РЕАКТОР ТЕРМИЧЕСКОЙ СТУПЕНИ ПРОЦЕССА КЛАУСА Российский патент 2001 года по МПК C01B17/00 C01B17/04 

Изобретение относится к конструкции реактора термической ступени процесса Клауса.

Известен реактор термической ступени процесса Клауса (а.с. N 1600074, В 02 J 19/26 "Реактор термической ступени процесса Клауса"), содержащий цилиндрический корпус, размещенные у торца дополнительные соосные цилиндрические камеры (перпендикулярные его оси), горелочные устройства и котел-утилизатор. Интенсификация процесса горения осуществляется в нем за счет взаимодействия встречных вращающихся потоков и равномерного течения продуктов горения по оси реактора.

Недостатками этой конструкции являются значительная металлоемкость и сложность конструкции, значительные энергозатраты, проскок пламени в амбразуры горелок и, как следствие, их разрушение.

Известен также реактор с щелевыми горелками (см. Грунвальд В. Р. "Технология газовой серы". М., Химия, 1992 г., с. 154), которые еще называют "низкотехническими" ("Low-tech").

К недостаткам термических реакторов с горелками такого типа относятся недостаточно эффективное перемешивание воздуха и кислого газа на входе в печь, отсутствие стабилизатора воспламенения, проскок пламени в амбразуру горелки, разрушение головки горелки и сопел топливного газа.

Наиболее близким по своей сущности к заявленному является реактор термической ступени процесса Клауса, описанный в RU 2145257 C1, 10.02.2000 и состоящий из цилиндрической камеры и тангенциально установленной горелки.

Недостатками данной конструкции являются отсутствие устройства для предварительного смешения воздуха и кислого газа, слабая рециркуляция газов в объеме реактора и неравномерное течение продуктов горения по его оси. Это приводит к снижению эффективности процесса горения кислого газа, неэффективному использованию объема реакционного пространства реактора и низкой степени конверсии сероводорода.

Целью изобретения является интенсификация процесса горения за счет предварительного смешения воздуха и газа, а также обеспечение равномерного движения продуктов горения в реакционной камере.

Предварительное смешение воздуха и газа достигается тем, что в амбразуре горелки перед трубами подачи кислого газа установлен рассекатель с диаметром основания, равным 0,65-0,8 диаметра цилиндрической части амбразуры горелки. Горелка выполнена в виде двух концентрических труб для ввода кислого газа, расположенных по центру амбразуры горелки.

Основание рассекателя расположено в плоскости, перпендикулярной оси горелки, а вершина - по центру горелки внутри труб кислого газа, что приводит к образованию между наружной поверхностью рассекателя, обечайками газовых труб и амбразурой горелки кольцевых каналов, площади проходного сечения которых выполнены в соотношении, обеспечивающем изокинетическое истечение сред из кольцевых каналов.

Обеспечение равномерного движения продуктов горения в реакционной камере достигается тем, что выходное отверстие амбразуры горелки выполнено равным 0,45-0,7 диаметра реакционной камеры и расположено относительно оси реактора с величиной эксцентриситета равной 0,05-0,2 его диаметра.

На чертеже показана общая схема реактора.

Реактор содержит цилиндрическую реакционную камеру 1, тангенциально установленную горелку 2 с кольцевой воздушной камерой 3, лопатки 4, соосные трубы 5 и 6 для подачи кислого газа, амбразуру горелки 8, выполненную в виде сопряженных цилиндра и усеченного конуса, коллектор с соплами 9 для подачи топливного газа и рассекателя 7, закрепленного вершиной внутри труб кислого газа и образующего между обечайками труб и цилиндрической частью амбразуры горелки кольцевые каналы 10, 11 и 12.

При этом рассекатель может быть выполнен в виде конуса, полуэллипса, полушара, диска или усеченного конуса.

