Область техники

Изобретение относится к аппаратурному оформлению химических процессов, протекающих в газожидкостной среде, а именно к конструкции газожидкост- ного реактора с восходящим однонаправленным движением фаз. Изобретение может быть использовано, в частности, для промышленного получения карбамида.

Предшествующий уровень техники

Эффективное проведение процессов в колонных газожидкостных реакторах с восходящим однонаправленным движением фаз возможно только в условиях рав- номерного распределения скоростей, размеров пузырей и газосодержания по сечению восходящего газожидкостного потока. Указанное распределение зависит от конструктивных особенностей реактора.

Известен газожидкостный реактор, содержащий вертикальный цилиндрический корпус с двумя патрубками ввода жидких реагентов и патрубком ввода газо- образного реагента, расположенными в нижней части реактора, патрубком вывода продуктов реакции, расположенным в верхней части реактора, и колпачковое смесительное устройство, расположенное над патрубками ввода реагентов (SU 1088779, В 01 J 10/00, 19/00, 1984). Исходные реагенты вводят в реактор раздельными струйно-осевыми потоками через три патрубка. Пройдя смесительное устройство, потоки поступают в реакционное пространство в виде смеси.

Недостатком данной конструкции реактора является низкая интенсивность смешения реагентов и недостаточная степень диспергирования газа в нижней части реактора вследствие раздельного ввода реагентов и слабой турбулизации потока на выходе из смесителя. Наиболее близким по технической сущности к предложенному реактору является газожидкостный реактор, содержащий вертикальный цилиндрический корпус с патрубками ввода жидких и газообразного реагентов, патрубком вывода продуктов реакции и патрубком вывода отходящих газов, распределительное устройство для подачи газообразного реагента, расположенное в нижней части реактора, ус- тановленную ниже патрубка вывода продуктов реакции полую коническую поверхность, обращенную открытым основанием к днищу реактора, установленный под конической поверхностью циклонный эжектор с тангенциальным патрубком, соединенным с одним из патрубков ввода жидкого реагента, соплом, направленным в

сторону днища реактора, и коаксиальной трубой, расположенной внутри эжектора, причем верхний конец трубы соединен с объемом полой конической поверхности, а нижний ее конец расположен на уровне среза сопла над распределительным устройством для подачи газообразного реагента (SU 1648544, В 01 J 19/00, В 01 D 53/18, 1991).

При работе реактора один из жидких реагентов подают в объем реактора, а другой - через тангенциальный патрубок в полость циклонного эжектора. Пройдя патрубок ввода и распределительное устройство, газообразный реагент барботирует через реакционную массу, заполняющую корпус реактора. Часть газообразного реа- гента, не вступившего в реакцию, собирается под конической поверхностью. Внутри эжектора благодаря тангенциальному вводу жидкий реагент приобретает вращательное движение в виде однослойного потока. Вращающийся поток жидкого реагента, выходя из сопла циклонного эжектора и обтекая нижний срез трубы, создает внутри нее разрежение. Благодаря разрежению на нижнем срезе трубы не прореаги- ровавший газообразный реагент отсасывается из-под конической поверхности в трубу и отбрасывается в нижнюю часть реактора вращающимся потоком жидкого реагента, выходящим из сопла циклонного эжектора. Таким образом, наличие в реакторе циклонного эжектора описанной конструкции обеспечивает дополнительное диспергирование газовой фазы на выходе из эжектора и многократную циркуляцию газовой фазы.

Турбулентная закрученная струя, выходящая из сопла циклонного эжектора вблизи распределительного устройства, вызывает дробление пузырей, выходящих из него, и тем самым увеличивает массообмен в зоне барботажа. Однако, вследствие широкого угла раскрытия закрученной струи, пузыри, выходящие из газорас- пределительного устройства, вытесняются на периферию реакционного объема и большая их часть поднимается на поверхность жидкости через кольцевой зазор между полым конусом и корпусом реактора, не участвуя в циркуляционном перемешивании и не подвергаясь турбулентному диспергированию на выходе из сопла циклонного эжектора. В результате распределение времени пребывания газа в реакци- онном объеме оказывается неравномерным, а дисперсный состав пузырей - существенно неоднородным.

Для данной конструкции реактора характерно также неравномерное распределение газа в объеме жидкости из-за раздельного ввода реагентов (первый жидкий

реагент вводится в реакционный объем нисходящей закрученной струей, второй жидкий реагент - боковой струей, направленной вдоль образующей днища, а газообразный реагент - в виде кольцевого потока всплывающих пузырей, выходящих из отверстий газораспределительного устройства), в результате чего под газорас- пределительным устройством и над полым конусом образуются застойные жидкостные зоны, не заполняемые пузырями. Кроме того, при больших расходах газа ввиду ограниченной эжекционной способности циклонного эжектора под полым конусом возможно образование газового мешка.

Указанные особенности вышеописанной конструкции делают проведение процессов в таких реакторах недостаточно эффективным.

Раскрытие изобретения

Задачей является повышение эффективности проведения процессов в газожидкостных реакторах с восходящим однонаправленным движением фаз за счет достижения равномерного распределения скоростей, размеров пузырей и газосо- держания по сечению восходящего газожидкостного потока.

