RU2411989C1 - Reactor for synthesis of hydroxylamine sulphate - Google Patents
Reactor for synthesis of hydroxylamine sulphate Download PDFInfo
- Publication number
- RU2411989C1 RU2411989C1 RU2009127466/04A RU2009127466A RU2411989C1 RU 2411989 C1 RU2411989 C1 RU 2411989C1 RU 2009127466/04 A RU2009127466/04 A RU 2009127466/04A RU 2009127466 A RU2009127466 A RU 2009127466A RU 2411989 C1 RU2411989 C1 RU 2411989C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- reactor
- reactor according
- wire
- rod
- catalyst
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
- Devices And Processes Conducted In The Presence Of Fluids And Solid Particles (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к аппаратам для проведения физико-химических процессов при наличии газа, жидкости и катализатора, а более конкретно - к реакторам для синтеза гидроксиламинсульфата - одного из исходных компонентов производства пластмасс полиамидной группы.The invention relates to apparatus for carrying out physicochemical processes in the presence of gas, liquid and a catalyst, and more particularly to reactors for the synthesis of hydroxylamine sulfate, one of the starting components for the production of plastics of the polyamide group.
Известны аналоги - см. работу Бадриана А.С.; Кокоулина Ф.Г.; Овчинникова В.И.; Ручинского В.Р.; Фурмана М.С.; Чечика Е.И. Производство капролактама. М.: Химия, 1977, стр.142, рис.50 - реакторы для получения - синтеза гидроксиламинсульфата (сокращенно синтеза ГАС) при каталитическом восстановлении оксида азота водородом. Такой технологический метод получения ГАС в технической литературе принято называть методом фирмы BASF (Германия) - фирмы, первой реализовавшей метод в промышленной установке. Конструкции реакторов-аналогов включают корпус реактора со штуцерами: ввода жидкой и газовой фаз, вывода жидкой смеси и хвостовых газов; размещенные в корпусе катализатор и перемешивающее устройство, а также подсоединенные к корпусу трубопроводы для транспортирования жидких и газообразных компонентов. Катализатор - мелкодисперсные частицы графита с химически нанесенной на их поверхность платиной («платина на графите»). Перемешивающее устройство - центрально установленный в корпусе реактора вал вращения, на нижнем конце которого закреплена лопастная мешалка. Привод вращения вала размещен вне корпуса, закреплен снаружи на верхней крышке (днище) реактора.Analogs are known - see the work of Badrian A.S .; Kokoulina F.G .; Ovchinnikova V.I .; Ruchinsky V.R .; Furman M.S .; Chechika E.I. Caprolactam production. M.: Chemistry, 1977, p. 142, Fig. 50 — reactors for producing — synthesis of hydroxylamine sulfate (abbreviated as GAS synthesis) during catalytic reduction of nitric oxide with hydrogen. Such a technological method for producing GAS in the technical literature is usually called the method of BASF (Germany), the company that first implemented the method in an industrial installation. Designs of analogue reactors include a reactor vessel with fittings: input of the liquid and gas phases, output of the liquid mixture and tail gases; the catalyst and mixing device located in the housing, as well as pipelines connected to the housing for transporting liquid and gaseous components. The catalyst is fine particles of graphite with platinum chemically deposited on their surface (“platinum on graphite”). A mixing device is a rotation shaft centrally mounted in the reactor vessel, on the lower end of which a paddle mixer is fixed. The shaft rotation drive is located outside the housing, mounted externally on the upper cover (bottom) of the reactor.
Суть работы конструкций-аналогов состоит в следующем. Через штуцер ввода жидкой фазы корпус реактора заполняют 20% раствором серной кислоты (H2SO4), в которую засыпают катализатор - твердые частицы (платина на графите) из расчета 50 грамм на литр. Затем включают привод перемешивающего устройства и в нижнюю часть аппарата через штуцер ввода газовой фазы подают смесь газов: водорода (H2) и оксида азота (NO). Работающее перемешивающее устройство «поднимает» и распределяет катализатор по объему жидкости. Одновременно оно диспергирует (измельчает и рассеивает) поток газов, подаваемых снизу в аппарат, распределяя его на весь реакционный объем, создавая условия, максимально благоприятствующие полноте протекания реакции. На поверхности твердых частиц катализатора между пузырьками газа и жидкостью возникает основная реакция - реакция синтеза гидроксиламинсульфата (побочные реакции не приведены):The essence of the work of analog structures is as follows. Through the inlet of the liquid phase inlet, the reactor vessel is filled with a 20% solution of sulfuric acid (H 2 SO 4 ), into which the catalyst is filled in - solid particles (platinum on graphite) at a rate of 50 grams per liter. Then, the drive of the mixing device is turned on and a mixture of gases: hydrogen (H 2 ) and nitric oxide (NO) is supplied to the lower part of the apparatus through the gas phase inlet. A working mixing device “raises” and distributes the catalyst over the volume of liquid. At the same time, it disperses (grinds and disperses) the flow of gases supplied from below into the apparatus, distributing it over the entire reaction volume, creating conditions that maximize the completeness of the reaction. On the surface of solid catalyst particles between gas bubbles and a liquid, the main reaction occurs - the reaction of the synthesis of hydroxylamine sulfate (side reactions not shown):
2NO+3Н2+H2SO4=(NH3OH)2SO4 2NO + 3H 2 + H 2 SO 4 = (NH 3 OH) 2 SO 4
Непрореагировавшая часть газовой смеси и газообразные продукты побочных реакций через штуцер вывода газовой фазы (из верхней части корпуса реактора) выводятся на факел. Как правило, при получении ГАС по методу BASF - каталитическим восстановлением оксида азота - используют не один, а несколько последовательно установленных реакторов (в виде каскада). Передача жидкой фазы в каскаде из одного реактора в другой осуществляется самотечным перетоком. Газовая смесь оксида азота с водородом подается в каждый реактор отдельным трубопроводом, соединенным с общим коллектором.The unreacted part of the gas mixture and the gaseous products of side reactions through the nozzle output gas phase (from the upper part of the reactor vessel) are flashed. As a rule, when HAS is produced by the BASF method — catalytic reduction of nitric oxide — not one, but several series-installed reactors (in the form of a cascade) are used. The transfer of the liquid phase in a cascade from one reactor to another is carried out by gravity flow. A gas mixture of nitric oxide with hydrogen is supplied to each reactor by a separate pipeline connected to a common collector.
Недостатком конструкций-аналогов является использование перемешивающих устройств с приводами большой мощности и соответственно повышенным расходом энергии на перемешивание (включая диспергирование газа; подвешивание и равномерное распределение - суспензирование катализатора; вращение жидкости с катализатором и др.). Причиной больших потребляемых мощностей является необходимость постоянной предельной турбулизации всего находящегося в реакторе объема жидкой фазы. Расход подаваемой внутрь корпуса реактора газовой смеси (в расчете на обеспечение реакции во всем объеме находящейся во внутреннем пространстве корпуса жидкой фазы) велик, и для исключения проскока недиспергированного газа по стенке корпуса реактора (диаметром 3,6 м) или в центральной зоне (вдоль вала, где окружные скорости жидкости понижены), требуется применение перемешивающих устройств с большими диаметрами мешалок (в долях от диаметра реактора) и высокими скоростями вращения. К другим недостаткам конструкций следует отнести пониженную безопасность процесса, связанную с использованием быстровращающихся устройств внутри реакторов с одной из самых коррозионно-активных сред - разбавленной серной кислотой, смешанной с диспергированными водородом и монооксидом азота, что создает (условно) удвоенную вероятность поломки и аварийной разгерметизации аппарата. А взрывоопасность водорода и высокая токсичность оксида азота увеличивают вероятность серьезных осложнений при возникновении таких разгерметизаций.The disadvantage of analog designs is the use of mixing devices with high power drives and, accordingly, increased energy consumption for mixing (including gas dispersion; suspension and uniform distribution — suspension of the catalyst; rotation of the liquid with the catalyst, etc.). The reason for the large power consumption is the need for constant limiting turbulization of the entire volume of the liquid phase in the reactor. The flow rate of the gas mixture supplied into the reactor vessel (in order to ensure the reaction in the entire volume of the liquid phase located in the internal space of the vessel) is high, and to exclude the passage of undispersed gas along the wall of the reactor vessel (3.6 m in diameter) or in the central zone (along the shaft where the peripheral fluid velocities are reduced), the use of mixing devices with large diameters of the mixers (in fractions of the diameter of the reactor) and high speeds of rotation is required. Other design flaws include reduced process safety associated with the use of rapidly rotating devices inside reactors with one of the most corrosive media — diluted sulfuric acid mixed with dispersed hydrogen and nitrogen monoxide, which creates a (conditionally) doubled probability of failure and emergency depressurization of the apparatus . And the explosiveness of hydrogen and the high toxicity of nitric oxide increase the likelihood of serious complications in the event of such depressurization.
