ГАЗОЖИДКОСТНЫЙ РЕАКТОР (ВАРИАНТЫ)
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 A1, 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 (BY 9335 C1, B01F 5/00, 3/04, B01J 10/00, 19/00, 2007).
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, и 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 желательную невысокую степень взаимного диспергирования слоев при их движении в смесителе и, вместе с тем, их определенное 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, причем коаксиальная труба введена в цилиндрический корпус вихревой камеры и соединена с патрубком ввода второго реагента, отличающийся тем, что осевой выходной патрубок смесителя направлен вверх, и реактор содержит цилиндрическую обечайку, концентричную корпусу реактора, охватывающую смеситель и имеющую диаметр в пределах (0,6-0,9)D, где D - внутренний диаметр корпуса. 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, причем осевой выходной патрубок каждой предшествующей камеры введен в цилиндрический корпус последующей камеры, отличающийся тем, что осевые выходные патрубки направлены вверх, и реактор содержит цилиндрическую обечайку, концентричную корпусу реактора, охватывающую смеситель и имеющую диаметр в пределах (0,6-0,9)D, где D - внутренний диаметр корпуса.
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, обусловленного тангенциальным вводом потока (потоков) в смеситель, и взаимодействия потока из выходного патрубка с циркулирующей газожидкостной смесью. Циркуляция смеси осуществляется благодаря тому, что часть жидкой фазы при выходе из цилиндрической обечайки за счет разности плотностей внутри и снаружи обечайки опускается вниз в зазоре между обечайкой и корпусом и там вновь инжектируется внутрь обечайки потоком из выходного патрубка.
В обоих вариантах для улучшения качества диспергирования реагентов осевой выходной патрубок смесителя может быть снабжен диффузором. По крайней мере, один тангенциальный входной патрубок может быть по отношению к корпусу смесителя наклонен в сторону, противоположную выходному отверстию осевого выходного патрубка. Верхний 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 осевого выходного патрубка. Предпочтительно располагать тангенциальные входные патрубки камер таким образом, чтобы направление вращения потоков во всех камерах было одинаковым. Предпочтительно также, чтобы смеситель содержал вихревые камеры с последовательно увеличивающимся по ходу движения реагентов диаметром.
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 изобретения иллюстрируется фиг.1-3, на которых изображена в продольном разрезе нижняя часть газожидкостного реактора, являющегося конкретным воплощением предложенной конструкции - на фиг.1, 2 по первому варианту, на фиг.3 по второму варианту.
В соответствии с фиг.1 газожидкостный реактор включает вертикальный корпус 1 и размещенный в нижней части корпуса смеситель, состоящий из вихревой камеры 2 и коаксиальной трубы 3, соединенной с патрубком ввода газообразного реагента 4. Вихревая камера содержит тангенциальный входной патрубок 5, наклоненный по отношению к корпусу смесителя в сторону, противоположную выходному отверстию осевого выходного патрубка, предпочтительно под углом 15-20° к горизонтали, и соединенный с патрубком ввода жидкого реагента 6, и осевой выходной патрубок 7, обращенный вверх и снабженный диффузором 8. Верхний конец коаксиальной трубы 3 расположен по ходу движения реагентов после входного отверстия тангенциального входного патрубка 5 и не достигает среза осевого выходного патрубка 7. Смеситель размещен внутри цилиндрической обечайки 9, соосной вертикальному корпусу 1 и имеющей диаметр в пределах (0,6-0,9)D, где D - внутренний диаметр корпуса.
При работе реактора, изображенного на фиг.1, жидкий реагент из патрубка 6 через тангенциальный входной патрубок 5 поступает в вихревую камеру 1, где приобретает интенсивное спиральное закрученное движение. Из патрубка 4 и коаксиальной трубы 3 в вихревую камеру 2 поступает газообразный реагент. В результате спирального 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 осевого патрубка 7 в диффузор 8 в результате потери гидродинамической устойчивости закрученного потока происходит интенсивное турбулентное диспергирование газообразного реагента и смешение фаз. Пузырьки газа, образовавшиеся при распаде закрученной струи, разлетаются под разными углами, равномерно заполняя сечение реактора. На выходе потока из пространства внутри цилиндрической обечайки 9 происходит частичное отделение жидкой фазы, и в результате разности плотностей среды внутри и вне обечайки возникает ее циркуляция в направлении, показанном на фиг. 1. Взаимодействие потока, выходящего из диффузора 8, с циркуляционным потоком обеспечивает повышение степени взаимного диспергирования фаз. В поперечном сечении реактора над смесителем формируется однородный восходящий газожидкостный поток с мелкодисперсной пузырьковой структурой. При этом исключается образование периферийных застойных зон, не заполненных диспергированным газом, и недиспергированных газовых струй.
