ГАЗОЖИДКОСТНЫЙ РЕАКТОР Российский патент 1995 года по МПК B01J10/00 

Изобретение относится к конструкциям аппаратов, в которых проводится реакция нейтрализации кислот аммиаком в производстве минеральных удобрений.

Известна установка для нейтрализации кислот аммиаком, состоящая из вертикального сепаратора, присоединенного посредством конического днища к циркуляционной трубе, свободный конец который соединен через горизонтальный патрубок с нижним концом вертикальной реакционной камеры, снабженной аммиачной форсункой. Верхний конец вертикальной реакционной камеры тангенциально соединен с боковой поверхностью вертикального сепаратора. Реактор снабжен патрубками для ввода кислоты и вывода продуктов реакции [1]
Недостатки установки высокое содержание NH₃ в отходящей парогазовой смеси, невозможность проводить раздельно реакцию взаимодействия кислоты с аммиаком в две стадии, получать в одном аппарате одновременно несколько продуктов с различным содержанием компонентов (NH₃, P₂O₅, H₂O, F), а также разделять отходящую парогазовую смесь на два потока, отличающихся друг от друга не только содержанием вредных компонентов, но и их концентрацией.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является газожидкостный реактор, содержащий сепаратор с перегородкой, делящей его на верхнюю и нижнюю части и снабженную подъемной трубой с устройством для подачи и аммиака, циркуляционный контур, патрубки для ввода реагентов и вывода продуктов реакции [2]
Газожидкостный реактор состоит из вертикального корпуса с циркуляционным контуром, имеющим циркуляционную трубу и реакционную камеру, нижняя часть которой выполнена в виде трубы Вентури с вмонтированными в нее вертикальным и тангенциальным соплами для подачи аммиака, и горизонтальную перегородку, делящую его на две сепарационные части: верхнюю и нижнюю. Верхняя сепарационная часть соединена с циркуляционным контуром посредством скруббера Вентури, имеющего кислотное сопло, и возвратной трубы, а горизонтальная перегородка снабжена подъемной трубой, свободный конец которой оканчивается соплом Ловаля и расположен внутри циркуляционной трубы напротив штуцера для ввода аммиачного сопла. Газожидкостный реактор имеет штуцера для вывода продуктов реакции.

Данный аппарат обладает рядом недостатков: низкий коэффициент массообмена; узкий диапазон варьирования производительности; отсутствие возможности получать одновременно два продукта, значительно отличающихся составом и количеством содержащихся в них компонентов, а также разделять образовавшуюся парогазовую смесь на два потока с большой разницей содержания в них вредных компонентов (NH₃, F, брызги). Небольшие колебания расхода или концентрации исходных реагентов вызывают выпуск некачественного продукта, увеличение содержания аммиака в отходящей парогазовой смеси или полную остановку газожидкостного реактора, что указывает на низкую стабильность в работе газожидкостного реактора. Вследствие нарушения гидродинамического режима движения двухфазного потока в подъемной трубе, вызванного незначительными изменениями (0,1-0,2) значений pH аммонизированного раствора, на выходе из газожидкостного реактора наблюдается повышение температуры отходящих газов, что указывает на нестабильность процесса утилизации тепла отходящей парогазовой смеси, проходящего внутри аппарата. Вышеописанные недостатки газожидкостного реактора являются результатом его несовершенства конcтрукции и недостаточно высокая интенсивность работы.

Предложенный газожидкостный реактор, содержащий сепаратор, разделенный перегородкой на две части, нижняя часть которого снабжена циркуляционным контуром с форсункой для ввода аммиака, и патрубки для ввода реагентов и вывода продуктов реакции отличается тем, что верхняя часть сепаратора снабжена циркуляционным контуром, нижняя часть сепаратора оборудована газоходом, второй конец которого входит в верхнюю часть сепаратора и заканчивается перфорированной тарелкой, расположенной относительно верхней точки соединения тангенциального ввода с верхней частью сепаратора на 0,1-4 D_т.в.) где D_т.в. диаметр тангенциального ввода, причем газоход имеет диспергирующее устройство для подачи кислоты, расположенные над уровнем кислой пульпы, и диспергирующее устройство для кислой пульпы, расположенное на ее уровне.

