Насадка вертикального реактора

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Открытое акционерное общество Научно-исследовательский и проектный институт карбамида и продуктов органического синтеза(72) Авторы Жестков Сергей Васильевич Сергеев Юрий Андреевич Потапов Виктор Валерьянович Кузнецов Николай Михайлович Назаров Николай Павлович Гусев Анатолий Иванович Прокопьев Александр Алексеевич Есин Игорь Вениаминович Сонин Игорь Николаевич Косырев Владимир Михайлович Беспалов Анатолий Диамидович(73) Патентообладатель Открытое акционерное общество Научно-исследовательский и проектный институт карбамида и продуктов органического синтеза(57) 1. Насадка вертикального реактора, содержащая горизонтальные перфорированные перегородки и контактные устройства, каждое из которых состоит из закрепленных своими верхними концами в опорной решетке вертикальных трубчатых опускного и подъемного элементов, причем опускной элемент выполнен заглушенным сверху с входными отверстиями для жидкости и газа на боковой поверхности верхней части, а подъемный элемент имеет отверстие на опорной решетке для выхода газожидкостной смеси, отличающаяся тем, что опускной и подъемный элементы каждого контактного устройства выполнены в виде труб круглого сечения, параллельные оси которых размещены друг от друга на расстоянии двух диаметров трубы или более, причем указанные элементы соединены между собой в нижней части -образным элементом, выполненным из трубы того же диаметра. 6608 1 2. Насадка по п. 1, отличающаяся тем, что оси опускного и подъемного элементов размещены друг от друга на расстоянии от двух до шести диаметров трубы. 3. Насадка по пп. 1 или 2, отличающаяся тем, что отношение высоты контактного устройства к диаметру трубы, из которой оно выполнено, находится в пределах от 40 до 150. 4. Насадка по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что опускной элемент выполнен заглушенным сверху путем установки внутри элемента заглушки, нижний торец которой размещен ниже нижней плоскости опорной решетки. Изобретение относится к внутренним устройствам химических реакторов для проведения процессов в газожидкостной среде и может быть использовано, например, для синтеза карбамида (мочевины) из аммиака и диоксида углерода при повышенных температурах и давлениях. Известны полые реакторы для проведения процессов в газожидкостной среде, конкретно для синтеза карбамида, представляющие собой вертикальные сосуды высокого давления, футерованные коррозионностойким материалом, со штуцерами ввода и вывода реагентов (Кучерявый В. И., Лебедев В.В. Синтез и применение карбамида. - М. Химия,1970. - С. 316-317). Недостатком этих аппаратов является их низкая эффективность. В процессе синтеза карбамида, как и в ряде других процессов, значительная часть исходных реагентов в зоне их ввода в реактор находится в газовой фазе. По мере протекания процесса происходит переход газообразных веществ в жидкую фазу. При осуществлении подобных процессов в полых аппаратах эффективность смешения жидких и газообразных реагентов невысока и не обеспечивает достаточной глубины протекания процесса. Как установлено в процессе эксплуатации полых реакторов синтеза карбамида, удовлетворительную степень превращения диоксида углерода в карбамид(65 ) можно обеспечить лишь при низкой удельной производительности П (порядка 300-400 кг/м 3 ч). При увеличении скоростей подачи исходных реагентов с целью увеличения значений П до 650-700 кг/м 3 ч величинаснижается до 57-58 , что обусловливает резкое увеличение масштаба рецикла и, как следствие, недопустимое ухудшение технико-экономических показателей. Известны насадки вертикальных реакторов для проведения процессов в газожидкостной среде, конкретно для синтеза карбамида, содержащие горизонтальные перфорированные тарелки, позволяющие повысить эффективность смешения жидких и газообразных реагентов в пределах каждой зоны, образованной двумя соседними тарелками, и обеспечить некоторое приближение общей структуры потоков в реакторе к режиму идеального вытеснения (а.с. СССР 808122, МПК В 01 19/00, 1981, 1088779, МПК В 01 10/00, 19/00,1984). Реакторам, которые оборудованы этими насадками, присуща недостаточно высокая эффективность протекания проводимого в них процесса синтеза и относительно низкая удельная производительность из-за недостаточно совершенного распределения газовой фазы по сечению реактора. 