Противоточный секционированный газлифтный реактор для газожидкостных процессов

Противоточный секционированный газлифтный реактор для газожидкостных процессов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к химической технологии, именно к аппаратам для проведения газожидкостных химических и тепло-, массообменных процессов с большим выделением или поглощением тепла, в частности процессов жидкофазного окисления алкилароматических углеводородов до ароматических моно- и поликарбоновых кислот.

Известен кожухотрубный газлифтный реактор (КГР) для проведения газожидкостных реакционных процессов, например для окисления п-ксилола и других алкилбензолов (авт.свид. №129643, бюл.изобретения №13, 1960 г., авторы: Соколов В.Н., Геллис Ю.К.).

Реактор представляет собой трубчатый теплообменник с увеличенной верхней сепарирующей частью. Сущность устройства реактора заключается в следующем: концы пучка труб выведены под нижнюю трубную решетку на длину l=(4,5-5)d, где d - внутренний диаметр труб. Все трубы поделены на барботажные и циркуляционные. В стенках выступающих концов барботажных труб на расстоянии l=4d от нижнего среза просверлены строго на одном уровне отверстия. При подаче кислородсодержащего газа в заполненный реакционной массой аппарат под нижней трубной решеткой образуется газовый слой, из которого через отверстия газ поступает в барботажные трубки.

Конструкция аппарата обеспечивает интенсивную циркуляцию реакционной массы, возникающей вследствие разности плотностей чистой жидкости в циркуляционных трубах и газожидкостной смеси в барботажных. Аппарат может эффективно применяться в процессах окисления углеводородов с большим выделением тепла (в экзотермических реакциях). Выделяющееся тепло отводится подачей хладагента в межтрубное пространство, и в реакторе поддерживается по всему реакционному объему заданная температура. Как и в ранее известных конструкциях реакционных аппаратов существенными недостатками описанного кожухотрубного газлифтного реактора являются:

1) В газовом пространстве под нижней трубной решеткой при окислении углеводорода воздухом или кислородом создается взрывоопасная концентрация, что ограничивает возможности его использования.

2) Низкий коэффициент полезного объема реакционной зоны из-за того, что примерно половину его занимает межтрубное пространство, куда подается теплоноситель или хладагент.

3) Аппарат позволяет работать только в условиях прямотока окисляющегося углеводорода и кислородсодержащего газа, что не позволяет реализовать в нем известные преимущества противотока.

4) В реакторе возможно поддерживать один заданный температурный режим по всей реакционной зоне, хотя в подавляющем большинстве случаев, например при окислении полиалкилбензолов, по мере увеличения глубины реакции, требуется изменение температурного режима, т.к. реакционная способность исходного углеводорода и промежуточных продуктов может меняться в широких пределах (1,5-5 раз). Это в значительной мере снижает производительность реактора.

5) Наличие большого количества отверстий в нижней части барботажных труб для прохождения по ним газа не позволяет использовать аппарат в процессах, сопровождающихся образованием кристаллизующихся и выпадающих в осадок продуктов реакции или катализатора вследствие закупорки этих отверстий и нарушения гидродинамических параметров реактора.

Известно устройство газлифтного аппарата для проведения газожидкостных химических и тепло-, массообменных процессов с большим выделением тепла (патент РФ 2040940, бюл. №22 от 09.08.95 г., авт.: Савельев Н.И., Жариков Л.К., Жаров И.Ф., Савельева Л.А., Николаев Е.Г., Милицин И.А., Шкурко В.Г.). Газлифтный аппарат содержит вертикальный цилиндрический корпус с пучком барботажных и циркуляционных труб и трубными решетками, верхнюю камеру с вертикальными пластинами, нижнюю камеру с газораспределительным устройством, штуцеры для подвода и отвода реагентов и теплоносителя. Отличительная особенность аппарата в том, что газораспределительное устройство выполнено в виде горизонтальной перегородки с отверстиями, оси которых совпадают с осями барботажных труб, между перегородкой и нижней трубной решеткой установлены вертикальные перемычки, смещенные относительно вертикальных пластин в верхней камере с образованием многоходового канала для движения жидкости от входного штуцера к выходному.