Для интенсификации процесса массообмена и увеличения диапазона используемых кислот части сепаратора находятся на одной оси, или смещены относительно друг друга, а перегородка наклонена к горизонту и снабжена опускной трубой.

На фиг. 1 представлен газожидкостный реактор, разрез; на фиг. 2 расположение верхней и нижней частей сепаратора с опускной трубой.

Газожидкостный реактор состоит из сепаратора 1, разделенного перегородкой 2 на верхнюю и нижнюю части (верхнюю сепарационную камеру А и нижнюю сепарационную камеру Б), установленные соосно относительно друг друга. Верхняя сепарационная камера А имеет реакционную трубу, которая верхним концом через тангенциальный ввод 3 соединена с сепаратором 1, а нижним концом через колено 4, имеющее аммиачную форсунку 5, и патрубок 6 присоединена выше перегородки 2 к боковой поверхности верхней сепарационной камеры А, тем самым образуя циркуляционный контур В. Кроме этого патрубок 6 снабжен штуцером 7 для осуществления аварийного слива аммонизированного раствора (пульпы) из верхней части сепаратора 1. Нижняя сепарационная камера Б имеет переливное устройство 8 для вывода готовой продукции из газожидкостного реактора и циркуляционный контур Г, состоящий из циркуляционной трубы 9, конец которой соединен с коническим днищем 10 нижней сепарационной камеры Б, а другой связан через соединительный патрубок 11, имеющий аварийный штуцер 12, с реакционной камерой 13, верхняя часть которой тангенциально соединена с боковой поверхностью нижней сепарационной камеры Б. Внутрь нижней части реакционной камеры 13 введена аммиачная форсунка 14. Расположенный под перегородкой 2 парогазовый патрубок 15 соединен с газоходом 16, имеющим диспергирующее устройство 17, соединенное посредством сливной трубы 18 с верхней сепарационной камерой А, и диспергирующими устройствами 19, для ввода кислоты. Верхняя часть газохода 16 входит вовнутрь верхней сепарационной камеры А и заканчивается внутри ее перфорированной тарелкой 20 с бортиком 21, установленной относительно верхней точки соединения тангенциального ввода 3 с верхней частью сепаратора 1 на расстоянии равном 0,05-4 величины диаметра тангенциального ввода 3. Для выхода парогазовой смеси из газожидкостного реактора верхняя сепарационная камера А снабжена пароотводящим патрубком 22 с брызгоуловителем 23.

На фиг. 2 изображено расположение сепарационных камер А и Б, где их оси смещены относительно друг друга, а часть перегородки 2, не принадлежащая нижней сепарационной камере Б соединена с опускной трубой 24, которая связана своим вторым концом через патрубок 6 и колено 4 с реакционной трубой 3, тем самым образуя с верхней частью сепаратора 1 циркуляционный контур В.

Реактор работает следующим образом. Исходная кислота подается через диспергатор 19 а газоход 16 и заполняет верхнюю сепарационную камеру А. Одновременно с этим через патрубок 6 и колено 4 исходной кислотой заполняется и реакционная труба 3. Заполнение верхней сепарационной камеры А продолжается до начала перетока исходной кислоты через сливную трубу 18 в газоход 16, а затем через аммиачную форсунку 5 в реакционную трубу 3 подается аммиак. В результате взаимодействия аммиака с кислотой в реакционной трубе 3 образуется парожидкостная смесь, состоящая из парогазовой смеси и частично аммонизированного раствора (кислой пульпы), плотность которой значительно ниже чем плотность кислоты, находящейся в верхней сепарационной камере А. Так как соединение реакционной трубы 3 с верхней сепарационной камерой А конструктивно представляет собой два сообщающихся сосуда, то из-за образовавшейся в них разности плотностей, парожидкостная смесь из реакционной трубы 6 через тангенциальный ввод 3 поступает в верхнюю сепарационную камеру А. Благодаря тангенциальному вводу 3 парожидкостная смесь приобретает вращательное движение. Под действием центробежной силы кислая пульпа и ее брызги отделяются от парогазовой смеси и поступает на перфорированную тарелку 20, а парогазовая смесь через пароотводящий патрубок 22 и брызгоуловитель 23 выводится из аппарата. Наличие бортика 21 обеспечивает определенную толщину слоя кислой пульпы (pH 4) на поверхности перфорированной тарелки 20, что создает для непрерывного диспергирования через ее отверстия частично аммонизированного раствора. Кислая пульпа, пройдя через перфорированную тарелку 20, в виде капель попадает в слой кислоты и смазывается с ней. За счет постоянной подачи аммиака в аммиачную форсунку 5 в реакционной трубе 3 непрерывно образуется парожидкостная смесь, которая также непрерывно поступает в верхнюю сепарационную камеру А. Поступающая в верхнюю сепарационную камеру А кислая пульпа после смещения ее с исходной кислотой, делится на два потока. Один поток направляется по патрубку 6 через колено 4 в реакционную трубу 3, осуществляя тем самым движение кислой пульпы по циркуляционному контуру В, а другой поток через сливную трубу 18 поступает на диспергирующее устройство 17, которым диспергируется внутри газохода 16, а затем по парогазовому патрубку 15 сливается в нижнюю сепарационную камеру Б. Так как нижняя сепарационная камера Б соединена через коническое днище 10 с циркуляционной трубой 9, то кислая пульпа из нижней сепарационной камеры Б поступает в циркуляционную трубу 9, а затем через соединительный патрубок 11 в реакционную камеру 13, куда по мере ее заполнения кислой пульпой через аммиачную форсунку 14 подают аммиак.

