Барботажный реактор
BUBBLE REACTOR

Изобретение относится к реакторной технике, а именно к барботажным реакторам «газ-жидкость», и может быть использовано в химической и других отраслях промышленности.
Известен барботажный реактор [1] с цилиндрическим вертикальным корпусом, в нижней части которого размещен газораспределитель – трубчатый барботер, а на внешней стороне стенки корпуса имеется рубашка. Устройство [1] имеет сравнительно простую конструкцию, что способствует надежности при эксплуатации. Недостатком известного барботажного реактора является невозможность подводить (или отводить) большие количества тепла при значительных тепловых эффектах реакций, протекающих в объеме реактора. Здесь не выполняется одно из основных требований, предъявляемых к химическим реакторам, состоящее в размещении теплообменных устройств там, где выделяется тепло, то есть непосредственно в реакционном объеме.
Данного недостатка лишен барботажный реактор [2], в корпус которого помещен теплообменник с пучком U-образных труб. Развитая площадь поверхности теплопередачи теплообменника и ее рассредоточенность в объеме корпуса позволяют передавать большие тепловые потоки. Недостатком является сложность конструкции, большое количество соединений труб с трубной решеткой, что в целом отрицательно сказывается на технологичности и надежности устройства, на его ремонтопригодности.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является барботажный реактор, содержащий цилиндрический вертикальный корпус с крышкой и дном, размещенную в корпусе трубчатую теплопередающую поверхность, газораспределитель-барботер, входные и выходные штуцеры для газовой и жидкой реакционных сред и для теплоносителя [3] – прототип. Трубчатая теплопередающая поверхность в устройстве [3] состоит из вертикальных труб, объединенных верхним и нижним кольцевыми коллекторами. Изменение количества вертикальных труб позволяет регулировать тепловую мощность барботажного реактора и обеспечивать требуемую ее величину. К недостаткам данного устройства относится отсутствие возможности компенсации относительных температурных расширений цилиндрического вертикального корпуса и трубчатой теплопередающей поверхности, которые жестко соединены между собой посредством входного и выходного штуцеров для теплоносителя, прошивающих соответственно дно и крышку. Устройство является неразборным, а, следовательно, недоступным для внутреннего осмотра и ремонта. В рабочем состоянии газовая реакционная среда выходит из отверстий газораспределителя-барботера преимущественно в периферийную часть реакционного объема, где движение жидкой фазы малоинтенсивное. Это приводит к низкой эффективности процесса смешения газовой и жидкой реакционных сред и уменьшению скорости реагирования.
Техническая проблема, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в необходимости устранения указанных выше недостатков.
Технический результат заключается в повышении эффективности работы устройства, технологичности его изготовления, возможности передачи больших тепловых потоков при значительных тепловых эффектах химических реакций.
Поставленная проблема решается тем, что барботажный реактор, содержащий цилиндрический вертикальный корпус с крышкой и дном, размещенную в корпусе трубчатую теплопередающую поверхность, газораспределитель-барботер, входные и выходные штуцеры для газовой и жидкой реакционных сред и для теплоносителя, имеет трубчатую теплопередающую поверхность, выполненную в виде спирального змеевика, верхний и нижний витки которого имеют петлеобразные изгибы, направленные к оси змеевика, газораспределитель-барботер выполнен в виде кольцевой камеры на стенке входного штуцера для жидкой реакционной среды, имеется, по крайней мере, два ряда отверстий для прохода газовой реакционной среды в стенке входного штуцера для жидкой реакционной среды, расположенных в диаметральных его сечениях, причем верхний ряд отверстий меньшего диаметра содержит большее их количество, а нижний ряд отверстий большего диаметра содержит меньшее их количество.
В отличие от известного барботажного реактора [3], исполнение трубчатой теплопередающей поверхности в виде спирального змеевика, верхний и нижний витки которого имеют петлеобразные изгибы, направленные к оси змеевика, обеспечивает самокомпенсацию относительных температурных расширений элементов устройства за счет упругих свойств спирального змеевика, а также легкость сборки и разработки при изготовлении и эксплуатации. Петлеобразные изгибы верхнего и нижнего витков змеевика придают дополнительную гибкость витками, что дает возможность при упругом смещении входного и выходного штуцеров для теплоносителя по радиусу змеевика в направлении к его оси свободно вставлять и извлекать змеевик из корпуса.
Выполнение газораспределителя-барботера в виде кольцевой камеры на стенке входного штуцера для жидкой реакционной среды и наличие, по крайней мере, двух рядов отверстий для прохода газовой реакционной среды в стенке входного штуцера для жидкой реакционной среды, расположенных в диаметральных его сечениях, различие количества и диаметра отверстий в разных рядах, обеспечивают ввод газовой реакционной среды непосредственно в основной поток жидкой реакционной среды. Более дальнобойные струи газа, выходящие из отверстий большего диаметра, достигают центральной части потока жидкости, а струи газа, выходящие из отверстий меньшего диаметра, затухают в пристенной зоне потока жидкости. Тем самым газ одинаково равномерно распределяется по всему поперечному сечению потока жидкой реакционной среды, что способствует качественному смешению реагирующих сред, быстрому завершению реакции и обеспечению возможности передачи больших тепловых потоков.
Таким образом, отличительные признаки изобретения позволяют решить поставленную проблему.
Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с прототипом показывает, что заявляемое устройство соответствует критерию изобретения «новизна».
