Многофазный распределитель жидкости для реактора с трубками
Распределитель используется для равномерного распределения двух жидких фаз во множество трубок вертикального реактора с трубками, предназначенного для выполнения химических реакций, в котором внутреннее пространство трубок, предназначено для выполнения операций со слоем со струйным течением жидкости, при этом данные трубки прикреплены в верхних и нижних частях с помощью плит и закрыты со своей внешней стороны. Распределитель содержит расположенную над верхней плитой распределительную камеру, содержащую подающие трубки для двух различных жидких фаз и, по меньшей мере, одной газовой фазы. Непосредственно над плитой или на ней расположена первая система распределения жидкости, которая присоединена к одному внешнему подающему приспособлению и содержит кольцевой водослив, установленный вне области трубок, с отверстиями в его нижней части и множеством входных патрубков. Один входной патрубок предназначен для верхней части каждой трубки реактора, при этом входные патрубки имеют трубчатую конструкцию, вертикально выровнены, имеют, по меньшей мере, одно боковое отверстие и одно отверстие, расположенное над плитой, и открыты у нижней части, расположенной напротив каждой соответствующей трубки. Над первой системой распределения жидкости расположена вторая система распределения жидкости, которая присоединена к одному другому внешнему подающему приспособлению и содержит один верхний и один нижний распределительные лотки. Нижний распределительный лоток содержит множество отверстий, расположенных на одном уровне над входными патрубками первой системы распределения жидкости, и имеет, по меньшей мере, одно приспособление для установки одинакового уровня жидкости над этими отверстиями. Верхний распределительный лоток присоединен к подающему приспособлению для жидкости и содержит множество водосливов для протекания жидкости в нижний распределительный лоток, и каждый водослив предназначен для множества отверстий нижнего распределительного лотка. Распределитель обеспечивает равномерное наполнение множества трубок вертикального реактора для проведения в нем химических или биологических реакций. 2 н. и 24 з.п. ф-лы, 10 ил.
Настоящее изобретение относится к распределителю жидкости для равномерного распределения двух жидких фаз во множество трубок вертикального реактора. Такие реакторы с трубками используются для осуществления химических реакций, которые являются высоко экзотермическими или эндотермическими и требуют соблюдения определенного температурного режима. В то время как химическая реакция происходит внутри данных трубок, которые заполнены сыпучим материалом, эти трубки, например, с внешней стороны подвергаются термическому воздействию, то есть они охлаждаются или нагреваются. Эти трубки обычно закреплены в верхней и нижней частях с помощью плит и являются, таким образом, закрытыми или уплотненными с внешней стороны. Кроме того, обычные реакторы с трубками имеют внешний кожух и отверстия для подающих и сливных трубок, как и для сборочных операций. Этот внешний кожух обычно ограничивает распределительную камеру, расположенную над трубной решеткой с внешней стороны.
В таких реакторах равномерное дозирование реагентов представляет определенные трудности, особенно в случае, когда имеются две жидкости, которые не могут быть смешаны и которые, вследствие их несмешиваемости, не могут быть смешаны заранее, и поэтому должны по отдельности вводится в индивидуальные трубки реактора, например, в случае с водной и масляной фазой. Трудности также возникают, когда одна из двух данных жидкостей или обе из них подаются в малых количествах, и места слива, таким образом, могут подвергаться воздействиям, свойственным зоне межфазной границы жидкостей, например, таким как радиальное отклонение, и когда, в дополнение к этому, требуемые маленькие сливные отверстия могут быть засорены частицами грязи.
Еще одна трудность возникает, когда в отдельные трубки реактора нужно подать не только эти две жидкости, но также и поток газа для создания дальнейшей реакционной среды, среды для удаления продуктов реакции или же для смывки нежелательных побочных продуктов. Такая трудность регулярно возникает, когда реакторы с трубками содержат сыпучий материал, например, запас катализатора или вещество-носитель для биологических процессов, и обеспечены средства для работы данного реактора, как реактора, имеющего слой со струйным течением жидкости.
