RU2241531C1

RU2241531C1 - Mixer

Info

Publication number: RU2241531C1
Application number: RU2003119038/15A
Authority: RU
Inventors: А.А. Иванов (RU); А.А. Иванов; Ю.А. Сергеев (RU); Ю.А. Сергеев; Р.В. Андержанов (RU); Р.В. Андержанов; А.И. Пронин (RU); А.И. Пронин
Priority date: 2003-06-24
Filing date: 2003-06-24
Publication date: 2004-12-10

Abstract

FIELD: chemical industry; mixers of reactors for mixing liquid and gaseous reagents.

SUBSTANCE: the invention is dealt with chemical industry, in particular, to the mixers of reactors for mixing liquid and gaseous reagents and may be used in manufacture of carbamide for production of a mix of carbon dioxide, ammonia and a recirculated solution of ammonia carbonate salts fed into a reactor of a synthesis of a carbamide. The mixer contains a cage made out of in series connected coaxial vortes chambers. The chambers have tangential inlet branch-pipes for reactants feeding and axial outlet branch-pipes. Direction of rotation of tangential streams in all chambers is the same. The axial outlet branch-pipe of each preceding chamber is inserted into the cylindrical cage of the next chamber and its inlet opening is located on a course of traffic of reactants after an inlet opening of a tangential inlet branch-pipe. The technical result is maintenance of a high degree of dispersion of the reactants in the reactor after their exit from the mixer and at their minimum dispersion in the mixer.

EFFECT: the invention ensures a high degree of dispersion of the reactants in the reactor.

4 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к аппаратурному оформлению химических процессов, протекающих в газожидкостной среде, а именно к устройству смесителей реакторов для смешивания поступающих в реактор жидких и газообразных реагентов. Изобретение может быть использовано, в частности, в производстве карбамида для получения смеси диоксида углерода, аммиака и рециркулируемого раствора углеаммонийных солей (УАС), направляемой в реактор синтеза карбамида.The invention relates to the hardware design of chemical processes in a gas-liquid medium, and in particular to a device for mixing reactors for mixing liquid and gaseous reactants entering the reactor. The invention can be used, in particular, in the production of urea to obtain a mixture of carbon dioxide, ammonia and a recycled solution of carbon ammonium salts (UAS), sent to the urea synthesis reactor.

Общеизвестно, что эффективность смешения жидких и газообразных реагентов способствует повышению производительности химических реакторов. В частности, в процессах получения карбамида степень конверсии исходных реагентов зависит от характера и степени диспергирования компонентов газожидкостной смеси, поступающей на синтез.It is well known that the efficiency of mixing liquid and gaseous reagents helps to increase the productivity of chemical reactors. In particular, in the processes of producing urea, the degree of conversion of the starting reagents depends on the nature and degree of dispersion of the components of the gas-liquid mixture fed to the synthesis.

Известно колпачковое смесительное устройство, установленное в нижней части реактора, предназначенного для получения карбамида (SU 1088779, В 01 J 10/00, 1984). В этом устройстве исходные реагенты (газообразный диоксид углерода, жидкий аммиак и раствор УАС) вводятся в реактор раздельными струйно-осевыми потоками через три штуцера, расположенные в стенках реактора и, пройдя смесительное устройство, поступают в реакционное пространство в виде смеси. Недостатком данной конструкции смесителя является получение смеси с низкой степенью диспергирования газообразных и жидких компонентов.Known cap mixing device installed in the lower part of the reactor, designed to obtain urea (SU 1088779, 01 J 10/00, 1984). In this device, the starting reagents (gaseous carbon dioxide, liquid ammonia and UAS solution) are introduced into the reactor by separate axial-jet flows through three nozzles located in the walls of the reactor and, passing the mixing device, enter the reaction space as a mixture. The disadvantage of this design of the mixer is to obtain a mixture with a low degree of dispersion of gaseous and liquid components.

