Результат интеллектуальной деятельности: ВНУТРЕННЕЕ УСТРОЙСТВО РЕАКТОРА

Изобретение относится к аппаратурному оформлению химических процессов, протекающих в газожидкостной среде, а именно к конструкции внутреннего устройства реактора с восходящим однонаправленным движением фаз. Изобретение может быть использовано, в частности, в реакторах синтеза карбамида из аммиака и диоксида углерода при повышенных температурах и давлениях.

Реакторы синтеза карбамида представляют собой вертикальные полые аппараты с патрубками ввода и вывода реагентов, внутри которых помещают устройства различной конструкции, позволяющие повысить эффективность смешения жидких и газообразных реагентов и снизить продольное перемешивание в реакторе.

Известны реакторы для взаимодействия газовой и жидкой фаз, конкретно для синтеза карбамида, содержащие в качестве внутренних устройств перфорированные перегородки (Кучерявый В.И., Лебедев В.В. Синтез и применение карбамида, М.: Химия, 1970, с.316; SU 808122, В 01 J 19/00, 1981; SU 1088779, В 01 J 10/00, 19/00, 1984). Реакторам, которые оборудованы такими устройствами, присуща недостаточно высокая эффективность протекания проводимого в них процесса синтеза и относительно низкая удельная производительность из-за недостаточно совершенного распределения газовой фазы по сечению реактора.

Для интенсификации процесса контактирования газообразных и жидких реагентов в реакторах устанавливают контактные устройства как в дополнение к перфорированным перегородкам, так и в качестве самостоятельных внутренних устройств.

Известно внутреннее устройство реактора для взаимодействия газовой и жидкой фаз, содержащее расположенные под опорной решеткой контактные устройства, каждое из которых представляет собой закрепленную верхним концом в опорной решетке вертикальную трубу, разделенную на опускной и подъемный элементы внутренней вертикальной перегородкой, которая в верхней части вплотную примыкает к опорной решетке, а в нижней части не достигает нижнего заглушенного конца трубы, причем опускной элемент выполнен заглушенным сверху с раздельными входными отверстиями для жидкости и газа на боковой поверхности верхней части, а подъемный элемент имеет отверстие на опорной решетке для выхода газожидкостной смеси (SU 2114691, В 01 J 10/00, 1998).

Известное внутреннее устройство характеризуется сложностью изготовления и сборки контактных устройств. Конструктивные особенности контактных устройств обусловливают их значительное гидравлическое сопротивление и низкую эффективность протекающих в них реакционных процессов вследствие возникновения в них пробкового режима движения двухфазного потока, характеризующегося резкими колебаниями расходов жидкой и газовой фаз. Кроме того, конструкция контактных устройств не обеспечивает возможности их опорожнения, что необходимо для безопасного проведения внутренних осмотров и ремонтов реактора.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является внутреннее устройство реактора для взаимодействия газовой и жидкой сред, содержащее расположенные под опорной решеткой контактные устройства, каждое из которых состоит из закрепленных своими верхними концами в опорной решетке вертикальных трубчатых опускного и подъемного элементов, соединенных между собой в нижней части U-образным трубчатым элементом того же диаметра, причем опускной элемент выполнен заглушенным сверху с раздельными входными отверстиями для жидкости и газа на боковой поверхности верхней части, а подъемный элемент имеет отверстие на опорной решетке для выхода газожидкостной смеси (SU 2168355, В 01 J 10/00, 19/00, 2001).

Данная конструкция контактных устройств более технологична в изготовлении и в некоторой степени решает проблему уменьшения гидравлического сопротивления, однако она обладает теми же эксплуатационными недостатками, что и предыдущая конструкция.

Общей причиной повышенного сопротивления и недостаточной эффективности работы контактных устройств является нестабильный режим движения газожидкостного потока в их опускных элементах. Наличие на опускных элементах двух рядов входных отверстий приводит к тому, что под опорной решеткой образуется газовая подушка с поверхностью раздела фаз между верхним и нижним рядами входных отверстий. В результате газ, входя через верхний ряд отверстий, поступает в опускные элементы не в виде мелких пузырьков, а в виде пробок, перекрывающих все поперечное сечение опускного элемента и вызывающих резкое увеличение его гидравлического сопротивления. Вследствие этого формируется пробковый режим движения газожидкостного потока: в опускном элементе образуются длинные чередующиеся газовые и жидкостные пробки, движение которых сопровождается резкими скачками расхода и давления.

В конечном итоге в контактных элементах устанавливается низкочастотный автоколебательный режим, при котором проскоки пробок газа чередуются с длительными паузами, связанными с прохождением жидкости и увеличением объема газовой подушки. Межфазная поверхность, формируемая в контактных устройствах при таком режиме, весьма мала, и реакционный процесс проходит недостаточно эффективно.

Задачей является снижение гидравлического сопротивления контактных устройств, повышение эффективности протекающего в них реакционного процесса, а также обеспечение свободного опорожнения контактных устройств при периодических остановках технологического процесса.

Задача решается совершенствованием конструкции внутреннего устройства реактора.

Техническим результатом, который может быть получен при использовании изобретения, является обеспечение движения газожидкостного потока через контактные устройства в устойчивом пузырьковом режиме. Такой режим обеспечивает стабильность расхода и развитую поверхность контакта фаз. Благодаря этому уменьшается гидравлическое сопротивление контактных устройств и повышается эффективность реакционного процесса.