Трудности вышеупомянутого типа могут также взаимно усиливаться, когда газовый поток и капли жидкости или тонкие струи жидкости влияют друг на друга, например, при распылении жидкости.
Еще одна трудность может возникнуть при частом изменении технологических процессов. Это происходит в том случае, когда требуется циклическое обновление катализатора или промывка биологического материала, и в этом случае данный распределитель также должен подвергаться действию потоков, которые по своему воздействию существенно отличаются от обычных операций, происходящих во время процесса восстановления.
Таким образом, целью настоящего изобретения является создание системы распределения двух жидких фаз, предназначенных для равномерного наполнения множества трубок вертикального реактора для проведения в нем химических или биологических реакций, обеспечивающей преодоление вышеописанных трудностей.
Настоящее изобретение достигает этой цели, предлагая распределитель для двух жидких фаз, которыми требуется равномерно наполнить множество трубок вертикального реактора, предназначенного для выполнения химических реакций, в котором трубки обычно закреплены в верхней и нижней частях с помощью плит и закрыты со своей внешней стороны, содержащий распределительную камеру, расположенную над верхней плитой и содержащую подающие трубки для двух различных жидкостей и, по меньшей мере, одной газовой фазы, первую систему распределения жидкости, расположенную непосредственно над плитой или на ней, присоединенную к, по меньшей мере, одному внешнему подающему приспособлению и содержащую один водослив, например, кольцевой водослив, установленный вне области трубок и имеющий отверстия в его нижней части и множество входных патрубков, при этом один входной патрубок предназначен для верхней части трубки, входные патрубки имеют трубчатую конструкцию и вертикально выровнены, имеют, по меньшей мере, одно боковое отверстие и одно отверстие большего сечения, расположенное над плитой, и открыты в своей нижней части, расположенной напротив каждой соответствующей трубки реактора, вторую систему распределения жидкости, расположенную над первой системой распределения жидкости, присоединенную к, по меньшей мере, одному другому внешнему подающему приспособлению и содержащую один верхний и один нижний распределительные лотки, при этом нижний распределительный лоток содержит множество отверстий, расположенных на одном уровне над входными патрубками первой системы распределения жидкости, и, по меньшей мере, одно приспособление для установки одинакового уровня жидкости над данными отверстиями, верхний распределительный лоток присоединен к подающему приспособлению для жидкости и содержит множество водосливов или отверстий в пластине для протекания жидкости в нижний распределительный лоток, причем каждый водослив предназначен для множества отверстий в нижнем распределительном лотке.
В данном случае режим работы является следующим: первая жидкость вводится в распределительную камеру извне, это может выполняться сбоку, например через кольцевой распределитель обычной конструкции, или же с помощью других средств. Турбулентность этого входного потока разбивается кольцевым водосливом, так что в результате достигается только устойчивый, в основном однородный или слоистый поток, который проходит через отверстия, выполненные в данном водосливе ниже уровня жидкости, и попадает в место расположения входных патрубков. Первая жидкость проходит через боковые отверстия входных патрубков внутрь трубки, стекает вниз по внутренней стенке трубки, достигая, таким образом, содержащегося в данных трубках сыпучего материала, имеющего слой со струйным течением жидкости. Пропускная способность здесь определяется формой отверстий и регулируемым уровнем жидкости.
Вторая жидкость подается, например, сверху, на верхний распределительный лоток, выполняющий задачу предварительного распределителя, по чьим переливным водосливам или отверстиям в пластине эта вторая жидкость стекает на нижний распределительный лоток, выполняющий роль точного распределителя, который выполнен, например, в виде перфорированного распределителя. Вторая жидкость стекает сверху через отверстия в перфорированном распределителе и течет вниз во входные патрубки, попадая точно в центр последних и, продолжая течь, поступает прямо на содержащийся в данных трубках сыпучий материал, имеющий слой со струйным течением жидкости, где происходит контакт с первой жидкостью. Как и в первой системе распределения, пропускная способность здесь определяется формой отверстий и регулируемым уровнем жидкости.
