КОЖУХОТРУБНЫЕ РЕАКТОРЫ С ЖИДКОСТНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
SHELL-AND-TUBE REACTORS WITH LIQUID COOLING UNDER PRESSURE

Изобретение относится к комплекту предварительно изготовленных узлов кожухотрубного реактора, которые выполнены с возможностью сборки на строительной площадке или на месте окончательного монтажа с образованием кожухотрубного реактора для проведения каталитических реакций в газовой и/или жидкой фазе. Изобретение относится также к кожухотрубному реактору согласно ограничительной части п.7 формулы изобретения и к системе кожухотрубных реакторов согласно ограничительной части п.30 формулы изобретения.
Кожухотрубные реакторы имеют множество параллельных, расположенных в одном пучке реакторных труб, заполненных чаще всего гранулированным катализатором и при необходимости также инертным материалом или различными комбинациями катализатора и инертного материала в отношении их расположения и состава. Пучок труб окружен преимущественно цилиндрическим корпусом реактора. Концы реакторных труб открыты и установлены в трубных решетках с уплотнением на наружных стенках труб. Реакционная газовая смесь (подаваемый газ) подводится к реакторным трубам через перекрывающую соответствующую трубную решетку крышку реактора и отводится через следующую крышку реактора, перекрывающую другую трубную решетку, в виде произведенной газовой смеси.
В одной широко распространенной системе для отвода теплоты реакции в кожухотрубном реакторе при экзотермических реакциях жидкий теплоноситель, например теплоносящее масло или смесь из нитратов и нитритов, проводится при помощи системы циркуляции вокруг наружной стороны реакторных труб при попутном или противоположном протекании по отношению к потоку реакционной газовой смеси через реактор. Преимуществом такой системы является практически безнапорная эксплуатация, благодаря которой стенки даже больших реакторов могут быть относительно тонкими. Хороший и равномерный отвод тепла по поперечному сечению реактора обеспечивается соответствующими устройствами для направления потока.
В другой системе для отвода теплоты реакции используют жидкостное охлаждение под давлением, часто в форме испарительного охлаждения, например водяного испарительного охлаждения. При этом теплоносящая система эксплуатируется под давлением с частично, полностью или не испаряющимися текучими средами при принудительной или естественной циркуляции. Предпочтительной текучей средой является вода. В дальнейшем понятия «водяное испарительное охлаждение» или «реактор с кипящей водой» применяются лишь в качестве примера для понятий «испарительное охлаждение» или же «кожухотрубный реактор с испарительным охлаждением», и не должны толковаться ограничительно.
При испарительном охлаждении теплота реакции отводится посредством испарения части теплоносителя. Образующаяся смесь жидкости и пара поднимается вследствие ее меньшей плотности вверх, выводится из реактора и разделяется в сепараторе на жидкую фазу и паровую фазу. Жидкая фаза отводится обратно в реактор, а паровая фаза может непосредственно применяться в качестве полезного пара, без дополнительного циркуляционного контура теплоносителя. Существенное преимущество такой системы состоит в том, что при данном поддерживающемся постоянным давлении во всей теплоносящей системе преобладает одинаковая температура при наличии в ней жидкого теплоносителя, с которым стенки реакторных труб находятся в контакте. Кроме того, наружная стенка трубы очень хорошо осуществляет теплопередачу, что приводит к снижению затрат на встроенные элементы, улучшающие протекание с целью равномерного распределения теплоносителя. Благодаря лишь частичному испарению теплоносителя достигается постоянный контакт стенок реакторных труб с жидким теплоносителем и предотвращение таким образом локального перегрева. Различные варианты выполнения этой конструкции описаны, например, в US 3518284, DE 2013297, DE 2123950, DE 2420949, DE 3028646 или ЕР 0532325.
Кожухотрубные реакторы такого типа из соображений экономичности стремятся выполнить максимально возможной емкости, т.е. с максимально возможным количеством труб или максимально использовать объем труб для заполнения катализатором. При этом в реакторах некоторых типов необходимо использовать трубы длиной порядка от 10 до 15 м. Однако желаемое увеличение емкости ограничено возможностями транспортировки. Несмотря на то, что по сухопутным дорогам уже могут транспортироваться относительно легкие аппараты с диаметрами 10-11 м, транспортировка оснащенных трубами реакторов с диаметрами больше 4-5 м по рельсам или дороге на большие расстояния как правило невозможна или возможна только с несоразмерными затратами. Это вызвано с одной стороны, ограниченными высотой и/или шириной проезда, или ограничениями веса для мостов и т.п., а с другой стороны, отсутствием достаточных подъемных средств на месте перегрузки и/или монтажа.
Поэтому желательно транспортировать очень большие или очень тяжелые реакторы к строительной площадке или же к месту монтажа по частям, и там собирать, а также сооружать как можно более компактные кожухотрубные реакторы, которые еще пригодны к транспортировке в виде окончательно смонтированных кожухотрубных реакторов. В первом случае вследствие технологических ограничений на строительной площадке следует стремиться к тому, чтобы изготавливать отдельные элементы реактора настолько большими в отношении веса и габаритов, насколько позволяют ограничения при транспортировке. Благодаря этому минимизируется количество стыков.
Такое решение, например, оснащение реактора трубами, т.е. установка реакторных труб в трубные решетки и герметичное соединение реакторных труб с трубными решетками только на строительной площадке, является очень неэкономичным, требующим много времени и в большинстве случаев невыполнимым по технологическим причинам и требованиям обеспечения качества, причем затруднения, связанные с габаритами остались неразрешенными.
Далее детально рассматриваются конструкции, которые относятся к сборке реактора. В частности, это такие реакторы, которые рассчитаны для монтажа на строительной площадке, или в которых реактор собран из выполненных с возможностью разграничения узлов. При этом описываются особенно компактные реакторы и соединения нескольких малых реакторов в один реакторный узел.
Кожухотрубный реактор, выполненный с возможностью сборки на строительной площадке, описан, например, в DE 2543758 С3. Он имеет по меньшей мере два самостоятельных сектора с соответствующими секторами трубной решетки, наружными участками корпуса и внутренними участками стенки, а также расположенными внутри реакторными трубами, при этом соответствующие стенки секторов опираются друг на друга через дистанционные держатели.
Работоспособность отдельных секторов такого кожухотрубного реактора может быть проверена еще на месте изготовления перед транспортировкой, т.к. его реакторные трубы уже смонтированы, и окружающие реакторные трубы стенки образуют со всех сторон герметично замкнутое пространство. Секторы, а также крышки, соединения труб и опоры соединяются друг с другом с образованием кожухотрубного реактора лишь на месте монтажа, в первую очередь при помощи сварки.
Эта секторная конструкция пригодна для эксплуатации с жидким не испаряющимся теплоносителем, не находящимся под давлением. Полость для теплоносителя здесь эксплуатируется практически без давления, вследствие чего толщина стенок емкости определяется в основном только собственным весом, а не внутренним давлением. Если такой кожухотрубный реактор будет выполнен для работы с кипящей водой и в нем в качестве теплоносителя будет использоваться испаряющаяся среда при повышенном.давлении, то стенки корпуса такого реактора должны быть толще из соображений прочности. Такой реактор непригоден для секторной конструкции, известной из DE 2543758 С3. Главное препятствие состоит в том, что конструкционные элементы с очень толстыми стенками после сварки должны быть подвергнуты термической обработке для снятия в материале остаточных напряжений, образующихся в процессе сварки. Локальная термическая обработка соединительных продольных швов корпуса, которая требовалась бы для кожухотрубного реактора с кипящей водой согласно DE 2543758 С3, содержащего несколько доставляемых на строительную площадку самостоятельных узлов с готовой системой труб, является невозможной вследствие различных температурных деформаций корпуса реактора и реакторных труб.
Следующие недостатки этой секторной конструкции следует усматривать в том, что отдельные секторы имеют большое количество плоских стенок, которые с учетом сил давления внутри секторов должны либо выполняться несоразмерно толстыми, либо трудоемким образом быть усилены распорками или другими дополнительными опорами. Сверх того, вследствие внутреннего давления внутри секторов на переходах отдельных стенок имеются пики напряжений. Центральная область такого реактора не может быть оснащена реакторными трубами и использована для реакций, и должна быть герметичной по отношению к верхней и нижней крышке реактора. Вся конструкция создает проблемы в отношении уплотнения и подвержена трещинам вследствие внутренних напряжений, в частности, при периодической эксплуатации или же при часто меняющихся условиях эксплуатации.
В ЕР 1210976 А2 описана сборка трубной решетки кожухотрубного аппарата из нескольких отдельных элементов трубной решетки при помощи механических соединительных элементов. Отдельные элементы трубной решетки имеют на месте стыка согласованные друг с другом контуры, которые могут быть выполнены, например, в виде паза и гребня, и фиксироваться при помощи болтов, проходящих через паз и гребень. Для образования герметичного соединения места стыка и контур болтов свариваются на обеих сторонах трубной решетки. В качестве существенных преимуществ этой конструкции упоминаются меньшее технологическое оборудование, более короткий производственный цикл и существенно уменьшенное коробление, по сравнению с полностью проваренными соединениями. Места контакта конструкции такого типа требуют тщательной подготовки. Если зазор в соединении паза и гребня является слишком большим, то передача усилий от одного отдельного элемента трубной решетки к другому уменьшается. Если зазор является слишком малым, то происходит заклинивание, и отдельные элементы не могут быть собраны. Отверстия для соединительных болтов могут быть выполнены лишь после сборки. Противоположные контуры краев должны быть снабжены уступами для предотвращения зажима краев. Трубы могут быть введены и закреплены в трубной решетке лишь после изготовления соединения. Таким образом, способ изготовления может быть реализован в общем случае только в технологическом цеху. Сборка отдельных элементов трубных решеток на строительной площадке является мало рациональной.
В DE 1667187 С описан реактор высокого давления с неподвижным катализатором для экзотермических каталитических реакций с многократным промежуточным охлаждением между несколькими слоями катализатора. Особым признаком этого реактора является разделенный кожухотрубный испаритель, расположенный в реакторе по центру в качестве охладителя. Он закреплен своей трубной доской на крышке реактора, предпочтительно с возможностью выдвигания. После прохождения через реактор произведенный газ выходит из реактора через среднее отверстие в трубной решетке первого внутреннего теплообменника и последующий патрубок. Диаметр этой конструкции реактора ограничен большой толщиной стенок, необходимой из-за высоких давлений, обусловленных способом. В этом отношении реактор в варианте выполнения с внутренним диаметром 2,2 м будет представлять собой примерно верхнюю границу. Также при больших диаметрах крышка реактора не может быть выполнена в виде плоской пластины, вследствие требуемой большой толщины, особенно если крышка реактора, независимо от ее формы, ослаблена наличием множества вводов для пучков труб теплообменника. Кроме того, разъемное фланцевое соединение при больших диаметрах всегда становится более проблематичным вследствие размеров требуемых фланцев и болтов. Далее, при больших диаметрах не решен способ передачи веса слоя катализатора с теплообменником на корпус реактора. Небольшой выступ внутри корпуса реактора в качестве опоры, как показано в варианте выполнения, а также тонкая опорная плита на верхней стороне слоя катализатора с теплообменником не будут достаточно прочны. Представленная конструкция непригодна для окончательного монтажа на строительной площадке при большом диаметре реактора.
