ГАЗОЖИДКОСТНЫЙ РЕАКТОР (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2012 года по МПК B01J10/00 B01F3/04 

Изобретение относится к аппаратурному оформлению химических процессов, протекающих в газожидкостной среде, а именно к конструкции газожидкостного реактора с восходящим однонаправленным движением фаз, и может быть использовано, в частности, для промышленного получения карбамида.

Эффективное проведение процессов в колонных газожидкостных реакторах с восходящим однонаправленным движением фаз возможно только в условиях равномерного распределения скоростей, размеров пузырей и газосодержания по сечению восходящего газожидкостного потока. Указанное распределение зависит от конструктивных особенностей реактора.

Известен газожидкостный реактор, содержащий вертикальный цилиндрический корпус с двумя патрубками ввода жидких реагентов и патрубком ввода газообразного реагента, расположенными в нижней части реактора, патрубком вывода продуктов реакции, расположенным в верхней части реактора, и колпачковое смесительное устройство, расположенное над патрубками ввода реагентов (SU 1088779, B01J 10/00, 19/00, 1984). Исходные реагенты вводят в реактор раздельными струйно-осевыми потоками через три патрубка. Пройдя смесительное устройство, потоки поступают в реакционное пространство в виде смеси.

Недостатком данной конструкции реактора является низкая интенсивность смешения реагентов и недостаточная степень диспергирования газа в нижней части реактора вследствие раздельного ввода реагентов и слабой турбулизации потока на выходе из смесителя.

Известен также газожидкостный реактор, содержащий вертикальный цилиндрический корпус с патрубками ввода жидких и газообразного реагентов, патрубком вывода продуктов реакции и патрубком вывода отходящих газов, распределительное устройство для подачи газообразного реагента, расположенное в нижней части реактора, установленную ниже патрубка вывода продуктов реакции полую коническую поверхность, обращенную открытым основанием к днищу реактора, установленный под конической поверхностью циклонный эжектор с тангенциальным патрубком, соединенным с одним из патрубков ввода жидкого реагента, соплом, направленным в сторону днища реактора, и коаксиальной трубой, расположенной внутри эжектора, причем верхний конец трубы соединен с объемом полой конической поверхности, а нижний ее конец расположен на уровне среза сопла над распределительным устройством для подачи газообразного реагента (SU 1648544 A1, B01J 19/00, B01D 53/18, 1991). Для данной конструкции реактора характерно неравномерное распределение газа в объеме жидкости из-за раздельного ввода реагентов и особенностей конструкции газораспределительного устройства.

Наиболее близкими по технической сущности к вариантам предложенного реактора являются варианты известного газожидкостного реактора (BY 9335 C1, B01F 5/00, 3/04, B01J 10/00, 19/00, 2007).

Согласно одному из вариантов известен газожидкостный реактор, содержащий вертикальный корпус с патрубками ввода реагентов и вывода продуктов реакции и размещенный в нижней части корпуса смеситель, включающий коаксиальную трубу и вихревую камеру, имеющую тангенциальный входной патрубок, соединенный с патрубком ввода первого реагента, и осевой выходной патрубок, направленный в сторону днища реактора, причем коаксиальная труба введена в цилиндрический корпус вихревой камеры, и верхний конец коаксиальной трубы соединен с патрубком ввода второго реагента.

Согласно другому варианту известен газожидкостный реактор, содержащий вертикальный корпус с патрубками ввода реагентов и вывода продуктов реакции и размещенный в нижней части корпуса смеситель, включающий, по крайней мере, две последовательно соединенные соосные вихревые камеры, имеющие тангенциальные входные патрубки, соединенные с патрубками ввода реагентов, и осевые выходные патрубки, направленные в сторону днища реактора, причем осевой выходной патрубок каждой предшествующей камеры введен в цилиндрический корпус последующей камеры.

Известный газожидкостный реактор в обоих вариантах обеспечивает определенную степень диспергирования реагентов при их смешении благодаря движению реагентов в смесителе в виде многослойного потока с концентрическими вращающимися слоями относительно небольшой толщины и последующему выходу потока в объем реактора. Такой характер движения потока обеспечивает желательную невысокую степень взаимного диспергирования слоев при их движении в смесителе и, вместе с тем, их определенное взаимное диспергирование при выходе этого потока в объем реактора.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является улучшение условий тепло- и массопередачи при взаимодействии реагентов.