Предназначенный для подачи газ может быть введен в любом месте выше уровня жидкости первой системы распределения, газ входит в секцию слоя со струйным течением жидкости через верхние отверстия входных патрубков.
В случае процессов промывки, например, в связи с обновлением сыпучего материала, верхнее отверстие, которое имеет большее сечение, чем нижнее отверстие, может быть использовано для введения сравнительно больших количеств материала в массу сыпучего материала.
Если в данных жидкостях содержатся загрязняющие частички, которые могут засорить отверстия входных патрубков или перфорированную пластину, то высота боковых отверстий входных патрубков и высота водосливов верхнего распределительного лотка обеспечивают возможность частичкам большего размера скапливаться на соответствующей пластине, расположенной вне потока данной жидкости, так что эти частички не заносятся в данные отверстия, что является одним из преимуществ настоящего изобретения.
В воплощениях настоящего изобретения входные патрубки имеют, по меньшей мере, одно нижнее, меньшее боковое отверстие, и, по меньшей мере, одно верхнее, большее боковое отверстие. Выемка для распределения жидкости образована нижним меньшем отверстием. Верхнее, большее отверстие используется для подачи промывной жидкости. Оно должно быть выполнено достаточно высоко над заданным уровнем жидкости плиты.
Вместо отверстий, выемки могут также быть выполнены как канавки, как это, например, предложено в патенте Германии 29194621, на фиг.1 и 1A для расширенного распределителя. Эти канавки могут быть разработаны как в виде прямых щелей, так и иметь клинообразную форму. В канавках входных патрубков могут быть также выполнены проволокоподобные вспомогательные средства для протекания потока жидкости по внутренней стороне входных патрубков.
В других вариантах воплощений настоящего изобретения могут быть созданы условия для расположения верхней системы распределения жидкости на входных патрубках нижней системы распределения жидкости. Такое расположение может обеспечивать очень высокую стабильность конструкции, оно также значительно упрощает задачу точного горизонтального выравнивания нижнего распределительного лотка по сравнению со свободно поддерживаемой конструкцией, что является одним из преимуществ настоящего изобретения.
В предпочтительном варианте распределитель жидкости имеет разборную модульную конструкцию, например ячеистую или сегментированную, если область трубок реактора представляет собой треугольник. Особенно предпочтительным является вариант, если модульная конструкция получается тогда, когда все системы распределения расположены одна на другой. В идеальном варианте отдельные детали распределителя могут быть съемными.
В еще одном варианте воплощения настоящего изобретения водосливы верхнего распределительного лотка второй системы распределения жидкости имеют зазубрины на своих верхней или нижней кромках, или же на обеих кромках.
В других воплощениях настоящего изобретения нижний распределительный лоток снабжен у своих отверстий вспомогательными элементами для облегчения сливного потока, например кольцевыми желобками, так что устраняется боковое течение, возникающее вследствие поверхностного натяжения. Нижний распределительный лоток может также быть обеспечен водосливами согласно фиг.4 в DE-OS 2212816, где каждый из этих водосливов имеет три выходных отверстия, смещенных на 120 градусов, при этом каждое выходное отверстие должно находиться на одном уровне с входным патрубком. Подобно входным патрубкам с канавками, они также могут быть снабжены вспомогательными средствами для обеспечения сливного потока, например водосливами.
В других воплощениях настоящего изобретения входные патрубки присоединены к плитам и трубкам. Это может быть достигнуто вкручиванием входных патрубков в концы трубок. Входные патрубки также могут быть ввернуты в отдельный неглубокий резервуар. Вместо входных патрубков к концам трубок могут быть присоединены съемные патрубки или другие приемные приспособления для обеспечения съемной конструкции.
