НЕЙТРАЛИЗАТОР Российский патент 1994 года по МПК B01J19/18 

Изобретение относится к химическому машиностроению и может быть использовано для проведения процессов нейтрализации между кислыми и щелочными реагентами в системах газ - газ, газ - жидкость или жидкость - жидкость в условиях интенсивного тепломассообмена.

Известен нейтрализатор экстракционной полифосфорной кислоты (ЭПФК) газообразным аммиаком - трубчатый реактор струйного типа, состоящий из цилиндрического корпуса, патрубков подвода ЭПФК, аммиака, воды и охлажденного раствора ЖКУ, аксиального распределителя аммиака, нижний конец которого расположен на расстоянии 0,6-0,7 м от суженной части реактора. Распределитель аммиака выполнен в виде трубы 0,040-0,102 м и на конце имеет перфорацию (с диаметром отверстий 3,2 мм, расположенных в десять рядов по четыре-восемь отверстий в ряду). При этом "живое" сечение перфорации в 2,8 раза меньше свободного сечения трубы.

К недостаткам известной конструкции нейтрализатора следует отнести отсутствие дополнительного перемешивания продуктов нейтрализации, что ведет к низкой эффективности смешения реагентов и их проскоку без взаимодействия (аммиак); необходимость остановки реактора на чистку из-за образующихся по причине плохого смешения реагентов отложений.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому эффекту к изобретению является нейтрализатор, содержащий цилиндрический корпус, внутри которого аксиально установлен перфорированный стакан - распределитель щелочного реагента с винтовыми прорезями на наружной поверхности. Внутри стакана закреплен завихритель потока щелочного реагента в виде полого многозаходного винтового шнека, лопасти которого выполнены соответствующими по форме винтовым прорезям стакана-распределителя щелочного реагента, снабженного торцовыми сменными диафрагмами. Цилиндрический корпус снабжен патрубками подвода реагентов и вывода продуктов нейтрализации.

Тангенциальная подача кислого реагента на внутреннюю стенку цилиндрического корпуса нейтрализатора приводит к тому, что часть пристеночного слоя кислоты не перемешивается со щелочным реагентом, что приводит к снижению эффективности взаимодействия реагентов и, как следствие, к повышенным энергозатратам на рециркуляцию щелочного реагента (например, непоглощенного аммиака), которого вследствие неэффективности взаимодействия надо подавать на 10-30% больше, что необходимо для получения продуктов нейтрализации требуемого состава.

Целью изобретения является повышение эффективности взаимодействия реагентов и снижение энергозатрат на их рециркуляцию.

Цель достигается тем, что в нейтрализаторе, включающем цилиндрический корпус, внутри которого коаксиально установлен перфорированный распределитель щелочного реагента, и патрубки для подвода реагентов и вывода готового продукта, при этом перфорированный распределитель щелочного реагента выполнен в виде стакана, внутренняя поверхность которого коническая, а наружная ступенчато-кольцевая, по нормали к поверхности кольцевых ступеней выполнены сквозные перфорации, продольные оси которых пересекаются под углом 40-90^о на продольной оси реактора, выходной патрубок которого соединен с катушкой переменного внутреннего сечения с размещенным внутри нее коническим лопастным завихрителем, снабженной рубашкой охлаждения.

Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с прототипом показывает, что заявляемый нейтрализатор отличается от прототипа наличием дополнительных конструктивных элементов, а именно конического лопастного завихрителя, вставленного внутрь катушки, имеющей переменное внутреннее сечение. Кроме того, нейтрализатор отличается конструктивным исполнением перфорированного стакана-распределителя щелочного реагента, наличием диспергатора для диспергирования кислого реагента, а также организацией подачи и смешения реагентов внутри нейтрализатора. Это позволяет интенсифицировать взаимодействие реагентов и снизить энергозатраты на рециркуляцию реагентов по сравнению с прототипом на 30-50% (а также получать диаммонийфосфат одностадийной нейтрализацией фосфорной кислоты при сокращении выбросов аммиака вдвое по сравнению с имеющимся нейтрализационным оборудованием). Анализ показывает, что предложенный нейтрализатор соответствует критериям изобретения "новизна" и "существенные отличия".

На фиг.1 показан предлагаемый нейтрализатор, общий вид; на фиг.2, 3 и 4 представлены узлы I, II и III на фиг.1.

Нейтрализатор содержит корпус 1 с патрубками подвода кислого и щелочного 3 реагентов. Внутри корпуса установлен конусом вверх 2 стакан-распределитель 4 щелочного реагента. В верхнем сечении стакана 4 размещен диспергатор 5 кислого реагента. Выход нейтрализатора при помощи фланца 6 соединен с катушкой 7 переменного внутреннего сечения. Внутри катушки в верхней части ее соосно стакану-распределителю 4 конусом вверх установлен конический лопастной завихритель 8. Катушка 7 снабжена рубашкой охлаждения.

Плоскости кольцевых ступеней наружной поверхности стакана-распределителя 4 расположены под углом 30-60^о к оси стакана, а сквозная перфорация выполнена по нормали к плоскостям ступеней. Это позволяет обеспечить пересечение струй щелочного реагента на продольной оси нейтрализатора под углом 30-60^о.

Стакан-распределитель 4 щелочного реагента имеет сложную конфигурацию. Количество перфорации диаметром 3-5 мм определяется из условия обеспечения скорости истечения щелочного реагента в пределах 30-60 м/с, что обеспечивает эффективное дробление кислотного реагента. При скорости менее 30 м/с истечения щелочного реагента эффективность дробления и, следовательно, взаимодействия резко падает. При скорости щелочного реагента большей 50 м/с резко возрастает гидравлическое сопротивление нейтрализатора, что ограничивает производительность нейтрализатора. Диаметр перфораций 3-5 мм выбран из опытных данных. При размере перфораций менее 3 мм резко возрастает их забиваемость, а при диаметре перфораций более 5 мм возможен кавитационный режим работы нейтрализатора, что нарушает нормальный режим его работы. Обычно количество отверстий варьируется в пределах 200-400. Конический лопастной завихритель (КЛЗ) имеет следующее соотношение - D основания: Н_клз = 1:1,5. При соотношении D: Н_клз менее 1 резко возрастает гидравлическое сопротивление (и энергозатраты) нейтрализатора, а при соотношении D:Н_клз более 1,5 эффективность смешения реагентов снижается. Переменное сечение катушки 7 варьируют так, что D_мин :D_б изменяется в пределах 0,75-0,90, а длина волны варьируется в пределах 0,2-0,4 D цилиндрической части нейтрализатора (катушки). "Зажатие" сечения катушки при величине D_мин : D_б менее 0,75 ведет к резкому повышению гидравлического сопротивления нейтрализатора, хотя эффективность воздействия несколько возрастает. В то же время повышение величины отношения D_мин : D_б выше, чем 0,90 нецелесообразно в связи с малой интенсивностью образующихся поперечных пульсаций на процессы смешения и тепломассообмена в парожидкостной эмульсии.

Уменьшение параметра h менее 0,2 D приводит к снижению эффектов ускорения и торможения потока (торможение в этих условиях почти не происходит) парожидкостной эмульсии, т. е. энергия (и эффективность) поперечных колебаний снижается, а гидравлическое сопротивление возрастает. Повышение параметра h более 0,4 D нецелесообразно из-за необходимости значительного увеличения длины катушки для достижения требуемой эффективности поглощения щелочного реагента. Обычно Н катушки: D изменяют в пределах 5:10 в зависимости от напряженности стадии нейтрализации (например, моноаммонийфосфат или диаммонийфосфат).

Нейтрализатор работает следующим образом.

