ПРОТИВОТОЧНЫЙ РЕАКТОР С КИПЯЩИМ СЛОЕМ
COUNTER-FLOW REACTOR WITH BOILING LAYER

Изобретение относится к химическому машиностроению и может быть использовано в технологии восстановления оксидов урана, гидрофторирования в кипящем слое.
Известен реактор кипящего слоя восстановления оксида урана водородом [Тураев Н.С., Жерин И.И. Химия и технология урана. - М.: Издательский дом «Руда и металлы», 2006, с.345-346], включающий две вертикальные трубы из нержавеющей стали с нагревательными элементами и теплоизоляцией, смонтированные рядом, патрубок подачи газа, бункер исходного сырья, шнековый питатель с мотором-редуктором, циклон, сборник готового продукта. Порошок из бункера исходного сырья вводят сбоку в первую трубу шнековым питателем. Частично восстановленный продукт из первой трубы «переливается» во вторую, где реакция заканчивается. Водород подается параллельно в обе трубы (иногда он разбавляется азотом). Из второй трубы порошок отводится по трубе в циклон, где отделяется от газовой фазы и поступает в бункер-сборник готового продукта. После дополнительной пылеочистки отходящий газ направляется на сжигание.
Восстановление в двух трубах предохраняет от прохода газа мимо восстанавливаемого материала и соответствующего снижения времени их взаимодействия.
Недостатки данного реактора:
- подсоединение шнекового дозатора под прямым углом к реакторной колонне способствует поступлению водорода в бункер и созданию водородного мешка вверху бункера, при этом порошок может под собственной тяжестью самопроизвольно ссыпаться в реакторную колонну;
- отсутствие регулирующих устройств усложняет процесс регулировки подачи газа и порошка для создания псевдоожиженного слоя и делает процесс восстановления трудно контролируемым и непредсказуемым;
- наличие тупиковых пространств колонн способствует скоплению водорода вверху колонн и требует водяного охлаждения колонн и периодических продувок инертными газами;
- интенсивное перемешивание твердых частиц и равенство их концентраций в объеме псевдоожиженного слоя обуславливают определенную потерю движущей силы взаимодействующих фаз и возрастающую неоднородность обработки твердых частиц.
Последний недостаток устранен в многосекционных аппаратах с перетеканием сыпучего материала с одной секции на другую. Например, в противоточном аппарате непрерывного действия [Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии: Учебник для вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Химия, 1987, с.106-107] применено последовательное секционирование с получением каскада последовательно расположенных псвдоожиженных слоев. В результате твердая фаза переходит с верхних слоев на нижние под действием силы тяжести через специальные переточные устройства. Вследствие сужения в секционированном аппарате спектра распределения времен пребывания твердых частиц и уменьшения интенсивности перемешивания достигается их более равномерная обработка, что важно во многих процессах (например, при восстановлении металлов из оксидов). Однако данная конструкция не устраняет застойные зоны дисперсного материала в секциях. Также в данной конструкции отсутствует процесс регулировки подачи газа и порошка для создания псевдоожиженного слоя.
Проблема регулировки подачи газа и порошка частично решается в устройстве [Процессы и аппараты химической технологии. Явления переноса, макрокинетика, подобие, моделирование, проектирование: В 5 т., т.2. Механические и гидромеханические процессы / Д.А. Баранов, В.Н. Блиничев, А.В. Вязьмин и др.; под ред. А.М. Кутепова. - М.: Логос, 2002, с.560-561], включающем газораспределительную решетку с наклоном к горизонту под углом, близким к углу естественного откоса дисперсного материала. Самотечное движение восстанавливаемого порошка и отсутствие его регулировки подачи способствует скоплению порошка в первой ячейке решетки и его неравномерному распределению по ней. Неравномерное распределение потока газа по поперечному сечению решетки сопровождается его неравномерным воздействием на восстанавливаемый материал, что существенно влияет на выход конечного продукта. Также к недостаткам устройства можно отнести образование взрывоопасных объемов газа в бункере подачи порошка и унос порошка за пределы реактора восстановления из-за отсутствия устройств, препятствующих этому.
