Трубчатый теплообменник и установка, в частности реактор для производства меламина, содержащая такой теплообменник - RU2675952C2

Чертежи

Описание

Предложенное изобретение относится к трубчатому теплообменнику и к установке, содержащей такой теплообменник.

Установка состоит, в частности, из химического реактора и, более конкретно, из химического реактора для производства меламина.

Известно, что меламин получают посредством пиролиза мочевины в соответствии с общей реакцией (1):

которая, как известно, является эндотермической реакцией, сопровождающейся сильным поглощением тепла.

Процессы синтеза меламина из мочевины разделяют на две различные группы: процессы пиролиза мочевины, осуществляемые при высоком давлении, и процессы пиролиза мочевины, осуществляемые при низком давлении.

Оба эти процесса обычно осуществляют в реакторах, в которые подают поток мочевины в расплавленном состоянии. Предпочтительно в реактор также подают поток аммиака.

В процессах под высоким давлением реакционную камеру поддерживают под давлением свыше 60 бар и обеспечивают наличие в ней нагревательных средств, поддерживающих реакционную систему при температуре около 360°С - 450°С.

В известных реакторах, как в процессах под высоким давлением, так и под низким давлением, нагревательные средства состоят из пучка труб, через которые проходит текучая среда-теплоноситель, например расплавленные соли, обычно, полученные из смеси нитратов и нитритов из натрия и калия.

При обычном процессе, осуществляемом под высоким давлением, пучок труб содержит трубную решетку, прикрепленную к оболочке реактора и ограничивающую вместе с ним реакционную камеру 140.

Как показано на сопроводительных фиг. 1 и 3, каждая труба 100 из пучка, или ее часть, если она выполнена с U-образной формой или в виде змеевика, отдельно прикреплена к трубной решетке 101 сварным швом 102, который может быть стыковым сварным швом (фиг. 1), или швом, выполненным на переходном участке, расположенном между поверхностью трубной решетки, обращенной к внутренней части реакционной камеры 140, и наружной боковой поверхностью каждой трубы (фиг. 3).

Конец каждой трубы 100, находящийся внутри реакционной камеры, закрыт специальной заглушкой 107*, которая может иметь простую форму в виде перевернутой чаши, Т-образную форму (как показано на фиг. 1) или любую другую форму, подходящую для этой цели.

В этом отношении необходимо отметить, что различные типы заглушек 107*, из кратко перечисленных выше, показаны на сопроводительных чертежах.

В частности, на фиг. 1, только с иллюстративной целью, показаны в увеличенном виде два типа заглушек 107*.

Внутри каждой трубы 100 свободно и соосно с ней вставлен трубопровод 104, открытый с двух противоположных концов, причем внутренний канал в каждом трубопроводе 104 и промежуточное пространство между ним и соответствующей трубой 100 ограничивают тракты (снаружи и внутри) для прохождения расплавленных солей.

Как схематически представлено на фиг. 1 и 3, вторая секция 100b труб 100 и конец соответствующего трубопровода 104, выступающий из трубы, соответственно присоединены ко второй трубной решетке 110 и третьей трубной решетке 111, которые определяют каналы, предназначенные для распределения и сбора расплавленных солей.

Указанное соединение выполнено сваркой, развальцовкой или любым другим соответствующим способом.

В частности, в случае, показанном на фиг. 1, где труба 100 прикреплена к трубной решетке 101 стыковым сварным швом на внутренней стороне реакционной камеры, соединение между трубной решеткой 101 с наружной стороны реакционной камеры и трубной решеткой 110, которые определяют каналы, предназначенные для распределения и сбора расплавленных солей, выполнено посредством секции 100с трубы, присоединенной к двум решеткам сваркой, развальцовкой или любым другим соответствующим способом.

Различные элементы, находящиеся в контакте с технологической текучей средой в реакционной камере 140 (трубная решетка и трубы), выполнены из материалов с высокой резистивностью к коррозии, так как они вынуждены контактировать с реакционной системой с жесткими эксплуатационными условиями.

В типичном случае такие элементы выполнены из сталей или специальных сплавов, таких как, например никельмолибденохромовый сплав Hastelloy® С276, С22, сплав А 59, сплав Inconel 625.

