способ проведения многофазных процессов и вихревой центробежный реактор для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ проведения многофазных процессов в вихревом центробежном многофазном реакторе, содержащем вихревую камеру с направляющим аппаратом и торцевыми крышками, а также устройства для ввода и вывода фаз, отличающийся тем, что поверхность торцевых крышек приводят во вращение с помощью внешнего привода или самопроизвольно за счет вращения вихревого дисперсного слоя и/или дополнительно закручивают вихревой дисперсный слой путем принудительного или самопроизвольного вращения в приосевой зоне вихревой камеры лопастной вертушки.

2. Вихревой центробежный многофазный реактор, содержащий вихревую камеру с направляющим аппаратом и торцевыми крышками, а также устройства для ввода и вывода фаз, отличающийся тем, что поверхности торцевых крышек выполнены с возможностью их самопроизвольного или принудительного вращения и/или по оси вихревой камеры установлена лопастная вертушка, вращающаяся самопроизвольно или приводимая во вращение с помощью внешнего привода с возможностью регулирования частоты вращения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области химической технологии, а именно к способам проведения и интенсификации многофазных химико-технологических процессов с участием компонентов газа, жидкости и твердых веществ в газожидкостных или псевдоожиженных дисперсных слоях, а также для проведения других тепло- и массообменных процессов в вихревых центробежных реакторах. Изобретение может быть использовано в химической, микробиологической и в смежных с ними отраслях промышленности.

В настоящее время для проведения многофазных реакций используют различные типы газожидкостных многофазных реакторов и реакторов с псевдоожиженным слоем: [Г.А.Кардашев. Физические методы интенсификации процессов химической технологии. М.: Химия, 1990], [В.И.Соколов, И.В.Доманский. Газожидкостные реакторы. Ленинград: Машиностроение, 1976; Ю.И.Дытнерский. Процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, в 2-х томах, 1995].

К числу газожидкостных реакторов относятся: барботажные, насадочные, пленочные, пенные, распыливающие аппараты и устройства с механическим диспергированием газа в жидкости. Основным предназначением таких устройств является увеличение скорости массообмена между жидкостью и газом за счет увеличения поверхности контакта фаз и ее турбулизации для увеличения константы скорости массопереноса.

Наибольшее распространение получили барботажные и насадочные аппараты. Однако при этом они обладают рядом существенных недостатков. К их числу относятся: высокое гидродинамическое сопротивление аппарата; слабая циркуляция жидкости, что не позволяет эффективно обрабатывать смеси несмешивающихся жидкостей; малая пропускная способность по газу; сложность проведения реакций с большим тепловым эффектом; возникновение пульсаций и вибраций; конструктивная сложность. Для эффективной работы насадочных аппаратов необходимы специальные насадки сложной формы. Другим недостатком является большой размер таких аппаратов ввиду небольшой удельной поверхности контакта фаз.

Принцип действия существующих многофазных реакторов с псевдоожиженным слоем также широко известен. При подаче вертикального восходящего потока через слой зернистого материала отдельные частицы начинают двигаться относительно друг друга, и при высоких скоростях потока слой переходит во взвешенное состояние, в котором частицы совершают сложное движение.

К недостаткам известных многофазных реакторов с псевдоожиженным слоем относятся: сложность анализа и создания таких слоев, так как помимо однородного, часто возникает неоднородное псевдоожижение - образование пузырей, каналов, фонтанов; возникновение пульсаций и вибраций; жесткие требования к прочности катализатора, ввиду сильного истирания частиц в псевдоожиженном слое; высокое гидродинамическое сопротивление; сложности с организацией трехфазного (газ-жидкость-твердое вещество) псевдоожиженного слоя с большой удельной поверхностью контакта фаз и большой пропускной способностью.

С другой стороны, известны вихревые тепло-, массообменные центробежные аппараты [М.А.Гольдштик. Вихревые процессы и явления. Новосибирск: СО РАН, Институт теплофизики, 1990], в которых возможно создание вихревых газожидкостных и псевдоожиженных дисперсных слоев, обладающих высокими тепло- и массообменными характеристиками.

