КОЖУХОТРУБНЫЙ РЕАКТОР

Техническое решение относится к газофазным химическим реакторам для проведения л неизотермических реакций и может найти применение в химической и нефтехимической промышленности.
Известен кожухотрубный реактор с трубным пучком для проведения каталитических неизотермических реакций в газовой фазе, который состоит из корпуса с крышкой и днищем, труб трубного пучка, закрепленных в трубных решетках, и катализатора в виде зерен или гранул, засыпанных в трубки. Реакционная масса движется по трубам, теплоноситель движется в межтрубном пространстве. Для равномерного распределения теплоносителя по всему поперечному сечению межтрубного пространства, в нем установлены распределительные устройства, представляющие собой пластины с проходным сечением, изменяющимся в радиальном направлении (патент ФРГ №2903582, B01J 8/02, 1980).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится отсутствие распределительного устройства, выравнивающего подачу реакционной массы в трубы трубного пучка, особенно в реакторных процессах с гомогенным или дисперсным катализатором, движущимся в трубах самим потоком реакционной массы, что приводит к неодинаковой степени конверсии и температуры реакционной массы в трубах, локальному перегреву, температурной деструкции сырьевых компонентов и снижению степени конверсии и качеству продуктов реакции на выходе из реактора.
Известен кожухотрубный реактор для проведения эндо- и экзотермических реакций, содержащий корпус, трубные решетки, пучки труб, внутри которых размещен катализатор, технологические патрубки и распределительные устройства, выполненные в виде трубки с щелевыми прорезями в верхней части и установленные внутри каждой трубы у нижнего ее торца, при этом распределительные трубки снабжены подвижными регулируемыми крышками, расположенными над щелевыми прорезями (авт. св. СССР №1134230, B01J 8/00, 1985).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится неодинаковый расход реакционной массы в трубах, так как распределительные устройства в виде трубок, установленные внутри каждой трубы у нижнего ее торца, никак не влияют на выравнивание расхода подаваемого реакционного газа в трубы трубного пучка, что приводит к неодинаковой степени конверсии и температуры реакционной массы, термической деструкции исходных компонентов в сырье и продуктов реакции, снижению степени конверсии и качеству продуктов реакции на выходе.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому объекту по совокупности признаков и принятым за прототип, является кожухотрубный реактор, содержащий корпус, трубные решетки, пучки труб, внутри которых размещен катализатор, технологические патрубки и распределительные устройства, каждое из которых выполнено в виде конической крышки, жестко соединенной упругой цилиндрической пружиной с нижним торцом трубы и установленной осесимметрично с ней, при этом вершина конуса направлена на вход в трубу реакционной массы (описание полезной модели к патенту №133436, РФ, B01J 8/00, 2013).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится ламинарный режим движения реакционного газа в трубах, что приводит к неодинаковому времени пребывания реакционных молекул в реакторе, ухудшает теплопередачу от реакционных газов к теплопередающей боковой поверхности труб, что приводит к термической деструкции сырьевых компонентов и продуктов реакции, снижает степень конверсии и качество этих продуктов на выходе из реактора.
Техническим результатом предлагаемой конструкции кожухотрубного реактора является турбулизация потока реакционного газа в трубах, выравнивания профиля скоростей газа по сечению труб и времени их пребывания в реакторе.
Поставленный технический результат достигается тем, что в кожухотрубном реакторе, содержащем корпус, трубные решетки, пучки труб, технологические патрубки и распределительные устройства в виде конической крышки жестко соединенной с упругой цилиндрической пружиной и установленной осесимметрично с ней, причем вершина корпуса направлена на вход в трубу реакционной массы, при этом упругая цилиндрическая пружина установлена внутри каждой трубы и жестко соединена с верхним торцом трубы, отношение наружного диаметра пружины к внутреннему диаметру трубы составляет
где d и D - соответственно наружный диаметр пружины и внутренний диаметр трубы, м, а под конической крышкой закреплен груз, масса которого определяется в виде
где m - масса груза;
M - масса конической крышки, кг;
K - жесткость пружины, Н/м;
l - длина труб, м;
c - скорость звука, м/с;
а на витках цилиндрической пружины равномерно по ее высоте и диаметру жестко закреплены лопатки.