За прототип принята конструкция реактора синтеза ГАС по наиболее подробному известному описанию - по статье Шишкина А.В., Медведева В.Д., Баранкина В.Ф. и Мамедова А.А. «Реактор для основного органического синтеза», журнал «Химическое и нефтяное машиностроение», 1985, №3, стр.9. Конструкция прототипа, реактора синтеза ГАС, включает корпус объемом 50 м3 со штуцерами ввода жидкой и газовой фаз; вывода жидкой смеси и «хвостовых» газов; подсоединенные к корпусу трубопроводы для их транспортирования; катализатор в виде мелкодисперсных частиц графита с химически нанесенной на них платиной (из расчета 50 г катализатора на 1 л смеси) и перемешивающее устройство, состоящее из консольного вала с лопастной мешалкой, заглубленной в корпусе. Причем штуцер подачи газовой фазы (смеси H2 с NO) через нижнее днище реактора снабжен (внутри корпуса) кольцеобразным барботером, размещенным прямо под лопастной мешалкой. Мощность привода мешалки 110 кВт. Частота вращения 160 мин-1. (В оригинальной схеме BASF мощность привода составляет 200 кВт, мешалка - клетьевая, обеспечивающая ввод в жидкость наибольшей мощности перемешивания. Диаметр 3,6 м и объем реактора те же. Германская технология BASF была закуплена СССР для предприятия «Азот», Беларусь). В цехе гидроксиламинсульфата ОАО «КуйбышевАзот» с воспроизведенной ГИАПом схемой BASF реакторы установлены последовательно в каскад, включающий шесть аппаратов. Под последовательным расположением аппаратов подразумевается не только геометрически чередующееся расположение аппаратов в пространстве (хотя и это тоже), а главным образом последовательное самотечно-переточное направление движения смеси по мере переработки: из первого реактора во второй, из второго в третий и т.д. Готовая смесь выводится из последнего 6-го реактора. Таким образом, для каждого реактора каскада, кроме первого, штуцером ввода сырьевой смеси является штуцер, соединенный с трубой вывода (перетока) от предыдущего реактора. К штуцеру вывода «хвостовых» газов на корпусе каждого реактора присоединен сепаратор жалюзийно-циклонного типа (для отбивки и возврата в процесс частиц катализатора с драгоценным металлом из отходящих «хвостовых» газов). Внутри каждого реактора установлен внутренний змеевик для съема тепла реакции и вертикальные поперечные ребра, исключающие воронкообразование при вращении жидкости и одновременно использующиеся для крепления внутреннего змеевика. Дополнительно снаружи аппараты снабжены наружными полутрубными змеевиками и нижним рубашечным днищем.The design of the HAS synthesis reactor was adopted as the prototype according to the most detailed known description - according to the article by Shishkin A.V., Medvedev V.D., Barankina V.F. and Mamedova A.A. “Reactor for basic organic synthesis,” Journal of Chemical and Petroleum Engineering, 1985, No. 3, p. 9. The design of the prototype, the synthesis reactor HAS, includes a housing with a volume of 50 m 3 with fittings for the input of liquid and gas phases; liquid mixture withdrawal and tail gases; pipelines connected to the body for transportation; a catalyst in the form of fine particles of graphite with platinum chemically deposited on them (based on 50 g of catalyst per 1 liter of mixture) and a mixing device consisting of a cantilever shaft with a paddle mixer buried in the housing. Moreover, the nozzle for supplying the gas phase (mixture of H 2 with NO) through the lower bottom of the reactor is equipped (inside the housing) with an annular bubbler placed directly under the paddle mixer. The drive power of the mixer is 110 kW. The rotation frequency of 160 min -1 . (In the original BASF scheme, the drive power is 200 kW, the mixer is a stand mixer, which provides the greatest mixing power into the liquid. The diameter is 3.6 m and the reactor volume is the same. German BASF technology was purchased by the USSR for the Azot enterprise, Belarus). In the KuybyshevAzot hydroxylamine sulfate workshop with the BASF scheme reproduced by the HIAP, the reactors are installed in series in a cascade that includes six devices. The sequential arrangement of the apparatus means not only the geometrically alternating arrangement of the apparatus in space (although this too), but mainly the sequential gravity-flow direction of the mixture as it is processed: from the first reactor to the second, from the second to the third, etc. The finished mixture is discharged from the last 6th reactor. Thus, for each reactor of the cascade, except for the first, the input fitting of the raw material mixture is a fitting connected to the outlet pipe (overflow) from the previous reactor. A louver-cyclone type separator is attached to the tail gas outlet fitting on the body of each reactor (for beating and returning to the process particles of a catalyst with a precious metal from the tail gas). Inside each reactor, an internal coil is installed to remove the heat of reaction and vertical transverse ribs that exclude funnel formation during fluid rotation and are simultaneously used to fasten the internal coil. Additionally, the devices are equipped with external semi-tube coils and a lower shirt bottom.
Работа конструкции реактора-прототипа, по сущности химического процесса в гидромеханике, включающей вращение и перемешивание слоев жидкой фазы, диспергирование газа, подвешивание катализатора и др., не отличается от описанных выше процессов, действующих в конструкциях реакторов, принятых за аналоги (а потому повторно не приводится). Следует отметить, что работа конструкции реактора при отдельном единичном использовании или в составе каскада шести реакторов (как в оригинальной схеме BASF на «Азоте», Беларусь, воспроизведенной ГИАПом на ОАО «КуйбышевАзот», г.Тольятти) в целом также не отличается. Отличие состоит лишь в том, что в единично установленный реактор в качестве сырьевой жидкой фазы поступает раствор чистой разбавленной серной кислоты, так же как и в первый реактор каскада, а выводится готовая смесь, представляющая сложный раствор гидроксиламинсульфата и серной кислоты в воде. В каскаде реакторов раствор, выводимый из первого реактора каскада и далее переводимый по переточно-самотечной трубопроводной перемычке в следующий реактор, представляет собой промежуточную смесь, подлежащую дальнейшей конверсии (в сторону увеличения процентного содержания ГАС в растворе) в последующих реакторах каскада. «Хвостовые» газы, включающие непрореагировавшую часть водорода с оксидом азота, а также газовые продукты побочных реакций из каждого реактора через свой (установленный на корпусе) жалюзийно-инерционный сепаратор (осуществляющий отбивку и возврат в реактор платинового катализатора) поступают в общий газовый коллектор и сбрасываются на факел. В некоторых модификациях конструкций реакторов в верхней части корпусов, в газовом незаполняемом жидкостью пространстве (выше переливно-выводного штуцера), на валу мешалки закрепляют разбрызгиватель, на который сверху подают раствор серной кислоты в небольшом количестве. Иногда функцию разбрызгивателя осуществляет верхний установленный на валу мешалки у границы фаз газ-жидкость жалюзийно-листовой пеногаситель. Операцию разбрызгивания производят для омывания стенок реактора, исключающего накопление на стенках взрывоопасных нитрит-нитратных соединений.The design of the prototype reactor, essentially the chemical process in hydromechanics, including the rotation and mixing of the layers of the liquid phase, gas dispersion, suspension of the catalyst, etc., does not differ from the processes described above that operate in reactor designs adopted as analogues (and therefore do not repeatedly given). It should be noted that the work of the reactor design with separate single use or as part of a cascade of six reactors (as in the original BASF scheme at Azot, Belarus, reproduced by GIAP at KuibyshevAzot OJSC, Togliatti) also does not differ in general. The only difference is that a solution of pure dilute sulfuric acid, as well as the first reactor of the cascade, enters a single-installed reactor as a raw liquid phase, and the finished mixture, which is a complex solution of hydroxylamine sulfate and sulfuric acid in water, is discharged. In the cascade of reactors, the solution discharged from the first reactor of the cascade and then transferred via the overflow-gravity pipeline jumper to the next reactor is an intermediate mixture to be further converted (in the direction of increasing the percentage of HAS in the solution) in subsequent reactors of the cascade. “Tail” gases, including the unreacted part of hydrogen with nitric oxide, as well as gas products of side reactions from each reactor through their own (mounted on the casing) louvre-inertial separator (beating and returning the platinum catalyst to the reactor) enter the common gas collector and are discharged to the torch. In some modifications of the reactor designs in the upper part of the vessels, in a gas liquid-filled space (above the overflow-outlet fitting), a sprinkler is fixed on the mixer shaft, to which a small amount of sulfuric acid solution is supplied from above. Sometimes the function of the sprayer is carried out by the upper louvre-sheet defoamer mounted on the shaft of the mixer at the gas-liquid phase boundary. The spraying operation is performed to wash the walls of the reactor, eliminating the accumulation on the walls of explosive nitrite-nitrate compounds.
