СИСТЕМА КРЕПЛЕНИЯ ПЛАСТИН ТЕПЛООБМЕННИКА В ИЗОТЕРМИЧЕСКИХ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРАХ
SYSTEM FOR ATTACHMENT OF HEAT-EXCHANGER PLATES IN ISOTHERMIC CHEMICAL REACTORS

Область техники
Настоящее изобретение относится к области изотермических или псевдоизотермических химических реакторов. В частности, изобретение относится к конструкции соединения пластин теплообменника внутри изотермического химического реактора.
Уровень техники
Известно, что изотермические или псевдоизотермические химические реакторы имеют внутренний теплообменник, приспособленный для обеспечения теплом химической реакции или отведения от химической реакции тепла, вырабатываемого в самом реакторе. Теплообменник обычно вставляется в слой катализатора внутри реакционной зоны и служит для поддержания температуры реагентов в пределах оптимального интервала, компенсируя вырабатывание (или поглощение) тепла реакцией. Помимо прочих применений, изотермические реакторы широко используются в установках для производства метанола, реакция синтеза которого является экзотермической.
Упомянутые реакторы бывают различных типов, например, с осевым потоком, радиальным потоком или комбинированные, в зависимости от пути, по которому проходят реагенты по отношению к главной оси реактора.
Изотермические реакторы с радиальным или радиально-осевым потоком, в частности, обычно конструируются как резервуар высокого давления, в котором размещается картридж катализатора, ограничиваемый двумя перфорированными коаксиальными стенками и содержащий подходящий катализатор (слой катализатора).
В упомянутых химических реакторах также используется пластинчатый теплообменник, в котором теплообменные элементы представляют собой коробчатые плоские параллелепипеды, называемые "пластинами". Пластины, по существу, выполнены из двух прямоугольных стенок, соединенных друг с другом по меньшей мере по периметру и образующих внутреннюю камеру для прохождения нагревающей или охлаждающей текучей среды. Химический реактор с пластинчатым теплообменником или, просто, пластинчатый реактор известен, например, из ЕР-А-1284813.
Пластинчатые реакторы пользуются популярностью благодаря несложной конструкции, простоте установки даже в существующих реакторах, большой, относительно размеров теплообменника, поверхности теплообмена, что во многих случаях делает их более предпочтительными, чем реакторы с трубчатыми теплообменниками. Также известны случаи модернизации существующих реакторов установкой в них нового пластинчатого теплообменника вместо трубчатого теплообменника.
При создании пластинчатых реакторов существует проблема достаточно надежного закрепления внутри реактора теплообменных пластин, то есть упомянутых выше коробчатых элементов.
Система крепления пластин должна отвечать различным требованиям, а именно: удерживать надлежащим образом вес пластин; гарантировать надежность во времени, например, под воздействием вибраций, вызываемых прохождением потока реагентов/продуктов, которые могли бы угрожать конструктивной целостности теплообменника; обеспечивать возможность извлечения отдельной пластины или группы пластин для обслуживания и замены.
Кроме того, система крепления пластин подвержена ограничениям в отношении ее конструкции и монтажа, связанным с размещением внутри химического реактора, где свободное пространство ограничено и доступ может быть затруднен. Громоздкие крепления могут быть неприемлемыми, например, из-за того, что они уменьшают реакционный объем и (или) они ухудшают условия по загрузке (разгрузке) катализатора. Что еще более важно, при установке в существующий реактор уже используемый в течение длительного времени, нежелательно применение сварочных операций для создания новых элементов крепления и следует пытаться использовать существующие элементы.
Как правило, используется кольцевая опора, выполненная в виде полки, приваренной на внутренний край цилиндрического корпуса реактора, у впускной стенки слоя катализатора, при этом другие крепления внутри отсутствуют, особенно в старых реакторах. В других случаях пластинчатый теплообменник лежит на поперечных опорных перекладинах, например, С-образного или двойного С-образного профиля, приваренных внутри реактора. Следует отметить, что в реакторах с вертикальной осью эти элементы крепления расположены вблизи нижней концевой пластины и поэтому весьма труднодоступны.
