ПУСКОВОЙ НАГРЕВАТЕЛЬ ДЛЯ РЕАКТОРОВ СИНТЕЗА АММИАКА
STARTING HEATER FOR AMMONIA SYNTHESIS REACTORS

Область техники
Настоящее изобретение относится к области реакторов для производства аммиака. В частности, изобретение относится ко внутреннему пусковому нагревателю с удлиненными электронагревательными элементами для использования в аммиачных реакторах.
Уровень техники
2
2
В настоящее время синтез аммиака выполняется в каталитическом реакторе или конвертере (колонне синтеза аммиака), в которых газообразные водород (H) и азот (N) вступают в реакцию при высоких давлении (обычно 130 бар и более) и температуре (около 500°C). Известны аммиачные реакторы различных типов; примером обычного варианта выполнения может служить цилиндрический сосуд (корпус) для радиального потока с тремя каталитическими слоями и расположенными между ними теплообменниками охлаждения.
При пуске реактора необходимо подогреть подаваемые в реактор газообразные реагенты до температуры примерно 450-480°C с тем, чтобы начать химическую реакцию. Для этого в известных реакторах используется подходящий пусковой нагреватель, который может быть выполнен как внешний нагреватель, либо как внутренний электронагреватель, помещаемый внутри самого реактора.
Внутренний пусковой нагреватель представляет собой по существу цилиндрическое устройство, коаксиально вставляемое в реактор через отверстие в крышке высокого давления (рассчитанной на работу при повышенном давлении), и состоящее в основном из крепежного фланца с необходимыми электрическими контактами и пучком удлиненных нагревательных элементов.
В известном варианте осуществления, эти электрические элементы выполнены из неизолированной металлической ленты, проходящей вверх и вниз в продольном направлении вдоль электрического нагревателя, поддерживаемой керамическими изолирующими элементами. В другом известном варианте осуществления нагревательные элементы образованы металлическими стержнями в оболочке, обычно U-образной формы. Эти металлические стержни обычно изолированы, но в некоторых случаях используются и неизолированные стержни.
В процессе работы, газообразные реагенты протекают вдоль сквозь подогреватель между нагревательными элементами перед тем, как войти в зону каталитической реакции, например в первый каталитический слой.
В крупном реакторе внутренний нагреватель может иметь длину несколько метров, и для него потребуются соответствующее пространство и средства крепления нагревательных элементов. В известных конструкциях нагревательные элементы фиксируются металлической решеткой или керамическими опорами, соединенными поперечинами. Каждая из этих решеток или керамических опор по существу состоит из кольца с пересекающимися брусьями, образующими квадратную решетку, фиксирующую каждый из нагревательных элементов с определенным зазором.
Такие внутренние нагреватели имеют недостатки, особенно в отношении надежности и срока службы. Отказы внутренних пусковых нагревателей встречаются особенно в современных агрегатах, обладающих высокой производительностью и, соответственно, высокой скоростью газового потока.
Благодаря относительно большому зазору между нагревательными элементами и разделительными элементами и опорной решеткой, нагревательные элементы могут относительно свободно перемещаться в любом радиальном направлении, т.е. плоскости, перпендикулярной продольному направлению, и поэтому они очень чувствительны к вибрациям, создаваемым потоком, к связанному с ними механическому напряжению и износу вследствие относительных перемещений.
Механическое напряжение может приводить к остаточной деформации или механическому повреждению нагревательных элементов. Деформация нагревательных элементов приводит к повреждению самих этих элементов; соприкосновение нагревательных элементов также может привести к повреждению поверхностей нагревательных элементов; соприкосновение неизолированных нагревательных элементов может вызвать короткое замыкание; любое повреждение нагревательного элемента может привести к местному перегреву, из-за, например, локального уменьшения поперечного сечения, с возможным расплавлением и разрушением самого нагревательного элемента.
В случае деформации некоторых нагревательных элементов также могут возникнуть трудности с извлечением пускового нагревателя из корпуса для обслуживания или замены. Также следует отметить, что в большинстве случаев повреждения пускового нагревателя не обнаруживаются сразу, например, из-за того, что реактор продолжает работать продолжительное время с неработающим пусковым нагревателем. Повреждения иногда обнаруживаются через некоторое время, когда нагревательные элементы непоправимо повреждены.
