Вихревая камера Советский патент 1984 года по МПК B04C1/00 

Изобретение относится к химической промышлемности, в частности к хи мическим реакторам с центробежным ки пящим слоем, удерживаемом в вихревой камере. Известна вихревая камера, включаю щая герметизированный корпус с размещенным в нем направляющим аппаратом, торцовые стенки, патрубки ввода и вывода реакционной смеси, устройство подачи катализатора. В данной вихревой камере с целью снижения гидравлических потерь в приосевой .зоне размещено тело вращения TlJ. Недостатками данной вихревой камеры являются значительные гидравлические потери,, а также малый выход полезных продуктов реакции вследстви отсутствия их закалки на выходе из слоя катализатора. Наиболее близкой к предлагаемой является вихревая камера, включающая ресивер, цилиндрический направляющий аппарат, перфорированную, соосную выходным патрубкам трубу, профилированные торцовые крьпики, патрубки ввода и вывода рабочей среды С 2. В данной вихревой камере с целью ; снижения гидравлических потерь и уве личения объема устойчивого центробежного кипящего слоя, соосно осевым выходным патрубкам камеры установлена труба, имеющая радиально направле ные отверстия или вертикальные прорези 121, Недостатками этой камеры являются большие гидравлические потери на обе печение фильтрации всего расхода через пористое тело и малый выход поле ных продуктов в химических реакторах Цель изобретения - снижение гидра лических потерь аппарата и увеличени выхода полезных продуктов за счет из менения их температуры на выходе из слоя катализатора. Указанная цель достигается тем, что в вихревой камере, включающей ге метизированный корпус с размещенным нем направляющим аппаратом, торцовые стенки, установленное по оси тело вращения, на поверхности которого выполненыотверстия, устройство для подачи катализатора и патрубки ввода и вывода реакционной смес.и, тело вращения выполнено в виде конуса, при этом отверстия на внешней поверхности выполнены под углом к радиусу . Торцовая стенка снабжена устройством для закрутки потока, размещенным между слоем катализатора и конусом. На чертеже изображена вихревая камера (продольный разрез). Вихревая камера включает герметизированный корпус 1, направляющий аппарат 2, торцовые стенки 3, патрубки ввода 4 и вывода 5 реакционной смеси, патрубок 6 ввода охлаждающего агента, конус 7 с перфорированными стенками, устройство 8 раздачи и закрутки охлаждающего агента, устройство 9 Подачи катализатора, слой катализатора 10, . Корпус вихревой камеры 1 выполнен герметичным и служит для размещения всех узлов и деталей. В корпусе установлен направляющий аппарат 2 и торцовые стенки 3, образующие реакционнуюЗону камеры, в которой вращается слой катализатора 10. Б корпусе имеются патрубки 4 для ввода продуктов, предназначенных для реакции, поступающих под давлением. Ввод продуктов реакции осуществляется через патрубок 5, расположенный соосно с камерой. Торцовая стенка, не имекнцая вькодного патрубка, снабжена устройством ввода и закрутки охлаждающего агента. В центре вихревой камеры расположен конус с перфорированными стенками для равномерного распределения охладителя. Камера работает следукяцим образом. Смесь продуктов реакции поступает под давлением по патрубкам 4 в корпус 1 и далее к направляющему аппарату 2. Пройдя через направляющий аппарат, смесь приобретает окружную скорость. В закрученный поток подаются частицы из устройства подачи катализатора 9. Под действием аэродинамических сил, действующих в аксиальном н.аправлении, частицы катализатора приобретак)т окружную скорость. В камере образуется центробежный кипящий слой катаизатора 10. Пройдя сквозь слой катализатора, реакционная смесь успевает прореагировать. При наличия кзотермических реакций температура а выходе из вихревой камеры будет начительно вьше, чем на входе. При ысоких температурах интенсивно проекают реакции и прямые и обратные. ля увеличения выхода заданного веества необходимо быстрое охлаждение 31 и закалка продуктов реакции. Это достигается вводом охлаждающего аге та в приосевую зону камеры непосред ственно за слой катализатора через патрубок устройства ввода 6 и конус с перфорированными стенками 7. За счет взаимодействия потоков окружная скорость среды, выходящей из сл падает и гидравлические потери снижаются. Это объясняется следующим образом.. Гидравлическое сопротивление вих ревой камеры л Р рассчитывается по формуле: где - коэффициент сопротивлени камеры; плотность потока среды; расходная скорость воды. Коэффициент сопротивления за висит от следующих параметров: .-&r(ff(.i где TO - радиус камеры; -радиус выходного патрубка; -высота камеры. J. (1-x - радиус центральной заны где X Поскольку для конкретной вихрево камеры конструктивные параметры p Н, а постоянны, а при выборе несзпце среды и производительности постоянн р и V , то потери давления равны Г / 2 / Н 2 некоторой константеА|Аг4 - I-Г L v о f а / умноженной на (3): (Н . Величина jit равняется: При постоянстве указанных выше величин ju- зависит только от окружной скорости V4 или от интенсивное ти закрутки, умноженной на констант в. 11. Если подставить (6) в (3) и отбр сить второе слагаемое, так как оно много меньше первого, то получим f ()U)CVj , (7) Окончательное выражение для определения величины потерь давления в камере после подстановки (7) в (4) имеет вид: , (8) т.е. потери пропорциональны квадрату окружной скорости. Следовательно, снижение окружной скорости в центре, например, за счет трения о неподвижную стенку обеспечит снижение потерь в вихревой камере. С этой целью установили в центре вихревой камеры трубу, имеющую радиально-направленные отверстия. Как показали экспериментальные данные, при очень больших степенях закрутки, когда гидравлические потери в аппарате составляют атмосферы, гидравлическое сопротивление в камере можно снизить до 40%. При небольших степенях закрутки гидравлические потери возрастают на ту же величину. Однако загромождение центральной зоны вихревой камеры в некоторых реакторах недопустимо, например в случае необходимости закалки продуктов реакции. В этом случае в центральной зоне устанавливают полый дерфорированньш конус и подают среду, закрученную в противоположную сторону. Происходит взаимодействие потоков, окружная скорость среды, выходящей из слоя, падает и гидравлические потери тоже падают. На подачу потока в центральную зону через устройство вводя и закрутки, размещенного соосно с камерой, необходимо затрачивать энергию, количество которой рассчитывается по известным формулам. Эффект состоит в том, что суммарные потери на камере с вводом среды в центральную зону в 22,5 раза ниже, чем без ввода. Выполнение торцовой стенки с устройством для закрутки потока и системой подвода охлаждакяцего агента позволяет полностью раскрутить основной поток, выходяпщй из слоя катализатора. Для достижения этого необходимо выполнить условие равенства количеств движений основного потока и вводимого и их противоположного направления. Однако, как показали проведенные исследования, в приосевой зоне при это возникают значительные турбулентные пульсации, которые влияют на слой, частично изменяя его структуру, и требуют на их образование дополнительной энергии. В случае необходимости осуществления кроме раскрутки и охлаждения потока ввод охлаждающег агента через торцовую стенку не може обеспечить равномерного охлаждения. Для достижения равномерного охлаждения основного потока по всей высоте слоя охлаждающий агент необходимо подавать также по всей высоте слоя. Оптимальной формой вводного устройства является конус. Так как необходимо обеспечить подачу охлаждающего агента из полости конуса с закруткой, противоположной основному потоку, конус вьшолняется с наклонной перфорацией, соответственно орие тированной навстречу основному поток Из-за дополнительного ввода продукта цилиндрическая конструкция, подобная известной не подходит (например из-за высоких гидравлических потерь). « Пример. В предлагаемой вихревой камере проводились эксперименты по ролучению формальдегида из метана на серебросодержащем катализато ре. Реакционная смесь, содержащая,% метанал 35, кислород Н и инертные газы 51, при 200 °С поступает в слой {катализатора, представляющего собой шарики диаметром 1 мм, изготовленные из серебра на прочном носителе - корунде. В слое катализатора протекает значительное количество экзотермических реакций, при которых образуется смесь, содержащая,%: формальдегид 30, водород 10, непрореагировавший метанал и кислород, вода, COj и инертные газы. Эти концентрации соответствуют избирательности процесса 85%. На выходе из слоя температура смеси составляет 650°С. При столь высокой температуре интенсивно протекает гомогенная реакция окисления формальдегида, что снижает избирательность процесса на 4-5%. Скорость реакции окисления формальдегида практически равна нулю при температурах менее 350°С. Ввод смеси 01 и 90% азота через устройство ввода и закрутки обеспечивает охлаждение смеси до 350°С. Для данного процесса увеличение избирательности состави- ло 5%. Таким образом, размещение в приосевой зоне соосно с камерой полого перфорированного конуса, а в торцовой стенке - устройства для ввода и закрутки потока охлаждающего агента позволило увеличить выход полезного продукта на 3-3,5% при снижении гидравлических потерь камеры в 2-2,5 раза. Б таблице приведены данные сравнительного анализа предложенной и известной вихревых камер.

