Теплообменник для изотермических химических реакторов - RU2298432C2
Код документа: RU2298432C2
Чертежи
Описание
Настоящее изобретение относится к химическому реактору с закрытым с двух сторон соответствующими днищами по существу цилиндрическим корпусом (или сосудом высокого давления) и по меньшей мере одним расположенным в зоне реакции слоем катализатора, в который погружен блочный (сборный) теплообменник. Такие реакторы обычно используют для проведения экзотермических и эндотермических реакций, протекающих по существу в изотермических условиях с регулированием температуры реакции с небольшими отклонениями от заданной температуры. В приведенном ниже описании и в формуле изобретения реактор такого типа называется псевдоизотермическим или кратко называется изотермическим реактором. Изобретение относится, в частности, к изотермическому реактору описанного выше типа, в котором газообразные реагенты и газообразные продукты реакции проходят через слой катализатора в радиальном или радиально-осевом направлении (по отношению к оси цилиндрического корпуса реактора), а блочный (сборный) теплообменник изготовлен из множества плоских по существу коробчатых теплообменников с внутренней полостью, через которую проходит текучий теплоноситель.
Обычно в качестве текучего теплоносителя в блочном (сборном) теплообменнике можно использовать текучую среду с меняющейся температурой (некипящую текучую среду), например подаваемые в реактор в регулируемом соответствующим образом количестве газообразные реагенты, либо кипящую, или изотермическую жидкость, например кипящую воду, расплавленные соли, Dow Therm и другие подобные жидкости. Для повышения эффективности теплообмена, а следовательно, и кинетики протекающей в реакторе химической реакции поток такого текучего теплоносителя направляют внутри соответствующего блочного (сборного) теплообменника в противотоке или в прямотоке с образующимися газообразными продуктами реакции, которые в свою очередь проходят через слой катализатора в радиальном или радиально-осевом направлении по отношению к обычно вертикальной оси корпуса реактора. Текучий теплоноситель, который состоит из самих подаваемых в реактор газообразных реагентов, можно использовать не только для отвода или подвода тепла в зону реакции (в слой катализатора) и более быстрого и полного завершения протекающей в ней реакции, но и для подогрева или охлаждения слоя катализатора до температуры, необходимой по законам термодинамики для начала реакции.
В этом случае (при радиальном или радиально-осевом потоке) изотермический реактор по существу представляет собой сосуд под высоким давлением, в котором расположен по меньшей мере один патрон с двумя концентричными цилиндрическими расположенными на оси корпуса реактора перфорированными стенками, заполненный катализатором, через слой которого проходят газы. В слой катализатора погружен блочный (сборный) теплообменник, изготовленный из множества имеющих соответствующую конструкцию теплообменников, которые определенным образом закреплены в реакторе и соединены между собой.
В последнее время в изотермических реакторах описанного выше типа в качестве теплообменников, обладающих максимальной эффективностью, чаще всего используют пластинчатые и по существу сплющенные коробчатые теплообменники. Химический реактор с теплообменниками такого типа описан, например, в патенте US 5035867.
Такие пластинчатые теплообменники помимо многочисленных преимуществ, к которым относится, в частности, большая площадь поверхности теплообмена, обладают и одним существенным недостатком, заключающимся в том, что в таких теплообменниках достаточно сложно обеспечить течение протекающего внутри теплообменника текучего теплоносителя в требуемом направлении, в частности в радиальном направлении по отношению к оси реактора. Формирование радиального потока текучего теплоносителя в существующих в настоящее время пластинчатых теплообменниках приводит к снижению эффективности теплообмена и уменьшению выхода протекающей в реакторе химической реакции.
В основу настоящего изобретения была положена задача разработать блочный (сборный) теплообменник для радиальных или радиально-осевых изотермических реакторов, конструктивные и функциональные особенности которого позволяли бы устранить указанный выше недостаток, присущий известным в настоящее время теплообменникам аналогичного типа.