В частности, трубная решетка 101 может быть выполнена из единого материала, устойчивого к воздействию условий реакционной камеры, или может быть выполнена из менее благородного материала 101а*, покрытого материалом 101b*, который требуется для данных эксплуатационных условий.

Это покрытие может быть выполнено посредством заполнения материала или другим известным способом покрытия. Помимо этого, различные элементы совместно закреплены сваркой.

Как известно, сварку выполняют локальным плавлением полос, привариваемых с присадочным металлом или без него, имеющим те же свойства, что и основной металл двух соединяемых элементов. Такая расплавленная масса создает постоянное соединение двух элементов по существу с целостностью материала.

В типичном случае, трубы 100 распределены вдоль концентрических окружностей вокруг трубопровода 141 с циркулирующей в нем реакционной массой, который, как правило, находится в центре реакционной камеры 140. В типичном случае, но необязательно, реакционная масса циркулирует в нисходящем направлении в центральном трубопроводе и, соединяясь с массой расплавленной мочевины, предпочтительно, при подаче аммиака, выходит, например, из специальных отверстий в области, максимально близкой к трубной решетке, входящей в контакт с трубами 100 из пучка труб, в области соединения с трубной решеткой в направлении, поперечном трубам 100, для возврата в межтрубные промежутки.

Помимо этого, даже в случае обратной циркуляции секция труб 100, близкая к трубной решетке 101, все еще соударяется с текучей средой, циркулирующей в направлении, поперечном самим трубам.

Как известно, удар текучей среды о поверхность вызывает эрозионное изнашивание самой поверхности, которое увеличивается, когда угол соударения приближается к 90°.

Обследования, проведенные на пучках труб, конструктивно выполненных в соответствии с существующим уровнем техники, показали, что трубы 100 из пучка труб подвергаются эрозионному изнашиванию в участке соударения с циркулирующей текучей средой.

При более тщательном анализе вышеуказанного явления было отмечено, что трубы из пучка, распределенные вдоль самых внутренних окружностей, максимально близких к выходу циркулирующей массы из центрального трубопровода 141, подвергаются большему эрозионному изнашиванию по сравнению с трубами, распределенными вдоль самых дальних от центра окружностей.

Во время указанных обследований также было отмечено, что на сварных швах обнаружены признаки усталости, обусловленные вероятно вибрациями, которые могут возникать в определенных режимах турбулентного движения.

Также, следует отметить, что указанные сварные швы выполнены между поверхностями с различной толщиной, в частности, большой разницей по толщине, и, соответственно по массе, между трубой и трубной решеткой, что в результате приводит к значительному различию в продолжительности нагревания, плавления и охлаждения во время выполнения сварного шва между двумя рассматриваемыми поверхностями. Это обстоятельство может вызывать возникновение внутренних напряжений в самом материале (например, для сваривания наружной стенки трубы с трубной решеткой, количество тепла, необходимое для плавления поверхности трубной решетки, должно быть таким, чтобы оплавление на стенке трубы доходило до ее внутренней поверхности).

Таким образом, область сварки подвержена механическим напряжениям и, при контакте с агрессивной смесью (например, расплавленными солями в присутствии разрушающих веществ, таких как NaOH), может подвергаться межкристаллической эрозии.

Известно, что для устранения недостатка, заключающегося в перегреве, вызванном в трубе/трубной решетке стыковой сваркой при наличии различной толщины и, соответственно, массы, выполняют ножку 108 с толщиной, равной толщине трубы, посредством механической обработки поверхности 101b* трубной решетки (см. фиг. 3).

Однако в этом случае было установлено, что в дополнение к тому факту, что расплавленный материал находится в непосредственном контакте с нагревающей текучей средой (например, расплавленными солями) в самой ножке остаются значительные напряжения, обусловленные механической обработкой, которая необходима для ее выполнения, способствующие возникновению межкристаллитной коррозии.

Также следует отметить, что после соединения сваркой различных элементов (решетка и теплообменные трубы), практически невозможно подвергнуть весь пучок термической обработке для устранения внутренних напряжений, возникающих либо при механической обработке, либо от воздействия локализованного нагревания с последующим охлаждением и сжатием материала, например, термической обработке с отжигом, с повторным растворением или нормализацией.

