ХИМИЧЕСКИЙ РЕАКТОР С ПЛАСТИНЧАТЫМ ТЕПЛООБМЕННИКОМ
CHEMICAL REACTOR WITH PLATE HEAT EXCHANGER

Область техники
Настоящее изобретение относится к изотермическим химическим реакторам с пластинчатым теплообменником и пластинчатым теплообменникам для изотермических химических реакторов.
Уровень техники
Изотермические или псевдоизотермические химические реакторы содержат слой катализатора, где происходит химическая реакция, и теплообменник, предназначенный для поддержания температуры этого слоя катализатора в заданном интервале. Изотермические реакторы используются, среди прочего, в конвертерах метанола, где теплообменник отводит большое количество тепла, образующегося в результате экзотермической реакции синтеза метанола. Внутренний теплообменник может представлять собой пластинчатый теплообменник, раскрытый, например, в ЕР-А-1284813.
В качестве хладагента может использоваться кипящая вода, при этом отводимое из слоя катализатора тепло используется для получения водяного пара высокого давления, что позволяет регенерировать энергию. В настоящем описании, термин "реактор с паровым охлаждением" используется для обозначения химического реактора, в котором происходит экзотермическая реакция и внутренний теплообменник охлаждает каталитический слой, главным образом, полным или по меньшей мере частичным испарением подводимой воды.
Корпус реактора имеет систему труб и (или) соединительных фланцев для обеспечения циркуляции хладагента во внутреннем теплообменнике. В известных реакторах хладагент входит с одного конца и выходит с другого конца корпуса: например, поток охлаждающей воды входит в дно корпуса, а пар или поток смеси воды с паром выходит из верхней части корпуса. При этом необходим достаточно большой коллектор или распределитель, расположенный, соответственно, вверху и внизу теплообменника, для подведения или отвода хладагента к каждой из пластин и от каждой из пластин.
Пластинчатые изотермические реакторы становятся все более и более популярными благодаря многим своим преимуществам, например, эффективному теплоотводу, модульной конструкции, простоте обслуживания, особенно при использовании для синтеза метанола. Поэтому существует потребность постоянного совершенствования и оптимизации их конструкции. В частности, одной из технических проблем является наиболее рациональное использование для химической реакции размеров корпуса, т.е. имеющегося пространства.
Одной из проблем в существующих устройствах является различие в коэффициентах температурного расширения теплообменника и корпуса реактора. На практике, пластины и корпус выполняются из различных материалов и работают при различных температурах. При нормальной работе пластины имеют более низкую температуру; в переходных режимах (например, при пуске) температура пластин может быть как выше, так и ниже, чем температура корпуса. Различное температурное расширение может вызывать напряжение, в основном, во впускном и выпускном каналах хладагента, представляющих собой жесткие точки соединения теплообменника с корпусом.
В настоящее время эта проблема решается созданием такой конструкции внутренней системы труб, в которой допускается некоторое смещение теплообменника относительно корпуса. Например, одна или более труб для передачи хладагента изгибаются таким образом, чтобы действовать как пружина и компенсировать относительное смещение между теплообменником и корпусом. В известной конструкции, пластины теплообменника расположены по радиусу вокруг оси вертикально расположенного корпуса, при этом теплообменник имеет в целом кольцевую форму. Кипящая вода входит в теплообменник снизу и выходит из него сверху, через большой коллектор тороидальной формы, соединенный с каждой пластиной несколькими небольшими трубами. Этот большой коллектор, благодаря его форме, может в некоторой степени деформироваться, компенсируя температурное расширение теплообменника.
Недостаток такого решения состоит в том, что система внутренних соединительных труб имеет высокую стоимость и занимает место, необходимое для проведения химической реакции. Например, упомянутый тороидальный коллектор занимает соответствующую часть объема верхней части корпуса. На практике, для обеспечения точного управления температурой реакции, объем слоя катализатора должен быть, насколько это возможно, заполнен пластинами теплообменника. Другим недостатком является большая продолжительность установки и относительная сложность доступа для загрузки катализатора.
Другое известное решение раскрыто в ЕР-А-1279915, в котором пластины имеют разделительную перегородку, создающую U-образный путь движения хладагента, а впускной и выпускной фланцы могут быть расположены в нижней части реактора, оставляя верхнюю часть теплообменника свободной от жестких соединений с корпусом и, следовательно, имеющей возможность для расширения.