Настоящее изобретение разъяснено более подробно далее со ссылкой на чертежи, на которых изображено следующее:
фиг.1a показывает продольное сечение входного патрубка с отверстием;
фиг.1b показывает поперечное сечение входного патрубка с радиальным отверстием;
фиг.1c показывает поперечное сечение входного патрубка с тангенциальным отверстием;
фиг.1d показывает продольное сечение входного патрубка с отверстием, когда патрубок снабжен резьбой;
фиг.2 показывает распределитель в разрезе, в работе во время заполнения жидкостью;
фиг.3 показывает сечение распределителя с распределительным резервуаром;
фиг.4 показывает еще одно сечение конструкции распределителя, показанного на фиг.3, вместе с предварительным распределителем;
фиг.5 показывает вид в плане сегментной конструкции;
фиг.6 показывает еще одно сечение конструкции распределителя, показанного на фиг.3;
фиг.7 показывает продольное сечение распределительного лотка, снабженного отверстием, с кольцевым входным желобком вокруг этого отверстия.
Фиг.1a показывает продольное сечение входного патрубка 1 с верхним отверстием 2, нижним отверстием 3, горловиной 4, используемой для вставки входного патрубка 1 в трубную решетку, и отверстием 5, через которое подлежащая распределению жидкость должна втекать во входной патрубок. Вместо одного отверстия, как это показано на фиг.1a, может также использоваться множество распределенных по периферии отверстий. Здесь эти отверстия могут также находиться на различных высотах и иметь различные диаметры, но схема расположения отверстий должна быть одной и той же для всех входных патрубков.
Фиг.1b и фиг.1c показывают поперечное сечение входного патрубка 1, обозначенное стрелками на фиг.1a. Отверстие 5 на фиг.1b выполнено в радиальном направлении, тогда как отверстие 5, показанное на фиг.1c, выполнено в тангенциальном направлении относительно внутреннего диаметра.
Последний вариант воплощения предпочтительно используется при наличии нескольких отверстий, распределенных по периферии.
Фиг.1d показывает продольное сечение входного патрубка с отверстием 1, с верхним отверстием 2, нижним отверстием 3, горловиной 4 для вставки входного патрубка 1, которая имеет резьбу 18, чтобы ввернуть его в распределительный резервуар, и отверстием 5, через которое распределяемая жидкость должна течь во входной патрубок. Горловина 4 в этом случае снабжается уплотнительным элементом 19.
Фиг.2 показывает входной патрубок 1 с верхним отверстием 2, нижним отверстием 3, горловиной 4, используемой для вставки входного патрубка 1 в плиту 6 (или в распределительный резервуар 20, см. фиг.3), и отверстием 5, через которое подлежащая распределению первая жидкость 7 должна течь во входной патрубок 1. Течение жидкости 7 замедляется в отверстии 5, стекая вниз по внутренней стенке входного патрубка 1 под воздействием гравитации, образуя, тем самым, выходной конус 8 и доходя до сыпучего материала 9, находящегося в трубках 10. Для более ясной иллюстрации показаны три входных патрубка (без ссылочных номеров), чьи функции и конструкция являются идентичными. На практике в распределителе могут использоваться несколько тысяч входных патрубков.
Вторая жидкость 11, предназначенная для распределения на лотке 12 предварительного распределения, перетекает через зазубренную верхнюю кромку 13 водослива 14 (или через отверстие 29 в пластине лотка, см. фиг.4), достигая перфорированного точного распределителя 15, где он формирует слой 16 жидкости определенной высоты. Вторая жидкость 11 проходит через отверстия 17 и верхние отверстия 2 входных патрубков 1 непосредственно на сыпучий материал 9, как это показано стрелками.
Фиг.3 показывает конструкцию распределителя, в котором используется распределительный резервуар 20, который привинчен резьбовыми болтами 21 к плите 6. В точном распределителе 15 распределяемая жидкость течет через отверстия 17 прямо во входные патрубки 1, на которые непосредственно установлен точный распределитель 15. В этом случае не обеспечивается просвет над входными патрубками 1, как это показано на фиг.2. Для предотвращения растекания жидкости, выходящей из отверстий 17, в боковом направлении, вызываемом силами адгезионного взаимодействия, на нижней стороне точного распределителя 15 вокруг каждого из отверстий 17 выполнен кольцевой желобок 22, имеющий клиновое сечение, как это также подробно показано на фиг.7.