Таким образом, является очевидным, что в случае возникновения утечки через сварной шов 102 решетки/трубы, показанный на фиг. 1, либо вследствие прямой утечки через сварной шов, либо вследствие межкристаллитной коррозии участка трубы и/или ножки в случае сварного шва, показанного на фиг. 2, либо вследствие межкристаллитной коррозии бокового участка трубы, расположенного рядом со сварным швом 102а, показанным на фиг. 3, при условии нахождения реакционной камеры и нагревательного контура под различными давлениями, указанная утечка приведет к контакту двух различных текучих сред.

В частности, если реакционная камера работает под давлением, превышающим давление нагревательного контура, то технологическая текучая среда, например, меламин и аммиак, поступает в нагревательный контур, создавая избыточное давлении во всем нагревательном контуре с опасностью возникновения взрыва.

Целью изобретения является устранение вышеупомянутых недостатков предшествующего уровня техники (например, эрозионного изнашивания и наличия сварных швов между элементами различной толщины) посредством выполнения трубчатого теплообменника и установки, содержащей такой теплообменник, в частности, реактора для производства меламина, с улучшенной конструкционной прочностью и обеспечением возможности для устранения явления эрозионной изнашиваемости участка труб, расположенного около трубной решетки.

Другой целью изобретения является выполнение трубчатого теплообменника и установки, в частности, реактора для производства меламина, содержащей такой теплообменник, который может снизить риски образования трещин и изломов.

В частности, целью изобретения является снижение рисков образования трещин и изломов в теплообменных трубах с соответствующим снижением риска возникновения контакта и возможно реакции/взрыва между текучей средой, циркулирующей в теплообменных трубах, и материалом внутри реакционной камеры, независимо от того будет это текучая среда, которая должна быть нагрета/охлаждена, или реакционная система, соударяющаяся снаружи непосредственно с трубами.

Эти и другие цели достигаются посредством трубчатого теплообменника и установки, в частности, реактора для производства меламина, в соответствии с независимыми пунктами прилагаемой формулы изобретения.

Главной идеей, положенной в основу изобретения, является обеспечение для каждой трубы по меньшей мере одного рукава, открытого с противоположных концов и прикрепленного к указанной трубной решетке, а также к указанной трубе, причем рукав расположен в отверстии и плотно установлен на трубе у секции, проходящей сквозь толщину трубной решетки.

Рукав, предпочтительно, присоединен к трубной решетке сварным швом, расположенным в теплообменной камере.

Такое решение, преимущественно, позволяет получить уплотнение между трубной решеткой и рукавом, способное предотвратить утечку текучей среды, содержащейся в реакционной камере, в приграничную область между наружной стенкой рукава и стенкой сквозного отверстия решетки. При возникновении такой утечки реагент, содержащийся в реакционной камере, может достичь части решетки, которая не является устойчивой к воздействию условий реакционной камеры, поскольку она обычно выполнена из менее благородного материала.

Подробнее, в случаях использования реакторов для производства меламина, такая утечка будет приводить к коррозии и, соответственно, к быстрому повреждению трубной решетки.

Предпочтительно, между трубой и рукавом и/или между рукавом и трубной решеткой предусмотрено только одно место соединения.

Преимущественно, полученное таким образом соединение может выдерживать различные тепловые расширения, которые возможно могут испытывать закрепленные компоненты, например, в реакторах для производства меламина.

В таких реакторах во время начальной стадии нагревания, а именно начиная с пустого реактора, могут достигаться очень разные скорости нагревания элементов, что в свою очередь вызывает различные скорости их расширения.

Такие различия обусловлены тем, что начиная с пустого реактора, когда каждый элемент находится при температуре значительно меньшей, чем температура реакции, через теплообменную трубу проходят расплавленные соли, имеющие очень высокую температуру, что вызывает быстрый нагрев трубы.

В противоположность этому, рукав, нагреваясь трубой, в свою очередь нагревает трубную решетку так, что она достигает температуры реакции намного медленнее.

Соответственно, трубная решетка достигает температуры реакции с дополнительной задержкой, поскольку ее прогревание происходит через рукав.

