Реактор для контактирования газа и жидкости

 

Использование изобретения: в нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической и других отраслях промышленности. Сущность изобретения: реактор для контактирования газа и жидкости, включающий корпус, установленный в нем смеситель в виде вертикальной трубы 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 смесителем. Корпус под смесителем разделен горизонтальной перегородкой с переливной трубой, верхний торец которой расположен ниже верхнего торца смесителя, при этом в нижней части реактора установлено устройство, фиксирующее уровень жидкости ниже перегородки. 4 з.п.ф-лы, 5 ил.

Изобретение может найти применение в нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической и других отраслях промышленности, например, для осуществления процессов жидкофазного окисления, хлорирования, карбонилирования, нитрирования углеводородов. Эффективным может быть использование изобретения, в частности в процессах жидкофазного окисления изобутана в третичную бутилгидроперекись, изопентана в гидроперекись третичного амила, параксилола в терефталевую кислоту, этилена в ацетальдегид, изовалерианового альдегида в изовалериановую кислоту и др.

Известен реактор для контактирования газа и жидкости, включающий корпус, внешнюю циркуляционную систему, содержащую трубопровод вывода жидкости из нижней части реактора, насос, трубопровод ввода жидкости в верхнюю часть реактора и соединенную с ним форсунку, расположенную над уровнем жидкости в реакторе (патент США N 4234560 кл. B 01 D 47/02 и C 01 D 15/06, 1980).

Известный реактор обладает невысокой эффективностью массообмена вследствие того, что струйное аэрирование слоя жидкой фазы с помощью форсунки обеспечивает газонасыщение только приповерхностной части слоя.

Известен также реактор для контактирования газа и жидкости, содержащий корпус, трубопровод вывода жидкости, насос, трубопровод ввода жидкости в верхнюю часть реактора, соединенную с ним форсунку и расположенный под ней соосно смеситель в виде вертикальной трубы, нижний торец которой расположен в рабочем объеме реактора под слоем жидкости (Заявка Японии N 56-54172, B 01 J 10/00, 1981).

Заглубление смесителя в слой жидкости и инжектирование в него газовой фазы из верхней части реактора обеспечивают газонасыщение значительной части слоя и приводят к увеличению эффективности массообмена по сравнению с рассмотренным выше реактором.

Однако высота заглубления смесителя в слой жидкости в известном реакторе ограничена в связи с тем, что степень инжекции газовой фазы резко падает с увеличением высоты заглубления (с ростом противодавления столба жидкости). Поэтому применение этого реактора ограничено малыми размерами и производительностью. При использовании известного реактора большой единичной мощности для ряда технологических процессов эффективность массообмена оказывается недостаточной, при этом неэффективно используется рабочий объем реактора, так как зона рабочего объема ниже смесителя практически не используется для контактирования.

Задача изобретения - повышение эффективности массообмена, более рациональное использование рабочего объема при увеличении производительности реактора.

Для решения указанной задачи в реакторе для контактирования газа и жидкости, включающем корпус, установленный в нем смеситель в виде вертикальной трубы 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 смесителем, корпус под смесителем разделен горизонтальной перегородкой о переливной трубой, верхний торец которой расположен ниже верхнего торца смесителя, при этом в нижней части реактора установлено устройство, фиксирующее уровень жидкости ниже перегородки.

Трубопровод ввода жидкости в верхнюю часть корпуса может быть соединен с дополнительными форсунками, под каждой из которых установлен смеситель с нижним торцем, расположенным над перегородкой.

В смесителе соосно ему может быть установлена труба, верхний торец которой расположен ниже верхнего торца смесителя, а нижний - ниже перегородки.

Трубопровод ввода жидкости в верхнюю часть корпуса может быть соединен с дополнительными форсунками, под каждой из которых установлена вертикальная труба с нижним торцем ниже перегородки. Перегородка может иметь перфорацию.

