ГАЗОЖИДКОСТНЫЙ РЕАКТОР (ВАРИАНТЫ)
THE GAS-LIQUID REACTOR (VARIANTS)

Изобретение относится к аппаратурному оформлению химических процессов, протекающих в газожидкостной среде, а именно к конструкции газожидкостного реактора с восходящим однонаправленным движением фаз, и 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, B01J 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.
Известен также 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, B01J 19/00, B01D 53/18, 1991). Для данной конструкции реактора характерно неравномерное распределение газа в объеме жидкости из-за раздельного ввода реагентов и особенностей конструкции газораспределительного устройства.
Наиболее близкими по технической сущности к вариантам предложенного реактора являются варианты известного газожидкостного реактора (RU 2256495, B01J 10/00, 2005).
Согласно одному из вариантов известен газожидкостный реактор, содержащий вертикальный корпус с патрубками ввода реагентов и вывода продуктов реакции и размещенный в нижней части корпуса смеситель, включающий коаксиальную трубу и вихревую камеру, имеющую тангенциальный входной патрубок, соединенный с патрубком ввода первого реагента, и осевой выходной патрубок, направленный в сторону днища реактора, причем коаксиальная труба введена в цилиндрический корпус вихревой камеры, а верхний конец коаксиальной трубы соединен с патрубком ввода второго реагента.
Согласно другому варианту известен газожидкостный реактор, содержащий вертикальный корпус с патрубками ввода реагентов и вывода продуктов реакции и размещенный в нижней части корпуса смеситель, включающий, по крайней мере, две последовательно соединенные соосные вихревые камеры, имеющие тангенциальные входные патрубки, соединенные с патрубками ввода реагентов, и осевые выходные патрубки, направленные в сторону днища реактора, причем осевой выходной патрубок каждой предшествующей камеры введен в цилиндрический корпус последующей камеры.
Известный газожидкостный реактор в обоих вариантах обеспечивает определенную степень диспергирования реагентов при их смешении благодаря движению реагентов в смесителе в виде многослойного потока с концентрическими вращающимися слоями относительно небольшой толщины и последующему выходу потока в объем реактора. Такой характер движения потока обеспечивает невысокую степень взаимного диспергирования слоев при их движении в смесителе и вместе с тем их значительное взаимное диспергирование при выходе этого потока в объем реактора.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является улучшение условий тепло- и массопередачи при взаимодействии реагентов.
Для решения этой задачи предложены два варианта конструкции газожидкостного реактора.
В первом варианте предложен газожидкостный реактор, содержащий вертикальный корпус с патрубками ввода реагентов и вывода продуктов реакции и размещенный в нижней части корпуса смеситель, включающий коаксиальную трубу и вихревую камеру, имеющую тангенциальный входной патрубок, соединенный с патрубком ввода первого реагента, и осевой выходной патрубок, направленный в сторону днища реактора, причем коаксиальная труба введена в цилиндрический корпус вихревой камеры, верхний конец коаксиальной трубы соединен с патрубком ввода второго реагента, отличающийся тем, что осевой выходной патрубок смесителя снабжен диффузором, и нижняя часть реактора содержит экран, размещенный вблизи днища реактора напротив выходного патрубка смесителя. В зависимости от количества потоков взаимодействующих реагентов смеситель может также содержать, по крайней мере, одну дополнительную вихревую камеру, соосную первой и последовательно с ней соединенную, имеющую тангенциальный входной патрубок и осевой выходной патрубок, причем осевой выходной патрубок каждой предшествующей камеры введен в цилиндрический корпус последующей камеры.
Во втором варианте предложен газожидкостный реактор, содержащий вертикальный корпус с патрубками ввода реагентов и вывода продуктов реакции и размещенный в нижней части корпуса смеситель, включающий, по крайней мере, две последовательно соединенные соосные вихревые камеры, имеющие тангенциальные входные патрубки, соединенные с патрубками ввода реагентов, и осевые выходные патрубки, направленные в сторону днища реактора, причем осевой выходной патрубок каждой предшествующей камеры введен в цилиндрический корпус последующей камеры, отличающийся тем, что осевой выходной патрубок смесителя снабжен диффузором, и нижняя часть реактора содержит экран, размещенный вблизи днища реактора напротив выходного патрубка смесителя.
Техническим результатом, который может быть получен при использовании изобретения, является увеличение интенсивности диспергирования взаимодействующих фаз и равномерности распределения реагентов в образованном двухфазном потоке. Этот результат достигается благодаря сочетанию вращательного движения потоков в вихревых камерах, быстрого их расширения на выходе из смесителя благодаря действию диффузора и отражения газожидкостного потока от экрана. Дополнительным результатом, который обусловлен наличием экрана, является предотвращение износа материала реактора (или его коррозионно-стойкой футеровки).
В обоих вариантах для улучшения качества диспергирования реагентов предпочтительно располагать тангенциальные входные патрубки камер таким образом, чтобы направление вращения потоков во всех камерах было одинаковым. Нижний конец коаксиальной трубы (по первому варианту) и осевые выходные патрубки вихревых камер (по обоим вариантам) предпочтительно вводить в цилиндрический корпус последующей камеры таким образом, чтобы срез трубы (патрубка) был расположен по ходу движения реагентов после входного отверстия тангенциального входного патрубка и не достигал среза выходного осевого патрубка последующей камеры. Предпочтительно также, чтобы смеситель содержал вихревые камеры с последовательно увеличивающимся по ходу движения реагентов диаметром. В зависимости от конкретной конструкции реактора он при необходимости может содержать дополнительный экран, размещенный концентрично стенке корпуса реактора в зоне расположения смесителя.