2 6608 1 Наиболее близким к предложенному по совокупности существенных признаков является известная насадка вертикального реактора, содержащая горизонтальные перфорированные тарелки и контактные устройства, каждое из которых состоит из закрепленных своими верхними концами в опорной решетке вертикальных опускного и подъемного элементов, причем опускной элемент выполнен заглушенным сверху с входными отверстиями для жидкости и газа на боковой поверхности верхней части, а подъемный элемент имеет отверстие на опорной решетке для выхода газожидкостной смеси, и каждое контактное устройство представляет собой трубу, разделенную на опускной и подъемный элементы внутренней вертикальной перегородкой, которая в верхней части вплотную примыкает к опорной решетке, а в нижней части не достигает нижнего конца трубы,снабженного заглушкой (патент РФ 2114691, МПК В 01 10/00, 1998). Конструкция известной насадки направлена на приближение макроскопической структуры потоков в реакторе в целом к режиму идеального вытеснения (особенно в нижней части реактора) и повышение удельной производительности реактора. Благодаря установке вертикальных контактных устройств, состоящих из опускного и подъемного элементов, в зоне их установки исключается поперечное и продольное перемешивание реакционной среды. Кроме того, благодаря созданию газовой подушки под опорной решеткой (в зоне входа реагентов в контактные устройства) в нижней части реактора обеспечивается более равномерное распределение газовой фазы по сечению реактора. Недостатком известной насадки является сложность конструкции и сборки контактных устройств, которая предусматривает изготовление узких длинных пластин, ширина которых должна быть равна внутреннему диаметру труб, и размещение этих пластин внутри труб, либо изготовление и продольную сварку элементов -образного сечения. Кроме того, конструкция контактного устройства обусловливает его значительное гидравлическое сопротивление. Наконец, ввод газа и жидкости возможен не по всему периметру сечения опускного элемента, а лишь по дуге полуокружности, что не позволяет обеспечить равномерное распределение фаз по сечению элемента. Для повышения технологичности изготовления насадки, обеспечивающей эффективную работу реактора, предназначенного для проведения процессов в газожидкостной среде, предложена насадка вертикального реактора, содержащая горизонтальные перфорированные тарелки и контактные устройства, каждое из которых состоит из закрепленных своими верхними концами в опорной решетке вертикальных опускного и подъемного элементов, причем опускной элемент выполнен заглушенным сверху с входными отверстиями для жидкости и газа на боковой поверхности верхней части, а подъемный элемент имеет отверстие на опорной решетке для выхода газожидкостной смеси, отличающаяся тем, что опускной и подъемный элементы каждого контактного устройства выполнены в виде труб, оси которых параллельны и размещены друг от друга на расстоянии двух диаметров трубы или более, причем указанные элементы соединены между собой в нижней части -образным элементом, выполненным из трубы того же диаметра. Технический результат предложенной конструкции заключается в упрощении изготовления и сборки контактных устройств и насадки в целом благодаря упрощению конструкции контактного устройства с использованием в качестве заготовок только труб одного диаметра, а также в уменьшении гидравлического сопротивления устройств. Использование для изготовления контактных устройств только труб одного диаметра упрощает конструкцию контактных устройств. Наличие дополнительного -образного контактного элемента, в котором контактирование реагентов происходит в поле центробежных сил, обеспечивает увеличение интенсивности взаимодействия фаз и, следовательно, повышает эффективность работы реактора. Круглое сечение опускного элемента позволяет равномерно разместить отверстия для ввода жидкости и газа по его периметру и тем улучшить равномерность распределения фаз по сечению элемента. Размещение осей опускного и подъемного элементов на расстоянии двух диаметров трубы или более, предпочтительно от двух до шести диаметров трубы, способствует сни 3 6608 1 жению гидравлического сопротивления контактных устройств. Если расстояние между осями опускного и подъемного элементов составляет менее двух диаметров трубы, гидравлическое сопротивление устройства возрастает, а его эффективность снижается. При расстоянии более шести диаметров трубы снижается компактность размещения контактных устройств на опорной решетке. При осуществлении изобретения предпочтительно, чтобы отношение высоты контактного устройства к диаметру трубы, из которой оно