Установка цилиндрической пружины внутри каждой трубы и ее жесткое закрепление на верхнем торце трубы, позволяет при осевых колебаниях цилиндрической пружины передавать эти колебания по всей высоте газовой реакционной массы в каждой трубе, турбулизировать эту реакционную массу, выравнивать профиль скорости и время пребывания реакционной массы по сечению трубы, что позволяет выравнивать и температуру по сечению, предотвратить термическую деструкцию реакционной массы и продуктов реакции, увеличить степень конверсии и качество этих продуктов на выходе из реактора.
Выполнение отношения наружного диаметра пружины и внутреннего диаметра трубы по условию (1) позволяет равномерно передавать колебания пружины в ядро потока газа и на переферию к стенке, так как в этом случае площади сечения, заключенные внутри цилиндрической пружины и кольцевого сечения между внутренней стенки трубы будут равны и энергия вибрации пружины одинаково расходуется на колебания газового потока, движущегося внутри и снаружи витков цилиндрической пружины. Это усиливает все вышеназванные положительные эффекты, связанные с установкой цилиндрической пружины внутри каждой трубы.
Закрепление груза с массой, подчиняющейся условию (2), позволяет создать пружинный маятник, каким становится цилиндрическая пружина с конической крышкой и с грузом, частота колебания которого становится равной собственной частоте колебаний реакционного газа в трубе.
Известно, что собственная частота колебаний газа в цилиндрической трубе определяется по уравнению
(Б.М. Яворский и А.А. Детлаф. Справочник по физике. - Государственное издательство физико-математической литературы. - М.: 1963, с. 510). В этом же справочнике частота колебаний пружинного маятника
Из совместного решения уравнений (3) и (4) получаем условие (2), при выполнении которого наступает режим резонансных колебаний пружины с конической крышкой и грузом и собственной частоты колебаний газовой реакционной массы в каждой трубе.
Это приводит к резкому повышению амплитуды колебаний цилиндрической пружины и реакционных газов, турбулизации газового потока в каждой трубе, выравнивание профиля скорости и времени пребывания, профиля температуры по сечению трубы, что предотвращает термическую деструкцию реакционных газов и продуктов реакции, увеличивает степень конверсии и качество продуктов реакции.
Кроме того, равномерное по высоте и диаметру жесткое закрепление лопаток на витках цилиндрической пружины позволяет при резонансных ее колебаниях с высокой амплитудой увеличить турбулизацию газовой реакционной массы, что также способствует повышению эффективности протекания вышеназванных гидродинамических, массо- и теплообменных и реакторных процессов.
На фиг. 1 представлен общий вид кожухотрубного реактора в разрезе, на фиг. 2 - одна труба с цилиндрической пружиной, коническим пустотелым конусом, грузом и лопатками на витках цилиндрической пружины.
Кожухотрубный реактор состоит из корпуса 1 с патрубками входа 2 и выхода 3 теплоносителя в межтрубном пространстве, патрубками входа 4 и выхода 5 реакционной массы и продуктов реакции, трубных решеток 6, в которых закреплены трубы 7 с внутренним диаметром D. В каждой трубе 7 осисимметрично установлена упругая цилиндрическая пружина 8 с наружным диаметром d, подчиняющимся условию (1). Верхний конец цилиндрической пружины 8 жестко закреплен на верхнем торце трубы 7. На нижнем конце цилиндрической пружины 8 жестко закреплена коническая крышка 9, а под ней также жестко закреплен груз 10, масса которого вместе £ массой конической крышки 9 подчиняется условию (2).
На витках цилиндрической пружины 8 равномерно по ее высоте и диаметру жестко закреплены лопатки 11.
Кожухотрубный реактор работает следующим образом.
