ВНУТРЕННЕЕ УСТРОЙСТВО РЕАКТОРА

Изобретение относится к аппаратам, используемым для проведения химических процессов, протекающих в газожидкостной среде. Изобретение может быть использовано, в частности, в реакторах синтеза карбамида из аммиака и диоксида углерода при повышенных температурах и давлениях. Внутреннее устройство реактора состоит из закрепленных концами в опорной решетке контактных устройств, каждое из которых состоит из вертикальных трубчатых опускного и подъемного элементов, соединенных между собой U-образным трубчатым элементом того же диаметра. Контактные устройства расположены над опорной решеткой. При этом подъемный элемент имеет отверстие на опорной решетке для входа жидкости и газа. Конец опускного элемента заглушен и имеет вы-ходные отверстия для газожидкостной смеси, рас-положенные на боковой поверхности нижней части элемента. Предложенное изобретение обеспе-чивает стабильность расхода и развитую поверхность контакта фаз, уменьшение гидравлического сопротивления контактных устройств и повыше-ние эффективности реакционного процесса.

Изобретение относится к аппаратурному оформлению химических процессов, протекающих в газожидкостной среде, а именно к конструкции внутреннего устройства реактора с восходящим однонаправленным движением фаз. Изобретение может быть использовано, в частности, в реакторах синтеза карбамида из аммиака и диоксида углерода при повышенных температурах и давлениях.
Предшествующий уровень техники
Реакторы синтеза карбамида представляют собой вертикальные полые аппараты с патрубками ввода и вывода реагентов, внутри которых помещают устройства различной конструкции, позволяющие повысить эффективность смешения жидких и газообразных реагентов и снизить про-дольное перемешивание в реакторе.
Известны реакторы для взаимодействия газо-вой и жидкой фаз, конкретно для синтеза карбами-да, содержащие в качестве внутренних устройств перфорированные перегородки (Кучерявый В. И., Лебедев В.В. Синтез и применение карба¬мида. М.: Химия, 1970, с. 316; SU 808122, В 01 J 19/00, 1981; SU 1088779, В 01 J 10/00, 19/00, 1984). Реакторам, которые оборудованы такими устройствами, при-су¬ща недостаточно высокая эффективность проте-кания проводимого в них процесса синтеза и отно-сительно низкая удельная производительность из-за недостаточно совершенного распределения газовой фазы по сечению реактора.
Для интенсификации процесса контактирова-ния газообразных и жидких реагентов в реакторах устанавливают контактные устройства как в до-полнение к перфорированным перегородкам, так и в качестве самостоятельных внутренних устройств.
Известно внутреннее устройство реактора для взаимодействия газовой и жидкой фаз, содержа-щее расположенные под опорной решеткой кон-тактные устройства, каждое из которых представ-ляет собой закрепленную верхним концом в опор-ной решетке вертикальную трубу, разделенную на опускной и подъемный элементы внутренней вер-тикальной перегородкой, которая в верхней части вплотную примыкает к опорной решетке, а в ниж-ней части не достигает нижнего заглушенного конца трубы, причем опускной элемент выполнен заглушенным сверху с раздельными входными отверстиями для жидкости и газа на боковой по-верхности верхней части, а подъемный элемент имеет отверстие на опорной решетке для выхода газожидкостной смеси (SU) 2114691, В 01 J 10/00, 1998).
Известное внутреннее устройство характери-зуется сложностью изготовления и сборки кон-тактных устройств. Конструктивные особенности контактных устройств обусловливают их значи-тельное гидравлическое сопротивление и низкую эффективность протекающих в них реакционных процессов вследствие возникновения в них проб-кового режима движения двухфазного потока, характеризующегося резкими колебаниями расхо-дов жидкой и газовой фаз. Кроме того, конструк-ция контактных устройств не обеспечивает воз-можности их опорожнения, что необходимо для безопасного проведения внутренних осмотров и ремонтов реактора.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является внутреннее устройство реактора для взаимодействия газовой и жидкой сред, содержащее расположенные под опорной решеткой контактные устройства, каждое из которых состоит из закрепленных своими верх-ними концами в опорной решетке вертикальных трубчатых опускного и подъемного элементов, соединенных между собой в нижней части U-образным трубчатым элементом того же диамет-ра, причем опускной элемент выполнен заглушен-ным сверху с раздельными входными отверстиями для жидкости и газа на боковой поверхности верхней части, а подъемный элемент имеет отвер-стие на опорной решетке для выхода газожид-костной смеси (SU 2168355, В 01 J 10/00, 19/00, 2001).
