СПОСОБ ВЫПОЛНЕНИЯ ВНУТРЕННИХ СТЕНОК КАТАЛИТИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ
METHOD OF IMPLEMENTATION OF THE INSIDE WALLS OF CATALYTIC REACTORS

Область техники
Изобретение относится к способу выполнения внутренних стенок каталитических реакторов, в частности, выполнения внешнего коллектора каталитических реакторов с радиальным или радиалыю-осевым потоком.
Уровень техники
В области каталитических химических реакторов существует задача создания стенок внутри корпуса реактора. Обычно эти стенки предназначены для удерживания катализатора и передачи потока газообразных реагентов. У каталитических реакторов сдвига, реакторов синтеза метанола и реакторов синтеза аммиака обычно имеются, также и внутренние стенки, называемые коллекторами.
Каталитические реакторы с радиальным или радиально-осевым потоком, например, содержат каталитический слой, ограничиваемый внутренней стенкой (внутренний коллектор) и внешней стенкой (внешний коллектор), имеющими перфорацию и проницаемыми для газа. Внешний коллектор является, соответственно впускным или выпускным коллектором каталитического слоя, в зависимости от того, куда направлен, внутрь или наружу, радиальный поток.
Для создания этих стенок внутри корпуса требуется решить ряд технологических задач, в частности, в случае частично открытых реакторов, которые составляют большинство. Термин "частично открытый реактор" обозначает реактор, у которого отсутствует фланец, диаметр которого равен или примерно равен диаметру корпуса, и в котором внутрь реактора можно попасть только через окно (люк) значительно меньшего диаметра. Частично открытая конструкция более предпочтительна, поскольку фланцы большого диаметра дороги и склонны к нарушению герметичности, однако доступ внутрь реактора, очевидно, ограничен относительно небольшим диаметром люка.
В результате, внутреннюю стенку, размеры которой слишком велики для установки ее через люк, монтируют по секциям. Отдельные секции стенки вводятся через люк и свариваются непосредственно внутри корпуса. Например, реакторах с радиальным потоком, внутренний коллектор имеет довольно небольшой диаметр и, как правило, может быть введен через люк, но внешний коллектор, диаметр которого лишь немного меньше диаметра корпуса, необходимо монтировать из секций.
Недостатком такого способа являются высокие затраты как при изготовлении, так и при сборке реактора. Максимальный размер секций определен необходимостью введения их через люк, и площадь поверхности каждой секции обычно мала по сравнению с площадью всей поверхности стенки поэтому должно быть подготовлено большое количество деталей для их дальнейшей сварки внутри корпуса. Высокие расходы обусловлены большим числом деталей и временем, необходимым для выполнения длинных швов внутри корпуса.
В случае модернизации существующего оборудования, необходимость снижения продолжительности сборки приобретает еще большее значение, поскольку занимаемое модернизацией время означает потери выпускаемой продукции из-за простоя установки, что ведет к значительным издержкам.
Сооружение внутренней стенки может быть еще больше усложнено, если люк расположен в малодоступном месте. Например, при поперечном или наклонном расположении люка относительно оси устройства (обычно проходит по вертикали), введение секций усложняется, что заставляет изготавливать их меньшего размера, с соответствующим ростом расходов. Поперечное расположение люка типично для реакторов низкотемпературного сдвига (LTS -от англ. low temperature shift), которые располагаются под реактором высокотемпературного сдвига (HTS - от англ. high temperature shift). При таком расположении, верхняя часть LTS реактора занята трубой подвода газа, а люк располагается на боковой поверхности.
Сборка внешнего коллектора реакторов с радиальным потоком, в частности, усложняется большими размерами коллектора, диаметр которого близок к диаметру самого реактора, и тем, что во многих случаях, этот внешний коллектор является и силовым элементом конструкции.
В ЕР 1818094 описаны внутренний и внешний коллекторы, выполненные с двойной стенкой. Такая конструкция имеет ряд признанных функциональных преимуществ, однако, в силу описанных выше причин, может иметь высокую стоимость.