Устройства для фиксирования уровня жидкости ниже перегородки могут быть выполнены, например, в виде переливных патрубков, установленных на уровне жидкости, вертикальных перегородок или карманов с переливными кромками, расположенными на уровне жидкости, которые могут снабжаться приборами контроля и регулирования уровня и т.п. Уровень в верхней части реактора при этом фиксируется положением верхнего торца переливного стакана. Нижний торец переливного стакана может быть выполнен зубчатым.

Форсунка и верхний торец смесителя могут быть расположены в инжекционной камере, включающей корпус с патрубком, соединенным с верхней частью реактора, и патрубком ввода газа.

Под нижней кромкой смесителей могут быть расположены отбойники-диспергаторы.

Патрубок ввода газа может соединяться с газовым пространством (над слоем жидкости) под верхней крышкой корпуса или под перегородкой, при этом патрубок вывода газа соединяется соответственно с газовым пространством под перегородкой и крышкой.

При полном исчерпывании в ходе реакции газовой фазы патрубок вывода газа может отсутствовать.

Патрубок ввода жидкости может быть расположен в слое жидкости над перегородкой или под ней, а выхода - под перегородкой или над ней соответственно.

На трубопроводе внешней циркуляционной системы может быть установлен теплообменник для регулирования температуры в реакторе. С этой же целью корпус реактора может быть оборудован рубашкой.

Перегородка, разделяющая корпус реактора, может быть глухой и иметь лишь дренажные отверстия для освобождения аппарата от жидкости или перфорированной. Перегородка может быть плоской, расположенной горизонтально или иметь криволинейную поверхность, например, сферическую, эллиптическую и др., выпуклостью вверх или вниз.

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

На фиг. 1-5 изображены примеры конструктивного оформления реактора для контактирования газа и жидкости.

Реактор (фиг. 1) включает в себя корпус 1, установленный в нем смеситель 2. внешнюю циркуляционную систему, содержащую трубопровод 3 вывода жидкости из нижней части корпуса, насос 4, трубопровод 5 ввода жидкости в верхнюю часть корпуса, соединенный с форсункой 6, установленной над смесителем соосно с ним. Корпус реактора разделен на верхнюю 7 и нижнюю 8 камеры горизонтальной перегородкой 9 с переливной трубой 10.

В нижней части реактора установлено устройство, фиксирующее уровень жидкости ниже перегородки и состоящие из разгрузочной секции 12, образованной вертикальной переливной перегородкой 11, герметично соединенной с корпусом реактора и имеющей переливную кромку на уровне жидкости, содержащей также патрубки 13 для уровнемера 14, связанного с регулирующим клапаном 15 на трубопроводе 16 вывода жидкости из реактора.

Реактор имеет патрубок 17 для ввода жидкости и патрубок 19 для вывода газа.

Перегородка 9 имеет отверстия перфорации 20. На трубопроводе 5 установлен теплообменник 21.

На фиг. 2 и 5 изображены варианты реактора, в которых в смесителе 2 соосно ему установлена труба 22, верхний торец которой расположен ниже верхнего торца смесителя, а нижний - ниже перегородки 9 соответственно над и под слоем жидкости в нижней камере.

Трубопровод 5 ввода жидкости в верхнюю часть корпуса реактора, изображенного на фиг. 3 и 4, соединен с дополнительной форсункой, под которой установлена вертикальная труба 23 с нижним торцем ниже перегородки 9 соответственно над и под слоем жидкости в нижней камере.

Под трубой 23 (фиг. 4) установлен отбойник-диспергатор 24.

Для ввода жидкости реактор имеет патрубок 25, расположенный, например, под слоем жидкости в верхней камере (фиг. 1 и 2), трубопровод 26, соединенный с трубопроводом 3 циркуляционной системы 6 (фиг. 3, 5), патрубок 27, расположенный под слоем жидкости в нижней камере (фиг. 4).

Для вывода жидкости реактор имеет патрубок 23, расположенный в нижней части разгрузочной секции (фиг. 1), на уровне слоя жидкости в нижней камере (фиг. 2, 3), в средней части разгрузочной секции (фиг. 5), в нижней части слоя жидкости в верхней камере (фиг. 4).

Для ввода газа реактор имеет патрубок 29, расположенный над слоем жидкости в нижней камере (фиг. 1, 3), над слоем жидкости в верхней камере (фиг. 2, 4).