В известных барботажных реакторах [1, 2, 3] не предусмотрена возможность разборки для проведения регламентных и ремонтных работ. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию изобретения «существенные отличия».
На фиг. 1 показан осевой разрез (схема) барботажного реактора; на фиг. 2 – разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 – выноска I на фиг. 1.
Барботажный реактор содержит цилиндрический вертикальный корпус 1 с крышкой 2 и дном 3, размещенную в корпусе 1 трубчатую теплопередающую поверхность в виде спирального змеевика 4. Пространственная ориентация и фиксация спирального змеевика 4 в корпусе 1 осуществляется с помощью гребенок 5. Верхний и нижний витки спирального змеевика 4 имеют петлеобразные изгибы 6, направленные к оси змеевика. Для ввода и вывода теплоносителя в спиральный змеевик 4 служат штуцеры 7, которые герметично соединены со стенкой корпуса 1 с использованием прокладок 8 и прижимных гаек 9. На съемной крышке 2 смонтирован выходной штуцер 10 для продуктов реакции. В центре конусного дна 3 расположен соединенный с ним входной штуцер 11 для жидкой реакционной среды. Газораспределитель-барботер 12, выполненный в виде кольцевой камеры 13 вокруг входного штуцера 11, соединен с входным штуцером 14 для газовой реакционной среды. Из кольцевой камеры 13 через стенку входного штуцера 11 проходит несколько рядов отверстий 15, причем верхний ряд отверстий меньшего диаметра содержит большее их количество, а нижний ряд отверстий большего диаметра содержит меньшее их количество.
Барботажный реактор работает следующим образом. Газовая реакционная среда через входной штуцер 14, кольцевую камеру 13 газораспределителя-барботера 12 поступает в виде струй разного диаметра и дальнобойности через отверстия 15 в поток жидкой реакционной среды во входном штуцере 11. При расширении потока смеси газовой и жидкой сред в конусном дне 3 и далее при движении в цилиндрическом вертикальном корпусе 1 газовые струи разбиваются на пузырьки, всплывающие в объеме жидкости под действием выталкивающей архимедовой силы. За счет хорошего перемешивания реагирующих сред и развитой площади их контакта скорость реагирования высока. Продукт реакции выводится из корпуса 1 через выходной штуцер 10 на крышке 2. Требуемый температурный режим, отвод или подвод тепла в зону реакции осуществляется за счет подачи теплоносителя в спиральный змеевик 4, закрепленный в корпусе 1 с помощью гребенок 5. Изменяя расход и другие характеристики теплоносителя, а также площадь теплопередачи спирального змеевика 4, можно регулировать в широких пределах передаваемую тепловую мощность в реакторе. Разъемные соединения входного и выходного штуцеров 7 змеевика 4 со стенкой корпуса 1 с использованием эластичных прокладок 8 и прижимных гаек 9 создают удобства и упрощают монтаж и демонтаж змеевика 4, обеспечивают герметизацию реакционного объема реактора. Повышению технологичности сборочно-разборочных работ способствует и дополнительная упругая гибкость, которую имеют верхний и нижний витки змеевика 4 из-за наличия на них петлеобразных изгибов 6.
Пример исполнения. Предлагаемое устройство используется для каталитического окисления жидких углеводородов воздухом. Реализован барботажный реактор, в котором условия протекания реакции обеспечиваются при следующих конструктивных характеристиках устройства: внутренний диаметр входного штуцера – 0,074 м; число отверстий для прохода воздуха в стенке входного штуцера – 8 диаметром 7 мм, 16 диаметром 5 мм, 28 диаметром 3 мм; трубчатая поверхность теплопередачи состоит из четырех параллельно включенных по воде секций змеевика, каждая из которых имеет диаметр витков 0,5 м и выполнена из трубы с внутренним диаметром 36 мм; секции змеевика вставлены друг в друга так, что охватывающий их мнимый цилиндр имеет диаметр 1,05 м, а высота змеевика при шаге витков 48 мм составляет 1,63 м.
3
о
Расходы углеводородов 870 кг/ч (1 м/ч), воздуха 432 кг/ч. Экзотермическая реакция окисления протекает с тепловым эффектом 6,3 МДж/кг исходной жидкости при давлении 0,6 МПа и температуре 180°С. Для отвода теплоты реакции используется химически очищенная вода с расходом 43560 кг/ч, которая подается в змеевик при температуре 50С и выходит из него с температурой 80°С. Отводимый из реакционной зоны тепловой поток составляет 1,52 МВт. Эффективность работы предлагаемого устройства на 15% выше по сравнению с известным барботажным реактором [3].
Предлагаемое устройство имеет следующие преимущества:
– конструкция проста и технологична;
– высокая эффективность работы;
– хорошая ремонтопригодность;
– широкие диапазоны регулирования рабочих параметров.
Источники информации
1. Машины и аппараты химических производств / А.С. Тимонин, Б.Г. Балдин, В.Я Борщев и др.// Под общ. ред. А.С. Тимонина – Калуга: Изд-во Н.Ф. Бочкаревой. 2008. с. 735 (рис. 8.3.4).
2. Патент СССР № 312615, МПК B 01 j 1/00. Бюл. № 26. Дата опубл. 24.11.1971.
3. Соколов В.Н., Доманский И.В. Газожидкостные реакторы. Л.: Машиностроение. 1976. с. 78 (рис. 38).