РЕАКТОР СИНТЕЗА ГИДРОКСИЛАМИНСУЛЬФАТА
REACTOR FOR SYNTHESIS OF HYDROXYLAMINE SULPHATE

Изобретение относится к аппаратам для проведения физико-химических процессов при наличии газа, жидкости и катализатора, а более конкретно - к реакторам для синтеза гидроксиламинсульфата - одного из исходных компонентов производства пластмасс полиамидной группы.
Известны аналоги - см. работу Бадриана А.С.; Кокоулина Ф.Г.; Овчинникова В.И.; Ручинского В.Р.; Фурмана М.С.; Чечика Е.И. Производство капролактама. М.: Химия, 1977, стр.142, рис.50 - реакторы для получения - синтеза гидроксиламинсульфата (сокращенно синтеза ГАС) при каталитическом восстановлении оксида азота водородом. Такой технологический метод получения ГАС в технической литературе принято называть методом фирмы BASF (Германия) - фирмы, первой реализовавшей метод в промышленной установке. Конструкции реакторов-аналогов включают корпус реактора со штуцерами: ввода жидкой и газовой фаз, вывода жидкой смеси и хвостовых газов; размещенные в корпусе катализатор и перемешивающее устройство, а также подсоединенные к корпусу трубопроводы для транспортирования жидких и газообразных компонентов. Катализатор - мелкодисперсные частицы графита с химически нанесенной на их поверхность платиной («платина на графите»). Перемешивающее устройство - центрально установленный в корпусе реактора вал вращения, на нижнем конце которого закреплена лопастная мешалка. Привод вращения вала размещен вне корпуса, закреплен снаружи на верхней крышке (днище) реактора.
2
4
2
Суть работы конструкций-аналогов состоит в следующем. Через штуцер ввода жидкой фазы корпус реактора заполняют 20% раствором серной кислоты (HSO), в которую засыпают катализатор - твердые частицы (платина на графите) из расчета 50 грамм на литр. Затем включают привод перемешивающего устройства и в нижнюю часть аппарата через штуцер ввода газовой фазы подают смесь газов: водорода (H) и оксида азота (NO). Работающее перемешивающее устройство «поднимает» и распределяет катализатор по объему жидкости. Одновременно оно диспергирует (измельчает и рассеивает) поток газов, подаваемых снизу в аппарат, распределяя его на весь реакционный объем, создавая условия, максимально благоприятствующие полноте протекания реакции. На поверхности твердых частиц катализатора между пузырьками газа и жидкостью возникает основная реакция - реакция синтеза гидроксиламинсульфата (побочные реакции не приведены):
2
2
4
3
2
4
2NO+3Н+HSO=(NHOH)SO
Непрореагировавшая часть газовой смеси и газообразные продукты побочных реакций через штуцер вывода газовой фазы (из верхней части корпуса реактора) выводятся на факел. Как правило, при получении ГАС по методу BASF - каталитическим восстановлением оксида азота - используют не один, а несколько последовательно установленных реакторов (в виде каскада). Передача жидкой фазы в каскаде из одного реактора в другой осуществляется самотечным перетоком. Газовая смесь оксида азота с водородом подается в каждый реактор отдельным трубопроводом, соединенным с общим коллектором.
Недостатком конструкций-аналогов является использование перемешивающих устройств с приводами большой мощности и соответственно повышенным расходом энергии на перемешивание (включая диспергирование газа; подвешивание и равномерное распределение - суспензирование катализатора; вращение жидкости с катализатором и др.). Причиной больших потребляемых мощностей является необходимость постоянной предельной турбулизации всего находящегося в реакторе объема жидкой фазы. Расход подаваемой внутрь корпуса реактора газовой смеси (в расчете на обеспечение реакции во всем объеме находящейся во внутреннем пространстве корпуса жидкой фазы) велик, и для исключения проскока недиспергированного газа по стенке корпуса реактора (диаметром 3,6 м) или в центральной зоне (вдоль вала, где окружные скорости жидкости понижены), требуется применение перемешивающих устройств с большими диаметрами мешалок (в долях от диаметра реактора) и высокими скоростями вращения. К другим недостаткам конструкций следует отнести пониженную безопасность процесса, связанную с использованием быстровращающихся устройств внутри реакторов с одной из самых коррозионно-активных сред - разбавленной серной кислотой, смешанной с диспергированными водородом и монооксидом азота, что создает (условно) удвоенную вероятность поломки и аварийной разгерметизации аппарата. А взрывоопасность водорода и высокая токсичность оксида азота увеличивают вероятность серьезных осложнений при возникновении таких разгерметизаций.