Жидкость, подлежащая распределению из распределительного резервуара 20, которая соответствует жидкости 7 на фиг.2, вытекает из кольцевого распределителя 23 через отверстия 24 во входную область 25 данного резервуара, проходит через отверстия 26 на участок, где расположены входные патрубки 1 с отверстиями 5, и втекает через отверстия 5 и нижние отверстия 3 во внутреннюю часть трубок 10.
Фиг.4 также показывает конструкцию с фиг.3, в которой использован лоток 12 предварительного распределения, позволяющий жидкости, протекая через штуцер 27 для жидкости, проходить через щелевые отверстия 28 для дальнейшего равномерного ее выхода из множества отверстий 29 в перфорированный точный распределитель 15.
Фиг.5 и 6 демонстрируют возможность конструктивного сегментного решения, в данном случае на примере входной области 25 с отверстиями 26 и части распределительного резервуара 20. Оба показанных сегмента 30 и 31 привинчены друг к другу в точках соединения 32. Фиг.5 показывает это как вид в плане, тогда как фиг.6 представляет вид изнутри в направлении наружу по линии B-B с фиг.5. Очевидно, что можно подобрать целый ряд разъемных элементов, это относится как к распределительному резервуару 20, как продемонстрировано, так и к перфорированному предварительному распределителю 15, и к точному распределителю 12 (здесь не показан).
Распределители описанного выше типа могут с большим успехом использоваться в реакторах для производства пропиленоксида из пропилена и перекиси водорода в жидкой фазе.
1. Распределитель для равномерного распределения двух жидких фаз во множество трубок вертикального реактора для выполнения химических реакций, в котором трубки закреплены в верхней и нижней частях с помощью трубных решеток и закрыты со своей внешней стороны, содержащий распределительную камеру, расположенную над верхней трубной решеткой и содержащую подающие трубки для двух различных жидких фаз и, по меньшей мере, одной газовой фазы, отличающийся тем, что имеет первую систему (6, 20) распределения жидкости, расположенную над трубной решеткой или на ней, присоединенную к, по меньшей мере, одному внешнему подающему приспособлению (23) и содержащую установленный вне области трубок водослив (25), имеющий отверстия (26) в его нижней части и множество входных патрубков (1), при этом один входной патрубок (1) предназначен для верхней части каждой трубки, входные патрубки (1) имеют трубчатую конструкцию, вертикально выровнены, имеют, по меньшей мере, одно боковое отверстие (5) и отверстие (2), расположенное над трубной решеткой, и открыты в своей нижней части, расположенной напротив каждой соответствующей трубки (3) реактора, и вторую систему (12, 15) распределения жидкости, расположенную над первой системой (6, 20) распределения жидкости, присоединенную к, по меньшей мере, одному другому внешнему подающему приспособлению (27) и содержащую один верхний распределительный лоток и один нижний распределительный лоток (15), содержащий множество отверстий (17), расположенных на одном уровне над входными патрубками первой системы (6, 20) распределения жидкости и, по меньшей мере, одно приспособление для установки одинакового уровня жидкости над этими отверстиями, при этом верхний распределительный лоток (12) присоединен к подающему приспособлению (27) для жидкости и содержит множество водосливов (14) или отверстий в пластине (29) для протекания жидкости в нижний распределительный лоток (15), причем каждый водослив (14) предназначен для множества отверстий в нижнем распределительном лотке.
2. Распределитель жидкости по п.1, отличающийся тем, что входные патрубки (1) имеют, по меньшей мере, одно нижнее, меньшее боковое отверстие и, по меньшей мере, одно верхнее, большее боковое отверстие.
3. Распределитель жидкости по п.1, отличающийся тем, что входные патрубки имеют, по меньшей мере, одну боковую канавку для протекания жидкости из трубной решетки внутрь трубки.
4. Распределитель жидкости по п.3, отличающийся тем, что канавки входных патрубков снабжены проволокоподобными вспомогательными средствами для протекания жидкости внутри входных патрубков.
