Кожухотрубный каталитический реактор для проведения экзотермических процессов
SHELL-AND-TUBE CATALYTIC REACTOR FOR CONDUCTING EXOTHERMIC PROCESSES

Изобретение относится к области технологического оборудования для осуществления газофазных каталитических процессов, которые сопровождаются значительным выделением тепловой энергии, и может быть использовано в химической, нефтехимической, газоперерабатывающей и других отраслях промышленности.
К сложно решаемым проблемам, возникающим при разработке конструкций кожухотрубных каталитических реакторов для проведения экзотермических процессов, специалисты относят те, которые связаны с упрощением и ускорением выполнения операций по перезагрузке катализатора, а также с обеспечением возможности оперативного воздействия на рабочие параметры осуществляемого технологического процесса в случае снижения каталитической активности используемого катализатора. Возможность даже временной компенсации потери активности катализатора позволяет продолжать эксплуатацию реактора без его немедленной перезагрузки. Однако в случае существенного снижения активности катализатора возникает необходимость прекращения работы реактора и полной замены отработанного катализатора. Операции, которые связаны с перезагрузкой катализатора, отличаются сложностью, трудоемкостью и продолжительностью. Поэтому упрощение и ускорение выполнения этих операций является актуальной проблемой, практическое решение которой позволяет улучшить технические и экономические показатели работы реактора.
Известен кожухотрубный реактор для проведения экзо- и эндотермических реакций [1], содержащий корпус с технологическими патрубками входа и выхода реакционной массы и теплоносителя, трубные решетки, пучок реакционных труб, заполненных катализатором, и распределительные устройства, выполненные в виде трубок с щелевыми прорезями и подвижными регулируемыми крышками, расположенными под щелевыми прорезями. Эти распределительные устройства установлены внутри каждой реакционной трубы со стороны ее нижнего торца.
Недостатки известного кожухотрубного реактора заключаются в сложности регулирования рабочей температуры по высоте слоя катализатора. Это особенно опасно при проведении процессов, для которых характерен локальный разогрев или охлаждение участков слоя катализатора. Кроме того, отсутствие возможности регулирования теплопереноса между теплоносителем и реакционной массой в процессе изменения каталитических свойств катализатора снижает степень конверсии во времени и ухудшает качество продуктов реакции.
Известен теплообменный реактор [2], который включает цилиндрический корпус с днищем и крышкой, к которым присоединены соответственно входной и выходной отводы для подачи и отвода теплоносителя, и с расположенной внутри корпуса горизонтальной перегородкой, выполненной со складками, необходимыми для компенсации возникающих температурных напряжений. В горизонтальной перегородке и в крышке выполнены вертикальные сквозные каналы, в которых закреплены патрубки с заглушенными нижними концами. Верхние концы данных патрубков размещены над крышкой и снабжены присоединительными фланцами. В верхней (под крышкой) и в нижней (над днищем) частях каждого патрубка выполнены сквозные радиальные каналы. В каждом из патрубков концентрично установлены наружная и внутренняя трубы, у которых верхние концы размещены выше присоединительного фланца. Нижний конец наружной трубы выполнен заглушенным, а кольцевое пространство между наружной и внутренней трубами заполнено катализатором. Наружная труба посредством ответного фланца на ее верхнем конце жестко закреплена на присоединительном фланце. Теплоноситель подается внутрь корпуса по входному отводу, а затем через радиальные каналы поступает в нижние части патрубков, где контактирует с боковыми поверхностями наружных труб. Далее теплоноситель по радиальным каналам, выполненным в верхней части патрубков, попадает в верхнюю часть корпуса и выводится из него через выходной отвод. Сырьевой газ подается в кольцевые пространства между наружными и внутренними трубами, в которых он вынужден проходить через слой катализатора. Полученные продукты реакции поступают во внутренние трубы и по ним выводятся из реактора. В случае необходимости перезагрузки катализатора фланцы наружных труб отсоединяют от фланцев патрубков, после чего наружные и внутренние трубы извлекают из реактора.