Известен способ организации контакта жидкости и газа и устройство для его осуществления [Пат. РФ №2084269, B 01 D 47/06, 1997], согласно которому контакт жидкости и газа осуществляют в вихревой камере с распределенным по ее боковой поверхности тангенциальным подводом газа и подводом жидкой фазы с такими режимными параметрами подвода фаз, что на периферии вихревой камеры образуется вихревой дисперсный газожидкостный слой с высокоразвитой поверхностью контакта фаз и с большой интенсивностью взаимодействия газа и жидкости, - так называемые вихревые центробежные барботажные аппараты. После контакта в вихревом газожидкостном слое газовую и жидкую фазы выводят из вихревой камеры и разделяют в сепараторе. Режимные параметры ввода газа и жидкости заявлены в диапазоне, обеспечивающем возникновение устойчивого вихревого газожидкостного слоя. Достоинства этого устройства являются характерными для всех типов вихревых центробежных барботажных аппаратов - повышенные нагрузки по газу и жидкости, развитая поверхность контакта фаз при малых габаритах и массе аппарата.

Известен пенно-вихревой газожидкостный реактор [Е.Ф.Стефогло, О.П.Жукова, И.В.Кучин. Моделирование газожидкостных процессов на суспендированном катализаторе. Кемерово: Кузбассвузиздат, 2000, стр.348-357], содержащий вихревую камеру с направляющим аппаратом, сепарационную камеру со сливными трубками для вывода жидкости, торцевой крышкой с центральным отверстием для отвода газа, емкостью для сбора жидкости и подачи ее в реакционный объем. Реактор предназначен для проведения химических процессов, в которых основное сопротивление процессу связано с массопереносом реагентов из газа в жидкость, а также когда подача газового компонента значительно превышает подачу жидкого компонента.

Показано, что в вихревом центробежном аппарате может быть реализован вихревой псевдоожиженный дисперсный слой (газ - дисперсная твердая фаза) [М.А.Гольдштик. Вихревые процессы и явления. Новосибирск: СО РАН, Институт теплофизики, 1990].

Известен тепломассообменный аппарат [SU 1309376, B 01 D 3/30, 30.06.1992], содержащий корпус, вихревую камеру с верхней торцовой профилированной стенкой, направляющим элементом, патрубки для ввода жидкости и газа, устройство для сепарации газа и жидкости, в котором с целью повышения эффективности тепло- и массообмена за счет предотвращения образования застойных зон и брызгоуноса нижняя торцовая стенка вихревой камеры выполнена с отверстиями, расположенными равномерно по окружности и направленными тангенциально в сторону вращения газового потока, через которые дополнительно закручивают жидкость, подаваемую в вихревую камеру.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ [А.П.Бурдуков, А.Р.Дорохов, В.И.Казаков, Г.Г.Кувшинов, Ю.М.Петин. Разработка вихревых барботажных аппаратов для абсорбционной очистки газа. Изв. СО АН СССР, серия технических наук, №4, вып. 1, 1985 г., с.99-102], согласно которому газ и жидкость подают в устройство - вихревой центробежный барботажный реактор, содержащий вихревую камеру с направляющим аппаратом и распределительным устройством для ввода газа, с торцевой крышкой с отверстием для выхода газа или газожидкостной смеси, промежуточную емкость для жидкости и контур для ее рециркуляции, устройство для сепарации газа и жидкости, средства для перемещения газа и жидкости, а также возможность управления величиной расхода газа через реактор. В вихревой камере происходит контакт жидкости и газа с образованием вихревого газожидкостного слоя.

Известно использование вихревого центробежного барботажного реактора в процессе окисления растворов сульфида натрия кислородом в присутствии катализатора ТСФК [С.Г.Заварухин, Г.Г.Кувшинов, Л.В.Гогина, Н.Н.Кундо. Интенсификация процесса каталитической окислительной очистки растворов от сероводорода с использованием катализатора ТСФК в центробежно-барботажном реакторе. Химическая промышленность, №2, стр.26-30, 1999].

К недостаткам указанного способа организации вихревых дисперсных слоев следует отнести узкую область устойчивости вихревого дисперсного слоя (образование волн и неоднородностей) и неуправляемый вынос конденсированной фазы из него с потоком газа.