3
-1
2
За прототип принята конструкция реактора синтеза ГАС по наиболее подробному известному описанию - по статье Шишкина А.В., Медведева В.Д., Баранкина В.Ф. и Мамедова А.А. «Реактор для основного органического синтеза», журнал «Химическое и нефтяное машиностроение», 1985, №3, стр.9. Конструкция прототипа, реактора синтеза ГАС, включает корпус объемом 50 м со штуцерами ввода жидкой и газовой фаз; вывода жидкой смеси и «хвостовых» газов; подсоединенные к корпусу трубопроводы для их транспортирования; катализатор в виде мелкодисперсных частиц графита с химически нанесенной на них платиной (из расчета 50 г катализатора на 1 л смеси) и перемешивающее устройство, состоящее из консольного вала с лопастной мешалкой, заглубленной в корпусе. Причем штуцер подачи газовой фазы (смеси H с NO) через нижнее днище реактора снабжен (внутри корпуса) кольцеобразным барботером, размещенным прямо под лопастной мешалкой. Мощность привода мешалки 110 кВт. Частота вращения 160 мин. (В оригинальной схеме BASF мощность привода составляет 200 кВт, мешалка - клетьевая, обеспечивающая ввод в жидкость наибольшей мощности перемешивания. Диаметр 3,6 м и объем реактора те же. Германская технология BASF была закуплена СССР для предприятия «Азот», Беларусь). В цехе гидроксиламинсульфата ОАО «КуйбышевАзот» с воспроизведенной ГИАПом схемой BASF реакторы установлены последовательно в каскад, включающий шесть аппаратов. Под последовательным расположением аппаратов подразумевается не только геометрически чередующееся расположение аппаратов в пространстве (хотя и это тоже), а главным образом последовательное самотечно-переточное направление движения смеси по мере переработки: из первого реактора во второй, из второго в третий и т.д. Готовая смесь выводится из последнего 6-го реактора. Таким образом, для каждого реактора каскада, кроме первого, штуцером ввода сырьевой смеси является штуцер, соединенный с трубой вывода (перетока) от предыдущего реактора. К штуцеру вывода «хвостовых» газов на корпусе каждого реактора присоединен сепаратор жалюзийно-циклонного типа (для отбивки и возврата в процесс частиц катализатора с драгоценным металлом из отходящих «хвостовых» газов). Внутри каждого реактора установлен внутренний змеевик для съема тепла реакции и вертикальные поперечные ребра, исключающие воронкообразование при вращении жидкости и одновременно использующиеся для крепления внутреннего змеевика. Дополнительно снаружи аппараты снабжены наружными полутрубными змеевиками и нижним рубашечным днищем.
Работа конструкции реактора-прототипа, по сущности химического процесса в гидромеханике, включающей вращение и перемешивание слоев жидкой фазы, диспергирование газа, подвешивание катализатора и др., не отличается от описанных выше процессов, действующих в конструкциях реакторов, принятых за аналоги (а потому повторно не приводится). Следует отметить, что работа конструкции реактора при отдельном единичном использовании или в составе каскада шести реакторов (как в оригинальной схеме BASF на «Азоте», Беларусь, воспроизведенной ГИАПом на ОАО «КуйбышевАзот», г.Тольятти) в целом также не отличается. Отличие состоит лишь в том, что в единично установленный реактор в качестве сырьевой жидкой фазы поступает раствор чистой разбавленной серной кислоты, так же как и в первый реактор каскада, а выводится готовая смесь, представляющая сложный раствор гидроксиламинсульфата и серной кислоты в воде. В каскаде реакторов раствор, выводимый из первого реактора каскада и далее переводимый по переточно-самотечной трубопроводной перемычке в следующий реактор, представляет собой промежуточную смесь, подлежащую дальнейшей конверсии (в сторону увеличения процентного содержания ГАС в растворе) в последующих реакторах каскада. «Хвостовые» газы, включающие непрореагировавшую часть водорода с оксидом азота, а также газовые продукты побочных реакций из каждого реактора через свой (установленный на корпусе) жалюзийно-инерционный сепаратор (осуществляющий отбивку и возврат в реактор платинового катализатора) поступают в общий газовый коллектор и сбрасываются на факел. В некоторых модификациях конструкций реакторов в верхней части корпусов, в газовом незаполняемом жидкостью пространстве (выше переливно-выводного штуцера), на валу мешалки закрепляют разбрызгиватель, на который сверху подают раствор серной кислоты в небольшом количестве. Иногда функцию разбрызгивателя осуществляет верхний установленный на валу мешалки у границы фаз газ-жидкость жалюзийно-листовой пеногаситель. Операцию разбрызгивания производят для омывания стенок реактора, исключающего накопление на стенках взрывоопасных нитрит-нитратных соединений.
3
3
3
3
3
3
3
Оценивая затраты мощности перемешивания по технологии фирмы BASF, легко показать, что они составляют на реакторе 5 кВт мощности на 1 м жидкой фазы (расчет прост: при 80% заполнении 50 м реактора - это 40 м; при мощности привода 200 кВт имеем 200/40=5) в каждом реакторе, итого 5×6 (количество реакторов в каскаде) = 30 кВт на 1 м готовой смеси в целом. В воспроизведенном отечественном варианте с мощностью привода 110 кВт эти значения ниже: 3 кВт/м в одном реакторе и 18 кВт/м в шести реакторах соответственно (хотя и равной германскому оригиналу стабильной выработки на этих мощностях без дополнительных модернизаций не достигнуто). К недостаткам конструкции прототипа, так же как и реакторов-аналогов, следует отнести использование перемешивающих устройств большой мощности и, следовательно, повышенные затраты электроэнергии на перемешивание (до 30 кВт на 1 м готовой смеси). По конструктивной гидромеханике аппаратов с внутриреакторными мешалками это обусловлено, главным образом, необходимостью исключения недиспергированного проскока газов, а также исключения воронкообразования за счет введения (и преодоления сопротивления) внутренних устройств в реакторе. (Соответственно, ввод больших мощностей требует использования приводов большой мощности, увеличивает габариты как основного производства, так и размеры вспомогательного оборудования: трансформаторов, питающих подстанций и прочее). В конструкции прототипа использование высокотурбулентного перемешивания жидкой фазы внутриреакторной мешалкой по существу является безальтернативным механизмом транспортного обеспечения реакции (подвода сырьевых компонентов и удаление готового продукта из зоны реакции). Или (по-другому) является единственным механизмом побуждения образования реакционных микрообъемов на поверхности движущихся частиц катализатора (во внутреннем пространстве реактора). Причем затраты мощности приняты не по удовлетворению транспортной потребности технологического процесса, которая низка, а по условию достижения нужного порогового значения, обеспечивающего диспергирование вводимого газа по конструктивной гидромеханике аппарата с внутриреакторной мешалкой. То есть конструкции внутренне присуще нецелевое (бесполезно рассеиваемое) использование мощности.