В DE 2816062 А1 описан реактор для получения метана, содержащий подвешенные в своем корпусе стационарный слой с теплообменником. Охлаждение реакционного газа осуществляется здесь исключительно холодным подаваемым газом. При этом весь вес стационарного слоя с теплообменником воспринимается верхней опорной плитой. Опорная плита установлена на верхнем конце цилиндрического корпуса реактора и там привинчена. Верхняя крышка реактора разъемно соединена с корпусом реактора при помощи болтового соединения. Произведенный газ выводится из реактора при помощи выпускного трубопровода, который сальником уплотнен по отношению к корпусу реактора. Компенсация различных продольных удлинений холодного корпуса реактора и горячего стационарного слоя с теплообменником не предусмотрена. Представленная конструкция может быть разобрана на основные элементы: корпус реактора, с нижней крышкой реактора, стационарный слой с теплообменником и верхняя крышка реактора, и транспортировать их раздельно до места монтажа, а там собирать. Однако представленная конструкция по причинам, аналогичным известным из DE 1667187 С в отношении реактора высокого давления с неподвижным катализатором, ограничена в своем диаметре, так что здесь не требуется транспортировки отдельных элементов до строительной площадки и сборка реактора только в этом месте. Кроме того, реактор имеет только одну полость под давлением, так что такой принцип конструкции непригоден для кожухотрубного реактора с раздельными реакционной полостью и полостью для теплоносителя.
Далее, известны кожухотрубные реакторы с вынимающимся пучком труб, который установлен по принципу плавающей головки. При использовании принципа плавающей головки трубная решетка одного конца пучка труб жестко соединена с корпусом аппарата, а другая трубная решетка является более или менее свободно подвижной. При этом пучок труб может быть выполнен вертикально стоящим, или свисающим, или горизонтально лежащим. Множество вариантов этого конструкционного принципа описано в специальных нормативных документах, например ASME (Американское общество инженеров-механиков), технические правила AD2000 или ТЕМА (Стандарты ассоциации производителей кожухотрубных теплообменников). Варианты относятся в первую очередь к способу, которым текучая среда в трубах снова выводится из пучка труб наружу. При свободной плавающей головке текучая среда в трубах поворачивается на конце трубы и течет в противоположном направлении. Текучая среда в трубах имеет при обратном течении в большинстве случаев другую температуру, чем при подводе, поэтому в обратном трубопроводе должна быть предусмотрена компенсация удлинения. Исключение составляет выполнение в виде U-образного пучка труб, при котором компенсация удлинения осуществляется посредством самих труб. Текучая среда в трубах может также быть пропущена далее в том же направлении через выпускной трубопровод, который выходит через корпус аппарата на другом конце. Именно в этом случае в соответствующем месте должна предусматриваться компенсация удлинения.
В DE 2758131 описан кожухотрубный реактор, который предпочтительно применяется для эндотермических процессов. В качестве теплоносителя служит, например, горючий газ, который при помощи кольцевых и дисковых отражательных щитков проводится вокруг реакторных труб. Пучок труб выполнен стоящим и с плавающей головкой. В соединительный трубопровод между плавающей головкой и верхней крышкой реактора вмонтирован компенсатор. Соединительный трубопровод оканчивается на фланце в верхней крышке реактора. К этому фланцу присоединен выпускной трубопровод реактора. Таким же образом верхняя крышка реактора при помощи фланцевого соединения присоединена к цилиндрическому корпусу реактора. К нижней трубной решетке присоединена собственная крышка трубной решетки. От нижней крышки трубной решетки нижний соединительный трубопровод ведет к выпускному патрубку нижней крышки реактора, к которому он на конце приварен. Для замены пучка труб вначале отвинчивают верхний выпускной трубопровод реактора и верхнюю крышку реактора. Затем разделяют сварное присоединение нижнего соединительного трубопровода, после чего пучок труб может быть вытянут вверх. После проведения обслуживания или ремонтных работ реактор снова собирают в обратной последовательности. Хотя описанный реактор может быть демонтирован относительно простым способом, использование плавающей головки имеет принципиальные недостатки. Сторона труб реактора уплотнена не непосредственно по отношению к окружающей среде, а по отношению ко второй полости под давлением. Таким образом, неизбежно образуется существенно более сложная конструкция и внутренняя оболочка испытывает дополнительное нагружение от давления и температуры окружающей среды.
Кожухотрубный реактор с плавающей головкой с подвешенной конструкцией известен из US 5006131 В. Он является частью описанной там реакторной системы. К краю верхней трубной решетки присоединена верхняя крышка реактора с выпускными патрубками для газа. На верхней крышке реактора находится, кроме того, патрубок люка. По направлению вниз к краю верхней трубной решетки присоединен цилиндрический корпус, который на своем нижнем конце переходит в нижнюю крышку реактора. Реакторные трубы входят на своем нижнем конце в плавающую головку, которая состоит из нижней трубной решетки с нижней крышкой трубной решетки. Из нижней крышки трубной решетки через нижнюю крышку реактора выпускной трубопровод выходит из реактора наружу. Выпускной трубопровод соединен с нижней крышкой реактора при помощи компенсатора, находящегося снаружи реактора. Теплоноситель вводится на одной стороне реактора, а на другой выводится. Кольцевые и дисковые отражательные щитки проводят его при прохождении через реактор всегда перпендикулярно трубам, чтобы улучшить теплопередачу. Для окончательного монтажа на месте установки этот тип реактора непригоден, т.к. для этого необходимо сварить друг с другом несколько толстых листов. Предпочтительное количество труб является небольшим, в US 5006131 В указано 250 и 1000 труб. В остальном, варианты выполнения, такие как в DE 1667187 С, относятся к проблематике больших диаметров реактора, а такие, как в DE 2758131, - к недостаткам конструкции плавающей головки.
В DT 2513499 А1 описана риформинговая печь, работающая при помощи конвективного теплообмена, и снабженная этой печью система, при помощи которой вырабатывается насыщенный водородом газ или синтез-газ. Риформинговая печь, или реактор, принципиально может использоваться еще для многих других применений. В описанном варианте выполнения риформинговая печь, называемая далее реактором, имеет составную трубную решетку, на которой закреплен пучок реакторных труб. Реакторные трубы входят на своих нижних концах в центральную трубу, которая проходит через трубную решетку вверх, а затем через верхнюю крышку реактора выходит из реактора. Трубная решетка с висящими на ней реакторными трубами подвешена в радиальном направлении внутри при помощи усиленного сварного соединения на центральной трубе, через которую произведенный газ выходит из реактора, а на своем наружном окружном крае, при помощи удлиненного несущего элемента - на нижней части верхней крышки реактора. Удлиненный несущий элемент является относительно упругим и может компенсировать различные радиальные расширения цилиндрической части корпуса, верхней крышки реактора и верхней трубной решетки. Такие перемещения должны уменьшаться при помощи изолирующего слоя внутри составной верхней трубной решетки. Верхняя крышка реактора прикреплена фланцем к цилиндрическому основному элементу реактора, так что вытягивание верхней крышки реактора вместе с трубной решеткой и реакторными трубами из реактора возможно без затруднений. Описанная здесь конструкция возможна только для малых и средних диаметров реакторов, т.к. весь пучок труб висит в первую очередь на центральной трубе. Удлиненный несущий элемент между трубной решеткой и верхней крышкой реактора в состоянии воспринимать лишь небольшие усилия. Раздельная транспортировка и сборка отдельных групп реактора на строительной площадке являются возможными, однако заполнение труб гранулированным катализатором и, прежде всего, их повторное опорожнение, являются затруднительными, если вообще полностью возможными.
Конструкция с многократной компенсацией удлинений известна из ЕР 1048343 А2. Описан кожухотрубный реактор, реакторные трубы которого на своих верхних концах поодиночке закреплены на верхней трубной решетке через компенсаторы. Нижние концы реакторных труб жестко соединены с нижней трубной решеткой. Нижняя трубная решетка окружена крышкой, к которой присоединен патрубок. Этот патрубок присоединен через компенсатор, расположенный еще внутри реактора, к нижнему выпускному патрубку реактора. Присоединение отдельной реакторной трубы к трубной решетке при помощи компенсатора предъявляет повышенные требования к сварке. Рациональным образом такие работы могут проводиться только в производственном цеху. Изготовление на месте монтажа практически исключено. Разделение пучка труб с присоединенной трубной решеткой также является проблематичным, т.к. компенсаторы чрезвычайно чувствительны и при транспортировке могут быть повреждены.
В стремлении создать компактный узел реактора, в ЕР 1590076 А1 была, например, предложена возможность в кожухотрубном реакторе с частичным испарением теплоносителя распределять входящий теплоноситель по расположенным внутри каналам равномерно по периметру реактора. Благодаря этому количество трубопроводов снаружи реактора уменьшено до минимума. Несмотря на это, необходимы расположенные радиально по периметру корпуса реактора патрубки, которые увеличивают общие габариты реактора при транспортировке. Для разборки на несколько узлов и их транспортировки этот тип реактора все же непригоден.
В DT 1542494 С3 описан кожухотрубный реактор с жидкой солью в качестве теплоносителя. Теплоноситель отдает принятое в кожухотрубном реакторе тепло через выходящие сбоку трубы в теплообменник, расположенный снаружи реактора, например, в вариант выполнения парогенератора, и снова подводится обратно в реактор. Особым признаком этого кожухотрубного реактора является расположение реакторных труб в нескольких секторах пучка труб, между которыми находятся не содержащие труб проходы. Один проход выполнен несколько шире по сравнению с другими и дополнительно служит для размещения подводящего трубопровода к теплообменнику и обратного трубопровода от теплообменника. По центру в кожухотрубном реакторе расположена направляющая труба с вмонтированной крыльчаткой, которая приводится от электродвигателя. Большая часть транспортируемого вниз крыльчаткой теплоносителя поступает в пространство между нижней трубной решеткой и находящейся над ней дроссельной шайбой, и при помощи проходов и дроссельной шайбы равномерно распределяется по всему поперечному сечению реактора. Этот основной объем затем проходит вверх, омывая реакторные трубы, и после прохождения через верхнюю дроссельную шайбу снова входит в направляющую трубу. Остальное количество теплоносителя поступает через подводящий трубопровод в теплообменник, отдает там принятое тепло и течет через обратный трубопровод снова к кожухотрубному реактору, обратно во впускное отверстие центральной направляющей трубы. Достойной внимания деталью этой конструкции является распределение или же сбор теплоносителя по центру внутри реактора, благодаря чему исключаются дорогостоящие распределительные устройства, такие как кольцевые каналы и особым образом выполненные впускные окна внутрь реактора.
