ВСТРАИВАЕМЫЙ СМЕСИТЕЛЬНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Предлагаемая полезная модель относится к химическому машиностроению, а именно к конструкциям смесительных теплообменников, встраиваемых в реакторы, содержащие по крайней мере две реакционные зоны, и может быть использована в химической, нефтехимической, топливо-энергетической и других отраслях промышленности. Под реакционной зоной подразумевается изолированный объем, ограниченный поверхностью; при необходимости реакционная зона может быть заполнена катализатором.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Для термостабилизации реакторов реакционный объем разбивают на несколько частей, между которым устанавливают теплообменные устройства.
Так в патенте на полезную модель RU 44066 U1 «Реактор синтеза метанола» (опубл. 27.02.2005, МПК B01J 8/08, ОАО «Тольяттиазот») теплообменные устройства (трубчатые теплообменники и трубчатые котлы) размещены между реакционными зонами, образованными в катализаторных корзинах. Это обеспечивает отвод тепла, образующегося в ходе синтеза метанола. Недостатком подобного решения является то, что описанные теплообменные устройства сложны в изготовлении и металлоемки.
В ряде случаев аналогичный эффект по охлаждению газовой смеси может быть достигнут путем подачи в область соединения реакционных зон, т.н. квенчей. Последние представляют собой инертный газ/жидкость или дополнительные компоненты реакционной смеси. Наиболее эффективными являются смесительные теплообменники, в которых протекают процессы испарения добавляемого компонента.
РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Предлагаемый встраиваемый смесительный теплообменник (далее - СТ), предназначен для эффективного снижения температуры газообразной реакционной смеси при одновременном уменьшении механического напряжения конструкции СТ, вызываемого градиентом температур внутри нее. Результат достигается за счет новой конструкции СТ, выполненной с возможностью добавки к сырью дополнительных компонентов реакционной смеси или инертных/слабо реакционноспособных компонентов, в том числе поступающих в реактор в виде жидкостей или сверхкритических флюидов, с целью изменения температуры реакционной смеси. Дополнительным эффектом от применения является полная гомогенизация реакционной смеси и дополнительно подаваемых компонентов.
Результат достигается за счет следующих особенностей конструкции:
- закрепление труб теплообменника только с одного конца позволяет избежать повреждений и напряжений в материале, вызываемых многократными периодическими изменениями размера металлических деталей при нагреве/охлаждении;
- зона интенсивного испарения/сублимации добавляемого к реакционной смеси компонента находится во внутренней трубе теплообменника, которая непосредственно не касается поверхности, ограничивающей реакционный объем. Это препятствует возникновению механических напряжений за счет локального охлаждения металлической конструкции реактора, и позволяет избежать локального охлаждения в реакционном слое;
- предлагаемая встраиваемая конструкция теплообменника позволяет избежать использования громоздких внешних теплообменников, требующих выведения газовой смеси из реактора для охлаждения, а также использования сложных по конструкции и дорогостоящих встроенных трубчатых теплообменников;
- в случае встраивания теплообменника в многополочные реакторы осуществляется возможность использования межполочного пространства для теплообмена и гомогенизации газов.
Встраиваемый в химический реактор смесительный теплообменник содержит внешнюю трубу и установленную в ней соосно с образованием межтрубного пространства внутреннюю трубу, верхняя часть внешней трубы выполнена закрытой, а верхняя часть внутренней трубы выполнена открытой, при этом нижняя часть каждой из труб закреплена на опорной пластине, предназначенной для соединения с корпусом реактора, кроме того, сквозь нижнюю часть внешней трубы и нижнюю часть внутренней трубы проходит, по меньшей мере, один соединительный патрубок, предназначенный для подачи газообразной реакционной смеси из объема реактора в пространство внутренней трубы, минуя межтрубное пространство, при этом по меньшей мере в один из патрубков встроено распыляющее устройство, обеспечивающее распыление во внутреннем пространстве внутренней трубы, опорная пластина содержит отверстия для выхода охлажденного газа из межтрубного пространства.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг. 1 изображен продольный разрез СТ и поперечный разрез по линии А-А. На Фиг. 2 изображен продольный разрез СТ в трехмерной проекции. На Фиг. 3 изображено схематически движение потоков в процессе работы СТ. На Фиг. 4 приведено увеличенное изображение внешней и внутренней труб СТ и схематически показано движение по ним потоков в процессе работы СТ.