Поставленная задача решается совершенствованием конструкции газожидкостного реактора.

Техническим результатом, который может быть получен при использовании изобретения, является интенсификация смешения реагентов и повышение степени диспергирования газа.

Для достижения указанного технического результата предложено два варианта конструкции газожидкостного реактора.

В первом варианте предложен газожидкостный реактор, содержащий вертикальный корпус с патрубками ввода жидкого и газообразного реагентов, патрубком вывода продуктов реакции, и размещенный внутри корпуса циклонный эжектор, включающий тангенциальный патрубок, соединенный с патрубком ввода жидкого реагента, коаксиальную трубу и сопло, направленное в сторону днища реактора, отличающийся тем, что верхний конец коаксиальной трубы соединен с патрубком ввода газообразного реагента, а нижний ее конец снабжен лопастным завихрителем и расположен выше среза сопла циклонного эжектора, причем тангенциальный патрубок эжектора расположен таким образом, чтобы направление вращения потоков было одинаковым, циклонный эжектор установлен вблизи днища реактора на осевом расстоянии от сопла до днища, равном 0,2÷0,5 внутреннего диаметра корпу-

са реактора.

При наличии двух или более жидких или газообразных реагентов газожидкостный реактор может содержать, по крайней мере, один дополнительный эжектор с тангенциальным патрубком ввода реагента, размещенный между коаксиальной трубой и корпусом основного циклонного эжектора.

Во втором варианте предложен газожидкостный реактор, содержащий вертикальный корпус с патрубками ввода жидкого и газообразного реагентов, патрубком вывода продуктов реакции, и размещенный внутри корпуса циклонный эжектор, включающий тангенциальный патрубок, соединенный с патрубком ввода жид- кого реагента, коаксиальную трубу и сопло, направленное в сторону днища реактора, отличающийся тем, что верхний конец коаксиальной трубы присоединен к со- осному ей цилиндрическому элементу, содержащему тангенциальный патрубок, соединенный с патрубком ввода газообразного реагента, причем тангенциальные входные патрубки расположены таким образом, чтобы направление вращения тан- генциальных потоков было одинаковым, нижний конец коаксиальной трубы расположен выше среза сопла циклонного эжектора, циклонный эжектор установлен вблизи днища реактора на осевом расстоянии от сопла до днища, равном 0,2÷0,5 внутреннего диаметра корпуса реактора.

При наличии двух или более жидких или газообразных реагентов газожид- костный реактор может содержать, по крайней мере, один дополнительный эжектор с тангенциальным патрубком ввода реагента, размещенный между коаксиальной трубой и корпусом основного циклонного эжектора.

Интенсификация смешения реагентов и повышение степени диспергирования газа в обоих вариантах достигается за счет обеспечения движения реагентов в циклонном эжекторе в виде многослойного потока с концентрическими однона- правлено вращающимися слоями относительно небольшой толщины. Такой характер движения потока обеспечивает невысокую степень взаимного диспергирования слоев при их движении в эжекторе и, вместе с тем, чрезвычайно интенсивное взаимное диспергирование и равномерное распределение реагентов при выходе этого потока в объем реактора.

Такое движение реагентов в эжекторе в обоих вариантах создается путем совместного ввода в эжектор вращающихся потоков реагентов. Для этого в первом варианте верхний конец коаксиальной трубы соединен с патрубком ввода газооб-

разного реагента, а нижний ее конец снабжен лопастным завихрителем и расположен выше среза сопла циклонного эжектора, и тангенциальный патрубок эжектора расположен таким образом, чтобы направление вращения потоков было одинаковым. Во втором варианте верхний конец коаксиальной трубы присоединен к соос- ному ей цилиндрическому элементу, содержащему тангенциальный патрубок, соединенный с патрубком ввода газообразного реагента, а нижний конец коаксиальной трубы расположен выше среза сопла циклонного эжектора, и тангенциальные входные патрубки расположены таким образом, чтобы направление вращения тангенциальных потоков было одинаковым. Размещение циклонного эжектора вблизи днища реактора исключает образование застойной придонной зоны и вызывает дополнительную турбулизацию потока при изменении направления движения струи, обеспечивая тем самым дополнительное диспергирование газовой фазы.

Размещение циклонного эжектора на осевом расстоянии от сопла до днища, равном 0,2÷0,5 диаметра корпуса реактора, обеспечивает оптимальное сочетание интенсивного диспергирования газа с равномерным рассеиванием турбулентной струи, в результате чего в реакторе формируется восходящий газожидкостный поток, дисперсность которого достаточно высока и однородна по сечению.

Краткое описание фигур чертежей Сущность вариантов изобретения иллюстрируется прилагаемьми фиг. 1-4.

На фиг. 1 изображен в продольном и поперечном разрезе реактор по первому варианту с вводом одного газового и одного жидкостного потока, на фиг. 2 - реактор по первому варианту с вводом одного газового и двух жидкостных потоков, на фиг. 3 - реактор по второму варианту с вводом одного газового и одного жидкостного пото- ка, на фиг. 4 - реактор по второму варианту с вводом одного газового и двух жидкостных потоков.