Для решения этой задачи предложены два варианта конструкции газожидкостного реактора.

В первом варианте предложен газожидкостный реактор, содержащий вертикальный корпус с патрубками ввода реагентов и вывода продуктов реакции и размещенный в нижней части корпуса смеситель, включающий коаксиальную трубу и вихревую камеру, имеющую тангенциальный входной патрубок, соединенный с патрубком ввода первого реагента, и осевой выходной патрубок, причем коаксиальная труба введена в цилиндрический корпус вихревой камеры и соединена с патрубком ввода второго реагента, отличающийся тем, что осевой выходной патрубок смесителя направлен вверх, и реактор содержит цилиндрическую обечайку, концентричную корпусу реактора, охватывающую смеситель и имеющую диаметр в пределах (0,6-0,9)D, где D - внутренний диаметр корпуса. В зависимости от количества потоков взаимодействующих реагентов смеситель может также содержать, по крайней мере, одну дополнительную вихревую камеру, соосную первой и последовательно с ней соединенную, имеющую тангенциальный входной патрубок и осевой выходной патрубок, причем осевой выходной патрубок каждой предшествующей камеры введен в цилиндрический корпус последующей камеры.

Во втором варианте предложен газожидкостный реактор, содержащий вертикальный корпус с патрубками ввода реагентов и вывода продуктов реакции и размещенный в нижней части корпуса смеситель, включающий, по крайней мере, две последовательно соединенные соосные вихревые камеры, имеющие тангенциальные входные патрубки, соединенные с патрубками ввода реагентов, и осевые выходные патрубки, причем осевой выходной патрубок каждой предшествующей камеры введен в цилиндрический корпус последующей камеры, отличающийся тем, что осевые выходные патрубки направлены вверх, и реактор содержит цилиндрическую обечайку, концентричную корпусу реактора, охватывающую смеситель и имеющую диаметр в пределах (0,6-0,9)D, где D - внутренний диаметр корпуса.

Техническим результатом, который может быть получен при использовании изобретения, является увеличение интенсивности диспергирования взаимодействующих фаз и равномерности распределения реагентов в образованном двухфазном потоке. Этот результат достигается благодаря сочетанию вращательного движения потоков в вихревых камерах, обусловленного тангенциальным вводом потока (потоков) в смеситель, и взаимодействия потока из выходного патрубка с циркулирующей газожидкостной смесью. Циркуляция смеси осуществляется благодаря тому, что часть жидкой фазы при выходе из цилиндрической обечайки за счет разности плотностей внутри и снаружи обечайки опускается вниз в зазоре между обечайкой и корпусом и там вновь инжектируется внутрь обечайки потоком из выходного патрубка.

В обоих вариантах для улучшения качества диспергирования реагентов осевой выходной патрубок смесителя может быть снабжен диффузором. По крайней мере, один тангенциальный входной патрубок может быть по отношению к корпусу смесителя наклонен в сторону, противоположную выходному отверстию осевого выходного патрубка. Верхний конец коаксиальной трубы (по первому варианту) и осевые выходные патрубки вихревых камер (по обоим вариантам) предпочтительно вводить в цилиндрический корпус последующей камеры таким образом, чтобы срез трубы (патрубка) был расположен по ходу движения реагентов после входного отверстия тангенциального входного патрубка и не достигал среза осевого выходного патрубка. Предпочтительно располагать тангенциальные входные патрубки камер таким образом, чтобы направление вращения потоков во всех камерах было одинаковым. Предпочтительно также, чтобы смеситель содержал вихревые камеры с последовательно увеличивающимся по ходу движения реагентов диаметром.

При использовании предложенного газожидкостного реактора в качестве реактора синтеза карбамида смеситель в первом варианте может содержать одну или две вихревые камеры, а во втором варианте - две или три вихревые камеры.

Сущность изобретения иллюстрируется фиг.1-3, на которых изображена в продольном разрезе нижняя часть газожидкостного реактора, являющегося конкретным воплощением предложенной конструкции - на фиг.1, 2 по первому варианту, на фиг.3 по второму варианту.