-1
3
2
Другим недостатком конструкции-прототипа является пониженная безопасность процесса синтеза ГАС. Как уже указывалось, использование быстровращающихся (до 160 мин) внутриреакторных мешалок в аппаратах с разбавленной (19÷21%) серной кислотой и диспергированными водородом и оксидом азота, т.е. максимально коррозионно-активными компонентами, создает высокую опасность внутриреакторного разрушения мешалки (внутренних элементов перемешивающего устройства) с последующей разгерметизацией аппарата. Опасность разгерметизации осложняется сопутствующими факторами, такими как взрывоопасность водорода, попадающего в помещение и образующего смесь с воздухом (взрыв при концентрации в воздухе 4÷75 об.%), и токсичностью оксида азота, ПДК которого в пересчете на NO составляет всего 5 мг/м. В качестве недостатка также следует отметить низкую долговечность - срок службы катализатора, что опять-таки обусловлено ударно-контактными воздействиями на хрупкую графитовую основу катализатора высокоскоростной мешалки.
Целью изобретения является уменьшение мощности используемых перемешивающих устройств и, соответственно, снижение затрат электроэнергии, а также повышение безопасности процесса синтеза ГАС в реакторах с каталитическим восстановлением оксида азота водородом и долговечности катализатора путем замены безальтернативно-применяемой «мешалочной» активации (по условию диспергирования) на использование разнотипного минимально-дозированного ввода мощности за счет подключения к реактору разнотипных устройств (активации смеси) с меньшей кинетической энергией механических побудителей, располагаемых непосредственно в корпусе реактора.
2
Указанная цель достигается тем, что в реакторе синтеза гидроксиламинсульфата, включающем корпус со штуцерами ввода жидкой и газовой фаз и вывода жидкой смеси и «хвостовых» газов, трубопроводы для их транспортирования, катализатор и перемешивающее устройство, трубопровод ввода газовой фазы подсоединен к использованному на вводе в нижнюю часть днища корпуса многоступенчатому вихревому смесителю, причем в качестве основного перемешивающего устройства принят насос, включенный на циркуляцию смеси в реакторе так, что к вихревому смесителю подсоединен трубопровод от нагнетания насоса, а всасывающий трубопровод подсоединен к штуцеру, размещенному в верхней части корпуса, под слоем жидкости, причем в реакторе использовано дополнительное устройство активации перемешивания в виде введенного через верхнее днище внутрь корпуса, по меньшей мере, одного стержневого излучателя колебательной энергии. Стержневой излучатель, например, продольных колебаний выполнен с набором лопастей по высоте стержня и реактора, попеременно сужающейся и расширяющейся площади в поперечном сечении реактора. В случае размещения нескольких стержневых излучателей лопасти каждого из них расположены между лопастями других излучателей с перекрытием прямых линий свободного вертикального подъема жидкой смеси с диспергированной газовой фазой по высоте реактора. Для крепления каждой лопасти на стержне один из ее концов выполнен с гладкой или резьбовой частью, пропускаемой в отверстие стержня до упора и закрепляемой с другой стороны стержня чекой или гайкой, масса которых принята по условию уравновешивания массы лопасти, расположенной с другой стороны стержня. Катализатор выполнен в виде, по меньшей мере, одного навитого проволочного пакета цилиндрической или призматической формы, возможно произвольное компактирование размещенного в центральном пространстве реактора и соединенного с одним или несколькими стержнями излучателей. Катализатор нанесен на проволочное основание пакета в виде покрытия. При последовательном соединении реакторов в каскад выход «хвостовых» газов из каждого предыдущего реактора присоединен к одному из входов многоступенчатого вихревого смесителя, смежного последующего или одного замыкающего реакторов. Штуцер ввода газовой смеси в реактор разделен на два отдельных штуцера ввода водорода и оксида азота, подсоединенных к разным входам многоступенчатого вихревого смесителя. Трубопровод подачи исходной жидкой смеси в последующий реактор при каскадной схеме соединен со всасывающим трубопроводом его перемешивающего циркуляционного насоса. Скрепленный с корпусом реактора штуцер всасывающего трубопровода перемешивающего циркуляционного насоса совмещен с трубопроводом от штуцера вывода готовой смеси из реактора. На всасывающем трубопроводе установлен дополнительный антикавитационный дегазатор. Антикавитационный дегазатор выполнен в виде внутриреакторной пристеночной полости, снабженной сплошным нижним днищем. Колебания введенного, по меньшей мере, одного стержневого излучателя находятся в диапазоне частот от 0,1 Гц до 100 ГГц и амплитуд 0,001÷10 мм. Стержневой излучатель колебательной энергии проведен через корпус реактора посредством приварного осевого линзового компенсатора, развернутого внутрь корпуса. Допустимое осевое перемещение компенсатора не превышает верхнюю границу назначенной амплитуды колебаний. Привод перемешивающего циркуляционного насоса снабжен частотно-регулирующим преобразователем или другим устройством изменения скорости вращения. По меньшей мере, один введенный стержневой излучатель снабжен устройством регулирования