Газожидкостный реактор (варианты)

Изобретение относится к аппаратурному оформлению химических процессов, протекающих в газожидкостной среде, и может быть использовано, в частности, для промышленного получения карбамида. Варианты газожидкостных реакторов содержат вертикальный корпус с патрубками ввода жидкого и газообразного реагентов, патрубком вывода продуктов реакции. Внутри корпуса размещен циклонный эжектор, установленный вблизи днища реактора на осевом расстоянии от сопла до днища, равном 0,2-0,5 внутреннего диаметра корпуса реактора. Эжектор включает тангенциальный патрубок, соединенный с патрубком ввода жидкого реагента, коаксиальную трубу и сопло, направленное в сторону днища реактора. В первом варианте верхний конец коаксиальной трубы соединен с патрубком ввода газообразного реагента, а нижний ее конец снабжен лопастным завихрителем и расположен выше среза сопла циклонного эжектора. Тангенциальный входной патрубок расположен таким образом, чтобы направление вращения потоков было одинаковым. Во втором варианте верхний конец коаксиальной трубы присоединен к соосному ей цилиндрическому элементу, содержащему тангенциальный патрубок, соединенный с патрубком ввода газообразного реагента. Тангенциальные входные патрубки расположены таким образом, чтобы направление вращения тангенциальных потоков было одинаковым, нижний конец коаксиальной трубы расположен выше среза сопла циклонного эжектора. При наличии двух или более жидких или газообразных реагентов газожидкостные реакторы могут содержать, по крайней мере, один дополнительный эжектор с тангенциальным патрубком ввода реагента, размещенный между коаксиальной трубой и корпусом основного циклонного эжектора. Предложенное изобретение позволяет интенсифицировать смешение реагентов и повысить степень диспергирования газа. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к аппаратурному оформлению химических процессов, протекающих в газожидкостной среде, а именно к конструкции газожидкостного реактора с восходящим однонаправленньм движением фаз. Изобретение 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, В 01 J 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.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному реактору является 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, В 01 J 19/00, В 01 D 53/18, 1991).

При работе реактора один из жидких реагентов подают в объем реактора, а другой - через тангенциальный патрубок в полость циклонного эжектора. Пройдя патрубок ввода и распределительное устройство, газообразный реагент барботирует через реакционную массу, заполняющую корпус реактора. Часть газообразного реагента, не вступившего в реакцию, собирается под конической поверхностью. Внутри эжектора благодаря тангенциальному вводу жидкий реагент приобретает вращательное движение в виде однослойного потока. Вращающийся поток жидкого реагента, выходя из сопла циклонного эжектора и обтекая нижний срез трубы, создает внутри нее разрежение. Благодаря разрежению на нижнем срезе трубы непрореагировавший газообразный реагент отсасывается из-под конической поверхности в трубу и отбрасывается в нижнюю часть реактора вращающимся потоком жидкого реагента, выходящим из сопла циклонного эжектора. Таким образом, наличие в реакторе циклонного эжектора описанной конструкции обеспечивает дополнительное диспергирование газовой фазы на выходе из эжектора и многократную циркуляцию газовой фазы.

Турбулентная закрученная струя, выходящая из сопла циклонного эжектора вблизи распределительного устройства, вызывает дробление пузырей, выходящих из него, и тем самым увеличивает массообмен в зоне барботажа. Однако вследствие широкого угла раскрытия закрученной струи пузыри, выходящие из газораспределительного устройства, вытесняются на периферию реакционного объема и большая их часть поднимается на поверхность жидкости через кольцевой зазор между польм конусом и корпусом реактора, не участвуя в циркуляционном перемешивании и не подвергаясь турбулентному диспергированию на выходе из сопла циклонного эжектора. В результате распределение времени пребывания газа в реакционном объеме оказывается неравномерным, а дисперсный состав пузырей существенно неоднородным.

Для данной конструкции реактора характерно также неравномерное распределение газа в объеме жидкости из-за раздельного ввода реагентов (первый жидкий реагент вводится в реакционный объем нисходящей закрученной струей, второй жидкий реагент - боковой струей, направленной вдоль образующей днища, а газообразный реагент - в виде кольцевого потока всплывающих пузырей, выходящих из отверстий газораспределительного устройства), в результате чего под газораспределительным устройством и над полым конусом образуются застойные жидкостные зоны, не заполняемые пузырями. Кроме того, при больших расходах газа ввиду ограниченной эжекционной способности циклонного эжектора под польм конусом возможно образование газового мешка.