В WO 2004/0048884 предложена реакторная система, или же компоновка реакторов, в которой несколько реакторных узлов параллельно эксплуатируются как один целый реактор, исключая индивидуальные измерительные и регулирующие устройства. Реакторные узлы эксплуатируются с общей теплоносящей системой, которая предпочтительно функционирует с охлаждением кипящей водой способом естественной циркуляции. Реакционный газ через один или несколько трубопроводов подводится к двум или нескольким реакторным узлам. Имеется один или несколько общих отборов продукции. Предпочтительно применяются кожухотрубные реакторы с реакторными трубами, заполненными катализатором. Описанная реакторная система предоставляет возможность решения, позволяющего достигнуть производительности очень большого реактора и использовать для его монтажа возможность транспортировки отдельных реакторов.
Принципиально параллельное включение нескольких меньших узлов в один большой узел является средством, широко применяемым в технологии. Недостатком этого способа эксплуатации является, как правило, потребность в дорогостоящих распределительных и сборных системах и соответствующих патрубках для подвода и отвода реакционных газов и теплоносящей текучей среды к отдельным узлам. Кроме того, каждый из меньших узлов нуждается в собственных возможностях внутреннего доступа, чтобы, например, заменять катализатор. К тому же, с параллельным включением связаны значительные дополнительные затраты, например, на опоры узлов, взаимную компенсацию тепловых расширений, изоляцию, потребность в площади и окружающие стальные сооружения. Однако в WO 2004/004884 А1 не приведено никаких мероприятий, которые минимизируют дополнительные затраты при параллельном включении, чтобы добиться экономичных решений.
В промышленных химических производственных установках из экономических соображений часто должен применяться большой узел кожухотрубного реактора с максимально большим количеством реакторных труб. Однако большие кожухотрубные реакторы выходят за пределы возможности транспортировки в отношении габаритов и/или веса. Известные по состоянию техники конструкции для выполнения узлов непригодны для кожухотрубных реакторов с жидкостным охлаждением под давлением. Кроме того, из соображений транспортировки и монтажа также желательно, чтобы такие кожухотрубные реакторы или же системы реакторов были выполнены компактными сами по себе и требовали как можно меньше вспомогательных устройств.
Поэтому в основе изобретения лежит задача создать узел кожухотрубного реактора с жидкостным охлаждением под давлением и большой емкостью для каталитических реакций в газообразной и/или жидкой фазе, емкость которого не ограничена проблемами транспортировки и/или монтажа.
Согласно изобретению эта задача решена посредством комплекта предварительно изготовленных узлов кожухотрубного реактора согласно п.8 формулы изобретения.
Для кожухотрубного реактора упомянутого выше типа задача решена также посредством отличительных признаков п.1 формулы изобретения.
Далее, для системы упомянутого выше типа задача решена также посредством отличительных признаков п.30 формулы изобретения.
Предпочтительные варианты выполнения изобретения представлены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Благодаря мероприятиям согласно изобретению узлы кожухотрубного реактора с жидкостным охлаждением под давлением пригодны к транспортировке, имеют большие емкости, чем узлы кожухотрубного реактора, имеющие до настоящего времени возможность транспортировки благодаря своим габаритам и/или весу, и могут монтироваться в условиях строительной площадки при соблюдении требований качества, которые соответствуют полностью заводскому изготовлению и монтажу.
Под условиями строительной площадки в рамках этого изобретения следует понимать то, что сварка толстых листов, например трубных решеток, с толщинами стенок свыше 38 мм является невозможной, т.к. такие листы согласно действующим в настоящее время предписаниям должны подвергаться термической обработке. Однако поскольку, например, реакторные трубы уже введены в трубные решетки и приварены, термическая обработка трубных решеток невозможна.
Комплект предварительно изготовленных узлов кожухотрубного реактора согласно изобретению содержит для пучка труб и закрепленных на нем трубных решеток исключительно те узлы, которые отделены от корпуса реактора и крышек реактора. Это означает, что корпус реактора и крышки реактора образуют узлы, которые не содержат никаких элементов пучка труб и трубных решеток. Таким способом можно по потребности вначале собирать на строительной площадке из отдельных узлов сами по себе корпус реактора и крышки реактора, не причиняя вреда пучку труб и трубным решеткам от требуемых монтажных сварных швов на корпусе реактора и крышках реактора, т.к. корпус реактора и крышки реактора имеют как правило такие толщины, что они после сварки должны быть подвергнуты термической обработке. Примыкающие или расположенные вплотную трубные решетки были бы деформированы вследствие термической нагрузки, и нуждались бы со своей стороны в повторной термической обработке, что на строительной площадке невозможно или экономически нецелесообразно.
При этом корпус реактора и одна крышка реактора, например нижняя, образуют по меньшей мере один узел корпуса и крышки, а другая крышка реактора, например верхняя, образует по меньшей мере один узел крышки. По меньшей мере один из этих узлов имеет по меньшей мере для одного или же для каждого узла пучка труб поддерживающие устройства, которые поддерживают узел (узлы) пучка труб вертикально, так что соединение пучка труб или трубной решетки с корпусом реактора и крышками реактора не требует какой-либо последующей термической обработки соединяемых конструкционных элементов. Предпочтительные варианты выполнения узлов пучка труб или отдельных узлов пучка труб раскрыты в зависимых пп.9-13 формулы изобретения, а также на фиг.4. Примеры конструктивного выполнения таких соединений или вертикальных опор раскрыты в зависимых пп.14-19 и 21-24 формулы изобретения, а также на фиг.2a-d, 5a, b и 6a-d.
Кроме того, согласно изобретению по меньшей мере один узел корпуса и крышки и/или трубные решетки снабжен и/или снабжены уплотнительными устройствами, которые в собранных узлах могут быть герметично закреплены на обращенных от реакторных труб сторонах трубных решеток и/или герметично закреплены на своих окружных краях на корпусе реактора или на трубных решетках, при этом уплотнительные устройства благодаря их выполнению и расположению могут быть закреплены, во-первых, герметично, а во-вторых, без дополнительной термической обработки трубных решеток. Примеры конструктивных выполнений таких уплотнительных устройств раскрыты в пп.25-27 формулы изобретения и на фиг.2a-d и 3а-d. Таким способом в условиях строительной площадки после установки узла (узлов) пучка труб в узел корпуса и крышки образуются емкость или же полость под давлением между трубными решетками и корпусом реактора, а также и вторая полость под давлением между трубными решетками, крышками реактора и реакторными трубами. Таким образом, имеются две непосредственно уплотненные по отношению к окружающей среде полости под давлением, благодаря чему устраняется решение с плавающей головкой и связанные с ним существенные затраты.
Во всех собранных узлах расстояние разделительного стыка, т.е. монтажного сварного шва между узлом корпуса и крышки и узлом крышки, от ближайшей трубной решетки может быть меньше по сравнению с традиционными конструкциями, т.к. уплотнительные устройства могут лишь в небольшой мере передавать на трубные решетки термические нагрузки, которые возникают при термической обработке монтажного сварного шва.
Узлы пучка труб вертикально опираются на поддерживающие устройства, которые размещены на корпусе реактора и/или лежат на поддерживающих устройствах, которые, например, выполнены в виде проходящих в радиальном направлении ребер или центрального опорного кольца, при этом ребра могут проходить вдоль разделительных краев узлов пучка труб или во внутренней области их участков трубной решетки. Узлы пучка труб могут опираться на своем нижнем и/или верхнем участке трубной решетки. Возможно также то, что участки трубной решетки на своих разделительных краях имеют вертикальные фланцы, которые привинчены, друг к другу жестко в отношении сил и моментов. В любом случае участки трубной решетки узлов пучка труб приварены друг к другу или к поддерживающему устройству лишь посредством монтажных уплотнительных сварных швов, так что термическая обработка участков трубной решетки после их сварки не требуется.
Таким образом, комплект предварительно изготовленных узлов кожухотрубного реактора согласно изобретению может быть собран в условиях строительной площадки с образованием кожухотрубного реактора, который соответствует стандартам качества в отношении технологии сварки, технологии процесса и использовании кожухотрубного реактора, полностью смонтированного в заводских условиях.
При этом узлы кожухотрубного реактора могут быть также изготовлены в различных местах, а затем раздельно доставлены к строительной площадке.
При монтаже на строительной площадке обязательно вначале сваривают друг с другом и подвергают термической обработке возможные обечайки корпуса или же узлы корпуса и нижней крышки. Затем узлы пучка труб по отдельности вводят в корпус реактора и соединяют друг с другом и с корпусом реактора. В заключение верхнюю крышку присоединяют к корпусу реактора. Здесь нет препятствий для сварки и термической обработке соответствующих сварных швов, т.к. верхняя трубная решетка не имеет непосредственного контакта с этим монтажным сварным швом.
В дальнейшем более детально описываются этапы изготовления и монтажа комплекта предварительно изготовленных узлов кожухотрубного реактора согласно изобретению.
В заводских условиях могут быть подготовлены для монтажа, т.е. окончательно сварены и термически обработаны, например, следующие узлы:
- несколько узлов пучка труб, реакторные трубы которых на своих концах вварены в соответствующие участки трубной решетки, при этом нижние и/или верхние участки трубной решетки имеют уплотнительные устройства для присоединения к корпусу реактора;
- нижняя крышка реактора с патрубками, присоединением вертикальной рамы, цилиндрическим присоединительным элементом, опорами трубных решеток (например, ребрами), опорным кольцом для участков трубной решетки или же отдельных элементов трубной решетки, подводящим трубопроводом для теплоносителя;
- несколько узлов (обечаек) корпуса реактора, частично с уплотнительными устройствами для присоединения к трубной решетке;
- верхняя крышка реактора с патрубком;
- выпускная труба для пара с компенсатором;
- нижняя часть вертикальной рамы.
Все узлы, подготовленные в заводских условиях для монтажа, транспортируются на строительную площадку. Монтаж производится там, например, следующими этапами.
- Первую обечайку корпуса приваривают к нижней крышке реактора при выравнивании в горизонтальном направлении.
- Друг за другом при одинаковом выравнивании монтируют и приваривают остальные обечайки корпуса.
- Нижнюю часть вертикальной рамы монтируют и приваривают к сборке вертикальной рамы уже изготовленного узла корпуса и крышки, еще расположенного горизонтально.
- Узел корпуса и крышки вместе с присоединенной нижней частью вертикальной рамы полностью подвергают термической обработке как одной целое.
- Узел корпуса и крышки вместе с вертикальной рамой вертикально устанавливают на фундаменте и закрепляют.
- Отдельные узлы пучка труб вводят в корпус реактора и нижнюю крышку реактора и укладывают на поддерживающие устройства.
- Отдельные узлы пучка труб герметично сваривают с корпусом реактора и подводящим трубопроводом для теплоносителя, а также друг с другом.
- Выпускной трубопровод для пара, включая компенсатор, монтируют на верхней трубной решетке и приваривают.
- Верхнюю крышку реактора приваривают к самой верхней обечайке корпуса и к выпускному трубопроводу для пара, а затем подвергают термической обработке.
Последовательность отдельных этапов монтажа может изменяться в зависимости от местных условий и специфических требований.