Известно инжекционное смесительное устройство реактора, предназначенного для получения карбамида, включающее камеру смешения, установленную внутри реактора в верхней его части, и штуцеры ввода реагентов, расположенные на верхней крышке реактора (SU 782858, В 01 J 19/00, 1980). Данная конструкция смесителя обладает теми же недостатками.Known injection mixing device of a reactor designed to produce urea, including a mixing chamber mounted inside the reactor in its upper part, and reagent inlet fittings located on the upper cover of the reactor (SU 782858, 01 J 19/00, 1980). This mixer design has the same disadvantages.

Известны также смесители, устанавливаемые вне реакторов. В этих смесителях диспергирование реагентов, сопровождаемое их частичным взаимодействием, происходит уже при их смешении. Если взаимодействие сопровождается выделением тепла, возникает проблема отвода тепла из смесителя для предотвращения протекания нежелательных процессов, вызванных перегревом. Так, в случае производства карбамида, в момент взаимодействия аммиака и диоксида углерода при их смешении происходит разогрев смеси и повышается ее агрессивность, что вызывает коррозию металлических элементов смесителя. Решение задачи отвода тепла во многих случаях осложнено небольшими размерами смесителя и трудностью размещения в нем достаточной поверхности теплообмена.Outside reactor mixers are also known. In these mixers, the dispersion of reagents, accompanied by their partial interaction, occurs already when they are mixed. If the interaction is accompanied by heat generation, there is a problem of heat removal from the mixer to prevent undesirable processes caused by overheating. So, in the case of urea production, at the moment of interaction of ammonia and carbon dioxide during their mixing, the mixture heats up and its aggressiveness increases, which causes corrosion of the metal elements of the mixer. The solution to the problem of heat removal in many cases is complicated by the small size of the mixer and the difficulty of placing a sufficient heat transfer surface in it.

Известен смеситель реактора для проведения химических процессов, в частности, для получения карбамида, включающий цилиндрический корпус с насадкой, штуцеры ввода реагентов, расположенные на одном конце корпуса, и штуцер выхода газожидкостной смеси, расположенный на другом его конце (В.И. Кучерявый, В.В. Лебедев. Синтез и применение карбамида. - Л.: Химия, 1970, с.317). Корпус футерован листовой хромоникельмолибденовой сталью. Исходные реагенты (газообразный диоксид углерода, жидкий аммиак и раствор УАС) вводят в смеситель раздельными струйно-осевыми потоками через три штуцера. Смесь реагентов через штуцер выхода подается в реактор.A reactor mixer is known for carrying out chemical processes, in particular, for producing urea, including a cylindrical body with a nozzle, reagent inlet fittings located at one end of the body, and a gas-liquid mixture outlet fitting located at its other end (V.I. Kucheryavyy, V .V. Lebedev. Synthesis and use of urea. - L .: Chemistry, 1970, p. 317). The housing is lined with chrome-nickel-molybdenum steel sheet. The starting reagents (gaseous carbon dioxide, liquid ammonia and UAS solution) are introduced into the mixer by separate axial-jet flows through three nozzles. The mixture of reagents through the outlet fitting is fed into the reactor.

Наличие специальной насадки в корпусе смесителя улучшает смешение реагентов, но из-за интенсивного выделения тепла насадка и футеровка смесителя подвержены сильному эрозионно-коррозионному износу.The presence of a special nozzle in the mixer housing improves the mixing of the reagents, but due to the intense heat generation, the nozzle and lining of the mixer are subject to strong erosion-corrosion wear.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному смесителю является смеситель реактора для проведения химических процессов, в частности для получения карбамида, включающий корпус в виде крестовины с диаметрально расположенными патрубками ввода диоксида углерода и аммиака, коаксиальную трубу, расположенную в корпусе и соединенную с патрубком ввода раствора УАС, причем патрубки ввода диоксида углерода и аммиака расположены после патрубка ввода раствора УАС (В.И. Кучерявый, В.В. Лебедев. Синтез и применение карбамида. - Л.: Химия, 1970, с.318). Смеситель присоединен к нижней части реактора верхним срезом корпуса, через который реагенты поступают в реактор.The closest in technical essence to the proposed mixer is a reactor mixer for carrying out chemical processes, in particular for producing urea, including a casing in the form of a cross with diametrically placed carbon dioxide and ammonia inlets, a coaxial pipe located in the body and connected to the inlet of the UAS solution moreover, the carbon dioxide and ammonia inlet pipes are located after the inlet of the UAS solution (V.I. Kucheryavy, V.V. Lebedev. Synthesis and use of urea. - L.: Chemistry, 197 0, p. 318). The mixer is attached to the bottom of the reactor by an upper cut of the housing through which the reactants enter the reactor.