В результате взаимодействия аммиака и кислой пульпы в реакционной трубе 13 происходит ее доаммонизация с образованием парогазовой смеси и аммонизированной пульпой с заданным значением pH. Парогазовая смесь и аммонизированная пульпа образуют в реакционной камере 13 двухфазный поток, плотность которого намного ниже плотности аммонизированной пульпы (или кислой пульпы), находящейся в циркуляционной трубе 9. Благодаря этой разности возникает интенсивное движение двухфазного потока вверх по реакционной камере 13, который через тангенциальное соединение реакционной камеры 13 поступает в нижнюю сепарационную камеру Б, где происходит ее разделение на парогазовую смесь и аммонизированную пульпу. Часть аммонизированной пульпы выводится из газожидкостного реактора в виде продукта на дальнейшую технологическую переработку через переливное устройство 8, а другая, смешавшись с вновь поступившей из парогазового патрубка 15 кислой пульпой, направляется в циркуляционную трубу 9, из которой она вновь попадает в реакционную камеру 13, где снова взаимодействует с аммиаком, образуя парогазовую смесь и аммонизированную до заданного значения pH пульпу, т. е. непрерывное движение аммонизированной пульпы осуществляется по циркуляционному контуру Г. В то же время попавшая в нижнюю сепарационную камеру Б парогазовая смесь, состоящая из пара и аммиака, очищается от основного количества брызг и направляется парогазовый патрубок 15 в газоход 16, орошаемый с помощью диспергирующего устройства 17 кислой пульпой, поступающей по сливной трубе 18 из верхней сепарационной камеры А. Благодаря этому при движении парогазовой смеси вверх по газоходу 16 происходит ее первичная очистка от аммиака и брызг аммонизированной пульпы, неуловленных в нижней сепарационной камере Б. Первичная стадия очистки, осуществляемая всем количеством кислой пульпы, позволяет очистить парогазовую смесь от аммиака на 60-70% от общего количества, содержащегося в парогазовой смеси на выходе из нижней сепарационной камеры Б. При дальнейшем своем движении по газоходу 16 парогазовая смесь очищается от оставшегося количества аммиака и брызг аммонизированной пульпы, подаваемой через диспергирующее устройство 19 исходной кислотой. Благодаря конструкции газохода 16 парогазовая смесь движется на последнем его участке вертикально вниз вместе с каплями исходной кислоты, подаваемой через диспергирующее устройство 19, что обеспечивает еще одну стадию поглощены (очистки) вредных компонентов из парогазовой смеси (аммиака и брызг). Таким образом, не изменяя общего количества исходной кислоты направляемой в газожидкостной реактор, а только перераспределяя ее в газоходе 16 между диспергирующими устройствами 19, в ДГР достигается независимо от заданного значения pH аммонизированной пульпы и концентрации исходной кислоты высокая степень очистки парогазовой смеси от аммиака и брызг аммонизированной пульпы. При контакте парогазовой смеси, имеющей температуру 105-125^оС, с каплями исходной кислоты (20-40^оС) осуществляется интенсивный теплообмен, в результате которого происходит полная утилизация тепла перегретого пара. На выходе из газохода 16 парогазовая смесь попадает в пространство между перфорированной тарелкой и слоем кислой пульпы, находящейся на перегородке 2 в нижней части верхней сепарационной камеры А, где она меняет вектор своего движения и скорость. Одновременно с этим из реакционной трубы через тангенциальный ввод 3 на поверхность перфорированной тарелки 20 поступает кислая пульпа. Как указывалось выше, благодаря бортика 21 на поверхности перфорированной тарелки 20 постоянно существует слой кислой пульпы, которая, проходя через отверстия в перфорированной тарелке 20, непрерывно орошает это пространство. Для осуществления стабильной и более глубокой очистки парогазовой смеси часть газохода 16, расположенная под перфорированной тарелкой 20, опущена в слой кислой пульпы, находящейся на поверхности перегородки 2. Таким образом, парогазовая смесь вышедшая из газохода 16, вновь подвергается очистки от вредных компонентов, что исключает возможность механического проскока парогазовой смеси из нижней сепарационной камеры В, несмотря на резкие изменения технологических параметров (расхода реагирующих компонентов, концентрации реагентов, pH аммонизированной пульпы). При выходе из этого пространства парогазовая смесь поднимается вверх между перфорированной тарелкой 20 и боковой поверхностью верхней сепарационной камеры А, а затем в пространстве, находящемся выше перфоpиpованной тарелки 20, смешивается с паром, вышедшим из реакционной трубы. Образовавшаяся смесь паров поднимается вверх и через пароотводящий патрубок 22 поступает в брызгоуловитель 23, где очищается от брызг и фтора (если исходная кислота содержит F), а затем выводится в атмосферу. Расположение перфорированной тарелки 20 относительно тангенциального ввода 3 зависит от ряда факторов (гидродинамического режима движения двухфазного потока, физико-механических свойств аммонизированного раствора, содержания твердых взвесей и солей). При использовании в производстве минеральных удобрений кислот с высоким содержанием твердых взвесий и при работе газожидкостного реактора на низкой удельной производительности (ниже 10% от проектной мощности), на наклонной перегородке 2 отложение солей и твердых взвесей. Для ликвидации этого явления перфорированная тарелка 20 устанавливается на расстоянии не менее 0,05 D_т.в. (диаметра тангенциального ввода 3) от верхней точки соединения верхней сепарационной камеры А с тангенциальным вводом 3. Такое расположение перфорированной тарелки 20 дает возможность разделить поток кислой пульпы, выходящей из тангенциального ввода 3, на две части. Одна часть потока заполняет сверху поверхность перфорированной тарелки 20 кислой пульпой, а другая, находясь под ней, непрерывно смывает с перегородки 2 отложение твердых взвесей и солей, используя для этого кинетическую энергию потока. Расположение перфорированной тарелки 20 к верхней точке на расстоянии ближе чем 0,05 D_т.в. приводит к риску, связанному с появлением аммиака в отходящих газах, вследствие недостаточного орошения пространства между перфорированной тарелкой 20 и слоем кислой пульпы в верхней сепарационной камере А. В тоже время расположение перфорированной тарелки 20 ниже верхней точки на расстояние превышающее 4 D_т.в. нецелесообразно, т. к. приводит к нарушению циркуляции кислой пульпы в циркуляционном контуре В и, как следствие этого, к возникновению механических проскоков аммиака и брызг в атмосферу.