Основной недостаток известного теплообменного реактора заключаются в его конструктивных особенностях, которые усложняют возможность оперативного изменения рабочей температуры катализатора, в частности, из-за выполнения реакционных труб в виде двух концентрично установленных труб с размещением катализатора в межтрубном кольцевом пространстве. Кроме того, горизонтальная перегородка со складками, размещенная внутри корпуса, затрудняет возможность монтажа и демонтажа патрубков и реакционных труб в процессе обслуживания теплообменного реактора.
Известен реактор для проведения каталитических экзо- и эндотермических реакций [3], включающий корпус, внутри которого в вертикальном положении размещены одна или несколько реакторных панелей, присоединенных к сырьевой и продуктовой линиям, а также вводной и выводной трубопроводы для подачи и отвода теплоносителя из внутренней полости корпуса. Каждая реакторная панель состоит из ряда параллельно расположенных реакционных труб, во внутренних каналах которых закреплены опорные сетки и размещен катализатор. Верхние и нижние концы реакционных труб присоединены к сырьевому и продуктовому коллекторам, которые гидравлически связаны соответственно с сырьевой и продуктовой линиями посредством разъемных соединений. Реакторные панели подвешены внутри корпуса при помощи закрепленных на его боковых стенках балок, на которые реакторные панели опираются верхними концами. В случае значительного снижения каталитической активности катализатора реакторные панели подлежат демонтажу с последующей заменой.
Недостаток известного технического решения заключается в ограниченной возможности регулирования температурного режима в процессе теплообмена между реакционными трубами и теплоносителем с целью создания оптимальных условий работы используемого катализатора. Восстановление отработанных и демонтированных реакторных панелей, требующее их разборки для перезагрузки катализатора в реакционных трубах, конструктивно не предусмотрено.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по совокупности существенных признаков следует считать кожухотрубный реактор с жидкостным охлаждением под давлением [4], который может быть предложен в качестве прототипа. Известный кожухотрубный реактор с жидкостным охлаждением под давлением включает цилиндрический корпус с установленными на нем верхней и нижней полусферами, к первой из которых присоединена сырьевая, а ко второй - продуктовая линии. В корпусе размещены верхняя и нижняя трубные решетки, в сквозных осевых каналах которых закреплены концы вертикально расположенных реакционных труб, заполненных катализатором. Внутренняя полость, которая образована верхними полусферой и трубной решеткой, является сырьевым коллектором, а внутренняя полость, которая образована нижними полусферой и трубной решеткой, - продуктовым коллектором. При этом упомянутые коллекторы гидравлически связаны между собой посредством реакционных труб. Внутренняя полость корпуса, расположенная между трубными решетками, заполнена жидким и, по меньшей мере, частично испаряющимся теплоносителем, находящимся под избыточным давлением. Паровой барабан выполнен с крышкой и днищем, которое размещено над верхней полусферой. Внутренние полости корпуса и парового барабана гидравлически связаны с помощью подводящего и отводящего трубопроводов. Нижний конец отводящего трубопровода присоединен к верхней решетке, а верхний расположен во внутренней полости парового барабана, между его днищем и крышкой. Верхний конец подводящего трубопровода присоединен к днищу парового барабана, а нижний расположен во внутренней полости корпуса между трубными решетками. При взаимодействии с наружной поверхностью реакционных труб жидкий теплоноситель имеет возможность частичного испарения (т.е. может изменять свое фазовое состояние), за счет чего обеспечивается эффективный съем избыточного тепла. Образующаяся при этом парожидкостная смесь по отводящему трубопроводу поступает во внутреннюю полость парового барабана. После охлаждения и конденсации теплоноситель по подводящему трубопроводу вновь перетекает из парового барабана обратно во внутреннюю полость корпуса. Возможность указанной естественной циркуляции теплоносителя обеспечивается за счет разности его плотностей.
Недостатки известного кожухотрубного реактора с жидкостным охлаждением под давлением заключаются в сложности и продолжительности выполнения операций, связанных с перезагрузкой катализатора, а также в ограниченности возможности воздействия на рабочие параметры технологического процесса в случае снижения каталитической активности катализатора.