Для достижения указанного технического результата предложено внутреннее устройство реактора для взаимодействия газовой и жидкой сред, состоящее из закрепленных концами в опорной решетке контактных устройств, каждое из которых состоит из вертикальных трубчатых опускного и подъемного элементов, соединенных между собой U-образным трубчатым элементом того же диаметра, отличающееся тем, что контактные устройства расположены над опорной решеткой, причем подъемный элемент имеет отверстие на опорной решетке для входа жидкости и газа, а опускной элемент выполнен заглушенным снизу с выходными отверстиями для газожидкостной смеси на боковой поверхности нижней части.

Сущность изобретения иллюстрируется прилагаемыми фиг.1 и 2. На фиг.1 изображен в продольном разрезе конкретный реактор синтеза карбамида с установленным в нем внутренним устройством; на фиг.2 - в продольном разрезе контактное устройство и его крепление в опорной решетке.

В соответствии с фиг.1 реактор состоит из вертикального корпуса 1 с патрубками ввода 2, 3 и 4 жидких и газообразного реагентов, патрубком вывода продуктов реакции 5, распределительного устройства 6, горизонтальных перфорированных перегородок 7 и контактных устройств 8, выполненных из труб постоянного сечения и закрепленных в опорной решетке 9. Контактные устройства расположены над опорной решеткой в нижней трети реактора, где количество газовой фазы велико. Количество перфорированных перегородок и расстояние между смежными перегородками определяются характером проводимого процесса и могут быть различными.

В соответствии с фиг.2 каждое контактное устройство 8 состоит из двух вертикальных трубчатых элементов - подъемного 10 и опускного 11. Элементы 10 и 11 в верхней части соединены между собой U-образным трубчатым элементом 12 того же диаметра. Элементы 10 и 11 закреплены своими нижними концами в опорной решетке 9. Подъемный элемент 10 имеет отверстие 13 на опорной решетке, которое открыто для входа жидкости и газа, у опускного элемента 11 отверстие перекрыто заглушкой 14. На боковой поверхности нижней части опускного элемента над опорной решеткой 9 равномерно по окружности трубы расположены отверстия 15 для выхода газожидкостной смеси. Верхний торец заглушки 14 размещен между верхней плоскостью опорной решетки 9 и нижней кромкой боковых отверстий 15. U-образный элемент 12 может быть выполнен отдельно от элементов 10 и 11, а затем приварен к ним двумя кольцевыми швами, либо изготовлен вместе с ними из одной трубной заготовки. В опорной решетке 9 имеются дренажные отверстия 16 для слива реакционной смеси при остановках технологического процесса.

Реактор работает следующим образом. Исходные жидкие и газообразный реагенты (в случае синтеза карбамида - жидкий аммиак, раствор углеаммонийных солей и газообразный диоксид углерода) поступают в реактор 1 через патрубки 2, 3, 4. Для смешения, диспергирования и распределения реагентов по сечению аппарата предназначено распределительное устройство 6. Пройдя его, газожидкостная смесь попадает в пространство, заполненное контактными устройствами 8. Газожидкостная смесь через входные отверстия 13 поступает в подъемные элементы 10, где газовая и жидкая фазы контактируют в условиях восходящего прямотока. Далее газожидкостная смесь проходит U-образный элемент 12 и поступает в опускные элементы 11, где контактирование фаз продолжается в условиях нисходящего прямотока. Нисходящий газожидкостный поток через отверстия 15 выходит из контактных устройств в область над опорной решеткой 9 и далее поступает в верхнюю реакционную зону реактора, заполненную горизонтальными перфорированными перегородками 7. После прохождения всех перегородок продукты реакции отводятся из реактора через патрубок 5.

Таким образом, благодаря расположению контактных устройств над опорной решеткой газожидкостная смесь вводится сначала не в опускные, а в подъемные элементы контактных устройств. Вследствие разности плотностей жидкости и газа в подъемных элементах возникает газлифтный эффект, способствующий подъему газожидкостной смеси и ее беспрепятственному прохождению через контактные устройства. Пузырьковая структура газожидкостного потока, созданная в нижней части реактора распределительным устройством 6, в контактных устройствах сохраняется. Даже при наличии крупных пузырей, соизмеримых с поперечным сечением подъемных элементов, газлифтный эффект лишь усиливается, и пузырьковый режим движения потока не меняется. Набрав скорость в подъемных элементах, диспергированный газожидкостной поток поступает в опускные элементы 11 и проходит их по инерции без образования пробкового режима.

Модельные испытания опытного образца контактного устройства показали, что его гидравлическое сопротивление на 25-30% ниже, а интервал колебаний расхода газожидкостного потока в 5-10 раз меньше, чем в контактном устройстве известной конструкции.

Таким образом, благодаря предложенной конструкции внутреннего устройства реактора снижается гидравлическое сопротивление контактных устройств и увеличивается межфазная поверхность, что способствует повышению эффективности реакционного процесса. При остановке реактора для последующего ремонта обеспечивается самопроизвольное опорожнение контактных устройств через нижние отверстия подъемных и опускных элементов.