Газофазный химический реактор

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических республик (t t) 854429 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22)Заявлено 10.11,78(21) 2682638/23-26 с присоединением заявки М (5l)M. Кл.

В Ol J 9/18

Гасударственный коннтет

СССР (23 ) Приоритет

00 делан лзебретекик и атарытвй

Опубликовано 15.08.81, Бктллетень Ю 30

Дата опубликования описания 17.08.81 (53) УДК 66.023 (088. 8) В. М. Пирожников, Г. С. Кабащ1ттн,и Т.. В. Кучко

° ° ° (72) Авторы изобретения

t (I

Белорусское отделение Всесоюзного государственного научноисследовательского и проектно-кон трукторекого,.щщ гитута энергетики промышленности (7I ) Заявитель (54) ГАЗОФАЗНЬЙ ХИМИЧЕСКИЙ РЕАКТОР

Изобретение относится к технике проведения химических реакций в газовой фазе и может быть использовано в химической промьппленности, черной и цветной металлургии и др. отраслях промышленности.

Известны химические реакторы, широко применяемые в промьппленности, представляющие собой аппараты, в которых за счет физических явлений т0 (диффузии, теплообмена, перемешивания и т.п.) создаются необходимые условия для осуществления химического превращения, в резупьтате которого получается целевой продукт определенно15 го качества и в заданном количестве 1 11.

Многообразие химических и физических явлений, лежащих в основе разнохарактерных технологических процессов, выдвигает самые различные требования к химическим реакторам, Однако все без исключения реакторы должны удовлетворять следующим основным тре бованиям: обеспечивать большую производительности при возможности более высокой степени превращения; иметь малые энергетические затраты на транспортирование и перемешивание реагентов; быть достаточно простыми в устройстве и дешевыми; наиболее полно использовать тепло экзотермических реакций и тепло, подводимое извне для осуществления эндотермических процессов; быть надежными в работе, по возможности наиболее полно механизированными и обеспечивать автоматическое регулирование процесса.

Наиболее типичные и широко применяемые аппараты для процессов в газовой фазе: камерный реактор с эжекторным смесителем газов и паров, например, печь для синтеза хлористого водорода, печь для сжигания серы, печь для термоокислителъного крекинга метана; камерный реактор с центробежным перемешиванием газовой смеси,по режиму близок к аппаратам полного сме

При работе турбины, вследствие изменения скоростей в сопловых и рабочих лопатках, возникают скачки уплотнений и разряжений рабочей среды, что приводит к появлению ультразвука меж50 ду лопатками и турбулизации потока (перемешиванию). Турбокомпрессор — это турбина, в которой процесс расширения-сжатия газов ведут в обратном на55 правлении.

На фиг. ) изображена турбина, схематический разрез; на фиг. 2 — диаграмма изменения давления, теплосо3 8544 шения и изотермичному типу); трубчатый реактор с теплообменом между двумя газами„ работающий по режиму вытеснения, политермичен; реактор типа труба в труое с жидкостным охлаждением

5 или нагревом, политермичен, реакторы с различными видами механических мешалок и др, типами перемешивающих устройств, обеспечивающих режим, близкий к полному смешению, например 10 реакторы смешения с пропеллерной мешалкой, реакторы со струйно-эжекторным смешением и т,п. Такие реакторы изотермичны P2) .

Однако эти аппараты не в полной

Мере удовлетворяют предъявленным к ним требованиям и имеют следующие не-, достатки: слабое использование (или полное неиспользование) избыточного давления рабочей среды, тепла экзотермической реакции, тепла, подводимого извне для осуществления эндотермических процессов, физического тепла газов на входе и выходе из зоны реакции; ограниченные возможности изменения температуры и давления рабочей среды в разных точках реакционного объема (изменение температуры и давления рабочей среды позволяет интен сифицировать процесс); отсутствие при-30 менения ультразвука для интенсификации физико-химических процессов.

Цель изобретения — интенсификация химических. процессов в газовой фазе.

Эта цель достигае ся пр енен ем 35 известных типов паровых или газовых турбин, а также турбокомпрессоров в качестве газофазных химических реакторов, Паровая и газовая турбины являются 40 двигателями, в которых потенциальная энергия пара или газа превращается в кинетическую, а последняя в свою очередь преобразуется в механическую энергию вала. 45

29 4 держания и скорости пара или газа по длине проточной части турбины. 1

Турбина включает в себя кольцевую камеру для свежего пара или газа 1, корпус 2, вал ротора 3, направляющие (сопловые) лопатки 4, рабочие лопатки 5 и выпускной патрубок б, Два смежных ряда лопаток (сопловых 4 и рабочих 5) образуют так называемую ступень. Все ступени составляют ее проточную часть.

Турбина работает следующим образом.

Свежий пар или газ поступает в проточную часть из камеры I. В неподвижной части корпуса 2 и на подвижной части ротора 3 закреплены соответственно сопловые 4 и рабочие лопатки 5, образующие каналы для прохода пара или газа. Из камеры 1 пар или газ, протекая через межлопаточные каналы поступает в выпускной патрубок 6, при

)этом пар постепенно расширяется от начального Ро до конечного давления

Р, проходя последовательно через каналы всех ступеней.

Пар или газ, проходя через каналы сопловых решеток (не подвижных), теряет давление, но при этом возрастает его скорость. Таким образом потенциальная энергия переходит в кинетическую. Затем на рабочих лопатках (подвижных) скорость пара или газа понижается, приводя вал турбины во вращательное движение, т.е. происходит преобразование кинетической энергии в механическую работу, передаваемую иа вал турбины.