На Фиг. 5 изображен продольный разрез СТ, в котором в качестве внутренней трубы использована труба Вентури.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Конструкция СТ в основном варианте осуществления представлена на Фиг. 1. Конструкция содержит внешнюю 4 и внутреннюю 5 трубы СТ, которые установлены соосно, образуя межтрубное пространство 13. Нижние части труб 4 и 5 закреплены на опорной пластине 9, соединенной с корпусом реактора 1. Внешняя труба 4 закрыта с верхнего конца, внутренняя труба 5, соответственно, открыта. Как внешняя труба 4, так и внутренняя труба 5 СТ закреплены только с одного конца на опорной пластине 9. Это снимает с конструкции СТ механическое напряжение, связанное с разными температурами внутри труб. Конструкция реактора значения не имеет. Форма и расположение теплообменника может варьироваться в зависимости от типа реактора (например, двухполочного и многополочного).
Основной объем реактора, ограниченный корпусом реактора 1, внешней трубой СТ 4 и опорной пластиной 9, сообщается с внутренним пространством внутренней трубы 5 с помощью соединительных патрубков 3. Патрубки 3 проходят сквозь внешнюю 4 и внутреннюю 5 трубы СТ, создавая каналы, соединяющие объем реактора и внутреннюю трубу 5 соответственно. Здесь название «патрубки» условно и подразумевает под собой любой метод соединения основного объема реактора с внутренним пространством внутренней трубы 5, позволяющий направлять горячий газ непосредственно внутрь трубы 5 минуя межтрубное пространство 13. Таким образом, патрубки 3 могут представлять собой как отдельные элементы, так и сквозные каналы. Количество, размеры и форма соединительных патрубков 3 оптимизируются под конкретный процесс.
Область опорной пластины 9, ограниченная межтрубным пространством 13, содержит сквозные отверстия 12, предназначенные для отвода охлажденных газов из межтрубного пространства 13.
Конструкция содержит одно или более распыляющих устройств 7, предназначенных для подачи во внутреннюю трубу 5 компонентов (реагент или инертный/слабо реакционноспособный компонент) в виде жидкости или сверхкритического флюида. Данные распыляющие устройства могут быть интегрированы в стенку 1 реактора через штуцер 10. При этом само распыляющее устройство 7, для размещения устройства 7 непосредственно в пространстве внутренней трубы 5, устанавливаются через один из патрубков 3.
В одном из вариантов осуществления полезной модели, конструкция дополнительно может содержать один или более штуцеров, предназначенных для введения в охлаждаемый поток дополнительных газообразных компонентов (реагенты или инертные/слабо реакционноспособные компоненты). Для примера на Фиг. 1 показан штуцер 8 для ввода газообразных реагентов.
В другом варианте осуществления полезной модели, конструкция дополнительно может содержать слой катализатора 2 или и опорную решетку 6, предназначенную для поддержки слоя катализатора 2. Слой катализатора 2 может содержать один или несколько катализаторов, расположенных слоями или в виде смеси друг с другом/вспомогательными веществами. Может быть использовано несколько отдельных слоев катализатора. Этот вариант может быть реализован в случае использования СТ для охлаждения горячих реакционных газов каталитических процессов (например, при производстве олигомер-бензинов).
В еще одном варианте осуществления полезной модели, распыляющее устройство 7 представляет собой трубку, один из концов которой установлен во внутреннем пространстве внутренней трубы (5) и снабжен распылителем, а другой конец предназначен для установки в корпус (1) реактора.
