РЕАКТОР С ПСЕВДООЖИЖЕННЫМ СЛОЕМ Российский патент 2010 года по МПК B01J8/24 

Изобретение относится к реактору с псевдоожиженым слоем, снабженному псвдоожижающей камерой, входным газовым портом и выходным газовым портом. При необходимости входной и выходной газовые порты могут быть выполнены в виде множества газоходов.

Предпосылки создания предлагаемого изобретения

Во время работы такого реактора в его псевдоожижающей камере образуется так называемый псевдоожиженный слой. Он состоит из газа, в среде которого распределены твердофазные частицы, и этот газ находится в турбулентном состоянии. В результате этой турбулентности в псевдоожиженном слое обеспечивается хорошее перемешивание твердой и газовой фаз, а также воды, подаваемой в псевдоожиженный слой, благодаря чему обеспечивается возможность оптимальной массопередачи или адсорбции. В различного рода химических процессах используются классические реакторы с псевдоожиженным слоем, циркуляционные реакторы с псевдоожиженным слоем, или так называемые дефлегмационно-циркуляционные реакторы с псевдоожиженным слоем. В большинстве случаев газ проходит сквозь реактор от днища кверху. После входного газового порта реактор имеет стесненную область, которая содержит либо псевдоожижающую пластину (перфорированную), или одно сопло, либо совокупность сопел (далее будет использован термин «сопловое днище»). В этой стесненной области скорость газа должна быть достаточно высокой для недопущения оседания на днище твердофазных частиц. Над стесненной областью находится псевдоожижающая камера, которая по форме может быть цилиндрической или конической, или же представлять собой комбинацию конической части и следующей за ней цилиндрической части. Над псевдоожижающей камерой в большинстве реакторов находится выходной газоход, ориентированный с отклонением вбок и врезанный в боковую стенку реактора. В других реакторах выходной газоход выполнен по центру и выходит вверх. Известным реакторам с псевдоожиженным слоем присущ тот существенный недостаток, что по причине меняющейся интенсивности газового потока (что может быть вызвано, например, работой систем, расположенных на технологической линии за реактором) имеют место флуктуации в псевдоожиженном слое, что снижает эффективность процесса и/или является причиной продолжительных нарушений работы, например работы системы, расположенной на технологической линии за реактором. В качестве контрмеры применяют рециркуляцию газа или подачу воздуха в дополнение к входному газовому потоку, так чтобы минимальная мощность газового потока, проходящего через реактор, не падала ниже 60% полной мощности потока для большинства случаев. Системы, подсоединенные к реактору, часто для своей работы требуют флуктуации мощности газового потока в пределах от 30% до 100% от полной мощности, и стабилизация процесса в реакторе (то есть для повышения мощности газового потока до более чем 60% от полной мощности) требует значительных расходов энергии и дополнительного оборудования.

Краткое описание предлагаемого изобретения

Одной из целей предлагаемого изобретения является создание такого реактора с псевдоожиженным слоем, работа псевдоожиженного слоя которого протекала бы с почти постоянными параметрами (в частности, с постоянной скоростью газового потока), и поддавалась бы оптимальному регулированию даже при изменяющихся значениях мощности входного газового потока (например, в пределах от 30% до 100% от максимальной мощности).

Для достижения этой цели входящая в состав реактора (1) псевдоожижающая камера (2) имеет корпус (3), выполненный в форме конуса или параболоида, в котором расположена вставка (4), также выполненная в форме конуса или параболоида. При такой конструкции между внутренней поверхностью корпуса (3) и наружной поверхностью вставки (4) образуется имеющее кольцеобразное поперечное сечение пространство, которое служит псевдоожижающей камерой (2), и в котором обеспечивается возможность регулирования скорости газового потока, которая может поддерживаться на постоянном уровне, повышаться или понижаться в зависимости от взаиморасположения упомянутых корпуса (3) и вставки (4). При таком техническом решении обеспечивается возможность поддержания скорости газового потока на постоянном уровне при нагрузках, меняющихся в широком диапазоне, поэтому такой реактор может быть назван также реактором с постоянной скоростью газового потока.

При перемещении вставки (4) вверх или вниз вдоль центральной продольной оси псевдоожижающей камеры (2) (направление показано двойной стрелкой (5)) скорость газового потока в псевдоожижающей камере повышается или понижается. Таким образом, при изменении скорости газового потока, подаваемого в реактор, путем поднятия и опускания вставки (4) обеспечивается возможность поддержания скорости газового потока в имеющем кольцеобразное поперечное сечение пространстве псевдоожижающей камеры на постоянном уровне.

Конструкция реактора может быть выполнена такой, чтобы кольцеобразное поперечное сечение псевдоожижающей камеры (2) можно было увеличивать или уменьшать (см. фиг.1 или 2).

Предлагаемое изобретение делает применение вышеупомянутых дорогостоящих контрмер излишним. Более того, при применении предлагаемого изобретения обеспечиваются условия для стабильной работы реактора в широком диапазоне нагрузок, что в случае известных реакторов имеет место только при постоянных мощностях газового потока. При использовании реактора с постоянным пространством псевдоожижающей камеры с кольцеобразным поперечным сечением неблагоприятное воздействие флуктуации газового потока на работу систем, расположенных на технологической линии перед и за реактором, сводится к минимуму. При применении реактора с псевдоожиженным слоем, пространство псевдоожижающей камеры которого имеет кольцеобразное поперечное сечение и геометрия корпуса и вкладок которого соответствует техническому решению по предлагаемому изобретению, обеспечивается возможность оптимизации процессов, протекающих в псевдоожиженном слое, в частности, при изменении мощности газового потока сквозь псевдоожиженный слой реактора удается избежать неблагоприятного воздействия этих флуктуаций газового потока на работу систем, расположенных на технологической линии перед и за реактором.

Еще один недостаток известных реакторов с псевдоожиженным слоем состоит в том, что внутри циркулирующих псевдоожиженных слоев так же, как и внутри статичных псевдоожиженных слоев, которые не работают постоянными мощностями газового потока, может иметь место опадание (оседание) агломератов твердотельной фазы, главным образом, вдоль стенок. Когда эти агломераты твердотельной фазы падая, попадают в стесненную область, под действием высокоскоростного газового потока они распадаются на части, что может приводить к значительным пикам давления, в частности, при нагрузках меньше 70-80% от максимальной такие пики давления могут приводить к значительным нарушениям работы установки, что, в свою очередь, препятствует нормальной работе установки.

В преодолении этого недостатка состоит вторая цель предлагаемого изобретения.

Для решения этой проблемы предлагаемым изобретением предусматривается введение в состав конструкции реактора сепаратора (6) для отделения агломератов твердотельной фазы (см. фиг.4), который реализован в виде имеющего кольцеобразное поперечное сечение проема или в виде большого количества отверстий, расположенных по периферии псевдоожижающей камеры (2) реактора (1) с псевдоожиженным слоем, или же в виде отверстия, расположенного по центру реактора. Отверстия могут быть расположены или в расширяющейся конической части псевдоожижающей камеры (2) ниже ее цилиндрической части непосредственно в месте соединения конической и цилиндрической частей псевдоожижающей камеры (2), или же в цилиндрической части известного реактора с псевдоожиженным слоем, или же в любой точке соплового днища, или же в любой точке внешней стенки или внутренней конической поверхности имеющего кольцеобразное поперечное сечение пространства псевдоожиженного слоя.

Описываемый здесь сепаратор (6) для отделения агломератов твердотельной фазы, при применении которого обеспечивается оптимизация работы реакторов с псевдоожиженным слоем, устроен таким образом, что обеспечивается возможность удаления агломератов из псевдоожижающей камеры (2) через отверстия, расположенные по периферии псевдоожижающей камеры (2), или через выпускное отверстие, расположенное в сопловом днище. В частности, при осуществлении процессов в псевдоожиженном слое при переменных нагрузках (переменной мощности газового потока), при применении предлагаемого изобретения обеспечиваются условия для более устойчивой работы, а также значительное снижение влияния на другие системы производственного процесса.

Назначением упомянутого сепаратора (6) для отделения агломератов твердотельной фазы является выведение из контура циркуляции в псевдоожижающей камере (2) агломератов и конгломератов твердотельной фазы. Впоследствии эти агломераты и конгломераты твердотельной фазы могут быть возвращены в псевдоожиженный слой через посредство регулируемых или нерегулируемых питателей (7). На фиг.4 показан такой сепаратор (6) для отделения твердотельных агломератов с проемом, имеющим кольцеобразное поперечное сечение. При таком техническом решении эти твердотельные агломераты подаются на флотационный лоток (8), с которого они могут повторно подаваться в реактор с псевдоожиженным слоем управляемым образом, например, по нескольким линиям, равномерно распределенным по периферии.

При использовании такого сепаратора для отделения агломератов твердотельной фазы обеспечивается уменьшение расходов, которые были неизбежны на предшествующем уровне техники. Более того, при наличии такого сепаратора для отделения агломератов твердотельной фазы обеспечиваются условия для более стабильной работы реактора (1) в широком диапазоне нагрузок, что на предшествующем уровне техники было возможно только при сравнительно малых нагрузках (при малых мощностях газового потока). При использовании такого сепаратора (6) для отделения агломератов твердотельной фазы обеспечивается также минимизация неблагоприятного воздействия флуктуации газового потока на работу систем, расположенных на технологической линии перед и за реактором (1).

Еще одна проблема, имеющая место при использовании известных реакторов с псевдоожиженным слоем, связана с выходным газоходом. В известных реакторах с псевдоожиженным слоем при расчетном напоре газ с рассеянными в его среде твердофазными частицами выводится в одном направлении через верхнюю часть реактора по его центру или через боковую часть реактора. Обычно в центральной части газового потока мощность потока выше, чем в других его частях, в результате чего в реакторе возникают завихрения, при которых твердофазные частицы циркулируют вблизи стенок реактора. При центральном газоотводе через верх реактора завихрения распределены равномерно, но при этом может происходить концентрирование твердофазных частиц, которые потом могут образовывать агломераты и опадать вниз вдоль стенок реактора. При боковом газоотводе такого концентрирования твердофазных частиц удается частично избежать, так как образование завихрений при такой конструкции не является настолько выраженным, однако газовый поток остается неоднородным, и имеет место локальное образование агломератов твердотельной фазы.

В устранении этого явления состоит еще одна задача предлагаемого изобретения.

Предлагаемым изобретением предусматривается, что газ с рассеянными в его среде твердофазными частицами выводится сначала в радиальном направлении, а затем направляется книзу, то есть через расположенные по окружности отверстия (предпочтительно равномерно распределенные по периферии реактора) или через разделенный на отверстия (9) проем кольцеобразного сечения (см. фиг.3). При таком техническом решении обеспечивается удаление твердофазных частиц, достигших верха реактора (1) по центральной области газового потока, по кратчайшему маршруту с равномерным распределением в радиальных направлениях. Благодаря этому удается уменьшить размер агломератов твердотельной фазы, а также в значительной степени подавить сам процесс их образования. В частности, при осуществлении процессов в псевдоожиженном слое при переменных нагрузках (переменной мощности газового потока) в случае применения предлагаемого изобретения обеспечиваются условия для более стабильной работы реактора (1) с псевдоожиженным слоем, а также значительное уменьшение неблагоприятного воздействия флуктуации газового потока на работу систем, расположенных на технологической линии перед и за реактором (1).

Дальнейшее подробное описание предлагаемого изобретения будет основываться на примерах его предпочтительной реализации со ссылкой на прилагаемые чертежи.

Краткое описание прилагаемых чертежей

На фиг.1 схематично изображен один из вариантов осуществления предлагаемого изобретения - реактора (1) с псевдоожиженным слоем, имеющим кольцеобразное поперечное сечение.

На фиг.2 схематично изображен другой вариант осуществления предлагаемого изобретения - реактора (1) с псевдоожиженным слоем, имеющим кольцеобразное поперечное сечение.

На фиг.3 схематично в аксонометрии показано строение выходного газового порта в реакторе (1) с псевдоожиженным слоем по предлагаемому изобретению.

На фиг.4 схематично в аксонометрии показано строение сепаратора (6) для отделения агломератов твердотельной фазы в реакторе (1) с псевдоожиженным слоем по предлагаемому изобретению.

