КОЖУХОТРУБНЫЙ РЕАКТОР

Предлагаемое техническое решение относится к кожухотрубным экзо- и эндотермическим каталитическим реакторам и может найти применение в химической, нефтехимической, нефте- и газоперерабатывающей промышленности.
Известен кожухотрубный реактор для проведения экзотермических и эндотермических реакций, содержащий корпус, трубные решетки, пучки труб, внутри которых размещен катализатор, распределительные устройства, технологические патрубки, при этом каждое распределительное устройство выполнено в виде трубки с щелевыми прорезями в верхней части и установлено внутри каждой трубы у нижнего ее торца, причем распределительные трубки снабжены подвижными регулируемыми крышками, расположенными над щелевыми прорезями (Авт. св. СССР №1134230, B01J 8/00, 1985 г.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится сложность и длительность загрузки и выгрузки зерен катализатора в трубы трубного пучка. Это увеличивает время подготовительных операций, уменьшает основное время работы реактора, что в конечном итоге снижает производительность.
Известна конструкция кожухотрубного реактора для проведения неизотермических реакций, состоящего из корпуса с пучком цилиндрических труб, закрепленных в трубных решетках и снабженных симметрично установленными вертикальными ребрами, и патрубков для входа и выхода реакционной массы и теплоносителя, при этом каждое ребро выполнено из материала, обладающего эффектом памяти формы (патент РФ №173767, B01J 8/00, 2017 г.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится сложность и длительность засыпки зерен катализатора в каждую цилиндрическую трубу, а также удаление этих зерен после потери каталитических свойств в конце рабочего периода. Это уменьшает основное время реакции и в целом снижает производительность кожухотрубного реактора, в котором необходимо вести каталитические процессы на зернах катализатора, засыпанного в цилиндрические трубы.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому объекту и принятому за прототип, является конструкция кожухотрубного реактора для проведения неизотермических реакций, состоящего из корпуса с пучком цилиндрических труб, закрепленных в трубных решетках и снабженных симметрично установленными вертикальными ребрами, и патрубков для входа и выхода реакционной массы и теплоносителя, при этом в каждую трубу трубного пучка на входе в нее потока реакционной массы дополнительно установлена гильза с наружным диаметром, равным внутреннему диаметру трубы, причем гильза имеет сквозную вертикальную прорезь по длине и вертикальные ребра из вырезанной и отогнутой части боковой поверхности гильзы (патент на полезную модель РФ №124187, B01J 8/00, 2012 г.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится сложность использования известной конструкции кожухотрубного реактора в каталитических процессах, когда в каждую трубу необходимо загрузить зерна катализатора. Это длительная технологическая операция как и выгрузка зерен уже отработанного катализатора, что требует остановки работы реактора и в целом снижает активное время работы, а значит, производительность по целевому продукту неизотермической каталитической реакции.
Техническим результатом предлагаемой конструкции кожухотрубного реактора является увеличение производительности.
Поставленный технический результат достигается тем, что в кожухотрубном реакторе для проведения неизотермических каталитических процессов, состоящего из корпуса с пучком цилиндрических труб, закрепленных в трубных решетках, патрубков для входа и выхода реакционной массы и теплоносителя, дополнительного цилиндрического элемента со сквозной вертикальной прорезью по длине, установленного внутри каждой цилиндрической трубы трубного пучка, причем дополнительный цилиндрический элемент представляет собой трубку с перфорированным днищем и выполненную из материала, который обладает эффектом памяти, причем отношение наружного диаметра трубки к внутреннему диаметру трубы подчиняется условию
где d - наружный диаметр трубки, мм;
D - внутренний диаметр трубы трубного пучка, мм.
Выполнение дополнительного элемента в виде трубки с перфорированным днищем позволяет производить загрузки зерен катализатора заранее, а так как наружный диаметр трубки меньше внутреннего диаметра трубы, то трубку с катализатором можно быстро опускать внутрь трубы. Это уменьшает время подготовительных операций, связанных с загрузкой зерен катализатора в трубы трубного пучка. То же касается и выгрузки отработанного катализатора вместе с трубками. Уменьшение времени загрузки и выгрузки катализатора увеличивает основное время работы, а значит, увеличивает и производительность.
Выполнение трубки из материала, обладающего эффектом памяти, позволяет при росте температуры в процессе химической реакции каждой трубке деформироваться с увеличением наружного диаметра с d до внутреннего диаметра D трубы трубного пучка, а плотное прилегание боковой наружной поверхности гильзы к внутренней поверхности трубы трубного пучка обеспечивает хорошую теплопроводность между ними и теплоперенос от теплоносителя в межтрубном пространстве к реакционной массе в трубах при эндотермической реакции или теплоперенос от реакционной массы в трубах к хладагенту в межтрубном пространстве при экзотермической реакции, что позволяет поддерживать требуемую температуру реакционной массы в трубах, стабилизировать конверсию и выход продукта с большой производительностью.
Уменьшение нижнего предела заявляемого отношения (1), равного 0,92, может приводить к недостаточному увеличению наружного диаметра d до величины внутреннего диаметра D трубы трубного пучка и недостаточно плотному прилеганию наружной поверхности трубки к внутренней поверхности трубы трубного пучка, что ухудшает теплоотдачу и может привести к неустойчивости режима работы реактора по температуре, снижению качества продуктов реакции, необходимости дополнительных операций и затрат времени на разделение непрореагирующих компонентов и целевых продуктов реакции, а значит, уменьшению самой производительности.