Для сокращения времени сборки, была предложена конструкция с использованием так называемых "скаллопов". В этой конструкции внешний коллектор, сформирован не в виде одиночного цилиндра, а в виде последовательности перфорированных элементов из металлического листа с двойной стенкой, расположенных продольно параллельно оси реактора, называемых "скаллопами", опирающихся на внутреннюю стенку картриджа с катализатором. Скаллопы отделены друг от друга зазорами, увеличивающимися или уменьшающимся в соответствии с тепловым расширением в процессе работы.
Преимуществом конструкции со скаллопами является отсутствие необходимости в продольных сварных швах и значительно, в разы, более высокая скорость их установки и сборки по сравнению с цилиндрическими коллекторами. При использовании этой конструкции, однако, возникает ряд проблем: скаллопы не окружают всю массу катализатора (но погружаются в нее), а в результате наличия упомянутых зазоров катализатор приходит в соприкосновение с внутренней стенкой картриджа. Это приводит к появлению неохлаждаемых зон катализатора, с возможным образованием горячих участков и вырабатывания побочных продуктов, и локального нагрева картриджа. Более того, конструкция со скаллопами имеет высокую стоимость из-за большого количества деталей, необходимых для формирования внешнего коллектора, и конструкции с двойной стенкой. Эти недостатки делают конструкцию со скаллопами не вполне удовлетворительной.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение направлено на упрощение конструкции внутренних стенок частично открытых каталитических реакторов, в частности, применительно к созданию внешнего коллектора каталитических реакторов с радиальным или радиально-осевым потоком. Более конкретно, изобретение направлено на снижение количества деталей, необходимых для изготовления этих стенок, и снижения трудозатрат, связанных с выполнением соответствующих сварных швов.
Указанная задача решается реактором для каталитических химических реакций, включающим: частично открытый внешний корпус, имеющий люк для доступа внутрь, впускное и выпускное отверстия для впуска и выпуска реагентов и продуктов реакции, соответственно, и по меньшей мере одну внутреннюю стенку, отличающимся тем, что:
по меньшей мере одна стенка содержит несколько панелей, которые собираются внутри корпуса для формирования упомянутой стенки, обладающих гибкостью и способностью деформироваться, что обеспечивает их введение через люк и/или через по меньшей мере одно из впускного и выпускного отверстий, а получившаяся стенка не является самонесущей и опирается на несущую стенку реактора.
Термин "частично открытый внешний корпус" подразумевает, что корпус не имеет отверстий полного диаметра, т.е., отверстий, диаметр которых равен или приблизительно равен диаметру корпуса. Т.е., диаметр единственно имеющихся отверстий и фланцев корпуса (например, люков) существенно меньше этого диаметра.
Термин "не самонесущая стенка" подразумевает, что внутренняя стенка не предназначена для выдерживания напряжений, обусловленных нормальными условиями работы в реакторе, а функция несущей конструкции выполняется стенкой реактора.
Предпочтительной областью применения изобретения является создание внешнего коллектора каталитического слоя с радиальным или радиально осевым сквозным потоком. Внешний коллектор представляет собой цилиндрическую или многоугольную стенку, расположенную вокруг каталитического слоя и предназначенную для передачи или газового потока реагентов в каталитический слой или из него сбора (в зависимости от направления - внутрь или наружу). Реактор включает картридж с катализатором, содержащий слой и образующий внешнюю несущую стенку. Коллектор имеет однослойную стенку и опирается на несущую стенку картриджа с катализатором.
Коллектор, не обладающий самонесущей способностью, согласно изобретению, не предназначен для выдерживания напряжений, создаваемых давлением катализатора, обусловленных собственным весом катализатора, и нагрузочными потерями, создаваемыми газом (при его прохождении через коллектор и массив катализатора), а также из-за разницы коэффициентов расширения между катализатором и коллектором. Эти напряжения, согласно изобретению, передаются на коллектор, но их принимает на себя несущая стенка картриджа с катализатором, благодаря рабочему (несущему) контакту коллектора с этой стенкой.
В сравнении с упомянутой конструкцией со скаллопами, предложенный в изобретении коллектор, не обладающий самонесущей способностью, имеет рядом преимуществ, включая то, что окружена вся масса катализатора и отсутствует зазор между двумя смежными панелями (что предотвращает контакт между катализатором и картриджем) и, кроме того, они сформированы однослойными стенками, что снижает стоимость.
Благодаря предложенной геометрической форме, расстояние между двумя смежными панелями может быть сокращено при необходимости, что, по сравнению с уровнем техники, обеспечивает значительное сокращение толщины коллекторов, с соблюдением в приемлемых пределах требований механической прочности. Этим обеспечивается необходимая гибкость упомянутых панелей, допускающая их деформацию при введении через люк. Поэтому панели, из которых выполняется внутренняя стенка, могут быть выполнены из стального листа небольшой толщины, например, не более 1 мм, что обеспечивает их гибкость.
Таким образом, главное преимущество изобретения состоит в том, что одиночные панели могут иметь размер, превышающий размер имеющегося люка, поскольку благодаря гибкости они могут быть согнуты для введения в люк. Например, панели могут быть свернуты в рулон с использованием подходящего инструмента, известного в уровне техники (например, обвязочного инструмента, обычно используемого в транспортном упаковывании), пока они не будут проходить в имеющийся люк. Кроме того, панели могут быть свернуты в рулон и зафиксированы в этом состоянии, с сокращением их общего объема и расходов на транспортировку, что является важным преимуществом при проведении модернизации.
Благодаря способности к упругой деформации (за счет малой толщины), панели следуют кривизне стенки картриджа. Более того, поскольку панели не несут механических нагрузок, стыки между панелями также могут выполняться простым и недорогим способом. Скрепление панелей друг с другом может выполняться, например, с использованием болтов или известных средств механического крепления. Между панелями могут использоваться разъемные соединения, что упрощает их проверку, ремонт или замену.
Другое преимущество гибкости панелей состоит в их способности компенсации различий в расширении. Поэтому конструкция внутренней стенки в соответствии с изобретением легко выдерживает термические напряжения.
Благодаря небольшой толщине, также возможно выполнение отверстий и прорезывание пазов для прохождения потока газа посредством высекания (вырубания). Известно, что высекание является наиболее экономичным способом перфорирования, но может использоваться только в тех случаях, когда размер отверстий примерно равен (или превосходит) толщине металлического листа. С другой стороны, для удерживания катализатора требуются довольно маленькие отверстия и, поэтому, высекание не может использоваться в известных конструкциях, где толщина стенок коллектора относительно велика и минимальный размер отверстий, которые могут быть выполнены этим способом, оказался бы слишком большим. Коллектор, согласно настоящему изобретению, имеет малую толщину и может перфорироваться посредством высекания, что дает значительную экономию.
В предпочтительном варианте выполнения, на поверхности панелей имеются гребни или ребра, проходящие параллельно оси реактора, определяющие линии несущего контакта с несущей стенкой картриджа с катализатором. Например, панели могут быть выполнены из гофрированного (волнистого) металлического листа, и более предпочтительно, из металлического листа с ребристым профилем. При использовании изобретения в конструкции внешнего коллектора, гребни действуют как распорные элементы между внешним коллектором и несущей стенкой картриджа, образуя, тем самым, промежуточное пространство (кольцевую полость) для потока газа между этими двумя частями.
Профилированный ребристый металлический лист особенно предпочтителен благодаря тому, что расстояние между коллектором и стенкой, т.е., поперечное сечение промежуточного пространства, может легко устанавливаться выбором глубины ребер и, по существу, не зависит от расстояния между смежными ребрами (шага ребер). Другими словами, при изменении глубины ребер, шаг ребер может устанавливаться независимо от поперечного сечения потока газа между коллектором и картриджем. Эта особенность имеет преимущество по сравнению с использованием гофрированного металлического листа, где размер промежутков для прохода газа зависит в значительной степени от периода волны гофра металлического листа.
Более предпочтительно, также используются кольца разделения секций, прикрепленные к панелям внешнего коллектора с подходящими интервалами вдоль направления оси. Кольца разделения секций предотвращают возможность аварии из-за неустойчивости (сжимания) внутренней стенки, сформированной разными панелями.
В соответствии с различными вариантами выполнения изобретения, панели могут иметь проницаемые зоны, имеющие проходы для газа, и непроницаемые зоны, не имеющие таких проходов. Проходы для газа формируются, например, отверстиями или щелями. Разные части поверхности панелей могут иметь различное распределение проходов для газа, например, отверстий с разным размером и/или разным интервалом.
Панели, в соответствии с предпочтительным вариантом выполнения, могут быть изготовлены из плоских металлических листов с использованием следующих технологических операций:
I. выполнение перфораций, например, щелей (металлических листов со щелями) или отверстий путем высекания вдоль данных секций (эта операция не требуется, если используется уже перфорированный металлический лист);
II. формирование отверстий для скрепления деталей друг с другом и отверстий для систем крепления;
III. формирование сгибов посредством прессования в формах или фасонным инструментом вдоль заданных продольных линий;
IV. при необходимости, использование крепления сварки, контрящих гаек;
V. скручивание в рулон, с закреплением при необходимости, например для транспортирования или для сборки;
VI. монтаж, путем введения панели и ее расположения в непосредственной близости к стенке картриджа.
В процессе установки, панель может удерживаться в скрученном состоянии соответствующими обвязочными лентами. После удаления (например, разрезки) этих лент, панель удерживается в нужном положении посредством опорного кольца, выполняющего роль шаблона, и/или кольцами разделения секций.
Изобретение также относится к способу обеспечения внутренней стенки реактора, в соответствии с приложенной формулой.
Согласно предложенному в изобретении способу, стенку формируют несколькими панелями, размер которых в недеформированном состоянии превышает размер люка реактора. В соответствии с этим способом, каждую панель деформируют так, что она может быть введена в реактор через имеющийся люк. После введения в реактор, панели восстанавливают свою первоначальную форму, и их монтируют так, чтобы они прилегали к несущей стенке реактора, например, стенке картриджа катализатора. Деформация панелей является упругой деформацией, или частично упругой и частично пластичной деформацией. После введения в реактор, панели упруго восстанавливают свою первоначальную форму, либо делают это под действием прилагаемой силы, имеющей в любом случае ограниченные размеры. По меньшей мере частично упругая деформация панелей, позволяющая ввести их в люк, возможна благодаря их малой толщине, что, в свою очередь, является следствием того, что они не являются самонесущими, а силовые нагрузки воспринимаются стенкой самого реактора.
Способ в соответствии с изобретением также может быть использован для модернизации существующего реактора, например, посредством замены обычного коллектора коллектором, выполненным в соответствии с настоящим изобретением.
Преимущества изобретения будут более понятны при ознакомлении с приведенным далее подробным описанием, относящимся к ряду предпочтительных вариантов выполнения.
Краткое описание чертежей
Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг. 1 представлен схематичный вид поперечного сечения реактора в соответствии с вариантом выполнения изобретения;
на фиг. 2 представлен коллектор реактора, показанного на фиг. 1, расположенный внутри корпуса реактора и опирающийся на стенку его картриджа с катализатором;
на фиг. 3 изображен фрагмент стыка между двумя панелями коллектора, показанного на фиг. 2;
на фиг. 4 показан фрагмент изображения на фиг. 2, относящийся к зоне контакта между коллектором и стенкой картриджа;
на фиг. 5 показан предпочтительный способ формирования замыкающего стыка коллектора;
на фиг. 6 представлен вид поперечного сечения стыка между двумя панелями коллектора;
на фиг. 7 представлен другой вариант выполнения изобретения.
Подробное описание осуществления изобретения
На фиг. 1 схематично изображен химический реактор 1 с радиальным или радиально-осевым потоком, направленным к центру (внутрь), в основном включающий: частично открытый корпус 2, картридж 3 с катализатором, содержащий слой 4 катализатора с радиальным или радиально-осевым сквозным потоком; внешний коллектор 5, расположенный вокруг слоя 4 катализатора.
Частично открытый корпус 2 имеет люк 6, диаметр которого меньше диаметра корпуса 2, верхнее впускное отверстие 30 и нижнее выпускное отверстие 31, диаметр которых меньше диаметра люка 6.
Радиально-осевой сквозной поток в слое 4 формируется между внешним коллектором 5 и внутренним коллектором 20.