Отличительные конструктивные особенности ДГР позволили успешно решить задачу утилизации и очистки высокотемпературной парогазовой смеси, получаемой при высоких значениях pH(=5) аммонизированной пульпы или при нейтрализации высококонцентрированных кислот аммиаком, путем многократного ее орошения исходной кислотой и кислой пульпой, а также добиться стабильной и устойчивой работы реактора несмотря на колебания технологических параметров во время эксплуатации и значительно расширить диапазон варьирования производительности. Однако при большом содержании в исходной кислоте твердых взвесей или полуторных соединений, которые приводят к резкому изменению вязкости кислых пульп, концентрация аммиака в отходящих из газожидкостного реактора парах может существенно превысить равновесную концентрацию. Причиной этого является наличие механических проскоков аммиака через слой кислой пульпы, находящейся в реакционной трубе 3, которые возникают при недостаточно высокой турбулизации двухфазного потока, что приводит к снижению процесса массообмена. С целью интенсификации процесса массообмена и увеличения диапазона использования в газожидкостном реакторе ДГР кислот, оси двух сепарационных камер А и Б смещены относительно друг друга, а наклонная перегородка 2 снабжена опускной трубой 24, которая соединена через патрубок 6 и колено 4 с реакционной трубой 3, образуя тем самым с верхней частью сепаратора 1 циркуляционный контур В, у которого патрубок 6 и колено 4 находятся ниже перегородки 2.