Обычно теплообменник содержит заданное число модульных элементов из пакетов пластин, каждый из которых образует секцию кольцевого корпуса теплообменника. Преимущество модульной конструкции проявляется, прежде всего, при установке в реактор с неполным раскрытием, когда невозможно установить теплообменник целиком. В таких случаях монтаж теплообменника внутри реактора (или замена существующего теплообменника) выполняется установкой пакетов пластин по одному, и при этом возникает проблема восстановления механической целостности теплообменника для обеспечения надежного крепления и предотвращения смещения пластин из установленного положения, особенно когда имеется только упомянутая выше внешняя круговая опора (полка).
Известные системы крепления требуют усовершенствования для соответствия ранее упомянутым требованиям. В частности, в известных системах не выполняется требование полного восстановления монолитности конструкции модульных теплообменников при завершении монтажа внутри реактора.
Сущность изобретения
В основу настоящего изобретения положена задача разработки и создания системы механического крепления пластин в изотермических реакторах описанного выше типа, которая соответствует упомянутым требованиям.
Эта задача решается системой механического крепления пластинчатого теплообменника внутри изотермического химического реактора, в которой теплообменник имеет в целом цилиндрически-кольцевую структуру и включает радиально расположенные теплообменные пластины, коробчатый корпус которых имеет по существу форму параллелепипеда со сторонами, параллельными оси реактора, и сторонами, направленными по радиусу относительно этой оси реактора, по противоположным концам пластин, причем система отличается тем, что включает круговую кольцеобразную конструкцию, прикрепленную к радиальным сторонам по меньшей мере с одного конца этих пластин.
В соответствии с особенностями изобретения указанная кольцеобразная конструкция имеет форму одиночного или двойного кольца; двухкольцевая конструкция по существу включает два концентрических кольца и дополнительные радиальные соединительные элементы между этими двумя кольцами.
Кольцевая структура используется с одного или с двух концов пластин. В реакторах с потоком вдоль вертикальной оси эта кольцевая структура прикреплена по меньшей мере к верхним радиальным сторонам пластин, но также возможно крепление и к противоположным нижним сторонам этих пластин. В предпочтительном варианте кольцевая структура прикрепляется к коллекторам или распределителям текучей среды, составляющим единое целое с радиальными сторонами теплообменных пластин.
В соответствии с другими эквивалентными вариантами осуществления теплообменные пластины устанавливаются в один ряд либо, в альтернативном варианте, в несколько рядов или концентрических "кругов", с соответствующими кольцевыми конструкциями для каждого ряда пластин, причем каждая кольцеобразная конструкция может включать одно кольцо или два кольца. В предпочтительном варианте внутренние пластины также соединены с пластинами следующего, наружного ряда скобами, прикрепленными к соответствующим кольцевым конструкциям.
В предпочтительном варианте осуществления теплообменные пластины объединены в модульные элементы, называемые пакетами пластин, каждый из которых собран из заданного числа пластин и имеет соответствующую часть (или секцию) кольцеобразной конструкции, которая также является модульной. Кроме того, модули или секторы кольцевой конструкции имеют симметричные соединения, которые позволяют соединять пакеты пластин и полностью восстанавливать монолитность конструкции теплообменника.
Такие симметричные соединения, в предпочтительном варианте, имеют вид отверстий в радиальных пластинах кольцевой конструкции с двумя кольцами, что позволяет свинчивать кольцевые секторы смежных пакетов пластин. Симметричные соединения могут быть сделаны даже посредством сварки, выполняемой так, чтобы она могла быть легко разрезана и заварена снова в процессе обслуживания и замены пластин.
Объектом настоящего изобретения является также изотермический или псевдоизотермический химический реактор, включающий внутренний пластинчатый теплообменник и имеющий систему механического крепления для этого теплообменника в соответствии с изобретением.
Изобретение обладает, по существу, следующими преимуществами.
Кольцевая конструкция восстанавливает конструктивную непрерывность между пластинами, обеспечивая тем самым монолитность структуры теплообменника в единой конструкции, несмотря на то, что теплообменник составлен из пакетов пластин, предварительно собранных и вставленных по одному в корпус реактора.
Теплообменник может быть предварительно собранным в том случае, когда реактор полностью открыт и возможна установка сверху полностью собранного теплообменника. В этом случае изобретение упрощает изготовление теплообменника с монолитной конструкцией на заводе, после чего он опускается в открытый реактор, что позволяет сократить объем работ на объекте, стоимость и время установки.
