ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ РЕАКТОР
ISOTHERMIC REACTOR

Область техники
В целом, настоящее изобретение относится к химическому реактору, включающему, по существу, цилиндрическую оболочку или обечайку (корпус давления), закрытую с противоположных торцов соответствующими днищами, находящуюся в вышеуказанном корпусе давления реакционную зону, в которую помещен по меньшей мере один слой катализатора (или каталитической корзины), и теплообменный блок, погруженный в вышеуказанный слой катализатора.
В частности, настоящее изобретение касается реактора вышеуказанного типа, имеющего такую внутреннюю конструкцию, которая обеспечивает прохождение газов-реагентов и газообразных продуктов реакции сквозь слой катализатора в радиальном, аксиально-радиальном или аксиальном направлении (по отношению к оси корпуса давления вышеуказанного реактора), и включающего теплообменный блок, состоящий из множества пластинчатых теплообменников с кожухом, по существу, коробчатой формы, внутри которых образуется камера для прохождения через нее рабочего теплоносителя.
Более точно, настоящее изобретение касается реактора вышеупомянутого типа, в котором предусмотрена возможность выявления наличия теплообменников с механическими повреждениями, и способа выявления наличия таких поврежденных теплообменников.
Уровень техники
Реакторы вышеуказанного типа широко известны в данной области техники. В частности, они применяются для осуществления экзотермических и эндотермических химических реакций, проводимых в основном в изотермических условиях, другими словами, в таких условиях, в которых температура реакции регулируется в довольно узкой области значений вокруг заданного значения.
В таких реакторах кинетика заданной химической реакции, или экзотермической, или эндотермической, поддерживается за счет того, что рабочая текучая среда, протекая через соответствующий теплообменный блок, отводит или выделяет тепло в окружающую реакционную среду (слой катализатора), чтобы обеспечить завершение реакции.
В последующем описании и формуле изобретения для обозначения реактора вышеуказанного типа используется термин: псевдоизотермический или сокращенно изотермический реактор.
Известно также, что во время эксплуатации таких изотермических реакторов теплообменники теплообменного устройства, обычно называемые пластинами, могут подвергаться механическим повреждениям, в результате которых технологические газы (другими словами, газы-реагенты и газообразные продукты реакции) могут вступать в контакт с протекающим в теплообменниках теплоносителем. Такие механические повреждения возникают, главным образом, вследствие коррозии и (или) тепловых ударов или производственных дефектов.
В частности, вышеупомянутые механические повреждения могут заключаться в образовании небольших трещин в пластинах, часто в местах сварки, через которые технологические газы могут проникать в камеры поврежденных пластинчатых теплообменников, смешиваясь с рабочим теплоносителем, когда он используется под более низким давлением, чем рабочее технологическое давление, или же через которые рабочий теплоноситель может просачиваться из поврежденных пластин в том случае, когда он используется под давлением, которое выше или, по существу, равно рабочему давлению.
2
Это может происходить, например, в изотермическом реакторе для получения метанола, в котором через пластины теплообменника проходит охлаждающая среда (например, кипящая вода), используемая под более низким давлением, чем рабочее технологическое давление. В этом случае технологические газы, т.е. CO, Hи метанол, действительно могут проходить в трещины поврежденных пластин, абсорбируясь в охлаждающей воде.
Само собой разумеется, что вышеуказанный недостаток отрицательно влияет по меньшей мере на производительность и надежность реактора в работе, и степень этого влияния возрастает по мере увеличения степени повреждения пластин теплообменников.
Следовало бы также отметить, что в случае появления признаков, которые могли бы быть связаны с наличием повреждений пластин (например, снижение эксплуатационных качеств реактора, перегрев реактора и(или) колебания давления теплоносителя), означающих необходимость замены поврежденной(ых) пластины (пластин) или ее (их) ремонта, потребовалось бы отключение и время на ремонт, который был бы слишком продолжительным, если учесть, что в таком реакторе имеется очень множество пластин (порядка нескольких сотен) и что повреждение может быть небольшим по размеру и, следовательно, будет трудно его обнаружить. Более того, в случае отключения реактора для технического ремонта потребовалось бы испытание всех пластин с теплоносителем под давлением для того, чтобы обнаружить поврежденную(ые) пластину (пластины) по соответствующей утечке вышеуказанного теплоносителя.
Следовательно, в этой области техники существует потребность в создании такого изотермического реактора, в котором можно простым способом и с наименьшими затратами выявить возможное наличие поврежденных пластин теплообменников, для того, чтобы существенно уменьшить продолжительность отключения и ремонта реактора в случае необходимости замены или ремонта поврежденных пластин.