Таким образом, было выявлено, что преимущественным является выполнение лишь одного места соединения между парами элементов (труба-рукав и/или рукав-решетка), чтобы не препятствовать относительному расширению между соединенными элементами.

Кроме того, рукав выступает за первую поверхность трубной решетки, так что первый открытый конец рукава заканчивается внутри указанной теплообменной камеры.

Другой целью настоящего изобретения, дополнительно к вышеуказанному теплообменнику, также является установка, содержащая такой теплообменник.

Таким образом, как можно будет увидеть более подробно дальше, устраняются проблемы, относящиеся к известным техническим решениям. Дополнительные преимущественные свойства являются предметом пунктов прилагаемой формулы изобретения, которые считаются неотъемлемой частью этого текста.

Это изобретение становится более понятным при рассмотрении сопроводительных чертежей, на которых:

на фиг. 1-3 изображены рассмотренные выше технические решения, относящиеся к уровню техники;

на фиг. 4 изображен схематический разрез реактора, выполненного с предложенным теплообменником по первому варианту выполнения;

на фиг. 5 изображен схематический разрез реактора, выполненного с предложенным теплообменником по второму варианту выполнения.

В соответствии с предложенным изобретением и со ссылкой на фиг. 4 и 5, сначала будут рассмотрены основные признаки, общие для двух вариантов выполнения (1 и 1А).

В соответствии с настоящим изобретением трубчатый теплообменник 1 и 1А содержит трубную решетку (101), имеющую первую поверхность 101а, которая в условиях эксплуатации обращена к внутренней части теплообменной камеры 140, и вторую поверхность 101b, противоположную указанной первой поверхности 101а, и которая в условиях эксплуатации обращена наружу от указанной теплообменной камеры (140).

В трубной решетке 101 выполнено по меньшей мере одно сквозное отверстие 103, проходящее через толщину указанной трубной решетки 101 к противоположным поверхностям 101а и 101b.

Преимущественно, для вышеуказанных целей отверстие 103 расположено в рукаве 200, открытом у противоположных концов и прикрепленном к трубной решетке 101.

Внутри рукава 200, предпочтительно по существу соосно, размещена теплообменная труба 100, которая, соответственно, проходит через сквозное отверстие 103 в камеру 140.

Труба 100 может сообщаться, по существу известным способом, с контуром для подачи текучей среды-теплоносителя.

Таким образом, рукав 200 прилегает к трубе 100 у секции, проходящей через толщину трубной решетки 101.

Затем рукав 200 проходит за первую поверхность 101а решетки 101, так что первый открытый конец рукава 200 заканчивается внутри камеры 140.

Такое решение, преимущественно, обеспечивает возможность устранения явления эрозионного изнашивания в области воздействия текучей среды, циркулирующей внутри камеры 140, так как часть рукава 200, выходящая за первую поверхность 101а, защищает трубу 100.

Преимущественно, в этом смысле, рукава 200 проходят от первой поверхности 101а на длину, равную или превышающую высоту радиальных отверстий циркуляционного трубопровода.

Необходимо отметить, что, преимущественно, рукав 200 прикреплен сваркой или к трубной решетке 101, или к трубе 100, либо и к тому и другому.

В обоих вариантах выполнения 1 и 1а крепление рукава 200 либо к решетке 101, либо к трубе 100 выполнено сваркой, но, в более общем случае, по меньшей мере одно из этих креплений может отличаться и быть выполнено, например, посредством фланцованных соединений или подобных им.

Едва ли необходимо отмечать, что в обоих вариантах выполнения 1 и 1а сварные швы между трубой 100 и трубной решеткой 101 вообще отсутствуют, так как рукав 200 полностью расположен между ними.

Такое решение, с точки зрения вышеуказанных целей, обеспечивает возможность устранения проблем, возникающих между сварными швами материалов с различной толщиной, и устранения, тем самым, связанных с ними других проблем, которые не будут рассмотрены с целью краткости изложения.

В частности, такая конструкция является особенно преимущественной, если толщина рукава 200 меньше толщины решетки 101 и, предпочтительно, равна или меньше, чем толщина стенки трубы 100.