В соответствии с фиг.1 газожидкостный реактор включает вертикальный корпус 1 и размещенный в нижней части корпуса смеситель, состоящий из вихревой камеры 2 и коаксиальной трубы 3, соединенной с патрубком ввода газообразного реагента 4. Вихревая камера содержит тангенциальный входной патрубок 5, наклоненный по отношению к корпусу смесителя в сторону, противоположную выходному отверстию осевого выходного патрубка, предпочтительно под углом 15-20° к горизонтали, и соединенный с патрубком ввода жидкого реагента 6, и осевой выходной патрубок 7, обращенный вверх и снабженный диффузором 8. Верхний конец коаксиальной трубы 3 расположен по ходу движения реагентов после входного отверстия тангенциального входного патрубка 5 и не достигает среза осевого выходного патрубка 7. Смеситель размещен внутри цилиндрической обечайки 9, соосной вертикальному корпусу 1 и имеющей диаметр в пределах (0,6-0,9)D, где D - внутренний диаметр корпуса.

При работе реактора, изображенного на фиг.1, жидкий реагент из патрубка 6 через тангенциальный входной патрубок 5 поступает в вихревую камеру 1, где приобретает интенсивное спиральное закрученное движение. Из патрубка 4 и коаксиальной трубы 3 в вихревую камеру 2 поступает газообразный реагент. В результате спирального закрученного движения потока жидкого реагента в вихревой камере 2 формируется структурированный вращающийся поток, в котором за счет центробежных сил реагенты распределяются по плотности: через осевую зону выходного патрубка 7 движется газообразный реагент, через периферийную зону - жидкий реагент. При выходе из осевого патрубка 7 в диффузор 8 в результате потери гидродинамической устойчивости закрученного потока происходит интенсивное турбулентное диспергирование газообразного реагента и смешение фаз. Пузырьки газа, образовавшиеся при распаде закрученной струи, разлетаются под разными углами, равномерно заполняя сечение реактора. На выходе потока из пространства внутри цилиндрической обечайки 9 происходит частичное отделение жидкой фазы, и в результате разности плотностей среды внутри и вне обечайки возникает ее циркуляция в направлении, показанном на фиг. 1. Взаимодействие потока, выходящего из диффузора 8, с циркуляционным потоком обеспечивает повышение степени взаимного диспергирования фаз. В поперечном сечении реактора над смесителем формируется однородный восходящий газожидкостный поток с мелкодисперсной пузырьковой структурой. При этом исключается образование периферийных застойных зон, не заполненных диспергированным газом, и недиспергированных газовых струй.

Газожидкостный реактор, изображенный на фиг.2, так же как и реактор, изображенный на фиг.1, включает вертикальный корпус 1 и размещенный в нижней части корпуса смеситель, включающий вихревую камеру 2, коаксиальную трубу 3, соединенную с патрубком ввода газообразного реагента 4, тангенциальный входной патрубок 5, соединенный с патрубком ввода первого жидкого реагента 6, и осевой выходной патрубок 7, обращенный вверх, причем смеситель размещен внутри цилиндрической обечайки 9, соосной вертикальному корпусу 1 и имеющей диаметр в пределах (0,6-0,9)D, где D - внутренний диаметр корпуса. Отличие реактора, изображенного на фиг.2, от реактора, изображенного на фиг.1, состоит в том, что смеситель содержит вторую вихревую камеру 10, расположенную последовательно с вихревой камерой 2 выше последней. Диаметр вихревой камеры 10 больше диаметра вихревой камеры 2. Вихревая камера 10 содержит тангенциальный входной патрубок 11, соединенный с патрубком ввода второго жидкого реагента 12, и осевой выходной патрубок 13, обращенный вверх и снабженный диффузором 14. Тангенциальные входные патрубки 5 и 11 наклонены по отношению к корпусу смесителя в сторону, противоположную выходному отверстию осевого выходного патрубка, предпочтительно под углом 15-20° к горизонтали, и расположены таким образом, чтобы направление вращения потоков в обеих камерах было одинаковым. Верхний конец коаксиальной трубы 3 расположен по ходу движения реагентов после входного отверстия тангенциального входного патрубка 5 и не достигает среза осевого выходного патрубка 7. Верхний конец осевого выходного патрубка 7 расположен по ходу движения реагентов после входного отверстия тангенциального входного патрубка 11 и не достигает среза осевого выходного патрубка 13.