выполнено, находилось в пределах от 40 до 150. При отношении менее 40 ухудшается стабильность обеспечения гидродинамического режима в реакторе. При отношении более 150 существенно возрастает гидравлическое сопротивление контактного устройства и, вместе с тем, снижается его жесткость,что требует установки дополнительных поддерживающих элементов, усложняющих конструкцию. Предпочтительным в предложенной конструкции также является выполнение опускного элемента заглушенным сверху путем установки внутри элемента заглушки, нижний торец которой размещен ниже нижней плоскости опорной решетки. Благодаря этому обеспечивается различная жесткость крепления опускного и подъемного элементов - для опускного она становится выше. Собственная частота колебаний опускного и подъемного элементов становится различной, а поскольку они жестко соединены между собой -образным элементом, резонансная частота расстраивается, что предотвращает опасную вибрацию контактных устройств. Предлагаемая конструкция насадки иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1, 2. На фиг. 1 показан продольный разрез реактора с установленной в нем насадкой,на фиг. 2 - конструкция контактного устройства и его крепление в опорной решетке (узел А с фиг. 1). В соответствии с фиг. 1 и 2 реактор содержит вертикальный корпус 1 с крышкой 2,штуцеры 3, 4 и 5 для ввода реагентов и штуцер 6 для вывода продуктов синтеза. Насадка реактора состоит из горизонтальных перфорированных тарелок 7, 8 (число тарелок может быть и больше), которые делят реакционный объем аппарата на зоны, и контактных устройств 9, выполненных из труб постоянного сечения и расположенных в нижней трети реактора, где количество газовой фазы велико. Каждое устройство 9 состоит из вертикальных элементов - опускного 10 и подъемного 11. Элементы 10 и 11 сообщаются внизу при помощи дополнительного -образного элемента 12 и закреплены своими верхними концами в опорной решетке 13, причем расстояние их продольных осей друг от друга составляет более двух, предпочтительно от двух до шести диаметров трубы. На боковой стенке опускного элемента 10 под опорной решеткой 13 расположены входные отверстия для газовой фазы 14 и для жидкой фазы 15, размещенные равномерно по окружности трубы. Входные отверстия для газовой фазы 14 расположены выше входных отверстий для жидкой фазы 15. Верхний конец опускного элемента 10 снабжен заглушкой 16, расположенной внутри трубы. Нижний торец заглушки 16 размещен ниже нижней плоскости опорной решетки 13. Выходное отверстие 17 подъемного элемента 11 расположено на опорной решетке 13. Опорная решетка 13 содержит обечайку 18, высота которой перекрывает входные отверстия 14 и 15. Дополнительный -образный элемент 12 может быть выполнен отдельно от элементов 10 и 11, а затем приварен к ним, либо вместе с ними из одной трубной заготовки. Реактор, оборудованный предложенной насадкой, работает следующим образом. Исходные жидкие и газообразные реагенты (в случае синтеза карбамида - аммиак, диоксид углерода и раствор углеаммонийных солей) вводят в реактор через штуцеры 3, 4, 5. Для их смешения и распределения по сечению аппарата предназначена тарелка 8. Пройдя тарелку 8, газожидкостная смесь попадает в пространство, заполненное вертикальными контактными устройствами 9. Газовая фаза при опережающем движении вверх образует под опорной решеткой 13 газовую подушку. Газ и жидкость раздельно через входные отвер 4 6608 1 стия 14 и 15 соответственно поступают равномерно по окружности трубы в опускной элемент 10, где контактируют в условиях нисходящего прямотока фаз. В -образном элементе 12 взаимодействие газа и жидкости продолжается, но с большей интенсивностью - за счет действия поля центробежных сил. Далее восходящий газожидкостный поток проходит подъемный элемент 11 и через отверстия 17 поступает в следующую реакционную зону реактора. Пройдя верхнюю тарелку 7, продукты реакции выходят из реактора через штуцер 6. Наличие газовой подушки под решеткой 13 с границей раздела фаз между отверстиями 14 и 15 позволяет распределить газовую фазу равномерно по контактным устройствам и сечению реактора. Изготовление опытного образца предложенной насадки и ее испытание в реакторе показало, что ее металлоемкость не выше металлоемкости известной насадки, обеспечивающей то же время пребывания реагентов в контактных устройствах и, соответственно,ту же эффективность процесса, а затраты труда на изготовление контактных устройств и сборку насадки меньше на 20-25 . Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.