При подаче аммиака через аммиачную форсунку 5 в реакционной трубе 3, также как и в вышеописанной конструкции ДГР, образуется парожидкостная смесь, состоящая из кислой пульпы и пара, которая через тангенциальный ввод 3а выбрасывается в верхнюю сепарационную камеру А, где разделяется на пар и кислую пульпу. Пар отводится через пароотводящий патрубок 22 и брызгоуловитель 23 в атмосферу, а кислая пульпа поступает на поверхность перфорированной тарелки 20 и через ее отверстия в виде капель попадает в слой кислой пульпы, находящейся на перегородке 2, где смешивается с кислотой, поступающей из диспергирующего устройства 19. Так как перегородка 2 выполнена наклонной, то кислая пульпа стекает по ней в опускную трубу 24, заполняет ее и соединенные с ней патрубок 6, колено 4 и реакционную трубу 3. Смещение верхней и нижней сепарационных камер А и Б обуславливается необходимостью выноса опускной трубы 24 из объема нижней сепарационной камеры Б, в которой температура парогазовой смеси выше температуры кипения кислой пульпы. Поэтому размещение опускной трубы 24 в объеме нижней сепарационной камере Б приводит к вскипанию в ней кислой пульпы, что неизбежно влечет за собой нарушение циркуляции и, как следствие этого, вызывает снижение интенсивности процесса массообмена, а также уменьшает диапазон варьирования производительности, т. е. делает совершенно невозможным работу ДГР на низких нагрузках. За счет наличия в циркуляционном контуре опускной трубе 24 увеличивается не только путь прохождения кислой пульпы в реакционной трубе 3 но и скорость движения в ней парогазовой смеси. В свою очередь, увеличение скорости движения парожидкостной смеси способствует (в силу тексотропных свойств аммонизированных пульп) увеличение текучести кислой пульпы (т. е. снижению вязкости) и одновременно с этим усилению турбулентности потока парожидкостной смеси внутри реакционной трубы 3. Увеличение турбулентности потока парожидкостной смеси, ее пути пробега внутри реакционной трубы 3 и снижение вязкости кислой пульпы с возрастанием ее скорости движения приводит к значительному росту поверхности контактирования между кислой пульпой и аммиаакам, а также способствует интенсивному разрушению парогазовых пузырей большого диаметра, являющихся основной причиной механического проскока аммиака в верхнюю сепарационную камеру А.

В случае профилактических или аварийных остановок газожидкостного реактора ДГР слив кислой пульпы из верхней сепарационной камеры А осуществляется через аварийный штуцер 7, расположенный на циркуляционном контуре В, а слив аммонизированной пульпы проводится через штуцер 12, находящийся на циркуляционном контуре Г.

Таким образом, несоосное расположение верхней сепарационной камеры А относительно нижней сепарационной камеры Б и одновременно с этим наличие опускной трубы 24, вынесенной за пределы сепаратора 1 и укрепленной в перегородке 2, интенсифицирует процесс массообмена в газожидкостном реакторе ДГР, а также увеличивает диапазон варьирования производительности и концентраций, используемых кислот, т. е. увеличивает область применения аппарата.

Из вышеописанного следует, что предлагаемый газожидкостной реактор ДГР отличается от прототипа следующими конструктивными особенностями.

В предлагаемой конструкции газожидкостного реактора имеется два циркуляционных контура, принадлежащих различным сепарационным частям, причем ни один из циркуляционных контуров не имеет трубы Вентури.

