РЕАКТОР

М  JlO/00
РЕАКТОР
Полезная модель относится к химическим реакторам, в частности, для проведения процессов в газожидкостной среде, и может быть использовано, например, для синтеза карбамида из аммиака и двуокиси углерода при повышенных температурах и давлениях.
Известен аппарат для синтеза карбида, представляющий собой вертикальный сосуд высокого давления, футерованный коррозионностойким материалом, со штуцерами ввода и вывода реагентов /1/.
Недостатком известного аппарата является низкая его эффективность. Как установлено в процессе эксплуатации, такие аппараты работают в малоинтенсивном режиме, близком к идеальному смешению. При этом удовлетворительную степень
превращения С02 в карбамид (Х«65%) можно обеспечить лишь при низкой удельной производительности П (порядка 300-400 кг/м час). При попытках увеличения значений П до 650-700 кг/м час величина X снижается до 57-58%, что вызывает недопустимое ухудшение технико-экономических показателей.
Известен также реактор, содержащий вертикальный корпус, вертикальные контактные устройства, состоящие из наружного и внутреннего элементов, концентрично расположенных один в другом, каждый элемент имеет отверстие (щель) для входа среды в верхней его части /2/.
Однако, в данном реакторе невозможно обеспечить равномерное распределение газовой фазы по всем контактным устройствам, что снижает эффективность процесса. Содержание фазы по сечению аппарата переменно и уменьшается от центра к стенке. Известно, что сопротивление отверстий при протекании через них среды прямо пропорционально плотности среды. Плотность реакционной среды в реакторе синтеза карбамида в центральной части меньше, чем у стенок, что определяется содержанием газовой фазы. Следовательно, через отверстия (щели) контактных устройств, расположенных в центральной части, будет проходить большее количество реакционной среды, чем через отверстия контактных устройств, расположенных на периферии и перераспределения газовой фазы по сечению аппарата в зоне расположения отверстий (щелей) в стержневых элементах произойти не может. Наиболее близким к предлагаемому решению по технической сущности и достигаемому эффекту является реактор для проведения процессов в газожидкостной среде /3/ (прототип). Известный реактор содержит вертикальный корпус со штуцерами для ввода и для вывода реагентов, размещенные внутри вертикального корпуса горизонтальные перфорированные тарелки, установленные над одной из тарелок контактные цилиндрические устройства, и их опорные элементы, выполненные с отверстиями для прохождения реагентов (3). Реактор работает следующим образом. Исходные компоненты вводят в аппарат через штуцера для ввода реагентов, расположенные в днище корпуса реактора. Пройдя горизонтальную перфорированную тарелку, газожидкостная смесь попадает в пространство, заполненное контактными цилиндрическими устройствами, и через входные каналы попадает внутрь этих устройств, из которых выходит газожидкостная смесь через отверстия в опорных элементах. Пройдя через горизонтальные перфорированные тарелки, расположенные по высоте аппарата, продукты реакции выходят через штуцер в крьш1ке. Конструкция контактных цилиндрических устройств такова, что под опорными элементами создается газовая подушка, которая позволяет равномерно распределить газовую фазу по внутренним контактным устройствам. Это позволяет интенсифицировать процесс контактирования газообразных и жидких реагентов. . Технический результат заявленного реактора состоит в том, что снижается металлоемкость реактора и повышается эффективность его работы за счет увеличения эффективности контактных устройств. Этот технический результат достигается тем, что в реакторе, содержащем вертикальный корпус со штуцерами для ввода и для вывода реагентов, размещенные внутри вертикального корпуса горизонтальные перфорированные тарелки, установленные над одной из тарелок контактные цилиндрические устройства и их опорные элементы, выполненные с отверстиями для прохождения реагентов, контактные цилиндрические устройства выполнены в виде