При использовании предложенного газожидкостного реактора в качестве реактора синтеза карбамида смеситель в первом варианте может содержать одну или две вихревые камеры, а во втором варианте - две или три вихревые камеры.
Сущность вариантов изобретения иллюстрируется приложенными фиг.1-3, на которых изображена в продольном разрезе нижняя часть газожидкостного реактора, являющегося конкретным воплощением предложенной конструкции: на фиг.1 и 2 по первому варианту, на фиг.3 по второму варианту.
В соответствии с фиг.1 газожидкостный реактор включает корпус 1 и размещенный в нижней части корпуса смеситель, состоящий из вихревой камеры 2 и коаксиальной трубы 3, соединенной с патрубком подвода газообразного реагента 4. Вихревая камера содержит тангенциальный входной патрубок 5, соединенный с патрубком подвода жидкого реагента 6, и выходной осевой патрубок 7, обращенный в сторону днища реактора и снабженный диффузором 8. Нижний конец коаксиальной трубы 3 расположен по ходу движения реагентов после входного отверстия тангенциального входного патрубка 5 и не достигает среза выходного осевого патрубка 7. Под диффузором 8 вблизи днища аппарата расположен защитный экран 9. На цилиндрическом участке нижней части аппарата в зоне расположения смесителя концентрично стенке корпуса реактора расположен защитный экран 10.
При работе реактора жидкий реагент из патрубка 6 через тангенциальный ввод 5 поступает в вихревую камеру 2, где приобретает интенсивное закрученное движение. Из патрубка 4 и коаксиальной трубы 3 в вихревую камеру 2 поступает газообразный реагент. В результате закрученного движения потока жидкого реагента в вихревой камере 2 формируется структурированный вращающийся поток, в котором за счет центробежных сил реагенты распределяются по плотности: через осевую зону выходного патрубка 7 движется газообразный реагент, через периферийную зону - жидкий реагент. При выходе из патрубка 7 в диффузор 8 в результате потери гидродинамической устойчивости закрученного потока происходит интенсивное турбулентное диспергирование газообразного реагента и смешение фаз. Благодаря размещению смесителя вблизи днища и соударению потока с экраном 9 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 недиспергированных газовых струй. Кроме того, экран 9, расположенный под диффузором, и экран цилиндрической формы 10, расположенный на цилиндрическом участке нижней части аппарата, препятствуют контакту струи, выходящей из смесителя, с материалом днища и стенок, защищая их тем самым от интенсивного коррозионно-эрозионного износа, который бы имел место в случае контакта с газожидкостной струей.
В соответствии с фиг.2 газожидкостный реактор включает корпус 1 и размещенный в нижней части корпуса смеситель, включающий вихревую камеру 2, коаксиальную трубу 3, соединенную с патрубком подвода газообразного реагента 4. Вихревая камера 2 содержит тангенциальный входной патрубок 5, соединенный с патрубком подвода жидкого реагента 6, и выходной осевой патрубок 7, обращенный в сторону днища реактора. Нижний конец коаксиальной трубы 3 расположен по ходу движения реагентов после входного отверстия тангенциального входного патрубка 5 и не достигает среза выходного осевого патрубка 7. Выходной осевой патрубок 7 введен во вторую вихревую камеру 11, соосную камере 2. Диаметр вихревой камеры 11 больше диаметра вихревой камеры 2. Вихревая камера 11 содержит тангенциальный входной патрубок 12, соединенный с патрубком подвода второго жидкого реагента 13, и выходной осевой патрубок 14, обращенный в сторону днища реактора и снабженный диффузором 15. Тангенциальные входные патрубки 5 и 12 расположены таким образом, чтобы направление вращения потоков в обеих камерах было одинаковым. Нижний конец выходного осевого патрубка 7 расположен по ходу движения реагентов после входного отверстия тангенциального входного патрубка 12 и не достигает среза выходного осевого патрубка 14. Под диффузором 15 вблизи днища аппарата расположен защитный экран 9. На цилиндрическом участке нижней части аппарата расположен защитный экран 10. Реактор работает аналогично реактору, изображенному на фиг.1, с тем отличием, что к структурированному вращающемуся потоку, сформированному в верхней вихревой камере 2, в нижней вихревой камере 11 присоединяется наружный слой второго жидкого реагента, вращающийся однонаправлено с потоком первого жидкого реагента.
Газожидкостный реактор, изображенный на фиг.3, отличается от реактора, изображенного на фиг.2, только тем, что смеситель вместо коаксиальной трубы 4 содержит третью вихревую камеру 16, диаметр которой меньше диаметра вихревой камеры 2. Вихревая камера 16 содержит тангенциальный входной патрубок 17, соединенный с патрубком подвода газообразного реагента 4, и выходной осевой патрубок 18, обращенный в сторону днища реактора. Нижний конец выходного осевого патрубка 18 расположен по ходу движения реагентов после входного отверстия тангенциального входного патрубка 5 и не достигает среза выходного осевого патрубка 7. Реактор работает аналогично реактору, изображенному на фиг.2, с тем отличием, что структурированный вращающийся поток формируется в вихревых камерах 16, 2 и 11 в результате однонаправленного вращения как двух жидких реагентов, так и газообразного.
Реакторы, изображенные на фиг.1, 2 и 3, могут быть использованы в качестве реакторов синтеза карбамида. При этом газообразным реагентом является диоксид углерода, а жидкими реагентами - аммиак и водно-аммиачный раствор карбамата аммония (раствор углеаммонийных солей) или их смесь.