Хотя последнее решение показало свою эффективность, существует потребность в дальнейшем усовершенствовании реактора этого типа, в частности для конвертеров метанола. Задачей изобретения является создание эффективной и дешевой конструкции пластинчатого теплообменника, в частности в химическом реакторе с паровым охлаждением.
Краткое изложение сущности изобретения
Поставленная задача выполняется химическим реактором с паровым охлаждением, имеющим вертикальный корпус (сосуд), содержащий слой катализатора, погруженный в этот слой катализатора пластинчатый теплообменник, охлаждающий этот слой катализатора испарением потока охлаждающей воды и имеющий патрубок впуска воды и пароотводный патрубок, и систему труб для распределения воды по испарительным каналам пластин теплообменника и сбора оттуда потока пара, при этом этот патрубок впуска воды и пароотводный патрубок расположены под теплообменником, а система труб и пластины теплообменника расположены так, чтобы создать путь движения охлаждающего потока, включающий первый, восходящий путь, с нижней части к верхней части слоя катализатора, и второй, нисходящий путь, с верхней части к нижней части слоя катализатора, причем упомянутые испарительные каналы пластин образуют один из этих первого и второго путей, а одна или более восходящие трубы для воды или нисходящие трубы для пара образуют другой из этих первого и второго путей.
В некоторых вариантах выполнения изобретения, охлаждающая вода проходит от низа до верха слоя катализатора по одной или более восходящей трубе, после чего испаряется, протекая вниз по испарительному каналу теплообменных пластин. В других вариантах выполнения изобретения, охлаждающая вода испаряется, поднимаясь от низа до верха слоя катализатора по испарительным каналам теплообменных пластин, и полученный в результате пар или поток воды с паром возвращается к низу слоя по одной или более нисходящим трубам. Предпочтительно, испарительные каналы представляют собой прямые продольные каналы внутри пластин.
В других вариантах выполнения, упомянутые восходящие трубы интегрированы в пластины теплообменника. Например, каждая пластина содержит один или более каналов, питающих верхний распределитель, связанный с испарительными каналами.
Преимущество изобретения состоит в том, что испарение охлаждающей воды происходит в управляемых условиях внутри испарительных каналов, что обеспечивает стабильную работу и хорошее управление температурой по всему слою катализатора. В частности, изобретение позволяет избежать формирования возможно нестабильного двухфазного потока внутри каналов, предназначенных для потока жидкой воды, и любого связанного с этим риска отклонения от номинальных условий, неоднородного распределения температуры или локального перегрева слоя катализатора. Кроме того, верхний конец пластинчатого теплообменника не имеет жесткого механического соединения с корпусом реактора, и может достаточно свободно смещаться относительно корпуса. Этим компенсируется различие в температурном расширении и устраняется необходимость в использовании дорогих изогнутых труб, сочленений и т.п. Другим преимуществом изобретения является то, что может быть упрощена внутренняя система труб и связанные с ней расходы. В частности, варианты выполнения изобретения с восходящими трубами для воды, интегрированными в теплообменные пластины, позволяет сэкономить на стоимости труб для воды и соединительной арматуры.
В некоторых вариантах осуществления изобретения, в пластинах теплообменника имеются нижние впускные отверстия для воды и верхние выпускные отверстия для пара, и внутренняя система труб содержит по меньшей мере одну нисходящую трубу для отведения потока с паром от этих верхних выпускных отверстий в главный коллектор пара под теплообменником.
В других вариантах выполнения, пластины теплообменника имеют верхние впускные отверстия для воды и нижние выпускные отверстия для пара, и внутренняя система труб содержит по меньшей мере одну восходящую трубу для подачи охлаждающей воды от главного распределителя к этим впускным отверстиям теплообменных пластин. Для подачи воды может быть предусмотрено несколько восходящих труб, каждая из которых подает часть подводимой воды в соответствующую группу пластин теплообменника. Эти варианты выполнения могут быть предпочтительными, поскольку восходящие трубы для жидкой воды могут быть много меньше, чем нисходящие трубы для пара или потока воды с паром, обладающих значительно большим удельным объемом.
В другом варианте выполнения, одна или более восходящих труб интегрированы в каждую пластину теплообменника. Преимущество интеграции восходящей или нисходящей труб в пластины состоит в дальнейшем сокращении системы труб и связанных с ней соединений. Теплообменные пластины могут быть, например, расположены радиально вокруг вертикальной оси реактора, образуя теплообменник с общей кольцевой структурой.