Повреждение пускового нагревателя может привести к продолжительной остановке аммиачного реактора с соответствующими затратами, выраженными в потерях продукции.
Следует также отметить, что внутренний пусковой нагреватель является критическим компонентом, поскольку общий диаметр должен быть как можно меньше, так как нагреватель отбирает часть объема, который может быть использован каталитическими слоями, и, следовательно, химической реакцией. По этой же причине, нагревательные элементы имеют сравнительно большую длину и расположены близко друг к другу, что позволяет выполнить требование малого диаметра с одновременным получением достаточного сечения между нагревательными элементами для газового потока. Обычно не представляется возможным разработать внутренний пусковой нагреватель бóльшего размера и более короткий, чтобы сделать его более устойчивым к вибрациям, создаваемым потоком.
Аналогичные ограничения имеют место и при модернизации существующего аммиачного реактора. Максимальный размер внутреннего пускового нагревателя определяется имеющимся монтажным проемом в крышке корпуса: даже если реактор переоборудуется для более высокой производительности, обычно невозможно или не желательно установить подогреватель бóльшего размера, поскольку такая переделка включала бы дорогостоящую замену всей крышки высокого давления. С другой стороны, модернизация может потребовать увеличения скорости газовых реагентов для повышения производительности, но при этом возрастет риск повреждения пускового нагревателя вибрациями, создаваемыми потоком.
Таким образом, имеется насущная потребность создания пускового нагревателя, в котором могут быть преодолены отмеченные недостатки, в особенности предотвращение отказов вспомогательного оборудования, например пускового нагревателя, влияющих на работу и надежность всего реактора и установки синтеза аммиака. Несмотря на существование такой потребности, сегодня, однако, отсутствует эффективное решение этих задач.
Сущность изобретения
В основе настоящем изобретения лежит задача создания внутреннего пускового нагревателя для реактора синтеза аммиака (аммиачного реактора), более устойчивого к напряжениям, создаваемым газовым потоком и, в частности, менее чувствительный к вибрациям, создаваемым потоком.
Эта задача решается внутренним пусковым нагревателем для аммиачного реактора, содержащим несколько вытянутых электрических нагревательных элементов, проходящих вдоль продольной оси реактора, отличающимся тем, что:
- пусковой нагреватель содержит несколько опорных пластин для нагревательных элементов, каждая из которых имеет наружную раму и параллельно расположенные опорные брусья, противоположные концы которых закреплены в наружной раме, и которые расположены в плоскости, перпендикулярной упомянутой продольной оси, в проходах между нагревательными элементами, соприкасаясь с нагревательными элементами, и
- опорные пластины размещены по меньшей мере одной группой, имеющей по меньшей мере первую и вторую пластины, причем расположение опорных брусьев первой пластины отличается от расположения опорных брусьев второй пластины.
По-разному расположенные опорные брусья опорных пластин, формирующих группу пластин, создают радиальную опору для нагревательных элементов с взаимоусиливающим эффектом. Согласно особенности изобретения, опорные брусья выбранной пластины действуют как средства фиксации для нагревательных элементов в выбранном радиальном направлении пускового нагревателя так, что группа опорных пластин, благодаря упомянутому взаимоусиливающему эффекту, может предотвратить смещение или вибрацию нагревательных элементов в любом направлении, перпендикулярном продольной оси.
В варианте осуществления изобретения, нагреватель оборудован группой(-ами) опорных пластин, включающих перпендикулярные и (или) расположенные со смещением в шахматном порядке брусья, для создания опоры нагревательным элементам, предотвращающей смещение в любом радиальном направлении, перпендикулярном продольной оси нагревателя.
В соответствии с другой особенностью изобретения и при более детальном рассмотрении, подогреватель включает по меньшей мере одну группу опорных пластин, включающую по меньшей мере первую пластину с параллельными опорными брусьями, расположенными в первом направлении в плоскости, перпендикулярной продольной оси нагревателя, и по меньшей мере вторую пластину с параллельными опорными брусьями, расположенными во втором направлении, перпендикулярном первому направлению.
В соответствии с другой особенностью изобретения, подогреватель включает по меньшей мере одну группу опорных пластин, включающую по меньшей мере первую пластину с параллельными опорными брусьями, расположенными в первом направлении, и по меньшей мере вторую пластину с параллельными опорными брусьями, расположенными в том же направлении со сдвигом относительно брусьев первой пластины.
