РЕАКТОРНАЯ СИСТЕМА И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ
REACTOR SYSTEM AND IMPLEMENTATION THEREOF

Изобретение относится к реакторной системе, включающей реактор, по меньшей мере один охладитель, который соединен с реактором, и по меньшей мере один насос, который служит для перекачивания жидкого теплоносителя через реактор и по меньшей мере один охладитель.
Реакторные системы указанного типа в принципе известны из уровня техники.
Так, например, в немецком патенте DE 2207166 A1 описана реакторная система, которая включает охлаждающий агрегат для реакционных аппаратов с подаваемым в циркуляционный контур теплоносителем, причем циркуляционный насос для теплоносителя и охладитель расположены вне реакционного сосуда. При этом циркуляционный насос и охладитель помещены в два расположенные рядом друг с другом корпуса. Кроме того, над корпусом насоса расположен соединенный с корпусом расширительный сосуд для теплоносителя, а над корпусом охладителя расположен сепаратор паров охлаждающего агента, непосредственно соединенный с трубками охладителя.
В немецком патенте DE 102006034811 А1 в связи со способом изменения температуры кожухотрубного реактора описывается реакторная система с охладителем солевой бани, причем выбор охлаждающей среды не имеет особых ограничений. Охладитель снабжен уравнительным резервуаром, в котором расположено устройство для измерения уровня.
В международной заявке WO 2004/090066 А1 описано применение ионной жидкости, которую в соответствии с особенно предпочтительным вариантом используют в качестве теплоносителя для косвенного подвода или отвода тепла из кожухотрубного реактора. Речь при этом идет о кожухотрубном реакторе, представляющем собой цилиндрический резервуар с помещенным в него пучком вертикально расположенных контактных трубок. Концы контактных трубок, которые при необходимости могут содержать катализаторы на носителе, герметично зафиксированы в трубных решетках и выведены к крышкам, которые соединены с цилиндрическим резервуаром соответственно в его верхней и нижней частях. Через крышки подают, соответственно выводят пропускаемую через контактные трубки реакционную смесь. В окружающем контактные трубки пространстве циркулирует теплоноситель, что позволяет обеспечивать надлежащий тепловой баланс, особенно в случае реакций, протекающих с высоким тепловым эффектом. В любом горизонтальном сечении описываемых в цитируемой заявке кожухотрубных реакторов реализуется в основном однородное распределение температуры теплоносителя, что позволяет обеспечивать максимально равномерное участие в реакции всех контактных трубок. Кроме того, внутри реактора могут быть смонтированы поворотные пластины, попеременно освобождающие проходное сечение в центре и по краям реактора.
Недостаток известных реакторных систем состоит в том, что резервуары для теплоносителя расположены в пределах соответствующей установки и, как правило, находятся на одинаковой высоте от уровня пола (отметки дна), причем масса как реактора, так и приемного резервуара может достигать нескольких сот тонн. В случае если, например, для замены катализатора или ремонта, соответственно технического обслуживания реактор необходимо охладить, теплоноситель подлежит предварительной выгрузке из реактора, поскольку иначе в реакторе, в особенности, при его повторном нагревании, возникают обусловленные застывшим теплоносителем внутренние напряжения, и он может быть поврежден. При этом соответствующий теплоноситель с целью резервирования подлежит перекачиванию в находящийся на большей высоте резервуар или солевое пространство реактора должно быть подвергнуто воздействию газового давления, что связано с высокими конструктивными затратами. Кроме того, в случае негерметичности резервуара возникает опасность для людей и окружающей среды, обусловленная относительно высокой температурой просачивающегося теплоносителя и его способностью вызывать пожар.
С учетом указанных выше недостатков уровня техники в основу настоящего изобретения была положена задача предложить улучшенную реакторную систему, позволяющую устранить указанные выше недостатки. Прежде всего должна быть предложена реакторная система, допускающая возможность безопасного обращения с жидким теплоносителем.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения указанная выше задача решается с помощью реакторной системы (1), включающей:
- реактор (3),
- по меньшей мере один соединенный с реактором (3) охладитель (5),
- по меньшей мере один соединенный с реактором (3) и/или по меньшей мере одним охладителем (5) насос (7) для циркуляции по меньшей мере части жидкого теплоносителя (9) и
- соединенный с реактором (3) и/или по меньшей мере одним охладителем (5) резервуар (11) для приема жидкого теплоносителя (9),
причем резервуар (11) расположен ниже реактора (3) и/или по меньшей мере одного охладителя (5).