Поставленная в изобретении задача решается с помощью предлагаемого в нем блочного (сборного) теплообменника для радиальных или радиально-осевых изотермических реакторов, который имеет по существу кольцевую и цилиндрическую конструкцию с осевым проходным отверстием определенного диаметра и отличается тем, что он состоит из множества по существу прямоугольных сплющенных коробчатых теплообменников, расположенных в нескольких имеющих общую ось концентричных зонах и образующих в блочном (сборном) теплообменнике множество по существу радиальных групп, состоящих из лежащих в одной радиальной плоскости и в разных кольцевых зонах теплообменников, длинные стороны которых проходят параллельно оси блочного (сборного) теплообменника, а короткие - в радиальном направлении, и каждый такой теплообменник имеет внутреннюю полость, через которую проходит текучий теплоноситель, по меньшей мере одну расположенную на одной стороне теплообменника трубу для распределения подаваемого в него текучего теплоносителя и по меньшей мере одну расположенную на противоположной стороне теплообменника трубу, в которой собирается прошедший через теплообменник текучий теплоноситель, при этом указанные трубы соединены с одной стороны с внутренней полостью теплообменника через по меньшей мере одно имеющееся в них отверстие, а с другой стороны - с расположенными снаружи патрубками для подачи в теплообменник и отвода из него текучего теплоносителя.
В частных вариантах осуществления изобретения каждый пластинчатый теплообменник может быть изготовлен из двух уложенных друг на друга металлических листов определенной формы, которые соединены между собой по периметру сварным швом с образованием между ними внутренней полости. При этом труба для распределения текучего теплоносителя и труба, в которой собирается прошедший через теплообменник текучий теплоноситель, расположены на противоположных длинных сторонах соответствующего теплообменника и крепятся во внутренней полости теплообменника на его противоположных длинных сторонах. Указанные трубы могут быть выполнены путем деформации длинных сторон металлических листов, из которых изготовлен теплообменник, и соединены с расположенным на теплообменнике снаружи патрубками, которые расположены на одной и той же короткой стороне теплообменника и обращены к одной и той же стороне блочного теплообменника. Трубы могут быть соединены с внутренней полостью теплообменника множеством выполненных в них отверстий, расположенных на образующей трубы.
Каждый из расположенных в одной радиальной группе теплообменников может иметь соответствующий патрубок для выхода текучего теплоносителя, который соединен с патрубком для подвода текучего теплоносителя соседнего теплообменника той же радиальной группы соединением, выполненным по существу по типу гидравлического соединения "голова к хвосту".
Внутренняя полость каждого теплообменника может быть разделена на множество камер, которые непосредственно не сообщаются между собой, а соединены соответствующими отверстиями с трубой для распределения подаваемого в теплообменник текучего теплоносителя и с трубой, в которой собирается прошедший через теплообменник текучий теплоноситель. Каждая камера образована проходящими перпендикулярно трубам сварными швами, которыми между собой сварены металлические листы и в каждой камере расположены параллельные трубам направляющие перегородки, формирующие внутри камеры канал для прохода текучего теплоносителя по существу змеевидной формы. При этом все камеры могут иметь одну и ту же ширину.
Отверстия в трубе для распределения текучего теплоносителя могут иметь разную ширину, в частности, увеличивающуюся в направлении потока протекающего внутри трубы текучего теплоносителя. В каждом отверстии может быть расположена втулка с калиброванным отверстием, определяющим размеры поперечного сечения проходного отверстия между трубой и каждой из камер, на которые разделена внутренняя полость теплообменника.
В одном из частных вариантов осуществления блочный теплообменник имеет по меньшей мере одну кольцевую трубу, предназначенную для распределения между теплообменниками подаваемого в них текучего теплоносителя и соединенную с одной стороны с трубами для распределения текучего теплоносителя наиболее удаленных от центра теплообменников блочного теплообменника, а с другой стороны - с соответствующей трубой, по которой в теплообменник реактора подается текучий теплоноситель. Блочный теплообменник может также иметь по меньшей мере еще одну кольцевую трубу, предназначенную для подачи в теплообменники текучего теплоносителя и соединенную с одной стороны с гидравлическими соединениями типа "голова к хвосту" каждой радиальной группы теплообменников, а с другой стороны - с соответствующей трубой, по которой в теплообменник реактора подается текучий теплоноситель. Трубы, в которых собирается текучий теплоноситель из теплообменников, расположенных в центре блочного теплообменника, имеют выходящие наружу и расположенные на одной и той же стороне блочного теплообменника открытые концы. Блочный теплообменник может также иметь по меньшей мере еще одну кольцевую трубу, в которой собирается текучий теплоноситель из всего блочного теплообменника и которая соединена с трубами, в которых собирается текучий теплоноситель из теплообменников, расположенных в центре блочного теплообменника.