Задачей изобретения является получение технического результата, который выражается в возможности оперативного воздействия на рабочие параметры процесса, осуществляемого в кожухотрубном каталитическом реакторе, в случае снижения активности катализатора при одновременном упрощении и ускорении выполнения операций, связанных с перезагрузкой катализатора.
Задача решается и технический результат достигается за счет того, что кожухотрубный каталитический реактор для проведения экзотермических процессов, включающий корпус с верхним и нижним основаниями в виде трубных решеток с выполненными в них соосными сквозными каналами, вертикально установленные внутри корпуса и заполненные катализатором реакционные трубы, концы которых закреплены в соосных сквозных каналах верхнего и нижнего оснований, сырьевой и продуктовый коллекторы, гидравлически связанные соответственно с верхними и нижними концами реакционных труб, размещенный выше верхнего основания паровой барабан с днищем и крышкой, у которого внутренняя полость гидравлически связана с внутренней полостью корпуса, образованной его боковой стенкой, верхним и нижним основаниями, посредством отводящего и подводящего трубопроводов, у первого из которых нижний конец присоединен к верхнему основанию, а верхний конец размещен во внутренней полости парового барабана, у второго из которых - нижний конец расположен во внутренней полости корпуса, а верхний конец присоединен к днищу парового барабана, снабжен патрубками, обратным клапаном, разъемными соединениями, поршневым нагнетателем и линией закачки с запорным органом, причем сырьевой и продуктовый коллекторы выполнены в виде распределительных гребенок, оборудованных разъемными соединениями, а поршневой нагнетатель - в виде гидроцилиндра, во внутренней полости которого установлены поршень и нажимной шток, имеющие возможность осевого возвратно-поступательного перемещения, при этом на верхних и нижних концах реакционных труб установлены разъемные соединения, обеспечивающие возможность присоединения реакционных труб к сырьевому и продуктовому коллекторам, причем в верхней части каждой реакционной трубы снаружи выполнен кольцевой выступ, наружный диаметр которого больше внутреннего диаметра патрубка, а наружный диаметр разъемного соединения, размещенного на нижнем конце реакционной трубы, меньше ее наружного диаметра, при этом патрубки вертикально установлены во внутренней полости корпуса между верхним и нижним основаниями, а концы патрубков герметично закреплены в соосных сквозных каналах указанных оснований, причем в каждом патрубке концентрично размещена реакционная труба, которая может взаимодействовать своей наружной боковой поверхностью с внутренней боковой поверхностью этого патрубка, при этом линия закачки с запорным органом присоединена к крышке парового барабана, а внутренние полости корпуса и поршневого нагнетателя гидравлически связаны между собой, причем в состав отводящего трубопровода включен обратный клапан. В частном случае, толщина стенки патрубка выполнена переменной по его высоте, причем толщина стенки на концах патрубка, в местах его присоединения к верхнему и нижнему основаниям, имеет максимальную величину, а остальная часть патрубка выполнена с уменьшенной толщиной стенки, которая должна обеспечивать необходимые прочностные свойства и возможность ее упругой деформации под воздействием избыточного давления и высокой температуры в процессе работы реактора, при этом на концах патрубка, имеющих максимальную толщину стенки, выполнены поперечные кольцевые гофры, а на стенке патрубка с уменьшенной толщиной - две продольные гофры, которые своими выпуклыми сторонами обращены наружу, причем продольные гофры расположены напротив друг друга относительно оси патрубка.
Конструкция кожухотрубного каталитического реактора для проведения экзотермических процессов поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан общий вид реактора (продольный разрез); на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1.
Кожухотрубный каталитический реактор для проведения экзотермических процессов состоит из корпуса 1 с верхним 2 и нижним 3 основаниями, в которых выполнены соосные сквозные каналы. Указанные каналы равномерно размещены по площади оснований 2 и 3, при этом они могут быть расположены в виде, к примеру, концентрических окружностей, прямых линий, зигзагов и т.д. В данных каналах в вертикальном положении размещены патрубки 4, концы которых закреплены в верхнем 2 и нижнем 3 основаниях.