В турбокомпрессоре рабочее тело при давлении Р направляют в патрубок 6, а выводят через камеру 1 при давлении Po . Здесь механическая энергия вала превращается в кинетическую, а затем потенциальную энергию рабочего тела.

Характер процессов, протекающих в турбинных аппаратах, благоприятен для проведения химических реакций.

В основном это определяется следующим.

Скорость газа изменяется многократно в сопловьтх и рабочих лопатках от максимального значения до минимального, что способствует интенсивному перемешиванию реагирующих компонентов. В результате высоких линейных скоростей рабочих лопаток и газа на выходе из сетевых лопаток образуются зоны возцействия ультразвуковых волн, интенси854429 фицирующих ход химического превраще " ния.

На скорость протекания реакции и полноту выхода продукта определяющее влияние оказывают температура и давление регулирующих компонентов.

В результате взаимодействия компонентов изменяется термодинамическое состояние системы,- приводящее к изменению движущей силы процесса. Для увели-1о чения движущей силы процесса реакции проводят в несколько стадий, ступен.чато изменяя термодинамические параметры системы.

Основная особенность процессов, 15 проходящих в турбинном аппарате, заключается в том, что он может рассматриваться как совокупность химических реакторов, обеспечивающих различные термодинамические параметры для прове-2о дения химических превращений (по числу турбинных ступеней). Сочетание необходимых для проведения реакции параметров зависит от расположения ступеней и достигается набором сопловых 25 и рабочих решеток из лопаток соответствующего профиля. При этом могут ис,пользоваться совместно с прямыми стуЙенями также и обратные турбинные ступени. Для проведения некоторых хими- зо ческих реакций изменение аэродинамики проточной части не требуется, в этом случае в качестве химического реактора может использоваться стандартный турбинный аппарат. 35

Предлагаемый газофазный химический реактор представляет собой аппарат турбинного типа как он есть, без принципиальных изменений и дополнений. Химическая реакция проводится по принципу работы турбинного аппарата, например, сжатые предварительно до заданного давления и нагретые до заданной температуры газы (или смесь) пода-4 ют в кольцевую камеру 1, играющую роль камеры смешения. B камере смешения 1 начинается реакция между газами при высоких начальных параметрах. Затем рабочее тело (исходная смесь и продукты реакции) проходит проточную часть в направлении к выпускному патрубку б.

В проточной части под действием высокого давления и температуры, ультразвука и турбулизации IIQToKoB интенсивно протекает газофазная реакция.

Рабочее тело покидает турбину через патрубок 6 при заданном давлении и температуре (обусловленных, например, параметрами дальнейшей технологической обработки продуктов реакции).

Интенсификация процесса достигается за счет следующих факторов: более высокое давление в зоне реакции ведет к увеличению равновесной степени превращения, скорости реакции, выхода продукта; соответствие температуры процесса оптимальной температуре приводит к увеличению константы скорости реакции,выхода продукта; турбулизация потока ведет к снижению диффузионных торможений, выравниванию концентраций и температур в ходе процесса, увеличению константы скорости и числа столкновений реагирующих молекул; ультразвуковые колебания, воздействуя на рабочее тело на молекулярном уровне, позволяют тормозить протекание побочных реакций, что интенсифицирует процесс, так как поддерживается высокая концентрация исходных веществ. Частота колебаний регулируется скоростью рабочего тела и числом оборотов вала турбины.

В перечисленной литера уре достаточно широко и подробно объясняется влияние указанных факторов на интенсификацию процессов.

Пример. В газофазном химическом реакторе проводят хлорирование метана, при котором последовательным замещением его водородных атомов получается смесь четырех производных:

СН + С СН С + HC

СН С+ С СН С + НС

СН,2Со + С< CHC>+ HC

CHC5 + C2 CC + HC

Изменяя условия процесса (соотно- шение исходных продуктов, режим хлорирования), можно направить реакцию в сторону преимущественного образования того или иного хлорпроизводного (селективность).

Смесь хлора и метана компримируют до давления 130 кг/см, нагревают до 450 С и подают в кольцевую каме ру 1 турбины, например типа P-40-130/31, Эта турбина имеет 9 ступеней.

Смесь газов проходит через проточную часть турбины к выходному патрубку 6. В камере I и межлопаточных каналах проточной части происходит реакция между хлором и метаном. Продукты реакции покидают турбину при давлении 31 кг/см, производительность реактора составляет 456 т/ч. Содержание метана в продуктах реакции мень54429

7 8

me 0,5Х. Процесс адйабатический. Турбина полностью обеспечена устройствами КИП и А, а также безопасности.

Утечки рабочего тела исключены.

Предложение испольэовать турбинный аппарат как газофазный химический реактор имеет преимущества, так как по" зволяет увеличить эффективность процесса (увеличение производительности и скорости реакции), получить продукт высокого качества (высокая селектив-, ность, более полное проведение реак, ции), разработать новые, более совершенные энерготехнологические способы, что дает значительную зкономию в народном хозяйстве, Формула изобретения

Применение турбинного аппарата в в качестве газофазного химического реактора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

t0 1. Мухленов И,П. и др, Общая химическая технология, М., "Высшая школа", 1977, 2. Шляхин П.Н. Паровые и газовые турбины, М-Л. "Энергия", 1966. г °

1ул