В соответствии с предпочтительным вариантом выполнения, каждая пластина теплообменника содержит:
- нижнюю подводящую трубу, ассоциированную (связанную) с нижней стороной пластины; распределитель, ассоциированный с верхней стороной пластины, и противоположный нижний коллектор, ассоциированный с нижней стороной пластины;
- при этом нижняя подводящая труба, распределитель и нижний коллектор сформированы соединительными трубами или элементами труб, конструктивно независимыми от пластины;
- пластина имеет внутренние проходы, включающие по меньшей мере один испарительный канал и по меньшей мере один проход для подачи воды, причем эти внутренние проходы изолированы один от другого;
- проход(-ды) для подачи воды образуют путь для потока между нижней подводящей трубой и распределителем, а испарительный канал(-лы) образует путь для потока между распределителем и нижним коллектором.
Конструктивно независимые подводящая труба, распределитель и коллектор связаны с верхней и нижней сторонами пластины, например приварены к ним. Конструкция пластины обычно образована двумя металлическими листами, соединенными друг с другом для формирования проходов для подачи воды и испарительных каналов. Более предпочтительно, каждая пластина теплообменника содержит два лежащих друг против друга металлических листа и имеет несколько продольных и параллельных внутренних каналов, изолированных друг от друга либо разделительными вставками, удерживающими металлические листы на определенном расстоянии либо непрерывными продольными швами между металлическими листами. Один из таких проходов или первая группа таких проходов позволяют направлять подаваемую воду от нижней подводящей трубы к верхнему распределителю, а вторая группа этих проходов формирует испарительные каналы от верхнего распределителя к нижнему коллектору.
Подводящая труба, распределитель и коллектор обычно должны обеспечивать расход в нескольких внутренних проходах (каналах для подачи воды или испарительных каналах). Поэтому поперечное сечение подводящей трубы, распределителя и коллектора должно быть больше поперечного сечения одного внутреннего канала пластины; при этом в независимых конструкциях подводящей трубы, распределителя и коллектора можно использовать большую толщину и (или) большую прочность материала, чем у металлических листов пластины, с тем, чтобы обеспечить такую же устойчивость (например, к внутреннему давлению), что и у каналов пластины.
В более предпочтительном варианте выполнения, полное поперечное сечение испарительного канала(-ов) каждой пластины больше, чем полное поперечное сечение прохода(-ов) для подачи воды этой же пластины. В некоторых вариантах выполнения, проходы для подачи воды могут иметь, в целом, такое же поперечное сечение, что и испарительные каналы; в этом случае указанное условие достигается при числе испарительных каналов, превышающем число каналов для подачи воды.
Предпочтительным, хотя и не единственным применением изобретения является конвертер метанола. В предпочтительном варианте, конвертер метанола имеет кольцевой пластинчатый теплообменник в соответствии с описанным выше, выдающий водяной пар при среднем давлении, например 15-25 бар.
Согласно другой особенности изобретения, предложена новая конструкция теплообменной пластины для изготовления пластинчатого теплообменника в соответствии с изложенным выше. Пластина имеет внутренние проходы для теплоносителя, подводящую трубу и коллектор для теплоносителя, и отличается тем, что: подводящая труба и коллектор оба ассоциированы с первой стороной пластины; пластина имеет первый распределитель текучей среды, ассоциированный со второй стороной, противоположной первой стороне;
подводящая труба, распределитель и нижний коллектор сформированы соединительными трубами или элементами труб, конструктивно независимыми от пластины; внутренние проходы пластины включают по меньшей мере один внутренний проход, обеспечивающий прохождение теплоносителя между подводящей трубой и распределителем, и по меньшей мере второй внутренний проход, обеспечивающий прохождение теплоносителя между распределителем и коллектором, при этом второй проход(-ды) отделен от первого прохода(-ов).
В некоторых вариантах выполнения, теплообменные пластины содержат два расположенных друг против друга металлических листа и имеют несколько продольных параллельных внутренних проходов между металлическими листами, причем проходы отделены друг от друга сплошными разделительными вставками, удерживающими металлические листы на определенном расстоянии, либо непрерывными продольными швами. Один из таких проходов, или первая группа таких проходов связывают подводящую трубу и распределитель, а вторая группа этих проходов обеспечивает прохождение теплоносителя от распределителя к коллектору.
