ПРОЦЕСС И РЕАКТОР ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ РЕАКЦИЙ ТЕПЛООБМЕНА
PROCESS AND REACTOR FOR PERFORMING HEAT EXCHANGE REACTIONS

Изобретение относится к технологии проведения физико-химических процессов, в частности к процессу и реактору для проведения реакции теплообмена.
Уровень техники
Для проведения реакций теплообмена можно использовать, например, реакторы с двойными трубами. Теплообменные реакторы с двойными трубами хорошо известны в области химии (см., например, ROEMPPS CHEMIE-LEXIKON, vol.6, 8 ed., 1988, стр.4567). Такие реакторы особенно удобны, когда требуется обеспечить косвенный теплообмен для передачи или отвода тепла в конкретную реакцию или из нее.
Устройство с двойными трубами в самой простой форме состоит из внутренней трубы, установленной внутри внешней трубы, в результате чего в пространстве между трубами образуется кольцевой объем. Правильное размещение внутренней трубы внутри внешней трубы является очень важным фактором для эффективного функционирования двойной трубы. Во многих случаях наилучшее выполнение функции достигается при установке внутренней трубы по центру внутри внешней трубы, но в других случаях более эффективно асимметричное размещение внутренней трубы. Во всех случаях используют распорки для обеспечения правильного расположения этих двух труб по отношению друг к другу. Функция распорок состоит в фиксации положения внутренней трубы в поперечном сечении по отношению к внешней трубе, при обеспечении свободы движения между трубами в продольном направлении.
Устройства с двойными трубами имеют несколько вариантов использования в химических реакторах. Один из таких вариантов использования состоит в применении реактора с двойными трубами, в котором текучая среда - теплоноситель протекает в кольцевом объеме двойной трубы теплопередачи, при этом такая текучая среда - теплоноситель предназначена для передачи тепла в химическую реакцию или для отбора тепла из химической реакции, проходящей снаружи внешней трубы и/или внутри внутренней трубы. Условия передачи тепла в текучую среду - теплоноситель или из текучей среды, протекающей в кольцевом объеме, часто являются неоднородными вдоль периметра внешней трубы теплопередачи или даже, в некоторых специальных случаях, вдоль внутренней трубы теплопередачи. Различные устройства теплопередачи, предназначенные для улучшения теплопередачи, в которых для передачи тепла используется текучая среда - теплоноситель, известны в данной области техники.
Реактор с двойными трубами содержит одну или больше двойных труб теплопередачи. Обычно катализатор располагают внутри внутренней трубы. Реактор с двойными трубами, однако, также можно использовать в конфигурациях, когда двойные трубы теплопередачи установлены в каталитическом слое. Внутри внутренней трубы может быть текучая среда, катализатор или пустота. Вместо внутренней трубы также можно использовать стержень. Каждая двойная труба, поэтому, в такой конфигурации окружена частицами катализатора, которые могут катализировать экзотермическую или эндотермическую реакцию.
В случае, когда экзотермическая химическая реакция происходит в каталитическом слое снаружи двойной трубы теплопередачи, выделяемое тепло приводит к внешнему нагреву внешней трубы теплопередачи.
Передача выделяемого тепла в текучую среду - теплоноситель, протекающую в кольцевом объеме, иногда может быть проблематичной из-за неоднородного нагрева внешней трубы теплопередачи, в результате чего только некоторые секции вокруг периметра внешней трубы подвергаются внешнему нагреву. Текучая среда - теплоноситель, протекающая в кольцевом объеме, имеет прямую структуру потока, и неоднородный нагрев внешней трубы теплопередачи приводит к более высоким температурам текучей среды - теплоносителя в некоторых секциях.
В случае, когда снаружи двойной трубы теплопередачи происходит эндотермическая химическая реакция, тепло, требуемое для проведения реакции, подают с помощью горячей текучей среды - теплоносителя, протекающей в кольцевом объеме. Когда двойную трубу теплопередачи используют вместе с другими двойными трубами теплопередачи, более высокие температуры наблюдают в областях, в которых невелико расстояние между соседними горячими двойными трубами. В случае, когда расстояние между двойными трубами теплопередачи больше, наблюдаются более низкие температуры. Такое неоднородное распределение температуры газа приводит к неоднородному нагреву частиц катализатора, и это оказывает отрицательное влияние на химические реакции, проходящие в реакторе. Неоднородное распределение температуры в каталитическом слое также приводит к неоднородному распределению температуры текучей среды - теплоносителя, когда текучая среда - теплоноситель, протекающая в кольцевом объеме, имеет прямую структуру потока.
Объектом настоящего изобретения является процесс теплового обмена с использованием среды - теплоносителя, имеющей спиральную структуру потока, для опосредованной передачи тепла в текучую среду или твердую среду или из нее.
Кроме того, объектом изобретения является также теплообменный реактор типа реактора с двойной трубой, предназначенный для использования в описанном выше процессе, с применением среды - теплоносителя для опосредованной передачи тепла в текучую среду или твердую среду, окружающую трубу, или из нее.
Сущность изобретения
Изобретение относится к теплообменному реактору типа реактора с двойными трубами, содержащими элементы распорок в кольцевом объеме двойных труб теплопередачи. Элементы распорок сформированы так, что они обеспечивают вращение среды - теплоносителя вокруг оси двойной трубы, по мере того, как она протекает через кольцевой объем. Полученная в результате структура потока принимает форму спирали или винтовую форму, что обеспечивает ряд преимуществ по сравнению с обычными реакторами с двойной трубой, в которых не происходит вращения, то есть, по сравнению с прямым потоком среды - теплоносителя, в кольцевом объеме.
Таким образом, изобретение относится к процессу проведения реакций теплообмена, включающему подачу потока реагента в слой каталитического материала, расположенного снаружи, по меньшей мере, одной трубы теплопередачи с двойными стенками в теплообменном реакторе, контакт потока реагента с каталитическим материалом при косвенном теплообмене со средой - теплоносителем, присутствующей в кольцевом объеме, по меньшей мере, одной трубы теплопередачи с двойными стенками, причем в кольцевом объеме установлен один или более элементов распорки, создающих спиральный путь потока среды - теплоносителя вокруг внутренней трубы теплопередачи, по меньшей мере, одной трубы теплопередачи с двойными стенками.
Изобретение также относится к теплообменному реактору, предназначенному для использования в описанном выше процессе теплообмена, содержащему, по меньшей мере, одну трубу теплопередачи с двойными стенками, установленную в слое каталитического материала, причем, по меньшей мере, одна труба теплопередачи с двойными стенками состоит из внутренней трубы теплопередачи, установленной внутри внешней трубы теплопередачи, в результате чего образуется кольцевой объем для потока среды - теплоносителя между внутренней поверхностью внешней трубы теплопередачи и внешней поверхностью внутренней трубы теплопередачи, причем кольцевой объем содержит один или больше элементов распорки, установленных вдоль длины двойной трубы теплопередачи, причем элементы распорки находятся в контакте или в состоянии, близком к контакту, как с внутренней, так и с внешней трубами теплопередачи, причем элементы распорки создают спиральный путь потока среды - теплоносителя вокруг внутренней трубы теплопередачи.
В случае, когда неоднородные условия передачи тепла в среду - теплоноситель или из нее, транспортируемую в кольцевом объеме двойных труб теплопередачи, существуют вдоль периметра внешней трубы, вращение структуры потока приводит к тому, что каждая часть текучей среды подвергается воздействию различных условий вдоль периметра трубы, благодаря чему снижаются или устраняются разности температуры текучей среды вокруг периметра в любом месте вдоль длины двойной трубы.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показана схема, изображающая четыре двойных трубы теплопередачи, расположенных в каталитическом материале.
На фигурах 2 и 2а показаны схемы, иллюстрирующие элементы распорок, установленные на внешней поверхности внутренней трубы.
На фиг.3 показана схема, иллюстрирующая элементы распорок, установленные на внутренней поверхности внешней трубы.
На фиг.4 показана схема, иллюстрирующая элементы распорок, удерживаемые силами сжатия между стенками кольцевого объема.
На фигурах 5 и 5а показаны схемы, иллюстрирующие элементы распорок, интегрированные во внутренней трубе.
На фигурах 6 и 6а показаны схемы, иллюстрирующие элементы распорок, интегрированные во внешней трубе.
На фиг.7 показана схема, изображающая поворот элемента распорки по отношению к оси трубы.
На фиг.8 показан вид в плане развернутой внутренней трубы, интегрированной с элементами распорки.
На фиг.9 показано сечение вдоль линии А-А, обозначенной на фиг.8.
На фиг.10 показан вид в плане развернутой внутренней трубы теплопередачи с элементом распорки, который продолжается вдоль длины внутренней трубы и выполняет три полных оборота вокруг двойной трубы.
Подробное описание изобретения
Процесс и реактор, в соответствии с изобретением, используют, когда требуется опосредованно передавать тепло в среду - теплоноситель или из нее, протекающую внутри кольцевого объема, по меньшей мере, одной двойной трубы теплопередачи, во внешний слой каталитического материала. Реактор, в соответствии с изобретением, является в особенности предпочтительным и обеспечивает улучшенную теплопередачу в случае, когда в реакторе используют несколько двойных труб теплопередачи.
Дополнительный каталитический материал может быть размещен внутри внутренних труб, если это необходимо.
Для иллюстрации проблемы, связанной с теплопередачей в обычном реакторе с двойными трубами теплопередачи, установленными в каталитическом слое, рассмотрим фиг.1.
На фиг.1 показана принципиальная схема, изображающая четыре двойных трубы теплопередачи, расположенных в каталитическом материале, который катализирует эндотермическую химическую реакцию. Среда-теплоноситель обычно представляет собой горячий газ, поэтому она передает тепло в реакцию, происходящую снаружи двойных труб теплопередачи в каталитическом слое. Стрелки 1 и 2 указывают направление переноса тепла в различных позициях из среды - теплоносителя, находящейся в кольцевом объеме двойных труб теплопередачи, в каталитический материал, расположенный снаружи труб. При обычном не циркулирующем прямом потоке среды - теплоносителя через кольцевой объем двойных труб теплопередачи большая часть тепла переносится через стенку внешней трубы в направлении, где расположено большее количество каталитического материала.
Направление высокой передачи тепла обозначено стрелкой 1. Следовательно, в это может привести к более низкой температуре среды-теплоносителя в кольцевом объеме в этих позициях, в то время как температура среды - теплоносителя будет более высокой в положениях наименьшего расстояния между соседними двойными трубами теплопередачи, как показано стрелкой 2, обозначающей направление низкой передачи тепла.
Повышенное падение температуры среды - теплоносителя при протекании ее через кольцевой объем в направлениях, где требуется большая передача тепла, в свою очередь, может уменьшить передачу тепла в этих направлениях. Результатом будет увеличение неравномерного распределения температуры в потоке среды-теплоносителя по окружности при заданном поперечном сечении и неравномерное распределение температуры катализатора снаружи двойных труб теплопередачи, то есть будет получена высокая температура катализатора, в местах, где трубы расположены близко друг к другу, и низкая температура катализатора, в местах, где ближайшая труба расположена на большем расстоянии.
Что касается экзотермических химических реакций, стрелками 1 и 2 на фиг.1 указаны направления теплопередачи, противоположные направлению теплопередачи при эндотермических реакциях. В этом случае более высокие температуры среды - теплоносителя можно наблюдать в направлении 1, и более низкие температуры в направлении 2.
При обоих типах реакции неравное распределение температуры является нежелательным, поскольку оно приводит к снижению эффективности теплопередачи и использования катализатора, в результате чего возникает необходимость построения более длинного реактора с большей поверхностью теплопередачи и с большим количеством катализатора.
Изобретение решает проблему, связанную с прямым потоком среды теплопередачи в кольцевом объеме двойных труб теплопередачи. Для исключения дополнительных затрат, связанных с необходимостью использовании большого реактора, в кольцевом объеме установлены элементы распорок, и благодаря их наличию обеспечивается вращение потока среды теплопередачи в кольцевом объеме. Это вращение приводит к тому, что среда - теплоноситель подвергается воздействию одинаковых условий по всему объему, поскольку среда - теплоноситель протекает через области, в которых чередуется низкая и высокая передача тепла. Обеспечиваемая в результате повышенная однородность температуры для данного поперечного сечения реактора позволяет уменьшить требуемые размеры реактора и, кроме того, снижает механические напряжения и/или упругие или пластические деформации, связанные с различной степенью теплового расширения.
В теплообменном реакторе, в соответствии с изобретением, различные текучие среды или твердые среды могут занимать объем снаружи внешней трубы. Если требуется, в канале, сформированном внутри внутренней поверхности внутренней трубы, также может протекать текучая среда, или он может быть заполнен твердой средой, такой как каталитический материал. В качестве альтернативы можно использовать монолитную трубу или пустую трубу. Твердая и текучая среды могут иметь разные составы, температуру, давление и скорость потока. Кроме того, различные объемы могут быть частично заполнены катализатором, и в них могут проходить химические реакции. Стенки трубы, разделяющие среду, позволяют обеспечить теплопередачу из одной среды в другую.
Кольцевой объем содержит текучую среду - теплоноситель. Однако некоторое количество каталитического материала может дополнительно присутствовать в нем так, что он влияет на спиральный поток среды - теплоносителя. Каталитический материал может, например, использоваться в форме оборудования, на которое нанесен катализатор или в виде гранул катализатора.
Двойная труба теплопередачи состоит из внутренней трубы, расположенной внутри внешней трубы таким образом, что образуется кольцевой объем в пространстве между трубами. Внутренняя труба состоит из стенки, имеющей внутреннюю и внешнюю поверхность. Внешняя поверхность стенки внутренней трубы образует кольцевой объем. Внешняя труба также состоит из стенки, имеющей внутреннюю и внешнюю поверхность. Внешняя поверхность стенки внешней трубы находится в контакте с каталитическим слоем, в то время как внутренняя поверхность стенки внешней трубы также образует кольцевой объем.
Элементы распорки могут быть установлены на внешней поверхности внутренней трубы либо на внутренней поверхности внешней трубы. Это показано в варианте выполнения на фиг.2, где элемент распорки установлен на внешней поверхности внутренней трубы. Вариант выполнения, показанный на фиг.2а, представляет вид в поперечном сечении по плоскости, обозначенной линией d-d на фиг.2. В варианте выполнения, показанном на фиг.3, элемент распорки установлен на внутренней поверхности внешней трубы.
Элементы распорки в вариантах выполнения 2 и 3 сформированы отдельно от труб и прикреплены к поверхности трубы с помощью сварки. Крепление элементов распорки, кроме того, может быть выполнено с использованием пайки твердым припоем, приклеивания, резьбовых соединений, шпилек, заклепок и других известных способов крепления. Их поперечное сечение может иметь любую форму, например квадратную, прямоугольную, круглую, треугольную или даже переменную форму, при условии, что она обеспечивают крепление к поверхности трубы. Форма продольного поперечного сечения также может быть произвольной.
Вместо установки на одной из поверхностей трубы элементы распорки могут удерживаться на месте силами сжатия или силами трения, прикладываемыми к стенкам внутренней и внешней труб. Это показано на фиг.4.
Элементы распорки также могут быть интегрированы в одну или обе стенки трубы, в случае, если одна или обе трубы сформированы так, что внутренняя труба точно устанавливается внутри внешней трубы. На фиг.5 показан вид в продольном разрезе элемента распорки, в котором внешняя труба была открыта для показа элемента распорки, интегрированного с внутренней трубой. На фиг.5а показан вид в поперечном сечении через обе трубы по линии b-b, обозначенной на фиг.5.
На фиг.6 и 6а аналогично, соответственно, представлена продольный разрез элемента распорки, интегрированного с внешней трубой, и поперечное сечение через обе трубы по линии с-с.
Контакт между внутренней и внешней трубой, когда обеспечивается точная подгонка, может быть выполнен в форме точечных контактов, линейного контакта или больших поверхностей контакта.
Элементы распорки могут иметь любую форму. Однако предпочтительный вариант выполнения показан на фиг.7. Элемент распорки имеет начальную точку 1 и конечную точку 3 вдоль оси 2 трубы, соответствующей первой и последней точкам, соответственно, распорки, установленной вдоль оси трубы. Конечная точка 3 повернута относительно оси трубы по отношению к фиксированной исходной точке. Угол θ распорки представляет собой угол между продольным направлением и элементом распорки. Линия от начальной точки 1 распорки до конечной точки 3 распорки, показанная на поверхности цилиндра, имеет угол θ по отношению к продольному направлению трубы. Это создает спиральный путь потока среды - теплоносителя. От начальной точки 1 до конечной точки 3 элементы распорки могут быть, например, выполнены прямыми, изогнутыми, могут иметь s-образную форму или могут иметь форму с множеством изгибов, с переменной или фиксированной формой поперечного сечения, как указано выше.
Малое значение угла θ приводит к незначительному повороту кольцевого потока, и большое значение угла θ приводит к существенному повороту внутри кольца. Угол θ должен быть больше 0° и меньше 90°. Наиболее подходящий диапазон угла θ, однако, составляет 5°-60°.
Для сравнения, величина угла θ равна 0° для обычных распорок, и следовательно, они не создают спиральный путь потока.
На фиг.8 показан вид в плане развернутой внутренней трубы, интегрированной с элементами распорки, которые интегрированы с внутренней трубой, как представлено на фиг.5 и 5а. Внешняя труба не показана. В сечении по линии а-а показан вид в поперечном сечении элемента распорки. На фиг.6 показаны два уровня элементов распорок, разделенные интервалом b, причем каждая распорка имеет длину в продольном направлении с. Каждый уровень имеет две распорки, которые равномерно распределены по окружности трубы. Поворот структуры распорок при переходе с одного уровня на другой указывает на то, что элементы распорки на одном уровне могут быть сдвинуты на некоторое количество градусов по отношению к элементам распорки на предыдущем уровне, в данном случае на 90°, по окружности трубы. Также показана окружность е внутренней трубы.