Предпочтительным следует считать вариант, при котором в цилиндрическом корпусе 1 компактно установлены семь патрубков 4: один - в центре, а остальные шесть - равномерно размещены вокруг него по концентрической окружности.
Возможность циркуляции теплоносителя во внутренней полости корпуса 1 обеспечивается с помощью отводящего 5 и подводящего 6 трубопроводов.
В каждом патрубке 4 концентрично установлена реакционная труба 7, во внутреннем канале которой размещен катализатор. При этом реакционная труба 7 имеет возможность взаимодействия своей наружной боковой поверхностью с внутренней боковой поверхностью патрубка 4. С целью улучшения условий теплопередачи между реакционной трубой 7 и патрубком 4, их конструктивные размеры следует выбирать с учетом необходимости создания надежного и по возможности наибольшего по площади контакта между взаимодействующими поверхностями.
В частном случае толщина стенки патрубка 4 может быть выполнена переменной по его высоте. Небольшие участки на верхнем и нижнем концах патрубка 4 (высота каждого из которых не должна превышать ориентировочно полуторакратной величины наружного диаметра патрубка 4), расположенные возле мест присоединения последнего соответственно к верхнему 2 и нижнему 3 основаниям, должны иметь максимальную толщину стенки. Находящаяся между упомянутыми участками средняя часть патрубка 4 должна иметь утонченную толщину стенки, при этом изменение толщины стенки на переходных участках должно носить плавный характер. За счет уменьшения толщины стенки патрубка 4 в его средней части достигается возможность ее упругой деформации под воздействием избыточного давления и высокой температуры, которые имеют место в процессе работы каталитического реактора. Кроме того, возможность упругой деформации утонченной стенки патрубка 4 способствует минимизации диаметрального зазора между внутренней боковой поверхностью патрубка 4 и наружной боковой поверхностью реакционной трубы 7, в результате чего в значительной степени оптимизируется процесс теплообмена.
Помимо этого, на стенке патрубка 4 выполнены поперечные кольцевые 8 и продольные 9 гофры. Они предназначены для компенсации напряжений, которые возникают в процессе линейного и диаметрального расширения стенки патрубка 4. Поперечные кольцевые гофры 8 (которые имеют, к примеру, вид чередующихся наружных и внутренних кольцевых проточек) размещаются на верхнем и нижнем концах патрубка 4, имеющих максимальную толщину стенки. Две, как минимум, продольные гофры 9 располагаются в средней части патрубка 4, т.е. на участке с минимальной толщиной стенки. Две продольные гофры 9 должны располагаться напротив друг друга относительно оси патрубка 4 и таким образом, чтобы они своими выпуклыми сторонами были обращены наружу. В случае же выполнения большего количества продольных гофр 9 их следует размещать равномерно по окружности. Однако увеличение количества продольных гофр 9 в значительной степени усложняет и удорожает процесс изготовления патрубка 4.
Участок патрубка 4 с утонченной стенкой должен иметь высоту, достаточную для надежного перекрытия с обеих сторон (с запасом ориентировочно 10-15%) наиболее нагревающегося в процессе работы реактора участка реакционной трубы 7, который соответствует интервалу размещения в ней катализатора.
В верхней части каждой реакционной трубы 7, на ее наружной поверхности, выполнен кольцевой выступ 10, наружный диаметр которого должен превышать внутренний диаметр патрубка 4. При размещении реакционной трубы 7 в патрубке 4 кольцевой выступ 10 упирается в верхнее основание 2, ограничивая тем самым возможность дальнейшего осевого перемещения реакционной трубы 7.
На обоих концах каждой реакционной трубы 7 устанавливаются разъемные соединения 11 (к примеру, проходные фланцы, шарнирные хомуты и др.). Наружный диаметр разъемного соединения 11, размещенного на нижнем конце реакционной трубы 7, должен быть меньше, чем ее наружный диаметр. Этим обеспечивается возможность беспрепятственной установки реакционной трубы 7 в патрубок 4 или ее демонтажа. Высоту реакционной трубы 7 следует выбирать такой, чтобы, после ее размещения внутри патрубка 4, разъемное соединение 11, установленное на нижнем конце реакционной трубы 7, полностью выступало из корпуса 1 наружу.
Сырьевой 12 и продуктовый 13 коллекторы, размещенные за пределами корпуса 1 и гидравлически связанные с соответствующими концами реакционных труб 7, выполнены в виде распределительных гребенок, которые оборудованы ответными разъемными соединениями 11. Сырьевой коллектор 12 позволяет равномерно распределить поступающий поток сырьевого (т.е. реакционного) газа по реакционным трубам 7, а для сбора и отведения продуктов реакции из реакционных труб 7 предназначен продуктовый коллектор 13. В зависимости от выбранного варианта размещения патрубков 4 по площади оснований 2 и 3 сырьевой 12 и продуктовый 13 коллекторы могут иметь различную форму (к примеру, кольцевую, линейную, зигзагообразную и т.д.).
Паровой барабан 14 имеет крышку 15 и днище 16, которое размещено выше верхнего основания 2. Внутренние полости корпуса 1 и парового барабана 14 гидравлически связаны посредством трубопроводов: отводящего 5 и подводящего 6. Нижний конец отводящего трубопровода 5 присоединен к верхнему основанию 2, а верхний конец размещен во внутренней полости парового барабана 14, между его крышкой 15 и днищем 16. Нижний конец подводящего трубопровода 6 размещен во внутренней полости корпуса 1 между верхним 2 и нижним 3 основаниями, а верхний конец присоединен к днищу 16. В составе отводящего трубопровода 5 установлен обратный клапан 17. К крышке 15 присоединены предохранительный клапан 18 и линия закачки 19 с запорным органом 20.
Во внутренней полости поршневого нагнетателя 21 с возможностью осевого возвратно-поступательного перемещения установлены поршень 22 и связанный с ним нажимной шток 23. Внутренние полости корпуса 1 и поршневого нагнетателя 21 гидравлически связаны между собой.
Для охлаждения патрубков 4 с размещенными в них реакционными трубами 7 во внутренней полости корпуса 1 циркулирует жидкий теплоноситель. При этом внутренние полости корпуса 1 и поршневого нагнетателя 21 заполнены жидким теплоносителем полностью, внутренняя полость парового барабана 14 - частично.
Контроль величины избыточного давления пара в паровом барабане 14 осуществляется по показаниям манометра 24. С помощью термометров 25, 26 и 27 контролируются соответственно температуры поступающего сырьевого газа, выходящих продуктов реакции и теплоносителя внутри корпуса 1.
Кожухотрубный каталитический реактор для проведения экзотермических процессов работает следующим образом. Типичным примером экзотермического процесса может являться конверсия синтез-газа в жидкие углеводороды, которая осуществляется с выделением значительного количества тепла.
Известно, что температура кипения жидкого теплоносителя, находящегося внутри замкнутой объема, определяется величиной созданного в нем избыточного давления. При этом в замкнутом объеме устанавливается тепловое равновесие при температуре, равной температуре кипения теплоносителя при созданном избыточном давлении.
Необходимая величина избыточного давления во внутренних полостях корпуса 1, парового барабана 14 и поршневого нагнетателя 21 в момент запуска реактора в работу может быть создана путем принудительной закачки азота в паровой барабан 14. В дальнейшем закачанный объем азота будет смешиваться с паром, образующимся при испарении теплоносителя во внутренней полости корпуса 1 и поступающим в паровой барабан 14 по отводящему трубопроводу 5.
Перед началом запуска реактора в работу внутренние полости корпуса 1 и поршневого нагнетателя 21 полностью заполняются жидким теплоносителем, а внутренняя полость парового барабана 14 - частично. После этого в соответствии с рекомендованной рабочей температурой катализатора уточняется величина избыточного давления, которое должна поддерживаться во внутренних полостях корпуса 1 и парового барабана 14 в процессе работы реактора.
