Псевдоизотермический каталитический реактор и блочный теплообменник для проведения экзотермических и эндотермических химических реакций - RU2279307C2

Чертежи

Описание

Настоящее изобретение относится к псевдоизотермическому реактору для проведения экзотермических и эндотермических гетерогенных реакций по существу с цилиндрическим корпусом, закрытым с противоположных концов днищами, по меньшей мере одно из которых имеет по меньшей мере один люк с отверстием определенных размеров, и расположенной внутри корпуса реакционной зоной со слоем катализатора, в которой расположен блочный теплообменник. Изобретение относится, в частности, к блочному теплообменнику для псевдоизотермических реакторов описанного выше типа по меньшей мере с одним погруженным в слой катализатора теплообменником.

Как известно, для проведения каталитических экзотермических или эндотермических реакций обычно используют так называемые адиабатические реакторы, т.е. реакторы, в которых реакция протекает без всякого теплообмена, а температура реакции увеличивается или снижается в зависимости от того, является ли реакция экзотермической или эндотермической.

Реакторы такого типа экономичны и просты по конструкции из-за отсутствия в них каких-либо дополнительных, кроме необходимых для размещения слоя катализатора, элементов или устройств.

Такие реакторы, однако, обладают и одним весьма существенным недостатком, заключающимся в невозможности регулирования температуры реакции, которая в целом ряде случаев либо может меняться только в очень узких пределах, либо вообще должна оставаться постоянной.

Для решения этой проблемы, которая особенно остро стоит при проведении высокоэкзотермических или эндотермических реакций, были предложены адиабатические реакторы, в которых слой катализатора разделен на множество адиабатических ступеней, расположенных вдоль оси реактора и разделенных теплообменными системами или блочными теплообменниками.

Такие блочные теплообменники позволяют выравнивать и поддерживать на заданном уровне температуру газообразных реагентов и продуктов реакции на выходе адиабатической ступени и тем самым соответствующим образом регулировать температуру каждой адиабатической ступени. В таких реакторах, однако, слой катализатора используется не оптимально, а скорость протекающей в нем реакции далека от максимальной.

Под "максимальной скоростью реакции" понимается такая скорость реакции, которая соответствует максимальному выходу катализатора, или скорость реакции, которая при одном и том же конверсионном выходе позволяет использовать минимальный объем катализатора.

Помимо адиабатических реакторов были также предложены и так называемые изотермические или псевдоизотермические каталитические реакторы, т.е. реакторы, в которых температуру реакции регулируют путем непрерывного теплообмена в слое катализатора. Для регулирования температуры в реакторах такого типа обычно используют погруженные в слой катализатора крупные кожухотрубчатые теплообменники. По трубам теплообменников прокачивают соответствующий жидкий теплоноситель - охлаждающую или нагревающую жидкость. Помимо таких реакторов известны и реакторы с катализатором, которым изнутри заполнены теплообменные трубки трубного пучка, нагреваемые или охлаждаемые снаружи соответствующим текучим теплоносителем.

При всех своих многочисленных преимуществах, в частности возможности проведения реакции при практически постоянной температуре, известные в настоящее время псевдоизотермические реакторы не только имеют достаточно сложную конструкцию, но и обладают и еще одним подробно рассмотренным ниже существенным недостатком, присущим, причем даже в большей степени, и адиабатическим реакторам.

Известно, что по истечении определенного периода эксплуатации реакторы, в частности адиабатические реакторы, признаются непригодными для дальнейшей работы из-за износа или технологических проблем, возникающих в аппаратах и устройствах, расположенных внутри наружного корпуса реактора, который на этот момент по-прежнему остается достаточно прочным и технологически пригодным для дальнейшей эксплуатации.

Наиболее дорогостоящей и сложной в изготовлении частью каталитического реактора вне зависимости от того, является ли он адиабатическим или псевдоизотермическим, является, как известно, его закрытый соответствующими днищами наружный корпус, и именно с этим и связана существующая в настоящее время потребность или скорее желание в повторном использовании наружного корпуса реактора после демонтажа отработавшего свой срок внутреннего оборудования реактора и его замены новым и более совершенным по конструкции и по параметрам оборудованием.

Кроме того, что в первую очередь относится к псевдоизотермическим реакторам, в настоящее время все более и более острой становится проблема повышения производительности, выхода и эффективности существующих реакторов путем замены внутреннего оборудования работающего реактора на более совершенное.