Действительно, имеется существенный вынос жидкости и/или твердой фазы из вихревой камеры с выходящим потоком газа, причем увеличение расхода газа приводит к увеличению выноса из вихревой камеры, что существенно ограничивает возможность управления такими режимными параметрами вихревой камеры, как соотношение расходов газа и жидкости и ее гидродинамическое сопротивление.

Отсутствие управления величиной выноса дисперсной фазы не позволяет вести ее непрерывную обработку без рециркуляции или применения последовательного ряда вихревых камер.

Наличие неконтролируемого выноса конденсированной фазы не позволяет использовать вихревой дисперсный слой в качестве среды для проведения химических реакций, а не только для процессов обработки жидкостей или дисперсных твердых материалов.

Затраты энергии на вынос конденсированной фазы с потоком газа заметно снижают интенсивность взаимодействия фаз внутри вихревого дисперсного слоя.

В известных способах и устройствах существенно ограничена возможность управления такими важными физическими параметрами вихревого дисперсного слоя, как величины газосодержания и центробежного ускорения, которые определяют его дисперсность и структуру и регулируются значениями расходов газа и жидкости и их соотношением в пределах устойчивости вихревого дисперсного слоя.

Возникают большие сложности с организацией трехфазного вихревого дисперсного слоя, содержащего частицы твердой фазы, например, катализатора, по причине концентрирования его у поверхности торцевых крышек и потери вихревым дисперсным слоем устойчивости и однородности.

Предлагаемое изобретение решает задачу повышения интенсивности межфазного взаимодействия в вихревой камере вихревого центробежного многофазного реактора и, как следствие, интенсификации проводимых в нем контакта фаз и вихревой камеры (расходы газа и жидкости, гидродинамическое сопротивление).

Задача решается применением ряда технических решений, обеспечивающих возможность управления величиной выноса из вихревой камеры с потоком выходящего газа.

Задача решается способом проведения многофазных процессов в вихревом центробежном многофазном реакторе, содержащем вихревую камеру с направляющим аппаратом и устройства для ввода и вывода фаз, в котором поверхность или часть поверхностей торцевых крышек приводят во вращение с помощью внешнего привода или самопроизвольно, за счет вращения вихревого дисперсного слоя; и/или дополнительно закручивают вихревой дисперсный слой путем принудительного или самопроизвольного вращения в приосевой зоне вихревой камеры лопастной вертушки.

Задача решается также предлагаемой конструкцией вихревого центробежного многофазного реактора, который содержит вихревую камеру с направляющим аппаратом и устройства для ввода и вывода фаз, торцевые крышки с отверстиями для выхода газа или дисперсной смеси, поверхности или часть поверхностей торцевых крышек выполнены с возможностью их самопроизвольного или принудительного вращения; и/или по оси вихревой камеры установлена лопастная вертушка, вращающаяся самопроизвольно или приводимая во вращение с помощью внешнего привода с возможностью регулирования частоты вращения.

Вынос конденсированной фазы из вихревой камеры происходит по нескольким причинам. Так, вынос жидкости или твердой фазы происходит в основном по торцевой крышке вихревой камеры. Явление торцевого выноса из вихревой камеры, известное как торцевой эффект, связано с тем, что вблизи поверхности торцевых крышек нарушается баланс сил, действующих на частицу. Если в объеме камеры центробежная сила уравновешена силой, связанной с градиентом давления, то в приторцевом пограничном слое происходит торможение вихревого дисперсного слоя и, следовательно, уменьшение центробежной силы, а градиент давления, направленный к оси камеры, приводит к выносу пленки жидкости или частиц твердой фазы.

Известен способ [А.С. SU 1816464, 1993] уменьшения торцевого выноса жидкости из вихревой камеры вихревого центробежного барботажного аппарата, согласно которому торцевую крышку снабжают коаксиальной кольцевой перегородкой небольшой высоты, благодаря которой происходит отрыв пограничного слоя вблизи внутренней границы вихревого газожидкостного слоя. Недостатки этого способа - малая эффективность в случае наличия твердой фазы, применимость в узком диапазоне режимных параметров.