Оценивая затраты мощности перемешивания по технологии фирмы BASF, легко показать, что они составляют на реакторе 5 кВт мощности на 1 м3 жидкой фазы (расчет прост: при 80% заполнении 50 м3 реактора - это 40 м3; при мощности привода 200 кВт имеем 200/40=5) в каждом реакторе, итого 5×6 (количество реакторов в каскаде) = 30 кВт на 1 м3 готовой смеси в целом. В воспроизведенном отечественном варианте с мощностью привода 110 кВт эти значения ниже: 3 кВт/м3 в одном реакторе и 18 кВт/м3 в шести реакторах соответственно (хотя и равной германскому оригиналу стабильной выработки на этих мощностях без дополнительных модернизаций не достигнуто). К недостаткам конструкции прототипа, так же как и реакторов-аналогов, следует отнести использование перемешивающих устройств большой мощности и, следовательно, повышенные затраты электроэнергии на перемешивание (до 30 кВт на 1 м3 готовой смеси). По конструктивной гидромеханике аппаратов с внутриреакторными мешалками это обусловлено, главным образом, необходимостью исключения недиспергированного проскока газов, а также исключения воронкообразования за счет введения (и преодоления сопротивления) внутренних устройств в реакторе. (Соответственно, ввод больших мощностей требует использования приводов большой мощности, увеличивает габариты как основного производства, так и размеры вспомогательного оборудования: трансформаторов, питающих подстанций и прочее). В конструкции прототипа использование высокотурбулентного перемешивания жидкой фазы внутриреакторной мешалкой по существу является безальтернативным механизмом транспортного обеспечения реакции (подвода сырьевых компонентов и удаление готового продукта из зоны реакции). Или (по-другому) является единственным механизмом побуждения образования реакционных микрообъемов на поверхности движущихся частиц катализатора (во внутреннем пространстве реактора). Причем затраты мощности приняты не по удовлетворению транспортной потребности технологического процесса, которая низка, а по условию достижения нужного порогового значения, обеспечивающего диспергирование вводимого газа по конструктивной гидромеханике аппарата с внутриреакторной мешалкой. То есть конструкции внутренне присуще нецелевое (бесполезно рассеиваемое) использование мощности.Estimating the costs of mixing power using BASF technology, it is easy to show that they comprise 5 kW of power per 1 m 3 of the liquid phase in the reactor (the calculation is simple: with 80% filling of 50 m 3 of the reactor, this is 40 m 3 ; with a drive power of 200 kW 200/40 = 5) in each reactor, total 5 × 6 (the number of reactors in the cascade) = 30 kW per 1 m 3 of the finished mixture as a whole. In the reproduced domestic version with a drive power of 110 kW, these values are lower: 3 kW / m 3 in one reactor and 18 kW / m 3 in six reactors, respectively (although it was not achieved a stable German output at these capacities without additional upgrades). The disadvantages of the design of the prototype, as well as analog reactors, include the use of high-power mixing devices and, consequently, increased energy costs for mixing (up to 30 kW per 1 m 3 of the finished mixture). According to the constructive hydromechanics of devices with in-reactor mixers, this is mainly due to the need to exclude undispersed gas leakage, as well as to exclude funnel formation due to the introduction (and overcoming of resistance) of internal devices in the reactor. (Accordingly, the commissioning of large capacities requires the use of large-capacity drives, increases the dimensions of both the main production and the size of auxiliary equipment: transformers, power substations, etc.). In the design of the prototype, the use of highly turbulent mixing of the liquid phase with an internal reactor mixer is essentially a non-alternative mechanism for transporting the reaction (supply of raw materials and removal of the finished product from the reaction zone). Or (in another way) is the only mechanism for inducing the formation of reactive microvolumes on the surface of moving catalyst particles (in the interior of the reactor). Moreover, the power consumption was not taken to satisfy the transport needs of the technological process, which is low, but to meet the desired threshold value, which ensures dispersion of the introduced gas according to the structural hydromechanics of the apparatus with an in-line mixer. That is, the design is inherently inappropriate (uselessly dissipated) use of power.
Другим недостатком конструкции-прототипа является пониженная безопасность процесса синтеза ГАС. Как уже указывалось, использование быстровращающихся (до 160 мин-1) внутриреакторных мешалок в аппаратах с разбавленной (19÷21%) серной кислотой и диспергированными водородом и оксидом азота, т.е. максимально коррозионно-активными компонентами, создает высокую опасность внутриреакторного разрушения мешалки (внутренних элементов перемешивающего устройства) с последующей разгерметизацией аппарата. Опасность разгерметизации осложняется сопутствующими факторами, такими как взрывоопасность водорода, попадающего в помещение и образующего смесь с воздухом (взрыв при концентрации в воздухе 4÷75 об.%), и токсичностью оксида азота, ПДК которого в пересчете на NO2 составляет всего 5 мг/м3. В качестве недостатка также следует отметить низкую долговечность - срок службы катализатора, что опять-таки обусловлено ударно-контактными воздействиями на хрупкую графитовую основу катализатора высокоскоростной мешалки.Another disadvantage of the prototype design is the reduced safety of the synthesis process of HAS. As already indicated, the use of rapidly rotating (up to 160 min -1 ) in-reactor mixers in apparatuses with diluted (19 ÷ 21%) sulfuric acid and dispersed with hydrogen and nitric oxide, i.e. maximum corrosion-active components, creates a high risk of internal reactor destruction of the mixer (internal elements of the mixing device) with subsequent depressurization of the apparatus. The danger of depressurization is complicated by related factors, such as the explosiveness of hydrogen entering the room and forming a mixture with air (explosion at a concentration of 4 ÷ 75 vol.% In air), and the toxicity of nitric oxide, the MPC of which in terms of NO 2 is only 5 mg / m 3 . As a disadvantage, it is also worth mentioning the low durability - the service life of the catalyst, which is again due to shock contact effects on the brittle graphite base of the catalyst of a high-speed mixer.
Целью изобретения является уменьшение мощности используемых перемешивающих устройств и, соответственно, снижение затрат электроэнергии, а также повышение безопасности процесса синтеза ГАС в реакторах с каталитическим восстановлением оксида азота водородом и долговечности катализатора путем замены безальтернативно-применяемой «мешалочной» активации (по условию диспергирования) на использование разнотипного минимально-дозированного ввода мощности за счет подключения к реактору разнотипных устройств (активации смеси) с меньшей кинетической энергией механических побудителей, располагаемых непосредственно в корпусе реактора.The aim of the invention is to reduce the power of the used mixing devices and, consequently, to reduce the cost of electricity, as well as to increase the safety of the synthesis process for HAS in reactors with catalytic reduction of nitric oxide with hydrogen and the durability of the catalyst by replacing the non-alternatively applied “stirrer” activation (under the dispersion condition) with different types of minimum-dosed input of power due to connecting different types of devices to the reactor (mixture activation) with a smaller eticheskoy mechanical energy boosters, disposable directly in the reactor vessel.
Указанная цель достигается тем, что в реакторе синтеза гидроксиламинсульфата, включающем корпус со штуцерами ввода жидкой и газовой фаз и вывода жидкой смеси и «хвостовых» газов, трубопроводы для их транспортирования, катализатор и перемешивающее устройство, трубопровод ввода газовой фазы подсоединен к использованному на вводе в нижнюю часть днища корпуса многоступенчатому вихревому смесителю, причем в качестве основного перемешивающего устройства принят насос, включенный на циркуляцию смеси в реакторе так, что к вихревому смесителю подсоединен трубопровод от нагнетания насоса, а всасывающий трубопровод подсоединен к штуцеру, размещенному в верхней части корпуса, под слоем жидкости, причем в реакторе использовано дополнительное устройство активации перемешивания в виде введенного через верхнее днище внутрь корпуса, по меньшей мере, одного стержневого излучателя колебательной энергии. Стержневой излучатель, например, продольных колебаний выполнен с набором лопастей по высоте стержня и реактора, попеременно сужающейся и расширяющейся площади в поперечном сечении реактора. В случае размещения нескольких стержневых излучателей лопасти каждого из них расположены между лопастями других излучателей с перекрытием прямых линий свободного вертикального подъема жидкой смеси с диспергированной газовой фазой по высоте реактора. Для крепления каждой лопасти на стержне один из ее концов выполнен с гладкой или резьбовой частью, пропускаемой в отверстие стержня до упора и закрепляемой с другой стороны стержня чекой или гайкой, масса которых принята по условию уравновешивания массы лопасти, расположенной с другой стороны стержня. Катализатор выполнен в виде, по меньшей мере, одного навитого проволочного пакета цилиндрической или призматической формы, возможно произвольное компактирование размещенного в центральном пространстве реактора и соединенного с одним или несколькими стержнями излучателей. Катализатор нанесен на проволочное основание пакета в виде покрытия. При последовательном соединении реакторов в каскад выход «хвостовых» газов из каждого предыдущего реактора присоединен к одному из входов многоступенчатого вихревого смесителя, смежного последующего или одного замыкающего реакторов. Штуцер ввода газовой смеси в реактор разделен на два отдельных штуцера ввода водорода и оксида азота, подсоединенных к разным входам многоступенчатого вихревого смесителя. Трубопровод подачи исходной жидкой смеси в последующий реактор при каскадной схеме соединен со всасывающим трубопроводом его перемешивающего циркуляционного насоса. Скрепленный с корпусом реактора штуцер всасывающего трубопровода перемешивающего циркуляционного насоса совмещен с трубопроводом от штуцера вывода готовой смеси из реактора. На всасывающем трубопроводе установлен дополнительный антикавитационный дегазатор. Антикавитационный дегазатор выполнен в виде внутриреакторной пристеночной полости, снабженной сплошным нижним днищем. Колебания введенного, по меньшей мере, одного стержневого излучателя находятся в диапазоне частот от 0,1 Гц до 100 ГГц и амплитуд 0,001÷10 мм. Стержневой излучатель колебательной энергии проведен через корпус реактора посредством приварного осевого линзового компенсатора, развернутого внутрь корпуса. Допустимое осевое перемещение компенсатора не превышает верхнюю границу назначенной амплитуды колебаний. Привод перемешивающего циркуляционного насоса снабжен частотно-регулирующим преобразователем или другим устройством изменения скорости вращения. По меньшей мере, один введенный стержневой излучатель снабжен устройством регулирования амплитуды и частоты колебаний. Нижнее днище реактора, снабженного многоступенчатым вихревым смесителем, выполнено коническим. В катализаторное покрытие внесено углеродное волокно. В качестве перемешивающего циркуляционного насоса использован насос с разделительной мембраной. Линзовый компенсатор в узле прохода стержневого излучателя снабжен дополнительным, например сальниковым, узлом герметизации внутрикомпенсаторной полости, которая оснащена вентилем контроля протечки. К внутрикомпенсаторной полости подведен трубопровод низконапорного пожарного азота. Проволочный пакет снабжен элементами для вторичного диспергирования потока, например лопастными. Проволочный пакет выполнен, по меньшей мере, из двух расположенных последовательно по высоте реактора частей, причем элементы вторичного диспергирования потока установлены в промежутке между частями пакета. При правильной навивке частей проволочных пакетов и размещении их последовательным набором смежные части пакетов в наборе выполнены с противоположным направлением навивки. Последовательно размещенные по высоте реактора части проволочных пакетов разделены зазором и соединены с раздельными стержневыми излучателями, подключенными на различных значениях амплитуды и частоты колебаний. Последовательно размещенные части пакетов катализатора выполнены с чередованием частей пакетов с проволокой и углеродным волокном. В проволочном пакете установлен жесткий каркас. Проволочный пакет набран из проволок различного диаметра. Жесткий каркас проволочного пакета, соединенный со стержневыми излучателями, включает перфорированные днища или кольца с продольными стержнями. Жесткий каркас проволочного пакета составлен только из стержневых элементов. Последовательно размещенные по высоте реактора части проволочных пакетов соединены между собой упруго-пружинящими узлами. Последовательно размещенные части проволочных пакетов набраны с возможностью колебательного перемещения на введенном центрально установленном по оси реактора продольном стержне. Центрально установленный продольный стержень для набора частей проволочных пакетов выполнен как совмещенный стержневой излучатель. Перед проволочным пакетом по ходу циркуляционного потока установлено введенное кольцо перекрытия байпасного промежутка. Между кольцом перекрытия байпасного промежутка и нижним каркасным кольцом проволочного пакета установлено упругое уплотнение. Смежные поверхности нижнего каркасного кольца проволочного пакета и кольца перекрытия байпасного промежутка выполнены с ответно-совпадающими выступами-впадинами, образующими лабиринтное уплотнение с сохраняемым при колебаниях зазором. Проволочная навивка в пакете набрана из условия достижения поверхности катализатора в 25 м2 на литр занимаемого объема.This goal is achieved by the fact that in the reactor for the synthesis of hydroxylamine sulfate, which includes a housing with fittings for introducing liquid and gas phases and the outlet of the liquid mixture and tail gases, pipelines for transporting them, a catalyst and a mixing device, the gas phase inlet pipe is connected to that used at the input to the lower part of the bottom of the casing with a multi-stage vortex mixer, moreover, a pump is included as the main mixing device, which is switched on to circulate the mixture in the reactor so that it is connected to the vortex mixer the pipeline is connected from the pump discharge, and the suction pipe is connected to the fitting located in the upper part of the body, under a layer of liquid, and in the reactor an additional device for activating mixing is introduced in the form of at least one rod emitter of vibrational energy introduced through the upper bottom into the body. A rod emitter, for example, of longitudinal vibrations, is made with a set of blades along the height of the rod and the reactor, which alternately tapers and expands in the cross section of the reactor. In the case of placing several rod emitters, the blades of each of them are located between the blades of other emitters with overlapping straight lines of free vertical rise of the liquid mixture with the dispersed gas phase along the height of the reactor. To fasten each blade on the rod, one of its ends is made with a smooth or threaded part, passed into the hole of the rod until it stops and fixed on the other side of the rod with a check or nut, the mass of which is accepted by balancing the mass of the blade located on the other side of the rod. The catalyst is made in the form of at least one wound wire package of cylindrical or prismatic shape, optionally compacting the reactor located in the central space and connected to one or more emitter rods is possible. The catalyst is coated on the wire base of the bag. When the reactors are connected in series to the cascade, the tail gas exit from each previous reactor is connected to one of the inputs of a multi-stage vortex mixer, adjacent subsequent or one closing reactor. The nozzle for introducing the gas mixture into the reactor is divided into two separate nozzles for introducing hydrogen and nitric oxide connected to different inputs of the multi-stage vortex mixer. The pipeline supplying the initial liquid mixture to the subsequent reactor in a cascade scheme is connected to the suction pipe of its mixing circulating pump. The suction pipe of the mixing circulating pump, attached to the reactor vessel, is aligned with the pipe from the outlet fitting of the finished mixture from the reactor. An additional anti-cavitation degasser is installed on the suction pipe. The anti-cavitation degasser is made in the form of an intra-reactor parietal cavity equipped with a continuous lower bottom. The oscillations of the introduced at least one rod emitter are in the frequency range from 0.1 Hz to 100 GHz and amplitudes of 0.001 ÷ 10 mm A rod emitter of vibrational energy is conducted through the reactor vessel by means of a welded axial lens compensator deployed inside the vessel. The permissible axial movement of the compensator does not exceed the upper limit of the assigned oscillation amplitude. The drive of the mixing circulating pump is equipped with a frequency-regulating converter or other device for changing the speed of rotation. At least one introduced rod emitter is equipped with a device for controlling the amplitude and frequency of oscillations. The lower bottom of the reactor, equipped with a multi-stage vortex mixer, is made conical. Carbon fiber is introduced into the catalyst coating. As a mixing circulating pump, a dividing diaphragm pump was used. The lens compensator in the passage unit of the rod radiator is equipped with an additional, for example, stuffing box, unit for sealing the internal compensation cavity, which is equipped with a leakage control valve. A pipeline of low-pressure fire nitrogen is connected to the internal compensation cavity. The wire package is equipped with elements for the secondary dispersion of the flow, for example vane. The wire bag is made of at least two parts arranged in series along the height of the reactor, the elements of the secondary dispersion of the stream installed in the gap between the parts of the package. With the correct winding of the parts of the wire packages and placing them in a sequential set, the adjacent parts of the packages in the set are made with the opposite direction of winding. Sequentially placed along the height of the reactor parts of the wire packets are separated by a gap and connected to separate rod emitters connected at different values of the amplitude and frequency of the oscillations. The sequentially placed parts of the catalyst packets are made with alternating parts of the packets with wire and carbon fiber. A wire frame has a rigid frame. The wire bag is made of wires of various diameters. A rigid wire package frame connected to rod emitters includes perforated bottoms or rings with longitudinal rods. The rigid frame of the wire package is made up of only core elements. Sequentially placed along the height of the reactor, the parts of the wire packets are interconnected by elastic spring nodes. Sequentially placed parts of the wire stacks are dialed with the possibility of oscillatory movement on a longitudinal rod introduced centrally mounted along the axis of the reactor. A centrally mounted longitudinal rod for a set of parts of wire packages is made as a combined rod emitter. In front of the wire bag along the circulation flow, an inserted bypass gap overlap ring is installed. An elastic seal is installed between the bypass gap overlap ring and the lower wire frame ring of the wire package. Adjacent surfaces of the lower frame ring of the wire bag and the overlap ring of the bypass gap are made with matching matching protrusions-depressions, forming a labyrinth seal with a gap maintained during oscillations. The wire winding in the bag is selected from the condition of reaching a catalyst surface of 25 m 2 per liter of occupied volume.