Указанные особенности вышеописанной конструкции делают проведение процессов в таких реакторах недостаточно эффективным.

Задачей является повышение эффективности проведения процессов в газожидкостных реакторах с восходящим однонаправленным движением фаз за счет достижения равномерного распределения скоростей, размеров пузырей и газосодержания по сечению восходящего газожидкостного потока.

Поставленная задача решается совершенствованием конструкции газожидкостного реактора.

Техническим результатом, который может быть получен при использовании изобретения, является интенсификация смешения реагентов и повышение степени диспергирования газа.

Для достижения указанного технического результата предложено два варианта конструкции газожидкостного реактора.

В первом варианте предложен газожидкостный реактор, содержащий вертикальный корпус с патрубками ввода жидкого и газообразного реагентов, патрубком вывода продуктов реакции и размещенный внутри корпуса циклонный эжектор, включающий тангенциальный патрубок, соединенный с патрубком ввода жидкого реагента, коаксиальную трубу и сопло, направленное в сторону днища реактора, отличающийся тем, что верхний конец коаксиальной трубы соединен с патрубком ввода газообразного реагента, а нижний ее конец снабжен лопастным завихрителем и расположен выше среза сопла циклонного эжектора, причем тангенциальный патрубок эжектора расположен таким образом, чтобы направление вращения потоков было одинаковым, циклонный эжектор установлен вблизи днища реактора на осевом расстоянии от сопла до днища, равном 0,2-0,5 внутреннего диаметра корпуса реактора.

При наличии двух или более жидких или газообразных реагентов газожидкостный реактор может содержать, по крайней мере, один дополнительный эжектор с тангенциальным патрубком ввода реагента, размещенный между коаксиальной трубой и корпусом основного циклонного эжектора.

Во втором варианте предложен газожидкостный реактор, содержащий вертикальный корпус с патрубками ввода жидкого и газообразного реагентов, патрубком вывода продуктов реакции и размещенный внутри корпуса циклонный эжектор, включающий тангенциальный патрубок, соединенный с патрубком ввода жидкого реагента, коаксиальную трубу и сопло, направленное в сторону днища реактора, отличающийся тем, что верхний конец коаксиальной трубы присоединен к соосному ей цилиндрическому элементу, содержащему тангенциальный патрубок, соединенный с патрубком ввода газообразного реагента, причем тангенциальные входные патрубки расположены таким образом, чтобы направление вращения тангенциальных потоков было одинаковым, нижний конец коаксиальной трубы расположен выше среза сопла циклонного эжектора, циклонный эжектор установлен вблизи днища реактора на осевом расстоянии от сопла до днища, равном 0,2-0,5 внутреннего диаметра корпуса реактора.

При наличии двух или более жидких или газообразных реагентов газожидкостный реактор может содержать, по крайней мере, один дополнительный эжектор с тангенциальным патрубком ввода реагента, размещенный между коаксиальной трубой и корпусом основного циклонного эжектора.

Интенсификация смешения реагентов и повышение степени диспергирования газа в обоих вариантах достигаются за счет обеспечения движения реагентов в циклонном эжекторе в виде многослойного потока с концентрическими вращающимися слоями относительно небольшой толщины. Такой характер движения потока обеспечивает невысокую степень взаимного диспергирования слоев при их движении в эжекторе и вместе с тем чрезвычайно интенсивное взаимное диспергирование и равномерное распределение реагентов при выходе этого потока в объем реактора.

Такое движение реагентов в эжекторе в обоих вариантах создается путем совместного ввода в эжектор вращающихся потоков реагентов. Для этого в первом варианте верхний конец коаксиальной трубы соединен с патрубком ввода газообразного реагента, а нижний ее конец снабжен лопастньм завихрителем и расположен выше среза сопла циклонного эжектора. Во втором варианте верхний конец коаксиальной трубы присоединен к соосному ей цилиндрическому элементу, содержащему тангенциальный патрубок, соединенный с патрубком ввода газообразного реагента, а нижний конец коаксиальной трубы расположен выше среза сопла циклонного эжектора.