В указанном газлифтном аппарате достигается уменьшение дисперсии времени пребывания жидкого реагента путем организации его многоходового движения через рабочую зону. Благодаря наличию новых элементов в аппарате реализуется не только многоходовое движение жидкости, но и одновременно локализуется ее циркуляция через барботажные и циркуляционные трубы.

Предложенный газлифтный аппарат обладает рядом недостатков, присущих ранее описанному устройству кожухотрубного газлифтного реактора, а именно:

- низкий коэффициент полезного объема реакционной зоны, т.к. примерно половину объема занимает межтрубное пространство, куда подается теплоноситель;

- невозможно обеспечить работу аппарата в условиях противотока, т.к. примерно в половине барботажных труб движение газа и жидкости прямоточное, что не позволяет реализовать известные преимущества противотока;

в аппарате возможно поддерживать один заданный температурный режим по всей реакционной зоне, что не позволяет реализовать в нем физико-химические процессы, например, жидкофазное окисление метилбензолов до бензолполикарбоновых кислот, требующих разных температурных пределов на начальной и завершающих стадиях реакционных превращений.

Наиболее близким к заявленному реактору является известный из патента РФ №2147922 (бюл. №12, 27.04.2000 г., авт.: Потехин В.М., Иванов В.А., Доманский И.В. и др.) реактор для жидкофазного окисления углеводородов, состоящий из вертикального цилиндрического корпуса с внутренними циркуляционными трубами, элементами для подвода и отвода тепла, патрубками для ввода и вывода жидких реагентов и газа. Внутренняя полость корпуса разделена по высоте горизонтальными перегородками с отверстиями на секции, в каждой из которых установлена барботажная труба, верхний срез которой расположен под верхней кольцевой перегородкой, а нижний срез над нижней кольцевой перегородкой на расстоянии, обеспечивающем движение жидкой фазы из барботажной трубы в циркуляционные трубы, закрепленные в трубных решетках.

Реактор работает следующим образом. Исходную реакционную смесь (ИРС), состоящую из растворенных в ней компонентов катализатора и углеводорода, непрерывно подают в верхнюю секцию реактора через вводной патрубок ИРС, опущенный вниз барботажной трубы, и по отверстиям, расположенным по высоте патрубка, распределяется в реакционном объеме. Кислородсодержащий газ, например воздух, подают в нижнюю секцию реактора через вводной патрубок воздуха. Пуск реактора начинают после заполнения реактора реакционной смесью и нагрева ее в атмосфере инертного газа. Подогрев реакционной смеси осуществляют подачей теплоносителя в межтрубное пространство кожухотрубного нагревателя нижней секции.

Воздух, вводимый через тефлоновое сопло в нижнюю секцию реактора, поступает в барботажную трубу, создавая эрлифтный эффект при его движении снизу вверх, побуждая циркуляцию реакционной массы по контуру: верхняя полость барботажной трубы → сепарационная полость над барботажной трубой, ограниченная кольцевой перегородкой и трубной решеткой, циркуляционные трубы → нижняя полость секции → нижняя полость барботажной трубы. Газожидкостная смесь, выходящая из внутренней полости, поднимается вверх до кольцевой перегородки, площадь сечения которой равная или меньшая, чем площадь сечения барботажной трубы. Вследствие этого газожидкостной поток испытывает сопротивление ее подъему вверх и частично сепарируется.

Факел газовых пузырьков, пройдя отверстие в кольцевой перегородке, поступает в нижнюю зону верхней секции противотоком реакционной массе, движущейся сверху вниз из вышерасположенных секций, и далее в барботажную трубу верхней секции реактора. Выводимую из нижней секции реактора реакционную массу подвергают охлаждению с последующим выделением целевых продуктов известными приемами, а отработанный газ из верхней секции охлаждают и после отделения водно-уксусного конденсата подвергают очистке. Предложенный реактор обладает рядом преимуществ. Благодаря наличию кольцевых перегородок и их расположению, как новых элементов по сравнению с известными вышеописанными реакционными аппаратами, ограничивается продольное перемешивание между секциями, сводится к минимуму объем локальных сепарационных зон под кольцевыми перегородками, что обеспечивает предотвращение возможности взрыва парогазовой смеси, в условиях повышенной концентрации кислорода. Это в свою очередь позволяет увеличить концентрацию окислителя О₂ в нижних секциях, т.е. на завершающих стадиях, лимитирующих скорость реакционных превращений, с 5% до 12-20% и интенсифицировать процесс. Кроме того, конструкция реактора позволяет использовать известные преимущества противотока жидких реагентов и газовых (парогазовых) смесей.