Известен также способ [Э.П.Волчков, Л.В.Сериков. Гидродинамика вихревого биореактора. Новосибирск: Институт теплофизики СО АН СССР, 1989, стр. 40-48] предотвращения выноса твердой дисперсной фазы из жидкостной вихревой камеры - биореактора, согласно которому торцевой пограничный слой оттесняют с помощью кольцевой вставки на внутренней поверхности крышки, или дополнительно закручивают его, подавая в камеру закрученный поток жидкости через кольцевой торцевой завихритель.

Другим способом управления величиной выноса из вихревой камеры является управление величиной силы трения на торцевых крышках вихревой камеры вихревого центробежного аппарата. Известен способ снижения интенсивности взаимодействия псевдоожиженного слоя твердых частиц с торцевыми стенками вихревой камеры [W.N. Jackomis, H.J.P. Von Ohain, AIAA Paper №70-1222, AIAA 7th Annual Meeting and Technical Display, October 19-22, 1970; Э.П.Волчков, Л.В.Сериков, Гидродинамика вихревого биореактора, Новосибирск: Институт теплофизики СО АН СССР, 1989, стр. 40-48], согласно которому псевдоожиженный слой твердых частиц дополнительно закручивают вблизи поверхности торцевых крышек путем вдува газа через торцевые завихрители.

В предлагаемом изобретении проблема устранения торцевого выноса решается вращением торцевых крышек по направлению вращения вихревого дисперсного слоя. При этом уменьшается торможение вихревого газожидкостного слоя на торцевых стенках вихревой камеры, что приводит к уменьшению выноса жидкости за счет торцевого эффекта и к уменьшению гидродинамического сопротивления реактора.

С другой стороны, вынос газовым потоком капель жидкости и частиц твердой фазы из вихревой камеры происходит также из приосевой области реактора. Наиболее крупные капли и частицы сепарируются центробежными силами и возвращаются обратно в вихревой дисперсный слой, в то время как наиболее мелкие не успевают сепарироваться в известных устройствах и выносятся из вихревой камеры вместе с потоком газа.

Причиной этого явления является недостаточная степень закрутки газового потока в приосевой области вихревой камеры, так как газ теряет момент импульса, проходя через вихревой дисперсный слой.

Известен способ [SU №876147, 1981] сепарации частиц в газовом потоке, согласно которому в центральную область вихревой камеры дополнительно подают закрученный поток, направленный к выходному отверстию. Тем самым, в рамках задачи сепарации частиц, из основного потока выделяют и выносят наиболее мелкую фракцию, а более крупные возвращают на периферию вихревой камеры. Таким образом, описанный дополнительный ввод закрученного потока газа в приосевую область вихревой камеры увеличивает общий расход газа и дестабилизирует вихревой дисперсный слой, что приводит к увеличению выноса мелкой фракции дисперсной фазы.

В предлагаемом изобретении для эффективного возврата частиц в вихревой дисперсный слой увеличивают скорость вращения газа в приосевой зоне вихревой камеры (соответственно и центробежное ускорение) за счет применения центральной лопастной вертушки, вращающейся самостоятельно или приводимой во вращение принудительно. При этом направление ее вращения совпадает с направлением вращения вихревого дисперсного слоя в вихревой камере.

Конструкция вихревого центробежного многофазного реактора представлена на Фиг.1.