2
3
4
2
Прототипом предлагаемого устройства является реактор с кипящим слоем [Ч. Харрингтон, А. Рюэле. Технология производства урана. М., 1961, с.216-217, 250-251]. Реактор содержит три ступени кипящего слоя, поддерживаемые каждая перфорированной пластиной с отверстиями. Спускные трубы выступают над перфорированными пластинами. Перед входом в реактор реакционный газ подогревается и, двигаясь вверх через ступени кипящего слоя, попадает в отделение фильтрования, где два пористых металлических фильтра отделяют увлеченные потоком частицы пыли. Дисперсный материал вводится сверху установки и переводится во взвешенное состояние движущимся вверх газовым потоком. Смесь твердого вещества и газа ведет себя в таком состоянии как жидкость и с прибавлением твердой фазы перетекает через отводную трубу из одной ступени в следующую и собирается в бункере внизу. Каждая ступень реактора обогревается электронагревателем, расположенным вокруг внешней стенки. Реактор применялся для получения UO из UO и UF из UO.
Недостатки данного реактора:
- наличие застойных зон в каждой ступени, сопровождающееся сводообразованием и возможным спеканием продукта в реакторе;
- частицы пыли, увлекаемые отработанным реакционным газом, оседают на фильтрах, снижая их пропускную способность, и требуют периодической остановки процесса восстановления и продувку фильтров противоточным инертным газом;
- неконтролируемое самоссыпание восстанавливаемого порошка из бункера подачи порошка;
- возможно образование взрывоопасных объемов реакционного газа в бункере подачи порошка.
Задачей данного изобретения является увеличение производительности и безопасности противоточного реактора с кипящим слоем вследствие предотвращения образования взрывоопасных объемов газа в замкнутых пространствах и застойных зон в секциях, возвращения конечного продукта в процесс в результате предотвращения его уноса из реактора и обеспечения тем самым непрерывности процесса.
Поставленная задача решается тем, что в противоточном реакторе с кипящим слоем, содержащем вертикальный обогреваемый корпус, разделенный на секции перфорированными пластинами, размещенный над корпусом узел загрузки исходного дисперсного материала, узел подачи газа, расположенный в нижней части реактора, бункер выгрузки продукта, узел загрузки исходного дисперсного материала снабжен шнеком-дозатором, установленным под углом относительно линии горизонта, перфорированные пластины выполнены в виде конусообразных перегородок с коаксиальным переточным отверстием и расположенными по образующей конуса перегородки отверстиями для прохода газа, а корпус, состоящий из царг, содержит также сепаратор, включающий в себя оптически плотную конструкцию, возвращающую частицы исходного материала в корпус реактора.
Шнек-дозатор установлен под углом к горизонту, превышающим угол трения исходного дисперсного материала.
Угол конуса перегородки превышает угол естественного откоса исходного дисперсного материала.
Отношение диаметра центрального переточного отверстия к внутреннему диаметру царг определяется по формуле:
<mrow><mi>d</mi><mo>=</mo><mi>D</mi><mo>⋅</mo><mfrac><mi>ϕ</mi><mi>α</mi></mfrac><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><msub><mi>ρ</mi><mrow><mi>и</mi><mi>с</mi><mi>х</mi><mi>о</mi><mi>д</mi><mi>н</mi><mi>о</mi><mi>г</mi><mi>о</mi><mtext>  материала</mtext></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>ρ</mi><mrow><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>с</mi><mi>ы</mi><mi>п</mi><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>я</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><msub><mi>Q</mi><mrow><mi>г</mi><mi>а</mi><mi>з</mi><mi>а</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>Q</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>р</mi><mi>о</mi><mi>ш</mi><mi>к</mi><mi>а</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><msub><mi>ϑ</mi><mrow><mi>и</mi><mi>с</mi><mi>х</mi><mi>о</mi><mi>д</mi><mi>н</mi><mi>о</mi><mi>г</mi><mi>о</mi><mtext>  порошка</mtext></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>ϑ</mi><mrow><mi>г</mi><mi>а</mi><mi>з</mi><mi>а</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> мм</mtext></mrow>
где d - диаметр переточного отверстия, мм;
D - внутренний диаметр царги, мм;
исходного материала
3
ρ - плотность исходного дисперсного материала, г/см;
насыпная
3
ρ - насыпная плотность исходного дисперсного материала, г/см;
α - угол естественного откоса исходного дисперсного материала, градусы;
φ - угол трения исходного дисперсного материала, градусы;
газа
Q - часовой расход реакционного газа, кг/час;
порошка
Q - часовой расход исходного дисперсного материала, кг/час;
исходного порошка
ϑ - скорость исходного дисперсного материала на границе царга-сепаратор, м/с;
газа
ϑ - скорость подаваемого реакционного газа, м/с.