В предпочтительном варианте осуществления, пластины имеют параллельные и расположенные с одинаковым интервалом опорные брусья.
В соответствии с другой, предпочтительной особенностью изобретения, по меньшей мере некоторые из групп опорных пластин включают пластины с по-разному расположенными опорными брусьями с чередующимся расположением в проходах между рядами и (или) столбцами, образованными удлиненными нагревательными элементами так, что группа опорных пластин имеет по меньшей мере один опорный брус в каждом из этих проходов. Такая конфигурация обеспечивает необходимый контакт с нагревательными элементами, противодействующий смещению и вибрации в любом радиальном направлении, перпендикулярном продольной оси нагревателя.
В соответствии с указанной особенностью изобретения, в предпочтительном варианте осуществления, подогреватель имеет по меньшей мере одну группу из четырех пластин в следующей последовательности:
а) первая пластина с параллельными и расположенными с одинаковым интервалом опорными брусьями, проходящими в чередующихся проходах между нагревательными элементами;
б) вторая пластина с опорными брусьями, проходящими в чередующихся проходах между нагревательными элементами, причем опорные брусья второй пластины перпендикулярны брусьям первой пластины;
в) третья пластина с опорными брусьями, параллельными и смещенными (в шахматном порядке) относительно брусьев первой пластины так, что брусья этой третьей пластины проходят в параллельных и чередующихся проходах по отношению к брусьям первой пластины;
г) четвертая пластина с опорными брусьями, параллельными и смещенными относительно брусьев второй пластины так, что брусья этой четвертой пластины проходят в параллельных и чередующихся проходах по отношению к брусьям второй пластины.
В еще более предпочтительном варианте, расположение нагревательных элементов пускового нагревателя образует квадратную сетку, а опорные брусья расположены в проходах в диагоналях между нагревательными элементами. В эквивалентном варианте осуществлений, опорные брусья проходят в ортогональных (взаимно перпендикулярных) проходах между нагревательными элементами.
В предпочтительном варианте осуществления, наружная рама опорных пластин представляет собой кольцо, по существу перпендикулярное направлению расположения удлиненных нагревательных элементов. Опорные брусья выполнены, например, из металлических труб, приваренных на концах к этой наружной кольцевой раме. Как должно быть понятно специалисту, термины перпендикулярный и параллельный используются с учетом обычных допусков в конструкциях.
Нагревательные элементы выполнены в виде резистивных элементов (электрических сопротивлений). В предпочтительных вариантах выполнения изобретения, каждый из нагревательных элементов в основном включает внешнюю оболочку и электрический нагревательный элемент, расположенный внутри этой оболочки и электрически от нее изолированный для предотвращения возможности короткого замыкания.
Объектом изобретения также является конвертер или реактор (колонна) синтеза аммиака, оборудованный упомянутым пусковым нагревателем. Другой задачей изобретения является способ модернизации реактора синтеза аммиака, включающий по меньшей мере шаги извлечения существующего пускового нагревателя и установки пускового нагревателя в соответствии с изобретением в исходный корпус реактора.
Основное преимущество изобретения состоит в том, что удлиненные нагревательные элементы пускового нагревателя поддерживаются эффективно и надежно для противодействии напряжениям и вибрациям, создаваемым газовым потоком реагентов, подаваемых в аммиачный реактор. Более конкретно, непосредственный контакт с опорными брусьями обеспечивает нагревательным элементам опору, противодействующую любым радиальным смещениям в направлениях, перпендикулярных продольной оси подогревателя.
Как было показано выше, пластины с по-разному расположенными опорными брусьями обладают взаимоусиливающим действием в предотвращении вибраций, создаваемых потоком. Чередующееся расположение опорных брусьев пластин, образующих группу пластин, является наиболее предпочтительным, поскольку любой нагревательный элемент закреплен от смещения в некотором направлении прямым контактом с по меньшей мере опорными брусьями одной из пластин из каждой группы пластин, с незначительным зазором или вовсе без зазора.
В результате, нагревательные элементы надежно защищены от разрушительных вибраций, создаваемых потоком.