амплитуды и частоты колебаний. Нижнее днище реактора, снабженного многоступенчатым вихревым смесителем, выполнено коническим. В катализаторное покрытие внесено углеродное волокно. В качестве перемешивающего циркуляционного насоса использован насос с разделительной мембраной. Линзовый компенсатор в узле прохода стержневого излучателя снабжен дополнительным, например сальниковым, узлом герметизации внутрикомпенсаторной полости, которая оснащена вентилем контроля протечки. К внутрикомпенсаторной полости подведен трубопровод низконапорного пожарного азота. Проволочный пакет снабжен элементами для вторичного диспергирования потока, например лопастными. Проволочный пакет выполнен, по меньшей мере, из двух расположенных последовательно по высоте реактора частей, причем элементы вторичного диспергирования потока установлены в промежутке между частями пакета. При правильной навивке частей проволочных пакетов и размещении их последовательным набором смежные части пакетов в наборе выполнены с противоположным направлением навивки. Последовательно размещенные по высоте реактора части проволочных пакетов разделены зазором и соединены с раздельными стержневыми излучателями, подключенными на различных значениях амплитуды и частоты колебаний. Последовательно размещенные части пакетов катализатора выполнены с чередованием частей пакетов с проволокой и углеродным волокном. В проволочном пакете установлен жесткий каркас. Проволочный пакет набран из проволок различного диаметра. Жесткий каркас проволочного пакета, соединенный со стержневыми излучателями, включает перфорированные днища или кольца с продольными стержнями. Жесткий каркас проволочного пакета составлен только из стержневых элементов. Последовательно размещенные по высоте реактора части проволочных пакетов соединены между собой упруго-пружинящими узлами. Последовательно размещенные части проволочных пакетов набраны с возможностью колебательного перемещения на введенном центрально установленном по оси реактора продольном стержне. Центрально установленный продольный стержень для набора частей проволочных пакетов выполнен как совмещенный стержневой излучатель. Перед проволочным пакетом по ходу циркуляционного потока установлено введенное кольцо перекрытия байпасного промежутка. Между кольцом перекрытия байпасного промежутка и нижним каркасным кольцом проволочного пакета установлено упругое уплотнение. Смежные поверхности нижнего каркасного кольца проволочного пакета и кольца перекрытия байпасного промежутка выполнены с ответно-совпадающими выступами-впадинами, образующими лабиринтное уплотнение с сохраняемым при колебаниях зазором. Проволочная навивка в пакете набрана из условия достижения поверхности катализатора в 25 м на литр занимаемого объема.
Заявленное техническое решение поясняется Фиг.1-9.
На Фиг.1 представлен предлагаемый реактор с контуром циркуляционного насосного перемешивания и вводом компонентов в виде многоступенчатого вихревого смесителя. Корпус снабжен двумя продольными стержневыми излучателями колебательной энергии с лопастями и встроенным сепаратором для отбивки частиц катализатора. Катализатор - частицы графита с нанесенной платиной.
На Фиг.2 - то же, но продольные стержни соединены с катализаторным пакетом. В один из вводов многоступенчатого вихревого смесителя поданы «хвостовые» газы из предыдущего реактора каскада. Циркуляционный контур снабжен внешним дегазатором. Всасывающий трубопровод циркуляционного контура дополнительно соединен с трубопроводом подачи жидкой смеси из предыдущего реактора.
На Фиг.3 изображен фрагмент стержневого излучателя (с продольными колебаниями), скрепленного с лопастью.
На Фиг.4 приведен фрагмент корпуса (вид сбоку, вид сверху) корпуса реактора со штуцером всасывающего трубопровода перемешивающего циркуляционного насоса и встроенным дегазатором в виде внутренней полости со сплошным нижним днищем.
На Фиг.5 представлен фрагмент верхней части реактора с узлом прохода продольного стержня в виде линзового компенсатора, развернутого во внутреннее пространство реактора.
На Фиг.6 изображен реактор с катализатором в виде проволочного пакета, выполненного из двух частей, соединенных пружинящими узлами. В нижней части реактора установлено кольцо перекрытия байпасного промежутка. Между кольцом перекрытия и нижним кольцом проволочного пакета размещено упругое уплотнение.
На Фиг.7 показан фрагмент верхней части реактора с узлом прохода стержневого излучателя и катализатором в виде проволочного пакета из нескольких частей с размещенными в промежутке лопастными элементами вторичного диспергирования потока.
На Фиг.8 приведена конструкция реактора с центральным стержнем набора-крепления частей проволочных пакетов, совмещенным со стержневым излучателем. Катализатор выполнен в виде чередующихся частей пакетов с проволокой и углеродным волокном с химическим покрытым.
На Фиг.9 представлен фрагмент нижней части реактора с кольцами: перекрытия байпасного потока и каркаса проволочного пакета, выполненными со смежными поверхностями в виде ответно-совпадающих выступов и впадин, образующих лабиринтное уплотнение. S - зазор, сохраняемый при заданной амплитуде колебаний.
Запорная и предохранительная арматура на схемах условно не показаны.