На фиг.9 показан сечение а-а элемента распорки, представленного на фиг.8. Элемент f распорки имеет высоту d в радиальном направлении. Поперечное сечение показано вместе с развернутой внешней трубой g.
На фиг.10 показан другой предпочтительный вариант выполнения, содержащий длинный элемент распорки, представленный на развернутой внутренней трубе. Длинная распорка выполняет три полных оборота вокруг оси двойной трубы. В качестве альтернативы она может продолжаться непрерывно вдоль всей длины внутренней трубы. Элементы распорки аналогичны представленным в вариантах выполнения, показанным на фиг.2 и 3, и они сформированы отдельно от труб и прикреплены к поверхности трубы с помощью, например, сварки или с использованием другого способа, как указано выше. Их форма в поперечном сечении может быть любой, например, квадратной, прямоугольной, круглой или треугольной, при условии, что она обеспечивает возможность крепления на поверхности трубы. Форма продольного поперечного сечения также может быть произвольной. Угол θ распорки измеряют между продольным направлением и направлением элемента распорки, и он составляет величину больше 0° и меньше 90°. Длина 4 распорки представляет собой расстояние от исходной точки 3 до конечной точки 1 вдоль продольной оси 2.
В следующем варианте выполнения изобретения частицы катализатора расположены в канале, сформированном внутри внутренней поверхности внутренней трубы. Каталитический материал, таким образом, присутствует снаружи внешней трубы и внутри внутренней трубы.
Все варианты выполнения, описанные выше, имеют преимущество, состоящее в том, что они создают спиральный путь потока для среды - теплоносителя.
Каталитический паровой реформинг углеводородного сырья представляет собой процесс, в котором углеводородное сырье (обычно метан) реагирует с паром, в результате чего образуется синтез-газ, обогащенный водородом и монооксидом углерода, в соответствии со следующей эндотермической реакцией:
4
2
2
СН+НО⇔3Н+СО
Реакция реформинга является равновесной реакцией, и поток продукт содержит в основном водород и монооксид углерода и небольшое количество диоксида углерода, метана и пара. В состоянии равновесия используются температуры 500-1000°С и давления 0,1-4 МПа.
Подходящим теплообменным реактором, применимым для вышеуказанной реакции, является реформер, обогреваемый газом. Средой-теплоносителем в этом случае может быть газ, подвергнутый реформингу, и он может обеспечивать тепло для реакции реформинга, происходящей в слое катализатора.
Пример
Используют двухтрубный реформер, обогреваемый газом, с двойными трубами теплообмена, помещенными в слой катализатора, как показано на фиг.1. Каналы во внутренних трубах двойных труб теплообмена также содержат частицы катализатора. Элементы распорок интегрированы во внутренние трубы как показано на фиг.5, 8 и 9.
2
Поток реагента - смесь метана и пара - при температуре 360°С вводят в реформер, где во время каталитического контакта газ реагирует со смесью водорода, СО, СО, метана и пара при температуре 880°С внутри внутренних труб и снаружи внешних труб. Значительное количество тепла, необходимое как для эндотермической реакции, так и для нагрева газов-реагентов, получают из среды-теплоносителя, состоящей из горячего газового потока газа, подвергнутого реформингу, при 1000°С, присутствующего в кольцевом объеме реформера. Этот горячий газ передает тепло в газ, подвергаемый паровому реформингу в присутствии катализатора, и выходит из кольцевого объема с температурой 650°.
Данные, относящиеся к размерам, приведенные ниже, относятся к фиг.8 и 9:
Количество двойных труб теплопередачи:
61
Длина трубы теплопередачи:
11000 мм
Количество уровней распорок:
14
Спиральных распорок на каждом уровне:
2
Распределение распорок на каждом уровне:
180 градусов,
друг от друга (равномерное)
Поворот структуры распорок от одного
до следующего уровня:
90 градусов
Расстояние между уровнями распорок (В):
775 мм
Длина распорки (С):
187 мм
Высота распорки (D):
8 мм
Угол (θ) распорки:
13,2 градуса
Результаты показали, что количество спиральных оборотов вокруг оси в двойной трубе, выполняемых кольцевым потоком газа при протекании через всю длину двойной трубы, составляло шесть витков. Увеличение падения давления, вызванное распорками, составило 70%, что было приемлемо.