ПЛАМЕННЫЙ РЕАКТОР Российский патент 1998 года по МПК B01J19/24 

Изобретение относится к области химической технологии получения шестифтористой серы (элегаза), преимущественно к химическому аппаратостроению.

Известен способ получения элегаза фторированием расплава серы при температуре 138 - 149^oC в стальном горизонтальном реакторе диаметром 305 мм, длиной 760 мм [1]. Реактор разделен перегородкой на камеру загрузки и камеру сгорания. Камера загрузки имеет люк для загрузки серы и электронагреватель для ее плавления. Камера сгорания имеет сопло для подачи фтора, охлаждаемое водой, термопару и конденсатор для возгонов серы, расположенной над камерой.

Расплав серы поступает из камеры загрузки в камеру сгорания через отверстие внизу перегородки, закрытое расплавом, что исключает выход фтора в камеру загрузки.

Несмотря на свою простоту, данная конструкция реактора имеет существенные недостатки, которые ограничивают его применение, а именно:
- низкая производительность реактора, которая составляет 0,68 кг/ч по фтору;
- фторирование серы идет на поверхности расплава с выделением большого количества тепла, которое вызывает усиленную коррозию реактора фтором на границе раздела фаз (по ватерлинии) и создает опасность взрыва при взаимодействии фтора с водой в случае прогорания реактора;
- при увеличении производительности реактора возникает проблема отвода большого количества тепла и подбора коррозионностойкого материала реактора;
- возгоны серы, уносимые из ректора элегазом, являются основной причиной забивки коммуникаций.

Наиболее близким к изобретению по конструкции и совокупности признаков является пламенный реактор с охлаждаемыми стенками, применяемый для получения гексафторида урана фторированием окислов урана во взвешенном слое [2].

Реактор представляет собой вертикальный монелевый аппарат, охлаждаемый водой с помощью змеевика, приваренного к стенке. Реактор в верхней части имеет бункер, шнековый питатель и устройство для распыления порошка окислов урана.

В процессе работы реактора окислы урана и фтор вводятся в верхнюю часть реактора, где немедленно реагируют, образуя зону горения непосредственно у устья питателя. Во избежание образования спеков температура в зоне реакции поддерживается 450 - 550^oC за счет подачи разбавленного азотом фтора, что предохраняет монелевый реактор от коррозии (от прогорания). Отвод газообразного гексафторида урана осуществляют через боковой штуцер.

Для получения элегаза целесообразно использовать природный минерал пирит, при фторировании которого не образуются возгоны серы и, кроме того, одновременно получаются два товарных продукта: элегаз, применяющийся в электротехнической промышленности при производстве высоковольтных кабелей и конденсаторов, и фторид железа, применяющийся в производстве сильных магнитов.

Однако пламенный реактор имеет существенные недостатки, которые не позволяют его использовать для получения элегаза фторированием пирита:
- из-за большого теплового эффекта реакции фторирования пирита (6476,3 ккал/кг), который в два раза выше, чем при фторировании окислов урана, возникает проблема отвода большого количества тепла;
- фтор, разбавленный азотом, вводится в верхнюю часть реактора с помощью форсунки, охлаждаемой водой, в результате чего высокотемпературная зона реакции находится в устье питателя, что приводит к сильному разогреву и коррозии питателя фтором (прогоранию). В условиях фторирования пирита это недопустимо из-за опасности взрыва при взаимодействии фтора с водой в случае прогорания охлаждаемой форсунки;
- разбавление фтора азотом снижает производительность реактора и вводит дополнительный реагент, усложняющий газоочистку.

Техническая задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в том, чтобы при фторировании пирита снизить тепловую нагрузку на питатель и стенки реактора и защитить их от коррозии фтором.