Согласно изобретению задача создать транспортируемые кожухотрубные реакторы с большой емкостью решается также посредством того, что кожухотрубный реактор при такой же емкости, как известные транспортируемые реакторы, выполнен более компактным, так что он с другой стороны, при таких же габаритах, как такие известные реакторы, имеет большую емкость. Согласно изобретению это достигается, в соответствии с п.1 формулы изобретения, посредством того, что по меньшей мере одна труба для подвода и/или для отвода теплоносителя проходит в осевом направлении насквозь через трубную решетку. Благодаря этому подводящая и/или отводящая труба, проходящая в радиальном направлении насквозь через корпус реактора, уже более не требуется, приводит к существенному уменьшению радиальных габаритов кожухотрубного реактора.
Если емкость такого кожухотрубного реактора должна быть увеличена настолько, что его нельзя транспортировать в виде окончательно смонтированного в заводских условиях реактора, то благодаря своему выполнению согласно изобретения, он особенно пригоден для разделения на комплект предварительно изготовленных узлов кожухотрубного реактора согласно изобретению, т.к. проходящие через трубные решетки подводящие и отводящие трубы могут одновременно быть выполнены в качестве вертикальных поддерживающих устройств для узлов пучка труб. В отношении этого можно сослаться на предыдущее описание вертикальной опоры узлов пучка труб.
Окончательно собранные на строительной площадке узлы пучка труб образуют общий функциональный узел, который окружен общей полостью для теплоносителя. Предпочтительно входящий в полость корпуса жидкий теплоноситель равномерно распределяется и/или собирается через не содержащие трубы проходы, которые особенно предпочтительным образом проходят в форме звезды от подводящих или отводящих труб для теплоносителя. Дальнейшие мероприятия для распределения входящего в полость корпуса реактора жидкого теплоносителя могут выполняться известным в технике способом.
Кроме того, при по меньшей мере частично испаряющемся теплоносителе может быть выполнена проходящая насквозь через верхнюю трубную решетку отводящая труба для смеси жидкости и пара, служащая одновременно в качестве опоры для парового барабана, расположенного над верхней крышкой реактора. Благодаря этому монтажное пространство для парового барабана уменьшено, т.к. опора на наружной стороне корпуса реактора не требуется.
При этом в предпочтительном варианте выполнения по центру может быть расположена только одна подводящая и/или отводящая труба, две или несколько подводящих и/или отводящих труб могут быть расположены не по центру, симметрично относительно оси реактора. В каждом случае они могут быть выполнены в качестве поддерживающих устройств для узлов пучка труб.
Для системы описанного выше типа задача - создать транспортируемый узел кожухотрубного реактора с большой емкостью, решается согласно изобретению посредством отличительных признаков п.30 формулы изобретения. Благодаря тому, что впускные и выпускные крышки для газа соседних кожухотрубных реакторов соединены друг с другом соответственно короткими трубопроводами, для каждого кожухотрубного реактора не нужны собственные внешние трубопроводы подвода и отвода газа. Таким способом кожухотрубные реакторы могут быть установлены чрезрычайно плотно друг рядом с другом. Кроме того, над верхними крышками реакторов расположен общий паровой барабан, который сообщается с каждым кожухотрубным реактором, т.е. с его соответствующей емкостью под давлением для теплоносителя. В целом, благодаря мероприятиям согласно изобретению, система требует сбоку от кожухотрубных реакторов, т.е. в горизонтальном направлении, существенно меньше монтажного пространства, чем известные системы кожухотрубных реакторов.
Отдельные кожухотрубные реакторы могут быть соответственно рассчитаны в отношении своих габаритов и веса таким образом, что они также могут транспортироваться в виде полностью смонтированного в заводских условиях кожухотрубного реактора. На строительной площадке они собираются с образованием системы согласно изобретению и образуют таким образом в соединении один узел реактора с большой емкостью.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения подводящие и отводящие газ трубы, а также короткие трубопроводы между крышками реактора имеют размер поперечного сечения, который соответствует размеру люка. Таким способом обеспечена доступность крышек реактора для работ по обслуживанию и ремонту без необходимости снабжения каждой крышки реактора собственным входным патрубком.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения паровой барабан соединен с каждым кожухотрубным реактором по меньшей мере через один подъемный трубопровод и сливные трубопроводы. При этом подъемные трубопроводы снова служат в качестве опор для парового барабана. Через сливные трубопроводы жидкий теплоноситель из парового барабана может быть снова подведен непосредственно к кожухотрубным реакторам.
При усовершенствовании предпочтительного варианта осуществления изобретения все кожухотрубные реакторы скреплены друг с другом с образованием одного механического узла и стоят на общей несущей конструкции. В другом, также предпочтительном варианте осуществления изобретения все кожухотрубные реакторы окружены общей изолирующей оболочкой. При помощи этих мероприятий затраты на закрепление и опору, а также изоляцию кожухотрубных реакторов сохраняются по возможности малыми.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения все кожухотрубные реакторы системы согласно изобретению являются кожухотрубными реакторами описанного выше типа.
Далее изобретение поясняется подробнее на примере при помощи чертежей, на которых:
фиг.1а - схематическое изображение варианта выполнения комплекта узлов согласно изобретению, содержащего узел корпуса и крышки, узел пучка труб и узел крышки, при этом каждый узел показан в продольном сечении;
фиг.1b - узлы согласно фиг.1а в собранном состоянии, с образованием кожухотрубного реактора;
фиг.2a-2d - продольные сечения четырех вариантов выполнения устройств для поддержания окружного края трубной решетки, с жестким герметичным соединением между трубной решеткой и корпусом реактора;
фиг.3a-3d - продольные сечения четырех вариантов выполнения упруго деформируемых уплотнительных устройств;
фиг.4 - перспективное изображение секторного узла пучка труб;
фиг.5а -продольное сечение варианта выполнения поддерживающего устройства, выполненного в виде ребер, вдоль линии Va-Va на фиг.5b;
фиг.5b - поперечное сечение поддерживающего устройства согласно фиг.5а вдоль линии Vb-Vb на фиг.5а;
фиг.6a-6d - продольные сечения четырех вариантов выполнения поддерживающих устройств вдоль разделительных краев узлов пучка труб, с герметичными соединениями между узлами пучка труб;
фиг.7 - продольное сечение варианта выполнения жесткого в отношении сил и моментов соединения разделительных краев узлов пучка труб;
фиг.8 - продольное сечение первого варианта выполнения кожухотрубного реактора согласно изобретению, с центральными осевыми подводящими и отводящими трубами для теплоносителя;
фиг.9 - продольное сечение второго варианта выполнения кожухотрубного реактора согласно изобретению, с центральными осевыми подводящими и отводящими трубами для теплоносителя;
фиг.10а - продольное сечение третьего варианта выполнения кожухотрубного реактора согласно изобретению, содержащего соответственно четыре подводящие и отводящие трубы для теплоносителя, симметрично расположенные не по центру;
фиг.10b - поперечное сечение кожухотрубного реактора согласно фиг.10а вдоль линии Хb-Хb на фиг.10а;
фиг.11 - продольное сечение четвертого варианта выполнения кожухотрубного реактора согласно изобретению с паровым барабаном;
фиг.12а - продольное сечение первого варианта; выполнения системы кожухотрубных реакторов согласно изобретению вдоль линии ХIIа-ХIIа на фиг.12b;
фиг.12b - вид сверху системы согласно фиг.12а вдоль линии XIIb-XIIb;
фиг.13а - продольное сечение второго варианта выполнения системы кожухотрубных реакторов согласно изобретению вдоль линии XIIIa-XIIIa на фиг.13b, при этом из соображений наглядности показаны только два кожухотрубных реактора, расположенных соответственно полностью снаружи;
фиг.13b - вид сверху системы согласно фиг.13а вдоль линии XIIIb-XIIIb.
На фиг.1а показан вариант выполнения комплекта 1 согласно изобретению предварительно изготовленных узлов 2, 3, 4 кожухотрубного реактора, которые выполнены с возможностью сборки с образованием кожухотрубного реактора 5, показанного на фиг.1b.
Окончательно смонтированный кожухотрубный реактор 5 может быть выполнен для проведения каталитических экзотермических или эндотермических реакций в газовой и/или жидкой фазе. Он имеет пучок 6 вертикальных реакторных труб 7, заполненных катализатором. Верхние концы 8 реакторных труб 7 герметично, т.е. непроницаемо для газа и жидкости, закреплены в верхней трубной решетке 9. Нижние концы 10 реакторных труб 7 герметично закреплены в нижней трубной решетке 11. При этом реакторные трубы 7 проходят насквозь через соответствующие трубные решетки 9, 11, предпочтительно до их стороны 12, 13, обращенной от реакторных труб 7. Концы 8, 10 реакторных труб 7 являются открытыми и на своих торцевых сторонах, или наружных сторонах, 14 приварены к трубным решеткам 9, 11.
Реакторные трубы 7 имеют как правило наружный диаметр в диапазоне от 15 до 60 мм и толщины стенок от 1 до 3 мм. Применяемые в рамках этого изобретения реакторные трубы имеют предпочтительные длины в диапазоне от 6 до 15 м. На чертежах длины и диаметры показаны не в масштабе.
Пучок 6 труб окружен цилиндрическим корпусом 15 реактора, который герметично соединен с трубными решетками 9, 11. Центральная ось обозначена позицией 16. Корпус 15 и трубные решетки 9, 11 совместно образуют таким образом емкость 17 под давлением. Нижняя трубная решетка 11 опирается своим окружным краем 18 на поддерживающее устройство 19, на фиг.1а и 1b - опорное кольцо 19а, которое закреплено на внутренней стенке 20 корпуса 15. Верхняя трубная решетка 9 поддерживается исключительно реакторными трубами 7 и расположена таким образом с возможностью осевого перемещения.
Корпус 15 имеет проходящие в радиальном направлении подводящие патрубки 21 и отводящие патрубки 22 для жидкого теплоносителя 23. Теплоноситель 23 вводится под избыточным давлением в образованную корпусом 15 и трубными решетками 9, 11 емкость 17 под давлением, обтекает там реакторные трубы 7 и может при этом частично испаряться. Через отводящие патрубки 22 теплоноситель 23 отводится.
Каждая трубная решетка 9, 11 перекрыта крышкой 24, 25 реактора, которые сообщаются с реакторными трубами 7 через их открытые концы 8, 10. При этом одна из крышек 24, 25, в показанном примере, - нижняя крышка 25, образует впускную крышку для газа, а другая крышка 24 - выпускную крышку для газа. Крышки 24, 25 имеют в показанном варианте выполнения центральные впускные или же выпускные патрубки 27, 26 для реакционного газа 28. Кроме того, они имеют соответственно расположенный не по центру, выполненный с возможностью повторного закрытия входной патрубок 29, ширина отверстия которого соответствует ширине люка.
В показанном варианте выполнения выполнены три узла 2, 3, 4, которые предварительно изготовлены в заводских условиях и на строительной площадке, т.е. на окончательном месте установки кожухотрубного реактора 5, могут быть собраны с образованием полного кожухотрубного реактора 5, готового к эксплуатации.
Существенным при разделении на узлы является то, что реакторные трубы 7 с закрепленными на них трубными решетками 9, 11 и, возможно, следующими закрепленными на них элементами, например удерживающими дисками, всегда образуют узлы, отделенные от корпуса 15 и крышек 24, 25 реактора.
К узлам относится узел 2 корпуса и крышки. Он содержит корпус 15 и закрепленную на нем нижнюю крышку 25. В нижней крышке 25 расположены газораспределительные устройства, известные в технике. На нижней крышке 25 также уже закреплены впускной патрубок 27 для газа и входной патрубок 29. Далее, на наружной стороне крышки 25 закреплены опорные устройства 30, которые могут быть присоединены к несущей конструкции и поддерживать весь кожухотрубный реактор 5.
Корпус 15 уже имеет подводящие и отводящие патрубки 21, 22 для теплоносителя 23. Далее, на внутренней стенке 20 корпуса 15, вблизи нижней крышки 25 закреплено окружное опорное кольцо 19а, на которое может опираться нижняя трубная решетка 11, а на опорном кольце 19а закреплены уплотнительные устройства 31, которые выполнены с возможностью герметичного соединения с нижней трубной решеткой 11. Эти уплотнительные устройства 31 выполнены в виде гибкой в радиальном направлении планки 32 и будут подробнее описаны в связи с фиг.3с.
К комплекту узлов относится далее узел 3 пучка труб. Он содержит пучок 6 труб с обеими закрепленными на нем трубными решетками 9, 11. Нижняя трубная решетка 11 имеет на своем окружном крае 18 заплечик 33, которым она может опираться на опорное кольцо 19а узла 2. На обращенной от пучка 6 верхней стороне 12 верхней трубной решетки 9 в качестве уплотнительных устройств 31 герметично закреплены дугообразные щитки 34, при помощи которых верхняя трубная решетка 9 может в свою очередь герметично быть соединена с внутренней стенкой 20 корпуса 15.
Уплотнительные устройства 31 выполнены с возможностью упругого деформирования в радиальном направлении, так что они могут следовать за различными тепловыми расширениями трубных решеток 9, 11 и корпуса 15.
В качестве третьего узла к представленному комплекту узлов относится узел 4 крышки, который содержит верхнюю крышку 24 реактора. На верхней крышке 24 уже закреплены выпускной патрубок 26 для газа, а также входной патрубок 29.
Далее описывается сборка трех описанных выше узлов 2, 3, 4 с образованием кожухотрубного реактора 5 в сборе.
Вначале узел 2 выравнивают вертикально, при этом нижняя крышка 25 образует нижний конец. Затем в верхний открытый конец корпуса 15 вставляется узел 3, при этом нижняя трубная решетка 11 образует нижний конец узла 3. Узел 3 вводят в узел 2 до прилегания заплечика 33 нижней трубной решетки 11 к его опорному кольцу 19а. Затем при помощи монтажных сварных швов 35 нижние уплотнительные устройства 32 герметично приваривают к обращенной от пучка 6 нижней стороне 13 нижней трубной решетки 11, а при помощи монтажных сварных швов 36 закрепленные на верхней трубной решетке 9 уплотнительные устройства 34 герметично приваривают к внутренней стенке 20 корпуса 15, Наконец, узел 4 устанавливают на верхний край 37 корпуса 15 и также приваривают к нему при помощи монтажного сварного шва 38.
Опорное кольцо 19а воспринимает общую вертикальную нагрузку исключительно через контакт нижней трубной решетки 11 с опорным кольцом 19а, так что для восприятия нагрузки не требуются дополнительные крепежные устройства или мероприятия, в частности сварка по всей толщине трубной решетки, которая потребовала бы ее термической обработки после такой сварки. Описанные выше монтажные сварные швы 35, 36 на уплотнительных устройствах 31, 32, 34 являются лишь уплотнительными швами для образования емкости 17 под давлением между трубными решетками 9, 11 и корпусом 15, и поэтому могут быть выполнены относительно малой толщиной, которая согласно соответствующим предписаниям не требует последующей термической обработки соединяемых конструкционных элементов. Монтажный сварной шов 38 между узлом 4 и узлом 2 может при необходимости беспрепятственно быть подвергнут термической обработке, т.к. верхняя трубная решетка 9 не имеет непосредственного контакта с этим монтажным сварным швом 38.
На фиг.2a-2d показаны следующие варианты выполнения поддерживающих устройств 19 для вертикальной опоры узла 3 через узел 2, т.е. на окружном крае 18 нижней или верхней трубной решетки 11, 9. Все показанные на фиг.2a-2d соответствующие герметичные соединения между трубными решетками 9, 11 и корпусом 15 выполнены исключительно в виде сварных швов и поэтому не являются эластичными.
На фиг.2а показан передающий вертикальные усилия монтажный сварной шов 39 между нижней трубной решеткой 11 и корпусом 15. Для этого на окружном крае 18 трубной решетки 11 выполнен проходящий в радиальном направлении фланец 40, толщина которого уменьшена по сравнению с толщиной трубной решетки 11 настолько, что согласно соответствующим предписаниям, например инструкциям AD, термическая обработка трубной решетки 11 после сварки не требуется. Напротив фланца 40 трубной решетки на внутренней стенке 20 корпуса 15 также выполнен фланец 41, толщина которого соответствует толщине фланца 40. Расположенные друг напротив друга края фланцев 40, 41 образуют открытый вниз стык для выполнения V-образного монтажного сварного шва 39, который может быть выполнен снизу. Этот передающий усилия сварной шов 39 одновременно образует герметичное соединение 31 между трубной решеткой 11 и корпусом 15. Фланцы 40, 41 могут быть выполнены заподлицо с нижней стороной 13 трубной решетки 11 или с ее верхней стороной 42, обращенной к пучку 6 труб. При помощи таких фланцев 40, 41 также может быть приварена к корпусу 15 реактора верхняя трубная решетка 9, а также могут быть приварены к корпусу 15 обе трубные решетки 9, 11 пучка 6 труб.
В варианте выполнения, показанном на фиг.2b, для опоры нижней трубной решетки 11 выполнено опорное кольцо 19b с наклоненной вниз нижней стороной 43. Герметичное соединение 31 между трубной решеткой 11 и корпусом 15 или опорным кольцом 19b, осуществляется здесь при помощи монтажного уплотнительного сварного шва 44 на нижней стороне 13 трубной решетки 11.;
На фиг.2с показан вариант осуществления изобретения, в котором опорное кольцо 19с и окружной край 18 нижней трубной решетки 11 входят друг в друга в форме гребня или крючка и образуют тем самым соединение с геометрическим замыканием не только в вертикальном, но и в радиальном направлении. Герметичное соединение 31, 44 выполнено так же, как на фиг.2b.
Вариант осуществления изобретения, показанный на фиг.2d, в отношении вертикального опирания в основном соответствует варианту осуществления изобретения, показанному на фиг.1b, однако при этом расстояние от нижней стороны 13 нижней трубной решетки 11 до нижней стороны 45 опорного кольца 19d является меньшим. Для восприятия направленных вертикально вверх сил здесь еще расположена планка 46, которая прилегает к нижней стороне 45 опорного кольца 19d и нижней стороне 13 нижней трубной решетки 11 и через которую проходит болт 47, который ввинчен в нижнюю сторону 13 трубной решетки 11 и прижимает планку 46 к опорному кольцу 19d и трубной решетке 11.
На фиг.3a-3d показаны следующие варианты выполнения упруго деформируемых в радиальном направлении уплотнительных устройств между трубными решетками и корпусом реактора или крышкой реактора.
На фиг.3а в увеличенном масштабе показано уплотнительное устройство 34 согласно фиг.1а и 1b между верхней трубной решеткой 9 и корпусом 15 реактора, обозначенное на фиг.1b как элемент IIIa. Уплотнительное устройство 34 выполнено в виде дугообразного щитка, который в заводских условиях приварен к верхней стороне 12 трубной решетки 9, и на строительной площадке после сборки узлов 2, 3, 4 приваривается к корпусу 15 реактора при помощи монтажного сварного шва 36.
На фиг.3b показано кольцевое в поперечном сечении уплотнительное устройство 48, которое при помощи соответственно одного крепежного фланца 49 приваривается к окружному краю 50 верхней трубной решетки 9 и к корпусу 15. При этом решении оба сварных шва 51 могут быть выполнены в виде монтажных сварных швов.
На фиг.3с в увеличенном масштабе показан элемент IIIc согласно фиг.1b в аналогичном выполнении. Поддерживающим устройством 19 является опорное кольцо 19а с наклонной нижней стороной 43 (аналогично фиг.2b), на которое при помощи заплечика 33 на окружном крае 18 опирается нижняя трубная решетка 11. В представленном на фиг.3с варианте радиально внутри опорного кольца 19а выполнена вертикальная планка 32, нижний конец 52 которой жестко на изгиб соединен с опорным кольцом 19а и которая имеет заданную длину, расположена на заданном радиальном расстоянии 53 по отношению к опорному кольцу 19а, и в собранном состоянии узла 3 и узла 2 может быть приварена на своем верхнем конце 54 к нижней стороне 13 нижней трубной решетки 11 при помощи монтажного сварного шва 35. Благодаря своей свободной длине планка 32 может быть упруго изогнута в радиальном направлении.
Показанный на фиг.3d вариант выполнения уплотнительного устройства 31 в основном соответствует варианту, показанному на фиг.3а, однако при этом верхняя трубная решетка 9 опирается заплечиком 55 на окружном крае 50 на опорное кольцо 19е, а уплотнительное устройство 31 выполнено в виде L-образного щитка 56. Длинная полка 56а приварена в заводских условиях к верхней стороне 12 трубной решетки 9 и проходит в вертикальном направлении. Короткая полка 56b после сборки узлов 2, 3, 4 приваривается к корпусу 15 при помощи монтажного сварного шва 57.
Варианты выполнения уплотнительных устройств 31 согласно фиг.3а, 3b и 3d могут также применяться для нижних трубных решеток 11, в зеркально отраженной относительно горизонтальной оси форме выполнения.
Вместо описанных выше трех узлов 2, 3, 4 комплект 1 узлов согласно изобретению может также иметь большее количество узлов. Так например, из корпуса 15 и крышки 24, 25, из пучка 6 с закрепленными на нем трубными решетками 9, 11, а также из второй крышки 25, 24 вместо соответственно одного узла может быть образовано соответственно несколько узлов.
На фиг.4 показан узел 100 пучка труб, который образован путем разделения пучка 6 труб и закрепленных на нем трубных решеток 9, 11 на несколько узлов. Пучок 6 разделен вдоль разделительных плоскостей 101, которые проходят параллельно реакторным трубам 7. В показанном варианте осуществления изобретения разделительные плоскости 101 проходят в радиальном направлении, и все они включают в себя центральную ось 16 пучка 6. Поэтому узлы 100 образованы в форме секторов.
Проходящие в радиальном направлении края 102 трубных решеток 9, 11 образуют разделительные края узла пучка труб или же сектора 100 пучка труб. В представленном варианте осуществления изобретения они образуют угол 45°, так что пучок 6 труб выполнен с возможностью сборки из восьми таких секторов 100.
Расположенные в окружном направлении снаружи реакторные трубы 7 таких узлов 100 имеют в окружном направлении заданное расстояние от соседних разделительных краев 102 секторов 103, 104 трубной решетки. Таким образом в собранном состоянии секторов 100 вдоль разделительных краев 102 секторов 103, 104 трубной решетки образуются не содержащие труб проходы 105, которые создают свободное пространство для герметичного соединения секторов 100 друг с другом.
В представленном варианте осуществления изобретения в каждом секторе 100 между участками, или секторами, 103, 104 трубной решетки поперечно к реакторным трубам 7 проходят четыре удерживающих диска 106, которые также выполнены в форме секторов, и через которые проходят реакторные трубы 7, соединенные с ними. Удерживающие диски 106 предотвращают потерю устойчивости реакторных труб 7.
Из соображений наглядности на фиг.4 показана только одна реакторная труба 7, а пропускные отверстия для теплоносителя 23 на удерживающих дисках 106 не показаны.
Кроме того, в каждом секторе 100 пучка труб соседние удерживающие диски 106 соединены друг с другом, а трубные решетки 103, 104 соединены соответственно с соседним удерживающим диском 106 при помощи вертикальных щитков 107 жестко на сдвиг и изгиб, в частности, в плоскости щитка. Щитки 107 между трубными решетками 103, 104 и соответственно соседними удерживающими дисками 106 перфорированы, чтобы обеспечить возможность прохождения теплоносителя. Вертикальные щитки 107 в представленном варианте осуществления изобретения расположены между находящимися в окружном направлении снаружи реакторными трубами 7 и радиальными краями 102 секторов 103, 104, 106 трубной решетки, или удерживающего диска. Эти щитки 107 рассчитаны также для предотвращения потери устойчивости, например излома и выпучивания, и выполняют фиксацию положения удерживающих дисков 106, которые в свою очередь благодаря соединению с реакторными трубами 7 предотвращают их излом.
Секторные трубные решетки 103, 104 и удерживающие диски 106 имеют вогнутый в радиальном направлении внутрь край 108 в форме дуги окружности. Этот имеющий форму дуги окружности внутренний край 108 секторов 103, 104 трубной решетки предусмотрен для прилегания и закрепления на центральной опоре или на центральном патрубке.
На фиг.4 на секторах 103, 104 трубной решетки не показаны приспособления для опоры на поддерживающие устройства (например, заплечик на окружном крае, как в узле пучка труб согласно фиг.1а), а также уплотнительные устройства. Фиг.4 представляет собой лишь схематический пример выполнения узла 100 в форме сектора.
На фиг.5а и 5b показан вариант выполнения поддерживающего устройства 109 в форме ребер. При этом образовано прямоугольное перекрестие ребер, на которое четыре секторных узла 100 трубной решетки опираются своими нижними секторными трубными решетками, или же участками 104 трубной решетки, при этом угол сектора составляет здесь 90°.
Ребра 109 выполнены в форме перевернутой буквы Т, при этом свободный край 110 перемычки 111 образует опорную поверхность для нижней трубной решетки 104 узла 100. Перекрестие ребер приварено к внутренней стенке 20 корпуса 15.
Кроме того, на внутренней стенке 20 корпуса 15 еще размещено окружное опорное кольцо 112, на которое также опираются нижние трубные решетки 104. Они имеют на своих разделительных краях 102 и на своих окружных краях 18 заплечики 113, 33, которыми они опираются для вертикальной поддержки на ребра 109 и опорное кольцо 112. На своих нижних сторонах 114 нижние трубные решетки 104 приварены к опорному кольцу 112 и к ребрам 109 при помощи монтажных уплотнительных сварных швов 115, 116, которые в данном случае образуют герметичные соединения узлов 100 друг с другом, а также с корпусом 15.
Узлы 100 не имеют элементов, которые проходят через разделительные плоскости 101, т.е. выступают в конструкционное пространство соседнего узла 100. Поэтому отдельные узлы или же секторы 100 пучка труб могут быть вставлены друг за другом сверху в уже смонтированный корпус 15 и уложены на перекрестие 109 ребер.
На фиг.5а видны также образованные не содержащие труб проходы 105, которые в соответствии с перекрестием 109 ребер также проходят в форме креста. При этом расстояние расположенных снаружи в окружном направлении реакторных труб 7 от разделительного края 102 секторов 104 трубной решетки рассчитано таким образом, что реакторные трубы 7, когда узлы 100 уложены на перекрестие 109 ребер, проходят, не задевая перемычек 111.
На фиг.5b показано крестообразное прохождение перемычек 111 и полок 117 перекрестия 109 ребер.
На фиг.6a-6d представлены некоторые варианты выполнения соединения узлов 100 друг с другом и/или с поддерживающим устройством 109 в форме ребер.
На фиг.6а показано опирание нижних секторов 104 трубной решетки на верхнюю полку 118 Т-образного поддерживающего ребра 119. Разделительный край 102 секторов 104 трубной решетки имеет заплечик 113, который опирается на верхнюю сторону 120 полки 118. Заплечики 113 привинчены к полке 118, при этом болт 121 соответственно проходит через полку 118 снизу и ввинчен в глухое отверстие 122 в заплечике 113 сектора 104 трубной решетки. Кроме того, нижняя сторона 114 сектора 104 трубной решетки приварена к боковому краю 123 полки 118 при помощи монтажного сварного шва 124.
На фиг.6b показано аналогичное поддерживающее устройство, однако для верхних секторов 103 трубной решетки. Сектора трубной решетки опираются заплечиками 125 на верхнюю сторону 126 расширенной головки 127 ребра 128. Резьбовой палец 129 проходит сверху через заплечик 125 и ввинчен в глухое отверстие 130 в головке 127 ребра, и герметично приварен к верхней стороне 131 сектора 103 трубной решетки при помощи монтажного сварного шва 132. Разделительные края 102 секторов 103 трубной решетки герметично приварены друг к другу при помощи монтажного сварного шва 133.
В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.6 с, верхние трубные решетки 103 узлов 100 пучка труб снова опираются заплечиком 125 на ребро 134 и герметично соединены друг с другом на своей верхней стороне 131 при помощи U-образной детали 135, которая перекрывает стык между участками 103 трубной решетки и соответственно герметично приварена к их верхней стороне 131 при помощи монтажного сварного шва 136.
Фиг.6d иллюстрирует вариант соединения нижних участков 104 трубной решетки с поддерживающим ребром 137, выполненное аналогично показанному на фиг.2а соединению окружного края 18 нижней трубной решетки 11 с внутренней стенкой 20 корпуса 15. Разделительные края 102 участков 104 трубной решетки имеют полку 138, которая тоньше трубной решетки. Ребро 137 имеет полки 139 соответствующей толщины, которые в собранных узлах расположены напротив полок 138 и могут быть приварены к ним при помощи монтажных сварных швов 140. Монтажные сварные швы 140 образуют здесь вертикальную опору и герметичное соединение. Толщина полок 138, 139 или же монтажных сварных швов 140 рассчитана таким образом, что не требуется необходимая согласно соответствующим предписаниям термическая обработка сваренных друг с другом конструкционных элементов.
В представленном варианте осуществления изобретения показано сварное соединение между нижними участками 104 трубной решетки и ребром 137, при этом полки 138, 139 проходят заподлицо с нижней стороной 114 участков 104 трубной решетки. Равным образом полки 138, 139 могли бы проходить заподлицо с верхней стороной 141 нижних участков 104 трубной решетки, или между этими двумя крайними положениями, причем во всех случаях сварные швы выполнены снизу.
Аналогичное сварное соединение возможно также для силового и герметичного соединения верхних участков 103 трубной решетки с ребром, при этом полки также проходят заподлицо с нижней или верхней стороной участков 103 трубной решетки, или же могут быть произвольным образом расположены между этими положениями. При этом сварочные стыки открыты вверх, так что монтажные сварные швы могут быть выполнены сверху.
На фиг.7 показан вариант выполнения не содержащего ребер соединения участков 104 трубной решетки. При этом разделительные края 102 имеют соединительные фланцы 142, которые выполнены с возможностью привинчивания друг к другу после сборки узлов 100 для образования соединения, жесткого в отношении сил и моментов. При этом соединительные фланцы 142 могут прилегать друг к другу по всей поверхности или только частично. В показанном на фиг.7 варианте осуществления изобретения таким способом соединены друг с другом нижние участки 104 трубной решетки. На своих концах, обращенных от реакторных труб 7, соединительные фланцы 142 подготовлены к сварке, так что в собранном состоянии они могут быть герметично сварены друг с другом при помощи монтажного сварного шва 144.
На своих окружных краях 18 участки 104 трубной решетки опираются заплечиками 33 на опорное кольцо 112 и приварены к нему при помощи монтажного сварного шва 115, аналогично варианту осуществления изобретения, показанному на фиг.5а.
На фиг.8 представлен кожухотрубный реактор 5 для проведения реакций в газовой и/или жидкой фазе, в котором для уменьшения горизонтальных габаритов реактора, т.е. габаритов перпендикулярно к оси 16 реактора, подводящая труба 201 для жидкого теплоносителя 23 проходит насквозь через трубную решетку, в данном случае через нижнюю трубную решетку 11, и таким же образом отводящая труба 202 для теплоносителя 23, который в этом случае может быть смесью жидкости и пара, проходит насквозь через трубную решетку, в данном случае, через верхнюю трубную решетку 9.
Этот кожухотрубный реактор 5, как и реактор, показанный на фиг.1b, имеет пучок 6 вертикальных заполненных катализатором реакторных труб 7, концы 8, 10 которых герметично закреплены в верхней и нижней трубных решетках 9, 11. Пучок 6 окружен корпусом 15, который соединен с трубными решетками 9,11 жестко в отношении сил и моментов, а также герметично, так что корпус 15 вместе с трубными решетками 9, 11 образует емкость 17 под давлением. Подаваемый от подводящей трубы 201 жидкий теплоноситель 23 омывает под давлением реакторные трубы 7, при этом он частично может испаряться. Образующаяся смесь жидкости и пара отводится через отводящую трубу 202 в паровой барабан (сравни фиг.11). Трубные решетки 9, 11 перекрыты соответственно крышками 24, 25 реактора, которые соединены с корпусом 15 и сообщаются с открытыми концами 8, 10 реакторных труб 7.
Пучок 6 имеет центральную, не содержащую труб область 203, в которую входят подводящая труба 201 и отводящая труба 202. Кроме того, от подводящей и отводящей труб 201, 202 проходят в форме звезды не содержащие труб проходы, которые осуществляют равномерное распределение теплоносителя 23 в пучке 6 труб.
Подводящая труба 201 проходит через подводящий патрубок 204 в нижней крышке 25, а отводящая труба 202 - через отводящий патрубок 205 в верхней крышке 24. Патрубки 204, 205 соединены с трубами 201, 202 снаружи реактора 5, соответственно через компенсационные устройства 206, которые компенсируют различные тепловые удлинения трубы 201, 202 и крышки 25, 24.
Кроме того, верхняя крышка 24 имеет впускной патрубок 27 для газа, а нижняя крышка 25 - выпускной патрубок 26 для газа. В верхней крышке 24 расположены газораспределительные устройства, известные в технике.
На фиг.9 показана модификация варианта осуществления изобретения согласно фиг.8, при этом реактор 5, показанный на фиг.9, собран из комплекта 1 узлов согласно изобретению.
В отличие от фиг.8 в реакторе 5, показанном на фиг.9, верхняя трубная решетка 9, 103 не соединена жестко с корпусом 15, а расположена на верхних концах 8 реакторных труб 7 с возможностью осевого перемещения, т.е. верхняя трубная решетка 9, 103 является подвижной по отношению к корпусу 15 и поэтому может следовать за тепловыми удлинениями реакторных труб 7.
Подводящая труба 201 проходит вертикально по центру через нижнюю крышку 25 и приварена к ней в заводских условиях. Снаружи крышки 25 она проходит под прямым углом горизонтально в сторону.
Отводящая труба 202 также проходит вертикально по центру через верхнюю крышку 24 и приварена к ней в заводских условиях. Она имеет в верхней крышке 24 компенсационное устройство 207, чтобы компенсировать изменения длины вследствие температурной нагрузки.
В представленном варианте осуществления изобретения кожухотрубный реактор 5 собран из следующих узлов.
Первый узел 2 содержит нижнюю крышку 25 с закрепленной на ней подводящей трубой 201 для теплоносителя и двумя закрепленными на ней патрубками - впускным патрубком 26 для газа и входным патрубком 29, а также закрепленное на ней опорное устройство 30 для окончательно смонтированного кожухотрубного реактора 5.
Первый узел 2 содержит далее полный корпус 15, который приварен к нижней крышке 25. На внутренней стенке 20 корпуса 15 вблизи нижней крышки 25 образовано окружное опорное кольцо 19а, на которое может опираться наружный край 18 нижних секторов или же участков 104 трубной решетки при помощи заплечика 33. На опорном кольце 19а выполнена вертикальная планка 32 согласно фиг.1а, 1b или 3с. Далее, под опорным кольцом 19а на внутренней стенке 20 этого первого узла 2 закреплено перекрестие 208 из ребер, центр которого приварен к наружной стороне подводящей трубы 201 и верхний край 209 которого образует опорную поверхность для нижней трубной решетки 104 узлов пучка труб. Ребра 208 выполнены в форме перевернутой буквы Т (в соответствии с фиг.5а).
Кроме того, подводящая труба 201 на своем конце, входящем в пучок 6 труб, имеет центральное опорное кольцо 210 с выступающим в радиальном направлении наружу буртиком 211, на который могут опираться заплечиком 213 внутренние края 212 участков 104 трубной решетки. Поперечное сечение на просвет центрального опорного кольца 210 соответствует сечению подводящей трубы 201.
Первый узел 2 содержит, кроме того, еще элемент верхней крышки 24 реактора, который имеет цилиндрическую стенку в виде осевого продолжения корпуса 15.
Со второго по пятый узлы 3a-3d содержат соответственно сектор 100 пучка 6 с углом 90°, с соответствующими закрепленными на нем верхними и нижними секторами 103, 104 трубной решетки.
Нижние секторы 104 трубной решетки имеют на своих наружных окружных краях уже упомянутые заплечики 33 для опоры на размещенное на корпусе 15 реактора опорное кольцо 19а. Секторы 104 трубной решетки имеют вогнутые внутрь в радиальном направлении внутренние края 212 в форме дуги окружности, с уже упомянутыми заплечиками 213 для опоры на центральное опорное кольцо 210.
Таким образом, в показанном на фиг.9 варианте осуществления изобретения подводящая труба 201 образует часть поддерживающего устройства 19 для нижней трубной решетки 104.
На верхней стороне 12 верхних участков 103 трубной решетки вблизи их наружных окружных краев 18 в заводских условиях приварено упругое уплотнительное устройство 34 согласно фиг.3а, которое в установленном состоянии узлов 100 или же 3a-3d пучка труб может быть герметично приварено к корпусу 15 при помощи монтажного сварного шва 36.
Верхние участки, или секторы, 103 трубной решетки имеют на своих внутренних в радиальном направлении краях 215 фланец 216, который выполнен аналогично тому, как показано на фиг.6d, однако проходит заподлицо с верхней стороной 12 участков 103 трубной решетки. Фланец 216 имеет уменьшенную по сравнению с участками 103 трубной решетки толщину, которая согласно соответствующим требованиям не требует после сварки термической обработки сваренных конструкционных элементов. Внутренние края 215 верхних секторов 103 трубной решетки в собранных узлах 3a-3d могут прилегать к отводящей трубе 202 и быть приварены к ее наружной стороне при помощи монтажного сварного шва 217.
Шестой узел 4, который соответствует третьему узлу согласно фиг.1а, содержит выпуклую часть верхней крышки 24 с закрепленной на ней отводящей трубой 202 для теплоносителя и двумя закрепленными на ней патрубками - впускным патрубком 27 для газа и входным патрубком 29.
Сборка узлов 2, 3a-3d, 4 производится следующим образом.
Вначале первый узел 2 выравнивают вертикально, так что нижняя крышка 25 находится внизу, при этом он установлен на опорное устройство 30.
Затем друг за другом в первый узел 2 вставляют четыре узла или же сектора 3а-d пучка труб, таким образом, что нижние участки 104 трубной решетки опираются своими заплечиками 213 на наружное опорное кольцо 19а и центральное опорное кольцо 210, а также на ребра 208. Расположенные на наружном опорном кольце 19а вертикальные планки 32 герметично приваривают к нижней стороне 13 участков 104 трубной решетки при помощи монтажного сварного шва 35. Далее, нижние участки 104 трубной решетки герметично приваривают на их нижних сторонах 13 к центральному опорному кольцу 210 и ребрам 208 при помощи монтажного сварного шва 218. Размещенные на верхней стороне 12 верхних участков 103 трубной решетки уплотнительные устройства 34 герметично приваривают к внутренней стенке 20 корпуса 15, или верхней крышке 24, при помощи монтажного сварного шва 36.
Затем шестой узел 4 устанавливают на верхний край 37 первого узла 2 и приваривают к нему при помощи монтажного сварного шва 38. При необходимости этот монтажный сварной шов 38 подвергают термической обработке. Когда шестой узел 4 установлен на первый узел 2, то расположенные в радиальном направлении внутри фланцы 216 верхних участков 103 трубной решетки герметично приваривают к входящему в пучок 6 концу отводящей трубы 202 на ее наружной стороне при помощи монтажного сварного шва 217.
При необходимости отводящую трубу 202 в верхней крышке 24 разделяют в заводских условиях горизонтально и сваривают на строительной площадке при помощи монтажного сварного шва 219.
Все монтажные сварные швы, включая шов 38 между первым узлом 2 и шестым узлом 4, не требуют термической обработки.
На фиг.10а и 10b показан аналогичный кожухотрубный реактор 5, как на фиг.9, однако содержащий соответственно четыре подводящих и четыре отводящих трубы 201, 202 для теплоносителя 23, которые проходят через нижнюю или же верхнюю трубную решетку 104, 103, а также через нижнюю или же верхнюю крышку 25, 24. В этом варианте осуществления изобретения также выполнены четыре секторных узла 100 или же 3a-3d пучка труб, при этом угол сектора составляет 90°. В каждый сектор 3a-3d пучка труб в нижний сектор 104 трубной решетки входит подводящая труба 201, а в верхний сектор 103 трубной решетки - отводящая труба 202. Каждая подводящая труба 201 образует вертикальную опору для соответствующего сектора 3a-3d пучка труб.
Для образования узлов 3a-3d каждая подводящая и каждая отводящая труба 201, 202 разделены в соответствующей крышке 25, 24 в горизонтальном направлении.
При этом входящий в пучок 6 концевой элемент 220 подводящей трубы 201 приварен в заводских условиях к соответствующему нижнему сектору 104 трубной решетки. Примыкающий элемент 221 трубопровода проходит через нижнюю крышку 25 реактора и приварен к ней в заводских условиях. После установки узлов 3a-3d пучка труб в узел 2 корпуса и крышки концевые элементы 220 приваривают к соответственно примыкающим элементам 221 трубопровода при помощи монтажного сварного шва 222.
Ребра 223 жесткости проходят между наружными сторонами концевых элементов 220 и нижними сторонами 13 секторов 104 трубной решетки, и приварены к ним в заводских условиях.
Точно так же входящие в пучок 6 концевые элементы 224 отводящих труб 202 приварены в заводских условиях к соответствующему верхнему сектору 103 трубной решетки. Примыкающий элемент 225 трубопровода проходит через верхнюю крышку 24 и приварен к ней в заводских условиях. Концевые элементы 224 уже содержат компенсационные устройства 226. После установки узла 4 крышки на узел 2 корпуса и крышки концевые элементы 224 приваривают к соответственно примыкающим элементам 225 трубопровода при помощи монтажного сварного шва 227.
Уплотнительные устройства 228 между корпусом 15 реактора и нижней или же верхней трубной решеткой 104, 103 соответствуют прямоугольному варианту осуществления изобретения, проиллюстрированному на фиг.3а. Они приварены в заводских условиях к нижней стороне 13 нижней трубной решетки 104 или же к верхней стороне 12 верхней трубной решетки 103, и указанные устройства герметично приваривают на строительной площадке к корпусу 15 при помощи монтажных сварных швов 229.
Нижние и верхние секторы 104, 103 трубной решетки имеют на своих внутренних в радиальном направлении краях 330 фланцы 231, которые тоньше трубных решеток 104, 103 и на которых секторы 104, 103 трубной решетки сварены друг с другом при помощи монтажного сварного шва 232. Фланцы 231 проходят в нижних секторах 104 трубной решетки заподлицо с нижней стороной 13, а в верхних секторах 103 трубной решетки - заподлицо с их верхней стороной 12.
Подвод реакционного газа 28 осуществляется при помощи центрального впускного патрубка 27 для газа в нижнюю крышку 25, а отвод при помощи центрального выпускного патрубка 26 для газа из верхней крышки 24. Верхняя крышка 24 имеет входной патрубок 29, так же как и нижняя крышка 25.
Как видно из фиг.10b, вдоль разделительных краев 102 секторов 100 или же 3a-3d пучка труб проходят не содержащие труб проходы 105. Дополнительно в каждом секторе 3a-3d пучка труб выполнены четыре следующих не содержащих труб прохода 233, которые проходят в форме звезды от соответствующей подводящей или же отводящей трубы 201, 202 сектора 3a-3d пучка труб.
Кожухотрубный реактор 5, представленный на фиг.11, как и кожухотрубный реактор, представленный на фиг.10а, также имеет четыре отводящие трубы 202, которые входят в верхнюю трубную решетку 9 и выходят из верхней крышки 24. Теплоноситель 23 омывает реакторные трубы 7 и испаряется по меньшей мере частично. Образующаяся смесь жидкости и пара поднимается через отводящие трубы 202 вверх.