Иными словами, в настоящее время существует необходимость в реконструкции каталитических реакторов упомянутого выше типа (и адиабатических, и псевдоизотермических), которые иначе должны быть признаны либо полностью непригодными для дальнейшей эксплуатации, либо неспособными более работать с необходимой эффективностью, и создания на их базе соответствующих высокоэффективных псевдоизотермических реакторов.

Однако в настоящее время такая реконструкция или модернизация существующих каталитических реакторов обычно считается крайне сложной, экономически нецелесообразной и по существу невозможной.

Действительно, подлежащее замене оборудование и различные расположенные в корпусе реактора устройства, которые или полностью износились, или пришли в непригодное для дальнейшей эксплуатации состояние, в частности блочные теплообменники с большим количеством образующих крупногабаритный и сложный по конструкции трубный пучок с закрепленными в противоположных трубных решетках концами труб, имеют такие размеры, что для их размещения внутри корпуса восстанавливаемого реактора необходимо, например, предварительно отрезать от корпуса по меньшей мере одно днище, а затем выполнить очень трудоемкую и сложную работу по установке днища на место, которая часто сопровождается некоторым снижением работоспособности и конструктивных качеств реактора.

В основу настоящего изобретения была положена задача разработать теплообменник для псевдоизотермических каталитических реакторов, который по своим конструктивным и технологическим особенностям позволял бы решить упомянутые выше проблемы и соблюсти упомянутые выше требования.

Эта задача решается в предлагаемом в изобретении псевдоизотермическом реакторе, имеющем по существу цилиндрический корпус, закрытый с противоположных концов соответствующими днищами, по меньшей мере одно из которых имеет по меньшей мере один люк с отверстием, диаметр которого меньше диаметра корпуса. Внутри корпуса расположена зона реакции со слоем катализатора. Вышеуказанная задача решается за счет того, что реактор имеет по меньшей мере два расположенных в зоне реакции модульных и собранных теплообменника, размеры поперечного сечения которых меньше размеров отверстия люка и каждый из которых имеет по меньшей мере один пластинчатый теплообменный элемент.

Объектом изобретения является также блочный теплообменник для псевдоизотермических реакторов описанного выше типа, состоящий по меньшей мере из двух модульных и собранных теплообменников, конструктивно выполненных, как указано выше.

В частных вариантах выполнения предлагаемых в изобретении реактора и блочного теплообменника по меньшей мере один используемый в них теплообменный элемент может состоять из двух прилегающих и соединенных между собой в соответствующих местах сварными швами металлических пластин, между которыми остается свободное пространство определенной ширины.

По меньшей мере два вышеупомянутых теплообменника в сборе могут образовывать блочный теплообменник цилиндрической формы, наружный диаметр которого равен внутреннему диаметру корпуса и который имеет центральное отверстие, диаметр которого позволяет использовать его в качестве люка или лаза. В этом случае в конструкции может быть предусмотрена центральная труба, расположенная в центральном отверстии блочного теплообменника.

Предлагаемый в изобретении блочный теплообменник может состоять по меньшей мере из двух блоков теплообменников цилиндрической формы, расположенных друг в друге и состоящих из расположенных концентрично на одной оси элементов.

Пластины, из которых состоит теплообменный элемент, могут быть сварены друг с другом во множестве точек, образующих внутри теплообменного элемента свободное пространство и множество извилистых каналов для движения по ним текучего теплоносителя, которые сообщаются с расположенными на противоположных сторонах элемента входным и выходным патрубками, предназначенными для подвода и отвода текучего теплоносителя. В этом случае каждый теплообменник может состоять из множества теплообменных элементов, соединенных друг с другом и образующих одну жесткую конструкцию. Точки, в которых пластины теплообменного элемента сварены друг с другом, могут быть расположены в шахматном порядке и/или в вершинах квадрата.

Патрубки теплообменных элементов, которые могут быть расположены в каждом теплообменнике радиально, целесообразно крепить к соединяющим их соответственно верхней и нижней трубкам. В этом случае может быть предусмотрено множество коллекторов, которые сообщаются с нижними трубками теплообменников и образуют плоскую решетчатую несущую конструкцию, используемую для крепления блочного теплообменника внутри корпуса реактора.

Другие отличительные особенности и преимущества предлагаемого в изобретении теплообменника более подробно рассмотрены ниже на примере иллюстрирующего, но не ограничивающего объем изобретения варианта его возможного осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи.

На прилагаемых к описанию чертежах показано:

на фиг.1 - схематичный общий вид в аксонометрической проекции псевдоизотермического реактора с предлагаемым в изобретении блочным теплообменником,

на фиг.2 - схематичный вид в увеличенном масштабе в аксонометрической проекции деталей блочного теплообменника, показанного на фиг.1,

на фиг.3 - схематичное изображение в увеличенном масштабе в аксонометрической проекции одной из деталей теплообменника, показанных на фиг.2,

на фиг.4 - схематичный общий вид в аксонометрической проекции псевдоизотермического реактора с блочным теплообменником, выполненным по другому варианту.

Схематично показанный на чертежах и обозначенный позицией 1 псевдоизотермический реактор имеет наружный цилиндрический корпус 2, закрытый с противоположных концов нижним и верхним днищами 3 и 4 соответственно.

Верхнее днище 4 имеет люк 5 с отверстием определенного поперечного сечения.

Внутри корпуса 2 реактора между обозначенными на чертежах позициями 7 и 8 верхней и нижней плоскостями расположена зона 6 реакции со слоем катализатора, который достаточно хорошо известен и поэтому не требует подробного описания.

В зоне 6 реакции расположен обозначенный в сборе позицией 10 блочный теплообменник, который погружен в слой соответствующего катализатора, который на чертеже не показан.

Блочный теплообменник 10 имеет форму полого цилиндра с наружным диаметром, по существу равным внутреннему диаметру корпуса 2, и проходящим вдоль оси цилиндрическим отверстием 30 предпочтительно с достаточно большим диаметром, чтобы его можно было использовать в качестве люка или лаза.

В показанном на фиг.1 варианте блочный теплообменник 10 состоит из трех блоков 9а, 9b, 9с теплообменников 11, которые имеют цилиндрическую форму и состоят из элементов, расположенных концентрично друг в друге на одной оси элементов.

Предлагаемые в настоящем изобретении теплообменники 11 каждого блока 9а, 9b, 9с имеют модульную конструкцию и состоят из отдельных собираемых друг с другом элементов, поперечное сечение которых меньше поперечного сечения отверстия люка 5.

Предлагаемые в этом варианте теплообменники 11 расположены в радиальных плоскостях внутри цилиндрического корпуса реактора и крепятся к нему описанным ниже способом.

Для простоты каждый из показанных на фиг.1 теплообменников 11 схематично изображен состоящим из трех теплообменных элементов 12, детали конструкции которых более подробно показаны на фиг.2 и 3.

Каждый теплообменный элемент 12 предпочтительно имеет форму пластины и состоит (фиг.3) из двух прилегающих друг к другу соединенных между собой по периметру сварными швами 14 металлических пластин 13а, 13b, между которыми остаются определенным образом расположенные по всей площади теплообменного элемента промежутки. В изготовленном таким образом теплообменном элементе между пластинами 13а, 13b имеется свободное пространство 15, через которое во время работы реактора проходит текучий теплоноситель.

В предлагаемом в изобретении теплообменном элементе пластины 13а и 13b соединены между собой, в частности сваркой во множестве точек 16, равномерно распределенных, предпочтительно в шахматном порядке и/или в вершинах квадрата, по всей поверхности теплообменного элемента 12, который по своему внешнему виду после сварки напоминает "стеганое одеяло".

Каждый элемент 12 имеет расположенные предпочтительно с противоположных сторон входной и выходной патрубки 17, 18, через которые проходит упомянутый выше текучий теплоноситель.

Необходимо отметить, что в предлагаемом в изобретении теплообменном элементе 12, состоящем из двух пластин и имеющем множество определенным образом расположенных точек 16, свободное пространство 15 для прохода упомянутого выше текучего теплоносителя образует каналы извилистой формы, которые сообщаются между собой и соответственно с входным и выходным патрубками 17, 18. Такие каналы, которые могут непрерывно и случайным образом менять свое направление, существенно повышают эффективность работы теплообменников 11 и обеспечивают возможность оптимального регулирования температуры реакции.

Входной и выходной патрубки 17 и 18 соответственно теплообменных элементов 12 прочно соединены с верхней и нижней трубками 19, 20 соответственно (фиг.2), которые вместе с приваренными к ним патрубками придают необходимую жесткость всему собранному из отдельных пластинчатых теплообменных элементов теплообменнику 11.

Все верхние трубки 19 всех теплообменников 11 каждого блока 9а, 9b и 9с соединены с изготовленным из согнутой в кольцо трубы распределителем 21 соответствующими трубками, условно обозначенными на чертежах позицией 22. Распределитель 21 расположен на оси блочного теплообменника 10 и соответствующим образом крепится к его корпусу.

Имеющий форму круглого кольца распределитель 21, предназначенный для подвода текучего теплоносителя в теплообменники 11, предпочтительно изготавливать из нескольких согнутых секций, размеры которых позволяют опустить их внутрь корпуса реактора через упомянутый выше люк 5.

Нижние патрубки 20 теплообменников 11 соединены трубками 29 с соответствующими коллекторами 26 и 39.

Коллекторы 26 имеют форму прямой трубы и проходят по радиусу от внутренней стенки корпуса 2 к центральному отверстию 30 блочного теплообменника. В отличие от них коллекторы 39, которые соединяют между собой соседние коллекторы 26 и сообщаются с ними, имеют форму дуги окружности и расположены концентрично друг другу вокруг оси корпуса 2.

Некоторые из теплообменников 11 каждого блока 9b, 9b, 9с, которые расположены в одних и тех же радиальных плоскостях реактора, крепятся к расположенным под ними радиальным коллекторам 26. Другие (не показанные на чертежах) теплообменники 11 крепятся к согнутым по дуге окружности коллекторам 39.

В предпочтительном варианте крепление всего блочного теплообменника 10 внутри корпуса 2 реактора осуществляется с помощью по существу плоской решетчатой несущей конструкции, образованной всем множеством коллекторов 26 и 39. Для этого каждый радиальный коллектор 26, имеющий соответствующие размеры, крепится одним его концом к кольцу 28, расположенному на внутренней стенке корпуса 2 в нижней части зоны 6 реакции, а другим концом - к стенке цилиндрической трубы 27, расположенной в центральном отверстии 30 блочного теплообменника 10. К радиальным коллекторам 26 своими концами крепятся коллекторы 39. На фиг.1 показаны три коллектора 39, соответствующие концы которых приварены к радиальному коллектору 26.

Все коллекторы 26 и 39 соединены через отверстия 31 с центральной трубой 27, в которую из теплообменников 11 попадает проходящий через них текучий теплоноситель.

Имеющий форму круглого кольца распределитель 21 и коллекторы 26 и 39 соединены с соответствующими патрубками, расположенными снаружи на корпусе реактора, при этом, в частности, распределитель 21 соединен подводящей трубой 24 с входным патрубком 23, а прошедший через теплообменники текучий теплоноситель из коллекторов 26 и 39 попадает в отводящий патрубок 25.

Опускаемые по одному внутрь корпуса 2 через упомянутый выше люк 5 теплообменники 11 собираются в группы и крепятся соответствующим образом к коллекторам 26 и 39. Отводящий патрубок 25 целиком закрывается перфорированным защитным элементом 32.

Расположенная в центре реактора труба 27 крепится к корпусу реактора соединенными с ее днищем 43 и установленными на защитном элементе 32 стойками 33.

В соответствии с еще одной отличительной особенностью изобретения каждый теплообменник 11 собирается из сходящихся друг к друг отдельных теплообменных элементов 12, которые после установки теплообменника в корпус 2 реактора располагаются внутри корпуса, а точнее, внутри зоны 6 реакции, в соответствующих радиальных плоскостях (фиг.1).

В показанном на фиг.1 варианте проходящий через теплообменники 11 текучий теплоноситель представляет собой газообразные реагенты, которые протекают через центральную трубу 27. Центральная труба 27 при этом соединяет через отверстия 31 выходные патрубки 18 теплообменных элементов с верхней частью зоны 6 реакции. Газообразные реагенты, которые, как описано выше, попадают в блочный теплообменник 10 по подводящей трубе 24, выходят из теплообменных элементов через выходные патрубки 18 и по трубкам 20 и 29 и радиальным коллекторам 26 попадают в центральную трубу 27.

Соответствующим образом нагретые или охлажденные газообразные реагенты из трубы 27 попадают в зону 6 реакции, проходят через нее по всей ее высоте и выводятся из реактора 1 через отводящий патрубок 25.

Опорой расположенного в зоне 6 реакции слоя катализатора служит слой гранулированного инертного материала. Гранулы инертного материала удерживаются внутри реактора упомянутым выше и закрепленным на днище 3 рядом с отводящим патрубком 25, пропускающим поток газов перфорированным защитным элементом 32.

В нижнем днище 3 корпуса реактора предпочтительно предусмотреть по меньшей мере одно отверстие 34 с патрубком 40 для выгрузки из реактора отработавшего катализатора.