Что касается второго открытого конца рукава 200, а именно конца, обращенного наружу от камеры 140, то, в общем, возможны разные ситуации.

В некоторых вариантах выполнения второй открытый конец заканчивается заподлицо со второй поверхностью 101b решетки 101, тогда как в других предпочтительных решениях рукав 200 выступает за вторую поверхность 101b решетки 101 так, что второй открытый конец заканчивается снаружи камеры 140 на определенном расстоянии от поверхности 101b.

Если сравнивать варианты выполнения 1 и 1а, то общим для них является то, что рукав 200 приварен к решетке 101 первым сварным швом 105, выполненным между участком корпуса рукава 200 и краем отверстия 103 со стороны первой поверхности 101а решетки 101. Таким образом, первый сварной шов расположен в теплообменной камере 140.

Различие этих двух вариантов выполнения заключается в расположении второго сварного шва, а именно, шва который скрепляет совместно рукав 200 и трубу 100. В первом варианте выполнения 1 второй сварной шов выполнен между первым открытым концом рукава 200 и смежным участком наружной боковой поверхности указанной трубы 100 с обеспечением расположения второго шва в камере 140. Вместо этого во втором варианте выполнения 1а второй сварной шов выполнен между вторым открытым концом рукава 200 и смежным участком наружной боковой поверхности указанной трубы 100 с обеспечением расположения второго шва снаружи камеры 140.

Оба теплообменника 1 и 1а в соответствии с настоящим изобретением расположены в теплообменной установке, также содержащей стенку корпуса, при этом трубная решетка 101 расположена так, что она совместно с корпусом ограничивает теплообменную камеру 140, а первая поверхность 101а трубной решетки 101 является поверхностью, обращенной внутрь камеры 140.

Более подробно, установка содержит по меньшей мере одно входное отверстие для подачи мочевины в расплавленном состоянии, находящейся под давлением и, предпочтительно, при температуре 135°-145°С, во внутреннюю часть указанной теплообменной камеры 140, которая практически является реакционной камерой, предназначенной для пиролиза мочевины с образованием меламина.

Обратимся теперь к фиг. 4 и 5, на которых показаны варианты выполнения 1 и 1а. Необходимо отметить, что для удобства одинаковые компоненты теплообменника и реактора, показанные на фиг. 1-3, которые были рассмотрены выше и повторно обсуждены не будут, обозначены одинаковыми ссылочными позициями.

Для более полного понимания настоящего изобретения сделана специальная ссылка на соединение труб 100 с трубной решеткой 101. В соответствии с настоящим изобретением обеспечено наличие рукавов 200, выполненных предпочтительно из того же материала, что и трубы, и плотно установленных на трубах 100 по меньшей мере у трубной решетки 101.

Рукава 200 имеют толщину, подобную, или, предпочтительно, равную, или, более предпочтительно, меньшую, чем толщина самих труб 100.

Более подробно, через толщину трубной решетки 101 проходит множество отверстий 103, внутри каждого из которых вставлен соответствующий рукав 200, открытый с противоположных концов, один из которых проходит за поверхность 101а трубной решетки 101, обращенной к внутренней части реакционной камеры 140, а другой конец, в этом примере, заканчивается заподлицо с противоположной поверхностью 101b решетки 101 (фиг. 4) или, как во втором варианте выполнения 1а (фиг. 5), выступает за нее.

Внутрь каждого рукава 200 вставлена соответствующая труба 100, проходящая за пределы противоположных концов рукава 200, соответственно, первой секцией 100а во внутреннюю часть реакционной камеры 140 и второй секцией 100b наружу от камеры.

Более подробно, каждый рукав 200 прикреплен к трубной решетке 101 первым сварным швом 105, выполненным в переходной зоне между поверхностью 101а трубной решетки, обращенной внутрь реакционной камеры 140, и наружной боковой поверхностью каждого рукава 200, ограничивая тем самым промежуточное пространство 201 между секцией рукава, заканчивающейся снаружи реакционной камеры, и трубной решеткой.

Таким образом, преимущественно, в случае утечки из области 105 сварки это будет утечка технологической текучей среды через промежуточное пространство 201, сообщающееся с внешней стороной пучка труб, находящейся в атмосферной области и, соответственно, без какой-либо опасности возникновения контакта между технологической текучей средой и нагревающей текучей средой.

Труба 100 прикреплена к соответствующему рукаву 200 вторым сварным швом 106, выполненным у конца рукава 200, проходящего внутрь реакционной камеры 140, и у соответствующего участка наружной боковой поверхности первой секции 100а трубы 100, которая проходит снаружи рукава 200 внутрь реакционной камеры 140. В этом случае также является очевидным, что в случае утечки через участок 106 сварки это будет утечка технологической текучей среды через промежуточное пространство 201а, сообщающееся с внешней стороной пучка труб, находящейся в атмосферной области и, соответственно, без какой-либо опасности возникновения контакта между технологической текучей средой и нагревающий текучей средой.

Рукава 200, поддерживающие трубы 100, имеют участок 200а, проходящий внутрь реакционной камеры на такую длину, которая защищает поверхность труб 100 от явления эрозионного изнашивания, вызываемого воздействием текучей среды, циркулирующий внутри реакционной камеры.

Специалистом может быть легко выбрана точная длина такого участка 200а с учетом существующих основополагающих принципов и в зависимости от конкретного геометрического построения реактора без отклонения тем самым от объема правовой охраны настоящего изобретения.

В некоторых вариантах выполнения рукава, поддерживающие трубы 100, расположенные в области, максимально близкой к циркуляционному трубопроводу, имеют длину, превышающую длины рукавов, поддерживающих удаленные от центра трубы 100, которые могут быть короче, чтобы не препятствовать теплообмену.

В других вариантах выполнения вместо этого все рукава 200 могут иметь одинаковую длину.

Для варианта, показанного на фиг. 5, также справедливым остается то, что рассмотренные выше одинаковые компоненты, которые повторно не будут обсуждены, обозначены одинаковыми ссылочными позициями.

В этом варианте второй сварной шов (обозначенный ссылочной позицией 107) для соединения между трубой 100 и рукавом 200 выполнен между концом рукава 200, выступающим из поверхности 101b трубной решетки 101 снаружи реакционной камеры и, таким образом, в атмосферной области, и соответствующим участком секции 100b трубы 100, проходящим снаружи рукава.

Циркуляционный контур для нагревающей/охлаждающей текучей среды в данном случае повторно рассмотрен не будет, поскольку он не подвергался изменениям по сравнению с уровнем техники.

В заключение, что касается заглушек, то они могут относиться к известному типу, описанному выше. Использование конкретного типа заглушки выполняют с учетом того, что она не оказывает влияния на то, чтобы было изложено до сих пор.

В этом отношении следует лишь отметить, что такие заглушки обычно присоединяют к трубам 100 или сваркой (например, чашеобразные заглушки), или посредством принудительного введения с последующей сваркой (например, Т-образные заглушки). На сопроводительных чертежах показано несколько типов заглушек, соединенных с трубопроводами 100 произвольно для понимания того, что они могут быть использованы различными способами.

Реферат

Настоящее изобретение относится к трубчатому теплообменнику, содержащему трубную решетку (101), имеющую первую поверхность, которая в условиях эксплуатации обращена внутрь теплообменной камеры (140), и вторую поверхность, которая противоположна указанной первой поверхности и в условиях эксплуатации обращена в наружном направлении от указанной камеры (140), по меньшей мере одно сквозное отверстие (103), проходящее через толщину указанной трубной решетки (101), и по меньшей мере одну теплообменную трубу (100), проходящую через указанное сквозное отверстие (103) и функционально связанную с контуром для подачи текучей среды-теплоносителя. Теплообменник дополнительно содержит по меньшей мере один рукав (200), открытый с противоположных концов и прикрепленный к указанной трубной решетке (101), а также к указанной трубе (100), причем указанный рукав (200) расположен в указанном отверстии (103) и плотно установлен на указанной трубе (100) на ее секции, проходящей сквозь толщину трубной решетки (101). Указанный рукав (200) выступает за первую поверхность трубной решетки (101), так что первый открытый конец рукава оканчивается внутри теплообменной камеры (140). Настоящее изобретение также относится к установке, содержащей указанный теплообменник. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

Формула