Предложенная конструкция реактора синтеза гидроксиламинсульфата состоит из цилиндрического корпуса 1 с эллиптическим 2 (Фиг.2) или коническим 3 (Фиг.1) нижним днищем. Снаружи корпус 1 обвит полутрубным змеевиком 4, внутри корпуса 1 размещен трубный змеевик 5. К штуцеру 6 нижнего днища присоединен многоступенчатый вихревой смеситель 7 со штуцерами 8 и 9 присоединения трубопроводов водорода 10 и оксида азота 11 соответственно (Фиг.1) или одного штуцера 12 для ввода готовой исходной смеси газов водорода и оксида азота по трубопроводу 13. К штуцеру 14 многоступенчатого вихревого смесителя 7 присоединен трубопровод нагнетания 15 перемешивающего циркуляционного насоса 16. Также по варианту Фиг.2 к отдельному вводу - штуцеру 17 многоступенчатого вихревого смесителя 7 присоединен трубопровод 18 «хвостовых» газов из предыдущего реактора (в схеме с установкой реакторов в каскад). Всасывающий трубопровод 19 насоса 16 по варианту Фиг.1 совмещен с трубопроводом 20 от штуцера вывода готовой смеси 21. (По варианту Фиг.2 штуцер вывода готовой смеси 21 и трубопровод 20 не соединены со всасывающим трубопроводом 19 насоса 16 циркуляционного контура последующего реактора). Особенность конструктивного варианта по Фиг.2 в том, что всасывающий трубопровод 19 насоса 16 подсоединен к отдельному штуцеру 22 корпуса 1. Соединение произведено через антикавитационный дегазатор 23. Также на всас насоса 16 по варианту Фиг.2 подана готовая смесь от предыдущего реактора по трубопроводу 24. По варианту Фиг.1 корпус 1 заполнен традиционным катализатором - платина на мелкодисперсном графите, поэтому в верхней части реактора на выходе газов для улавливания (из отходящих газов) и возврата катализатора использован внутренний сепаратор 25. Сепаратор 25 содержит набор внутренних колец 26, размещенных со щелевыми зазорами; трубку 27 сброса частиц вниз и штуцер 28 вывода отбитых «хвостовых» газов на факел. По варианту Фиг.2 и 5 катализатор выполнен в виде проволочного пакета 29. В качестве устройств дополнительной активации перемешивания в корпус 1 введены стержни 30 - излучатели колебательной энергии. По варианту Фиг.1 с засыпным катализатором платина на мелкодисперсном графите стержни 30 снабжены лопастями 31 с уравновешивающими гайками 32 (Фиг.3). По варианту Фиг.2 и 5 стержни-излучатели 30 соединены с проволочной навивкой в пакете 33, например, через каркасную перфорированную доску 34 и промежуточные звенья 35. Причем стержни 30 проведены через верхнее днище 36 без использования торцового уплотнения (как на вале мешалки прототипа). В предложенном решении стержни пропущены сквозь днища с использованием приварных линзовых компенсаторов 37 (Фиг.5). К верхнему днищу 36 Фиг.1 или к отводу 38 Фиг.2 и 5 верхнего днища 36 присоединен штуцер 39 подачи серной кислоты на омывание внутренней поверхности реактора, контактирующей с газовой фазой.
Показанный на Фиг.4 фрагмент корпуса 1 реактора выполнен по варианту с отдельным штуцером 22, подсоединенным далее к всасывающему трубопроводу 19 перемешивающего циркуляционного насоса 16. Антикавитационный дегазатор представляет внутреннюю замкнутую пристеночную полость перед штуцером 22, образованную трубным элементом 40 с нижним днищем 41.
Во фрагменте Фиг.5 - с узлом прохода стержня 30 через верхнее днище 36 с линзовым компенсатором 37 патрубковая часть 42 (проходного участка) снабжена сальниковым узлом 43. Для контроля протечки в образованную полость 44 установлен контрольный вентиль 45. К полости может быть подведена линия пожарного азота.
Проволочный катализаторный пакет 29 с проволокой 33 может быть разделен на две или больше частей, расположенных вдоль оси реактора друг за другом, как показано на Фиг.6, 7 и 8. Причем по Фиг.6 в промежутке между частями пакета установлены пружинящие узлы 49. Байпасный проток жидкой смеси вдоль стенок корпуса, помимо проволочного катализаторного пакета 29, исключен установкой кольца перекрытия 47. Здесь между кольцом перекрытия байпасного промежутка 47 и нижним каркасным кольцом 48 проволочного катализаторного пакета 29 установлено упругое уплотнение 49 (Фиг.6 и 8). В варианте на Фиг.9 проток исключен специальным выполнением смежных - ответных поверхностей нижнего каркасного кольца 48 и кольца перекрытия байпасного промежутка с выступами-впадинами, образующими условное лабиринтное уплотнение. В промежуток между разделенными на последовательно размещенные по оси реактора части пакетов 29 проволочной навивки 33 могут быть установлены лопасти 50 (Фиг.7) вторичного диспергирования газовой фазы в потоке. В последовательно размещенных частях пакетов 29 проволочная навивка 33 может чередоваться с прослойками из углеродного волокна 51, покрытого платиной (Фиг.8). Сами части пакетов 29 последовательно набраны на центральный стержень 52, совмещенный со стержневым излучателем 30 (Фиг.8).