Если теплообменник вставляется в реактор в разобранном состоянии (пакеты пластин вставляются по одному), система, в соответствии с изобретением, обеспечивает восстановление механической целостности пластин; упрощается работа, в частности, прикреплением к верхним коллекторам, обычно более доступным.
Другие преимущества будут очевидны из приведенного описания, относящегося к предпочтительным вариантам осуществления, не ограничивающим изобретение.
Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылками на приложенные чертежи, на которых:
на фиг.1 схематически представлено поперечное сечение предложенного в изобретении изотермического реактора с радиальным потоком, включающего кольцеобразную конструкцию пластин с двумя кольцами;
на фиг.2 представлен пакет пластин теплообменника реактора, показанного на фиг.1;
на фиг.3 и 4 схематически показан теплообменник внутри реактора, показанного на фиг.1, соответственно на видах сверху и снизу;
на фиг.5 показан другой вариант осуществления, в котором теплообменник имеет два концентрических ряда пластин;
на фиг.6 представлена система зацепления между пластинами теплообменника, имеющего два концентрических ряда;
на фиг.7 представлен другой вариант осуществления, в котором теплообменник имеет три концентрических ряда пластин;
на фиг.8 представлен фрагмент изображения на фиг.7;
на фиг.9 представлен другой упрощенный вариант осуществления изобретения, в котором используется кольцеобразная конструкция с одиночным сваренным кольцом.
Подробное описание изобретения
На фиг.1 показан изотермический реактор 1, в общем включающий цилиндрический корпус (обечайку) 2 с вертикально расположенной осью, имеющий фланцы 20 и 21 для впуска реагентов и выпуска продуктов реакции и содержащий пластинчатый теплообменник 10. Корпус 2 также имеет сверху отверстие или люк Р.
Теплообменник 10 вставлен в корзину 3 катализатора, в общем состоящую из наружной цилиндрической стенки 4, внутренней цилиндрической стенки 5 и днища 6. Стенки 4 и 5 имеют перфорацию, обеспечивающую прохождение радиального потока реагентов (продуктов реакции) из зазора 7, между стенкой 4 и корпусом 2, сквозь собственно корзину 3 и вверх к центральной выпускной трубе-коллектору 8, присоединенной к фланцу 21.
Корзина 3 катализатора имеет в общем цилиндрическую и кольцеобразную форму и содержит определенное количество подходящего катализатора (не показан). Реакционная зона (или среда) внутри реактора 1 совпадает с пространством, занимаемым катализатором в корзине 3, и показана на фиг.1 пунктирными линиями.
Вставленный в корзину 3 катализатора теплообменник 10 включает группу теплообменных пластин 11, каждая из которых имеет по существу коробчатый плоский корпус с внутренней камерой, через которую протекает нагревающая или охлаждающая текучая среда (теплоноситель). Эта текучая среда может быть в жидком или газообразном состоянии либо в любом ином состоянии, например, вода, расплавленная соль и др.; в качестве нее также могут использоваться те же самые реагенты, подогреваемые за счет теплоты реакции.
Пластины расположены внутри реактора 1 радиально и в вертикальном положении и имеют длинные стороны 18, параллельные оси реактора, и соответственно верхние и нижние короткие радиальные стороны 19s и 19i. Теплоноситель подается, например, через фланец или патрубок 12, а распределитель 13 присоединен к сторонам 19i пластин; этот же теплоноситель затем собирается трубами 14, присоединенными к верхним коротким сторонам 19s; трубы 14 присоединены к системе коллекторов 15, 16, соединенных с патрубком 12' выпуска теплоносителя.
Пластины 11 поддерживаются нижним и наружным круговыми держателями в данном примере, представляющем собой полку 30 прямоугольного сечения, прикрепленную к корпусу 2. Эта полка 30 обеспечивает опору для концевой зоны 17 (см. фиг.4) коротких сторон 19i пластин 11.
Теплообменные пластины 11 механически соединены друг с другом круговой кольцеобразной конструкцией 40, в данном примере имеющей конфигурацию двойного концентрического кольца, которая по существу содержит два кольца 41, 42, прикрепленных к верхним радиальным сторонам 19s пластин.