При работе этого смесителя газообразный диоксид углерода и жидкий аммиак через диаметрально расположенные патрубки подаются в пространство между корпусом и коаксиальной трубой, где они частично смешиваются и продвигаются к входу в реактор. Раствор УАС поступает в реактор по коаксиальной трубе. Полное смешение всех реагентов происходит в нижней части реактора при выходе из смесителя.During the operation of this mixer, gaseous carbon dioxide and liquid ammonia are fed through diametrically arranged nozzles into the space between the body and the coaxial pipe, where they are partially mixed and advanced to the reactor inlet. The UAS solution enters the reactor through a coaxial pipe. Complete mixing of all reagents occurs in the lower part of the reactor upon exiting the mixer.

Недостатком смесителя является низкая степень диспергирования диоксида углерода в реакторе и образование в его нижней части зон обратного перемешивания вследствие осевого струйно-направленного входа реакционной смеси. Хотя данная конструкция смесителя более надежна в эксплуатации по сравнению с описанной выше, но она не решает задачу устранения выделения тепла и образования агрессивной среды в смесителе, так как имеет место диспергирование газообразного диоксида углерода в жидком аммиаке и их взаимодействие в смесителе.The disadvantage of the mixer is the low degree of dispersion of carbon dioxide in the reactor and the formation of reverse mixing zones in its lower part due to the axial jet directional inlet of the reaction mixture. Although this design of the mixer is more reliable in operation than described above, it does not solve the problem of eliminating heat generation and the formation of an aggressive environment in the mixer, since there is dispersion of gaseous carbon dioxide in liquid ammonia and their interaction in the mixer.

Техническая задача, решаемая предлагаемой конструкцией смесителя, состоит в организации такого движения реагентов в смесителе, при котором обеспечивалась бы высокая степень диспергирования реагентов в реакторе после выхода их из смесителя при минимальном диспергировании в самом смесителе.The technical problem solved by the proposed design of the mixer is to organize such a movement of the reactants in the mixer, which would ensure a high degree of dispersion of the reactants in the reactor after they exit the mixer with minimal dispersion in the mixer itself.

Для решения этой задачи предложен смеситель реактора для проведения химических процессов, включающий корпус и патрубки ввода и вывода реагентов, отличающийся тем, что корпус содержит, по крайней мере, две последовательно соединенные соосные вихревые камеры, каждая из которых имеет тангенциальный входной и осевой выходной патрубки, причем тангенциальные входные патрубки камер 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 входное отверстие расположено по ходу движения реагентов после входного отверстия тангенциального входного патрубка.To solve this problem, a reactor mixer has been proposed for carrying out chemical processes, including a housing and reagent inlet and outlet pipes, characterized in that the housing contains at least two series-connected coaxial vortex chambers, each of which has a tangential inlet and axial outlet pipe, moreover, the tangential inlet nozzles of the chambers are arranged so that the direction of rotation of the tangential flows in all the chambers is the same, and the axial outlet nozzle of each preceding An amer is introduced into the cylindrical body of the subsequent chamber in such a way that its inlet is located along the direction of the reagents after the inlet of the tangential inlet.

Техническим результатом изобретения является обеспечение 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 интенсивное взаимное диспергирование и равномерное распределение реагентов при выходе этого потока в объем реактора. Благодаря этому обеспечивается повышение эффективности диспергирования реагентов в реакторе при одновременном устранении выделения тепла в смесителе. В случае использования предложенного смесителя в процессе получения карбамида это обстоятельство приводит к уменьшению эрозионно-коррозионного износа смесителя.The technical result of the invention is the provision of the movement of the reagents in the mixer in the form of a multilayer flow with concentric rotating layers of relatively small thickness. This nature of the flow movement provides a low degree of mutual dispersion of the layers during their movement in the mixer and, at the same time, intense mutual dispersion and uniform distribution of reagents when this stream enters the reactor volume. This ensures an increase in the dispersion efficiency of the reactants in the reactor while eliminating the heat generation in the mixer. In the case of using the proposed mixer in the process of producing urea, this circumstance leads to a decrease in erosion and corrosion wear of the mixer.