Площадь отверстий для прохода газа равна площади переточного отверстия.
На фиг.1 представлен общий вид противоточного реактора с кипящим слоем; на фиг.2 - сепаратор; на фиг.3 - упрощенное изображение конусообразной перегородки с коаксиальным переточным отверстием и расположенными по образующей конуса перегородки отверстиями для прохода газа, главный вид и вид сверху.
Реактор с кипящим слоем содержит узел загрузки 1 исходного материала, вертикальный корпус 2, бункер 3 выгрузки продукта.
Узел загрузки 1 состоит из бункера 4 исходного материала, шнека-дозатора 5 с мотор-редуктором 6, патрубка 7, служащего для соединения бункера 4 исходного материала со шнеком-дозатором 5, патрубка 8, служащего для соединения шнека-дозатора 5 с вертикальным корпусом 2.
Узел загрузки 1 предназначен для подачи исходного материала в реактор при помощи шнека-дозатора 5. Шнек-дозатор 5 установлен под углом 15° относительно линии горизонта (в общем случае данный угол должен превышать угол трения исходного материала) для исключения попадания газовой фазы в узел загрузки 1 и самопроизвольного ссыпания порошка в вертикальный корпус 2.
Вертикальный корпус 2 включает сепаратор 9, обогреваемые царги 10 и узел подачи газа 11.
Сепаратор 9 (см. фиг.2) выполнен в виде цилиндра, в нижней части переходящего в форму усеченного конуса с фланцем для подсоединения царги 10, расположенной вверху корпуса 2. Сепаратор 9 имеет крышку 12 с газоотводящим патрубком 13. Внутри сепаратор 9 делится на два сектора: сектор 14, через который происходит подача исходного материала из шнека-дозатора 5 в вертикальный корпус 2, и сектор 15 для отвода реакционных газов через газоотводящий патрубок 13. Сектор 15 снабжен оптически плотной конструкцией 16, исключающей унос из реактора частиц исходного материала и возвращающей их в процесс восстановления.
Вертикальный корпус 2 реактора с кипящим слоем в конкретном исполнении (см. фиг.1) состоит из трех царг. Каждая царга 10 имеет цилиндрическую форму. С обеих сторон царга 10 заканчивается фланцами, позволяющими подсоединить одну царгу к другой. Обогрев царг электрический.
Внутри каждой царги 10 установлена конусообразная перегородка 17 (см. фиг.3) с коаксиальным переточным отверстием 18 и расположенными по образующей конуса перегородки отверстиями 19 для прохода газа, позволяющими удерживать порошок в реакторе во взвешенном слое. Угол конусообразной перегородки 17 в конкретном исполнении составляет 45° (угол, превышающий угол естественного откоса, в общем случае).