Размещение циклонного эжектора вблизи днища реактора исключает образование застойной придонной зоны и вызывает дополнительную турбулизацию потока при изменении направления движения струи, обеспечивая тем самым дополнительное диспергирование газовой фазы.

Размещение циклонного эжектора на осевом расстоянии от сопла до днища, равном 0,2-0,5 диаметра корпуса реактора, обеспечивает оптимальное сочетание интенсивного диспергирования газа с равномерным рассеиванием турбулентной струи, в результате чего в реакторе формируется восходящий газожидкостный поток, дисперсность которого достаточно высока и однородна по сечению.

Сущность вариантов изобретения иллюстрируется прилагаемыми фиг.1-4. На фиг.1 изображен в продольном и поперечном разрезе реактор по первому варианту с вводом одного газового и одного жидкостного потока, на фиг.2 - реактор по первому варианту с вводом одного газового и двух жидкостных потоков, на фиг.3 - реактор по второму варианту с вводом одного газового и одного жидкостного потока, на фиг.4 - реактор по второму варианту с вводом одного газового и двух жидкостных потоков.

В соответствии с фиг.1 реактор состоит из корпуса 1 с патрубками ввода жидкого 2 и газообразного 3 реагентов, патрубком вывода продуктов реакции 4, циклонного эжектора 5 с коаксиальной трубой 6, лопастным завихрителем газового потока 7 и выходным соплом 8.

Реактор работает следующим образом. Жидкий реагент из патрубка 2 через тангенциальный ввод поступает в эжектор 5, где приобретает интенсивное закрученное движение. Из патрубка 3 и коаксиальной трубы 6 в эжектор 5 поступает газообразный реагент, поток которого закручивается при прохождении через завихритель 7.

В результате однонаправленного вращения жидкого и газообразного реагентов в циклонном эжекторе 5 формируется структурированный вращающийся поток, в котором за счет центробежных сил реагенты распределяются по плотности: через осевую зону выходного сопла 8 движется газообразный реагент, через периферийную зону - жидкий реагент.

При выходе из сопла 8 в результате потери гидродинамической устойчивости закрученного потока происходит интенсивное турбулентное диспергирование газообразного реагента и смешение фаз. За счет размещения циклонного эжектора 5 вблизи днища на осевом расстоянии от сопла до днища, равном 0,2-0,5 внутреннего диаметра корпуса реактора, происходит дополнительное диспергирование потока. Пузырьки газа, образовавшиеся при распаде закрученной струи, разлетаются под разными углами, равномерно заполняя сечение реактора, включая области, непосредственно прилегающие к днищу. В поперечном сечении реактора, начиная от самого дна, формируется однородный восходящий газожидкостный поток с мелкодисперсной пузырьковой структурой. При этом исключается образование периферийных застойных зон, не заполненных диспергированным газом, и не диспергированных газовых струй. Продукты реакции выводятся из реактора через патрубок 4.

В соответствии с фиг.2 реактор состоит из корпуса 1 с патрубками ввода жидких 2, 3 и газообразного 4 реагентов, патрубком вывода продуктов реакции 5, основного циклонного эжектора 6 с выходным соплом 7, дополнительного циклонного эжектора 8 и коаксиальной трубы 9 с лопастньм завихрителем газового потока 10.

Реактор работает аналогично реактору, изображенному на фиг.1, с тем отличием, что в реактор через входные патрубки 2, 3 вводят два потока жидких реагентов, которые через тангенциальные вводы поступают соответственно в полости основного 6 и дополнительного 8 эжекторов, где они приобретают интенсивное вращательное движение. Через патрубок 4 и коаксиальную трубу 9 в эжектор 8 поступает газообразный реагент, поток которого закручивается при прохождении через завихритель 10 и образует вместе с потоком жидкого реагента, поступившим из патрубка 3 в эжектор 8, структурированный вращающийся поток. Этот поток поступает в эжектор 6, где к нему присоединяется вращающийся поток жидкого реагента, поступивший из патрубка 2. В результате совместного однонаправленного вращения двух жидких и одного газообразного реагентов формируется структурированный вращающийся поток, дальнейшее движение которого аналогично описанному выше.