Работа предложенной конструкции реактора синтеза гидроксиламинсульфата заключается в следующем. После заполнения корпуса 1 реактора 19÷21% раствором серной кислоты при его отдельной установке или первого реактора в последовательно соединенном каскаде реакторов включают перемешивающий циркуляционный насос 16. В контуре, включающем корпус реактора 1, штуцер 21, трубопровод 20 (Фиг.1) (или штуцер 22, дегазатор 23 по Фиг.2) и далее трубопровод 19, насос 16, трубопровод 15, штуцер 14 (многоступенчатого вихревого смесителя 7), в штуцер 6 начинает циркулировать жидкая фаза. В варианте Фиг.1 одновременно с разбавленной серной кислотой в корпус 1 подается мелкодисперсный катализатор «платина на графите» из расчета 50 г на литр заполняемого жидкостью объема. По варианту Фиг.2 катализатор - платиновая проволока 33 (или проволока молибденовой стали с платиновым покрытием или покрытое платиной углеродное волокно) вводится внутрь корпуса при сборке, где элементы окончательного крепления 35 устанавливаются в последнюю очередь, например, через фланцевый разъем отвода 38 (Фиг.5). Одновременно с началом циркуляции жидкой фазы по замкнутому контуру к штуцерам 8 и 9 (Фиг.1) или 12 (Фиг.2) по трубопроводам 10 и 11 (Фиг.1) или 13 (Фиг.2) подводят исходные реакционные газы: водород и оксид азота (по отдельности или в смеси). Штуцеры 8, 9, 12, 14, 17 многоступенчатого вихревого смесителя 7 выполнены с тангенциальным вводом, причем диаметр вводных ступеней по мере приближения к реактору увеличивается. Максимальный диаметр имеет заключительная ступень со штуцером ввода циркуляционной жидкой фазы 14. Таким образом, суммарный поток, вводимый в корпус 1 реактора по штуцеру 6, представляет собой многослойный трубный вихрь с наибольшим диаметром, равным диаметру входа. По выходу из штуцера 6 многослойный вихрь расширяется на весь диаметр корпуса, создавая вращающийся цилиндр жидкости с измельченным и рассеянным газом во всем объеме реактора, т.е. по всей его высоте. Возникающие соприкосновения потоков смешанных газожидкостных микрообъемов с поверхностью перемещающегося в жидкости мелкодисперсного или неподвижного катализаторного пакета 29 создают необходимые условия реакционного взаимодействия - реакции синтеза гидроксиламинсульфата (условно для исключения повторения запись не приводится; см. запись реакции в описании конструкции аналогов). Достаточные для процесса минимальные скорости подачи жидкой фазы в циркуляционном контуре достигаются регулированием числа оборотов вращения насоса, например, с помощью частотно-регулирующего преобразователя. Учитывая, что для повышения степени конверсии (использования в реакции) исходной смеси газов необходимо увеличить высоту реактора, в то время как приднищевое диспергирование газа, создаваемое многоступенчатым вихревым смесителем 7, по высоте быстро затухает (после чего возможен бесполезный прорыв газа струйками), для реакторов с увеличенной высотой необходимо введение дополнительных устройств активации перемешивания, обязательно включающее диспергирование газа. В качестве таких устройств вторичной активации перемешивания по всей высоте реактора в корпус 1 по варианту Фиг.1, 3 введены колебательные стержни 30, снабженные лопастями 31 с уравновешивающими гайками 32. При использовании проволочного катализаторного пакета 29 (Фиг.2, 5, 6, 7) колебательные стержни 30 присоединены элементами 35 сразу к катализатору, т.е. к перфорированной доске 34, скрепленной с проволокой 33 (или с пакетом углеродного волокна). Привод стержней, создающий продольные колебания с частотой от 0,01 Гц до 100 ГГц и амплитудой 0,001÷10 мм, на приведенных Фиг. условно не показан, т.к. не содержит изменений типовых конструкций любого принципа действия (гидро-, пневмо-, электро-). Колебательные перемещения стержней 30 с лопастями 31 по Фиг.1, расположенными в разных плоскостях корпуса 1 по высоте (с перекрытием прямоточных вертикальных проемов-зазоров), встречают поднимающиеся, укрупняющиеся и преобразующиеся в вертикальные струйки пузырьков потоки первично (на входе) равномерно диспергированной смеси газов. Причем жидкостное пространство реактора возле лопастей насыщено частицами мелкодисперсного катализатора. Наталкиваясь на колеблющиеся лопасти 31, струйки газа вновь грубо диспергируются, разбиваются и расталкиваются в стороны, обтекая лопасти (под действием системы горизонтальных и вертикальных сил). Сближаясь и сцепляясь с частицами дрейфующего катализатора (подвешенного и плавающего в жидкости), газовые зоны с сохранившимися непрореагировавшими (в первый момент на входе) пузырьками смеси газов создают условия возникновения реакции в новом микрообъеме. Реакция синтеза гидроксиламинсульфата повторяется. Эти повторы-вспышки микрообъемных реакций возникают по всей высоте реактора. Причем, т.