Вместе с тем рассмотренный реактор имеет недостатки, сущность основных из них сводится к следующему: сепарационное устройство, созданное кольцевой перегородкой с отверстием и ограниченное снизу трубной доской стенки корпуса реактора неэффективно и не обеспечивает устойчивость гидродинамического режима в реакторе. Это связано с тем, что в отверстии кольцевой перегородки возникает пульсирующий режим поршнеобразного движения газа снизу вверх, т.е. с нижних секций в верхние вследствие укрупнения (ассоциации) пузырьков газа до размеров, соизмеримых с сечением барботажной трубы вышерасположенной секции, и, как следствие этого, возникновением неуправляемого также пульсирующего истечения жидких реагентов сверху вниз, т.е. с верхних секций в нижние. Смешение жидких реагентов между секциями происходит значительно быстрее, чем это требуется временем их пребывания в каждой секции для достижения необходимой степени превращения реагентов при конкретных, наперед заданных и несовпадающих по секциям концентрационных и температурных параметрах окисления. В этих условиях дисперсия времени пребывания жидких реагентов в рабочей зоне секционированного реактора может возрастать до величины, приближенной к максимуму, что в свою очередь существенно понизит эффективность реактора.

Целью изобретения является увеличение производительности реактора путем уменьшения дисперсии времени пребывания жидких реагентов в секционированной реакционной зоне и повышение гидродинамической эффективности и устойчивости работы реактора за счет организации дискретной сепарации газа из газонаполненной жидкости в условиях противоточного движения газа и жидкости по высоте реакционного объема.

Указанная цель достигается тем, что в реакторе, состоящем из вертикального цилиндрического корпуса, разделенного по высоте горизонтальными плоскими перегородками с отверстиями на секции, содержащими пучки барботажных и циркуляционных труб, закрепленных на трубных решетках, патрубки для ввода и вывода реагентов и теплоносителя, дополнительно между секциями установлены сепарационные устройства, выполненные в виде отражательных воронок с отверстиями в центре, во внутренние полости которых опущены барботажные стаканы и циркуляционные патрубки, закрепленные на горизонтальных перегородках таким образом, что барботажные стаканы установлены в центре, а циркуляционные патрубки расположены симметрично снаружи барботажных стаканов, при этом нижние части барботажных стаканов под горизонтальными перегородками имеют перфорацию в виде щелей и отверстий, а верхние части барботажных стаканов над горизонтальными перегородками снабжены насадкой, создающей в них сопротивление восходящему газообразному потоку, в виде пучков вертикальных трубок, гранул или перфорированных пластин. Причем между горизонтальной плоской перегородкой и верхним срезом отражательной воронки установлены вертикальные перегородки длиной меньше 0,5 радиуса воронки в виде плоских лопастей, тангенциально перекрывающих верхний срез воронки под углом 45° по отношению к радиальной прямой, а нижние срезы циркуляционных патрубков расположены ниже горизонтальной плоскости, секущей барботажные стаканы в верхних точках перфорированных участков.

Перечень фигур чертежей.

Фиг.1. Схема противоточного секционированного газлифтного реактора (поперечный разрез).

Фиг.2. Схема модели реактора.

Фиг.3. График изменения концентрации трасера от времени по секциям модели реактора.

Фиг.4. График изменения концентрации трасера от времени по секциям модели реактора (сравнительный пример).

Фиг.5. Схема реакционного узла.

Фиг.6. График изменения концентрации трасера от времени по секциям реактора в реакционном узле.

На фиг.1 представлен поперечный разрез противоточного секционированного газлифтного реактора. Последний включает вертикальный цилиндрический корпус 1, разделенный по высоте горизонтальными перегородками 2 на ряд секций C1, C2, С3, снабженных барботажными 4 и циркуляционными 3 трубами, закрепленных в трубных решетках 5, отражательные воронки 6 с отверстиями в центре 7, во внутреннюю полость которых опущены барботажные стаканы 8 и циркуляционные патрубки 9, закрепленные на горизонтальных перегородках и расположенные таким образом, что барботажные стаканы установлены в центре, а циркуляционные патрубки - снаружи стаканов симметрично друг другу.

