КОЖУХОТРУБНЫЙ РЕАКТОР

Техническое решение относится к реакторам для проведения неизотермических каталитических реакций и может найти применение в химической и нефтехимической промышленности.
Известен кожухотрубный каталитический реактор, содержащий корпус с верхней и нижней крышками и патрубками для входа и выхода реакционной массы и теплоносителя, трубные решетки с пучком труб, внутри которых размещен катализатор (патент РФ №1810096, В01J 8/08, 1997 г.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится крайне неравномерное распределение температуры по длине труб, что приводит к снижению степени конверсии во времени и ухудшению качества продуктов реакции.
Известен реактор с трубным пучком для проведения каталитических неизотермических реакций в газовой фазе, который состоит из корпуса и трубного пучка, закрепленного в трубных решетках. Реакционная масса движется по трубам, заполненных катализатором. 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, В01J 8/02, 1980).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится невозможность регулирования теплопереноса от реакционной массы к стенкам труб, что приводит к ухудшению количества продуктов реакции за счет большего изменения температуры по длине реактора и радиусу труб в трубном пучке, особенно на входе в трубы.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявленной конструкции и принятым за прототип является кожухотрубный реактор для проведения экзотермических и эндотермических реакций, содержащий корпус, трубные решетки, пучки труб, внутри которых размещен катализатор, технические патрубки для входа и выхода реакционной массы и теплоносителя и распределительные устройства в виде трубок с крышками, установленные внутри каждой трубы у нижнего ее торца, причем распределительные трубки снабжены регулируемыми крышками, расположенными под щелевыми прорезями (авт.св. СССР №1134230, B01J 8/00, 1985 г.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится невозможность регулирования теплопереноса от реакционной массы к теплоносителю в процессе изменения катализатора каталитических свойств, что снижает степень конверсии во времени и уменьшает качество продуктов реакции.
Техническим результатам предложенной конструкции кожухотрубного реактора является повышение степени конверсии и увеличение качества продуктов реакции за счет регулирования теплопереноса в распределительных устройствах.
Поставленный технический результат достигается тем, что в кожухотрубном реакторе для проведения экзотермических и эндотермических реакций, содержащем корпус, трубные решетки, пучки труб, внутри которых размещен катализатор, технологические патрубки для входа и выхода реакционной массы и теплоносителя и распределительные устройства в виде трубок с крышками, установленные внутри каждой трубы у нижнего торца, при этом крышки герметично прикреплены к распределительным трубкам, а внутри каждой распределительной трубки осесимметрично установлена дополнительная трубка для подачи теплоносителя, причем отношение диаметров дополнительной трубки и распределительной трубки с крышкой составляет
где d - диаметр дополнительной трубки,
D - диаметр распределительной трубки.
Герметичное прикрепление крышек к каждой распределительной трубке предотвращает смешивание теплоносителя, движущегося в распределительных трубках, с реакционной массой, находящейся в трубах с катализатором, а значит увеличивает степень конверсии и качество продуктов реакции.
Осесимметричная установка внутри каждой распределительной трубки дополнительной трубки для подачи теплоносителя к нижней части трубы позволяет для экзотермических реакций подавать в них хладагент, который отбирает тепло реакции от реакционной массы на ее входе в трубный пучок, где концентрации реагирующих компонентов, а значит, скорость реакции и тепловыделение наибольшие. То же касается эндотермических реакций, когда на входе в трубный пучок теплопоглощение наибольшее, и пар или горячий теплоноситель не позволяют снизиться температуре на входе в реактор, а значит, снизить степень конверсии и качество продуктов реакции.
Уменьшение диаметра дополнительной трубки ниже заявленного предела d/D<0,65 приводит к возрастанию гидросопротивления теплоносителя внутри дополнительной трубки и увеличению кольцевого сечения между распределительной трубкой и дополнительной трубкой. Последнее приводит к уменьшению скорости теплоносителя, движущегося в этом кольцевом сечении, и уменьшению теплопереноса от реакционной массы к хладагенту, что может привести к росту температуры реакционной массы в экзотермической реакции и термической деструкции катализатора. Для эндотермической реакции снижение скорости теплоносителя приводит к уменьшению теплопереноса от него к реакционной массе, снижению температуры и степени конверсии, а значит, качества продуктов реакции.
Увеличение диаметра дополнительной трубки выше заявленного предела d/D>0,75 приводит к уменьшению кольцевого сечения между распределительной трубкой и дополнительной трубкой, что увеличивает гидравлическое сопротивление и скорость теплоносителя. Для экзотермической реакции это приводит к увеличению теплопереноса от реакционной массы к хладагенту, чрезмерному понижению температуры реакционной массы, снижению степени конверсии и качества продуктов реакции. Для эндотермической реакции это может привести к увеличению переноса тепла от теплоносителя к реакционной массе, чрезмерному росту ее температуры, термической деструкции катализатора и в дальнейшем снижению степени конверсии и качества продуктов реакции.
