Газожидкостной реактор

 

Использование: изобретение относится к конструкциям реакторов для контактирования газа и жидкости. Сущность изобретения: газожидкостной реактор включает корпус, установленную в нем циркуляционную трубу, распределитель газа в нижней части корпуса и внешнюю циркуляционную систему, содержащую трубопровод вывода жидкости из нижней части корпуса, насос и трубопровод ввода жидкости в верхнюю часть корпуса, соединенный с форсункой, установленной над циркуляционной трубой, в циркуляционной трубе под форсункой установлен смеситель в виде вертикальной трубы. При этом верхний торец смесителя расположен выше верхнего торца циркуляционной трубы, нижний - в верхней части циркуляционной трубы, а под смесителем установлен диск-отбойник с зазором к стенке циркуляционной трубы. Распределитель газа установлен в нижней части циркуляционной трубы. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к конструкциям реакторов для контактирования газа и жидкости и может найти применение в нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической и других отраслях промышленности для осуществления таких, например, процессов как жидкофазное окисление, хлорирование, карбонилирование, нитрирование углеводородов и др.

Известен газожидкостной реактор, включающий корпус, установленную в корпусе циркуляционную трубу, распределитель газа в нижней части реактора под циркуляционной трубой, внешнюю циркуляционную систему), состоящую из трубопровода вывода жидкости из реактора, насоса и трубопровода ввода жидкости в реактор.

В известном реакторе при барботаже газовой фазы внутри циркуляционной трубы жидкая фаза (реакционная смесь) поднимается по циркуляционной трубе и опускается по кольцевому пространству между корпусом реактора и циркуляционной трубой.

К недостаткам этого реактора относится недостаточный тепломассообмен, связанный, главным образом, с недостатками контактирования путем барботажа пузырьков газа через слой жидкости низкая степень диспергирования газа, слияние и укрупнение пузырей по высоте слоя жидкости (эффективный массообмен осуществляется только на начальном участке барботирования в нижней части слоя).

Кроме того, кольцевое пространство реактора практически не используется для контактирования в связи с тем, что лишь незначительное количество газовой фазы в виде сохранившихся мелких пузырьков увлекается в кольцевое пространство циркулирующей жидкой фазой и рециркулирует через него. Газовая фаза таким образом проходит слой жидкости практически за один проход.

Известен также реактор для контактирования газа и жидкости [1] имеющий корпус, установленную в корпусе соосно с ним циркуляционную трубу с распределителем газовой фазы в нижней части реактора, внешнюю циркуляционную систему, содержащую трубопровод вывода жидкости из нижней части корпуса, насос, трубопровод ввода жидкости в верхнюю часть корпуса и соединенную с ним форсунку, расположенную над верхним торцем циркуляционной трубы. Подаваемая вниз реактора газовая фаза барботирует через кольцевое пространство между корпусом и циркуляционной трубой, а установленная над циркуляционной трубой форсунка обеспечивает струйное аэрирование опускающейся по этой трубе в ходе циркуляции жидкую фазу (в кольцевом пространстве жидкость поднимается). Попадающие в объем жидкости при струйном аэрировании пузырьки газа частично всплывают в верхнюю часть реактора противоточно к циркулирующей жидкости, а частично рециркулируют (главным образом мелкие пузырьки) через кольцевую зону реактора.

В этом известном реакторе по сравнению с рассмотренным выше лучше используется объем реактора за счет контактирования в опускной секции, повышается тепломассообмен.

Однако газонасыщение опускной секции (циркуляционной трубы, по которой жидкость опускается), приводит к значительному уменьшению внутренней циркуляции жидкой фазы, что ограничивает возможности рециркуляции газовой фазы, ухудшает перемешивание реакционной смеси (жидкой фазы).

Кроме того, расположение распределителя газовой фазы под циркуляционной трубой не исключает попадания газовой фазы в циркуляционную трубу (опускную секцию), особенно, например, при пульсациях давления, что также приводит к уменьшению внутренней циркуляции жидкости.

Все это определяет недостаточный тепломассообмен и уровень использования рабочего объема в известном аппарате.

Задачей изобретения является повышение эффективности тепломассообмена, более рациональное использование рабочего объема реактора.

Для решения указанной задачи в газожидкостном реакторе, включающем корпус, установленную в нем циркуляционную трубу, распределитель газа в нижней части корпуса и внешнюю циркуляционную систему, содержащую трубопровод вывода жидкости из нижней части корпуса, насос и трубопровод ввода жидкости в верхнюю часть корпуса, соединенный с форсункой, установленной над циркуляционной трубой, в циркуляционной трубе под форсункой установлен смеситель в виде вертикальной трубы. При этом верхний торец смесителя расположен выше верхнего торца циркуляционной трубы, нижний в верхней части циркуляционной трубы, а под смесителем установлен диск-отбойник с зазором к стенке циркуляционной трубы и распределитель газа установлен в нижней части циркуляционной трубы.

