Насадка вертикального реактора

1 Насадка вертикального реактора, яка містить горизонтальні перфоровані перегородки і контактні пристрої, кожний з яких складається із Винахід відноситься до внутрішніх пристроїв ХІМІЧНИХ реакторів для проведення процесів в газорідинному середовищі і може бути використаний, наприклад, для синтезу карбаміду (сечовини) із аміаку і двооксиду вуглецю при підвищених температурах і тисках ВІДОМІ пустотілі реактори для проведення процесів в газорідинному середовищі, конкретно для синтезу карбаміду, які являють собою вертикальну ємкість високого тиску, футеровану корозійностійким матеріалом, обладнаному штуцерами введення і виведення реагентів (Кучерявый В И , Лебедев В В Синтез и применение карбамида, М Химия, 1970, с 316-317) закріплених своїми верхніми кінцями в опорній решітці вертикальних трубчастих опускного і підйомного елементів, причому опускний елемент виконаний заглушеним зверху з вхідними отворами для рідини і газу на боковій поверхні верхньої частини, а підйомний елемент має отвір на опорній решітці для виходу газорідинної суміші, яка відрізняється тим, що опускний і підйомний елементи кожного контактного пристрою виконані у вигляді труб круглого перерізу, паралельні осі яких розміщені одна від одної на відстані двох діаметрів труби чи більше, причому указані елементи з'єднані поміж собою в нижній частині Uподібним елементом, виготовленим із труби такого ж діаметра 2 Насадка за п 1, яка відрізняється тим, що осі опускного і підйомного елементів розміщені одна від одної на відстані від двох до шести діаметрів труби 3 Насадка за п 1 або 2, яка відрізняється тим, що відношення висоти контактного пристрою до діаметра труби, із якої він виготовлений, знаходиться в межах від 40 до 150 4 Насадка за будь-яким з пп 1 - 3, яка відрізняється тим, що опускний елемент виготовлений заглушеним зверху шляхом установлення всередині елементу заглушки, нижній торець якої розміщений нижче нижньої площини опорної решітки Недоліком цих апаратів являється їх низька ефективність В процесі синтезу карбаміду, як і в ряді інших процесів, значна частина вихідних реагентів в зоні їх введення в реактор перебувають в газовій фазі По мірі протікання процесу відбувається перехід газоподібних речовин в рідку фазу При проведенні подібних процесів в пустотілих апаратах ефективність змішування рідких і газоподібних реагентів невисока і не забезпечує достатньої глибини протікання процесу Як виявлено в процесі експлуатації пустотілих реакторів карбаміду, задовільну ступінь перетворення двооксиду вуглецю в карбамід X (-65%) можна забезпечити тільки при низькій питомій продуктивності П (по о о ю 0 0 ю 57850 рядку 300 - 400кг/м г) При збільшенні швидкостей подачі вихідних реагентів з метою збільшення значення П до 650 - 700кг/м3 г величина X зменшується до 57 - 58%, що обумовлює різке збільшення масштабу рециклу і, як наслідок, недопустиме погіршення техніко-економічних показників ВІДОМІ насадки вертикальних реакторів для проведення процесів в газорідинному середовищі, конкретно для синтезу карбаміду, які містять в собі горизонтальні перфоровані тарілки, що дозволяє підвищити ефективність змішування рідких і газоподібних реагентів в межах кожної зони, створеною двома сусідніми тарілками, і забезпечити деяке наближення загальної структури потоків в реакторі до режиму ідеального витіснення (авт свід СРСР №№ 808122, кл В 01 J 19/00, опубл 1981, і 1088779, кл В 01 J 10/00, 19/00, опубл 1984) Реакторам, які обладнані цими насадками, притаманна недостатньо висока ефективність протікання здійснюваного в них процесу синтезу і відносно низька питома продуктивність із-за недостатньо досконалого розподілу газової фази по січенню реактора Найбільш близьким до запропонованого по сукупності істотних ознак являється відома насадка вертикального реактора, яка містить в собі горизонтальні перфоровані перегородки і контактні пристрої, кожний із яких складається із закріплених своїми верхніми кінцями в опірній решітці вертикальних опускного і підйомного елементів, причому опускний елемент виконаний заглушеним зверху з вхідними отворами для рідини і газу на боковій поверхні верхньої частини, а підйомний елемент має отвір на опірній решітці для виходу