Устройством, фиксирующим уровень жидкости ниже перегородки в реакторе (фиг. 2 и 3) является переливной патрубок 28, в реакторе на (фиг. 4) - уровнемер 14, установленный в патрубках 13 в нижней камере и связанный с клапаном 15, на трубопроводе 16 вывода жидкости из верхней камеры, а в реакторе (фиг. 5) - вертикальная переливная перегородка 11 и переливной патрубок 28, установленный на уровне жидкости в разгрузочной секции 12.

В реакторе (фиг. 5) форсунка 6 и верхний торец смесителя установлены в инжекционной камере 30, состоящей из корпуса 31 с верхним 32 и нижним 33 днищами. Причем камера имеет в верхней части патрубок 34, соединенный трубопроводом 35 с патрубком 36 в верхней части корпуса реактора 1.

Форсунка 6 соединена с трубопроводом 5 циркуляционной системы.

Газ вводится в реактор по трубопроводу 37, соединенным с трубопроводом 35 или с патрубком 34 камеры 30.

Корпус камеры 30 может иметь цилиндрическую обечайку 31 (см. вариант оформления сечения А-А) с соосным расположением обечайки, форсунки и смесителя. При этом патрубки 34 и 29 устанавливаются тангенциально к обечайке.

Реактор работает следующим образом.

Реактор заполнен жидкостью. При этом уровни жидкости фиксируются в верхней камере верхним торцем переливной трубы 10, а в нижней - кромкой перелива перегородки 11 (фиг. 1), патрубком 28 (фиг. 2, 3, 5), регулирующими приборами (фиг. 1, 4), состоящими из измерителя уровня 14 и клапана 15 на трубопроводе вывода жидкости из реактора 16. Жидкость циркулирует в системе нижняя камера - верхняя камера с помощью насоса 4 по трубопроводам 3, 5.

Жидкость подается в реактор через патрубок 25, который расположен в нижней части слоя жидкости в верхней камере (фиг. 1, 2), через патрубок 27 в нижней части слоя жидкости в нижней камере (фиг. 4), а также по трубопроводу 26, соединенному с трубопроводом 3 циркуляционной системы (фиг. 3, 5).

Жидкость выводится из реактора через патрубок 28, расположенный в разгрузочной секции 12 нижней камеры реактора (фиг. 1), в верхней части слоя жидкости нижней камеры реактора (фиг.2, 3), в нижней части слоя жидкости верхней камеры реактора (фиг. 4), в средней части разгрузочной секции (фиг. 5).

Газ вводится в реактор через патрубок 29 в надслоевое пространство нижней камеры (фиг. 1, 3), в надслоевое пространство верхней камеры (фиг. 2, 4) или по трубопроводу 37, соединенным или с трубопроводом 35, или с патрубком 29 камеры 30.

Газ выводится из реактора через патрубок 19, расположенный в надслоевом пространстве верхней камеры реактора (фиг. 1), в надслоевом пространстве нижней камеры реактора (фиг. 2), и может выходить из реактора совместно с жидкостью через патрубок 28 (фиг. 5), может не выводиться из реактора при его полном исчерпывании в ходе осуществления процесса (фиг. 3, 4).

При циркуляции жидкости насосом 4 форсунка 6 обеспечивает инжектирование газа из надслоевого пространства верхней камеры 7 в слой жидкости верхней камеры через смесители 2 (фиг. 1-5), а также через кольцевое пространство, обрадованное трубами 2 и 22, при этом газ одновременно инжектируется через трубу 22 в надслоевое пространство нижней камеры 8 (фиг. 2) или в слой жидкости (фиг. 5).

Дополнительные форсунки 38 и вертикальные трубы 23 обеспечивают инжектирование газа из верхней камеры в нижнюю: в надслоевое пространство (фиг. З), под слой жидкости (в реакционный объем (фиг 4).