Газовую реакционную массу подают по патрубку 4 и в трубу 7, которая выходит через патрубок 5 в виде продуктов реакции. Теплоноситель подают по патрубку 2 в межтрубное пространство и выводят из корпуса 1 по патрубку 3.
Поток газа в трубе 7 имеет собственную частоту колебаний, соответствующую уравнению (3).
Цилиндрическая пружина 8 с конической крышкой 9 и грузом 10 образуют пружинный маятник, частота колебаний которого подчиняется уравнению (4).
Так как масса конической крышки 9 с жестко закрепленным на ней грузом 10 подчиняется условию 2, то частота колебаний цилиндрической пружины 8 с конической крышкой 9 и грузом 10 равна собственной частоте газовой реакционной массы в трубе 7, что приводит к резкому возрастанию амплитуды колебаний витков цилиндрической пружины 8 и молекул газовой реакционной массы, турбулизации их движения в трубах 7, которая выравнивает профиль скорости и время пребывания реакционной массы в трубах 7, предотвращает термическую деструкцию реакционной массы и продуктов реакции, увеличивает степень конверсии и качество продуктов реакции на выходе из реактора. Кроме того, при выполнении условия (1) для отношения наружного диаметра d цилиндрической пружины 8 и внутреннего диаметра D трубы 7 энергия колеблющейся в резонансном режиме с высокой амплитудой цилиндрической пружины 8 равномерно передается по всему объему реакционной массы, так как ее объем внутри цилиндрической пружины 8 равен ее объему, находящемуся между стенкой трубы 7 и витками пружины 8, а лопатки 11, жестко и равномерно по высоте и диаметру закрепленные на высотах цилиндрической пружины 8 также усиливает вышеуказанные положительные эффекты в предлагаемой конструкции кожухотрубного реактора.
Пример 1.
4
Труба 7 кожухотрубного реактора имеет внутренний диаметр D=0,076 м и длину l=5 м. Внутри реактора осесимметрично с ней установлена цилиндрическая пружина 8 с наружным диаметром d=0,054 м, так что отношение d/D=0,71, то есть соответствует условию (1) в формуле полезной модели. Масса пустотелой конической крышки 9М=0,15 кг, а жесткость пружины K=3·10 Н/м. Основой газовой реакционной массой является воздух. Скорость звука воздуха c≈330 м/с (Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Механика сплошных сред. - М. 1953, - 788 с), тогда собственная частота колебаний молекул воздуха в трубе 7 согласно уравнению (3) составит
Г
φ=330/2·5=33 Гц.
Определим массу конической крышки 9 по уравнению (2)
;
кг.
4
При массе конической крышки 9 с грузом 10 частота колебаний пружинного маятника, который они образуют с цилиндрической пружиной 8, имеющей жесткость K=3·10 Н/м, составит согласно уравнению (4)
Гц,
T
М
то есть частоты колебаний f=f и цилиндрическая пружина 8 будет вместе с крышкой 9 и грузом 10 совершать продольные колебания в резонансном режиме с реакционном газом с высокой амплитудой, что турбулизирует поток газа, увеличивает его степень конверсии и качество продуктов, а лопатки 11 дополнительно турбулизируют и перемешивают поток газа.
Пример 2.
а
в
В газофазном кожухотрубном реакторе движется смесь аммиака и воздуха. Скорость звука аммиака с=415 м/с, воздуха с=330 м/с. Средняя скорость звука аммиачно-воздушной смеси
с=372 м/с.
В этом случае согласно уравнению (2) масса груза должна составлять
кг,
а а собственная частота колебаний газовой аммиачно-воздушной смеси составит
Гц,
при этом частота колебаний цилиндрической пружины 8 с конической крышкой 9 и грузом 10
Гц,
Г
М
то есть действительно частоты колебаний f=f.
Такой резонансный режим колебаний молекул аммиачно-воздушной смеси обеспечивает их высокую амплитуду и способствует увеличению степени конверсии и качества продуктов реакции, чему также дополнительно способствуют лопатки 11, турбулизирующие и перемешивающие эту газовую смесь.