Трубопровод ввода жидкости в верхнюю часть корпуса может быть соединен с дополнительными форсунками, установленными над циркуляционной трубой, под каждой из которых в циркуляционной трубе установлен смеситель в виде вертикальной трубы, верхний торец которой расположен выше верхнего торца циркуляционной трубы, нижний в верхней части циркуляционной трубы, а под смесителем установлен диск-отбойник с зазором к стенке циркуляционной трубы.

Циркуляционная труба в зоне расположения смесителей может иметь перфорацию.

В циркуляционной трубе коаксиально первому смесителю с зазором друг к другу могут быть установлены дополнительные смесители в виде вертикальных труб, нижние торцы которых расположены выше нижнего торца первого смесителя и под ними установлены кольца-отбойники, а верхний торец наружного дополнительного смесителя расположен выше торцев остальных смесителей.

Реактор может быть снабжен устройствами для фиксирования уровня жидкости между верхним торцем циркуляционной трубы и верхним торцем смесителя. При этом устройства для фиксирования уровня жидкой фазы в реакторе могут быть выполнены, например, в виде переливных патрубков, установленных на уровне жидкости, вертикальных перегородок или карманов с переливными кромками, расположенными на уровне жидкости), могут снабжаться управляющими приборами контроля и регулирования уровня и т.п. В реакторе может быть установлено несколько циркуляционных труб. Циркуляционные трубы могут иметь цилиндрическую, коническую, ступенчатую и другие формы и при этом любое сечение круг, прямоугольник, квадрат и др. Верхний торец циркуляционной трубы может быть зубчатым. Предпочтительное расстояние от диска-отбойника до распределителя газа составляет 0,1 15 расстояний от диска-отбойника до верхнего торца циркуляционной трубы.

На трубопроводе внешней циркуляционной системы может быть установлен теплообменник, а корпус реактора может иметь рубашку для стабилизации температурного режима реактора в необходимом интервале.

Предлагаемый реактор может использоваться как единичный аппарат, а также в многоступенчатых схемах с последовательным или параллельным включением нескольких отдельно стоящих реакторов. Возможна компановка многоступенчатых схем в едином корпусе, располагаемом или вертикально или горизонтально.

К отличиям предлагаемого реактора от известного относятся: расположение одной или нескольких форсунок над циркуляционной трубой, являющейся подъемной секцией (в которую подается через распределитель исходный газ), установка под каждой форсункой смесительной трубы с диском-отбойником, опущенной в верхнюю часть подъемной секции и введение распределителя газа в нижнюю часть подъемной секции; перфорирование верхней части циркуляционной трубы; установка дополнительных смесителей в виде коаксиально расположенных вертикальных труб.

На чертеже изображен предлагаемый газожидкостной реактор.

Реактор включает корпус 1, форсунку 2, смеситель 3, диск-отбойник 4, циркуляционную трубу 5, патрубок ввода газовой фазы 6, распределитель газовой фазы 7, патрубок вывода газовой фазы 8, патрубок вывода жидкости 9, патрубок ввода жидкости 10, трубопровод вывода жидкости из нижней части корпуса 11, циркуляционный насос 12, трубопровод ввода жидкости в верхнюю часть корпуса 22, теплообменник 13, отверстия перфорации 14, патрубок 15 ввода жидкости на контактирование (сырье) и устройство для вывода проконтактировавшей жидкости (продукт), содержащее патрубок 16 и карман 17 с вертикальной перегородкой, верхняя кромка которой расположена ниже верхнего торца смесителя и выше верхнего торца циркуляционной трубы. Коаксиально центральной трубе смесителя 3 с зазором друг к другу установлены дополнительные трубы 18 и 19 с кольцами-отбойниками 20 и 21, причем верхний торец наружной дополнительной трубы 18 расположен выше верхних торцев труб 3 и 19.

Реактор работает следующим образом.

Реактор заполнен жидкостью до уровня выше верхней кромки циркуляционной трубы (показано треугольником). Газовая фаза входит в реактор через патрубок 6, проходит распределитель 7, барботирует в объеме циркуляционной трубы, выходит в свободный объем над уровнем жидкости и покидает реактор через патрубок 8.

Жидкость на контактирование подается через патрубок 15 в нижней части аппарата и покидает реактор переливом через верхнюю кромку кармана 17 и патрубок 16.

Жидкая фаза через патрубок 9 и трубопровод 11 засасывается насосом 12 и под давлением через теплообменник 13 и патрубок 10 подается в форсунку 2, дробится при вытекании из нее, создает скоростные потоки, позволяющие инжектировать газ из свободного объема над уровнем жидкости в трубы смесителя 3, 18, 19. В трубах смесителя образуются двухфазные газожидкостные потоки, которые вводятся в верхнюю часть объема циркуляционной трубы и с большой скоростью ударяются об диск-отбойник 4 и кольца-отбойники 20 и 21. Газовые пузырьки дробятся на отборниках и при этом осуществляется газонасыщение жидкой фазы мелкодисперсными пузырьками газовой фазы в верхней части циркуляционной трубы в зоне расположения смесителя.