Увеличение верхнего предела заявляемого отношения (1) и равного 0,96 уменьшает величину кольцевого зазора между трубкой с катализатором и трубой трубного пучка, что усложняет установку трубки внутри трубы трубного пучка, увеличивает время этой дополнительной операции, а значит, может привести к уменьшению основного времени работы реактора и снижению его производительности.
Наличие сквозной вертикальной прорези по всей длине трубки облегчает при нагревании расширение наружного диаметра трубки от размера d до размера D, соответствующего внутреннему диаметру трубы трубного пучка, что приводит к плотному прилеганию наружной поверхности трубки к внутренней поверхности каждой трубы трубного пучка и наоборот, при охлаждении от рабочей температуры в реакторе до нормальной при выводе реактора из работы сквозная вертикальная прорезь в трубке по всей ее длине облегчает возвращение наружного диаметра трубки от диаметра D до величины d. Это облегчает технологическую операцию удаления трубки с катализатором из трубы трубного пучка, снижает ее время, а значит, способствует увеличению основного времени работы реактора и его производительность.
На фиг. 1 изображена схема кожухотрубного реактора с трубкой в каждой трубе трубного пучка и зернами катализатора в трубках; на фиг. 2 - аксонометрический вид трубки.
Кожухотрубный реактор состоит из кожуха 1 с патрубками входа 2 и выхода 3 теплоносителя или хладагента в межтрубном пространстве, патрубками входа 4 и выхода 5 реакционной массы, трубных решеток 6, в которых закреплены цилиндрические трубы 7. Внутри каждой цилиндрической трубы 7 установлена дополнительная трубка 8, имеющая наружный диаметр d, подчиняющийся условию (1) по отношению к внутреннему диаметру D. Дополнительная трубка 8 имеет сквозную вертикальную прорезь 9 и перфорированное днище 10 с размером отверстий меньшим размера зерен катализатора 11, засыпанного внутрь дополнительной трубки 8, чтобы зерна катализатора 11 не высыпались через эти отверстия. Один край сквозной вертикальной прорези 9 загнут внутрь другого края этой прорези, чтобы зерна катализатора 11 не высыпались через эту прорезь 9.
Кожухотрубный реактор работает следующим образом.
Предварительно в дополнительные трубки 8 засыпают зерна катализатора 11. Дополнительные трубки 8 с катализатором 11 вставляют сверху вниз в каждую трубу 7 трубного пучка. Так как наружный диаметр d дополнительных трубок 8 меньше внутреннего диаметра D труб 7, то они легко устанавливаются внутри труб 7 при нормальной температуре. Патрубки 4 и 5 с крышками герметично закрепляют на трубных решетках 6. Исходный поток реакционной массы подается по патрубку 4 в дополнительные трубки 8 и трубы 7, а продукты реакции выводят из них по патрубку 5. Поток теплоносителя или хладагента подают по патрубку 2 в межтрубное пространство и выводят из него по патрубку 3.
Химическая реакция идет при температурах больших, чем нормальная температура. Под действием этой повышенной температуры реакции стенки дополнительных трубок 8 нагреваются, а так как они изготовлены из материала, обладающего эффектом памяти, то их наружный диаметр увеличивается с первоначального наружного диаметра d до внутреннего диаметра D труб 7 трубного пучка. В качестве материала, обладающего эффектом памяти могут быть использованы следующие сплавы: сталь 12Х18Н10Т, никель-алюминиевые с 36% никеля, феррум-никелевые с 29% никеля, феррум-марганцевые с 24% марганца, титан-никелевые с 33% никеля и другие (Физические эффекты в машиностроении. Справочник / Машиностроение / В.А. Лукьянец, З.И. Алмазова, Н.П. Бурмистров и др. / М.: Машиностроение, 1993, стр. 150).
Наружная поверхность трубки 8 прижимается к внутренней поверхности трубы 7. Это способствует увеличению теплопроводности между этими соприкасающимися поверхностями, увеличивает в целом теплопередачу и обеспечивает высокую производительность кожухотрубного реактора.
При необходимости остановки кожухотрубного реактора для замены отработанного катализатора подачу исходного потока реакционной массы прекращают. Реактор вместе с трубами 7 и трубками 8 с катализатором 11 охлаждается до нормальной температуры. Трубки 8, выполненные из материала, обладающего эффектом памяти, уменьшают наружный диаметр с размера внутреннего диаметра D труб 7 до наружного диаметра d трубки 8, что позволяет их свободно удалить вместе с зернами катализатора 11, высыпать из них отработанные зерна катализатора 11 и засыпать свежие. При этом другие трубки 8, заранее заполненные свежим катализатором 11, устанавливают в трубы 7.
Таким образом, установка в каждую трубу 7 трубного пучка дополнительного цилиндрического элемента в виде трубки 8 с зернами катализатора 11 и перфорированным днищем 10 с размером отверстий меньшим размера зерен катализатора 11 и имеющей сквозную вертикальную прорезь, позволяет упростить и ускорить загрузку и выгрузку зерен катализатора в каждую трубу 7 трубного пучка, а выполнение трубки 8 из материала, обладающего эффектом памяти, с наружным диаметром d, удовлетворяющим условию (1) по отношению к внутреннему диаметру D трубы 7 трубного пучка, способствует сохранению высокой теплопередачи между реакционной массой в трубах 7 и трубках 8 с катализатором 11 и теплоносителя в межтрубном пространстве, что в целом сокращает время подготовительных операций, связанных с засыпкой свежих зерен катализатора 11 в трубки 8 и удалением отработанных зерен, интенсивному протеканию реакций на зернах катализатора 11, увеличению основного времени реакции и как следствие увеличению производительности.