Следует заметить, что применимость изобретения не зависит от схемы движения газового потока снаружи пластин, в слое катализатора. Поэтому изобретение в равной мере подходит для реакторов с осевым потоком или радиальным потоком.
Другое преимущество изобретения состоит в следующем. Проведенные заявителем эксперименты показали, что в пластинчатом теплообменнике с водяным охлаждением, где охлаждающая вода проходит, по существу, по U-образному пути, т.е. вода проходит по крайней мере первый восходящий путь от низа до верха слоя катализатора, и второй нисходящий путь, от верха до низа слоя катализатора, можно избежать испарения воды в первом, восходящем пути. Другими словами, вода достигнет верхней части слоя катализатора, находясь еще в жидком состоянии. При частичном испарении воды параметры водного потока отклоняются от проектных, что приводит к менее эффективному охлаждению некоторых областей теплообменника, что влечет за собой риск местного перегрева слоя катализатора. Если, например, поступающая вода испаряется в восходящем пути, внутри пластин может образоваться тонкий слой жидкой воды, а остальная часть объема будет заполнена паром. При этом отведение тепла станет значительно менее эффективным в зоне пластин, заполненной перегретым паром, и слой катализатора снаружи может перегреться.
Сохранение воды в жидком состоянии представляет собой непростую задачу, поскольку в распространенных случаях (например, в конвертерах метанола) охлаждающая вода поступает от парового коллектора в состоянии, близком к насыщению. Поэтому относительно небольшое падение давления и (или) повышение температуры воды может вызвать образование соответствующей паровой фазы.
В этой связи, нужно заметить, что падение давления обратно пропорционально диаметру соединительной трубы. Более того, небольшая соединительная труба имеет низкое отношение наружной поверхности, соприкасающейся с горячим слоем катализатора, к поперечному сечению, т.е. расходу при данной скорости, это означает, что тепловой поток от слоя катализатора в большей степени влияет на протекающую внутри воду. С учетом этих соображений, заявитель пришел к выводу, что в восходящих трубах малого диаметра скорее произойдет испарение воды, и проявится указанный недостаток. В изобретении эта проблема решена, в частности, в вариантах выполнения, где каждая восходящая труба подводит воду к группе пластин, или в вариантах выполнения с интегрированными восходящими трубами, где пластина может быть сформирована с одним или более каналом (-ми) большего сечения в качестве восходящей трубы для воды, и более мелкими каналами в качестве нисходящего пути для воды. В более крупных восходящих трубах или каналах в пластинах снижен риск раннего испарения из-за падения давления и (или) нагрева; показано, что испарение происходит в основном или исключительно в нисходящей части тракта, что и является предпочтительным.
Характеристики и преимущества настоящего изобретения будут более понятными из приведенного далее для иллюстрации описания предпочтительных частных примеров, со ссылкой на приложенные чертежи.
Краткое описание чертежей
на фиг.1 представлен вид продольного сечения изотермического реактора, содержащего внутренний пластинчатый теплообменник, в соответствии с предпочтительным вариантом выполнения изобретения;
на фиг.2 представлен вид пластины теплообменника, в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения;
на фиг.3 представлен вид поперечного сечения пластины, показанной на фиг.2, по линии III-III;
на фиг.4 представлен вид поперечного сечения пластины теплообменника, в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения.
Подробное описание осуществления изобретения
На фиг.1 показан реактор 1 с осевым потоком, содержащий цилиндрическую оболочку (или корпус) 2 с вертикальной осью, нижним концом 3 и верхним концом 4, верхним впускным отверстием 5 для свежих реагентов и нижним выпускным отверстием 6 для продуктов реакции. Реакция происходит в слое 7 катализатора внутри корпуса.
Реактор также содержит пластинчатый теплообменник 8 с несколькими пластинами 9, расположенными по радиусу вокруг вертикальной оси оболочки 2. Теплообменник 8 соединен с впускным патрубком 10 для кипящей воды W и выпускным патрубком 11 для потока 5, содержащего водяной пар. Кипящая вода W может быть полностью испарена с образованием пара или пароводяного потока S.
Вода W и водяной пар S распределяются по пластинам 9 посредством главного распределителя 12 воды и собираются с пластин 9 главным коллектором пара 13. Как главный распределитель 12, так и главный коллектор 13 расположены под теплообменником 8 так, что впускной патрубок 10 и выпускной патрубок 11 расположены в нижней части реактора, т.е. в нижнем конце 3, или в нижней части цилиндрической оболочки 2.