Нижняя часть барботажного стакана под горизонтальной перегородкой имеет перфорацию в виде щелей или отверстий 10, а верхняя часть барботажного стакана над тарелкой снабжена насадкой 11 в виде колец или пучка вертикальных трубок. Между горизонтальной перегородкой и верхним срезом отражательной воронки установлены вертикальные перегородки 12 в виде плоских лопастей, тангенциально перекрывающих верхний срез воронки на глубину не более 0,5 радиуса воронки под углом 45° по отношению к радиальной прямой.

Верхняя секция реактора C1 снабжена штуцерами А для входа исходной реакционной смеси, содержащей углеводород, Б - для выхода отработанных газов, а также В и Г для входа и выхода теплоносителя. Средняя секция реактора С2 снабжена штуцерами Д для ввода компонентов катализатора, а также штуцерами В и Г для входа и выхода теплоносителя. Нижняя секция реактора С3 снабжена распределителем газа 13, штуцерами В, Г для ввода и вывода теплоносителя, Е для ввода газа, а также штуцером Ж для вывода продуктов реакции.

Противоточный секционированный газлифтный реактор работает следующим образом. После заполнения реактора смесью жидких реагентов, подлежащих химическим или физическим превращениям с участием газа, в нижнюю часть секции С3 через штуцер Е подают газ, который, пройдя через распределитель газа 13, поступает в барботажные трубы нижней секции С3. В них он взаимодействует с жидкостью и вовлекает ее в восходящее движение. Восходящий газожидкостный поток, выходящий из барботажных труб 4 нижней секции достигает наружной поверхности отражательной воронки 6 и далее коническая поверхность воронки направляет его в сепарационное пространство, ограниченное по бокам стенкой реактора 1 и наружной конической поверхностью отражательной воронки 6, а сверху горизонтальной перегородкой 2.

Жидкий поток с частью пузырьков поступает в циркуляционные трубы и движется по ним вниз секции С3, где восходящим потоком газа вновь вовлекается в восходящее движение по барботажным трубам, замыкая непрерывный контур циркуляции жидкости.

Частично отсепарированный от жидкости газожидкостный поток в виде укрупненных пузырьков газа заполняет полость, ограниченную сверху горизонтальной перегородкой, снизу верхним срезом отражательной воронки, по бокам наружной поверхностью барботажных стаканов и циркуляционных патрубков, а также внутренней поверхностью корпуса реактора. Отжимая жидкость до уровня щелей в барботажных стаканах, газожидкостной поток закручивается вокруг барботажных стаканов с помощью тангенциально расположенных пластин, установленных над отражательной перегородкой и, дополнительно сепарируясь от жидкости, заходит во внутренние полости барботажных стаканов и далее, пройдя насадку, поступает в виде пузырьков газа в барботажные трубы 4 вышерасположенной средней секции С2.

Жидкий поток из вышерасположенной секции С2 по циркуляционным трубкам поступает во внутреннюю полость отражательной воронки 6 и далее потоком газа в барботажных стаканах вовлекается в его восходящее движение, что возвращает жидкость в вышерасположенную секцию и тем самым замыкает локальный контур циркуляции жидкости: вышерасположенная секция → отражательная воронка нижележащей секции → вышерасположенная секция.

Аналогичным образом происходит противоточное движение жидкости и газа в остальных секциях.

Для поддержания требуемого температурного режима в каждой секции в межтрубное пространство кожухотрубных теплообменников через штуцеры В и Г соответственно подают и отводят теплоноситель. В зависимости от характера физического или химического процесса (экзотермический или эндотермический) отвод или подвод тепла осуществляют через теплопередающую поверхность кожухотрубных теплообменников путем изменения подачи теплоносителя.

После завершения физических или химических процессов полученный продукт в виде раствора или суспензии отводят из нижней секции С3 через штуцер Ж и далее обрабатывают и выделяют известными приемами, а отработанный газ выводят из верхней секции С1 через штуцер Б и далее подвергают необходимой отработке (охлаждению, очистке и т.д.) известными приемами.

Ниже приводится сопоставление эффективности применения предложенного настоящим изобретением реактора и известных реакционных аппаратов на примерах физических и химических процессов.