Газожидкостная смесь, выходящая из смесителей 2, труб 22 и труб 23, диспергируется в реакционных объемах верхней и нижней камер: на поверхности перегородки 9 (фиг. 1-5), на отбойнике-диспергаторе 24 (фиг. 4), на поверхности днища корпуса реактора (фиг. 5), на поверхности слоя жидкости в нижней камере (фиг. 2, 3).

При работе реактора возникают дополнительные зоны контактирования: в переливной трубе 10, в противоточном режиме движения циркулирующей жидкости и газа в переливной трубе (фиг. 1-5); в надслоевом пространстве в нижней камере реактора при контактировании газа со струями жидкости, вытекающей из переливной трубы (фиг. 1-5), из отверстий перфорации 20 перегородки 9 (фиг. 1), из труб 22 и 23 (фиг. 2, 3); в слое жидкости в нижней камере реактора в связи с аэрированием слоя струями жидкости (фиг. 1-5), а также в связи с газонасыщением слоя жидкости в нижней камере потоком газожидкостной смеси, направляемом в низ слоя трубами 23 и 22 (фиг. 4, 5).

Разделение рабочего объема реактора перегородкой с переливной трубой на верхнюю и нижнюю камеры позволяет создать дополнительные зоны контактирования, в том числе в нижней части реактора, не используемой в прототипе, для контактирования в реакторах большей единичной мощности при большом их объеме и высоте.

Установка верхнего торца переливной трубы ниже верхних торцев смесителей позволяет фиксировать уровень слоя жидкости в верхней камере и обеспечивает стабильную работу форсунки и смесителя.

Фиксирование уровня слоя жидкости в нижней камере также стабилизирует работу труб, опущенных в нижнюю камеру, и позволяет выдерживать оптимальные условия струйного азрирования слоя.

Двухтрубный смеситель, образуемый трубами 2 и 22 (фиг. 2, 5) позволяет инжектировать газ одновременно в реакционном объеме обоих камер с помощью одной форсунки, что также обеспечивается расположением верхних торцев труб смесителя при создании камеры избыточного давления между верхними торцами труб.

Оборудование реактора дополнительными автономными форсунками и смесителями, введенными в нижнюю камеру реактора, позволяет стабилизировать и интенсифицировать работу нижней камеры.

Расположение форсунки и верхнего торца смесителя в инжекционной камере позволяет вводить газ через камеру и смеситель непосредственно в слой жидкости, минуя газовое пространство над слоем жидкости, что является предпочтительным при осуществлении ряда процессов, например, из условий безопасности при введении газообразного окислителя в жидкофазном окислении углеводородов. Тангенциальное расположение патрубков для ввода газа в камеру 29 (фиг. 5, сечение А-А) позволяет снизить гидравлическое сопротивление газовых трактов и тем самым увеличить степень инжекции газа, улучшает условия смешения газов, поступающих в камеру через указанные патрубки, в условиях закрученного потока, стабилизирует работу форсунки.

Таким образом, изобретение позволяет увеличить эффективность массообмена, более рационально использовать рабочий объем реактора при увеличении его производительности.

Формула изобретения

1. Реактор для контактирования газа и жидкости, включающий корпус, установленный в нем смеситель в виде вертикальной трубы 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 смесителем, отличающийся тем, что корпус под смесителем разделен горизонтальной перегородкой с переливной трубой, верхний торец которой расположен ниже верхнего торца смесителя, при этом в нижней части реактора установлено устройство, фиксирующее уровень жидкости ниже перегородки.

2. Реактор по п.1, отличающийся тем, что трубопровод ввода жидкости в верхнюю часть корпуса соединен с дополнительными форсунками, под каждой из которых установлен смеситель с нижним торцем, расположенным над перегородкой.

3. Реактор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в смесителе соосно ему установлена труба, верхний торец которой расположен ниже верхнего торца смесителя, а нижний - ниже перегородки.

4. Реактор по пп.1 - 3, отличающийся тем, что трубопровод ввода жидкости в верхнюю часть реактора соединен с дополнительными форсунками, под каждой из которых установлена вертикальная труба с нижним торцем ниже перегородки.

5. Реактор по пп.1 - 4, отличающийся тем, что перегородка имеет перфорацию.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5

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

---