газорідинної суміші, і кожний контактний пристрій являє собою трубу, розділену на опускний і підйомний елементи внутрішньою вертикальною перегородкою, яка в верхній частині щільно примикає до опірної решітки, а в нижній частині не досягає нижнього кінця труби, обладнаного заглушкою (патент РФ № 2114691, кл В 01 J 10/00, опубл 1998) Конструкція відомої насадки направлена на наближення макроскопічної структури потоків в реакторі в цілому до режиму ідеального витіснення (особливо в нижній частині реактора) і збільшення питомої продуктивності реактора Завдяки установленню вертикальних контактних пристроїв, які складаються із опускного і підйомного елементів, в зоні їх розміщення відсутнє поперечне і повздовжнє перемішування реакційного середовища Крім цього, завдяки створенню газової подушки під опірною решіткою (в зоні входу реагентів в контактні пристрої), в нижній частині реактора забезпечується більш рівномірний розподіл газової фази по січенню реактора Недоліком відомої насадки являється складність її конструкції і збірки контактних пристроїв, яка передбачає виготовлення вузьких довгих пластин, ширина яких повинна бути рівна внутрішньому діаметру труби, і розміщення цих пластин всередині труб, або виготовлення і повздовжнє зварювання елементів S-подібного січення Крім цього, конструкція контактного пристрою обумовлює його значний гідравлічний опір Нарешті, ввід газу і рідини може бути не по всьому периметру січення опускного елементу, а лише по дузі півко ла, що не дозволяє забезпечити рівномірний розподіл фаз по січенню елементу Для підвищення технологічності виготовлення насадки, яка забезпечує ефективну роботу реактора, призначеного для проведення процесів в газорідинному середовищі, запропонована насадка вертикального реактора, яка містить в собі горизонтальні перфоровані тарілки і контактні пристрої, кожний із яких складається із закріплених своїми верхніми кінцями в опірній решітці вертикальних опускного і підйомного елементів, причому опускний елемент виконаний заглушеним зверху з вхідними отворами для рідини і газу на боковій поверхні верхньої частини, а підйомний елемент має отвір на опірній решітці для виходу газорідинної суміші, відмінна тим, що опускний і підйомний елементи кожного контактного пристрою виконані в виді труб, осі яких паралельні і розміщені одна від одної на відстані двох діаметрів труби чи більше, причому указані елементи з'єднані поміж собою в нижній частині U-подібним елементом, виготовленим із труби такого ж діаметру Технічний результат запропонованої конструкції заключається в спрощенні виготовлення і збірки контактних пристроїв і насадки в цілому завдяки упрощению конструкції контактного пристрою з використанням для заготівок тільки труб одного діаметру, а також в зменшенні гідравлічного опору пристроїв Використання для виготовлення контактних пристроїв тільки труб одного діаметру спрощує конструкцію контактних пристроїв Наявність додаткового U-подібного контактного елементу, в якому контакт реагентів проходить в полі відцентрових сил, забезпечує збільшення інтенсивності взаємодії фаз і, ВІДПОВІДНО, підвищується ефективність роботи реактора Кругле січення опускного елементу дозволяє рівномірно розмістити отвори для введення рідини і газу по його периметру і, тим самим, поліпшити рівномірність розподілу фаз по січенню елементу Прив'язка по осях опускного і підйомного елементів на відстані двох діаметрів труби чи більше, переважно від двох до шести діаметрів труби, сприяє зниженню гідравлічного опору контактних пристроїв Якщо відстань між осями опускного і підйомного елементів складає менше двох діаметрів труби, гідравлічний опір пристрою зростає, а його ефективність знижується При відстані більше шести діаметрів труби знижується компактність розміщення контактних пристроїв на опірній решітці При використанні винаходу бажано, щоб відношення висоти контактного пристрою до діаметру труби, із якої він виготовлений, знаходилось в межах від 40 до 150 При відношенні менше 40 погіршується стабільність забезпечення гідродинамічного режиму в реакторі При відношенні більше 150 істотно зростає гідравлічний опір контактного пристрою і, разом з тим, знижується його жорсткість, що потребує установлення додаткових