Каждая пластина 9 внутри разделена на несколько проходов, предпочтительно прямых, продольно проходящих и изолированных друг от друга. Охлаждающая вода W распределяется по нескольким восходящим трубам 14, соединенным с главным распределителем 12. Каждая пластина 9 имеет верхний распределитель 15, а каждая из восходящих труб 14 питает одну пластину 9 или, желательно, подгруппу пластин 9 через соединительные трубы 16, проходящие между этой восходящей трубой и верхними распределителями 15. С противоположного конца каждая пластина 9 содержит нижний коллектор 17. В главный коллектор 13 хладагент поступает от нижних коллекторов 17 пластин 9 через соединительные трубы 18.
Таким образом, полный тракт движения охлаждающей воды внутри реактора 1 включает первый восходящий путь через восходящие трубы 14 и второй нисходящий путь через внутренние испарительные каналы пластин 9, вниз, к коллектору 13. Испарение охлаждающей воды происходит, в основном, на этом втором нисходящем пути. Охлаждающая вода W испаряется полностью или частично, отводя тепло от слоя 7 катализатора.
Как видно на фиг.1, верхний конец 8a теплообменника 8, по существу, обладает свободой относительно корпуса 2, поскольку все трубы, соединяющие теплообменник с корпусом, например, главные соединительные трубы 12 и 13, и связанная с ними система труб расположены в нижней части 8b.
В, по существу, двойной конструкции (не показана) вода W испаряется, двигаясь вверх внутри внутренних испарительных каналов пластин 9, и затем возвращается вниз к главному коллектору через несколько нисходящих труб.
В других вариантах выполнения изобретения восходящие трубы 14, в основном, интегрированы в теплообменник 8, т.е. каждая пластина имеет по меньшей мере один внутренний проход, используемый для передачи соответствующей части подаваемой воды W к соответствующему распределителю 15.
Пример выполнения пластины 9A с интегрированными восходящими трубами приведен на фиг.2 и 3. Пластина имеет, в основном, прямоугольную форму с противолежащими длинными и короткими сторонами и содержит два расположенных друг против друга металлических листа 20, 21, подводящую трубу 22, ассоциированную с первой стороной пластины, например нижней короткой стороной в конфигурации, эквивалентной показанной на фиг.1, распределитель 23, ассоциированный со стороной пластины, противоположной упомянутой первой стороне, и коллектор 24, ассоциированный с упомянутой первой стороной.
Пластина 9A имеет несколько внутренних проходов между металлическими листами 20 и 21, изолированных друг от друга непрерывными продольными швами 25 и 25A между металлическими листами. В показанном примере, два прохода 26A соединяют подводящую трубу 22 с распределителем 23, соответственно, через отверстия 27 и 28, а другие проходы (или каналы) 26B соединяют распределитель 23 с коллектором 24, через отверстия 29, 30.
Таким образом, поток W через патрубок впуска воды (фиг.2) следует по первому пути по проходам 26A в одну сторону и по второму пути по проходам 26B в противоположную сторону. Например, пластина 9A расположена внутри вертикального реактора так, что сторона подводящей трубы 22 и коллектора 24 оказывается снизу. Поэтому проходы 26А выполняют роль восходящих труб для водного потока, а проходы 26В выполняют роль испарительных каналов для нисходящего потока, в которых образуется пароводяной поток S.
A
B
B
A
Предпочтительно, поперечное сечение проходов 26А для подводимой воды больше поперечного сечения испарительных каналов 26В. Например, N проходов 26А подводят воду для N проходов 26В, где N>N.На фиг. 2 показан вариант выполнения, в котором два прохода 26А большего размера питают четыре канала 26В меньшего размера. Предпочтительно, полное поперечное сечение проходов 26А для подачи воды в целом равно сумме поперечных сечений испарительных каналов 26В. Большие поперечные сечения проходов 26А для подачи воды позволяют поддерживать жидкое состояние подаваемой воды W при ее движении до верха слоя катализатора, как это было показано выше.
На фиг. 4 показан другой вариант выполнения изобретения, в котором проходы 26А, 26В между металлическими листами 20 и 21 образованы разделительными вставками 31. Предпочтительно, разделительные вставки 31 имеют сплошное поперечное сечение, что дает пластине возможность выдерживать перепады давления.