НАСАДКА ВЕРТИКАЛЬНОГО ПРЯМОТОЧНОГО РЕАКТОРА Российский патент 2002 года по МПК B01J10/00 B01J19/32 

Изобретение относится к внутренним устройствам химических реакторов для проведения процессов в газожидкостной среде и может быть использовано, например, для синтеза карбамида (мочевины) из аммиака и диоксида углерода при повышенных температурах и давлениях.

Известен реактор для проведения процессов в газожидкостной среде, конкретно для синтеза карбамида, представляющий собой вертикальный футерованный сосуд высокого давления со штуцерами ввода и вывода реагентов (Кучерявый В. И. , Лебедев В.В. Синтез и применение карбамида. - М.: Химия, 1970, с. 316, рис. 237). Внутреннее устройство реактора ограничивается двумя перфорированными перегородками, так что реактор фактически можно считать полым аппаратом.

Недостатком этого аппарата является низкая эффективность. Как установлено в процессе эксплуатации, такие аппараты работают в мало интенсивном режиме, близком к идеальному смешению. При этом удовлетворительную степень превращения диоксида углерода в карбамид Х (~65%) можно обеспечить лишь при низкой удельной производительности П (порядка 300-400 кг/м³•ч). При попытках увеличения значений П до 650-700 кг/м³•ч величина Х снижается до 57-58%, что обусловливает резкое увеличение масштаба рецикла и, как следствие, недопустимое ухудшение технико-экономических показателей.

Известны насадки вертикальных реакторов для проведения процессов в газожидкостной среде, конкретно для синтеза карбамида, содержащие горизонтальные перфорированные перегородки, размещенные по высоте аппарата, позволяющие повысить эффективность смешения жидких и газообразных реагентов между соседними перегородками, обеспечить снижение продольного перемешивания в реакторе и некоторое приближение общей структуры потоков в аппарате к режиму идеального вытеснения (авторские свидетельства СССР 808122, кл. В 01 J 19/00, опубл. 1981 и 1088779, кл. В 01 J 10/00, 19/00, опубл. 1984). Реакторам, которые оборудованы этими насадками, 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.

Известна насадка вертикального реактора для проведения процессов в газожидкостной среде. Данная насадка впервые использована в реакторе синтеза карбамида. Насадка включает горизонтальные перфорированные перегородки и трубчатые контактные устройства, закрепленные своими верхними концами в опорной решетке. Контактное устройство состоит из вертикальных трубчатых элементов круглого сечения: опускного и подъемного, которые соединены между собой в нижней части U-образным трубчатым элементом, выполненным из трубы того же диаметра. Параллельные оси опускного и подъемного элементов размещены на расстоянии двух диаметров трубы или более (предпочтительно от двух до шести). Отношение высоты контактного элемента к диаметру трубы находится в пределах от 40 до 150. Опускной элемент заглушен заглушкой, нижний торец которой размещен ниже нижней плоскости опорной решетки (патент РФ 2168355, кл. В 01 J 10/00, опубл. 2001). Испытания насадки в промышленных условиях показали ее достаточно высокую эффективность. Вместе с тем, недостатком известной насадки является сложность размещения трубчатых контактных элементов, особенно при большом их числе. Сложность размещения трубчатых контактных элементов заставляет использовать контактные элементы разной длины и высоты, что при определенных технологических режимах отрицательно сказывается на равномерности работы из-за различий в гидравлическом сопротивлении элементов. С аналогичными проблемами приходится сталкиваться в стандартных теплообменниках с U-образными трубами (см. учебник "Машины и аппараты химических производств". И. И. Поникаров, О.А.Перелыгин, В.Н.Доронин, М.Г.Гайнуллин. - М.: Машиностроение, 1989, с. 13-15). Кроме того, для изготовления известной насадки требуется большое количество весьма дорогого и дефицитного трубного проката.

Наиболее близкой к предложенной по совокупности существенных признаков и достигаемому эффекту является известная насадка вертикального прямоточного реактора, содержащая горизонтальные перфорированные перегородки и контактные устройства, заглушенные снизу, каждое из которых состоит из закрепленных своими верхними концами в горизонтальной опорной решетке вертикальных опускных и подъемных элементов, причем опускной элемент выполнен заглушенным и сверху с входными отверстиями для жидкости и газа на боковой поверхности его верхней части, а подъемный элемент имеет отверстие на опорной решетке для выхода газожидкостной смеси. Каждое контактное устройство представляет собой трубу, разделенную на опускной и подъемный элементы внутренней вертикальной пластиной, которая в верхней части вплотную примыкает к опорной решетке, а в нижней части не достигает нижнего заглушенного конца трубы (патент РФ 2114691, кл. В 01 J 10/00, опубл. 1998 - прототип).