Предлагаемая в изобретении реакторная система прежде всего отличается возможностью легкой выгрузки жидкого теплоносителя (9).
Согласно второму аспекту настоящего изобретения указанная выше задача решается благодаря применению указанной выше предлагаемой в изобретении реакторной системы (1) для осуществления экзотермических реакций.
Ниже изобретение описано более подробно.
Первым объектом настоящего изобретения является реакторная система (1), которая включает реактор (3), по меньшей мере один соединенный с реактором (3) охладитель (5), по меньшей мере один соединенный с реактором (3) и/или по меньшей мере одним охладителем (5) насос (7) для циркуляции по меньшей мере части жидкого теплоносителя (9), а также соединенный с реактором (3) и/или по меньшей мере одним охладителем (5) резервуар (11) для приема жидкого теплоносителя (9). При этом резервуар (11) расположен ниже реактора (3) и/или по меньшей мере одного охладителя (5).
Благодаря расположению резервуара (11) ниже реактора (3) и/или охладителя (5) достигают преимущества, прежде всего состоящего в возможности легкого освобождения установки от жидкого теплоносителя (9), поскольку последний стекает в резервуар (11) под собственным гидростатическим давлением. Кроме того, выгруженный из реакторной системы (1) жидкий теплоноситель (9) в отличие от уровня техники запасают не в расположенной выше емкости, а в заглубленном резервуаре (11), что позволяет полностью, или почти полностью, исключить опасность, которую представляет для людей и окружающей среды жидкий теплоноситель (9). При этом резервуар (11) предпочтительно монтируют в выполненной в фундаментной плите выемке. Преимущество заглубленного размещения резервуара (И) состоит также в отсутствии необходимости монтажа реакторной системы (1) на такой высоте, чтобы резервуар (11) мог было помещен внизу. Преимуществом размещения резервуара (11) в выемке является возможность надежного улавливания теплоносителя (9) в случае его вытекания из реакторной системы (1), обусловленного негерметичностью.
В соответствии с настоящим изобретением определение «внизу», используемое для обозначения расположения резервуара (11), означает, что последний расположен относительно реактора (3) и/или охладителя (5) таким образом, чтобы жидкий теплоноситель (9) мог стекать в резервуар (11) под действием собственного гидростатического давления без необходимости дополнительного стимулирования стекания.
В предпочтительном варианте исполнения предлагаемой в изобретении реакторной системы (1) резервуар (11) снабжен нагревательным устройством (13), предназначенным для нагревания жидкого теплоносителя (9). Под жидким теплоносителем (9), как правило, имеют в виду среду, которая при окружающей температуре является твердой или обладает чрезвычайно высокой вязкостью. Теплоноситель (9) переходит в жидкое состояние лишь по достижении определенной температуры, как правило, превышающей 140°С. Нагревательное устройство (13) предпочтительно используют для предотвращения повышения вязкости находящегося в резервуаре (11) жидкого теплоносителя (9), соответственно его застывания.
Нагревательное устройство (13) может быть выполнено таким образом, чтобы нагревательные элементы располагались с наружной стороны резервуара (11) и теплоноситель (9) нагревался через стенки резервуара (11). Дополнительно или в качестве альтернативы один или несколько нагревательных элементов могут находиться внутри резервуара (11). Данный вариант конструктивного исполнения предпочтителен прежде всего в том случае, если размер резервуара (11) достигает определенного значения, при котором передаваемой через наружные стенки резервуара (11) теплопроизводительности не хватает для нагревания жидкого теплоносителя (9). Нагревательное устройство (13) можно эксплуатировать с использованием жидких и/или газообразных сред, в частности, водяного пара, или снабжать электрическими нагревательными элементами.