Отводящие трубы 202 входят в паровой барабан 234, расположенный над верхней крышкой 24, и одновременно образуют поддерживающее его устройство. От парового барабана 234 сливная труба 235 проходит вертикально по центру насквозь через верхнюю крышку 24 и верхнюю трубную решетку 9, оканчиваясь немного выше нижней трубной решетки 11. Через эту сливную трубу 235 жидкий теплоноситель 23 течет из парового барабана 234 обратно в емкость под давлением, или же полость 17 для теплоносителя, между трубными решетками 9, 11.
В представленном варианте осуществления изобретения трубные решетки 9, 11 закреплены по всей своей толщине на корпусе 15 реактора. Это означает, что представленный кожухотрубный реактор 5 собран не из узлов согласно изобретению, а полностью изготовлен на заводе. Однако безусловно возможно изготавливать такие кожухотрубные реакторы 5 в виде комплекта узлов согласно изобретению, таким же способом, как показано на фиг.9, причем в варианте осуществления изобретения согласно фиг.11 проходящая через нижнюю крышку реактора подводящая труба исключена и заменена сливной трубой 235.
Нижняя и верхняя крышки 25, 24 также имеют соответственно впускной или же выпускной патрубок 27, 26 для газа, а также входной патрубок 29.
На фиг.12а и 12b, а также 13а и 13b показаны соответственно системы 300 нескольких кожухотрубных реакторов 5. Каждый из этих кожухотрубных реакторов 5 является полным, пригодным к самостоятельной эксплуатации кожухотрубным реактором 5 с пучком вертикальных реакторных труб, наполненных катализатором. Концы реакторных труб герметично закреплены в верхней и нижней трубных решетках 9, 11. Корпус 15 окружает пучок труб и герметично соединен с трубными решетками 9, 11, так что корпус 15 вместе с трубными решетками 9, 11 образует емкость под давлением. Жидкий и по меньшей мере частично испаряющийся теплоноситель 23 омывает реакторные трубы под давлением. Трубные решетки 9, 11 перекрыты соответственно крышкой 24, 25, которые соединены с корпусом 15 и сообщаются с реакторными трубами. Одна из крышек реактора образует впускную крышку для газа, в представленном варианте осуществления изобретения - верхняя крышка 24, а другая, в данном случае нижняя крышка 25, образует выпускную крышку для газа.
Каждый кожухотрубный реактор 5 образует в отношении габаритов и веса модуль или же узел системы 300, который пригоден для транспортировки.
При сборке с образованием системы 300 согласно изобретению впускные и выпускные крышки 24, 25 для газа соседних кожухотрубных реакторов 5 соответственно соединены друг с другом через короткие трубопроводы 301. Одна или некоторые из впускных или же выпускных крышек 24, 25 для газа соединена или соединены с подводящими или же отводящими газ трубами (не показаны), которые ведут снаружи в систему 300 или же из нее.
Над системой 300 расположен паровой барабан 302, который сообщается с каждой приходящей от кожухотрубных реакторов 5 отводящей трубой 303, 305 для смеси 23 жидкости и пара, а также с каждой ведущей к кожухотрубным реакторам подводящей трубой 304, 312 для жидкого теплоносителя 23.
На фиг.12а и 12b показана система 300 из шести кожухотрубных реакторов 5, которые установлены по три в двух параллельных друг другу рядах. Впускные и выпускные крышки 24, 25 для газа обоих средних кожухотрубных реакторов 5а этих двух рядов имеют в области своих вершин подводящие и отводящие патрубки 27, 26, которые выполнены с возможностью присоединения к внешним, т.е. приходящим снаружи или же ведущим наружу трубам для подвода или же отвода газа. Впускные и выпускные крышки 24, 25 для газа соответственно внешних кожухотрубных реакторов 5b указанных рядов соединены с впускными или же выпускными крышками 24, 25 для газа средних кожухотрубных реакторов 5а своего ряда через короткие трубопроводы 301, так что подводимый газ 28 может протекать от средней впускной крышки 24 для газа к обеим внешним впускным крышкам 24 для газа, а прореагировавший газ 28 может протекать от обеих внешних выпускных крышек 25 для газа к средней выпускной крышке 25 для газа.
Понятие «короткий трубопровод» означает, что трубопровод 301 проходит между крышками 24, 25 непосредственно и по возможности без обходов, т.е. по кратчайшему пути.
В каждом указанном ряду, т.е. в каждом ряду кожухотрубных реакторов 5, крышки 24, 25 которых соединены друг с другом короткими трубопроводами 301, одна впускная и одна выпускная крышка 24, 25 для газа имеют входной патрубок 29, через который персонал может проникать в крышку 24, 25.
Размер поперечного сечения коротких трубопроводов 301 между крышками 24, 25 соответствует по меньшей мере размеру люка, так что через эти короткие трубопроводы 301 персонал может проникать также и в другие крышки 24, 25 этого ряда. Благодаря этому обеспечивается возможность работ по обслуживанию и ремонту без необходимости удаления крышек 24, 25 или без необходимости наличия у каждой крышки 24, 25 собственного входного патрубка.
Равным образом наполненные жидким испаряющимся теплоносителем 23 емкости под давлением кожухотрубных реакторов 5 соединены друг с другом трубопроводами 305, 312. Для этого каждый кожухотрубный реактор 5 имеет верхний кольцевой канал 307 для отвода смеси жидкости и пара и нижний кольцевой канал 308 для подвода жидкого теплоносителя 23. Кольцевые каналы 307, 308 размещены на наружной стороне корпуса 15 и сообщаются при помощи равномерно распределенных по периметру отверстий с емкостями под давлением внутри корпуса 15 реактора.
Расположенные соответственно друг напротив друга верхние кольцевые каналы 307 обоих указанных рядов сообщаются друг с другом при помощи отводящих труб 305 для теплоносителя. В Каждую из этих трех отводящих труб 305 для теплоносителя входит подъемный трубопровод 303, верхний конец которого входит в паровой барабан 302, и через который образующаяся смесь жидкости и пара течет соответственно из обоих присоединенных кожухотрубных реакторов 5 в паровой барабан 302.
Подъемные трубопроводы 303 одновременно образуют вертикальные опоры для парового барабана 302.
В паровом барабане 302 происходит отделение жидкости от пара. На своей верхней стороне паровой барабан 302 имеет отвод 309 для пара 310. В паровой барабан 302 горизонтально входит подвод 310 для жидкого теплоносителя 23, который может одновременно образовывать горизонтальную опору парового барабана 302.
Нижние кольцевые каналы 308 обоих внешних кожухотрубных реакторов 5b сообщаются через подводящие трубы 312 для теплоносителя с нижним кольцевым каналом 308 среднего кожухотрубного реактора 5а своего ряда. В каждую из этих четырех подводящих труб 312 для теплоносителя входит сливной трубопровод 304, верхний конец которого входит в паровой барабан 302, и через который жидкий теплоноситель 23 течет из парового барабана 302 обратно в кожухотрубные реакторы 5.
Кожухотрубные реакторы 5 механически соединены друг с другом в один узел при помощи крепежной конструкции 313. При помощи размещенных на узле опорных консолей 314 этот узел может поддерживаться опорной конструкцией 315. В данном случае опорные консоли опираются на горизонтальные балки 315.
В варианте выполнения системы 300 согласно изобретению, представленном на фиг.13а и 13b, по окружности установлено десять кожухотрубных реакторов 5. Выполнение кожухотрубных реакторов 5 в основном соответствует варианту осуществления изобретения согласно фиг.9, однако при этом кожухотрубные реакторы 5 имеют соответственно такие габариты и вес, что они могут транспортироваться и поэтому окончательно смонтированы в заводских условиях.
Впускные крышки 24 для газа, т.е. верхние крышки реактора двух диаметрально противоположных друг другу кожухотрубных реакторов 5 имеют соответственно впускной патрубок 27 для газа, который выполнен с возможностью присоединения к внешней подводящей трубе для газа.
Соседние впускные крышки 24 для газа соответственно соединены друг с другом короткими трубопроводами 301. Некоторые из впускных крышек 24 для газа, в показанном примере их четыре, имеют входной патрубок 29, через который персонал может проникать во впускную крышку 24 для газа. Поперечное сечение коротких трубопроводов 301 также имеет по меньшей мере размер люка, так что персонал, как и в варианте осуществления изобретения согласно фиг.12а и 12b, может проникать через короткие трубопроводы 301 от одной впускной крышки 24 для газа к следующим.
В центре системы 300 на высоте выпускных крышек 25 для газа, т.е. нижних крышек реактора, или же ниже них расположен газосборник 316. Соседние выпускные крышки 25 для газа соединены друг с другом через выпускные трубопроводы 317 для газа. От каждого выпускного трубопровода 317 сборный трубопровод 318 для газа ведет к этому газосборнику 316.
Газосборник 316 выполнен в виде сепаратора и имеет в своей внутренней полости над входами 319 сборных трубопроводов 318 для газа фильтр 320. Жидкие компоненты 321 реакционного газа 322 отделяются и скапливаются в нижней области сепаратора 316, откуда жидкость 321 отводится через выпускной трубопровод 323 для жидкости. Газообразные компоненты 324 протекают через фильтр 320 вверх и отводятся оттуда через выпускной трубопровод 325 для газа.
Поскольку в представленном варианте осуществления изобретения выпускные крышки 25 для газа не соединены друг с другом доступными для прохода трубопроводами, то каждая выпускная крышка 25 для газа снабжена собственным входным патрубком 29, который в качестве примера показан на фиг.13а только на левом кожухотрубном реакторе 5.
Над кожухотрубными реакторами 5 расположен общий кольцевой паровой барабан 302, с которым каждый кожухотрубный реактор 5 соединен соответственно через собственный подъемный трубопровод 303. Подъемный трубопровод 303 проходит через верхнюю трубную решетку 9 и впускную крышку 24 для газа соответствующего реактора 5. Через подъемный трубопровод 303 смесь 23 жидкости и пара поднимается из кожухотрубных реакторов 5 в паровой барабан 302. Здесь подъемные трубопроводы 303 также образуют вертикальную опору парового барабана 302.
Далее, от парового барабана 302 соответственно к двум соседним кожухотрубным реакторам 5 во внутренней области круговой системы 300 ведет сливной трубопровод 304, который на высоте выпускных крышек 25 для газа разделен на два распределительных трубопровода 326 для теплоносителя. Эти оба распределительных трубопровода 326 для теплоносителя ведут к соответствующим соседним кожухотрубным реакторам 5, проходят через выпускную крышку 25 для газа и входят в нижнюю трубную решетку 11 соответствующего кожухотрубного реактора 5, Через эти сливной и распределительные трубопроводы 304, 326 жидкий теплоноситель 23 течет от парового барабана 302 обратно в кожухотрубные реакторы 5.
На верхней стороне парового барабана 302 расположен отвод 309 для пара 310. Кроме того, к паровому барабану 302 через подводящий трубопровод 311 для теплоносителя подведен жидкий теплоноситель 23.
В этой системе 300 все кожухотрубные реакторы 5 также скреплены друг с другом с образованием механического узла и установлены на общей несущей конструкции 315.