Эти и другие преимущества будут более очевидны при ознакомлении с приведенным далее описанием предпочтительного варианта и приложенными чертежами, где:
Краткое описание чертежей
на фиг.1 представлен схематический вид разреза аммиачного конвертера, оборудованного внутренним пусковым нагревателем, в соответствии с вариантом осуществления изобретения;
на фиг.2 представлен фрагмент пускового нагревателя аммиачного конвертера, показанного на фиг.1;
на фиг.3-6 представлены схемы расположения опорных брусьев и пластин пускового нагревателя, показанного на фиг.2;
на фиг.7 представлен вид типового поперечного сечения пускового нагревателя.
Подробное описание осуществления изобретения
На фиг.1 представлен трехслойный аммиачный реактор или конвертер 1, имеющий корпус 2, содержащий слои катализатора 3, 4 и 5 с расположенными между ними теплообменниками 6 и 7 охлаждения. Реактор 1 оборудован внутренним электрическим пусковым нагревателем 10. На фиг.1 также показана крышка (днище) 12 высокого давления.
Нагреватель 10 в общем представляет собой цилиндрическое устройство, коаксиальное с корпусом 2, окруженное стенкой 8.
Основными компонентами пускового нагревателя 10 являются: крепежный фланец 13 для соединения с крышкой 12 высокого давления, электрические контакты 14, пластина 15 крепления нескольких удлиненных нагревательных элементов, проходящих в направлении, параллельном продольной оси X-X самого нагревателя 10. Ось X-X совпадает с осью основного корпуса 2.
В процессе работы, газообразные реагенты входят в корпус 2 через верхнее впускное отверстие 11 и протекают в кольцевое пространство 2a, подвергаются предварительному нагреву, протекая вверх в теплообменниках 7 и 6, затем протекают по промежутку 8а вокруг стенки 8, входят в пространство 8 с сквозь впускное отверстие 8b, и далее, проходя вдоль оси через нагреватель 10 и соприкасаясь с его нагревательными элементами, достигают требуемой температуры примерно 450-480°C. С выхода пускового нагревателя 10 реагенты проходят к первому каталитическому слою 3, где начинается образование аммиака. Путь движения газообразных реагентов показан стрелками на фиг.1 и 2. Аммиачный конвертер этого типа хорошо известен специалистам и поэтому подробно описываться не будет.
В предпочтительном варианте осуществления, нагревательные элементы представляют собой электрические сопротивления в форме U-образных стержней 16 с металлической оболочкой, имеющих наружную тонкую оболочку и внутренний нагревательный элемент, электрически изолированный от этой наружной оболочки. В предпочтительном варианте, стержни заполнены уплотненным порошком оксида магния, изолирующим нагревательный элемент от наружной оболочки. Внутренний элемент нагревается проходящим электрическим током.
В типовом поперечном сечении нагревателя 10, электрические стержни 16 расположены квадратной сеткой, то есть параллельными рядами и столбцами (фиг.2-7).
У нагревателя 10 также имеются опорные пластины 20 для нагревательных элементов, т.е. для электрических нагревательных стержней 16. Опорные пластины 20 расположены в плоскостях, перпендикулярных продольной оси X-X, и соединены продольными поперечинами 23, образуя опорный каркас для стержней 16. Пластины 20 в общем состоят из наружной кольцевой рамы и параллельных брусьев, прикрепленных своими концами к этой кольцевой раме.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, пусковой нагреватель 10 включает опорные пластины 20 с перпендикулярными и смещенными брусьями, которые касаются нагревательных стержней 16.
В приведенном примере, пластины 20 собраны группами по четыре пластины. Каждая группа пластин включает последовательность четырех пластин 20А, 20B, 20С и 20D с различной структурой. На фиг.2 показана группа 20' четырех пластин, включающая упомянутые пластины 20A-20D, и другая, смежная группа 20'' четырех пластин. Пластины 20A-20D второй группы 20'' расположены в той же последовательности, что и пластины первой группы 20', и так далее.
Конфигурация первой пластины 20А подробно схематически показана на фиг.3. Пластина 20А в основном образована кольцом 21 и параллельными опорными брусьями 22А, проходящими в чередующиеся диагональные проходы N между стержнями 16. Размеры (например, диаметр или эквивалентный размер) брусьев 22А по существу совпадают с зазором "t" между диагональными рядами стержней 16 (фиг.3) так, что каждый брус 22А касается двух диагональных рядов, соседних с этим брусом 22А. В предпочтительном варианте, брусья 22А выполнены из труб, приваренных к кольцу 21, причем номинальный диаметр этих труб равен упомянутому зазору t.