стаканов, которые имеют диаметральные плоские перегородки, нижняя кромка каждой из которых расположены с зазором относительно дна стакана, торец стакана соединен с опорным элементом, отверстие для прохождения реагентов которого расположено над одной из образованных диаметральной плоской перегородкой полостей стакана и предназначено для вывода реагентов из контактного цилиндрического устройства, боковая поверхность стакана выполнена с отверстиями соответственно для ввода газовой фазы и ввода жидкой фазы со стороны другой полости. Кроме того, нижняя кромка диаметральной плоской перегородки стакана выполнена зубчатой. Снижение металлоемкости обеспечивается за счет диаметральных плоских перегородок контактных цилиндрических устройств. Повьщ1ение эффективности работы обеспечивается более стабильным вводом газовой и жидкой фаз в контактные цилиндрические устройства даже при значительных колебаниях давления в реакторе. Выполнение нижней кромки диаметральной плоской перегородки зубчатой обеспечивает более равномерное распределение газовой фазы по контактному устройству и большую поверхность контакта фаз. . На фиг.1 представлен продольный разрез предлагаемого реактора; на фиг.2 - узел I на фиг. 1; на фиг.З - сечение Б-Б на фиг.2, в том случае, когда контактное устройство выполнено из трубы; на фиг.4 - сечение Б-Б на фиг. 2, для случая, когда контактное устройство выполнено из S-образной заготовки со сваркой в местах стыка; на фиг.З - .,   . ; нижняя кромка с треугольными зубьями; на фиг. б - : :л-- й -. нижняя кромка с прямоугольными зубьями. Реактор состоит из вертикального корпуса 1, разделенного горизонтальными тарелками 2,3,4 на зоны, крышки 5, штуцеров 6,7,8 для ввода реагентов и вывода 9 продукционного плава синтеза карбамида. В нижней трети аппарата, где преобладает газовая фаза, установлены контактные цилиндрические устройства, состоящие из стакана 10 и диаметральной плоской перегородки 11, образуюшие опускной 12 и подъемный 13 каналы. Нижние кромки 14 диаметральных плоских перегородок 11 выполнены зубчатыми различной формы. Контактные цилиндрические устройства своими верхними кромками закреплены в опорных элементах 15 и снабжены расположенными на боковой стенке стакана 10 отверстиями для ввода газовой фазы 16 и для жидкой фазы 17, которые сообщаются с опускными каналами 12. Причем, входные отверстия для ввода жидкой фазы 17 расположены ниже входных отверстий для ввода газовой фазы 16. Контактные цилиндрические устройства снабжены также расположенными на опорных элементах 15 отверстиями для прохождения реагентов 18, сообщающимися с подъемными каналами 13. Опорные элементы 15 содержат юбечайку 19, высота которой перекрывает отверстия для ввода газовой и жидкой фаз 16 и 17, расположенные на боковых стенках стакана 10. Реактор работает следующим образом.
Исходные компоненты NHa, С02 и раствор углеаммонийных солей (рус) вводится в аппарат через штуцера 6,7,8. Для их распределения по сечению аппарата и смешения на высоте,
примерно 1-1,5 Da от днища корпуса 1 (Da - диаметр аппарата),
установлена горизонтальная перфорированная тарелка 2. Пройдя тарелку 2, газожидкостная смесь попадает в зону, заполненную контактными цилиндрическими устройствами. Газовая фаза при опережающем движении вверх образует газовую подушку под опорным элементом 15. Затем газ через отверстия 16 поступает в опускные каналы 12. В эти же каналы через отверстия 17 поступает жидкая фаза.
Газожидкостная смесь стекает в нижнюю часть стакана элемента 10 контактного цилиндрического устройства. Затем она огибает кромки диаметральной плоской перегородки 11 стакана 10 и переходит внутрь подъемного канала 13.
Через отверстия для прохождения реагентов 18 на опорном элементе 15 газожидкостная смесь поступает в следующую реакционную зону аппарата. Пройдя горизонтальные перфорированные тарелки 3 и 4, продукты реакции выводятся из аппарата через штуцер 9.
Наличие газовой подушки между отверстиями 16 и опорным элементом 15 позволяет равномерно распределить газовую фазу по контактным цилиндрическим устройствам.