Варианты осуществления изобретения

В соответствии с фиг. 1 реактор состоит из корпуса 1 с патрубками ввода жидкого 2 и газообразного 3 реагентов, патрубком вывода продуктов реакции 4, циклонного эжектора 5 с коаксиальной трубой 6, лопастным завихрителем газового потока 7 и выходным соплом 8.

Реактор работает следующим образом. Жидкий реагент из патрубка 2 через тангенциальный ввод поступает в эжектор 5, где приобретает интенсивное закру-

ченное движение. Из патрубка 3 и коаксиальной трубы 6 в эжектор 5 поступает газообразный реагент, поток которого закручивается при прохождении через завихрите ль 7.

В результате однонаправленного вращения жидкого и газообразного реаген- тов в циклонном эжекторе 5 формируется структурированный вращающийся поток, в котором за счет центробежных сил реагенты распределяются по плотности: через осевую зону выходного сопла 8 движется газообразный реагент, через периферийную зону — жидкий реагент.

При выходе из сопла 8 в результате потери гидродинамической устойчиво- сти закрученного потока происходит интенсивное турбулентное диспергирование газообразного реагента и смешение фаз. За счет размещения циклонного эжектора 5 вблизи днища на осевом расстоянии от сопла до днища, равном 0,2÷0,5 внутреннего диаметра корпуса реактора, происходит дополнительное диспергирование потока. Пузырьки газа, образовавшиеся при распаде закрученной струи, разлетаются под разными углами, равномерно заполняя сечение реактора, включая области, непосредственно прилегающие к днищу. В поперечном сечении реактора, начиная от самого дна, формируется однородный восходящий газожидкостный поток с мелкодисперсной пузырьковой структурой. При этом исключается образование периферийных застойных зон, не заполненных диспергированным газом, и не диспергиро- ванных газовых струй. Продукты реакции выводятся из реактора через патрубок 4.

В соответствии с фиг. 2 реактор состоит из корпуса 1 с патрубками ввода жидких 2, 3 и газообразного 4 реагентов, патрубком вывода продуктов реакции 5, основного циклонного эжектора 6 с выходным соплом 7, дополнительного циклонного эжектора 8 и коаксиальной трубы 9 с лопастным завихрителем газового пото- ка 10.

Реактор работает аналогично реактору, изображенному на фиг.l, с тем отличием, что в реактор через входные патрубки 2, 3 вводят два потока жидких реагентов, которые через тангенциальные вводы поступают соответственно в полости основного 6 и дополнительного 8 эжекторов, где они приобретают интенсивное вра- щательное движение. Через патрубок 4 и коаксиальную трубу 9 в эжектор 8 поступает газообразный реагент, поток которого закручивается при прохождении через завихритель 10 и образует вместе с потоком жидкого реагента, поступившим из патрубка 3 в эжектор 8, структурированный вращающийся поток. Этот поток по-

ступает в эжектор 6, где к нему присоединяется вращающийся поток жидкого реагента, поступивший из патрубка 2. В результате совместного однонаправленного вращения двух жидких и одного газообразного реагентов формируется структурированный вращающийся поток, дальнейшее движение которого аналогично опи- санному выше.

В соответствии с фиг. 3 реактор состоит из корпуса 1 с патрубками ввода жидкого 2 и газообразного 3 реагентов, патрубком вывода продуктов реакции 4, циклонного эжектора 5 с коаксиальной трубой 6, выходным соплом 7, и цилиндрического элемента 8, соединенного с коаксиальной трубой 6. Реактор работает аналогично реактору, изображенному на фиг.l, с тем отличием, что газообразный реагент из патрубка 3 через тангенциальный ввод поступает в полость цилиндрического элемента 8, где приобретает интенсивное вращательное движение. Жидкий реагент из патрубка 2 через тангенциальный ввод поступает в полость эжектора 5, где также приобретает вращательное движение. В результате однонаправленного вращения жидкого и газообразного реагентов в циклонном эжекторе 5 формируется структурированный вращающийся поток, дальнейшее движение которого аналогично движению потока, образующегося при работе реактора, изображенного на фиг.l.

В соответствии с фиг. 4 реактор состоит из корпуса 1 с патрубками ввода жидких 2, 3 и газообразного 4 реагентов, патрубком вывода продуктов реакции 5, основного циклонного эжектора 6 с выходным соплом 7, дополнительного циклонного эжектора 8, коаксиальной трубы 9 и цилиндрического элемента 10.

Реактор работает аналогично реактору, изображенному на фиг.2, с тем отличием, что газообразный поток из патрубка 4 через тангенциальный ввод поступает в полость цилиндрического элемента 10, где приобретает интенсивное вращательное движение. Процесс образования структурированного потока и его дальнейшее движение протекают аналогично движению потока, образующегося при работе реактора, изображенного на фиг.2.

Таким образом, предложенные варианты конструкции газожидкостного ре- актора позволяют повысить интенсивность смешения и диспергирования реагентов.

Промышленная применимость

Изобретение может быть использовано, в частности, для промышленного получения карбамида из аммиака и диоксида углерода.