На фиг.5 показана упрощенная блок-схема реактора (1) с псевдоожиженным слоем по предлагаемому изобретению, за которым на технологической линии расположен сепаратор (6) твердой фазы и рециркуляционный канал твердой фазы.

Подробное описание предлагаемого изобретения

Как можно видеть на фиг.1 или фиг.2, псевдоожижающая камера (2) реактора (1) содержит имеющий форму конуса или параболоида корпус (3), внутри которого расположена вставка (4), имеющая также форму соответственно конуса или параболоида. При таком конструктивном решении между внутренней поверхностью корпуса (3) и наружной поверхностью вставки (4) (рабочие поверхности) образуется имеющее кольцеобразное поперечное сечение пространство, от параметров которого зависит скорость газового потока (в зависимости от взаиморасположения рабочих поверхностей эта скорость может поддерживаться на постоянном уровне - увеличиваться или уменьшаться), и которое служит в качестве псевдоожижающей камеры (2). Следовательно, такой реактор (1) с псевдоожиженным слоем может быть назван реактором, обеспечивающим постоянную скорость газового потока.

При перемещении с помощью регулирующего приспособления (не показано) вставки (4) вверх или вниз, как показано двойной стрелкой (5), изменяется геометрия имеющего кольцеобразное поперечное сечение пространства псевдоожижающей камеры (2), в результате чего в этом пространстве происходит увеличение или уменьшение скорости газового потока. Благодаря такому техническому решению при изменении расхода газа, подаваемого в реактор, может быть обеспечено поддержание скорости газового потока в имеющем кольцеобразное поперечное сечение пространстве псевдоожижающей камеры (2) на практически постоянном уровне, для чего достаточно надлежащим образом опускать или поднимать вставку (4). Имеющее кольцеобразное поперечное сечение пространство псевдоожижающей камеры (2) может быть сконфигурировано таким образом, чтобы оно было от низа к верху расширяющимся или сужающимся (см. фиг.1 и фиг.2 соответственно). Реактор (1) с псевдоожиженным слоем по предлагаемому изобретению снабжен сепаратором (6) для отделения агломератов твердотельной фазы (см. фиг.4), который реализован в виде имеющего кольцеобразное поперечное сечение проема, или же он может быть реализован в виде большого количества отверстий, расположенных по периферии псевдоожижающей камеры (2) реактора (1) с псевдоожиженным слоем, или же в виде отверстия, расположенного по центру реактора (1). Проем, отверстия или отверстие сепаратора (6) для отделения агломератов твердотельной фазы могут быть расположены или в расширяющейся конической части псевдоожижающей камеры (2) ниже ее цилиндрической части непосредственно в месте соединения конической и цилиндрической частей псевдоожижающей камеры (2), или же в цилиндрической части реактора (1) с псевдоожиженным слоем, или же в любой точке соплового днища, или же в любой точке внешней стенки или внутренней конической поверхности имеющего кольцеобразное поперечное сечение пространства псевдоожиженного слоя. При применении сепаратора (6) для отделения агломератов твердотельной фазы обеспечивается отклонение этих агломератов, главным образом, в боковых направлениях, до достижения ими соплового днища кольцеобразного флотационного лотка (8). Агломераты, оставшиеся неотклоненными и достигшие отверстий соплового днища, удаляются с него с помощью специального приспособления, которое на прилагаемых чертежах не показано.

Назначение сепаратора (6) для отделения агломератов твердотельной фазы состоит в выведении циркулирующих агломератов и конгломератов из псевдоожижающей камеры (2). Затем эта твердая фаза может быть снова подана в псевдоожиженный слой через посредство регулируемых или нерегулируемых питателей (7).

На фиг.4 показан такой сепаратор (6) для отделения агломератов твердотельной фазы с проемом, имеющим кольцеобразное поперечное сечение. При таком техническом решении эти твердотельные агломераты подаются на флотационный лоток (8), с которого они могут повторно подаваться в реактор (1) с псевдоожиженным слоем управляемым образом, например, по нескольким линиям, образующим нерегулируемые питатели (7), равномерно распределенные по периферии.