Благодаря наличию в днище реактора отверстий 34 с патрубками 40 операцию по выгрузке катализатора из реактора 1 можно выполнить намного быстрее и проще, чем известным в настоящее время достаточно длительным способом выгрузки катализатора из верхней зоны реактора под действием соответствующего разрежения.

В показанном на фиг.4 варианте проходящим через теплообменники 11 текучим теплоносителем служит среда, которая не участвует в протекающей в реакторе реакции и которой является, например, вода, вода и водяной пар или диатермические жидкости. Такой текучий теплоноситель подают в реактор через входной патрубок 35, соединенный трубой 36 с кольцевым распределителем 21, из которого он, пройдя через теплообменники, попадает описанным выше способом в центральную трубу 27. Центральная труба 27 соединена соответствующей трубой 37 с отводящим патрубком 38, через который текучий теплоноситель выводится из реактора.

В этом варианте реагенты подают в реактор 1 через входной патрубок 23 и после прохождения по всей ее длине через зону 6 реакции выводят из реактора через отводящий патрубок 25.

Необходимо отметить, что при создании описанного выше реактора можно использовать и корпус 2 бывшего в эксплуатации реактора, и корпус существующего псевдоизотермического реактора после его реконструкции и демонтажа находящегося в нем оборудования (реконструкция реактора, признанного непригодным для дальнейшей эксплуатации). Для этой же цели после извлечения из корпуса расположенного в нем оборудования можно использовать и корпус существующего адиабатического реактора (переоборудование адиабатического реактора в псевдоизотермический реактор).

Предлагаемые в настоящем изобретении теплообменники 11 можно легко опустить и смонтировать внутри пригодного для дальнейшей эксплуатации корпуса реактора, заменив ими ранее находившееся в корпусе оборудование.

Необходимо также отметить, что использование предлагаемого в изобретении блочного теплообменника позволяет оптимизировать процесс теплообмена не только в реакторах, создаваемых с использованием бывшего в эксплуатации корпуса, но и после реконструкции реактора или переоборудования адиабатического реактора в псевдоизотермический реактор.

Количество элементов 12 в каждом теплообменнике 11 может быть разным и зависит от размеров поперечного сечения отверстия люка 5, размеров одного элемента 12, а также от расстояния между отдельными элементами 12 теплообменника 11.

Кроме того, в предлагаемом в изобретении реакторе можно использовать теплообменники 11 с разным количеством элементов 12 или с разными по размерам элементами 12.

Расположение сварных точек 16 в элементе 12 может отличаться от регулярного, например в некоторых местах теплообменника может быть расположено много таких точек, а в других местах такие точки вообще могут отсутствовать.

Коллекторы 39 могут иметь не только форму показанных на фиг.1 и 4 дуг окружности, но и форму соединяющих между собой соседние радиальные коллекторы 26 отрезков прямой линии или соответствующую разветвленную форму. В последнем случае на концах коллекторов 26 выполняют отводы, соединяющие коллекторы 26 не только с коллекторами 39, но и с трубками 29.

В не показанном на чертежах варианте, который является альтернативным варианту, показанному на фиг.1, для подачи реагентов из патрубка 23 в центральную трубу 27 используют трубу 24 другой конструкции, которая выполнена таким образом, что текучий теплоноситель, проходящий через отверстия 31 центральной трубы, попадает в блочный теплообменник 10 через трубки 29 и выходит из него по патрубкам 17 в зону 6 реакции, пройдя через которую он выводится из реактора через патрубок 25.

В другом варианте, который является альтернативным варианту, показанному на фиг.4, охлаждающую или нагревающую текучую среду (текучий теплоноситель) подают в блочный теплообменник 10 через патрубок 38 по трубе 37 и центральной трубе 27, а отводят из реактора по трубе 36 через патрубок 35.

В обоих альтернативных вариантах текучая среда движется внутри блочного теплообменника 10 в противотоке к движению реагентов в зоне реакции.

Реферат

Псевдоизотермический реактор по существу с цилиндрическим корпусом, закрытым с противоположных концов соответствующими днищами, по меньшей мере одно из которых имеет по меньшей мере один люк с отверстием, диаметр которого меньше диаметра корпуса, и расположенной внутри корпуса зоной реакции со слоем катализатора, согласно изобретению имеет по меньшей мере два расположенных в зоне реакции модульных и собранных теплообменника, размеры поперечного сечения которых меньше размеров отверстия люка и каждый из которых имеет по меньшей мере один пластинчатый теплообменный элемент. Технический результат - оптимизация процесса теплообмена. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 4 ил.

Формула