к. жидкость циркулирует по контуру, то каждая порция жидкости, в условно дискретном представлении, контактирует со свежей газовой фазой неоднократно. Более того, при использовании в качестве перемешивающих циркуляционных насосов, мембранных типов насосов, где ввод антикавитационных дегазаторов для данного процесса не требуется, отдельные реакции реализуются в самом трубопроводном контуре. При использовании обычных насосов в циркуляционный контур введен антикавитационный дегазатор внешнего исполнения в виде емкости 23 или внутреннего исполнения, а именно фрагмент обечайки 40 с днищем 41. Для исключения неуравновешенности стержней 30 из-за боковой массы лопастей 31 с другой стороны они уравновешены (их масса сбалансирована) специально подобранной массой гаек 32. Удобство установки лопастей 31 в стержнях 30 создано отверстиями, в которые вставлены резьбовые части лопастей 31 (Фиг.3), затянутые затем гайками 32. В варианте по Фиг.2 дрейфование катализатора в газожидкостном растворе с восприятием функции вторичного диспергирования обеспечено наиболее просто путем соединения колебательных стержней 30 с проволочным катализаторным пакетом 29 (через элементы 35 и перфорированную доску). То есть если по варианту Фиг.1 перемещение частиц достаточно хаотично и значения скоростей их перемещения и равномерности распределения частиц по внутреннему объему реактора можно оценивать лишь приближенно, а влиять на их изменения косвенно, то по варианту Фиг.2, 6, 7, 8 и скорость (частота), и амплитуда перемещения катализатора задаются самым прямым и непосредственным путем - настройкой требуемых значений на приводе колебательных перемещений. Другой особенностью конструкции по варианту Фиг.2, 6, 7, 8 в отличие от варианта по Фиг.1 является отсутствие сепаратора для отбивки мелкодисперсных частиц с драгоценным металлом из «хвостовых» газов, направляемых для сжигания на факел, что упрощает конструкцию. При использовании мелкодисперсного катализатора (Фиг.1) внутри верхней части корпуса 1 установлен сепаратор 25, где отходящий газ обратным током заходит в верхнюю его часть, далее проникает в зазоры между кольцами 26 и очищенный выходит в штуцер 28. А частицы катализатора при омывании поступающей через штуцер 39 разбавленной серной кислотой смываются с колец в трубку 27 и по ней в жидкостное пространство реактора.
Варианты по Фиг.1 и 2 содержат также различия в схемах подключения. В варианте по Фиг.1 подразумевается полная конверсия исходных газов, поэтому отбитые «хвостовые» газы направлены на факел. В варианте по Фиг.2 принято, что в «хвостовых» газах содержание водорода и оксида азота велико, поэтому они вводятся в дополнительный штуцер многоступенчатого вихревого смесителя следующего реактора. По варианту Фиг.1 перемешивающий циркуляционный насос работает только на смеси своего реактора. По варианту Фиг.2 на всас перемешивающего циркуляционного насоса дополнительно подана смесь из предыдущего реактора. Следует также отметить принятую конструкцию узла прохода колебательных продольных стержней 30 через верхнее днище 36 корпуса 1 путем приварки к обратно установленному (развернутому внутрь) линзовому компенсатору 37. Причем допустимое осевое перемещение компенсатора превышает верхнюю границу назначенной амплитуды колебаний. Это позволяет собрать подвижный узел на сварке без использования герметизирующих внутреннее пространство реактора ненадежных типов уплотнений. В связи с токсичностью и взрывоопасностью используемых газов это важно для обеспечения безопасности. Развертка компенсатора внутрь реактора реализует омывание его впрыскиваемой серной кислотой со смывом накапливаемых нитрит-нитратных соединений (солей). Опасной полости, собиравшей бы эти соединения при размещении линзового компенсатора разворотом наружу, не возникает. По конструкции, показанной на Фиг.5, линзовый компенсатор 37, соединенный с патрубковой частью 42 и сальниковым узлом 43, образуют вместе полость 44. Узел 43 дополняет - дублирует первичную герметизацию линзовым компенсатором. Подсоединенный к полости контрольный вентиль позволяет контролировать герметичность сварного соединения в процессе эксплуатации. Момент разгерметизации сварного соединения стержня излучателя с компенсатором, работающего на циклическую усталость, будет сразу установлен. В случае если вывод аппарата в ремонт временно затруднен (по каким-либо причинам), в полость 47 подается подпорный пожарный азот, исключающий смешивание водорода с кислородом воздуха и вероятность взрыва. Рассмотренные на Фиг.6; 7; 8 и 9 варианты исполнения пакетов 29 из нескольких последовательно соединенных частей по оси реактора через пружинящие узлы 46 с вводом кольца перекрытия 47 байпасного промежутка и упругого уплотнения 48 между ним и нижним каркасным кольцом 49 проволочного пакета 29 (или образованием условного лабиринтного уплотнения Фиг.9) позволяют исключить байпасный переток, упростить технологию сборки-изготовления конструкции. Повышенную технологичность изготовления, а также гарантированное обеспечение межкорпусных зазоров реализует конструкция по Фиг.8, где более податливые - мягкие проволочные части пакетов 29 чередуются с более жесткими прослойками из углеродного волокна 51, причем все части пакетов 29 и 51 набраны на центральном стержне 52, являющемся одновременно и стержневым излучателем 30. Чередование частей мягкой навивки и жесткой прослойки или чередование частей разным направлением навивки увеличивает вторичное диспергирование и протяженность пути потока в реакторе.