Сравним металлоемкость контактных цилиндрических устройств прототипа и заявляемого решения.
Металлоемкость контактных цилиндрических устройств прототипа равна
Мпр.п - 71  6  (D4-d)  h  pern.,
где п - количество контактных цилиндрических устройств; О - толщина стенки стакана и плоской перегородки;
D - средний диаметр стакана;
d - средний диаметр диаметральной плоской
перегородки; h - высота элементов (с целью упрощения
зазором между торцом внутреннего элемента (в прототипе трубы, в заявленном реактореперегородке) .
РСШ - плотность стали.
Выразим средний диаметр d внутреннего элемента через средний диаметр D наружного из условия равенства площадей проходных сечений этих элементов (в этом случае, не внося большой погрешности в расчеты, толщиной стенок, ввиду их незначительности, в данном случае пренебрегаем), тогда
7С/4  (D - d)  7С/4  d
откуда после простых математических преобразований получаем
2)/2 ,707 - D
Тогда металлоемкость контактных цилиндрических устройств прототипа равна
М пр.  п  71  5  (D + 0,707-D)  h  pcm  1,707 -n  71- 6  D- h  pern
5,363- 5  D  h  pern  n
Металлоемкость контактных цилиндрических устройсд в заявленного решения
М з.р.  n - 8  (71-D + D)  h .- pern  4,140- б- D -h- РСШ -п
Тогда снижение металлоемкости при выполнении конструкции по заявленному решению составит
Э . Мпр-Мз.р.    6-D-h-pcm.n-(5,363-4,140) ,   Мпр5,363- О- D -h- pern- n
Таким образом, как показали расчеты, металлоемкость заявленного решения меньше металлоемкости прототипа почти на 23%.
Пример. По прототипу разработана конструкция контактного цилиндрического устройства из стержневых элементов со следующими конструктивными параметрами: средний диаметр наружного элемента трубы (аналог стакана в заявленном реакторе) D  42,5 мм, средний диаметр внутреннего элемента (аналог перегородки в заявленном реакторе) d  29,5 мм, толщина стенки наружного и внутреннего элементов 2,5 мм, высота элементов  мм, общее количество контактных цилиндрических устройств (стержневых элементов) п 400 щт.
Металлоемкость стержневых элементов такой конструкции равна
М пр.  п- 71  6  (D + d)  h  pcm
400 -3,14 -0,0025  (0,0425 + 0,0295)  3,0 -7800
5290 кг.
В соответствии с заявляемым решением (фиг.1, фиг.3)заменим в этой конструкции выполненный из труб внутренний элемент на пластину толщиной  2,5 мм и шириной, равной внутреннему диаметру стакана. Определим металлоемкость полученной конструкции контактных цилиндрических устройств.
Мз.р.  п- 71 -D- 6 + (D-6 )  5  -h  pern
400- 3,14  0,0425- 0,0025 +(0,0425-0,0025) х хО,0025 -3,0-  кг
Экономия металла только на одном реакторе состоит: М пр - Мзр  5290 - 4058  1232 кг
или в процентах:
Мпр-Мзр5290 - 4058
Э -100% -100%  23%
Мпр5290
Поскольку для изготовления контактных цилиндрических устройств реакторов используются дорогостоящие коррозионностойкие стали, снижение металлоемкости контактных цилиндрических устройств, использование взамен трубного проката листового позволит получить немалую экономическую выгоду.
1.Кучерявый В.И., Лебедев В.В. Синтез и применение карбамида. М:Химия, 1970, с.316-317.
2.SU, N215883, кл. B01J 10/00, 1953
3.С.М.Смирнов, В.А.Алексеев, М.А.Егорушкина Исследование гидродинамики и интенсификация газожидкостных процессов абсорбции-десорбции в реакторах барботажного типа с прямотоком фаз. Депонировано в ОНИИТЭХИМ, г.Черкассы 05.05.1989., N 733-ХП 90 /прототип/.
Приложение: чертеж реактора по прототипу на 1л.