Конструкция известной насадки направлена на приближение макроскопической структуры потоков в реакторе в целом к режиму идеального вытеснения (особенно в нижней части реактора) и на повышение удельной производительности реактора. Благодаря установке вертикальных контактных устройств, состоящих из опускного и подъемного элементов, в зоне их установки исключается поперечное и продольное перемешивание реакционной среды.

Кроме того, благодаря созданию газовой подушки под опорной решеткой (в зоне входа реагентов в контактные устройства) в нижней части реактора обеспечивается более равномерное распределение газовой фазы по сечению реактора.

Недостатком известной насадки является относительная сложность конструкции, изготовления и сборки контактных устройств и, как следствие, ее дороговизна. Вариант выполнения контактных элементов из трубы предусматривает изготовление узких длинных пластин, ширина которых должна быть точно равна внутреннему диаметру труб, и размещение этих пластин внутри труб без зазоров по краям, что уже представляет трудность, кроме того, трубный прокат значительно дороже и дефицитнее листового. Вариант выполнения контактных элементов из заготовок S-образного сечения с последующей сваркой продольных швов требует повышенного объема сварочных работ. Кроме того, конструкция контактных устройств обусловливает их недостаточную жесткость и возможность возникновения резонанса. Для исключения этого отрицательного явления требуются дополнительные усиливающие элементы, усложняющие конструкцию насадки.

Описанные недостатки устраняются предлагаемым решением.

Решаемая задача - совершенствование конструкции насадки вертикального прямоточного реактора и ее удешевление.

Технический результат предложенной конструкции заключается в упрощении изготовления и сборки контактных устройств и насадки в целом благодаря упрощению конструкции контактного устройства, с использованием в качестве заготовок контактного устройства плоских и гофрированных листов металла.

Этот технический результат достигается тем, что в насадке вертикального прямоточного реактора, содержащей горизонтальные перфорированные перегородки и контактные устройства, заглушенные снизу, каждое из которых состоит из закрепленных своими верхними концами в опорной решетке вертикальных опускных и подъемных элементов, причем опускные элементы выполнены заглушенными и сверху с входными отверстиями для жидкости и газа на боковой поверхности их верхней части, а подъемные элементы имеют отверстия на опорной решетке для выхода газожидкостной смеси, контактные устройства имеют форму линейных блоков, образованных равным количеством опускных и подъемных элементов, которые выполнены закрепленными к опорной решетке вертикальной пластиной и плотно соединенными с ней по обе стороны гофрированными стенками, при этом гофры размещены вертикально, вершины гофр расположены симметрично относительно вертикальной пластины, а пластина в нижней части снабжена перфорацией, сообщающей опускные и подъемные элементы.

Технический результат достигается также тем, что в каждом линейном блоке опускные и подъемные элементы размещены с чередованием их через один гофр, отношение высоты гофра к шагу гофр находится в пределах от 1/2 до 1/5, а отношение высоты контактного устройства к высоте гофра находится в пределах от 30 до 150.

Выполнение контактных устройств в виде линейных блоков, образованных равным количеством опускных и подъемных элементов, которые выполнены закрепленными к опорной решетке вертикальной пластиной и плотно соединенными с нею по обе стороны гофрированными стенками, при этом гофры размещены вертикально, вершины гофр расположены симметрично относительно вертикальной пластины, а пластина в нижней части снабжена перфорацией, сообщающей опускные и подъемные элементы, позволяет отказаться от использования для выполнения контактных устройств насадки весьма дорогого и дефицитного трубного проката.

Размещение опускных и подъемных элементов линейного блока с чередованием обеспечивает более равномерное прохождение газовых и жидких реагентов по сечению реактора.

Выполнение гофр с отношением их высоты к шагу в пределах от 1/2 до 1/5 также способствует достижению технического результата. При отношении более 1/2 ухудшается технологичность изготовления насадки. При отношении менее 1/5 уменьшается проходное сечение насадки, либо резко увеличивается количество линейных блоков, что также ухудшает технологичность изготовления насадки.