Заявленное техническое решение поясняется Фиг.1-9.The claimed technical solution is illustrated in Fig.1-9.
На Фиг.1 представлен предлагаемый реактор с контуром циркуляционного насосного перемешивания и вводом компонентов в виде многоступенчатого вихревого смесителя. Корпус снабжен двумя продольными стержневыми излучателями колебательной энергии с лопастями и встроенным сепаратором для отбивки частиц катализатора. Катализатор - частицы графита с нанесенной платиной.Figure 1 presents the proposed reactor with a circulation pump mixing circuit and the input components in the form of a multi-stage vortex mixer. The housing is equipped with two longitudinal rod emitters of vibrational energy with blades and an integrated separator for beating off catalyst particles. The catalyst is graphite particles coated with platinum.
На Фиг.2 - то же, но продольные стержни соединены с катализаторным пакетом. В один из вводов многоступенчатого вихревого смесителя поданы «хвостовые» газы из предыдущего реактора каскада. Циркуляционный контур снабжен внешним дегазатором. Всасывающий трубопровод циркуляционного контура дополнительно соединен с трубопроводом подачи жидкой смеси из предыдущего реактора.Figure 2 is the same, but the longitudinal rods are connected to the catalyst package. In one of the inlets of the multi-stage vortex mixer, tail gases from the previous cascade reactor are fed. The circulation circuit is equipped with an external degasser. The suction pipe of the circulation loop is additionally connected to the pipe for supplying the liquid mixture from the previous reactor.
На Фиг.3 изображен фрагмент стержневого излучателя (с продольными колебаниями), скрепленного с лопастью.Figure 3 shows a fragment of a rod emitter (with longitudinal vibrations), fastened with a blade.
На Фиг.4 приведен фрагмент корпуса (вид сбоку, вид сверху) корпуса реактора со штуцером всасывающего трубопровода перемешивающего циркуляционного насоса и встроенным дегазатором в виде внутренней полости со сплошным нижним днищем.Figure 4 shows a fragment of the body (side view, top view) of the reactor vessel with a nozzle of the suction pipe of the mixing circulating pump and a built-in degasser in the form of an internal cavity with a solid bottom.
На Фиг.5 представлен фрагмент верхней части реактора с узлом прохода продольного стержня в виде линзового компенсатора, развернутого во внутреннее пространство реактора.Figure 5 presents a fragment of the upper part of the reactor with the node of passage of the longitudinal rod in the form of a lens compensator deployed in the inner space of the reactor.
На Фиг.6 изображен реактор с катализатором в виде проволочного пакета, выполненного из двух частей, соединенных пружинящими узлами. В нижней части реактора установлено кольцо перекрытия байпасного промежутка. Между кольцом перекрытия и нижним кольцом проволочного пакета размещено упругое уплотнение.Figure 6 shows a reactor with a catalyst in the form of a wire package made of two parts connected by spring nodes. At the bottom of the reactor, a bypass gap overlap ring is installed. Between the overlap ring and the lower ring of the wire package, an elastic seal is placed.
На Фиг.7 показан фрагмент верхней части реактора с узлом прохода стержневого излучателя и катализатором в виде проволочного пакета из нескольких частей с размещенными в промежутке лопастными элементами вторичного диспергирования потока.Figure 7 shows a fragment of the upper part of the reactor with the passage unit of the rod emitter and the catalyst in the form of a wire package of several parts placed between the blade elements of the secondary dispersion of the stream.
На Фиг.8 приведена конструкция реактора с центральным стержнем набора-крепления частей проволочных пакетов, совмещенным со стержневым излучателем. Катализатор выполнен в виде чередующихся частей пакетов с проволокой и углеродным волокном с химическим покрытым.On Fig shows the design of the reactor with a Central rod set-fastening parts of wire packages, combined with a rod emitter. The catalyst is made in the form of alternating parts of packages with wire and carbon fiber with a chemical coating.
На Фиг.9 представлен фрагмент нижней части реактора с кольцами: перекрытия байпасного потока и каркаса проволочного пакета, выполненными со смежными поверхностями в виде ответно-совпадающих выступов и впадин, образующих лабиринтное уплотнение. S - зазор, сохраняемый при заданной амплитуде колебаний.Figure 9 shows a fragment of the lower part of the reactor with rings: bypass flow overlap and wire package frame made with adjacent surfaces in the form of mating protrusions and depressions forming a labyrinth seal. S is the gap maintained at a given amplitude of oscillation.
Запорная и предохранительная арматура на схемах условно не показаны.Shut-off and safety valves are conventionally not shown in the diagrams.
Предложенная конструкция реактора синтеза гидроксиламинсульфата состоит из цилиндрического корпуса 1 с эллиптическим 2 (Фиг.2) или коническим 3 (Фиг.1) нижним днищем. Снаружи корпус 1 обвит полутрубным змеевиком 4, внутри корпуса 1 размещен трубный змеевик 5. К штуцеру 6 нижнего днища присоединен многоступенчатый вихревой смеситель 7 со штуцерами 8 и 9 присоединения трубопроводов водорода 10 и оксида азота 11 соответственно (Фиг.1) или одного штуцера 12 для ввода готовой исходной смеси газов водорода и оксида азота по трубопроводу 13. К штуцеру 14 многоступенчатого вихревого смесителя 7 присоединен трубопровод нагнетания 15 перемешивающего циркуляционного насоса 16. Также по варианту Фиг.2 к отдельному вводу - штуцеру 17 многоступенчатого вихревого смесителя 7 присоединен трубопровод 18 «хвостовых» газов из предыдущего реактора (в схеме с установкой реакторов в каскад). Всасывающий трубопровод 19 насоса 16 по варианту Фиг.1 совмещен с трубопроводом 20 от штуцера вывода готовой смеси 21. (По варианту Фиг.2 штуцер вывода готовой смеси 21 и трубопровод 20 не соединены со всасывающим трубопроводом 19 насоса 16 циркуляционного контура последующего реактора). Особенность конструктивного варианта по Фиг.2 в том, что всасывающий трубопровод 19 насоса 16 подсоединен к отдельному штуцеру 22 корпуса 1. Соединение произведено через антикавитационный дегазатор 23. Также на всас насоса 16 по варианту Фиг.2 подана готовая смесь от предыдущего реактора по трубопроводу 24. По варианту Фиг.1 корпус 1 заполнен традиционным катализатором - платина на мелкодисперсном графите, поэтому в верхней части реактора на выходе газов для улавливания (из отходящих газов) и возврата катализатора использован внутренний сепаратор 25. Сепаратор 25 содержит набор внутренних колец 26, размещенных со щелевыми зазорами; трубку 27 сброса частиц вниз и штуцер 28 вывода отбитых «хвостовых» газов на факел. По варианту Фиг.2 и 5 катализатор выполнен в виде проволочного пакета 29. В качестве устройств дополнительной активации перемешивания в корпус 1 введены стержни 30 - излучатели колебательной энергии. По варианту Фиг.1 с засыпным катализатором платина на мелкодисперсном графите стержни 30 снабжены лопастями 31 с уравновешивающими гайками 32 (Фиг.3). По варианту Фиг.2 и 5 стержни-излучатели 30 соединены с проволочной навивкой в пакете 33, например, через каркасную перфорированную доску 34 и промежуточные звенья 35. Причем стержни 30 проведены через верхнее днище 36 без использования торцового уплотнения (как на вале мешалки прототипа). В предложенном решении стержни пропущены сквозь днища с использованием приварных линзовых компенсаторов 37 (Фиг.5). К верхнему днищу 36 Фиг.1 или к отводу 38 Фиг.2 и 5 верхнего днища 36 присоединен штуцер 39 подачи серной кислоты на омывание внутренней поверхности реактора, контактирующей с газовой фазой.The proposed design of a reactor for the synthesis of hydroxylamine sulfate consists of a
Показанный на Фиг.4 фрагмент корпуса 1 реактора выполнен по варианту с отдельным штуцером 22, подсоединенным далее к всасывающему трубопроводу 19 перемешивающего циркуляционного насоса 16. Антикавитационный дегазатор представляет внутреннюю замкнутую пристеночную полость перед штуцером 22, образованную трубным элементом 40 с нижним днищем 41.The fragment of the
Во фрагменте Фиг.5 - с узлом прохода стержня 30 через верхнее днище 36 с линзовым компенсатором 37 патрубковая часть 42 (проходного участка) снабжена сальниковым узлом 43. Для контроля протечки в образованную полость 44 установлен контрольный вентиль 45. К полости может быть подведена линия пожарного азота.In the fragment of Fig. 5, with the node of passage of the