В частности, в не ограничивающем изобретение варианте осуществления, показанном на фиг.1-4, теплообменник 10 составлен из нескольких модулей или пакетов 10а (см. фиг.2), включающих заданное число пластин 11 и соответствующие трубки 14; конструкция 40 также имеет модульную структуру, включая секторы 40а, прикрепленные к соответствующим пакетам 10а пластин.
Сектор 40а, соответствующий одному пакету 10а, по существу включает две круговые и концентрические полосы 47, 48, выполненные, например, из стали подходящей толщины, соединенные радиальными полосами (пластинами) 43, имеющими крепежные отверстия 44. Круговые полосы 47, 48 прикреплены к держателям 45, 46, которые, в свою очередь, механически прикреплены (приварены либо иными средствами) к сторонам 19s пластин 11 через трубы 14.
Держатели 45, 46 имеют вид L-образных прямоугольных стоек или "лапок", сопрягающихся соответственно с полосами 47 и 48, обеспечивающими поверхность упора. В предпочтительном варианте прямоугольные держатели 45, 46 смещены, как показано на фиг.2, причем наружные прямоугольные держатели 45 для наружной полосы 47 и внутренние прямоугольные держатели 46 для полосы 48 прикреплены с чередованием к соседним трубам 14. Следует заметить, что крепление к коллекторам 14, особенно выполняемое сваркой, является предпочтительным, с учетом того, что пластины обычно имеют малую толщину (для улучшения теплопередачи) и поэтому не подходят непосредственно для сварки; коллекторы 14, напротив, имеют большую толщину и прочно прикреплены к пластинам, и поэтому предоставляют надежные места для крепления.
Как правило, пластины одного пакета 10а, типа, показанного на фиг.2, соединяются ленточными конструкционными элементами, располагаемыми на длинных сторонах (не показаны).
Пакет 10а пластин механически прикреплен к идентичным с ним смежным пакетам путем скрепления соответствующих полос 43, например, болтами, проходящими сквозь отверстия 44. В целом (см. фиг.3-4), круговые полосы 47 и 48 различных секций 40а образуют двухкольцевую структуру 41, 42, которая делает пластины 11 механически соединенными друг с другом, в результате чего образуется теплообменник с цилиндрически-кольцевой монолитной структурой, у которого наружный нижний край, соответствующий краям 17 сторон 19i пластин, опирается на полку 30.
На фиг.5 показан другой вариант осуществления, в котором теплообменник 100 в реакторе 1 включает два концентрических ряда (или "круга") пластин 11' и 11", параллельно запитываемых теплоносителем.
Ряды пластин 11' и 11" включают пакеты пластин, соединенных соответствующими кольцевыми конструкциями 40' и 40", как это показано на фиг.5. К пластинам 11' прикреплена первая кольцеобразная конструкция 40', а вторая концентричная внутренняя кольцеобразная конструкция 40" прикреплена к пластинам 11". Кроме того, в данном примере пластины 11" лежат на дополнительной полке 31, прикрепленной к внутренней стенке 5.
На фиг.6 более подробно показана кольцеобразная конструкция 40', состоящая из круговых полос 141 и 142 и радиальных соединительных полос 143, и концентрическая кольцеобразная конструкция 40", состоящая из круговых полос 144 и 145 и радиальных полос 146. Преимуществом такой конструкции является то, что между кольцами 40' и 40" двух рядов пластин имеются дополнительные соединительные элементы, представленные в данном примере скобами 147, посредством которых пластины 11" внутреннего ряда удерживаются (т.е. "подвешены") на кольце 40' наружных пластин 11'.
Как показано более подробно, скоба 147 имеет часть 149, приваренную к полосе 144 (наружная круговая полоса кольца пластин 11"), и крючковидную часть 148, соединенную с полосой 142 (внутренняя полоса кольца пластин 11'). Скобы 147 расположены с подходящими угловыми интервалами.
Использование скоб 147 дает преимущество в отсутствие полки 31. В этом случае крепление фактически обеспечивается только полкой 30, и скобы 147 способствуют созданию стабильной опоры на эту полку 30, восстанавливая монолитность конструкции теплообменника из двух рядов пластин.