В соответствии с изобретением предлагается также изотермический химический реактор, содержащий цилиндрический корпус и заполненную катализатором корзину, которая крепится внутри корпуса и имеет по существу цилиндрические имеющие общую ось наружную и внутреннюю стенки и нижнюю стенку, и который снабжен закрепленным в корзине описанным выше блочным теплообменником.
Нижняя стенка корзины может быть выполнена выпуклой в направлении внутренней полости корзины. В выпуклой нижней стенке корзины имеется по меньшей мере одно отверстие для выгрузки катализатора, расположенное рядом с наружной стенкой корзины и соединенное с трубой, выходящей из реактора наружу.
Ha прилагаемых к описанию чертежах показано:
на фиг.1 - аксонометрическая проекция изображенного частично в разрезе радиального изотермического реактора с предлагаемым в изобретении блочным (сборным) теплообменником, состоящим из множества отдельных теплообменников,
на фиг.2 - увеличенное изображение одного из теплообменников блочного (сборного) теплообменника, показанного на фиг.1,
на фиг.3, 4 и 5 - поперечные сечения теплообменника плоскостями III-III, IV-IV и V-V по фиг.2.
на фиг.6 - схематичное изображение показанного на фиг.2 теплообменника, выполненного по предпочтительному варианту,
на фиг.7 - поперечное сечение показанного на фиг.6 теплообменника плоскостью VII-VII,
на фиг.8 - схематичное изображение показанного на фиг.6 теплообменника, выполненного по другому варианту,
на фиг.9 - поперечное сечение в увеличенном масштабе показанного на фиг.8 теплообменника плоскостью IX-IX и
на фиг.10 - другой вариант выполнения изотермического реактора, показанного на фиг.1.
Показанный на фиг.1 изотермический реактор 1 имеет вертикальный цилиндрический корпус 2, закрытый на противоположных концах нижним и верхним днищами 3 и 4 с патрубками 5 и 6, предназначенными для подачи в реактор 1 газообразных реагентов и вывода из него газообразных продуктов реакции, о чем более подробно сказано ниже.
Внутри корпуса 1 расположена зона реакции, в которой находится заполненная катализатором корзина 7, имеющая по существу цилиндрическую форму и кольцевое поперечное сечение. Корзина 7 имеет наружную цилиндрическую стенку 8, которая вместе с корпусом 2 образует внутри реактора узкое кольцевое пространство 9, а также имеет внутреннюю цилиндрическую стенку 10 и обозначенное позицией 7b днище (нижняя стенка), которое имеет форму кольца.
Внутренняя стенка 10 корзины образует осевой канал, в котором расположена труба 11, в которой собираются полученные в реакторе газообразные продукты, с закрытым верхним концом 11a и открытым нижним концом 11b, который напрямую соединен с расположенным на днище 3 патрубком 6.
Наружная и внутренняя стенки 8 и 10 корзины выполнены перфорированными, и через них с одной стороны внутрь корзины 7 из кольцевого пространства 9 проходят подаваемые в реактор газообразные реагенты, а с другой стороны из корзины в центральную трубу 11 проходят образующиеся внутри корзины 7 газообразные продукты реакции.
Корзина 7 заполнена определенным количеством соответствующего катализатора (на чертежах не показан), в который погружен закрепленный обычным образом блочный (сборный) теплообменник, обозначенный в сборе позицией 12.
Блочный (сборный) теплообменник 12 имеет в целом цилиндрическую форму, соответствующую форме корзины 7. Наружный диаметр теплообменника по существу равен наружному диаметру корзины 7, а диаметр расположенного в его центре отверстия по существу равен внутреннему диаметру трубы.