Пример 1. В стеклянную физическую модель реактора (фиг.2), состоящую из 3-х секций (диаметр корпуса 150 мм, общая высота 2,5 м, рабочий объем 40 л), устройство которого соответствует настоящему изобретению, подают обводненный раствор уксусной кислоты и ацетата хрома с объемной скоростью 0,2 л/мин. После заполнения реакционного объема открывают регулирующий вентиль на выходе жидкого раствора из нижней секции таким образом, чтобы количество вводимого реакционного раствора было равно количеству выводимой из реактора жидкости и высота столба жидкости в сепарационной зоне верхней секции С1 находилась на одном уровне. В нижнюю секцию С3 реактора через штуцер Е подают газ (воздух) в количестве 40 нл/мин, обеспечивающем достижение приведенной линейной скорости не ниже 2 м/сек. Отработанный газ выводят из верхней секции С1 через штуцер Б, подвергают охлаждению и очистке. После установления устойчивого гидродинамического режима во всех секциях реактора и стабилизации расходов, вводимых и выводимых из реактора жидких и газовых потоков, перекрывают регулирующий вентиль на линии подачи реакционного раствора и одновременно открывают вентиль для подачи обводненного раствора уксусной кислоты без ацетата хрома. Изменение концентрации хрома во времени по всем трем секциям определяли спектральным методом на спектрофотометре путем отбора проб через каждые 5 мин и их анализа. Основная задача эксперимента:

- установить характер кривых изменения концентрации хрома в каждой секции за период времени непрерывного его вымывания в условиях противотока газа и жидкости;

- определить степень продольного перемешивания по жидкой и газовой фазе в условиях противотока;

- подтвердить экспериментально степень приближения к минимуму дисперсии времени пребывания жидких компонентов в каждой секции и в реакторе в целом;

- дать оценку возможности обеспечения в каждой секции локальных, независимых концентрационных и температурных параметров, требуемых химическим или физическим технологическим процессом.

Результаты приведены на фиг.3. Как видно из результатов, каждая секция реактора в условиях противоточного прохождения через них газа и жидкости выполняет функции локализованных аппаратов смешения, обеспечивающих возможность поддержания в них требуемых технологических параметров химических и физических процессов.

Приведенные данные указывают на приближение к минимуму продольного перемешивания жидких реагентов между секциями и дисперсии времени пребывания жидкого реагента в реакторе.

Пример 2. Сравнительный опыт проводят в стеклянной модели тех же размеров и по той же методике, что и в примере 1, с той лишь разницей, что устройство реактора соответствует ранее известному изобретению (патент №2147922, РФ, 2000 г.), т.е. без сепарационных устройств.

Из полученных результатов (фиг.4) следует, что практически через 6-8 минут концентрация анализируемого компонента (хрома) во всех секциях выравнивается и предложенная конструкция в результате высокой степени продольного перемешивания жидкой фазы между секциями по принципу работы приближается к одному газлифтному реактору.

Пример 3. Опыт проводят в 3-х секционном реакторе, изготовленном из титанового сплава ВТ1-0, устройство которого соответствует настоящему изобретению. Габариты реактора: диаметр - 330 мм, высота - 14 м. Общий рабочий объем - 300 л.

Для проведения опыта используют опытную установку с противоточным газлифтным реактором, схема обвязки которого представлена на фиг.5. В сборнике Е1 приготавливают уксуснокислый раствор ацетата хрома, который насосом подают в противоточный газлифтный реактор в верхнюю секцию. Газ (воздух) подают в нижнюю секцию. Отвод жидкости, содержащей анализируемый компонент реакционной смеси (ацетат хрома), осуществляют в сборник Е6.

После достижения устойчивого гидродинамического режима и стабильного уровня жидкости в верхней секции реактора отбирают пробы из каждой секции и определяют концентрацию хрома. Далее отключают сборник Е1 перекрытием вентиля на линии выхода раствора ацетата хрома и включают подачу уксуснокислого раствора (без ацетат хрома) из сборника Е2, в результате чего происходит уменьшение хрома во времени в каждой секции. Контроль [Cr] осуществляют анализом проб, отбираемых через каждые 10 мин из каждой секции. Результаты примера 3 приведены на фиг.6.