підтримуючих елементів, які ускладнюють конструкцію Переважним в запропонованій конструкції також являється виконання опускного елементу заглушеним зверху шляхом установлення всередині 57850 елементу заглушки, нижній торець якої розміщений нижче нижньої площини опірної решітки Завдяки цьому забезпечується різна жорсткість кріплення опускного і підйомного елементів - для опускного вона стає більшою Власна частота коливань опускного і підйомного елементів стає різною, а поскільки вони жорстко з'єднані поміж собою U-подібним елементом, резонансна частота розладнується, що запобігає небезпечній вібрації контактних пристроїв Запропонована конструкція насадки ілюструється кресленнями, поданими на ф і г 1 , 2 На фіг 1 показано повздовжнє січення реактора з розміщеною в ньому насадкою, на фіг 2 - конструкція контактного пристрою і його кріплення в опірній решітці (вузол А з фіг 1) ВІДПОВІДНО фіг 1 і 2 реактор має вертикальний корпус 1 з кришкою 2, штуцера 3, 4 і 5 для введення реагентів і штуцер 6 для виведення продуктів синтезу Насадка реактора складається з горизонтальних перфорованих тарілок 7, 8 (КІЛЬКІСТЬ тарілок може бути и більшою), які ділять реакційний об'єм апарата на зони, і контактних пристроїв 9, виготовлених із труб постійного січення і розміщених в нижній третині реактора, де КІЛЬКІСТЬ газової фази велика Кожний пристрій 9 складається з вертикальних елементів - опускного 10 і підйомного 11 Елементи 10 і 11 з'єднані поміж собою в нижній частині додатковим U-подібним елементом 12 Елементи 10 і 11 закріплені своїми верхніми кінцями в опірній решетці 13, причому відстань їх повздовжніх осей одна від одної складає більше двох, переважно від двох до шести діаметрів труби На боковій СТІНЦІ опускного елементу 10 під опірною решіткою 13 розміщені ВХІДНІ отвори для газової фази 14 і для рідкої фази 15, які розташовані рівномірно по твірній труби ВХІДНІ отвори для газової фази 14 розміщені вище вхідних отворів для рідкої фази 15 Верхній кінець опускного елементу 10 обладнаний заглушкою 16, яка розміщена всередині труби Нижній торець заглушки 16 розташований нижче нижньої площини опірної решітки 13 Вихід ний отвір 17 підйомного елементу 11 розміщений на опірній решітці 13 Опірна решітка 13 має корпус 18, висота якого перекриває ВХІДНІ отвори 14 і 15 Додатковий U-подібний елемент 12 може бути виготовлений або окремо від елементів 10 і 1 1 , а потім приварений до них, або разом з ними із одної трубної заготівки Реактор, обладнаний запропонованою насадкою, працює слідуючим чином ВИХІДНІ рідкі і газоподібні реагенти (в випадку синтезу карбаміду аміак, двооксид вуглецю і розчин вуглеамонійних солей) вводять в реактор через штуцери 3, 4, 5 Для їх змішення і розподілу по січенню апарата призначена тарілка 8 Пройшовши тарілку 8, газорідинна суміш попадає в простір, заповнений вертикальними контактними пристроями 9 Газова фаза при опереджуючому русі вверх утворює під опірною решіткою 13 газову подушку Газ і рідина роздільно через ВХІДНІ отвори 14 і 15, ВІДПОВІДНО, поступають рівномірно по твірній труби в опускний елемент 10, де контактують в умовах спадаючого прямотоку фаз В U-подібному елементі 12 взаємодія газу і рідини продовжується, але з більшою інтенсивністю - внаслідок дії поля відцентрових сил Далі ПІДНІмаючийся газорідинний потік проходить підйомний елемент 11 і через отвори 17 поступає в слідуючу реакційну зону реактора Пройшовши верхню тарілку 7, продукти реакції виходять з реактора через штуцер 6 Присутність газової подушки під решіткою 13 з межею розділу фаз поміж отворами 14 і 15 дозволяє розподілити газову фазу рівномірно по контактним пристроям і січенню реактора Виготовлення дослідного зразку запропонованої насадки і її випробовування в реакторі показало, що її металоємкість не вище металоємкості відомої насадки, забезпечує той же час перебування реагентів в контактних пристроях і, ВІДПОВІДНО, ту ж ефективність процесу, а затрати праці на виготовлення контактних пристроїв і збірку насадки менші на 20 - 25% 57850 ФІГ. 1 Комп'ютерна верстка А Крулевський ФІг. 2 Підписано до друку 05 08 2003 Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ТОВ "Міжнародний науковий комітет", вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна