Контактный аппарат с неподвижным слоем катализатора

Предлагаемое техническое решение относится к емкостным химическим контактным аппаратам с распределительной тарелкой над неподвижным слоем катализатора, содержащим вибровозбудитель перед патрубком подвода газожидкостной смеси, и может найти применение в нефтеперерабатывающей, нефтехимической и химической промышленности, а также в экологических процессах очистки и нейтрализации сточных вод и газовых выбросов.
Известен контактный аппарат с неподвижным слоем катализатора, состоящий из вертикального цилиндрического корпуса с эллиптическими крышкой и днищем, установленной в корпусе перфорированной тарелки, под которой находится слой катализатора на решётке, люков для загрузки свежего и удаления отработанного катализатора, смесителя газовых, газопаровых и газожидкостных потоков перед их подачей в корпус контактного аппарата, патрубка подачи исходной реакционной смеси и патрубка отвода продуктов реакции [Машины и аппараты химических производств : учеб. пособие для вузов / А.С. Тимонин [и др.] ; под общей редакцией А.С. Тимонина. – Калуга: Издательство Н.Ф. Бочкаревой, 2008. – 872 с.: стр. 799-801].
Недостатком известной конструкции контактного аппарата с неподвижным слоем катализатора является малая интенсивность тепло- и массообменных процессов, что снижает производительность связанную с превращением исходных веществ в продукты.
Известен вибросмеситель описанный в полезной модели к патенту «Вибросмеситель» (RU 122909 U1, B 01 F 11/00, 2011), который включает корпус с крышкой, входной штуцер с присоединённым к нему коллектором для ввода компонентов, выходной штуцер, вибровозбудитель, установленный на крышке корпуса, а также перемешивающее устройство, состоящее из перфорированных тарелок, закреплённых на штоке, соединённом с вибровозбудителем.
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата относится достаточно сложная конструкция перемешивающего устройства, соединённого с вибровозбудителем, а также необходимость уплотнения колеблющегося штока.
Известно устройство для нейтрализации газов описанное в патенте «Устройство для нейтрализации газов» (RU 2211084 C1, B 01 J 8/40, B 01 D 53/12, 2002), которое включает корпус со встроенным реактором, ограниченным верхней и нижней решётками, с размещённым на нижней решётке слоем катализатора, патрубок для подвода газов и патрубок для отвода газов, а также два вибратора, которые закреплены на днище.
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся сложность применения данного решения для процессов большой мощности, из-за проблем установки массивных аппаратов на виброопоры.
Техническим результатом предлагаемой конструкции контактного аппарата с неподвижным слоем катализатора является повышение производительности, связанной с превращением исходных веществ в продукты.
Поставленный технический результат достигается тем, что в контактном аппарате с неподвижным слоем катализатора, состоящем из вертикального цилиндрического корпуса, вибровозбудителя, крышки с патрубком подвода исходной газожидкостной смеси, днища с патрубком отвода продуктов реакции, верхней перфорированной тарелки и нижней опорной решётки, на которой уложен катализатор, причём вибровозбудитель установлен перед патрубком подвода газожидкостной смеси, а перфорированная тарелка установлена на цилиндрических пружинах, упругость витков каждой из которых определяется выражением:
,                                                                                          (1)
где α – упругость витков цилиндрической пружины, Н/м;
π – число Пифагора;
ν – частота колебания вибровозбудителя, Гц;
M – масса перфорированной тарелки, кг;
N – число цилиндрических пружин.
Установка вибровозбудителя перед патрубком подвода газожидкостной смеси в корпус обеспечивает создание её пульсаций, которые вызывают колебания газожидкостной смеси в аппарате, что способствует интенсификации тепло- и массообменных процессов [Варсанофьев В.Д. Вибрационная техника в химической промышленности / В.Д. Варсанофьев, Э.Э. Кольман-Иванов. – М.: Химия, 1985. – 240 с.: стр. 176, 213], увеличивая тем самым общую производительность, связанную с превращением исходных веществ в продукты реакции.
Установка перфорированной тарелки на цилиндрических пружинах, упругость витков каждой из которых определяется выражением (1), позволяет увеличить амплитуду колебаний как самой перфорированной тарелки, так и газожидкостной смеси под ней в слое зёрен катализатора за счёт создания резонансного режима вибраций высокой амплитуды, что ещё в большей степени интенсифицирует сам процесс химических, тепло- и массообменных каталитических процессов в слое зёрен (гранул) катализатора, повышая производительность контактного аппарата.
Перфорированная тарелка, установленная на цилиндрических пружинах, образует пружинный маятник с частотой собственных колебаний, описываемых уравнением [Яворский Б.М. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов / Б.М. Яворский, А.А. Детлаф, А.К. Лебедев – М.: Оникс, 2006. – 1056 с.: стр. 132]:
,                                                                                                (2)
где  – частота собственных колебаний пружинного маятника, Гц;
m – масса груза на пружине, кг.
Масса m, приходящаяся на одну пружину от общей массы M перфорированной тарелки, описывается уравнением:
(3)
Подставляя значение m из уравнения (3) в уравнение (2) и решая последнее относительно упругости витков цилиндрической пружины α, при условии равенства частоты собственных колебаний  пружинного маятника и частоты вынужденных колебаний вибровозбудителя ν, получаем искомое выражение (1) для резонансного режима колебаний с высокой амплитудой перфорированной тарелки.
На чертеже представлен общий вид предлагаемой конструкции контактного аппарата с неподвижным слоем катализатора.