В предпочтительном варианте резервуар (11) по меньшей мере частично располагается ниже уровня пола. Как указано выше, заглубленное размещение резервуара (11) позволяет сократить общую габаритную высоту реакторной системы (1). В соответствии с настоящим изобретением определение «по меньшей мере частично ниже уровня пола» означает, что резервуар (11) находится в выполненном в полу углублении, в частности, выемке. Подобное заглубление резервуара (11), во-первых, оказывается предпочтительным с точки зрения теплоизоляции, поскольку при расположении выше уровня пола резервуар (11) подвергался бы атмосферному воздействию по большему периметру. Во-вторых, заглубление резервуара (11) может быть реализовано таким образом, чтобы можно было улавливать жидкий теплоноситель (9), выходящий наружу в случае негерметичности резервуара (11), а, следовательно, защитить людей и окружающую среду от опасного воздействия теплоносителя.
В другом варианте осуществления изобретения резервуар (11) снабжен также насосом (15), посредством которого находящийся в резервуаре (11) жидкий теплоноситель (9) можно возвращать на установку, то есть в реактор (3) и/или по меньшей мере один охладитель (5). Таким образом, резервуар (11) может служить не только сборником для жидкого теплоносителя (9), но и резервуаром для хранения и устройством для промежуточного хранения жидкого теплоносителя (9).
В предпочтительном варианте объем резервуара (11) на 10% превышает объем жидкого теплоносителя (9), теоретически содержащегося в реакторе (3) и/или охладителе (5). Резервуар (11) должен вмещать по меньшей мере 20% жидкого теплоносителя (9), находящегося в системе реакторов (1), состоящей из реактора (3) и по меньшей мере одного охладителя (5). Однако поскольку при варьировании температуры жидкого теплоносителя его плотность, как правило, изменяется, для предотвращения воздействия на резервуар (11) чрезмерных нагрузок предпочтительно должен быть предусмотрен диапазон безопасности, составляющий по меньшей мере 10%.
Кроме того, в улучшенном варианте резервуар (11) может быть соединен с наиболее низкой точкой, соответственно, реактора (3) и/или охладителя (5) посредством сливных трубопроводов (17а, 17b). Сливные трубопроводы предпочтительно монтируют под наклоном к резервуару (11) и обеспечением сопутствующего обогрева. Подобное размещение способствует почти полной выгрузке жидкого теплоносителя (9) из реактора (3) и/или по меньшей мере одного охладителя (5), поскольку жидкий теплоноситель (9) может (почти) полностью вытекать в наиболее низкой точке под действием гидростатического давления.
Для того чтобы жидкий теплоноситель (9) можно было рециркулировать, соответственно использовать резервуар (11) также в качестве емкости для хранения, целесообразным является соединение резервуара (11) посредством по меньшей мере одного отводного трубопровода (19) соответственно с реактором (3) и/или по меньшей мере одним охладителем (5). Благодаря этому находящийся в резервуаре (11) жидкий теплоноситель (9) можно перекачивать посредством насоса (15) обратно в реактор (3) и/или охладитель (5). При этом насос (15) предпочтительно выполнен в виде погружного насоса, приводной электродвигатель которого находится в сухом состоянии, в то время как непосредственный корпус насоса утоплен в теплоносителе (9).
Кроме того, в предпочтительном варианте сливные трубопроводы (17а, 17b) и/или отводной трубопровод (19) снабжены соответствующими нагревающими устройствами. Благодаря этому в предпочтительном варианте предотвращается снижение вязкости жидкого теплоносителя (9) в трубопроводах или его застывание, а, следовательно, блокирование системы.
Все трубопроводы реакторной системы (1) предпочтительно подвергают по меньшей мере частичному сопутствующему обогреву.
Другое преимущество предлагаемой в изобретении реакторной системы (1) заключается в отсутствии необходимости сильного охлажения и последующего повторного нагревания жидкого теплоносителя (9). Благодаря этому, во-первых, удается экономить энергию. Во-вторых, удается избежать внутренних или внешних повреждений реакторной системы (1), которые могут быть обусловлены повышением вязкости или затвердеванием жидкого теплоносителя (9), сопровождаемыми изменением его плотности. Прежде всего это относится к насосу (7) и трубопроводам (17а, 17b, 19).