В показанном на фиг.1 предпочтительном, но не единственно возможном варианте блочный (сборный) теплообменник 12 состоит из множества теплообменников 13, равномерно распределенных в трех концентричных и имеющих общую ось кольцевых зонах. Каждый теплообменник 13 (фиг.2) выполнен по существу в виде сплющенной коробки и имеет форму вытянутого плоского прямоугольника с двумя противоположными длинными сторонами 13а и двумя противоположными короткими сторонами 13b.
В блочном (сборном) теплообменнике 12 отдельные теплообменники 13 расположены по существу в радиальных плоскостях, при этом длинные стороны 13а теплообменников проходят параллельно оси блочного (сборного) теплообменника 12 (а следовательно, и оси корпуса 2 реактора 1), а короткие стороны 13b - в радиальном направлении, и все теплообменники объединены в множество радиальных групп, каждая из которых состоит из трех расположенных в одной радиальной плоскости теплообменников.
Очевидно, что в зависимости от конкретных конструктивных требований группу из трех теплообменников 13 можно заменить двумя или даже одним теплообменником, расположенным в одной из радиальных плоскостей корзины 7.
Как показано на фиг.2-5, каждый теплообменник 13 состоит из двух уложенных друг на друга и соединенных между собой по периметру сварными швами 16, 16а металлических листов 14, 15, между которыми расположена внутренняя полость 17 теплообменника, через которую проходит текучий теплоноситель.
Для повышения эффективности теплообмена между протекающим внутри теплообменника текучим теплоносителем и подаваемыми в реактор газообразными реагентами и газообразными продуктами реакции, которые обтекают теплообменник снаружи и проходят через слой катализатора в радиальном направлении, текучий теплоноситель должен проходить через каждый теплообменник 13 блочного (сборного) теплообменника 12 также в радиальном или по существу в радиальном направлении в противотоке или в прямотоке с упомянутыми газами.
С этой целью и в соответствии с отличительной особенностью настоящего изобретения каждый теплообменник 13 содержит расположенные на его противоположных длинных сторонах 13а трубу 19 для распределения внутри теплообменника подаваемого в него текучего теплоносителя и трубу 20, в которой собирается прошедший через внутреннюю полость теплообменника текучий теплоноситель. Трубы 19 и 20 с одной стороны соединены с внутренней полостью 17 теплообменника по меньшей мере одним, предпочтительно несколькими, отверстиями 19а и 20а, которые расположены на одной или нескольких образующих трубы, а с другой стороны - с расположенными снаружи патрубками 21 и 22, через один из которых в теплообменник подают текучий теплоноситель, а через второй - выводят его из теплообменника.
В первом предпочтительном варианте осуществления изобретения трубы 19 и 20, которые проходят вдоль длинных сторон 13а теплообменника 13, образованы деформированными краями приваренных друг к другу по периметру металлических листов 14 и 15, из которых изготовлен теплообменник. Для этого на некотором расстоянии от соединенных сваркой краев 16 и 16а листов их приваривают друг к другу параллельными их краям прерывистыми сварными швами 116, 116а, в промежутках между которыми остаются свободные участки, образующие отверстия 19а, 20а для прохода текучего теплоносителя.
В другом (не показанном на чертежах) варианте трубы 19 и 20 изготавливают из отдельных закрепленных внутри теплообменника в полости 17 труб, которые проходят вдоль длинных сторон 13а теплообменника и имеют расположенные на концах упомянутые выше патрубки 21 и 22.
В соответствии с другой отличительной особенностью изобретения патрубки 21 и 22 труб 19 и 20, которые предназначены для подачи в теплообменник 13 и отвода из него текучего теплоносителя, расположены на одной и той же короткой стороне 13b теплообменника.
В предлагаемом в изобретении блочном (сборном) теплообменнике 12 описанной выше конструкции (фиг.1) короткие стороны 13b с соответствующими патрубками 21 и 22 образуют верхнюю сторону каждого теплообменника 13, а противоположная короткая сторона теплообменника крепится обычным образом к несущей конструкции (на чертежах не показана) всего блочного (сборного) теплообменника 12.