На торце выходного патрубка последней камеры может быть установлен лопастной развихритель для более интенсивного диспергирования реагентов и перемешивания реакционной смеси после ее выхода из смесителя в реактор. Предпочтительным является, чтобы смеситель содержал вихревые камеры с последовательно увеличивающимся по ходу движения реагентов диаметром. Число вихревых камер в смесителе определяется количеством потоков, которые должны быть введены в реактор. При использовании смесителя для реактора получения карбамида он включает три вихревые камеры.At the end of the outlet pipe of the last chamber, a blade rotary extruder can be installed to disperse the reagents more intensively and mix the reaction mixture after it leaves the mixer and into the reactor. It is preferable that the mixer contains vortex chambers with successively increasing diameter along the movement of the reactants. The number of vortex chambers in the mixer is determined by the number of flows that must be introduced into the reactor. When using a mixer for a carbamide reactor, it includes three vortex chambers.

Смеситель может быть установлен на реакторе в любом положении, например вертикально вверх или вниз по ходу движения реагентов либо горизонтально.The mixer can be installed on the reactor in any position, for example, vertically up or down along the movement of the reagents or horizontally.

Сущность изобретения иллюстрируется прилагаемыми фиг.1-3, на которых схематично изображено конкретное воплощение предлагаемой конструкции смесителя. Данный смеситель предназначен для реактора получения карбамида и установлен вертикально в нижней части реактора, так что движение реагентов осуществляется снизу вверх.The invention is illustrated by the accompanying figures 1-3, which schematically depict a specific embodiment of the proposed design of the mixer. This mixer is designed for a urea production reactor and is installed vertically in the lower part of the reactor, so that the movement of the reactants is carried out from the bottom up.

На фиг.1 изображен в разрезе общий вид смесителя; на фиг.2 - вид снизу; на фиг.3 - поперечное сечение развихрителя.Figure 1 shows a sectional view of a General view of the mixer; figure 2 is a bottom view; figure 3 is a cross section of a reamer.

Смеситель включает корпус, который состоит из трех последовательно соединенных соосных вихревых камер 1, 2, 3 с последовательно увеличивающимся по ходу движения реагентов диаметром. Камеры 1, 2, 3 имеют тангенциальные входные патрубки 4, 5, 6 для ввода реагентов и осевые выходные патрубки 7, 8, 9. Тангенциальные входные патрубки камер расположены таким образом, чтобы направление вращения тангенциальных потоков во всех камерах было одинаковым (см. фиг.2). Осевой выходной патрубок каждой предшествующей камеры введен в цилиндрический корпус последующей камеры таким образом, что его входное отверстие расположено по ходу движения реагентов после входного отверстия тангенциального входного патрубка. На выходном патрубке 9 установлен лопастной развихритель 10. Смеситель присоединен к нижней части реактора 11.The mixer includes a housing, which consists of three series-connected coaxial vortex chambers 1, 2, 3 with a diameter increasing in series along the movement of the reactants. Chambers 1, 2, 3 have tangential inlet nozzles 4, 5, 6 for introducing reagents and axial outlet nozzles 7, 8, 9. The tangential inlet nozzles of the chambers are arranged so that the direction of rotation of the tangential flows in all chambers is the same (see Fig. .2). The axial outlet pipe of each previous chamber is introduced into the cylindrical body of the subsequent chamber in such a way that its inlet is located along the direction of the reagents after the inlet of the tangential inlet. At the outlet pipe 9, a blade rotor 10 is installed. The mixer is attached to the bottom of the reactor 11.