Кроме того, установка в каждой распределительной трубке дополнительной трубки позволяет менять расход теплоносителя и его температуру в зависимости от активности катализатора и температуры реакционной массы в зоне действия распределительной трубки. При росте температуры в трубках трубного пучка расход теплоносителя можно увеличить, а температуру снизить, при ее чрезмерном снижении по мере старения катализатора и потерей им во времени каталитических свойств расход теплоносителя можно снижать, а его температуру повышать.
Такое регулирование расхода и температуры теплоносителя в распределительных трубах позволяет вести реакционный процесс с высокой степенью конверсии и повышает качество продуктов реакции даже при снижении катализатором каталитических свойств во времени.
На фиг.1 показан общий вид реактора с распределительными и дополнительными трубками в каждой трубке трубного пучка; на фиг.2 - распределительная трубка с крышкой и осесимметрично с ней установленной дополнительной трубкой.
T
Кожухотрубный реактор состоит из корпуса 1 с патрубками входа 2 и выхода 3 теплоносителя в межтрубном пространстве, патрубков входа 4 и выхода 5 реакционной массы, трубных решеток 6, в которых закреплены трубы 7 трубного пучка. Внутри каждой трубы 7 диаметром D осесимметрично на входе установлено распределительное устройство 8 длиной l.
Трубы 7 заполнены катализатором 9. распределительное устройство 8 представляет собой распределительные трубки 10, диаметром D, установленные на входе в каждую трубу 7 трубного пучка у нижнего его торца. В верхней части распределительные трубки 10 герметично закрыты крышками 11. В каждой распределительной трубке 10 осесимметрично установлены дополнительные трубки 12, диаметром d, которые в нижней части герметично соединены с коллектором 13 подвода теплоносителя, а сверху открыты для выхода теплоносителя в распределительные трубки 10, при этом отношение диаметров дополнительных трубок 12 и распределительных трубок 10 лежит в пределах d/D=0,65÷0,75. Распределительные трубки 10 в нижней части герметично присоединены к коллектору 14 отвода теплоносителя.
Реактор работает следующим образом.
Поток реакционной массы по патрубку 4 поступает на вход в трубы 7 трубного пучка. Так как концентрации реагирующих компонентов здесь наибольшие, то тепловыделение в экзотермической реакции или теплопоглощение в эндотермической реакции максимальны. Поэтому по коллектору 13 в дополнительные трубки 12 подается дополнительный теплоноситель, который вытекает в распределительные трубки 10 и через их стенки отбирает излишнюю тепловую энергию в экзотермической реакции или наоборот передает тепловую энергию реакционной массе в эндотермической реакции и выходит в коллектор 14. Кроме того, реакционная масса в зоне распределительных трубок 10 на длине l движется в кольцевом зазоре между трубами 7 трубного пучка и распределительными трубками 10 с большей скоростью, чем за зоной распределительных трубок 10. Это также увеличивает теплоперенос за счет роста коэффициента теплопередачи. Варьируя расход теплоносителя и его температуру, подаваемого в коллектор 13, можно удерживать необходимую температуру реакционной массы на входе в трубы 7 трубного пучка без термической деструкции катализатора и с учетом понижения его активности в процессе работы. Частично прореагировавшая реакционная масса в зоне распределительных трубок 10 на длине l поступает выше в трубы 7 с катализатором 9. Здесь теплоперенос осуществляется как обычно в кожухотрубных реакторах на всей длине труб 7 трубного пучка от реакционной массы к теплоносителю, движущемуся в межтрубном пространстве и подаваемого туда по патрубку 2 и отводимого по патрубку 3. Прореагировавшая реакционная масса из труб 7 трубного пучка отводится по патрубку 5.
Таким образом, предлагаемая конструкция кожухотрубного реактора позволяет дополнительно осуществлять теплоперенос на входе в каждую трубу 7 трубного пучка. Для экзотермических реакций это позволяет снижать температуру реакционной массы и предотвратить термическую деструкцию катализатора, а для эндотермических реакций предотвратить снижение температуры реакционной массы на входе в каждую трубу 7 трубного пучка. Кроме того, в предлагаемой конструкции можно регулировать расход и температуру подаваемого в коллектор 13 теплоносителя в зависимости от изменения температуры реакционной массы в трубах 7 трубного пучка на их входе, которая в значительной степени со временем меняется в связи с падением активности катализатора. Все вышесказанное позволяет поддерживать высокую степень конверсии и увеличивать ее и качество продуктов реакции во времени даже при падении активности катализатора.