Реактор работает аналогично реактору, изображенному на фиг.1, с тем отличием, что к структурированному вращающемуся потоку, сформированному в нижней вихревой камере 2, в верхней вихревой камере 10 присоединяется наружный слой второго жидкого реагента, вращающийся однонаправленно с потоком первого жидкого реагента.

Газожидкостный реактор, изображенный на фиг.3, так же, как и реактор, изображенный на фиг.2, включает вертикальный корпус 1, размещенную в нижней части корпуса первую вихревую камеру 2 смесителя, патрубок ввода газообразного реагента 4, тангенциальный входной патрубок 5 первой вихревой камеры, соединенный с патрубком ввода первого жидкого реагента 6, осевой выходной патрубок 7 первой вихревой камеры, обращенный вверх, цилиндрическую обечайку 9, внутри которой размещен смеситель, причем обечайка соосна вертикальному корпусу 1 и имеет диаметр в пределах (0,6-0,9)D, где D - внутренний диаметр корпуса, и вторую вихревую камеру 10 смесителя, содержащую тангенциальный входной патрубок 11, соединенный с патрубком ввода второго жидкого реагента 12, и осевой выходной патрубок 13, обращенный вверх и снабженный диффузором 14. Отличие реактора, изображенного на фиг.3, от реактора, изображенного на фиг.2, состоит в том, что вместо коаксиальной трубы 3 смеситель содержит третью вихревую камеру 15, расположенную последовательно с вихревой камерой 2 ниже последней. Диаметр вихревой камеры 2 больше диаметра вихревой камеры 15. Вихревая камера 15 содержит тангенциальный входной патрубок 16, соединенный с патрубком ввода газообразного реагента 4, и осевой выходной патрубок 17, обращенный вверх. Тангенциальные входные патрубки 5, 11 и 16 наклонены по отношению к корпусу смесителя в сторону, противоположную выходному отверстию осевого выходного патрубка, предпочтительно под углом 15-20° к горизонтали, и расположены таким образом, чтобы направление вращения потоков в обеих камерах было одинаковым. Верхний конец осевого выходного патрубка 17 расположен по ходу движения реагентов после входного отверстия тангенциального входного патрубка 5 и не достигает среза осевого выходного патрубка 7. Реактор работает аналогично реактору, изображенному на фиг.2, с тем отличием, что структурированный вращающийся поток формируется в вихревых камерах 15, 2 и 10 в результате однонаправленного вращения как двух жидких реагентов, так и газообразного.

Реакторы, изображенные на фиг.1-3, могут быть использованы в качестве реакторов синтеза карбамида. При этом газообразным реагентом является диоксид углерода, а жидкими реагентами - аммиак и водно-аммиачный раствор карбамата аммония (раствор углеаммонийных солей) или их смесь.

Представлена группа изобретений, которая относится к аппаратурному оформлению химических процессов, протекающих в газожидкостной среде, а именно к конструкциям газожидкостных реакторов с восходящим однонаправленным движением фаз, и может быть использована, в частности, для промышленного получения карбамида. Газожидкостный реактор содержит вертикальный корпус с патрубками ввода реагентов и вывода продуктов реакции и размещенный в нижней части корпуса смеситель, соединенный с патрубками ввода реагентов и имеющий осевой выходной патрубок, направленный вверх и снабженный диффузором. В обоих вариантах реактор содержит цилиндрическую обечайку, концентричную его корпусу, охватывающую смеситель и имеющую диаметр в пределах (0,6-0,9)D, где D - внутренний диаметр корпуса. В первом варианте смеситель включает коаксиальную трубу и, по крайней мере, одну вихревую камеру, имеющую тангенциальный входной патрубок, соединенный с патрубком ввода первого реагента. Коаксиальная труба введена в цилиндрический корпус вихревой камеры и соединена с патрубком ввода второго реагента. Во втором варианте смеситель включает, по крайней мере, две последовательно соединенные соосные вихревые камеры, имеющие тангенциальные входные патрубки, соединенные с патрубками ввода реагентов, и осевые выходные патрубки, направленные вверх. Техническим результатом является увеличение интенсивности диспергирования взаимодействующих фаз и равномерности распределения реагентов в образованном двухфазном потоке. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Газожидкостный реактор, содержащий вертикальный корпус с патрубками ввода реагентов и вывода продуктов реакции и размещенный в нижней части корпуса смеситель, включающий коаксиальную трубу и вихревую камеру, имеющую тангенциальный входной патрубок, соединенный с патрубком ввода первого реагента, и осевой выходной патрубок, причем коаксиальная труба введена в цилиндрический корпус вихревой камеры и соединена с патрубком ввода второго реагента, отличающийся тем, что осевой выходной патрубок смесителя направлен вверх, и реактор содержит цилиндрическую обечайку, концентричную корпусу реактора, охватывающую смеситель и имеющую диаметр в пределах (0,6-0,9)D, где D - внутренний диаметр корпуса.