Экстракционная фосфорная кислота (ЭФК) 38-47% Р₂О₅ подается в патрубок 2 цилиндрического корпуса 1, а затем диспергируется во внутренний объем нейтрализатора диспергатором 5. Одновременно в нейтрализатор через патрубок 3 подают аммиак (жидкий или газообразный). При работе на жидком аммиаке его предварительно смешивают с паром для частичного (или полного) испарения. Аммиак поступает в зазор между корпусом 1 нейтрализатора и наружной стенкой стакана-распределителя 4 щелочного реагента. Под давлением 1,5-3 атм аммиак дробится и истекает тонкими струями внутрь объема нейтрализатора, куда подается и поток предварительно диспергированной ЭФК. Происходит взаимодействие двух (диспергированных предварительно) потоков кислоты и аммиака и их вторичное интенсивное дробление за счет кинетической энергии потоков. Потоки пересекаются под углом, который варьируется (в зависимости от угла раствора факела капель ЭФК диспергатором 5) в пределах 30-90^о, при этом результирующая сила направлена к выходному патрубку нейтрализатора, что способствует выталкиванию смеси из него. Наличие большого количества перфораций, из которых истекает аммиак, защищает внутреннюю коническую поверхность стакана-распределителя 4 от инкрустации. Смесь продуктов нейтрализации пара и непрореагировавшего аммиака из выходного патрубка поступает в катушку 7, переменное внутреннее сечение которой возбуждает в потоке парожидкостной эмульсии поперечные колебания, интенсифицирующие процесс поглощения аммиака. Далее поток парожидкостной эмульсии закручивается (перемешиваясь дополнительно при этом) коническим лопастным завихрителем 8. Закручивание потока приводит к тому, что жидкая фаза (продукты нейтрализации) под действием центробежных сил отбрасываются на внутреннюю стенку катушки 7, пересекая при этом паток пароаммиачной смеси. После конического лопастного завихрителя 8 образуются вращающийся жгут продуктов нейтрализации на внутренней стенке катушки, движущийся сверху-вниз, а в приосевой части (ввиду меньшей инерционности) вращающийся поток пароаммиачной смеси, обедненный по жидкой фазе. Далее процесс взаимодействия газами жидкости происходит следующим образом. Жгут жидких продуктов нейтрализации за счет кривизны внутренней поверхности катушки 7 (в точке с D_мин) отрывается от стенки и направляется внутрь в приосевую область, где под действием вращающего потока пароаммиачной смеси дробится и вновь отбрасывается на стенку (в область катушки, где D_б). Затем процесс повторяется по всей длине катушки 7 (после конического лопастного завихрителя 8). При этом под воздействием переменного сечения катушки на движущуюся в ней пароаммиачную смесь дополнительно накладываются продольные пульсации потока, связанные с его ускорением (в области D_мин) и торможением (в области D_б). Жидкая фаза потока, как более инерционная, ускорений и торможений (кроме очень мелких капель) не испытывает. Это приводит к скольжению пароаммиачной фазы относительно капельно-жидкостной фазы с частотой и амплитудой, определяемыми параметрами катушки, описанными выше. Такая организация смешения и обработки продуктов нейтрализации позволяет интенсифицировать процесс поглощения аммиака.

Для дополнительного снижения проскока аммиака необходимо уменьшить перегрев парожидкостной эмульсии, что достигается посредством подачи хладагента в рубашку катушки 7. Отвод избытка тепла нейтрализации в процессе его выделения приводит к снижению выбросов аммиака и оптимальному проведению процесса как при получении моноаммонийфосфата, так и диаммонийфосфата. Волнистая внутренняя поверхность дает еще ряд преимуществ в данной конструкции, а именно исключается инкрустация стенок катушки 7 различными солями, а также за счет пристеночных турбулентных пульсаций разрушается ламинарный пограничный слой (на внутренней стенке), что интенсифицирует коэффициент теплопередачи ≈ в 1,5 раза. Усредненная, обработанная парожидкостная эмульсия затем по транспортному трубопроводу направляется на стадию грануляции. Температура парожидкостной эмульсии регулируется в пределах 140-170^оС. После грануляции, сушки, охлаждения и классификации получают моно- или диаммоний по известной технологии и на стандартном оборудовании.

Использование нейтрализатора предлагаемой конструкции в промышленности позволит интенсифицировать процесс взаимодействия реагентов и за счет этого снизить энергозатраты на рециркуляцию аммиака на 30-50% от прототипа, повысить технологичность за счет использования нейтрализатора как для получения моноаммонийфосфата, так и диаммонийфосфата в одну стадию, обеспечить экологические требования к технологическим системам по выбросам аммиака и фтора.

Изобретение относится к химической промышленности. Сущность изобретения: нейтрализатор включает цилиндрический корпус, внутри которого коаксиально установлен перфорированный стакан-распределитель щелочного реагента, патрубки для подвода реагентов и вывода готового продукта. Стакан-распределитель выполнен с конической поверхностью внутри и ступенчато-цилиндрической снаружи, при этом плоскости кольцевых ступеней расположены под углом 30 - 60° к продольной оси корпуса. Выходной патрубок соединен с катушкой внутреннего переменного сечения с многолопастным коническим завихрителем внутри и рубашкой охлаждения снаружи. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. НЕЙТРАЛИЗАТОР, включающий цилиндрический корпус, внутри которого коаксиально установлен перфорированный распределитель щелочного реагента и патрубки для подвода реагентов и вывода готового продукта, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности взаимодействия реагентов и снижения энергозатрат на их рециркуляцию, перфорированный распределитель щелочного реагента выполнен в виде стакана, внутренняя поверхность которого коническая, наружная - ступенчато-кольцевая, при этом плоскости кольцевых ступеней расположены под углом 30 - 60^o к оси стакана, а сквозная перфорация выполнена к ним по нормали. 2. Нейтрализатор по п.1, отличающийся тем, что он снабжен соединенной с патрубком вывода катушкой переменного внутреннего сечения, внутри которой в верхней части установлен многолопастной конический завихритель, расположенный конусом вверх соосно со стаканом-распределителем щелочного реагента. 3. Нейтрализатор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что катушка переменного внутреннего сечения снабжена рубашкой охлаждения.