Реактор работает следующим образом. Кислый газ подается в зону смешения горелки по центральным трубам 5 и 6 и кольцевым каналам 10,11 под углом 60 - 90^o к оси горелки, а воздух - по внешней кольцевой камере 3. Топливный газ поступает в реакционную камеру через коллектор 9. При этом подача кислого газа в кольцевой зазор 12 между рассекателем 7 и амбразурой горелки 8 под углом к направлению потока воздуха обеспечивает интенсивное перемешивание воздуха и кислого газа и стабилизирует процесс горения за счет рециркуляции продуктов горения в вихре за рассекателем, а выполнение диаметра рассекателя равным 0,65 - 0,8 диаметра амбразуры горелки и обеспечение изокинетичности течения сред в кольцевых каналах исключают проскок пламени в амбразуру, разрушение горелки и коллектора топливного газа. Дальнейшее увеличение соотношения диаметров приводит к отрыву пламени и нестабильной работе реактора.

Продукты горения через отверстие на выходе из амбразуры горелки подводятся тангенциально в цилиндрическую реакционную камеру.

Т. к. выходное отверстие амбразуры горелки расположено эксцентрично относительно оси реактора с величиной эксцентриситета равной 0,05 - 0,2, а его диаметр составляет 0,45 - 0,70 диаметра реакционной камеры, часть газового потока подводится навстречу его вращению.

Подвод части газового потока навстречу вращению вызывает торможение вращения газа вблизи оси аппарата, сведение к минимуму значений тангенциальных скоростей в этой зоне, выравниванию поля осевых скоростей, т.е. равномерному течению продуктов горения по оси аппарата в режиме, близком к режиму полного вытеснения. В результате обеспечивается эффективное использование всего объема реакционного пространства, что приводит к повышению степени конверсии сероводорода.

Минимальная величина эксцентриситета, при которой достигается заметный эффект, должна быть больше или равна 0,05, относительная величина диаметра амбразуры горелки несколько больше 0,5.

Наличие рассекателя позволяет расширить нижний предел значения относительного диаметра амбразуры до 0,45. При величинах эксцентриситета более 0,2, относительном диаметре амбразуры более 0,7 вращение потока становится нестабильным, а движение продуктов горения пульсирующим.

Сравнительные испытания показали значительные преимущества предлагаемой конструкции реактора перед существующими с горелками фирмы "ТЕКНИР". Наряду со значительным увеличением степени конверсии сероводорода (67% вместо 45 - 50%), обеспечение эффективного перемешивания воздуха и кислого газа в горелке приводит к уменьшению концентрации кислорода в продуктах горения, покидающих реакционное пространство, что способствует повышению срока службы катализатора.

Изобретение относится к конструкции реактора термической ступени процесса Клауса, состоящего из цилиндрической камеры и тангенциально установленной горелки, представляющей собой две концентрические трубы для ввода кислого газа, расположенные по центру амбразуры горелки, в которой дополнительно установлен рассекатель, выполненный в виде конуса (полуэллипса, полушара и т.п.), который обеспечивает интенсификацию процесса горения за счет предварительного смешения воздуха и газа, а также обеспечивает равномерное движение продуктов горения в реакционной камере. Изобретение позволяет значительно увеличить степень конверсии сероводорода, обеспечить эффективное перемешивание воздуха и кислого газа в горелке, уменьшить концентрацию кислорода в продуктах горения, покидающих реакционное пространство, повысить срок службы катализатора. 4 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Реактор термической ступени процесса Клауса, состоящий из цилиндрической реакционной камеры и тангенциально установленной горелки, отличающийся тем, что горелка выполнена в виде двух концентрических труб для ввода кислого газа, расположенных по центру амбразуры горелки, причем в амбразуре горелки перед трубами кислого газа устанавливают рассекатель, основание которого расположено в плоскости, перпендикулярной оси горелки, а вершина направлена внутрь газовых труб с образованием между рассекателем, цилиндрической частью амбразуры горелки и обечайками труб кольцевых каналов, площади проходного сечения которых выполнены в соотношении, обеспечивающем изокинетическое истечение сред. 2. Реактор по п.1, отличающийся тем, что диаметр основания рассекателя равен 0,65-0,8 диаметра цилиндрической части амбразуры горелки. 3. Реактор по п.1, отличающийся тем, что выходное отверстие амбразуры горелки расположено эксцентрично относительно оси реактора с величиной эксцентриситета, равной 0,05-0,2 диаметра реакционной камеры. 4. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что диаметр выходного отверстия амбразуры горелки составляет 0,45-0,7 диаметра реакционной камеры. 5. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что рассекатель выполнен в виде конуса, полуэллипса, полушара, диска или усеченного конуса.