РЕАКТОР ДЛЯ АММОНИЗАЦИИ КИСЛОТ
REACTOR FOR AMMONIATION OF ACIDS

Изобретение относится к оборудованию, используемому при производстве фосфорсеросодержащих удобрений. Основной стадией производства является стадия аммонизации кислот, где проходит образование пульпы фосфатов и/или сульфатов аммония.
В современных технологиях получения фосфатов и/или сульфатов аммония используются различные конструкции реакторов без механического перемешивания компонентов. Наиболее распространенными являются трубчатые реакторы, в которых происходит смешение и взаимодействие реагентов с образованием пульпы фосфатов и/или сульфатов аммония - полупродукта для получения минеральных удобрений.
Так, известен трубчатый реактор, представляющий собой горизонтальную или вертикальную трубу с патрубками для ввода кислот и аммиака, причем для обеспечения интенсивного гидродинамического режима протяженность реакционной зоны трубчатого реактора, начиная от места ввода аммиака, для надежного осуществления реакции аммонизации с учетом возможных колебаний расходов и концентраций реагентов должна составлять 20-30 диаметров. Это подтверждено опытом его эксплуатации (Химическое и нефтегазовое машиностроение №11/2008, с.11).
В авторском свидетельстве СССР №1084054, кл. B01F 3/04, опубл. в 1984 г. описан реактор, содержащий корпус с коаксильно расположенным в нем соплом, патрубками для ввода и вывода компонентов, в корпусе перпендикулярно оси установлена шайба с закрепленными в ней, с одной стороны, заборными патрубками длиной 0,3-1 диаметр аппарата на расстоянии 0,2-0,3 диаметра от его оси, свободные концы их направлены в сторону сопла, а с другой стороны - многозаходным спиральным лопастным устройством. В этой конструкции возможно значительное налипание пульпы на насадку, поэтому она эффективна только для растворов.
В промышленности давно эксплуатируется трубчатый реактор TP-200 с внутренним диаметром корпуса 200 мм, тангенциально расположенным вводом кислоты и коаксиально к корпусу расположенным патрубком аммиака, заканчивающимся перфорированным распределителем (200 радиальных отверстий диаметром 5 мм). Внутри распределителя установлен двухзаходный лопастной шнек, предназначенный для интенсивного закручивания струй аммиака. Эффект интенсификации смешения аммиака и ЭФК возрастает с увеличением нагрузки. Сложность изготовления, сравнительно малая производительность и значительный проскок аммиака не позволяют рекомендовать этот реактор для новых производств (Химическое и нефтегазовое машиностроение №11/2008, с.12).
Известен также трубчатый реактор для получения пульпы фосфатов аммония, включающий корпус с коаксиально расположенными в нем устройством, подводящим аммиак, патрубок, подводящий кислоту, и находящееся на конце корпуса сопло для выхода пульпы, в котором устройство, подводящее аммиак, выполнено в виде патрубка с установленным на конце распределителем. Часть распределителя снабжена наружной резьбой и соединена с патрубком подвода аммиака, а часть, не входящая в патрубок, перфорирована отверстиями, длина которых не менее двух диаметров отверстия, причем угол наклона осей отверстий к оси реактора составляет 45-90° по направлению к соплу выхода пульпы из корпуса (патент РФ №2360729, кл. B01F 3/04, опубл. 10.07.2009 г.).
Все описанные реакторы имеют один общий недостаток. Вследствие того, что реакционная зона находится в корпусе, для изготовления всей конструкции требуется коррозионно-стойкий материал. Принимая во внимание высокое давление, металлоемкость такой конструкции весьма значительна.
В связи с этим, в качестве прототипа нами был выбран реактор, приведенный в патенте США №3954942, C05B 7/00, опубл. 04.05.1976 г. Данный патент выдан на способ производства удобрения из фосфорной и серной кислот, жидкого или газообразного аммиака, но в нем приведен реактор, в котором происходит их взаимодействие.
Реактор для аммонизации кислот включает цилиндрический корпус из черной стали, внутри которого установлена реакционная труба из высоколегированной стали. Кольцевая полость корпуса с торцов закрыта заглушками, приваренными к корпусу и реакционной трубе. Корпус имеет патрубки входа и выхода аммиака, причем патрубок выхода из корпуса соединен с патрубком входа в реакционную трубу и находится вне корпуса. На реакционной трубе расположены также патрубки ввода кислот.
Преимущество данной конструкции заключается в том, что аммиак, проходя внутри корпуса вдоль реакционной трубы, нагревается и частично испаряется, что позволяет ему вступать в реакцию с кислотами сразу после контакта с ними, тем самым уменьшая проскок непрореагировавшего аммиака из реактора.
Недостатком данной конструкции является то, что реакционная труба сделана цельной, и поскольку ее конечные участки, выходящие за пределы корпуса, подвержены только внутреннему давлению, эта труба должна быть толстостенной, т.е. металлоемкость этой конструкции по сравнению с известными не снижается. Кроме того, конструкция громоздкая (наличие наружного патрубка перетока аммиака из корпуса в центральную трубу) и неразборная, т.е. неремонтопригодная, что осложняет ее эксплуатацию.