В реакторе ДГР отсутствует орошаемый скруббер Вентури и возвратная труба.

Конструкция ДГР не содержит подъемной трубы с сопло Ловаля.

Газожидкостной реактор ДГР имеет орошаемый кислотой и кислой пульпой газоход, который выходит из нижней сепарационной камеры и заканчивается внутри верхней сепарационной камеры перфорированной тарелкой, расположенной относительно верхней точки соединения тангенциального ввода с верхней частью сепаратора на 0,1-4 D_т.в.

Верхняя сепарационная камера в предлагаемом реакторе сообщается своей нижней частью с газоходом посредством патрубка, который входит внутрь газохода и заканчивается диспергирующим устройством.

Перегородка, разделяющая в газожидкостном реакторе ДГР сепаратор на две части, выполнена под наклоном.

Подача исходной кислоты в верхнюю и нижнюю сепарационные камеры в предлагаемом газожидкостном реакторе осуществляется через газоход.

В отличие от прототипа сепарационные части в предлагаемом реакторе установлены по параллельным осям.

В газожидкостном реакторе ДГР кислая пульпа из верхней сепарационной части направляется сначала в газоход, где движется противотоком относительно движению парогазовой смеси, а затем поступает в нижнюю часть сепаратора.

Использование газожидкостного реактора ДГР в производстве минеральных удобрений позволяет осуществлять полную утилизацию тепла перегретого пара, полученного за счет энергии химических реакций, использовать кислоты, содержащие твердые взвеси, увеличить диапазон вартирования производительности, а также снизить удельные затраты сырья (аммиака и применяемых кислот) для получения готового продукта. Основным преимуществом реактора является его высокая экологичность, особенно при получении продуктов с большим содержанием аммиака. Применение в технологических схемах производства минеральных удобрений ДГР позволит отказаться на стадии проведения процесса нейтрализации кислот аммиаком от установки абсорбционного оборудования, что в конечном счете приведет к снижению энергетических и материальных затрат.

Сущность изобретения: изобретение относится к конструкциям аппаратов, в которых проводится реакция нейтрализации кислот аммиаком в производстве минеральных удобрений. Газожидкостный реактор содержит сепаратор, разделенный перегородкой на две части, нижняя чясть которого снабжена циркуляционным контуром с форсункой для ввода аммиака, и патрубки для ввода реагентов и вывода продуктов реакции. Верхняя часть сепаратора снабжена циркуляционным контуром, а нижняя часть оборудована газоходом, второй конец которого входит в верхнюю часть сепаратора и заканчивается перфорированной тарелкой, расположенной относительно верхней точки соединения тангенциального ввода с верхней частью сепаратора на 0,1-4D_т.в, где D_т.в - диаметр тангенциального ввода. Газоход имеет диспергирующие устройства для подачи кислоты, расположенные над уровнем кислой пульпы, и диспергирующее устройство для кислой пульпы, расположенное на ее уровне. Оси частей сепаратора смещены относительно друг друга, а перегородка наклонена к горизонту и снабжена опускной трубой. 2 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. ГАЗОЖИДКОСТНЫЙ РЕАКТОР, содержащий сепаратор, разделенный перегородкой на две части, нижняя из которых снабжена циркуляционным контуром с форсункой для ввода аммиака, и патрубки для ввода реагентов и вывода продуктов реакции, отличающийся тем, что верхняя часть сепаратора снабжена циркуляционным контуром с тангенциальным вводом, а нижняя часть сепаратора газоходом, один из концов которого имеет размещенную в верхней части сепаратора перфорированную тарелку, расположенную от верхней точки соединения тангенциального ввода с верхней частью сепаратора на расстояние 0,1-4,0 т.в. диаметров тангенциального ввода, причем газоход имеет диспергирующие устройства для подачи кислоты, установленные над уровнем кислой пульпы, и диспергирующее устройство для кислой пульпы, расположенное на ее уровне. 2. Реактор по п.1, отличающийся тем, что части сепаратора установлены соосно, а перегородка наклонена к горизонту и снабжена опускной трубой. 3. Реактор по п.1, отличающийся тем, что части сепаратора смещены одна относительно другой.