При таком техническом решении обеспечивается создание условий для более стабильной работы в широком диапазоне нагрузок, что на предшествующем уровне техники было возможно только при сравнительно малых нагрузках (при малых мощностях газового потока). При использовании такого сепаратора (6) для отделения агломератов твердотельной фазы обеспечивается также минимизация неблагоприятного воздействия флуктуации газового потока на работу систем, расположенных на технологической линии перед и за реактором (1).

На фиг.3 схематично показан реактора (1), выходной газовый порт которого выполнен в виде кольцеобразно расположенных отверстий (9), которые в предпочтительных вариантах осуществления предлагаемого изобретения распределены по периферии реактора (1) равномерно, при этом обеспечена возможность прохождения через них газа с рассеянными в его среде твердофазными частицами сначала по радиальным направлениям, а затем, при необходимости, вниз, в направлении, показанном стрелкой (10). При таком техническом решении обеспечивается удаление твердофазных частиц, достигших верха реактора (1) по центральной области газового потока, по кратчайшему маршруту с равномерным распределением их по радиальным направлениям. Благодаря этому удается в значительной степени подавить процесс образования агломератов твердотельной фазы, а также уменьшить их размер. В частности, при осуществлении процессов в псевдоожиженном слое при переменных нагрузках (переменной мощности газового потока) при применении предлагаемого изобретения обеспечиваются условия для более стабильной работы реактора с псевдоожиженным слоем, а также значительное уменьшение неблагоприятного воздействия флуктуации газового потока на работу систем, расположенных на технологической линии перед и за реактором (1).

Имеющий кольцеобразное поперечное сечение выходной газовый порт может быть снабжен направляющим конусом (11) (см. фиг.2), благодаря которому достигается дальнейшее улучшение условий вывода газа, в среде которого рассеяны твердофазные частицы.

Входной газовый порт реактора с псевдоожиженным слоем по предлагаемому изобретению имеет одно или несколько сопел (например, кольцеобразного сечения), или же он может иметь псевдоожижающее дно.

Как можно видеть на фиг.5, реактор (1) с псевдоожиженным слоем по предлагаемому изобретению, соединенный с сепаратором (12) твердой фазы, который расположен на технологической линии за реактором (1) и соединен с контейнером или флотационным лотком (13) через посредство спуска, или же выполнен как один узел (14), - этот сепаратор (12) твердой фазы предназначен для собирания твердой фазы. Контейнер или флотационный лоток (13) также соединен с реактором (1) через посредство канала (15), выполненного с возможностью возвращения по нему твердой фазы обратно в реактор (1) или удаления ее.

Реактор (1) с псевдоожиженным слоем по предлагаемому изобретению характеризуется тем, что расположенный на технологической линии за ним сепаратор (12) твердой фазы выполнен с возможностью регулирования дифференциального давления (то есть разницы между давлением внутри сепаратора (12) и давлением снаружи от него) в нем таким образом, что это дифференциальное давление ниже при меньших мощностях газового потока и выше при больших мощностях газового потока.

Реактор с псевдоожиженным слоем по предлагаемому изобретению может найти применение в следующих отраслях техники:

(а) очистка отработанных газов печей или мусоросжигательных установок;

(б) очистка газовых смесей любого рода;

(в) сжигание топлива или отходов в псевдоожиженном слое;

(г) технологические процессы с применением катализаторов, адсорбции, и/или абсорбции;

(д) химические реакции, осуществляемые в псевдоожиженном слое с целью химических превращений веществ, находящихся в псевдоожиженном слое.

Изобретение может быть использовано для очистки газовых смесей, в том числе, отработанных газов печей или мусоросжигательных установок, сжигания топлива или отходов, химических реакций в псевдоожиженном слое. В псевдоожижающей камере в корпусе реактора расположена вставка, имеющая коническую форму. Между внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью вставки образовано пространство, имеющее кольцеобразное поперечное сечение, которое служит в качестве псевдоожижающей камеры и в котором скорость газового потока либо остается постоянной, либо уменьшается или увеличивается в зависимости от взаиморасположения корпуса и вставки. Обеспечиваются условия стабильной работы реактора в широком диапазоне нагрузок за счет оптимального распределения газовой и твердотельной фаз, улучшаются условия удаления агломератов твердотельной фазы, минимизируется неблагоприятное воздействие флуктуации газового потока на работу системы. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Реактор (1) с псевдоожиженным слоем, характеризующийся тем, что его псевдоожижающая камера (2) снабжена вставками, обеспечивающими возможность изменения поперечного сечения упомянутой псевдоожижающей камеры (2) таким образом, что обеспечена возможность регулирования скорости газового потока как при изменяющейся, так и при постоянной мощности газового потока.