2. Газожидкостный реактор по п.1, отличающийся тем, что осевой выходной патрубок смесителя снабжен диффузором.

3. Газожидкостный реактор по п.1, отличающийся тем, что тангенциальный входной патрубок по отношению к корпусу смесителя наклонен в сторону, противоположную выходному отверстию осевого выходного патрубка.

4. Газожидкостный реактор по п.1, отличающийся тем, что верхний конец коаксиальной трубы расположен по ходу движения реагентов после входного отверстия тангенциального входного патрубка и не достигает среза осевого выходного патрубка.

5. Газожидкостный реактор по п.1, отличающийся тем, что смеситель содержит, по крайней мере, одну дополнительную вихревую камеру, соосную первой и последовательно с ней соединенную, имеющую тангенциальный входной патрубок и осевой выходной патрубок, причем осевой выходной патрубок каждой предшествующей камеры введен в цилиндрический корпус последующей камеры.

6. Газожидкостный реактор по п.5, отличающийся тем, что тангенциальный входной патрубок, по крайней мере, одной дополнительной камеры по отношению к корпусу смесителя наклонен в сторону, противоположную выходному отверстию осевого выходного патрубка.

7. Газожидкостный реактор по п.5, отличающийся тем, что тангенциальные входные патрубки камер расположены таким образом, чтобы направление вращения потоков во всех камерах было одинаковым, а осевой выходной патрубок каждой предшествующей камеры введен в цилиндрический корпус последующей камеры таким образом, что его срез расположен по ходу движения реагентов после входного отверстия тангенциального входного патрубка и не достигает среза осевого выходного патрубка последующей камеры.

8. Газожидкостный реактор по п.5, отличающийся тем, что смеситель содержит вихревые камеры с последовательно увеличивающимся по ходу движения реагентов диаметром.

9. Газожидкостный реактор, содержащий вертикальный корпус с патрубками ввода реагентов и вывода продуктов реакции и размещенный в нижней части корпуса смеситель, включающий, по крайней мере, две последовательно соединенные соосные вихревые камеры, имеющие тангенциальные входные патрубки, соединенные с патрубками ввода реагентов, и осевые выходные патрубки, причем осевой выходной патрубок каждой предшествующей камеры введен в цилиндрический корпус последующей камеры, отличающийся тем, что осевые выходные патрубки направлены вверх, и реактор содержит цилиндрическую обечайку, концентричную корпусу реактора, охватывающую смеситель и имеющую диаметр в пределах (0,6-0,9)D, где D - внутренний диаметр корпуса.

10. Газожидкостный реактор по п.9, отличающийся тем, что осевой выходной патрубок смесителя снабжен диффузором.

11. Газожидкостный реактор по п.9, отличающийся тем, что, по крайней мере, один тангенциальный входной патрубок по отношению к корпусу смесителя наклонен в сторону, противоположную выходному отверстию осевого выходного патрубка.

12. Газожидкостный реактор по п.9, отличающийся тем, что тангенциальные входные патрубки ввода реагентов в камеры расположены таким образом, чтобы направление вращения тангенциальных потоков во всех камерах было одинаковым, а осевой выходной патрубок каждой предшествующей камеры введен в цилиндрический корпус последующей камеры таким образом, что его срез расположен по ходу движения реагентов после входного отверстия тангенциального входного патрубка и не достигает среза осевого выходного патрубка последующей камеры.

13. Газожидкостный реактор по п.9, отличающийся тем, что смеситель содержит вихревые камеры с последовательно увеличивающимся по ходу движения реагентов диаметром.