Вихревой центробежный многофазный реактор, изображенный на Фиг.1, состоит из двух плит 1, между которыми установлен щелевой направляющий аппарат 2, представляющий собой цилиндр с множеством тангенциальных щелевых каналов (Фиг.2). Для равномерного распределения газа по каналам установлена улитка 3. Подвод газа в улитку осуществляется через патрубок 4. На верхней плите 1 на шариковых опорах 5 установлена верхняя торцевая крышка 6 вихревой камеры. Крышка 6 может приводиться во вращение с целью предотвращения выноса конденсированной фазы из вихревой камеры за счет торцевого эффекта. Момент вращения на крышку 6 передается через водила 7, закрепленные на крышке 6, от водил 8, закрепленных на оси 9 привода. Ось 9 установлена в герметичном подшипниковом узле 10, закрепленном на верхней крышке 11 реактора. На оси 9 установлен шкив 12 ременной передачи, через который момент вращения передается крышке 6 от электродвигателя с регулируемой частотой вращения (электродвигатель на чертеже не показан). Крышка 6 поджимается к плите 1 тремя роликами 13, усилие прижима которых регулируется. Между верхней плитой 1 и верхней крышкой 11 герметично зажата обечайка 14 сепарационной камеры, на которой имеется патрубок 15 для выхода газа. Жидкость из сепарационной камеры отводится через три сливные трубки 16. К нижней плите 1 через шариковые опоры 5 тремя роликами 13 прижимается профилированная нижняя торцевая крышка 17, которая также имеет привод для вращения, аналогичный приводу крышки 6. Подшипниковый узел 10 привода нижней торцевой крышки 17 установлен на основании 18, которое крепится на сливных трубках 16. Для увеличения скорости вращения вихревого дисперсного слоя в центральной части вихревой камеры установлена лопастная вертушка 19, привод которой осуществляется от отдельного электродвигателя с регулируемой частотой вращения (электродвигатель на чертеже не показан). Ось и подшипники этого привода размещены в полой оси привода дна камеры. В полость вихревой камеры, через улитку 3 и направляющий аппарат 2, вставлены трубки 20, через которые осуществляется ввод и вывод твердой и жидкой фаз. Жидкая и твердая фазы могут вводиться также через полую ось 9 привода крышки вихревой камеры.

Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1.

Реакционный газ подается в вихревой центробежный реактор, изображенный на Фиг.1, через патрубок 4, откуда через тангенциальные каналы направляющего аппарата 2 поступает в вихревую камеру, образуя интенсивный вихревой поток. Через трубки 20 и 9 из внешнего источника в вихревую камеру известными способами подают конденсированную фазу, например, суспензию твердого катализатора в реакционной жидкости или гранулированную твердую фазу. В вихревой камере происходит взаимодействие конденсированной фазы с вихревым потоком газа, в результате чего образуется устойчивый вихревой дисперсный слой, который удерживается у направляющего аппарата 2 центробежными силами, возникающими во вращающемся вихревом потоке. По мере подачи конденсированной фазы толщина вихревого дисперсного слоя растет и ограничивается диаметром отверстия в верхней торцевой крышке 6. Циркуляция жидкости и твердой фазы осуществляется через трубки 20. Возможен вариант, когда толщина вихревого дисперсного слоя будет ограничиваться диаметром выходного отверстия в верхней торцевой крышке 6, при этом конденсированная фаза выносится вместе с потоком газа в сепарационную камеру, где сепарируется от газа и сливается через сливные патрубки 16.

Для обеспечения режима работы без выноса конденсированной фазы из вихревой камеры и получения устойчивого однородного многофазного вихревого дисперсного слоя, при котором реализуется максимальная эффективность протекающих в нем физико-химических процессов и длительное взаимодействие газа с одним и тем же объемом жидкости и твердого вещества, поток газа в приосевой зоне реактора дополнительно закручивают с помощью вертушки 19, а для устранения торцевых эффектов приводят во вращение поверхности торцевых крышек. Направление вращения в обоих случаях совпадает с направлением вращения вихревого дисперсного слоя. Область устойчивости вихревого дисперсного слоя в пространстве режимных параметров (расходы газа и жидкости) в данном случае увеличивается многократно.

Пример 2.

Пример, аналогичный примеру 1, только вращение торцевых крышек и центральной лопастной вертушки осуществляется самопроизвольно за счет закручивания их вращающимся вихревым дисперсным слоем. В этом варианте энергозатраты связанные с поддержанием вихревого дисперсного слоя становятся ниже, однако область его устойчивости увеличивается меньше, чем в примере 1.

Применение указанных технических решений приводит к практически полному подавлению выноса из вихревого дисперсного слоя, в результате чего резко повышается интенсивность взаимодействия газа и жидкости, уменьшаются энергозатраты, связанные с поддержанием вихревого дисперсного слоя. В результате применения указанных технических решений возможно получение устойчивого и однородного многофазного вихревого дисперсного слоя с наличием твердой фазы в слое (например, частиц катализатора). Получаемый в вихревой камере реактора устойчивый вихревой дисперсный слой может быть использован как при проведении процессов обработки жидкости и диспергированных твердых веществ, так и в качестве среды для проведения химических каталитических процессов. Таким образом, предлагаемое изобретение может быть эффективно использовано при конструировании вихревых центробежных многофазных реакторов.