Данная конструкция контактных устройств более технологична в изготовлении и в некоторой степени решает проблему уменьшения гидравли-ческого сопротивления, однако она обладает теми же эксплуатационными недостатками, что и предыдущая конструкция.
Общей причиной повышенного сопротивле-ния и недостаточной эффективности работы кон-тактных устройств является нестабильный режим движения газожидкостного потока в их опускных элементах. Наличие на опускных элементах двух рядов входных отверстий приводит к тому, что под опорной решеткой образуется газовая подуш-ка с поверхностью раздела фаз между верхним и нижним рядами входных отверстий. В результате газ. входя через верхний ряд отверстий, поступает в опускные элементы не в виде мелких пузырьков, а в виде пробок, перекрывающих все поперечное сечение опускного элемента и вызывающих резкое увеличение его гидравлического сопротивления. Вследствие этого формируется пробковый режим движения газожидкостного потока: в опускном элементе образуются длинные чередующиеся газовые и жидкостные пробки, движение которых сопровождается резкими скачками расхода и дав-ления.
В конечном итоге в контактных элементах устанавливается низкочастотный автоколеба-тельный режим, при котором проскоки пробок газа чередуются с длительными паузами, связанными с прохождением жидкости и увеличением объема газовой подушки. Межфазная поверхность, фор-мируемая в контактных устройствах при таком режиме, весьма мала, и реакционный процесс про-ходит недостаточно эффективно.
Раскрытие изобретения
Задачей является снижение гидравлического сопротивления контактных устройств, повышение эффективности протекающего в них реакционного процесса, а также обеспечение свободного опо-рожнения контактных устройств при периодиче-ских остановках технологического процесса.
Задача решается совершенствованием кон-струкции внутреннего устройства реактора.
Техническим результатом, который может быть получен при использовании изобретения, является обеспечение движения газожидкостного потока через контактные устройства в устойчивом пузырьковом режиме. Такой режим обеспечивает стабильность расхода и развитую поверхность контакта фаз. Благодаря этому уменьшается гид-равлическое сопротивление контактных устройств и повышается эффективность реакционного про-цесса.
Для достижения указанного технического ре-зультата предложено внутреннее устройство ре-актора для взаимодействия газовой и жидкой сред, состоящее из закрепленных концами в опорной решетке контактных устройств, каждое из кото-рых состоит из вертикальных трубчатых опускно-го и подъемного элементов, соединенных между собой U-образным трубчатым элементом того же диаметра, отличающееся тем, что контактные устройства расположены над опорной решеткой, причем подъемный элемент имеет отверстие на опорной решетке для входа жидкости и газа, а опускной элемент выполнен заглушенным снизу с выходными отверстиями для газожидкостной сме-си на боковой поверхности нижней части.
Краткое описание фигур чертежей
Сущность изобретения иллюстрируется при-лагаемыми фиг. 1 и 2. На фиг. 1 изображен в про-дольном разрезе конкретный реактор синтеза кар-бамида с установленным и нем внутренним устройством; на фиг. 2 - в продольном разрезе контактное устройство и его крепление в опорной решетке.
Лучший вариант осуществления изобретения
В соответствии с фиг. 1 реактор состоит из вертикального корпуса 1 с патрубками ввода 2, 3 и 4 жидких и газообразного реагентов, патрубком вывода продуктов реакции 5, распределительного устройства 6, горизонтальных перфорированных перегородок 7 и контактных устройств 8, выпол-ненных из труб постоянного сечения и закреплен-ных в опорной решетке 9. Контактные устройства расположены над опорной решеткой в нижней трети реактора, где количество газовой фазы ве-лико. Количество перфорированных перегородок и расстояние между смежными перегородками определяются характером проводимого процесса и могут быть различными.