В предпочтительном варианте конструктивного исполнения реакторной системы (1) реактор (3) является кожухотрубным реактором, предназначенным для осуществления экзотермических реакций. В соответствии с данным вариантом, охладителем (5), в качестве альтернативы или дополнительно, может являться охладитель с солевой баней, а жидким теплоносителем (9) солевой расплав.
Предпочтительным солевым расплавом является расплавленная смесь нитратов и нитритов щелочных металлов. Особенно предпочтительная смесь солей состоит из 53% масс. нитрата калия, 40% масс. нитрита натрия и 7% масс. нитрата натрия. Речь при этом идет об эвтектической смеси, которая плавится при температуре около 142°С. Рабочая температура указанной солевой бани находится в диапазоне от 200 до 500°С.
В соответствии с настоящим изобретением наряду с жидким теплоносителем (7) в виде солевого расплава можно использовать также масляные теплоносители. Однако подобные масляные теплоносители характеризуются ограниченной максимальной рабочей температурой, которой как правило соответствует интервал от 250 до 280°С, что недостаточно для термостатирования многих реакций, например, осуществляемых в кожухотрубных реакторах.
Другим объектом настоящего изобретения является применение указанной выше реакторной системы (1) для осуществления экзотермических реакций.
Отвод теплоты экзотермических реакций представляет собой серьезную техническую проблему. При этом используют реакторные системы указанного в начале настоящего описания типа, в которых теплоту реакции отводят из реактора посредством жидких теплоносителей. Жидкий теплоноситель, нагревающийся вследствие высвобождения теплоты реакции, охлаждают до определенной температуры в присоединенном к реактору охладителе, причем высвобожденную энергию, используют, например, для производства водяного пара. Применение предлагаемой в изобретении реакторной системы (1) оказалось предпочтительным для уравновешивания колебаний при отводе теплоты реакции.
Другие цели, отличительные признаки, преимущества и сферы возможного применения приведены ниже на примере осуществления изобретения со ссылкой на прилагаемые к настоящему описанию чертежи. При этом объектом изобретения являются также любые комбинации приведенных в описании и/или на чертежах отличительных признаков независимо от их общей формулировки или указанной в формуле изобретения взаимосвязи.
На фиг. 1 схематически показана реакторная система 1 в одном варианте осуществления изобретения.
На фиг. 1 схематически показан предпочтительный вариант конструктивного исполнения предлагаемой в изобретении реакторной системы 1. Реакторная система 1 включает реактор 3, соединенный с охладителем 5. Насос 7 обеспечивает циркуляцию по меньшей мере части жидкого теплоносителя 9 через реактор 3 и охладитель 5. Насос 7 прежде всего является циркуляционным насосом. Охладитель 5 снабжен патрубком аварийного сброса нагрузки 21 и устройством безопасности 23, предназначенными для того, чтобы в случае повышения давления жидкого теплоносителя 9 он мог быть выведен по трубопроводу 27 в резервуар 11 и таким образом было устранено давление в корпусе реактора.
Предлагаемая в изобретении реакторная система 1 обладает в основном безнапорным конструктивным исполнением. Определение «безнапорное» в данном случае означает отсутствие необходимости принятия мер, противодействующих повышению давления сверх 5 бар. Реактор 3 и охладитель 5, очевидно, выполнены для эксплуатации под давлением, создаваемым, например, насосом 7, а также под гидростатическим давлением теплоносителя 9. Однако согласно изобретению, более высокие давления не возникают, или, соответственно, их генерирование предотвращается прежде всего посредством устройства безопасности 23.