Краткое изложение сущности изобретения
Соответственно техническая задача, лежащая в основе настоящего изобретения, заключается в создании изотермического реактора, удовлетворяющего вышеуказанному требованию.
Эта задача решена в настоящем изобретении посредством изотермического реактора, включающего корпус давления (работающий под давлением или перепадом давлений), закрытый с противоположных торцов соответствующими днищами, находящуюся в вышеуказанном корпусе давления реакционную зону, в которую помещена по меньшей мере одна каталитическая корзина, и по меньшей мере один теплообменный блок, погруженный в указанную по меньшей мере одну каталитическую корзину, причем каждый теплообменный блок состоит из множества теплообменников, каждый из которых имеет внутреннюю камеру, предназначенную для прохождения через нее рабочего теплоносителя (текучей среды); предлагаемый реактор отличается тем, что он включает средства для отбора проб рабочего теплоносителя из групп заранее определенных теплообменников в каждом теплообменном блоке, чтобы посредством анализа соответствующих проб рабочего теплоносителя выявить в вышеуказанных группах теплообменников возможное наличие поврежденных теплообменников.
Вышеуказанные пробы рабочего теплоносителя отбирают при помощи упомянутых средств для отбора проб предпочтительно на выходе рабочего теплоносителя из теплообменников соответствующей группы теплообменников.
Для каждой группы теплообменников упомянутые средства для отбора проб предпочтительно включают коллекторный трубопровод для рабочего теплоносителя, сообщающийся с каждым теплообменником группы теплообменников на выходе рабочего теплоносителя из теплообменников, и трубопровод для отбора проб рабочего теплоносителя, сообщающийся с коллекторным трубопроводом и с наружной стороной реактора.
Трубопроводы для отбора проб в группах теплообменников на их конечных участках предпочтительно соединены в пучки, и каждый пучок трубопроводов проходит сквозь днище или корпус давления реактора, чтобы вывести соответствующие трубопроводы для отбора проб на наружную сторону реактора.
Все теплообменники каждого блока теплообменников предпочтительно имеют плоскую пластинчатую конструкцию в основном вытянутой прямоугольной формы, причем длинные боковые стенки параллельны оси корпуса давления, а короткие боковые стенки расположены по отношению к ней в радиальном направлении.
Настоящее изобретение относится также к способу выявления наличия поврежденных теплообменников по меньшей мере в одной группе теплообменников изотермического реактора вышеуказанного типа. Этот способ включает следующие шаги:
- отбор по меньшей мере одной пробы рабочего теплоносителя из по меньшей мере одной группы теплообменников в по меньшей мере одном теплообменном блоке;
- выявление наличия поврежденных теплообменников по меньшей мере в одной группе теплообменников путем анализа пробы или проб рабочего теплоносителя.
Настоящее изобретение основано на ограничении поиска поврежденных теплообменников или пластин в пределах определенной группы пластин (или определенных групп пластин) блока теплообменников, вместо того, чтобы в соответствии с требованиями известного уровня техники осуществлять их поиск во всем теплообменном блоке.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения это обеспечивается путем отбора по меньшей мере одной пробы рабочего теплоносителя из каждой определенной группы теплообменников посредством соответствующих трубопроводов для отбора проб и последующего анализа каждой пробы с целью идентификации той группы пластин (или групп пластин), в которой имеется поврежденная(ые) пластина (пластины).
Проводимый анализ проб текучей среды рабочего теплоносителя, поступающих из групп пластин, может иметь своей целью установление факта присутствия технологического газа в этой текучей среде, что позволило бы выявить наличие поврежденных пластин в реакторе. Поскольку каждая проба теплоносителя, отобранная из реактора, относится к определенной группе пластин (или к определенным группам пластин), то можно также определить группу пластин (или группы пластин), содержащую(ие) поврежденную(ые) пластину (пластины).
Отсюда ясно вытекают существенные преимущества. С помощью настоящего изобретения на практике можно выполнить вышеуказанные действия при работающем реакторе и поэтому отложить отключение реактора для технического обслуживания и ремонта до завершения анализов и, следовательно, определения группы или групп пластин, содержащих поврежденные пластины. Более того, продолжительность ремонта существенно сокращается, так как в связи с тем, что требующие вмешательства элементы уже известны, можно заранее составить план подлежащих проведению работ, сводя к минимуму время, необходимое для проведения работ по замене групп пластин, содержащих поврежденные пластины, или для ремонта поврежденных пластин в соответствующих группах.
Следовало бы также отметить, что анализ проб теплоносителя, поступающих из соответствующих групп пластин, проводится очень легко и не требует сложных и дорогостоящих приборов.