Газожидкостный реактор, изображенный на фиг.2, так же как и реактор, изображенный на фиг.1, включает вертикальный корпус 1 и размещенный в нижней части корпуса смеситель, включающий вихревую камеру 2, коаксиальную трубу 3, соединенную с патрубком ввода газообразного реагента 4, тангенциальный входной патрубок 5, соединенный с патрубком ввода первого жидкого реагента 6, и осевой выходной патрубок 7, обращенный вверх, причем смеситель размещен внутри цилиндрической обечайки 9, соосной вертикальному корпусу 1 и имеющей диаметр в пределах (0,6-0,9)D, где D - внутренний диаметр корпуса. Отличие реактора, изображенного на фиг.2, от реактора, изображенного на фиг.1, состоит в том, что смеситель содержит вторую вихревую камеру 10, расположенную последовательно с вихревой камерой 2 выше последней. Диаметр вихревой камеры 10 больше диаметра вихревой камеры 2. Вихревая камера 10 содержит тангенциальный входной патрубок 11, соединенный с патрубком ввода второго жидкого реагента 12, и осевой выходной патрубок 13, обращенный вверх и снабженный диффузором 14. Тангенциальные входные патрубки 5 и 11 наклонены по отношению к корпусу смесителя в сторону, противоположную выходному отверстию осевого выходного патрубка, предпочтительно под углом 15-20° к горизонтали, и расположены таким образом, чтобы направление вращения потоков в обеих камерах было одинаковым. Верхний конец коаксиальной трубы 3 расположен по ходу движения реагентов после входного отверстия тангенциального входного патрубка 5 и не достигает среза осевого выходного патрубка 7. Верхний конец осевого выходного патрубка 7 расположен по ходу движения реагентов после входного отверстия тангенциального входного патрубка 11 и не достигает среза осевого выходного патрубка 13.
Реактор работает аналогично реактору, изображенному на фиг.1, с тем отличием, что к структурированному вращающемуся потоку, сформированному в нижней вихревой камере 2, в верхней вихревой камере 10 присоединяется наружный слой второго жидкого реагента, вращающийся однонаправленно с потоком первого жидкого реагента.
Газожидкостный реактор, изображенный на фиг.3, так же, как и реактор, изображенный на фиг.2, включает вертикальный корпус 1, размещенную в нижней части корпуса первую вихревую камеру 2 смесителя, патрубок ввода газообразного реагента 4, тангенциальный входной патрубок 5 первой вихревой камеры, соединенный с патрубком ввода первого жидкого реагента 6, осевой выходной патрубок 7 первой вихревой камеры, обращенный вверх, цилиндрическую обечайку 9, внутри которой размещен смеситель, причем обечайка соосна вертикальному корпусу 1 и имеет диаметр в пределах (0,6-0,9)D, где D - внутренний диаметр корпуса, и вторую вихревую камеру 10 смесителя, содержащую тангенциальный входной патрубок 11, соединенный с патрубком ввода второго жидкого реагента 12, и осевой выходной патрубок 13, обращенный вверх и снабженный диффузором 14. Отличие реактора, изображенного на фиг.3, от реактора, изображенного на фиг.2, состоит в том, что вместо коаксиальной трубы 3 смеситель содержит третью вихревую камеру 15, расположенную последовательно с вихревой камерой 2 ниже последней. Диаметр вихревой камеры 2 больше диаметра вихревой камеры 15. Вихревая камера 15 содержит тангенциальный входной патрубок 16, соединенный с патрубком ввода газообразного реагента 4, и осевой выходной патрубок 17, обращенный вверх. Тангенциальные входные патрубки 5, 11 и 16 наклонены по отношению к корпусу смесителя в сторону, противоположную выходному отверстию осевого выходного патрубка, предпочтительно под углом 15-20° к горизонтали, и расположены таким образом, чтобы направление вращения потоков в обеих камерах было одинаковым. Верхний конец осевого выходного патрубка 17 расположен по ходу движения реагентов после входного отверстия тангенциального входного патрубка 5 и не достигает среза осевого выходного патрубка 7. Реактор работает аналогично реактору, изображенному на фиг.2, с тем отличием, что структурированный вращающийся поток формируется в вихревых камерах 15, 2 и 10 в результате однонаправленного вращения как двух жидких реагентов, так и газообразного.
Реакторы, изображенные на фиг.1-3, 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.