Циркуляция теплоносителя в пластинах 11' и 11" происходит параллельно, при этом пластины имеют соответствующие коллекторы 13 и выпускные трубы 14, причем эти трубы присоединены к главному коллектору 16. Прокачка теплоносителя по трубам выполняется известным способом и не критична для выполнения изобретения, поэтому далее не рассматривается.
На фиг.7-8 представлен другой вариант осуществления, в котором реактор 1 включает теплообменник 200 с тремя концентрическими рядами или кругами запитываемых параллельно пластин 11', 11", 11''', с соответствующими кольцевыми конструкциями 40', 40", 40'''. Каждая кольцеобразная конструкция из двух колец включает круговые соединительные полосы и радиальные полосы. На фиг.8 показаны круговые полосы 241, 242, 244, 245, 247, 248 и радиальные полосы 243, 246, 249. Используются также и дополнительные соединительные элементы 250, по существу аналогичные описанным ранее скобам 147, посредством которых пластины 11" промежуточного ряда прикрепляются к пластинам 11' наружного ряда.
Следует отметить (см. фиг.7), что пластины 11' лежат на полке 30, а пластины 11''' лежат на полке 31, и в обычных условиях промежуточные пластины 11" не имеют опоры, если в реакторе не сделаны доработки конструкции, которые обычно трудоемки и (или) неосуществимы. В любом случае скобы 250 позволяют получить монолитную конструкцию, пластины которой расположены в три ряда.
В другом варианте осуществления, а именно упрощенной версии варианта, показанного на фиг.1, конструкция 40 выполнена из одиночного кольца, например, только с одной круговой полосой (см. фиг.9). Такой вариант осуществления с одним кольцом может использоваться в теплообменниках с одним или более рядами или кругами пластин, описанными выше. Однокольцевая конструкция может быть разделена на секции дуги, соединяемые сваркой или соединениями любого другого типа (не показаны), например, соединением болтами наложенных внахлест концов.
Детали конструкции реактора на фиг.5, 7 и 9, специально не показанные, подразумеваются аналогичными деталям реактора на фиг.1.
Следует отметить, что описанные кольцевые конструкции 40 с одиночным или двойным кольцом могут быть также установлены на нижних сторонах 19i пластин.
В изобретении решены поставленные выше задачи. Изобретение обладает преимуществом особенно при установке пластинчатого теплообменника в существующий реактор, при обслуживании, а также при модернизации. В этих случаях, как правило, используются только опоры в виде полки 30 (фиг.1), и большая часть реакторов открывается не полностью, другими словами, у них имеется только люк Р, диаметр которого меньше диаметра реактора, что препятствует установке целого теплообменника 10.
При этом пакеты 10а пластин (фиг.2) вставляются по одному и размещаются в реакторе известными способами, которые здесь подробно не описываются. Следует, однако, отметить, что изобретение позволяет восстанавливать монолитность конструкции теплообменника 10 после введения пакетов пластин, обеспечивая надежность опоры на полку 30. В своей основе способ введения пластинчатого теплообменника рассматриваемого типа включает следующие шаги:
- размещение пакетов 10а пластин внутри реактора 1, при этом на каждом пакете имеется сектор 40а кольцевой конструкции;
- прикрепление друг к другу секторов 40а кольцевой конструкции, например, свинчиванием болтами, для восстановления конструкционной целостности теплообменника.
Упомянутый способ с тем же успехом применим к теплообменникам, имеющим более одного ряда пластин, по типу показанных на фиг.5, 7.
Кроме того, положение кольцевой конструкции 40 на верхней стороне 19s имеет преимущество с точки зрения облегчения доступа для проведения свинчивания (или сварки) при завершении сборочных операций, в то время как доступ к другим частям пластин (например, длинным сторонам 18) существенно затруднен либо вовсе невозможен. Обеспечена надежность опоры на полку 30 благодаря тому, что пластины 11 все соединены друг с другом посредством кольцевой конструкции 40, а взаимные перемещения между пластинами затруднены.
Помимо этого, изобретение имеет преимущество при изготовлении новых реакторов; если реактор открывается полностью, то имеется возможность предварительно собрать теплообменник и затем просто опустить его в реактор.
Наконец, необходимо отметить, что изобретение может быть использовано с реакторами различных типов, в частности, реакторами с радиальным, с осевым или комбинированным потоком.