Внешний коллектор 5 опирается на картридж 3 и имеет модульную конструкцию, сформированную в основном несколькими панелями, которые могут быть введены через люк 6 и/или через верхнее отверстие 30.
Следует заметить, что коллектор 5 обладает гибкостью в поперечном направлении, но является жестким в продольном направлении. Соответственно, если бы ось люка 6 не проходила вертикально, через него нельзя было бы ввести длинные элементы, превосходящие внутренний диаметр устройства, зато элементы меньшего размера, но имеющие длину, равную длине устройства, могут быть введены через верхнее впускное отверстие 30.
Предпочтительный вариант выполнения представлен на фиг. 2, где частично показаны две панели 5.1 и 5.2, образующие часть внешнего коллектора 5, опирающегося на несущую стенку 7 картриджа 3 с катализатором. Панели, формирующие коллектор 5 в данном примере, выполнены из тонкого упруго сгибаемого профилированного ребристого металлического листа и соединены друг с другом продольным соединением с использованием болтов 8.
Предпочтительный вариант соединения показан на фиг. 3. Между панелями 5.1 и 5.2 имеется зона 9 перекрытия, а концевой фланец 10 панели 5.1 прикреплен болтом к лежащей под ним плоской части 11 панели 5.2.
Панели имеют ребра 12, опирающиеся на стенку 7 и касающиеся ее, отделяя коллектор 5 от этой стенки 7 и образуя промежуточное пространство 13 для потока газа, как это также подробно показано на фиг. 4.
Панели имеют проходы для газа, например отверстия с равномерным или переменным расположением. Например, панели имеют первую схему расположения проходов для газа на плоских поверхностях 14 и вторую схему расположения проходов для газа на боковых сторонах 15, причем первая и вторая схемы расположения отличаются по форме, и/или размеру, и/или шагу проходов для газа. Например, проходы для газа включают отверстия или щели, и имеют различное расположение, соответствующее различному расположению щелей. В примере, показанном на чертежах, каждая панель имеет фланец 10, используемый для крепления (фиг. 2) и имеющий непрерывную поверхность без проходов для газа.
На этом чертеже также показано кольцо 6 разделения секций. Предпочтительно, кольцо 6 разделения секций имеет выступы 17, сопряженные с пазами 18, образуемыми ребрами 12. Несколько колец 6 разделения секций могут быть расположены на подходящем расстоянии друг от друга, в зависимости от напряженного состояния коллектора 5. Обычно это расстояние составляет от одного до двух метров.
На фиг. 5 представлен предпочтительный вариант выполнения последнего замыкающего стыка коллектора. Две концевые панели 5.1 и 5.n соединены друг с другом замыкающей панелью 5.с, с противоположных сторон которой имеются соответственно, два фланца 10, посредством которых она может быть прикреплена болтами к двум концевым панелям, в частности, вдоль секции 19, не имеющей отверстий.
Поперечное сечение типового болтового соединения между панелями коллектора 5 показано на фиг. 6.
На фиг. 7 представлен вариант выполнения, в котором панели 5.1, 5.2, … содержат дугообразные части 21. Предпочтительно, эти части 21 представляют собой круговые дуги. Части 21 скреплены между собой соединителями 22, выполненными в виде V-образных наконечников 23, которые частично перекрываются. Преимуществом этого варианта выполнения является равномерное распределение напряжений, благодаря круговой форме частей 21. Как и в ранее описанных вариантах выполнения, коллектор 5 не имеет нарушений непрерывности, а корпус 7 не соприкасается с катализатором.
Предпочтительно, панели 5.1, 5.2, … 5.n имеют небольшую толщину, например, не более 1 мм, благодаря чему они легко подвергаются деформации. Благодаря их способности к деформации, панели могут быть согнуты или скручены для их введения в люк 6 реактора 1. Благодаря этому, могут быть увеличены размеры единичной панели, по сравнению с обычными панелями, что позволяет уменьшить число панелей, требующихся для формирования коллектора 5, для получения той же площади поверхности. Также упрощается и сборка, поскольку соединения между панелями механически не нагружены, и больше не требуется выполнения высококачественных длинных сварных швов, как в существующих конструкциях. Таким образом, в изобретении решены задачи, описанные выше.