2. Реактор с псевдоожиженным слоем по п.1, характеризующийся тем, что его псевдоожижающая камера (2) содержит корпус, выполненный в форме конуса или параболоида с вертикальной продольной осью, в котором расположена вставка (4), также выполненная в форме конуса или параболоида с вертикальной продольной осью, при этом между внутренней поверхностью упомянутого корпуса и наружной поверхностью упомянутой вставки (4) образовано пространство, имеющее кольцеобразное поперечное сечение и служащее в качестве псевдоожижающей камеры, при этом предусмотрены регулирующие приспособления для изменения взаиморасположения упомянутых корпуса (3) и вставки (4) путем перемещения вставки (4) вверх или вниз вдоль вертикальной продольной оси с целью изменения параметров поперечного сечения упомянутого пространства, имеющего кольцеобразное поперечное сечение.

3. Реактор (1) с псевдоожиженным слоем, характеризующийся тем, что его выходной газовый порт выполнен в виде проема с кольцеобразным поперечным сечением, или же в виде отверстий (9), распределенных по периферии псевдоожижающей камеры, при этом обеспечен выход газа из реактора (1) с равномерным распределением в радиальных направлениях.

4. Реактор (1) с псевдоожиженным слоем, характеризующийся тем, что его псевдоожижающая камера снабжена имеющим кольцеобразное поперечное сечение проемом (6), либо отверстиями, равномерно распределенными по ее периферии, либо одним или несколькими отверстиями любой формы, в результате чего обеспечена возможность удаления из псевдоожижающей камеры циркулирующих твердофазных частиц, агломератов твердотельной фазы и другой твердотельной фазы отдельно от газового потока.

5. Реактор (1) с псевдоожиженным слоем по п.4, характеризующийся тем, что упомянутые отверстие/отверстия для удаления твердотельной фазы расположены внутри или поверх сопла/сопел входного газового порта, или же на днище псевдоожижающей камеры, состоящем из нескольких сопел или представляющем собой псевдоожижающее днище.

6. Реактор (1) с псевдоожиженным слоем по любому из пп.1-4, характеризующийся тем, что входной газовый порт его псевдоожижающей камеры имеет одно или несколько сопел, например, сопло/сопла с кольцеобразным поперечным сечением или псевдоожижающее днище.

7. Реактор (1) с псевдоожиженным слоем по любому из пп.1-4, характеризующийся тем, что он соединен с расположенным на технологической линии за ним сепаратором (12) твердой фазы, который соединен с контейнером или флотационным лотком (13) посредством трубы, или же выполнен как один узел (14), при этом упомянутый сепаратор (12) твердой фазы предназначен для собирания твердой фазы, а контейнер или флотационный лоток (13) также соединен с реактором (1) посредством канала (15), выполненного с возможностью возвращения по нему твердой фазы обратно в реактор (1) или удаления ее.

8. Реактор (1) с псевдоожиженным слоем по п.7, характеризующийся тем, что упомянутый сепаратор (12) твердой фазы, расположенный на технологической линии за реактором (1), выполнен с возможностью регулирования дифференциального давления в нем таким образом, что это дифференциальное давление ниже при меньших мощностях газового потока и выше при больших мощностях газового потока.

9. Реактор (1) с псевдоожиженным слоем по любому из пп.1-4, характеризующийся тем, что его выходной газовый порт снабжен направляющим конусом (11).

10. Реактор (1) с псевдоожиженным слоем по любому из пп.1-4, характеризующийся тем, что он использован для любого из следующих применений:
(а) очистка отработанных газов печей или мусоросжигательных установок,
(б) очистка газовых смесей любого рода,
(в) сжигание топлива или отходов в псевдоожиженном слое,
(г) технологические процессы с применением катализаторов, адсорбции, и/или абсорбции,
(д) химические реакции, осуществляемые в псевдоожиженном слое с целью химических превращений веществ, находящихся в псевдоожиженном слое.