При открытом запорном органе 20 через линию закачки 19 в паровой барабан 14 нагнетается инертный газ (в практических условиях чаще всего азот). Закачка азота прекращается при достижении расчетной величины избыточного давления во внутренней полости парового барабана 14, запорный орган 20 перекрывается. Через сырьевой коллектор 12, реакционные трубы 7 и продуктовый коллектор 13 организуется циркуляция горячего азота, что обеспечивает предварительный разогрев катализатора и жидкого теплоносителя.
Затем в сырьевой коллектор 12 вместо азота подается подогретый синтез-газ (сырьевой газ). За счет экзотермических реакций, которые протекают в процессе конверсии синтез-газа в жидкие углеводороды, катализатор в реакционных трубах 7 дополнительно разогревается. Для этого процесса характерно неравномерное распределение температурного поля по высоте слоя катализатора в реакционных трубах 7, которое сопровождается локальным разогревом его отдельных участков. При этом неизбежно возникает вероятность чрезмерного перегрева катализатора, что приводит к его последующей термической деструкции и резкому ухудшению каталитических свойств.
Жидкий теплоноситель, который циркулирует во внутренней полости корпуса 1, отбирает избыточное тепло с тех участков наружной поверхности реакционных труб 7, которые имеют температуру выше оптимального значения. Эффективный отбор избыточного тепла обеспечивается за счет испарения теплоносителя в зоне тепловыделения, при этом часть жидкого теплоносителя изменяет свое фазовое состояние, т.е. переходит из жидкого состояния в парообразное. Поскольку отбор избыточного тепла с наружной поверхности реакционных труб 7 обеспечивается за счет испарения жидкого теплоносителя, при выборе последнего предпочтение следует отдавать жидкостям, имеющим высокую скрытую теплоту испарения.
Естественная циркуляция теплоносителя осуществляется за счет разности плотностей. Пар, образовавшийся в результате кипения теплоносителя, по отводящему трубопроводу 5 направляется из внутренней полости корпуса 1 во внутреннюю полость парового барабана 14. Внутри него происходит охлаждение и конденсация пара, а образовавшийся конденсат по подводящему трубопроводу 6 вновь поступает во внутреннюю полость корпуса 1. При этом обратный клапан 17, установленный в отводящем трубопроводе 5, препятствует возникновению обратного перетока жидкого теплоносителя.
Предохранительный клапан 18, который установлен на крышке 15, служит для экстренного сброса пара из внутренней полости парового барабана 14 в случае превышения критической величины избыточного давления.
Постепенное снижение активности катализатора в процессе работы реактора может быть компенсировано путем соответствующего увеличения давления или температуры осуществляемого процесса. Стенки используемых реакционных труб 7 имеют ограниченный предел прочности по внутреннему давлению, поэтому в практических условиях преимущественно используется второй вариант, а именно увеличение рабочей температуры катализатора. Для этого достаточно увеличить избыточное давление во внутренних полостях корпуса 1 и парового барабана 14, что достигается путем соответствующего перемещения нажимного штока 23 и поршня 22 в поршневом нагнетателе 21. Возрастание избыточного давления во внутренних полостях корпуса 1 и парового барабана 14 будет сопровождаться изменением температуры кипения теплоносителя, которая начнет увеличиваться, что, в свою очередь, вызовет повышение рабочей температуру катализатора.
Таким образом, в процессе эксплуатации реактора с помощью поршневого нагнетателя 21 возможно достаточно оперативно регулировать температурный режим работы катализатора, что особенно актуально в случае снижения его активности.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №1134230, B01J 8/00, опубл. 15.01.1985.
2. Патент РФ на изобретение №2568476, МПК B01J 19/24, B01J 8/06, опубл. 20.11.2015.
3. Евразийский патент №016857, МПК B01J 8/06, В01J 19/24, опубл. 30.08.2012.
4. Патент РФ на изобретение №2392045, МПК B01J 8/06, опубл. 20.06.2010.