1. ВИХРЕВАЯ КАМЕРА, включающая герметизированный корпус с размещенным в нем направляющим апп ратом, торцовые стенки, установлен по оси тело вращения, на поверхнос ти которого выполнены отверстия, устройство для подачи катализатора и патрубки ввода и вывода реакционной смеси, отличающаяся тем, что, с целью снижения гидравлических потерь и увеличения выхода полученных продуктов реакции за счет изменения их температуры на выходе из слоя катализатора, тело вращения выполнено в виде конуса, при этом отверстия на внешней поверхности выполнены под углом к радиусу, 2. Камера по п. 1, отличающаяся тем, что торцовая стенка снабжена устройством для закрутки потока, размещенным между слоем катализатора и конусом.

Предла- У осгаемая 300 1,0 Конус нования100

Извест-Циная 300 1,2 линдр 134

95,5

350 ,14

209

650

92,0

302

За базовый объект принята вихревая камера, используемая для производства формальдегида из метанала на серебросодержащем катализаторе.

В процессе производства образуется смесь, содержащая 30% формальдегида. Температура смеси на выходе из слоя катализатора составляет 650с. При такойвысокой температуре интенсивно протекает реакция окисления формальдегида, что нежелательно. При вроде охлаждакмцего агента через устройство ввода и закрутки потока

смесь охлаждается до 350°С, при которой скорость реакции практически равна нулю.

Таким образом, вьтолнение вихревой камеры с перфорированным конусом, размещенным в приосевой зоне и снабжение торцовой стенки закручивателем и системой подачи охлаждающего агента, связанной с внутренней полостью перфорированного конуса, обеспечивает повышение выхода полезного продукта на 3-3,5% при снижении гидравлических потерь в камере в 2-2,5 раза.