При осуществлении изобретения предпочтительно, чтобы отношение высоты контактного устройства к высоте гофр находилось в пределах от 30 до 150. При отношении менее 30 ухудшается стабильность обеспечения гидродинамического режима в реакторе. При отношении более 150 существенно возрастает гидравлическое сопротивление контактного устройства.

Предлагаемая конструкция насадки иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1, 2, 3, 4, 5. На фиг.1 показан продольный разрез вертикального реактора с установленной в нем насадкой, на фиг.2 - конструкция контактных устройств в виде линейных блоков и их размещение на опорной решетке (разрез А-А с фиг.1).

На фиг. 3 - продольный разрез контактного устройства и его крепления к опорной решетке (узел Б с фиг.1).

На фиг. 4 - поперечный разрез контактного устройства в виде линейного блока (разрез В-В с фиг.1).

На фиг. 5 - нижняя часть вертикальной пластины с перфорацией (вид Г с фиг.3).

В соответствии с фиг.1, 2, 3, 4 и 5 реактор, где размещается насадка, содержит вертикальный корпус 1 с крышкой 2, штуцера 3, 4 и 5 для ввода реагентов и штуцер 6 для вывода продуктов синтеза. Насадка реактора состоит из горизонтальных перфорированных перегородок 7, 8 и 9 (количество перегородок и расстояние между ними могут быть различными) и контактных устройств 10, имеющих форму линейных блоков. Каждое устройство 10 состоит из равного числа опускных 11 и подъемных 12 элементов. В каждом контактном устройстве 10 опускные 11 и подъемные 12 элементы размещены с чередованием. Элементы 11, 12 образованы закрепленными к опорной решетке 13 вертикальной пластиной 14 и плотно соединенными с ними гофрированными стенками 15 и 16. Гофры размещены вертикально. Опускные и подъемные каналы контактных устройств образованы вогнутой поверхностью гофр и вертикальной поверхностью (см. фиг.4). Вершины гофр расположены симметрично относительно вертикальной пластины 14. Контактные устройства 10 снизу заглушены горизонтальной пластиной 17, прикрепленной к гофрированным стенкам 15 и 16. Пластина 14 в нижней части снабжена перфорацией 18, сообщающей опускные 11 и подъемные 12 элементы. На боковой стенке опускного элемента 11 под опорной решеткой 13 раздельно расположены входные отверстия для газовой фазы 19 и для жидкой фазы 20. Входные отверстия для газовой фазы 19 расположены выше входных отверстий для жидкой фазы 20. Верхний конец опускного элемента 11 выполнен заглушенным. Выходное отверстие 21 подъемного элемента 12 расположено на опорной решетке 13. Гофрированные стенки 15 и 16 (см. фиг.4) плотно поджаты к вертикальной пластине 14 стяжкой 22 (например, болт с гайкой или электрозаклепка). Опорная решетка 13 установлена в корпусе реактора горизонтально. К опорной решетке 13 верхней кромкой закреплена вертикальная обечайка 23, размещенная соосно корпусу реактора. Высота обечайки перекрывает входные отверстия 19 и 20. Гофры стенок 15 и 16, образующие опускные и подъемные элементы, могут иметь различную форму, а именно синусоидальную, трапециевидную, зигзагообразную, прямоугольную и т. п. При этом отношение высоты гофры к шагу гофр должно находится в пределах от 1/2 до 1/5. Высота контактного устройства должна быть такой, что ее отношение к высоте гофра находится в пределах от 30 до 150.

Благодаря выполнению контактных устройств в виде линейных блоков, объединяющих ряд опускных и подъемных элементов, они отличаются повышенной прочностью, жесткостью и надежностью. Гофрированные стенки могут выполняться из сравнительно тонкого листового металла (в 2-3 раза тоньше толщины труб в насадке - прототипе.

Реактор, оборудованный предложенной насадкой, работает следующим образом. Исходные жидкие и газообразные реагенты (в случае синтеза карбамида - аммиак, диоксид углерода и раствор углеаммонийных солей) вводят в реактор через штуцера 3, 4, 5. Для их смешения и распределения по сечению аппарата предназначена перфорированная перегородка 7. Пройдя перегородку 7, газожидкостная смесь попадает в пространство, заполненное вертикальными контактными устройствами 10. Газовая фаза при опережающем движении вверх образует под опорной решеткой 13 газовую подушку. Благодаря этому газ равномерно распределяется между всеми контактными элементами. Газовая и жидкая фазы раздельно через входные отверстия 19 и 20 соответственно поступают в опускной элемент 11, где контактируют в условиях нисходящего прямотока фаз.