Проволочный катализаторный пакет 29 с проволокой 33 может быть разделен на две или больше частей, расположенных вдоль оси реактора друг за другом, как показано на Фиг.6, 7 и 8. Причем по Фиг.6 в промежутке между частями пакета установлены пружинящие узлы 49. Байпасный проток жидкой смеси вдоль стенок корпуса, помимо проволочного катализаторного пакета 29, исключен установкой кольца перекрытия 47. Здесь между кольцом перекрытия байпасного промежутка 47 и нижним каркасным кольцом 48 проволочного катализаторного пакета 29 установлено упругое уплотнение 49 (Фиг.6 и 8). В варианте на Фиг.9 проток исключен специальным выполнением смежных - ответных поверхностей нижнего каркасного кольца 48 и кольца перекрытия байпасного промежутка с выступами-впадинами, образующими условное лабиринтное уплотнение. В промежуток между разделенными на последовательно размещенные по оси реактора части пакетов 29 проволочной навивки 33 могут быть установлены лопасти 50 (Фиг.7) вторичного диспергирования газовой фазы в потоке. В последовательно размещенных частях пакетов 29 проволочная навивка 33 может чередоваться с прослойками из углеродного волокна 51, покрытого платиной (Фиг.8). Сами части пакетов 29 последовательно набраны на центральный стержень 52, совмещенный со стержневым излучателем 30 (Фиг.8).The
Работа предложенной конструкции реактора синтеза гидроксиламинсульфата заключается в следующем. После заполнения корпуса 1 реактора 19÷21% раствором серной кислоты при его отдельной установке или первого реактора в последовательно соединенном каскаде реакторов включают перемешивающий циркуляционный насос 16. В контуре, включающем корпус реактора 1, штуцер 21, трубопровод 20 (Фиг.1) (или штуцер 22, дегазатор 23 по Фиг.2) и далее трубопровод 19, насос 16, трубопровод 15, штуцер 14 (многоступенчатого вихревого смесителя 7), в штуцер 6 начинает циркулировать жидкая фаза. В варианте Фиг.1 одновременно с разбавленной серной кислотой в корпус 1 подается мелкодисперсный катализатор «платина на графите» из расчета 50 г на литр заполняемого жидкостью объема. По варианту Фиг.2 катализатор - платиновая проволока 33 (или проволока молибденовой стали с платиновым покрытием или покрытое платиной углеродное волокно) вводится внутрь корпуса при сборке, где элементы окончательного крепления 35 устанавливаются в последнюю очередь, например, через фланцевый разъем отвода 38 (Фиг.5). Одновременно с началом циркуляции жидкой фазы по замкнутому контуру к штуцерам 8 и 9 (Фиг.1) или 12 (Фиг.2) по трубопроводам 10 и 11 (Фиг.1) или 13 (Фиг.2) подводят исходные реакционные газы: водород и оксид азота (по отдельности или в смеси). Штуцеры 8, 9, 12, 14, 17 многоступенчатого вихревого смесителя 7 выполнены с тангенциальным вводом, причем диаметр вводных ступеней по мере приближения к реактору увеличивается. Максимальный диаметр имеет заключительная ступень со штуцером ввода циркуляционной жидкой фазы 14. Таким образом, суммарный поток, вводимый в корпус 1 реактора по штуцеру 6, представляет собой многослойный трубный вихрь с наибольшим диаметром, равным диаметру входа. По выходу из штуцера 6 многослойный вихрь расширяется на весь диаметр корпуса, создавая вращающийся цилиндр жидкости с измельченным и рассеянным газом во всем объеме реактора, т.е. по всей его высоте. Возникающие соприкосновения потоков смешанных газожидкостных микрообъемов с поверхностью перемещающегося в жидкости мелкодисперсного или неподвижного катализаторного пакета 29 создают необходимые условия реакционного взаимодействия - реакции синтеза гидроксиламинсульфата (условно для исключения повторения запись не приводится; см. запись реакции в описании конструкции аналогов). Достаточные для процесса минимальные скорости подачи жидкой фазы в циркуляционном контуре достигаются регулированием числа оборотов вращения насоса, например, с помощью частотно-регулирующего преобразователя. Учитывая, что для повышения степени конверсии (использования в реакции) исходной смеси газов необходимо увеличить высоту реактора, в то время как приднищевое диспергирование газа, создаваемое многоступенчатым вихревым смесителем 7, по высоте быстро затухает (после чего возможен бесполезный прорыв газа струйками), для реакторов с увеличенной высотой необходимо введение дополнительных устройств активации перемешивания, обязательно включающее диспергирование газа. В качестве таких устройств вторичной активации перемешивания по всей высоте реактора в корпус 1 по варианту Фиг.1, 3 введены колебательные стержни 30, снабженные лопастями 31 с уравновешивающими гайками 32. При использовании проволочного катализаторного пакета 29 (Фиг.2, 5, 6, 7) колебательные стержни 30 присоединены элементами 35 сразу к катализатору, т.е. к перфорированной доске 34, скрепленной с проволокой 33 (или с пакетом углеродного волокна). Привод стержней, создающий продольные колебания с частотой от 0,01 Гц до 100 ГГц и амплитудой 0,001÷10 мм, на приведенных Фиг. условно не показан, т.к. не содержит изменений типовых конструкций любого принципа действия (гидро-, пневмо-, электро-). Колебательные перемещения стержней 30 с лопастями 31 по Фиг.1, расположенными в разных плоскостях корпуса 1 по высоте (с перекрытием прямоточных вертикальных проемов-зазоров), встречают поднимающиеся, укрупняющиеся и преобразующиеся в вертикальные струйки пузырьков потоки первично (на входе) равномерно диспергированной смеси газов. Причем жидкостное пространство реактора возле лопастей насыщено частицами мелкодисперсного катализатора. Наталкиваясь на колеблющиеся лопасти 31, струйки газа вновь грубо диспергируются, разбиваются и расталкиваются в стороны, обтекая лопасти (под действием системы горизонтальных и вертикальных сил). Сближаясь и сцепляясь с частицами дрейфующего катализатора (подвешенного и плавающего в жидкости), газовые зоны с сохранившимися непрореагировавшими (в первый момент на входе) пузырьками смеси газов создают условия возникновения реакции в новом микрообъеме. Реакция синтеза гидроксиламинсульфата повторяется. Эти повторы-вспышки микрообъемных реакций возникают по всей высоте реактора. Причем, т.к. жидкость циркулирует по контуру, то каждая порция жидкости, в условно дискретном представлении, контактирует со свежей газовой фазой неоднократно. Более того, при использовании в качестве перемешивающих циркуляционных насосов, мембранных типов насосов, где ввод антикавитационных дегазаторов для данного процесса не требуется, отдельные реакции реализуются в самом трубопроводном контуре. При использовании обычных насосов в циркуляционный контур введен антикавитационный дегазатор внешнего исполнения в виде емкости 23 или внутреннего исполнения, а именно фрагмент обечайки 40 с днищем 41. Для исключения неуравновешенности стержней 30 из-за боковой массы лопастей 31 с другой стороны они уравновешены (их масса сбалансирована) специально подобранной массой гаек 32. Удобство установки лопастей 31 в стержнях 30 создано отверстиями, в которые вставлены резьбовые части лопастей 31 (Фиг.3), затянутые затем гайками 32. В варианте по Фиг.2 дрейфование катализатора в газожидкостном растворе с восприятием функции вторичного диспергирования обеспечено наиболее просто путем соединения колебательных стержней 30 с проволочным катализаторным пакетом 29 (через элементы 35 и перфорированную доску). То есть если по варианту Фиг.1 перемещение частиц достаточно хаотично и значения скоростей их перемещения и равномерности распределения частиц по внутреннему объему реактора можно оценивать лишь приближенно, а влиять на их изменения косвенно, то по варианту Фиг.2, 6, 7, 8 и скорость (частота), и амплитуда перемещения катализатора задаются самым прямым и непосредственным путем - настройкой требуемых значений на приводе колебательных перемещений. Другой особенностью конструкции по варианту Фиг.2, 6, 7, 8 в отличие от варианта по Фиг.1 является отсутствие сепаратора для отбивки мелкодисперсных частиц с драгоценным металлом из «хвостовых» газов, направляемых для сжигания на факел, что упрощает конструкцию. При использовании мелкодисперсного катализатора (Фиг.1) внутри верхней части корпуса 1 установлен сепаратор 25, где отходящий газ обратным током заходит в верхнюю его часть, далее проникает в зазоры между кольцами 26 и очищенный выходит в штуцер 28. А частицы катализатора при омывании поступающей через штуцер 39 разбавленной серной кислотой смываются с колец в трубку 27 и по ней в жидкостное пространство реактора.The work of the proposed design of the reactor for the synthesis of hydroxylamine sulfate is as follows. After filling the