Предлагаемая конструкция контактного аппарата с неподвижным слоем катализатора состоит из цилиндрического корпуса 1, крышки 2 с патрубком 3 для подвода исходной газожидкостной смеси, опорной решётки 4 для слоя катализатора 5, днища 6 с патрубком 7 для отвода продуктов реакции, люка 8 на корпусе 1 для выгрузки отработанного катализатора 5, люка для загрузки свежего катализатора (на чертеже не показан), равномерно перфорированной тарелки 9, установленной над слоем катализатора 5 на цилиндрических пружинах 10, обеспечивающих возможность вертикального перемещения, ограниченного упорами (на чертеже не показаны). Упругость витков каждой из пружин 10 определяется выражением (1). Патрубок 3 герметично соединён в верхней части с вибровозбудителем 11 и трубой подвода газожидкостной смеси 12.
Контактный аппарат с неподвижным слоем катализатора 5 работает следующим образом.
Через загрузочный люк (на чертеже не показан) или при снятой крышке 2, снятой перфорированной тарелке 9, на опорную решётку 4 загружаются гранулы (зёрна) свежего катализатора 5. Сверху на цилиндрические пружины 10 устанавливают перфорированную тарелку 9, имеющую возможность вертикального перемещения, ограниченного упорами (на чертеже не показаны). Герметично закрывают цилиндрический корпус 1 крышкой 2. На входном патрубке 3 герметично закрепляют вибровозбудитель 11, а на нём свободный конец трубы подачи газожидкостной смеси 12. По трубе 12 через вибровозбудитель 11 в патрубок 3, а через него в корпус 1 через отверстия в перфорированной тарелке 9 подают поток газожидкостной смеси на слой катализатора 5. Одновременно включают вибровозбудитель 11. Поток газожидкостной смеси проходит вибровозбудитель 11, совершает вынужденные  колебания с частотой ν вибровозбудителя 11, а так как собственная частота  пружинного маятника, состоящего из перфорированной тарелки 9 и цилиндрических пружин 10, равна частоте вынужденных колебаний ν, то перфорированная тарелка 9 совершает резонансные колебания на цилиндрических пружинах 10 с высокой амплитудой, передаваемой потоку газожидкостной смеси в слое катализатора 5. Эти резонансные колебания с высокой амплитудой интенсифицируют реакционные и тепло-массообменные процессы. Всё вышесказанное способствует росту производительности. Продукты реакции выходят в днище 6, а из него по патрубку 7 выводятся из самого аппарата.
По завершению цикла работы подачу газожидкостной смеси по патрубку 12 прекращают, выключают вибровозбудитель 11, сбрасывают давление и охлаждают аппарат, снимают вибровозбудитель 11, крышку 2 и перфорированную тарелку 9, открывают люк 8 и через него выгружают отработанный катализатор 5.
Пример.
Выбираем для установки на патрубке 3 подачи исходной смеси один из вибровозбудителей, выпускаемых промышленностью (например, заводом «Красный маяк», г. Ярославль, который выпускает кривошипно-шатунные, центробежный дебалансные или пневматические шариковые вибровозбудители), с частотой до 15 Гц и амплитудой до 20-30 мм. [Варсанофьев В.Д. Вибрационная техника в химической промышленности / В.Д. Варсанофьев, Э.Э. Кольман-Иванов. – М.: Химия, 1985. – 240 с.: стр. 9-16].
Устанавливаем вибровозбудитель 11 с частотой колебаний 5 Гц. При массе перфорированной тарелки 9 M = 130 кг и числе цилиндрических пружин 10 N = 4. Расчётное значение упругости витков каждой пружины 10 согласно выражению (1):
или
1
1
То есть каждый виток цилиндрической пружины 10 будет сжиматься в статическом состоянии на 1 мм под нагрузкой 3,27 кг. Из справочника [Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. В 3-х т. Т. 3. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 2001. – 864 с.: стр. 212] по таблице 11 «Параметры пружин сжатия и растяжения 1 класса, разряда 1» выбираем пружину 10 с диаметром проволоки витков d = 3 мм и наружным диаметром витков D = 32 мм, у которой под нагрузкой P = 16,3 кг деформация каждого витка составляет f = 4,92 мм. Тогда упругость каждого витка:
1
Тогда α и α отличаются на  , то есть вибрация с частотой ν = 5 Гц на выбранных четырёх цилиндрических пружинах 10 перфорированной тарелки 9, имеющей массу M = 130 кг, будет осуществляться в резонансном режиме с высокой амплитудой.
Шаг пружины 10 с диаметром проволоки витков d = 3 мм в свободном состоянии составляет t = 18 мм.
Статическая нагрузка, приходящаяся на каждую из 4-х пружин 10:
1
Под действием этой статической нагрузки каждый виток деформируется на ∆ = 32,5/α = 32,5/3,27 = 9,9 мм.
2
В сжатом состоянии под действием статической нагрузки перфорированной тарелки 9 М = 130 кг остаётся зазор ∆ = 15 – 9,9 = 5,1 мм. Если размах колебаний каждого витка А = ±1 мм, то при резонансных колебаниях всех витков А = ±10 мм. Число витков должно быть n = 10/1 = 10. Их длина в свободном состоянии будет 18 ‧ n = 180 мм, а в сжатом от статической нагрузки перфорированной тарелки 9:
Таким образом, использование в контактном аппарате с неподвижным слоем катализатора перфорированной тарелки, установленной на цилиндрических пружинах, упругость витков каждой из которых определяется выражением (1), а также вибровозбудителя, установленного перед патрубком подвода газожидкостной смеси, приведёт к интенсификации тепло- и массообменных процессов, что увеличит производительность, связанную с превращением исходных веществ в продукты.