В нижней части контактного элемента газ и жидкость меняют направление движения, проходят через перфорацию 18, где поток перераспределяется по сечению и попадает в подъемный элемент 12. Здесь контактирование происходит уже в условиях восходящего прямотока фаз. Газ и жидкость отводятся из контактного элемента через отверстие 21. Взаимодействие продолжается в пространстве над опорной решеткой 13 и далее в зоне, где установлены перфорированные перегородки 8 и 9. Таким образом, реакционный процесс протекает в объеме реактора, заполненном насадкой в виде перфорированных перегородок и контактных элементов с опускными и подъемными элементами. Продукты реакции отводят через штуцер 6.

Изготовление опытной модели предложенной насадки реактора синтеза карбамида показало, что ее металлоемкость не выше металлоемкости известной насадки, при этом основные технологические показатели (удельная производительность П, степень превращения диоксида углерода в карбамид X) не уступают показателям известной насадки. Вместе с тем, благодаря использованию для контактных устройств только листового проката затраты на изготовление контактных устройств и сборку предложенной насадки меньше на 25-30%.

Изобретение предназначено для проведения процессов в газожидкостной среде, относится к химическому оборудованию, в частности к внутренним устройствам реакторов, и может быть использовано, например, для синтеза карбамида из аммиака и диоксида углерода при повышенных температурах и давлениях. Насадка реактора включает перфорированные перегородки и контактные устройства, заглушенные снизу, закрепленные своими верхними концами в горизонтальной опорной решетке. Контактное устройство состоит из вертикальных опускного и подъемного элементов. Опускные элементы выполнены заглушенными и сверху с входными отверстиями для жидкости и газа на боковой поверхности их верхней части, а подъемные элементы имеют отверстия на опорной решетке для выхода газожидкостной смеси. Контактные устройства имеют форму линейных блоков, образованных равным количеством опускных и подъемных элементов. Элементы образованы закрепленными к опорной решетке вертикальной пластиной и плотно соединенными с ней гофрированными стенками. Гофры размещены вертикально и их вершины расположены симметрично относительно вертикальной пластины, снабженной в нижней части перфорацией, которая сообщает опускной и подъемный элементы. Опускной и подъемный элементы в каждом линейном блоке размещены с чередованием. Гофры могут иметь различную форму: синусоидальную, трапециевидную, зигзагообразную и т.п., при этом отношение высоты гофр к шагу гофр находится в пределах от 1/2 до 1/5. Отношение высоты контактного устройства к высоте гофра должно находиться в пределах от 30 до 150. Технический результат состоит в упрощении изготовления и сборки насадки благодаря использованию в качестве заготовок перфорированных перегородок и контактных устройств только плоских и гофрированных листов металлопроката. Насадка реактора характеризуется высокой эффективностью работы. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Насадка вертикального прямоточного реактора, содержащая горизонтальные перфорированные перегородки и контактные устройства, заглушенные снизу, каждое из которых состоит из закрепленных своими верхними концами в горизонтальной опорной решетке вертикальных опускных и подъемных элементов, причем опускные элементы выполнены заглушенными и сверху с входными отверстиями для жидкости и газа на боковой поверхности их верхней части, а подъемные элементы имеют отверстия на опорной решетке для выхода газожидкостной смеси, отличающаяся тем, что контактные устройства имеют форму линейных блоков, содержащих равное количество опускных и подъемных элементов, которые образованы закрепленными к опорной решетке вертикальной пластиной и плотно соединенными с ней по обе стороны гофрированными стенками, при этом гофры размещены вертикально, а вершины гофр расположены симметрично относительно вертикальной пластины, снабженной в нижней части перфорацией, сообщающей опускные и подъемные элементы, причем опускные и подъемные элементы размещены с чередованием их через один гофр. 2. Насадка вертикального прямоточного реактора по п. 1, отличающаяся тем, что отношение высоты гофр к шагу гофр находится в пределах от 1/2 до 1/5. 3. Насадка вертикального прямоточного реактора по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что отношение высоты контактного устройства к высоте гофра находится в пределах от 30 до 150.