. A prototype was made and tested, which confirmed the achievement of the technical result.

Claims

1. A reactor containing a vertical housing and fittings for input and output of reagents, horizontal perforated plates, vertical contact devices consisting of external and internal elements, fixed with their upper edges in the support grid and equipped with inlets on the side wall of the outer element and outlet openings on support grid, characterized in that the internal element of the contact device is made in the form of a flat partition located along the axis of the external element, and the input holes The effects on the side wall of the external element of the contact device are separate for the liquid and gas phases.

2. The reactor according to claim 1, characterized in that the lower edge of the flat septum is gear.