Для повышения эффективности теплообмена по меньшей мере некоторые из теплообменников 13, из которых собран блочный теплообменник 12, изготавливают по схеме, показанной на фиг.6.
В этом варианте осуществления изобретения всю внутреннюю полость каждого теплообменника 13 разделяют на множество непосредственно не соединенных между собой отдельных полостей 117 путем, например, сварки металлических листов 14, 15 сварными швами 117а, которые проходят параллельно коротким сторонам 13b теплообменника 13 или, иными словами, перпендикулярно трубе 19 для распределения внутри теплообменника подаваемого в него текучего теплоносителя и трубе 20, в которой собирается прошедший через внутреннюю полость теплообменника текучий теплоноситель. Отдельные полости 117, на которые разделено все внутреннее пространство теплообменника, в зависимости от конкретных требований могут иметь одну и ту же или разную ширину, и в них расположены параллельные трубам 19 и 20 направляющие перегородки 118, образующие внутри каждой камеры 117 канал по существу змеевидной формы для прохода текучего теплоносителя.
Каждая полость 117 соединена с трубой 19, предназначенной для распределения внутри теплообменника подаваемого в него текучего теплоносителя, по меньшей мере одним отверстием 19а и по меньшей мере одним отверстием 20а с трубой 20, в которой собирается прошедший через эту полость текучий теплоноситель.
Необходимо отметить, что для точного регулирования перепада давлений и более эффективного распределения текучего теплоносителя, протекающего через полости 117, отверстия 19а в трубе 19 можно расположить рядом с нижним краем каждой полости 117 и выполнить их с разной шириной или длиной, в частности, постепенно увеличивая ширину отверстий в направлении движения текучего теплоносителя в трубе 19.
Для более эффективного распределения текучего теплоносителя по полостям 117 при минимальных потерях давления в полости можно использовать установленные в отверстиях 19а каждой полости калиброванные втулки 119а (фиг.8 и 9) с соответствующим образом рассчитанными проходными отверстиями, обеспечивающими необходимое падение давления на входе в каждую камеру.
В изотермическом реакторе 1 с предлагаемым в изобретении теплообменником верхний край корзины 7 с катализатором находится выше верхней плоскости блочного (сборного) теплообменника 12, а распределение между расположенными в разных радиальных плоскостях теплообменниками подаваемого в них текучего теплоносителя осуществляется с помощью кольцевой трубы 23.
При использовании в теплообменниках в качестве текучего теплоносителя подаваемых в реактор газообразных реагентов (фиг.1), которые проходят через реактор в том же направлении, что и газообразные продукты реакции, кольцевую трубу 23 соединяют с выходящей из изотермического реактора 1 наружу подающей трубой 23а, на выходящем из реактора конце которой расположен патрубок 5а, через который в реактор подают газообразные реагенты. Труба 23 соединяет подающую трубу с распределительными трубами 19 самых дальних от центра теплообменников 13 каждой группы теплообменников, состоящей из трех теплообменников, расположенных в одной радиальной плоскости.
Кроме того, в каждой состоящей из трех лежащих в одной радиальной плоскости теплообменников группе труб 20, в которых собираются проходящие через теплообменник газы, напрямую соединены с распределительными трубами 19 теплообменников, которые расположены ближе к центру реактора. Такое соединение выполняется по типу гидравлического соединения "голова к хвосту" и осуществляется, как показано на соответствующих чертежах, соединением патрубков 22 труб, в которых собираются прошедшие через теплообменники газы, с патрубками 21 распределительных труб соседних теплообменников.
Открытые верхние концы труб 22, в которых собираются прошедшие через самые близкие к центру теплообменники 13 блочного (сборного) теплообменника 12 газы, расположены в верхней части корпуса 2 (по существу у его верхнего днища 4), из которой предварительно подогретые или охлажденные в теплообменниках 13 газообразные реагенты попадают в кольцевое пространство 9 между корпусом и корзиной 17 и в радиальном направлении проходят через слой находящегося в корзине катализатора.