Для решения поставленной задачи в пламенном реакторе для получения шестифтористой серы (элегаза), содержащей корпус, питатель, бункер, патрубки для подачи фтора и отвода товарного продукта, устройство для выгрузки твердых остатков и систему охлаждения, в отличие от прототипа, поставленная цель достигается тем, что гелий и образующаяся при фторировании пирита шестифтористая сера (элегаз) используют в качестве теплоносителей и инертной среды для защиты питателя и стенок реактора от коррозии фтором за счет "мертвых" зон, образуемых в верхней и нижней частях реактора и дополнительно введенных в конструкцию реактора: раструба, установленного в устье питателя; сифона для отбора товарного продукта (элегаза); сифона для отбора горячего элегаза на охлаждение; кольцевого коллектора с отверстиями внизу, расположенного в верхней защитной зоне реактора, который при подаче в него охлажденного элегаза создает защитную зону вдоль стенок реакционной зоны из ниспадающего потока холодного газа; патрубок для отвода горячего гелия на охлаждение, расположенный в самой верхней точке реактора, и патрубок для ввода охлажденного гелия, которые с установленными дополнительно узлом охлаждения (холодильник, фильтр, газодувка) обеспечивают отвод из верхней части реактора тепла, выделяющегося при фторировании пирита. Правовая защита на узел охлаждения авторами не испрашивается.

Кроме того, патрубок для ввода фтора в реактор расположен в защитной зоне, вне зоны горения пирита.

Технический результат изобретения заключается в следующем.

1. В конструкции реактора исключен прямой контакт фтора с питателем и стенками реактора, находящимися при высокой температуре, что соответственно исключает их коррозию и прогорание во фторе.

2. Отвод тепла, выделяющегося при фторировании пирита, осуществляется гелием и товарным продуктом элегазом.

3. При работе реактора исключается опасность взрыва при взаимодействии фтора с водой, т.к. охлаждающая вода соприкасается со стенками, контактирующими с инертными газами.

4. Увеличивается производительность реактора, т.к. отсутствуют ограничения по тепловой нагрузке.

5. Процесс фторирования пирита избавлен от необходимости ввода постороннего реагента для разбавления фтора с целью снижения теплового эффекта реакции фторирования пирита.

Заявителю не известны пламенные реакторы для получения шестифтористой серы, в которых искусственно созданы "мертвые" зоны с использованием гелия и образующегося товарного продукта (элегаза) в качестве теплоносителя и инертной среды для защиты питателя и стенок реактора от коррозии фтором за счет введения в конструкцию реактора дополнительно: раструба, установленного в устье питателя; сифона для отбора товарного продукта (элегаза); сифона для отбора горячего элегаза на охлаждение; кольцевого коллектора для ввода в реактор охлажденного элегаза, расположенного в верхней защитной зоне гелия; патрубка для отбора горячего гелия на охлаждение и патрубка для ввода в реактор охлажденного гелия.

Кроме того, реактор отличается от прототипа тем, что патрубок для ввода фтора в реактор расположен в защитной зоне.

Это подтверждает, что представленное изобретение критериям "новизны" и "изобретательского уровня" удовлетворяет.

Заявленное устройство использует освоенные промышленностью материалы, технически воспроизводимо и показывает, что оно промышленно применимо.

На фиг. 1 представлена схема пламенного реактора. На фиг. 2 - схема распределения защитных зон и направления конвективных потоков. На фиг. 3 - сечение по А-А фиг. 2.

Реактор содержит корпус 1, в верхней части которого расположены бункер 2, питатель 3 и раструб 4 для подачи измельченного пирита в реактор. В нижней части реактора расположены люк 5 для выгрузки фторида железа, а также сифон 6 для отвода элегаза из нижней части реактора в качестве товарного продукта и сифон 7 для отвода элегаза на охлаждение. Сифоны 6 и 7 защищены от забивки фторидом железа жалюзийными решетками 8. Тепло, выделяющееся при фторировании пирита, отводится с помощью элегаза, который после охлаждения возвращается в реактор через патрубок 9 в кольцевой коллектор 10. (Узел охлаждения не показан).

Кольцевой коллектор 10 имеет отверстия 11 для равномерного распределения потока охлажденного элегаза вдоль стенок реактора, образующего защитную зону 12. Корпус реактора снабжен патрубком 13 для подачи фтора в реакционную зону 14. В верхней части реактор имеет патрубок 15 для подпитки и подачи охлажденного гелия в охлажденную зону 16, а также патрубок 17 для отвода горячего гелия на охлаждение. Реактор имеет рубашку 18 для охлаждения и патрубок 19 для отвода охлаждающей воды и патрубок 20 - для подвода, а также узлы для охлаждения гелия и элегаза (на фиг. 1 не показаны).