В соответствии с фиг.3 реактор состоит из корпуса 1 с патрубками ввода жидкого 2 и газообразного 3 реагентов, патрубком вывода продуктов реакции 4, циклонного эжектора 5 с коаксиальной трубой 6, выходным соплом 7 и цилиндрического элемента 8, соединенного с коаксиальной трубой 6.

Реактор работает аналогично реактору, изображенному на фиг.1, с тем отличием, что газообразный реагент из патрубка 3 через тангенциальный ввод поступает в полость цилиндрического элемента 8, где приобретает интенсивное вращательное движение. Жидкий реагент из патрубка 2 через тангенциальный ввод поступает в полость эжектора 5, где также приобретает вращательное движение. В результате однонаправленного вращения жидкого и газообразного реагентов в циклонном эжекторе 5 формируется структурированный вращающийся поток, дальнейшее движение которого аналогично движению потока, образующегося при работе реактора, изображенного на фиг.1.

В соответствии с фиг.4 реактор состоит из корпуса 1 с патрубками ввода жидких 2, 3 и газообразного 4 реагентов, патрубком вывода продуктов реакции 5, основного циклонного эжектора 6 с выходным соплом 7, дополнительного циклонного эжектора 8, коаксиальной трубы 9 и цилиндрического элемента 10.

Реактор работает аналогично реактору, изображенному на фиг.2, с тем отличием, что газообразный поток из патрубка 4 через тангенциальный ввод поступает в полость цилиндрического элемента 10, где приобретает интенсивное вращательное движение. Процесс образования структурированного потока и его дальнейшее движение протекают аналогично движению потока, образующегося при работе реактора, изображенного на фиг.2.

Таким образом, предложенные варианты конструкции газожидкостного реактора позволяют повысить интенсивность смешения и диспергирования реагентов.

1. Газожидкостный реактор, содержащий вертикальный корпус с патрубками ввода жидкого и газообразного реагентов, патрубком вывода продуктов реакции, и размещенный внутри корпуса циклонный эжектор, включающий тангенциальный патрубок, соединенный с патрубком ввода жидкого реагента, коаксиальную трубу и сопло, направленное в сторону днища реактора, отличающийся тем, что верхний конец коаксиальной трубы соединен с патрубком ввода газообразного реагента, а нижний ее конец снабжен лопастным завихрителем и расположен выше среза сопла циклонного эжектора, причем тангенциальный патрубок эжектора расположен таким образом, чтобы направление вращения потоков было одинаковым, циклонный эжектор установлен вблизи днища реактора на осевом расстоянии от сопла до днища, равном 0,2-0,5 внутреннего диаметра корпуса реактора.

2. Газожидкостный реактор по п.1, отличающийся тем, что он содержит, по крайней мере, один дополнительный циклонный эжектор с тангенциальным патрубком ввода реагента, размещенный между коаксиальной трубой и корпусом основного циклонного эжектора.

3. Газожидкостный реактор, содержащий вертикальный корпус с патрубками ввода жидкого и газообразного реагентов, патрубком вывода продуктов реакции и размещенный внутри корпуса циклонный эжектор, включающий тангенциальный патрубок, соединенный с патрубком ввода жидкого реагента, коаксиальную трубу и сопло, направленное в сторону днища реактора, отличающийся тем, что верхний конец коаксиальной трубы присоединен к соосному ей цилиндрическому элементу, содержащему тангенциальный патрубок, соединенный с патрубком ввода газообразного реагента, причем тангенциальные патрубки расположены таким образом, чтобы направление вращения тангенциальных потоков было одинаковым, нижний конец коаксиальной трубы расположен выше среза сопла циклонного эжектора, циклонный эжектор установлен вблизи днища реактора на осевом расстоянии от сопла до днища, равном 0,2-0,5 внутреннего диаметра корпуса реактора.

4. Газожидкостный реактор по п.3, отличающийся тем, что он содержит, по крайней мере, один дополнительный циклонный эжектор с тангенциальным патрубком ввода реагента, размещенный между коаксиальной трубой и корпусом основного циклонного эжектора.