Рассмотренный выше блочный теплообменник для изотермического реактора обладает еще одним существенным преимуществом. Очевидно, что в зоне, в которой расположена кольцевая распределительная труба 23, можно разместить еще как минимум две кольцевые трубы 24, 25 для распределения подаваемого в теплообменник текучего теплоносителя (в частности и предпочтительно газообразных реагентов), соединив их с теплообменниками 13 других кольцевых групп. Соединить эти кольцевые трубы предпочтительно с выполненными в виде гидравлического соединения "голова к хвосту" соединениями трех объединенных в одну группу теплообменников 13, расположенных в одной и той же радиальной плоскости.
Позициями 24а и 25а на чертеже обозначены трубы, по которым текучий теплоноситель подается снаружи в расположенные внутри реактора кольцевые трубы 24 и 25 соответственно.
Такая конструкция позволяет подавать "свежий" текучий теплоноситель в теплообменники 13, расположенные в промежуточных кольцевых зонах блочного (сборного) теплообменника, и регулировать соответствующим образом распределение температуры в слое катализатора.
На фиг.10 показан еще один вариант выполнения предлагаемого в изобретении изотермического реактора, в котором, в частности, но не исключительно, в качестве текучего теплоносителя используется вода или осуществляется предварительный подогрев (либо охлаждение) газообразных реагентов, реакция между которыми происходит в другом реакторе. Элементы реактора, выполненного по этому варианту, не отличаются от элементов реактора, показанного на фиг.1, и поэтому обозначены теми же, что и на фиг.1, позициями.
В этом варианте осуществления изобретения в зоне, в которой расположены кольцевые трубы 23, 24 и 25, предназначенные для распределения подаваемого в теплообменник текучего теплоносителя, расположена кольцевая труба 26 (кольцевой коллектор), которая предназначена для вывода из предлагаемого в изобретении блочного (сборного) теплообменника всего прошедшего через него текучего теплоносителя. Для этого кольцевую трубу 26 соединяют с одной стороны через патрубки 22 ближайших к оси теплообменников 13 со всеми трубами 20, а с другой стороны - с трубой 26а, на выходящем из изотермического реактора наружу конце которой расположен "выходной" патрубок 27. Как уже было отмечено выше, газообразные реагенты подают в реактор 1 через верхний патрубок 5.
Находящийся в реакторе катализатор можно выгрузить из него, не демонтируя пластинчатых теплообменников 13, через нижнюю стенку 28 корзины 7, которая имеет выпуклую в направлении внутренней полости корзины форму. Для этого на нижней стенке 28 корзины рядом с ее внешней стенкой выполнены отверстия 29 (на фиг.10 показано только одно такое отверстие), которые соединены с расположенными на днище 3 реактора патрубками 30.
В заключение следует отметить, что в рассмотренные выше варианты осуществления изобретения можно вносить различные изменения и усовершенствования, не выходя при этом за объем изобретения, определяемый его формулой.
Реферат
Блочный теплообменник для радиальных или радиально-осевых изотермических реакторов имеет по существу кольцевую и цилиндрическую конструкцию с осевым проходным отверстием определенного диаметра и состоит из множества по существу прямоугольных сплющенных коробчатых теплообменников, расположенных в нескольких имеющих общую ось концентричных зонах и образующих в блочном теплообменнике множество по существу радиальных групп, состоящих из лежащих в одной радиальной плоскости и в разных кольцевых зонах теплообменников, длинные стороны которых проходят параллельно оси блочного теплообменника, а короткие стороны проходят в радиальном направлении, и каждый такой теплообменник имеет внутреннюю полость, через которую проходит текучий теплоноситель, по меньшей мере одну расположенную на одной стороне теплообменника трубу для распределения подаваемого в него текучего теплоносителя и по меньшей мере одну расположенную на противоположной стороне теплообменника трубу, в которой собирается прошедший через теплообменник текучий теплоноситель. Указанные трубы соединены с одной стороны с внутренней полостью теплообменника по меньшей мере через одно имеющееся в них отверстие, а с другой стороны - с расположенными снаружи патрубками для подачи в теплообменник и отвода из него текучего теплоносителя. Технический результат - обеспечение течения текучего теплоносителя в радиальном направлении наряду с осевым направлением. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 10 ил.