Варианты по Фиг.1 и 2 содержат также различия в схемах подключения. В варианте по Фиг.1 подразумевается полная конверсия исходных газов, поэтому отбитые «хвостовые» газы направлены на факел. В варианте по Фиг.2 принято, что в «хвостовых» газах содержание водорода и оксида азота велико, поэтому они вводятся в дополнительный штуцер многоступенчатого вихревого смесителя следующего реактора. По варианту Фиг.1 перемешивающий циркуляционный насос работает только на смеси своего реактора. По варианту Фиг.2 на всас перемешивающего циркуляционного насоса дополнительно подана смесь из предыдущего реактора. Следует также отметить принятую конструкцию узла прохода колебательных продольных стержней 30 через верхнее днище 36 корпуса 1 путем приварки к обратно установленному (развернутому внутрь) линзовому компенсатору 37. Причем допустимое осевое перемещение компенсатора превышает верхнюю границу назначенной амплитуды колебаний. Это позволяет собрать подвижный узел на сварке без использования герметизирующих внутреннее пространство реактора ненадежных типов уплотнений. В связи с токсичностью и взрывоопасностью используемых газов это важно для обеспечения безопасности. Развертка компенсатора внутрь реактора реализует омывание его впрыскиваемой серной кислотой со смывом накапливаемых нитрит-нитратных соединений (солей). Опасной полости, собиравшей бы эти соединения при размещении линзового компенсатора разворотом наружу, не возникает. По конструкции, показанной на Фиг.5, линзовый компенсатор 37, соединенный с патрубковой частью 42 и сальниковым узлом 43, образуют вместе полость 44. Узел 43 дополняет - дублирует первичную герметизацию линзовым компенсатором. Подсоединенный к полости контрольный вентиль позволяет контролировать герметичность сварного соединения в процессе эксплуатации. Момент разгерметизации сварного соединения стержня излучателя с компенсатором, работающего на циклическую усталость, будет сразу установлен. В случае если вывод аппарата в ремонт временно затруднен (по каким-либо причинам), в полость 47 подается подпорный пожарный азот, исключающий смешивание водорода с кислородом воздуха и вероятность взрыва. Рассмотренные на Фиг.6; 7; 8 и 9 варианты исполнения пакетов 29 из нескольких последовательно соединенных частей по оси реактора через пружинящие узлы 46 с вводом кольца перекрытия 47 байпасного промежутка и упругого уплотнения 48 между ним и нижним каркасным кольцом 49 проволочного пакета 29 (или образованием условного лабиринтного уплотнения Фиг.9) позволяют исключить байпасный переток, упростить технологию сборки-изготовления конструкции. Повышенную технологичность изготовления, а также гарантированное обеспечение межкорпусных зазоров реализует конструкция по Фиг.8, где более податливые - мягкие проволочные части пакетов 29 чередуются с более жесткими прослойками из углеродного волокна 51, причем все части пакетов 29 и 51 набраны на центральном стержне 52, являющемся одновременно и стержневым излучателем 30. Чередование частей мягкой навивки и жесткой прослойки или чередование частей разным направлением навивки увеличивает вторичное диспергирование и протяженность пути потока в реакторе.The options of FIGS. 1 and 2 also contain differences in connection schemes. In the embodiment of FIG. 1, a complete conversion of the feed gases is implied, therefore, the repelled tail gases are directed to the flare. In the embodiment of FIG. 2, it is assumed that the content of hydrogen and nitric oxide in the tail gases is high, therefore, they are introduced into the additional fitting of the multi-stage vortex mixer of the next reactor. In the embodiment of FIG. 1, the stirring circulation pump only operates on a mixture of its reactor. In the embodiment of FIG. 2, a mixture from the previous reactor is additionally supplied to the inlet of the mixing circulating pump. It should also be noted that the accepted design of the assembly of the passage of the oscillating
Благодаря предложенному решению энергозатраты на получение ГАС уменьшены. Приводы большой мощности не требуются. Необходимости в больших затратах энергии, предназначенных для диспергирования больших мгновенно подаваемых объемов газа, нет. В заявленной конструкции газ подается с малым расходом, зато жидкая смесь циркулирует (оборачивается) многократно и на каждом «обороте» смешивается с новой порцией исходной газовой смеси. Таким образом, требуемая нагрузка по газу на единицу удельного объема жидкости набирается циклично (циклично растянута) за счет многократности ввода-контакта при циркуляции. Мощности внутрикорпусной мешалки и перемешивающего циркуляционного насоса различаются на порядок, а мощность колебательных устройств еще на порядок ниже мощности насоса. В предложенном реакторе реализуются лишь минимальные скорости движения жидкости, необходимые для подвешивания и обменного перемещения мелкодисперсных частиц катализатора (вариант по Фиг.1). В варианте по Фиг.2, 5, 6, 7, 8 при проволочном катализаторном пакете не требуется даже таких скоростей. Достаточны практически любые перемещения, отличные от нуля. Любая подвижность, исключающая состояние покоя. Даже она обеспечит омывание, т.е. перемещение (необходимую транспортировку), включающее отвод готового продукта от поверхности катализатора и подвод к поверхности проволоки исходных реагентов (вопрос вторичного диспергирования рассматривается отдельно). Использование проволочного катализаторного пакета в конструкциях аналогов и прототипа не имеет преимуществ, т.к. при высокой внутриреакторной - мешалочной турбулизации жидкости подвешивание и равномерное распределение катализатора в виде частиц многократно гарантировано. Более того, только на мелкодисперсном катализаторе в указанных - известных конструкциях можно достичь реакцию во всех зонах реактора, заполненных жидкостью. В предложенном решении за счет исключения мешалки достигнут щадящий режим работы катализатора по варианту Фиг.1 - при мелкодисперсном его исполнении. Исключены ударные контактные нагрузки на хрупкую графитовую основу катализатора, возникавшие при попадании частиц на движущиеся с высокой скоростью элементы мешалки. Уменьшен износ и повреждение такого типа катализатора, а значит уменьшен и его расход. Варианты с неиспользованием мелкодисперсного катализатора и заменой его проволочным (имеющим более прочную основу) предпочтительны и более выгодны, т.к., кроме перечисленных выше преимуществ (более высокая долговечность и меньший расход), не требуют применения выходных сепарационных устройств на хвостовых газах.Thanks to the proposed solution, the energy consumption for the production of gas was reduced. High power drives are not required. There is no need for large expenditures of energy intended for dispersing large instantly supplied volumes of gas. In the claimed design, gas is supplied at a low flow rate, but the liquid mixture circulates (wraps) repeatedly and is mixed with a new portion of the initial gas mixture at each “revolution”. Thus, the required gas load per unit specific volume of liquid is accumulated cyclically (cyclically stretched) due to the multiple input-contact during circulation. The capacities of the internal case mixer and the mixing circulating pump differ by an order of magnitude, and the power of the oscillating devices is an order of magnitude lower than the power of the pump. In the proposed reactor, only minimal liquid velocities are realized, which are necessary for suspension and exchange movement of finely divided catalyst particles (variant of FIG. 1). In the embodiment of FIGS. 2, 5, 6, 7, 8, even such speeds are not required with a catalyst wire package. Almost any movement other than zero is sufficient. Any mobility excluding a state of rest. Even it will provide washing, i.e. movement (necessary transportation), including the removal of the finished product from the catalyst surface and the supply of the starting reagents to the wire surface (the issue of secondary dispersion is considered separately). The use of a wire catalyst package in the designs of analogues and prototype has no advantages, because with high intra-reactor - mixer turbulization of the liquid, suspension and uniform distribution of the catalyst in the form of particles is repeatedly guaranteed. Moreover, only on a finely dispersed catalyst in these known structures can a reaction be achieved in all zones of the reactor filled with liquid. In the proposed solution, due to the exclusion of the mixer, a sparing mode of operation of the catalyst according to the embodiment of FIG. 1 is achieved - with its finely divided execution. Shock contact loads on the brittle graphite base of the catalyst that occurred when particles hit the mixer moving at high speed are excluded. Reduced wear and damage of this type of catalyst, and therefore reduced its consumption. Variants with the non-use of a finely dispersed catalyst and replacing it with wire (having a more solid base) are preferable and more advantageous, since, in addition to the above advantages (higher durability and lower consumption), they do not require the use of tail gas separation devices.