Смеситель работает следующим образом. Газообразный диоксид углерода вводят в камеру 1 через тангенциальный входной патрубок 4. Приобретая за счет тангенциального ввода закрученное движение, поток поступает через выходной патрубок 7 в осевую зону камеры 2. Через тангенциальный входной патрубок 5 в камеру 2 подают жидкий аммиак. Приобретая закрученное движение, аммиак вместе с диоксидом углерода поступает через выходной патрубок 8 в осевую зону камеры 3. Раствор УАС вводят в камеру 3 через тангенциальный входной патрубок 6.The mixer operates as follows. Gaseous carbon dioxide is introduced into the chamber 1 through the tangential inlet pipe 4. Having acquired a swirling movement due to the tangential input, the flow enters through the outlet pipe 7 into the axial zone of the chamber 2. Liquid ammonia is fed through the tangential inlet pipe 5 into the chamber 2. Acquiring a swirling movement, ammonia together with carbon dioxide enters through the outlet pipe 8 into the axial zone of the chamber 3. The solution of the UAS is introduced into the chamber 3 through the tangential inlet pipe 6.

Таким образом, ввод реагентов в смеситель производится последовательно от наименее плотного (диоксид углерода) к наиболее плотному (раствор УАС). В результате в выходном патрубке 7 формируется восходящий закрученный поток, в котором за счет центробежных сил реагенты распределяются по плотности: через осевую зону движется диоксид углерода, через периферийную пристенную зону - раствор УАС, а через промежуточную кольцевую зону - жидкий аммиак. Это минимизирует диспергирование фаз в смесителе.Thus, the reagents are introduced into the mixer sequentially from the least dense (carbon dioxide) to the most dense (UAS solution). As a result, an upward swirling flow is formed in the outlet pipe 7, in which, due to centrifugal forces, the reagents are distributed by density: carbon dioxide moves through the axial zone, UAS solution through the peripheral wall zone, and liquid ammonia through the intermediate ring zone. This minimizes phase dispersion in the mixer.

При выходе закрученного потока в объем реактора происходит интенсивное диспергирование фаз и перемешивание реакционной смеси. Прохождение закрученного потока через прорези лопастного развихрителя 10 и удар о его лопасти, отогнутые навстречу вращению, усиливает эффект диспергирования и перемешивания. В результате в нижней части реактора 11 формируется однородный восходящий газожидкостный поток с мелкодисперсной пузырьковой структурой. Создание такой структуры потока не обеспечивается при струйном осевом вводе реагентов.When the swirling stream enters the reactor volume, intense phase dispersion and mixing of the reaction mixture occur. The passage of the swirling flow through the slots of the blade rotator 10 and the impact on its blades, bent towards rotation, enhances the effect of dispersion and mixing. As a result, a uniform upward gas-liquid flow with a finely dispersed bubble structure is formed in the lower part of the reactor 11. The creation of such a flow structure is not ensured with jet axial injection of reagents.

Таким образом, благодаря предложенной конструкции смесителя значительно повышается эффективность диспергирования реагентов при входе реакционной смеси в реактор; при этом впервые решена задача предотвращения интенсивного диспергирования реагентов внутри смесителя, что устраняет выделение тепла при смешении реагентов, а в случае получения карбамида, и уменьшает эрозионно-коррозионный износ смесителя.Thus, due to the proposed design of the mixer, the dispersion efficiency of the reagents is significantly increased when the reaction mixture enters the reactor; at the same time, the problem of preventing intense dispersion of the reagents inside the mixer was solved for the first time, which eliminates heat generation during the mixing of the reagents, and in the case of urea, and reduces erosion and corrosion of the mixer.

Claims

1. A reactor mixer for carrying out chemical processes, including a housing and nozzles for input and output of reagents, characterized in that the housing contains at least two series-connected coaxial vortex chambers, each of which has a tangential inlet and axial outlet nozzles, and the tangential inlet chamber nozzles are arranged so that the direction of rotation of the tangential flows in all chambers is the same, and the axial outlet nozzle of each previous chamber is introduced into a cylindrical casing of the subsequent chamber in such a way that its inlet is located in the direction of movement of the reagents after the inlet of the tangential inlet pipe.

2. The mixer according to claim 1, characterized in that at the end of the outlet pipe of the last chamber a blade rotary sweeper is installed.

3. The mixer according to claim 1 or 2, characterized in that it contains vortex chambers with successively increasing diameter along the movement of the reactants.

4. The mixer according to any one of claims 1 to 3, characterized in that it is a mixer of the urea production reactor and contains three vortex chambers.