Благодаря предложенному решению энергозатраты на получение ГАС уменьшены. Приводы большой мощности не требуются. Необходимости в больших затратах энергии, предназначенных для диспергирования больших мгновенно подаваемых объемов газа, нет. В заявленной конструкции газ подается с малым расходом, зато жидкая смесь циркулирует (оборачивается) многократно и на каждом «обороте» смешивается с новой порцией исходной газовой смеси. Таким образом, требуемая нагрузка по газу на единицу удельного объема жидкости набирается циклично (циклично растянута) за счет многократности ввода-контакта при циркуляции. Мощности внутрикорпусной мешалки и перемешивающего циркуляционного насоса различаются на порядок, а мощность колебательных устройств еще на порядок ниже мощности насоса. В предложенном реакторе реализуются лишь минимальные скорости движения жидкости, необходимые для подвешивания и обменного перемещения мелкодисперсных частиц катализатора (вариант по Фиг.1). В варианте по Фиг.2, 5, 6, 7, 8 при проволочном катализаторном пакете не требуется даже таких скоростей. Достаточны практически любые перемещения, отличные от нуля. Любая подвижность, исключающая состояние покоя. Даже она обеспечит омывание, т.е. перемещение (необходимую транспортировку), включающее отвод готового продукта от поверхности катализатора и подвод к поверхности проволоки исходных реагентов (вопрос вторичного диспергирования рассматривается отдельно). Использование проволочного катализаторного пакета в конструкциях аналогов и прототипа не имеет преимуществ, т.к. при высокой внутриреакторной - мешалочной турбулизации жидкости подвешивание и равномерное распределение катализатора в виде частиц многократно гарантировано. Более того, только на мелкодисперсном катализаторе в указанных - известных конструкциях можно достичь реакцию во всех зонах реактора, заполненных жидкостью. В предложенном решении за счет исключения мешалки достигнут щадящий режим работы катализатора по варианту Фиг.1 - при мелкодисперсном его исполнении. Исключены ударные контактные нагрузки на хрупкую графитовую основу катализатора, возникавшие при попадании частиц на движущиеся с высокой скоростью элементы мешалки. Уменьшен износ и повреждение такого типа катализатора, а значит уменьшен и его расход. Варианты с неиспользованием мелкодисперсного катализатора и заменой его проволочным (имеющим более прочную основу) предпочтительны и более выгодны, т.к., кроме перечисленных выше преимуществ (более высокая долговечность и меньший расход), не требуют применения выходных сепарационных устройств на хвостовых газах.
Следует отметить, что внутриреакторный объем в рабочем режиме состоит из двух зон повышенной опасности: газовая зона с взрывоопасным водородом и токсичным оксидом азота (верхняя часть корпуса) и зоной нижней части корпуса, заполненной разбавленной серной кислотой и диспергированными газами. Сочетание высокой коррозионной активности кислоты (способной инициировать быстрые повреждения) с нагруженностью, т.е. непрерывной постоянной работой перемешивающих устройств и высокими значениями кинетической энергии элементов, могут привести к разрушению валов или мешалок с последующей разгерметизацией реактора и возникновением взрыва. Повышение безопасности процесса синтеза ГАС в предлагаемом реакторе достигнуто за счет исключения из внутриреакторного объема быстровращающейся на валу лопастной или клетьевой мешалки, обладающей (с валом) высокими значениями кинетической энергии (большая масса и высокая скорость). В отличие от конструкции прототипа в предложенном решении кинетическая энергия размещенной внутри реактора колебательной системы из стержней с лопастями или пакетом во много раз ниже. Обладающее наибольшей кинетической энергией вращающееся рабочее колесо перемешивающего циркуляционного насоса расположено вне объема реактора. Причем насос соприкасается только с жидкой фазой, т.е. контакта с чисто газовой средой, особенно с границей раздела фаз газ - жидкость, рабочее колесо в отличие от вала перемешивающего устройства прототипа не имеет. С исключением внутриреакторного перемешивающего устройства вместе с ним исключено и сложное по конструкции торцовое уплотнение вращающегося вала мешалки (на выходе из реактора). Любые коррозионные повреждения мешалки, приводившие к возникновению дисбаланса на валу, вызывали выход из строя в первую очередь торцового уплотнения, ответственного за герметичность внутриреакторного пространства. Достигнутое исключение торцового уплотнения путем его замены сварным соединением стержней с линзовым компенсатором и дублирование его вторым дополнительным уплотнением с контролируемой полостью выводит процесс синтеза ГАС на более высокий уровень надежности и главное безопасности процесса. (Внутренняя полость линзового компенсатора может не только контролироваться на протечку контрольным вентилем, но и заполняться пожарным азотом).
Предложенное решение реализует-утверждает предпочтительность единичной - бескаскадной установки-размещения реакторов. Усиливает преимущества такого размещения, заменяя внешнюю повторяемость процесса (каскад) внутренним - циркуляционным повторением. Причем общая выходная выработка ГАС достигается использованием набора параллельно (не последовательно) размещаемых реакторов с простым суммированием готового целевого продукта. Любой реактор из параллельного набора может быть выведен в ремонт простым отключением (при последовательном соединении реакторов в самотечно-переточный каскад выведение промежуточного реактора в ремонт представляет сложную проблему). Использование предложенного решения только на одном реакторе синтеза ГАС позволит снизить мощность привода, следовательно, и затраты электроэнергии приблизительно в десять раз с 200 кВт до 20 кВт (за 20 кВт условно принята общая мощность циркуляционного насоса и источника колебаний). При этом на трех каскадах из восемнадцати реакторов (по шесть реакторов в каждом каскаде) сэкономленная мощность составит более трех мегаватт ежечасно. Исключается опасность разрушения во внутриреакторном объеме массивных вала и мешалки, выхода из строя герметизирующего (пространство реактора) торцового уплотнения, что повышает общую безопасность процесса. Увеличивается долговечность - снижается расход дорогостоящего катализатора.