Следует отметить, что внутриреакторный объем в рабочем режиме состоит из двух зон повышенной опасности: газовая зона с взрывоопасным водородом и токсичным оксидом азота (верхняя часть корпуса) и зоной нижней части корпуса, заполненной разбавленной серной кислотой и диспергированными газами. Сочетание высокой коррозионной активности кислоты (способной инициировать быстрые повреждения) с нагруженностью, т.е. непрерывной постоянной работой перемешивающих устройств и высокими значениями кинетической энергии элементов, могут привести к разрушению валов или мешалок с последующей разгерметизацией реактора и возникновением взрыва. Повышение безопасности процесса синтеза ГАС в предлагаемом реакторе достигнуто за счет исключения из внутриреакторного объема быстровращающейся на валу лопастной или клетьевой мешалки, обладающей (с валом) высокими значениями кинетической энергии (большая масса и высокая скорость). В отличие от конструкции прототипа в предложенном решении кинетическая энергия размещенной внутри реактора колебательной системы из стержней с лопастями или пакетом во много раз ниже. Обладающее наибольшей кинетической энергией вращающееся рабочее колесо перемешивающего циркуляционного насоса расположено вне объема реактора. Причем насос соприкасается только с жидкой фазой, т.е. контакта с чисто газовой средой, особенно с границей раздела фаз газ - жидкость, рабочее колесо в отличие от вала перемешивающего устройства прототипа не имеет. С исключением внутриреакторного перемешивающего устройства вместе с ним исключено и сложное по конструкции торцовое уплотнение вращающегося вала мешалки (на выходе из реактора). Любые коррозионные повреждения мешалки, приводившие к возникновению дисбаланса на валу, вызывали выход из строя в первую очередь торцового уплотнения, ответственного за герметичность внутриреакторного пространства. Достигнутое исключение торцового уплотнения путем его замены сварным соединением стержней с линзовым компенсатором и дублирование его вторым дополнительным уплотнением с контролируемой полостью выводит процесс синтеза ГАС на более высокий уровень надежности и главное безопасности процесса. (Внутренняя полость линзового компенсатора может не только контролироваться на протечку контрольным вентилем, но и заполняться пожарным азотом).It should be noted that the in-reactor volume in the operating mode consists of two zones of increased danger: a gas zone with explosive hydrogen and toxic nitric oxide (upper part of the casing) and a zone of the lower part of the casing filled with diluted sulfuric acid and dispersed gases. The combination of high acid corrosion activity (capable of initiating quick damage) with loading, i.e. continuous continuous operation of mixing devices and high kinetic energy of the elements can lead to the destruction of shafts or mixers with subsequent depressurization of the reactor and the explosion. Improving the safety of the process of synthesis of HAS in the proposed reactor was achieved by eliminating from the intrac reactor volume a rotary blade or stand mixer, which has (with a shaft) high kinetic energy (large mass and high speed). In contrast to the prototype design, in the proposed solution, the kinetic energy of the oscillatory system of the rods with blades or package placed inside the reactor is many times lower. The rotor impeller of the mixing circulating pump with the highest kinetic energy is located outside the reactor volume. Moreover, the pump is in contact only with the liquid phase, i.e. contact with a purely gaseous medium, especially with the gas-liquid phase boundary, the impeller, in contrast to the shaft of the mixing device of the prototype does not have. With the exception of the in-reactor mixing device, the mechanical seal of the rotating shaft of the mixer (at the outlet of the reactor), which is complex in design, is also excluded. Any corrosion damage to the mixer, leading to imbalance on the shaft, caused the failure of the mechanical seal, which is responsible for the tightness of the reactor chamber, first of all. The achieved exclusion of the mechanical seal by replacing it with a welded joint of the rods with a lens compensator and duplication of it with a second additional seal with a controlled cavity brings the process of synthesis of gas-emitting dies to a higher level of reliability and, most importantly, the safety of the process. (The internal cavity of the lens compensator can not only be monitored for leakage by the control valve, but can also be filled with fire nitrogen).
Предложенное решение реализует-утверждает предпочтительность единичной - бескаскадной установки-размещения реакторов. Усиливает преимущества такого размещения, заменяя внешнюю повторяемость процесса (каскад) внутренним - циркуляционным повторением. Причем общая выходная выработка ГАС достигается использованием набора параллельно (не последовательно) размещаемых реакторов с простым суммированием готового целевого продукта. Любой реактор из параллельного набора может быть выведен в ремонт простым отключением (при последовательном соединении реакторов в самотечно-переточный каскад выведение промежуточного реактора в ремонт представляет сложную проблему). Использование предложенного решения только на одном реакторе синтеза ГАС позволит снизить мощность привода, следовательно, и затраты электроэнергии приблизительно в десять раз с 200 кВт до 20 кВт (за 20 кВт условно принята общая мощность циркуляционного насоса и источника колебаний). При этом на трех каскадах из восемнадцати реакторов (по шесть реакторов в каждом каскаде) сэкономленная мощность составит более трех мегаватт ежечасно. Исключается опасность разрушения во внутриреакторном объеме массивных вала и мешалки, выхода из строя герметизирующего (пространство реактора) торцового уплотнения, что повышает общую безопасность процесса. Увеличивается долговечность - снижается расход дорогостоящего катализатора.The proposed solution implements-claims the preference of a single - non-cascade installation-placement of reactors. It enhances the advantages of this arrangement, replacing the external repeatability of the process (cascade) with internal - circulation repetition. Moreover, the total output generation of GAS is achieved using a set of parallel (not sequentially) placed reactors with a simple summation of the finished target product. Any reactor from a parallel set can be taken out for repair by simple shutdown (when connecting reactors in series to a gravity-flow transfer cascade, putting an intermediate reactor into repair is a difficult problem). Using the proposed solution only on one GAS synthesis reactor will reduce the drive power, and therefore, the cost of electricity is approximately ten times from 200 kW to 20 kW (for 20 kW, the total power of the circulation pump and oscillation source is conventionally assumed). Moreover, in three cascades of eighteen reactors (six reactors in each cascade), the saved power will be more than three megawatts hourly. The risk of destruction of the massive shaft and the mixer in the reactor volume, the failure of the mechanical seal (reactor space) of the mechanical seal is eliminated, which increases the overall safety of the process. Increased durability - reduced consumption of expensive catalyst.
Claims (37)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009127466/04A RU2411989C1 (en) | 2009-07-16 | 2009-07-16 | Reactor for synthesis of hydroxylamine sulphate |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009127466/04A RU2411989C1 (en) | 2009-07-16 | 2009-07-16 | Reactor for synthesis of hydroxylamine sulphate |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2411989C1 true RU2411989C1 (en) | 2011-02-20 |
Family
ID=46309980
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2009127466/04A RU2411989C1 (en) | 2009-07-16 | 2009-07-16 | Reactor for synthesis of hydroxylamine sulphate |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2411989C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117643837A (en) * | 2024-01-30 | 2024-03-05 | 湖南华尔特今朝科技有限公司 | Mixing mechanism for continuously producing metallic acid solution |
-
2009
- 2009-07-16 RU RU2009127466/04A patent/RU2411989C1/en active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Шишкин А.В., Медведев В.Д., Баранкин В.Ф., Мамедов А.А. & laquo; Реактор для основного органического синтеза & raquo, журнал & laquo. Химическое и нефтяное машиностроение & raquo, 1985, №3, с.9. * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117643837A (en) * | 2024-01-30 | 2024-03-05 | 湖南华尔特今朝科技有限公司 | Mixing mechanism for continuously producing metallic acid solution |
| CN117643837B (en) * | 2024-01-30 | 2024-04-09 | 湖南华尔特今朝科技有限公司 | Mixing mechanism for continuously producing metallic acid solution |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2441710C2 (en) | Double spray nozzle | |
| EP3113869A1 (en) | Multi-fluid mixer and method for mixing a plurality of fluids | |
| CN101962108A (en) | Tornado blowing method and cyclone device thereof | |
| RU2411989C1 (en) | Reactor for synthesis of hydroxylamine sulphate | |
| JP2007253000A (en) | Apparatus and process for producing micro bubble | |
| RU2207449C2 (en) | Device for acting onto flow of fluid medium | |
| Walzel | Effects and new applications of pulsed flow | |
| RU2389542C1 (en) | Reactor for synthesis of hydroxylamine sulphate | |
| CN201439048U (en) | Pipeline type high dispersing airflow reaction vessel | |
| KR20150100221A (en) | SCR chamber with mixer | |
| CN113302161B (en) | Device for injecting a fluid into a liquid, method for cleaning said device and effluent treatment plant | |
| US4326811A (en) | Sealess pressurized mixing vessels | |
| CN1359453A (en) | Foam generator for fire extinguisher | |
| RU208946U1 (en) | Mass transfer apparatus | |
| KR100917908B1 (en) | Device for treating gas in a mixed way | |
| KR101303139B1 (en) | VOC reducing apparatus for oil tanker | |
| CN100486714C (en) | Self cleaning type internal rotation flow membrane separating device | |
| CN103239877A (en) | High-efficiency hot air source evaporator | |
| CN221046039U (en) | Acidolysis feeding premixing system | |
| RU2180711C1 (en) | Multi-stage jet apparatus | |
| RU118376U1 (en) | EJECTION DEVICE | |
| CN220546964U (en) | Gas-liquid reverse rotation reinforced mass transfer reaction tower | |
| RU191969U1 (en) | Oxidation Plant | |
| RU2322286C1 (en) | Reactor | |
| RU208935U1 (en) | Cyclone |