В соответствии с фиг. 2 каждое контактное устройство 8 состоит из двух вертикальных труб-чатых элементов - подъемного 10 и опускного 11. Элементы 10 и 11 в верхней части соединены между собой U-образным трубчатым элементом 12 того же диаметра. Элементы 10 и 11 закрепле-ны своими нижними концами в опорной решетке 9. Подъемный элемент 10 имеет отверстие 13 на опорной решетке, ко¬торое открыто для входа жидкости и газа, у опускного элемента 11 отвер-стие перекрыто заглушкой 14. Па боковой поверх-ности нижней части опускного элемента над опорной решеткой 9 равномерно по окружности трубы расположены отверстия 15 для выхода газожидкостной смеси. Верхний торец заглушки 14 размещен между верхней плоскостью опорной решетки 9 и нижней кромкой боковых отверстий 15. U-образный элемент 12 может быть выполнен отдельно от элементов 10 и 11, а зачем приварен к ним двумя кольцевыми швами, либо изготовлен вместе с ними из одной трубной заготовки. В опорной решетке 9 имеются дренажные отверстия 16 для слива реакционной смеси при остановках технологического процесса.
Реактор работает следующим образом. Ис-ходные жидкие и газообразный реагенты (в случае синтеза карбамида - жидкий аммиак, раствор уг-леаммонийных солей и газообразный диоксид углерода) поступают в реактор 1 через патрубки 2, 3, 4. Для смешения, диспергирования и распре-деления реагентов по сечению аппарата предна-значено распределительное устройство 6. Пройдя его, газожидкостная смесь попадает в простран-ство, заполненное контактными устройствами 8. Газожидкостная смесь через входные отверстия 13 поступает в подъемные элементы 10, где газовая и жидкая фазы контактируют в условиях восходя-щего прямотока. Далее газожидкостная смесь проходит U-образный элемент 12 и поступает в опускные элементы 11, где контактирование фаз продолжается в условиях нисходящего прямотока. Нисходящий газожидкостный поток через отвер-стия 15 выходит из контактных устройств в об-ласть над опорной решеткой 9 и далее поступает в верхнюю реакционную зону реактора, заполнен-ную горизонтальными перфорированными пере-городками 7. После прохождения всех перегоро-док продукты реакции отводятся из реактора че-рез патрубок 5.
Таким образом, благодаря расположению контактных устройств над опорной решеткой газожидкостная смесь вводится сначала не в опускные, а в подъемные элементы контактных устройств. Вследствие разности плотностей жид-кости и газа в подъемных элементах возникает газлифтный эффект, способствующий подъему газожидкостной смеси и ее беспрепятственному прохождению через контактные устройства. Пу-зырьковая структура газожидкостного потока, созданная в нижней части реактора распредели-тельным устройством 6, в контактных устройствах сохраняется. Даже при наличии крупных пузырей, соизмеримых с поперечным сечением подъемных элементов, газлифтный эффект лишь усиливается, и пузырьковый режим движения потока не меняет-ся. Набрав скорость в подъемных элементах, дис-пергированный газожидкостный поток поступает в опускные элементы 11 и проходит их по инерции без образования пробкового режима.
Модельные испытания опытного образца контактного устройства показали, что его гидрав-лическое сопротивление на 25-30% ниже, а интер-вал колебаний расхода газожидкостного потока в 5-10 раз меньше, чем в контактном устройстве известной конструкции.
Таким образом, благодаря предложенной конструкции внутреннего устройства реактора снижается гидравлическое сопротивление кон-тактных устройств и увеличивается межфазная поверхность, что способствует повышению эффек-тивности реакционного процесса. При остановке реактора для последующего ремонта обеспечива-ется самопроизвольное опорожнение контактных устройств через нижние отверстия подъемных и опускных элементов.
Промышленная применимость
Изобретение может быть использовано, в частности, в реакторах синтеза карбамида из ам-миака и диоксида углеро-да.

1. RU 2168355 Cl, 10.06.2001, peферат.
2.SU 1219130 A, 23.03.1986.
3. RU 2195364 Cl 27.12.2002.
4. US 4545945 Al 08.10.1985.