Диаметр переточного отверстия 18 определяется по формуле:
<mrow><mi>d</mi><mo>=</mo><mi>D</mi><mo>⋅</mo><mfrac><mi>ϕ</mi><mi>α</mi></mfrac><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><msub><mi>ρ</mi><mrow><mi>и</mi><mi>с</mi><mi>х</mi><mi>о</mi><mi>д</mi><mi>н</mi><mi>о</mi><mi>г</mi><mi>о</mi><mtext>  материала</mtext></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>ρ</mi><mrow><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>с</mi><mi>ы</mi><mi>п</mi><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>я</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><msub><mi>Q</mi><mrow><mi>г</mi><mi>а</mi><mi>з</mi><mi>а</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>Q</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>р</mi><mi>о</mi><mi>ш</mi><mi>к</mi><mi>а</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><msub><mi>ϑ</mi><mrow><mi>и</mi><mi>с</mi><mi>х</mi><mi>о</mi><mi>д</mi><mi>н</mi><mi>о</mi><mi>г</mi><mi>о</mi><mtext>  порошка</mtext></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>ϑ</mi><mrow><mi>г</mi><mi>а</mi><mi>з</mi><mi>а</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> мм</mtext></mrow>
где d - диаметр переточного отверстия 18, мм;
D - внутренний диаметр царги 10, мм;
исходного материала
3
ρ - плотность исходного дисперсного материала, г/см;
насыпная
3
ρ - насыпная плотность исходного дисперсного материала, г/см;
α - угол естественного откоса исходного дисперсного материала, градусы;
φ - угол трения исходного дисперсного материала, градусы;
газа
Q - часовой расход реакционного газа, кг/час;
порошка
Q - часовой расход исходного дисперсного материала, кг/час;
исходного порошка
ϑ - скорость исходного дисперсного материала на границе царга 10 - сепаратор 9, м/с;
газа
ϑ - скорость подаваемого реакционного газа, м/с.
Площадь отверстий 19 для прохода реакционного газа равна площади переточного отверстия 18.
Между нижней царгой 10 и бункером 3 выгрузки продукта расположен узел подачи газа 11, обеспечивающий подачу предварительно нагретого реакционного газа в корпус 2.
Устройство работает следующим образом.
Из бункера 4 исходного материала при помощи шнека-дозатора 5 исходный дисперсный материал подается в вертикальный корпус 2. В нижнюю часть вертикального корпуса 2 через узел подачи газа 11 подается предварительно нагретый реакционный газ (азото-водородная смесь, либо водород, либо фтористый водород). Включается электрический обогрев царг 10.
В создающемся на каждой конусообразной перегородке 17 псевдоожиженном слое более легкий конечный продукт отбрасывается к стенке царги 10 и, двигаясь по конусу перегородки 17, ссыпается вниз через переточное отверстие 18, а перегретый газ, полученный при реакции, устремляется вверх, дополнительно перемешивая взвешенный слой.
Конусообразная перегородка 17 с углом, превышающим угол естественного откоса порошка, препятствует сводообразованию получаемого продукта и способствует его равномерному движению. Получаемый продукт, находясь во взвешенном состоянии, движется вниз по вертикальному корпусу 2 и ссыпается в бункер 3 выгрузки продукта. При этом процесс взаимодействия продолжается. Перегретый газ, пройдя через оптически плотную конструкцию 16, направляется через газоотводящий патрубок 13 на охладитель-конденсатор (не показан). При этом за счет изменения направления движения газ отделяется от случайно захваченных частиц исходного материала, которые отбрасываются к стенкам сепаратора 9, теряют скорость и возвращаются в процесс.
Шнек-дозатор 5, установленный под углом к горизонту, превышающим угол трения исходного дисперсного материала, препятствует попаданию реакционного газа в узел загрузки 1 исходного материала и образованию взрывоопасных объемов газа в замкнутых пространствах, при этом исходный дисперсный материал поджимается к шнеку-дозатору 5 и исключается его самопроизвольное ссыпание в сепаратор 9.
Таким образом, данная конструкция, препятствует образованию взрывоопасных объемов газа в замкнутых пространствах и застойных зон в секциях, способствует предотвращению уноса конечного продукта, возвращению продукта в процесс и обеспечивает непрерывность процесса, тем самым увеличивая производительность и безопасность противоточного реактора с кипящим слоем.