Задачей изобретения было упрощение конструкции за счет уменьшения металлоемкости реактора и улучшения условий его эксплуатации.
Для этого предлагается конструкция реактора, включающая толстостенный корпус из нелегированной стали, внутри которого расположена тонкостенная реакционная труба, не выходящая за корпус реактора и выполненная из высоколегированной стали. Корпус имеет только патрубок для ввода аммиака, который поступает в реакционную трубу через калиброванные фильеры, расположенные на ее стенке. Корпус по торцам закрыт съемными фланцами. Реакционная труба состоит из двух частей, телескопически соединенных друг с другом, что компенсирует неравномерное удлинение корпуса и реакционного патрубка, выполненных из различных материалов. На одном из фланцев приварены патрубок ввода кислот и часть реакционной трубы с фильерами, на другом - вторая часть реакционной трубы и толстостенный патрубок выхода продуктов реакции, причем сварной шов между этим патрубком и второй частью реакционной трубы расположен внутри корпуса.
Давление внутри и снаружи реакционной трубы одинаковое, что позволяет перенести усилие от давления реакции на толстостенный корпус, выполненный из более дешевого материала, т.е. выполнить реакционную трубу из высоколегированной стали и сделать реактор менее металлоемким. Конструкция реактора позволяет уменьшить его стоимость и повысить надежность за счет возможности контроля состояния и ремонта разборной конструкции.
На рисунке 1 изображен продольный разрез предлагаемого реактора.
Реактор включает следующие элементы: 1 - патрубок ввода кислоты в реакционную трубу; 2 - фланцы с прокладками, герметизирующие корпус реактора; 3 - толстостенный корпус из нестойкого к коррозии материала; 4 - патрубок ввода аммиака в корпус реактора; 5 - патрубок выхода продукта из реактора; 6 - тонкостенная реакционная труба из высоколегированной коррозионно-стойкой стали; 7 - сопла аммиака.
Реактор работает следующим образом: в корпус реактора (3), снабженного фланцами с прокладками (2), через патрубок (4) поступает аммиак, который распределяется по кольцевому сечению и через сопла (7) попадает в реакционную трубу (6), куда через патрубок (1) подводится кислота. Продукты реакции выводятся из реактора через патрубок (5).
Части реакционной трубы соединены телескопически. Такая конструкция позволяет сделать реактор разборным, т.е. ремонтопригодным. В предложенном реакторе сопла для ввода аммиака в реакционную трубу находятся вблизи стыка двух ее частей.
Для исключения возможности попадания продуктов реакции в корпус реактора сечение этих сопел должно быть меньше, чем сечение кольцевой зоны между корпусом и реакционной трубой. Сечение зазора между двумя частями реакционной трубы должно быть в 10-15 раз менее сечения сопел. Если это соотношение меньше 10, то продукты реакции могут поступать через зазор в корпус реактора и соприкасаться с его стенкой, что приведет к коррозии и потере работоспособности реактора. При соотношении сечений более 15 усложняется сборка реактора.
Соотношение свободных сечений корпуса и реакционной трубы составляет 1:1÷0,5. При уменьшении сечения корпуса относительно сечения реакционной трубы возрастает сопротивление, что приводит к увеличению давления в реакторе, т.е. это не выгодно энергетически, при увеличении свободного сечения корпуса возрастают габариты реактора, что, учитывая толщину корпуса (4,5-9 мм), увеличивает его материалоемкость. В прототипе, например, это соотношение составляет 4,6:1.
Соотношение диаметров реакционной трубы и патрубка выхода продукта составляет 1:0,8÷0,5. При увеличении диаметра патрубка свыше указанного соотношения перемешивание в реакторе ухудшается, что приводит к проскоку непрореагировавшего аммиака, а при уменьшении ниже указанного предела увеличивается давление, т.е. это не выгодно энергетически. В прототипе это соотношение 1:1.
Длина части реакционной трубы с соплами выбирается конструктивно и составляет 1,5÷2 длины части патрубка ввода кислоты, входящей внутрь реакционной трубы. При уменьшении длины этой части реакционной трубы уменьшается зона эффективного смешивания реагентов, что приводит к проскоку аммиака, при увеличении длины этой части реакционной трубы возрастает длина реактора.
Поскольку давление в реакторе с обеих сторон реакционной трубы одинаковое, ее делают с толщиной стенки, в 8-10 раз меньшей толщины стенок корпуса, что позволяет при использовании легированной стали (например, ЭИ 460) уменьшить стоимость реакционной трубы, а следовательно, и всего реактора в 2 - 2,5 раза без уменьшения времени его межремонтного пробега. В прототипе толщина корпуса и реакционной трубы одинаковые, т.к. оба находятся под внутренним давлением.