8 предпочтительном варианте охладитель 5 прифланцован или приварен к реактору 3. Регулирующая арматура 29 предназначена для настройки температуры реактора, которую выполняют путем регулирования потока пропускаемого через охладитель теплоносителя. В рассматриваемом варианте конструктивного исполнения речь идет прежде всего о кожухотрубных реакторах с пучком вертикально ориентированных контактных трубок, расположенных между двумя трубными решетками. При этом в зависимости от назначения реактора контактные трубки могут быть заполнены образующим неподвижный слой сыпучим катализатором. Контактные трубки омывает жидкий теплоноситель 9, который поглощает и отводит образующееся при экзотермической реакции тепло. Постоянство условий реакции обеспечивают благодаря тому, что при заданной температуре посредством насоса 7 осуществляют циркуляцию теплоносителя 9 с целью охлаждения.
По истечении определенного времени эксплуатации находящегося в трубках реактора катализатора может потребоваться, например, его замена. Для замены катализатора может потребоваться охлаждение реактора. Во избежание повреждения реактора 3 при повторном нагревании необходимо удалить по меньшей мере 20% от объема теплоносителя. Однако предпочтительно удаляют весь теплоноситель 9, что позволяет минимизировать длительность охлаждения и повторного нагревания остающегося в реакторе 3 теплоносителя 9.
Для слива теплоносителя 9 в самой нижней точке реактора 3 и самой нижней точке охладителя 5 предусмотрены сливные трубопроводы 17а, 17b, которые ведут к предлагаемому в изобретении резервуару 11. В предпочтительном варианте сливные трубопроводы 17а, 17b в самых нижних точках реактора 3, соответственно охладителя 5 снабжены запорными клапанами 29с, 29d. При этом запорные клапаны 29с, соответственно 29d смонтированы максимально близко к корпусу реактора, соответственно корпусу охладителя. Сливаемый жидкий теплоноситель стекает в резервуар 11, который в соответствии с показанным на фиг. 1 вариантом исполнения частично расположен ниже уровня пола в выемке. Согласно показанному на фиг. 1 варианту исполнения резервуар 11 снабжен внутренним нагревающим устройством 13, функционирующим, например, с использованием водяного пара. При этом в резервуаре 11 размещен насос 15, который может возвращать жидкий теплоноситель 9 по отводному трубопроводу 19. Насос 15 прежде всего является нагнетательным насосом. В данном случае предпочтительно также предусмотреть запорный клапан 29е. В случае подачи теплоносителя 9 в реакторную систему 1 запорная арматура 29f закрыта. В случае если с целью выравнивания тепла необходимо осуществлять циркуляцию теплоносителя 9 в резервуаре 11, запорная арматура 29f открыта.
Может быть предпочтительным дополнительное оснащение резервуара 11 не показанной на фиг. 1 мешалкой, которая перемешивает жидкий теплоноситель 9, а, следовательно, обеспечивает равномерное распределение температуры.
На фиг. 1 показана конфигурация реакторной системы 1, в соответствии с которой отводной трубопровод 19 ведет к сливным трубопроводам 17а, 17b, в связи с чем сливные трубопроводы 17а, 17b отчасти служат также для возвращения жидкого теплоносителя 9. Однако изобретение не ограничено данной конфигурацией. Возможен также вариант, согласно которому отводной трубопровод 19 в качестве непосредственного трубопровода ведет прямо к реактору 3 и/или охладителю 5.
Согласно показанному на фиг. 1 варианту конструктивного исполнения реакторная система снабжена также расположенными после устройства безопасности 23 сепаратором 25 и трубопроводом 27. В случае негерметичности охладителя, приводящей к попаданию пара в теплоноситель 9, и устранения давления пара в резервуаре, реализуемого посредством устройства безопасности 23, сепаратор должен вмещать объем находящейся в устройстве безопасности 23 жидкости. Подобным образом снижают повысившееся в системе трубопроводов (устройстве безопасности 23 + трубопроводе 27) давление и быстро устраняют давление в корпусе реактора. Кроме того, в резервуаре 11 аккумулируют выходящий по трубопроводу 27 теплоноситель 9 и путем гравитационного осаждения отделяют пар, проникший в теплоноситель 9 за счет негерметичности. Подобным образом можно безопасно улавливать выходящий через негерметичность теплоноситель 9, отделять его от пара и по завершении ремонта охладителя 5 возвращать в реактор 3.