Расстояние H между верхней 21 и нижней 22 границами реакционной зоны 14 определяется из расчета производительности реактора и кинетического уравнения скорости реакции фторирования пирита.

Объем V₁₆ защитной зоны 16 из гелия выбирается в зависимости от тепловой нагрузки, зависящей от производительности реактора, но, в любом случае, не менее двукратного объема суммы всех внутренних полостей узла охлаждения гелия, т.е.:
V₁₆≥2V_y.охл.
Исходя из объема V₁₆защитной зоны из гелия, находим ее высоту H₂:
,
где H₂ - высота зоны гелия, м;
V₁₆ - объем зоны гелия, м³;
V_y.охл. - объем всех внутренних полостей узла охлаждения, м³;
d - диаметр реактора, м.

Длина раструба L_р выбирается исходя из высоты H₂ из соотношения:

h_п - высота защитного слоя гелия (от границы 21 до кромки раструба), теряемого через раструб при загрузке бункера пиритом;
V_рас. - объем раструба, м³;
V_пит. - объем питателя, м³.

Объем и соответственно высота H₃ защитной зоны 23 из элегаза выбираются в зависимости:
- от производительности реактора;
- от периодичности операций загрузки-выгрузки, т.е. объема фторида железа, накапливающегося на дне реактора за цикл;
- от суммы объемов всех внутренних полостей узла охлаждения элегаза.

Максимально допустимый уровень фторида железа на дне реактора не должен превышать границу 22 реакционной зоны во избежание "перелива" фтора в узел охлаждения элегаза.

Исходя из вышеизложенного, объем защитной зоны из элегаза V₂₃ выбирают из соотношения: V₂₃≥ + 2V_y.охл.,
где
- объем, занимаемый фторидом железа, м³;
V_y.охл. - объем всех внутренних полостей узла охлаждения элегаза, тогда:

Положение патрубков 6 и 7 для отбора товарного элегаза и элегаза, идущего на охлаждение, определяет стабильность защитных зон как в статических, так и в динамических условиях при работе реактора. На фиг. 2 видно, что давление высоты столба гелия H₂ и фтора H₁ на "зеркало" шестифтористой серы (элегаза) (по сечению Б-Б) уравновешивается давлением столба элегаза, находящегося в сифоне 6 выше уровня 22 (выше сечения Б-Б), т.е.:

H₂ - высота защитной зоны 16 из гелия, м;
H₁ - высота реакционной зоны 14 фтора, м;
Δh - разность между уровнями 22 элегаза в реакторе и сифоне, м;
- плотности гелия, фтора и шестифтористой серы (элегаза) соответственно;
ΔR - сопротивление трубопровода ( ΔR принята = 0, т.к. скорость истечения элегаза в трубопроводе мала и ею можно пренебречь).

Из уравнения находим:

что определяет положение патрубка 6 и 7 над зоной H₃ и обеспечивает сохранение объема защитных зон.

Реактор работает следующим образом.

В бункер 2 загружают измельченный пирит, после чего бункер 2 и реактор 1 герметизируют, затем вакуумируют до давления 0,1 - 0,2 мм рт.ст. и заполняют гелием до расчетного объема. Затем реактор через патрубок 13 заполняют фтором до атмосферного давления, при этом фтор вытесняет гелий в верхнюю часть реактора, где происходит их расслоение с образованием двух зон 16 и 14 и границы раздела 21. При этом раструб 4 будет находиться в защитной зоне 16 из гелия. Граница гелия должна быть ниже патрубков 9, 15 и кольцевого коллектора 10. Затем из бункера 2 питателем 3, через раструб 4 в реакционную зону 14 подают измельченный порошок пирита при минимальной производительности реактора. Проходя границу 21, порошок пирита попадает в реакционную зону 14, где сгорает во фторе с образованием шестифтористой серы (элегаза) и фторида железа. Реакция протекает по уравнению:
FeS₂+7,5F₂_→ FeF₃+2SF₆
Твердые частицы фторида железа оседают на дне реактора, из которого в виде порошка периодически выгружаются через люк 5. Тяжелый элегаз собирается в нижней части реактора, где накапливается до тех пор, пока не будет достигнуто условие:

которое выполняется по достижении уровня элегаза до границы 22. Элегаз, накопившись до границы 22, по сифону 6 стекает в сборник элегаза, из которого поступает дальше на очистку (сборник на фиг.1 не показан). С этого момента реактор выводят на проектную производительность, при этом осуществляют отбор элегаза на охлаждение через сифон 7, после чего охлажденный элегаз поступает через патрубок 9 в коллектор 10, выходя из которого через отверстия 11 образует защитную зону 12 из ниспадающего потока холодного газа, который, охлаждая и разбавляя фтор у стенок реакционной зоны, защищает последние от коррозии фтором.

Как видно из уравнения, фторирование пирита идет с уменьшением объема образующихся газов в 3,75 раза, в результате чего в реакторе создается разрежение, которое через патрубок 13 подсосет фтор из ресивера до атмосферного давления. (Ресивер не показан). Таким образом, в реакторе процесс фторирования пирита становится саморегулирующимся и производительность реактора будет зависеть от скорости подачи пирита. При установившемся режиме в реакторе произойдет расслоение гелия, фтора и элегаза с образованием защитных зон 16, 12 и 23, которые исключат прямой контакт фтора с питателем и стенками реактора, предохраняя последние от коррозии.

В подтверждение сказанного производят простые расчеты. Плотности гелия, фтора и шестифтористой серы (элегаза) составляют соответственно 0,178, 1,696 и 6,5 кг/м³ [3]. Тогда сила G₁, с которой грамм-молекула гелия выталкивается из фтора, составляет:

где 0,0224 - объем грамм-молекулы гелия, м³. Эта сила направляется вверх, в результате чего будет накапливаться в верхней части реактора, образуя защитную зону 16.

Сила G₂, действующая на грамм-молекулу шестифтористой серы, будет G₂=gM= 9,81•0,14605=1,4227 кгм/с²,
где g=9,81 - ускорение падающего тела, м/с²;
M - масса грамм-молекулы шестифтористой серы, кг.

Сила G₂ действует вниз на дно реактора и вытесняет фтор и гелий в верхнюю часть реактора. Таким образом, в самой верхней точке реактора образуется зона чистого гелия, а на дне реактора будет зона чистого элегаза. Поскольку из реактора отбирается на охлаждение элегаза и гелия столько, сколько возвращается после охлаждения, то при установившемся динамическом режиме образуются защитные зоны, о которых упоминалось выше.

Изобретение относится к области химической технологии получения шестифтористой серы (элегаза), преимущественно к области химического аппаратостроения. Сущность изобретения: реактор содержит корпус, питатель, бункер, патрубки для подачи фтора и отвода товарного продукта, устройство для выгрузки твердых остатков и систему охлаждения, раструб, установленный в устье питателя; сифон для отбора элегаза на охлаждение; кольцевой коллектор для ввода в реактор охлажденного элегаза, расположенный в верхней защитной зоне гелия; патрубок для отбора гелия на охлаждение и патрубок для ввода в реактор охлажденного гелия, при этом патрубок для ввода фтора в реактор расположен в защитной зоне. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Пламенный реактор, содержащий корпус, бункер, питатель, патрубки для подачи фтора и отбора газообразного товарного продукта, устройство для выгрузки твердых остатков и систему охлаждения, отличающийся тем, что он снабжен раструбом, установленным в устье питателя, формирующим защитную зону из легкого инертного гелия в верхней части реактора, сифоном, установленным на патрубке для отбора газообразного товарного продукта, формирующим защитную зону из тяжелого инертного товарного продукта в нижней части реактора, сифоном для отбора газообразного товарного продукта на охлаждение, кольцевым коллектором для ввода в реактор охлажденного товарного продукта, расположенным на уровне нижней кромки раструба, формирующим защитную зону из охлажденного газа вдоль стенки реактора, патрубком для отбора гелия на охлаждение и патрубком для ввода в реактор охлажденного гелия. 2. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что зона горения реактора смещена вниз от верхней стенки реактора и питателя на днище раструба. 3. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что патрубок для ввода фтора в реактор расположен в защитной зоне на уровне нижней кромки раструба.