2
Например, если речь идет об изотермическом реакторе для получения метанола, то достаточно обнаружить присутствие в охлаждающей среде неконденсирующихся технологических газов, в данном конкретном случае - синтез-газов CO и H, что можно сделать очень простым способом при помощи обычных приборов для анализа.
Другие признаки и преимущества настоящего изобретения будут более понятны из следующего описания вариантов осуществления предлагаемого изобретения, приведенного с целью демонстрации, а не ограничения, со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показан в перспективе частичный разрез радиального изотермического реактора, предлагаемого в одном из вариантов осуществления изобретения;
на фиг.2 схематически представлен вид в перспективе группы теплообменников (пластин) блока теплообменников из реактора, изображенного на фиг.1.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Как видно из фиг.1, ссылочным номером 1 в целом обозначен изотермический реактор, включающий корпус 2 (высокого) давления, с вертикальной осью, закрытый с противоположных торцов соответствующими нижним днищем 3 и верхним днищем 4, обычно имеющими отверстия 6, 8 для ввода и выпуска соответственно газов-реагентов и газообразных продуктов реакции в вышеуказанный изотермический реактор 1 и из вышеуказанного изотермического реактора 1, а также люк 5 и отверстие 7 для сброса катализатора.
В корпусе 2 давления образована реакционная зона или среда, в которую помещена по меньшей мере одна каталитическая корзина (слой катализатора) 10, имеющая по существу, цилиндрическую форму, соосную с корпусом 2 давления и образующую с ним небольшой по ширине промежуток 11 и расположенный в центре канал 12, проходящий по оси корпуса давления.
Каталитическая корзина 10 перфорирована для того, чтобы обеспечить прохождение газов-реагентов из вышеупомянутого промежутка 11 в вышеуказанную реакционную зону 9, тогда как расположенный в центре канал 12, также проницаемый для газов, имеет закрытый верхний торец 12а и открытый нижний торец 12b, непосредственно сообщающийся с отверстием 8 в днище 3.
Предполагается, что каталитическая корзина 10 должна содержать большое количество соответствующего катализатора (не показан), в который, по существу, известным способом погружен и закреплен теплообменный блок, в целом обозначенный ссылочным номером 13.
Вышеупомянутый теплообменный блок 13 имеет в целом цилиндрическую конструкцию, причем его наружный диаметр меньше или в основном равен внутреннему диаметру каталитической корзины 10, а внутренний диаметр больше или в основном равен наружному диаметру осевого канала 12.
В частности, как предлагается в предпочтительном, но не ограничивающем варианте осуществления изобретения, схематически представленном на фиг.1, вышеуказанный теплообменный блок 13 включает множество теплообменников 14, расположенных радиально с равными интервалами в два коаксиальных и концентрических ряда. Как видно из фиг.2, каждый теплообменник 14 имеет плоскую коробчатую конструкцию (кожух) в общем пластинчатой вытянутой прямоугольной формы. Согласно конструкции, представленной на фиг.1, все теплообменники 14 в теплообменном блоке 13 расположены так, что их длинные боковые стенки 14a параллельны оси корпуса 2 давления, а короткие боковые стенки 14b и 14c расположены по отношению к ней в радиальном направлении.
В частности, каждый теплообменник 14 состоит из двух расположенных рядом металлических пластин, соединенных вместе по периметру посредством сварного соединения на заданном расстоянии одна от другой, так что между ними образуется камера, предназначенная для прохождения рабочего теплоносителя.
В соответствии с настоящим изобретением в теплообменном блоке 13 реактора 1 в каждом коаксиальном ряду теплообменников 14 имеется множество групп 16 теплообменников, причем каждая группа 16 оснащена соответствующим коллекторным трубопроводом 17, сообщающимся с каждым теплообменником 14 соответствующей группы 16, и соответствующим трубопроводом 18 для отбора проб, который отходит кверху от коллекторного трубопровода 17 и выходит на наружную сторону реактора 1. В частности, что лучше показано на фиг.2, каждая группа 16 теплообменников включает комплект из четырех теплообменников 14, расположенных радиально, с соответствующим коллекторным трубопроводом 17, сообщающимся посредством соответствующих фитингов 19 с коллекторными трубопроводами 20 для теплоносителя, выходящего из камеры теплообменников 14. Понятно, что число теплообменников 14 в каждой группе 16 может меняться в соответствии с возможными и конкретными требованиями, и поэтому показанные на чертежах комплекты из четырех теплообменников 14 следует рассматривать как представительный, но не ограничивающий пример групп теплообменников, предлагаемых в данном изобретении.
Возвращаясь к фиг.1, следует отметить, что каждый коллекторный трубопровод 17 расположен почти на той же высоте, что и верхние короткие боковые стенки 14с теплообменников 14 соответствующей группы 16, тогда как каждый трубопровод 18 для отбора проб отходит от соответствующего коллекторного трубопровода 17 кверху и выходит на наружную сторону реактора 1. В частности, как предлагается в предпочтительном варианте осуществления изобретения, трубопроводы 18 для отбора проб в группах 16 теплообменников на соответствующих концах соединены в пучки 40, и каждый пучок 40 трубопроводов проходит сквозь верхнее днище 4 реактора 1 через патрубок 21 в том месте, где соответствующие трубопроводы соединяются. В не ограничивающем примере, представленном на фиг.1, каждый пучок 40 трубопроводов включает два трубопровода 18 для отбора проб текучей среды, соответствующим образом связанных с группой 16 теплообменников 14 внутреннего коаксиального ряда и с группой 16 теплообменников 14 внешнего коаксиального ряда.
Таким образом, можно существенно сократить число отверстий в реакторе 1, необходимых для обеспечения выхода трубопроводов 18 для отбора проб на наружную сторону реактора 1, а также число патрубков 21, обеспечивая возможность сохранения соответствующей механической прочности реактора 1. Понятно, что можно предусмотреть вывод каждого трубопровода для отбора проб на наружную сторону реактора напрямую через соответствующее отверстие в нижнем или верхнем днище 3 или 4 соответственно или в корпусе 2 давления реактора, хотя это и менее предпочтительное решение.
В реакторе 1 патрубки 21 могут быть соединены со стандартным прибором для анализа проб теплоносителя, отобранных от коллекторных трубопроводов 17 через трубопроводы для отбора проб 18.
Изотермический реактор 1, предлагаемый в данном изобретении, включает также трубопровод 30 для подачи теплоносителя, сообщающийся сверху через трубчатые фитинги 31 с двумя кольцевыми трубопроводами 32 подачи и распределения, по одному для каждого коаксиального ряда теплообменников 14; эти трубопроводы 32 расположены под теплообменным блоком 13 на заданном расстоянии от него. Подающий трубопровод 30 проходит сквозь корпус 2 давления, где он используется, через соответствующий патрубок 35, который на наружной стороне реактора 1 соединяют с не показанным здесь источником вышеуказанной рабочей текучей среды (содержащей, например, кипящую воду или солевые расплавы и т.п.).
Кольцевые трубопроводы 32 подачи и распределения, в свою очередь, сообщаются сверху посредством трубчатых фитингов 33 с теплообменниками 14 соответствующего коаксиального ряда для распределения в них теплоносителя.
Над теплообменным блоком 13 в реакторе 1 имеются два концентрических кольцевых трубопровода 27, по одному для каждого коаксиального ряда теплообменников 14, которые принимают теплоноситель, выходящий из теплообменников 14, из вышеупомянутых соответствующих коллекторных трубопроводов 20.
Концентрические кольцевые трубопроводы 27 в верхней части сообщаются посредством трубчатых фитингов 26 с общим коллекторным трубопроводом 25 для текучей среды теплоносителя, выходящей из теплообменников 14, а затем - с выпускным трубопроводом 23 для вышеуказанной текучей среды, идущим на наружную сторону реактора 1.
Выпускной трубопровод 23 проходит сквозь верхнее днище 4 реактора 1, где он используется, через отверстие 24, которое соединяется с различными потребителями за пределами реактора 1.
Настоящее изобретение блестяще решает рассмотренную выше техническую задачу и обеспечивает многочисленные преимущества, уже раскрытые ранее, в том числе главное преимущество, заключающееся в том, что появляется возможность простым способом и с наименьшими затратами, без отключения реактора, выявлять наличие поврежденных теплообменников, возможно, в заданных группах теплообменников.
Следует также отметить, что, хотя настоящее изобретение особенно подходит для реакторов, использующих текучий рабочий теплоноситель, давление которого ниже рабочего давления технологических газов, оно в равной степени применимо и в том случае, когда давление рабочей текучей среды выше или, по существу, равно рабочему давлению технологических газов. Действительно, в этом случае при появлении признаков, которые могут быть связаны с возможным повреждением пластин теплообменников, в равной степени можно выявить наличие поврежденных теплообменников, которые могут относиться к заданным группам теплообменников, без отключения реактора, путем уменьшения производственной мощности реактора на определенный период времени, в течение которого давление рабочего теплоносителя снижают, так чтобы это давление было ниже технологического давления, и путем отбора проб теплоносителя из теплообменников для анализа ранее описанным способом.
Раскрытое осуществление изобретение может подвергаться дальнейшим изменениям и иметь другие варианты осуществления, которые находятся в пределах компетенции специалиста в данной области техники и не выходят за пределы объема изобретения, определенного приведенной ниже формулой изобретения.