Поданная таким образом газожидкостная смесь вместе с циркулирующей жидкостью и барботирующей снизу циркуляционной трубы газовой фазой поднимается в верхнюю часть реактора. Часть газа, в основном с крупными пузырями, уходит в газовое пространство над слоем жидкости, откуда снова инжектируется в слой жидкости, осуществляя таким образом многократную рециркуляцию газовой фазы через верхнюю часть реакционного объема.

Образовавшаяся в результате взаимодействия указанных потоков газожидкостная эмульсия, содержащая главным образом мелкодисперсные пузырьки газа, попадает сверху слоя жидкости в реакторе или через отверстия перфорации 14 в кольцевое пространство между корпусом 1 и трубой 5 и опускается вместе с циркулирующей жидкостью в низ реактора. При этом в реакционном объеме осуществляется многократная рециркуляция газовой фазы через кольцевое пространство в виде тонкодисперсных пузырьков, образующихся в смесителе и на диске-отбойнике.

Отличием в работе предлагаемого реактора по сравнению с прототипом является введение инжектируемого газа в подъемную секцию (в прототипе в опускную); введение газа в больших количествах в реакционный объем и на большую глубину за счет использования смесителя, чем при поверхностном аэрировании в прототипе; более тонкое диспергирование газовой фазы за счет диска-отбойника; увеличение внутренней циркуляции жидкой фазы в реакторе за счет дополнительного введения в подъемную секцию больших количеств инжектируемой газовой фазы и введения исходного газа непосредственно в нижнюю часть циркуляционной трубы; организация в подъемной секции в верхней ее части взаимодействия поднимающихся снизу в осевом направлении крупных пузырей барботируемого исходного газа и с инжектируемым потоком мелкодисперсных пузырьков, направленном в радиальном направлении, что приводит к дроблению пузырей барботируемого исходного газа; отток части циркулирующей жидкой фазы совместно с мелкодисперсными пузырьками газовой фазы через отверстия перфорации в верхней части циркуляционной трубы; интенсивное контактирование газа и жидкости непосредственно в смесителе.

В результате верхняя часть подъемной секции работает в режиме интенсивного массообмена при большой степени рециркуляции газовой фазы через указанную зону при сохранении зоны эффективного массообмена, примыкающей к распределителю газовой фазы, в нижней части подъемной секции, в которой пузыри барботирующего газа не подверглись значительной коалесценции укрупнению за счет слияния. Одновременно через опускную секцию рециркулирует значительно большие количества газовой фазы вследствие большей степени диспергирования, больших количеств газовой фазы, инжектируемых в реакционный объем и большей внутренней циркуляции жидкой фазы, чем в прототипе.

Таким образом, изобретение обеспечивает повышение эффективности тепломассообмена, более рациональное использование рабочего объема реактора.

Формула изобретения

1. Газожидкостной реактор, включающий корпус, установленную в нем циркуляционную трубу, распределитель газа в нижней части корпуса и внешнюю циркуляционную систему, содержащую трубопровод вывода жидкости из нижней части корпуса, насос и трубопровод ввода жидкости в верхнюю часть корпуса, соединенный с форсункой, установленной над циркуляционной трубой, отличающийся тем, что в циркуляционной трубе под форсункой установлен смеситель в виде вертикальной трубы, верхний торец которой расположен выше верхнего торца циркуляционной трубы, а нижний в верхней части циркуляционной трубы, под смесителем установлен диск-отбойник с зазором к стенке циркуляционной трубы, а распределитель газа установлен в нижней части циркуляционной трубы.

2. Реактор по п.1, отличающийся тем, что трубопровод ввода жидкости в верхнюю часть корпуса соединен с дополнительными форсунками, установленными над циркуляционной трубой, под каждой из которых в циркуляционной трубе установлен смеситель в виде вертикальной трубы, верхний торец которой расположен выше верхнего торца циркуляционной трубы, нижний в верхней части циркуляционной трубы, а под смесителем установлен диск-отбойник с зазором к стенке циркуляционной трубы.

3. Реактор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что циркуляционная труба в зоне расположения смесителей имеет перфорацию.

4. Реактор по пп.1 3, отличающийся тем, что в циркуляционной трубе, коаксиально первому смесителю с зазором друг к другу установлены дополнительные смесители в виде вертикальных труб, нижние торцы которых расположены выше нижнего торца первого смесителя и под ними установлены кольца-отбойники, а верхней торец наружного дополнительного смесителя расположен выше торцов остальных смесителей.

РИСУНКИ

Рисунок 1

MM4A - Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 06.03.2008

Извещение опубликовано: 20.03.2010        БИ: 08/2010

---