5. Распределитель жидкости по одному из предыдущих пп.1-4, отличающийся тем, что верхняя система (15) распределения жидкости установлена на входных патрубках (1) нижней системы распределения жидкости.
6. Распределитель жидкости по одному из пп.1-4, отличающийся тем, что является разборным и имеет модульную конструкцию.
7. Распределитель жидкости по п.5, отличающийся тем, что является разборным и имеет модульную конструкцию.
8. Распределитель жидкости по п.6, отличающийся тем, что отдельные детали являются съемными.
9. Распределитель жидкости по п.7, отличающийся тем, что отдельные детали являются съемными.
10. Распределитель жидкости по одному из пп.1-4, 7-9, отличающийся тем, что водосливы (14) верхнего распределительного лотка (12) второй системы распределения жидкости имеют зазубрины (13) на своей верхней или нижней кромке или же на обеих кромках.
11. Распределитель жидкости по п.5, отличающийся тем, что водосливы (14) верхнего распределительного лотка (12) второй системы распределения жидкости имеют зазубрины (13) на своей верхней или нижней кромке или же на обеих кромках.
12. Распределитель жидкости по п.6, отличающийся тем, что водосливы (14) верхнего распределительного лотка (12) второй системы распределения жидкости имеют зазубрины (13) на своей верхней или нижней кромке или же на обеих кромках.
13. Распределитель жидкости по одному из пп.1-4, 7-9, 11 и 12, отличающийся тем, что нижний распределительный лоток снабжен водосливами или отверстиями в пластине, каждое из которых имеет три выхода, смещенных на 120°, при этом каждый выход расположен на одном уровне с входным патрубком.
14. Распределитель жидкости по п.5, отличающийся тем, что нижний распределительный лоток снабжен водосливами или отверстиями в пластине, каждое из которых имеет три выхода, смещенных на 120°, при этом каждый выход расположен на одном уровне с входным патрубком.
15. Распределитель жидкости по п.6, отличающийся тем, что нижний распределительный лоток снабжен водосливами или отверстиями в пластине, каждое из которых имеет три выхода, смещенных на 120°, при этом каждый выход расположен на одном уровне с входным патрубком.
16. Распределитель жидкости по п.10, отличающийся тем, что нижний распределительный лоток снабжен водосливами или отверстиями в пластине, каждое из которых имеет три выхода, смещенных на 120°, при этом каждый выход расположен на одном уровне с входным патрубком.
17. Распределитель жидкости по одному из предыдущих пп.1-4, 7-9, 11 и 12, 14-16, отличающийся тем, что нижний распределительный лоток снабжен у своих отверстий вспомогательными средствами для обеспечения потока.
18. Распределитель жидкости по п.5, отличающийся тем, что нижний распределительный лоток снабжен у своих отверстий вспомогательными средствами для обеспечения потока.
19. Распределитель жидкости по п.6, отличающийся тем, что нижний распределительный лоток снабжен у своих отверстий вспомогательными средствами для обеспечения потока.
20. Распределитель жидкости по п.10, отличающийся тем, что нижний распределительный лоток снабжен у своих отверстий вспомогательными средствами для обеспечения потока.
21. Распределитель жидкости по п.13, отличающийся тем, что нижний распределительный лоток снабжен у своих отверстий вспомогательными средствами для обеспечения потока.
22. Распределитель жидкости по п.1, отличающийся тем, что входные патрубки присоединены к трубной решетке и трубкам.
23. Распределитель жидкости по п.1 или 2, отличающийся тем, что входные патрубки вкручены в концы трубок.
24. Способ равномерного распределения во множество трубок вертикального реактора двух жидких фаз, которые являются двумя несмешиваемыми жидкостями и которые из-за этой несмешиваемости не могут быть смешаны заранее, отличающийся тем, что жидкости вводятся раздельно в отдельные трубки реактора.
25. Способ по п.24, отличающийся тем, что в отдельные трубки реактора дополнительно подают газ.
26. Способ по п.24 или 25, отличающийся тем, что используют распределитель по одному из пп.1-23.