В еще одном варианте осуществления полезной модели, конструкция дополнительно может содержать распределительное устройство 11, предназначенное для распределения потока охлажденного газа. Этот вариант может быть осуществлен в случаях, когда постоянный поток газа, сосредоточенный в небольшой геометрической области, может нанести вред последующим секциям реактора (например, при использовании СТ в многополочных реакторах, концентрированный поток газа будет постепенно разрушать слой катализатора, расположенный снизу), а также приводить к неравномерной подаче сырья на слой катализатора снизу. В качестве распределительного устройства 11 может быть использована цельная пластина, прикрепленная к опорной пластине 9 несколькими шпильками/болтами или же коллекторная тарелка или решетка и т.п.
В еще одном варианте осуществления полезной модели, в качестве внутренней трубы 5 можно использовать трубу Вентури (исполнение показано на Фиг. 5). В этом случае распыляющее устройство 7 вставляется в конфузор (нижнюю часть) трубы Ветури. Выход мелкодисперсной смеси осуществляется через диффузор (верхнюю часть) трубы Вентури.
Предлагаемый СТ работает следующим образом.
Газообразная реакционная смесь, требующая охлаждения («горячий газ»), выводится из реакционной зоны через опорную решетку 6 (при наличии), по направлению к опорной пластине 9 (Фиг. 3). При необходимости дополнительные газообразные компоненты (реагенты или инертные/слабо реакционноспособные компоненты) вводятся в реакционную смесь через штуцер 8. Далее газообразная реакционная смесь поступает во внутреннюю трубу 5 через соединительные патрубки 3, минуя межтрубное пространство 13 (Фиг. 3, 4). Туда же через вставленное в штуцер 10 распыляющее устройство 7 подается компонент (реагент или инертный/слабо реакционноспособный компонент). Распыление компонента производится для усиления испарения/сублимации и гомогенизации реакционной смеси. Диаметр создаваемых капель/частиц должен обеспечивать витание мелкодисперсной фазы до ее полного испарения/сублимации в потоке реакционной смеси.
После попадания во внутреннюю трубу 5 и смешения с распыленным компонентом, охлаждаемый поток проходит через внутреннюю трубу 5 вверх, и затем через межтрубное пространство 13 вниз (Фиг. 3, 4). По мере продвижения происходит снижение температуры потока за счет испарения/сублимации мелкодисперсных капель/частиц распыленного компонента в газообразном потоке реакционной смеси. Количество подаваемого распыляемого компонента варьируется в зависимости от требуемого снижения температуры.
Охлажденный газ выходит из межтрубного пространства 13 через отверстия 12 в опорной пластине 9 (Фиг. 3, 4). Поток охлажденного газа распределяется с помощью распределительного устройства 11 (при наличии).
Хотя настоящая полезная модель была подробно описана на примерах вариантов, которые представляются предпочтительными, необходимо помнить, что эти примеры осуществления полезной модели приведены только в целях иллюстрации полезной модели. Данное описание не должно рассматриваться как ограничивающее объем полезной модели, поскольку в конструкцию предлагаемого встраиваемого СТ специалистами в области химии, химического машиностроения, и др. могут быть внесены изменения, направленные на то, чтобы адаптировать СТ к конкретным материалам или ситуациям, и не выходящие за рамки прилагаемой формулы полезной модели. Специалисту в данной области понятно, что в пределах сферы действия полезной модели, которая определяется пунктами предлагаемой формулы, возможны различные варианты и модификации, включая эквивалентные решения. Все подобные вариации, которые очевидны специалистам в данной области техники, считаются входящими в объем настоящей полезной модели, который определен в прилагаемой формуле. Для пояснения настоящего описания следует отметить, что фраза «отличающийся тем» означает «включающий в себя, но не ограничивающийся этим».