Из полученных результатов примера 3 следует, что все секции противоточного газлифтного реактора по характеру изменения в них концентраций анализируемого компонента (Cr) в жидкой фазе выполняют функции проточных аппаратов полного смешения, установленных последовательно.

Пример 4. Опыт проводят на опытной установке (фиг.5) с использованием химического процесса жидкофазного каталитического окисления псевдокумола в среде уксусной кислоты.

Уксуснокислый раствор катализатора, содержащий растворимые соли тяжелых металлов, например, ацетаты Со, Mn, Ni и бромистоводородной кислоты (HBr), приготавливают в сборнике с мешалкой и обогреваемой рубашкой Е1 и далее насосом Н3 подают в реактор Р4 до заполнения 70% от общего реакционного объема. После заполнения реактора в межтрубное пространство нижней секции подают теплоноситель и нагревают находящийся в реакторе раствор до 160°С при протоке инертного газа через все секции реактора. После достижения указанной температуры включают подачу исходной реакционной смеси, содержащую псевдокумол, а вместо инертного газа подают воздух. Требуемый температурный режим в каждой секции поддерживают путем отвода тепла в верхней и нижней секции за счет испарения воды, подаваемой в межтрубное пространство теплообменников верхней и средней секций, в нижней секции - путем подвода тепла подачей теплоносителя (ВОТ) в межтрубное пространство теплообменника нижней секции.

Продукты реакции выводят из нижней секции в сборник Е6 с мешалкой, куда при необходимости подают газ (воздух), и далее через шлюзовую камеру Е9 направляют на переработку в ангидрид тримеллитовой кислоты. Отработанные газы выводят из верхней секции противоточного газлифтного реактора, которые после охлаждения в конденсаторах Т51, Т52 и очистки сбрасываются в атмосферу. Для обеспечения активности каталитической системы в среднюю и нижнюю секции ПГР подают раствор бромисто-водородной кислоты.

Результаты примера 1 приведены в таблице.

ТаблицаРаспределение концентраций и температуры по секциям реактора.
Номер секции	С1	С2	C3
Концентрация псевдокумола в жидкой фазе, % вес	0,9	0,2	следы
Концентрация тримеллитовой кислоты в жидкой фазе, % вес	11,4	38,8	40,8
Температура, °С	176	181	188

Таким образом, преимуществом заявленного изобретения является увеличение производительности реактора путем уменьшения дисперсии времени пребывания жидких реагентов в секционированной реакционной зоне и повышение гидродинамической эффективности и устойчивости работы реактора за счет организации дискретной сепарации газа из газонаполненной жидкости в условиях противоточного движения газа и жидкости по высоте реакционного объема.

1. Противоточный секционированный газлифтный реактор для газожидкостных процессов, состоящий из вертикального цилиндрического корпуса, разделенного по высоте горизонтальными плоскими перегородками с отверстиями на секции, содержащими пучки барботажных и циркуляционных труб, закрепленных на трубных решетках, патрубки для ввода и вывода реагентов и теплоносителя, отличающийся тем, что между секциями установлены сепарационные устройства, выполненные в виде отражательных воронок с отверстиями в центре, во внутренние полости которых опущены барботажные стаканы и циркуляционные патрубки, закрепленные на горизонтальных перегородках таким образом, что барботажные стаканы установлены в центре, а циркуляционные патрубки расположены симметрично снаружи барботажных стаканов, при этом нижние части барботажных стаканов под горизонтальными перегородками имеют перфорацию в виде щелей или отверстий, а верхние части барботажных стаканов над горизонтальными перегородками снабжены насадкой, создающей в них сопротивление восходящему газообразному потоку, в виде пучков вертикальных трубок, гранул или перфорированных пластин.

2. Противоточный секционированный газлифтный реактор для газожидкостных процессов по п.1, отличающийся тем, что между горизонтальной плоской перегородкой и верхним срезом отражательной воронки установлены вертикальные перегородки длиной меньше 0,5 радиуса воронки в виде плоских лопастей, тангенциально перекрывающих верхний срез воронки под углом 45° по отношению к радиальной прямой.

3. Противоточный секционированный газлифтный реактор для газожидкостных процессов по п.1 или 2, отличающийся тем, что нижние срезы циркуляционных патрубков расположены ниже горизонтальной плоскости, секущей барботажные стаканы в верхних точках перфорированных участков.