Следующая пластина 20B группы 20' пластин показана на фиг.4. Опорные брусья 22B пластины 20B расположены по диагонали, но лежат в направлении, перпендикулярном брусьям пластины 20А. Таким образом, брусья 22B помещены в проходах Р между стержнями 16, образованных под углом 90° к проходам N, в которых помещены брусья 22А первой пластины 20А.
Третья пластина 20С (фиг.5) включает параллельные брусья 22С, расположенные в том же направлении, что и брусья 22А первой пластины 20А, и проходящие в диагональных проходах N. Брусья 22С третьей пластины 20С, однако, смещены относительно брусьев 22А первой пластины 20А на расстояние, равное расстоянию между двумя последовательными диагональными рядами нагревательных стержней 16. Это можно видеть на чертежах, сравнивая фиг.3 и фиг.5, рассматривая стержень, имеющий обозначение 16*, который соприкасается с первым крайним правым брусом 22* пластины 20А, в то время как первый крайний правый брус 22С пластины 20С, пролегая в следующем диагональном проходе, не соприкасается с тем же самым стержнем 16*.
Четвертая пластина 20D включает брусья 22D, проходящие в том же направлении, что и брусья 22B второй пластины 20B, расположенные в диагональных проходах Р и смещенные таким же образом.
В зависимости от длины нагревателя 10 и расположения нагревательных элементов 16, число групп пластин может меняться, так же как и число пластин 20 в каждой группе. Некоторые группы пластин, например последняя группа, могут быть неполными, включая, например, только три пластины или менее.
Следует отметить, что в соответствии с описанным здесь в качестве примера вариантом осуществления опорные брусья пластин 22А и 22С или, соответственно, 22B и 22D являются взаимодополняющими, т.е. помещены во взаимодополняющие группы диагональных проходов N или P.
На фиг.7 представлено типичное сечение подогревателя 10, которое показывает, что последовательность различных групп пластин позволяет создать радиальную опору нагревательным стержням 16 с каждой стороны. Стержень 16 поддерживается благодаря взаимодействию каждого из стержней 22A-22D, что предотвращает его возможные вибрации в любом направлении, перпендикулярном оси X-X.
Следует иметь в виду, что благодаря контакту с брусьями 22A-22D собственные колебания нагревательных стержней 16 сдвинуты на более высокие частоты, в результате чего пусковой нагреватель 10 значительно меньше чувствителен к разрушительным вибрациям, вызываемым потоком. В то же время, на стержни 16 не воздействуют какие-либо механические ограничения и, например, тепловое расширение может происходить свободно.
На фиг.7 также показано, что нагревательные стержни 16 занимают около 50% имеющегося поперечного сечения подогревателя, оставляя другие 50% сечения для прохождения газового потока сквозь промежутки 24.
В соответствии с изобретением, могут быть осуществлены конфигурации пластин и опорных брусьев с другой геометрией. Например, возможен эквивалентный вариант осуществления, в котором опорные брусья входят в ортогональные проходы L и M между нагревательными элементами 16 (фиг.3). Первая пластина 20А, в этом эквивалентном варианте осуществления, имеет вертикальные брусья в чередующихся проходах M, а вторая пластина 20B имеет горизонтальные брусья в чередующихся проходах L. Брусья третьей и четвертой пластин 20С и 20D в этом варианте осуществления параллельны брусьям пластин 20А и 20B и смещены относительно них.
В других вариантах осуществления, брусья пластин 20 могут быть, например, помещены в два следующих прохода между нагревательными стержнями 16, затем два прохода могут быть пропущены, после чего установлены следующие два бруса и т.д., или какие-либо варианты такой конфигурации.
Предложенный пусковой нагреватель 10 может быть использован для замены существующего внутреннего нагревателя аммиачного реактора, при его модернизации. Согласно фиг.1, основными шагами модернизации являются извлечение существующего нагревателя сквозь верхнее отверстие в крышке 12, и установка нового нагревателя с тем же общим диаметром, что и у прежнего, сквозь имеющееся отверстие в крышке 12. Благодаря использованию нового нагревателя, менее чувствительного к вибрациям, вызываемым потоком, возможно увеличить входную скорость реагентов и их удельный массовый расход в слоях катализатора и производительность реактора 1 в целом. Следует заметить, что эти преимущества получаются без уменьшения реакционного пространства и без каких-либо изменений корпуса 2 или крышки 12.