ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ ХИМИЧЕСКИЙ РЕАКТОР С ПЛАСТИНЧАТЫМ ТЕПЛООБМЕННИКОМ
ISOTHERMAL CHEMICAL REACTOR WITH PLATE HEAT EXCHANGER

Область техники
Настоящее изобретение относится к области изотермических химических реакторов, снабженных внутренним пластинчатым теплообменником.
Настоящее изобретение может быть использовано, например, в изотермических или псевдоизотермических химических реакторах для проведения экзотермических или эндотермических гетерогенных реакций, в которых внутренний теплообменник погружен в слой катализатора, или в реакторах, где внутренний теплообменник в процессе работы погружен в жидкость.
Уровень техники
Изотермические или псевдоизотермические химические реакторы представляют собой реакторы, снабженные внутренним теплообменником, позволяющим поддерживать температуру реакции в интервале, соответствующем максимальной эффективности, путем подвода тепла к реагентам или отведения тепла от них. Изотермические реакторы широко используются, например, в установках синтеза метанола, в которых реактор включает внутренний охлаждающий теплообменник для отведения тепла, выделяемого экзотермической реакцией синтеза метанола.
Известно, что изотермические реакторы с пластинчатым теплообменником обладают рядом преимуществ. Термин "пластинчатый реактор" в приведенном описании относится к химическому изотермическому (или псевдоизотермическому) реактору, оборудованному по меньшей мере внутренним пластинчатым теплообменником. Пластинчатый реактор раскрыт, например, в ЕР-А-1284813.
Теплообменные элементы, называемые пластинами, имеют корпуса в форме уплощенных коробок, включающих две по существу прямоугольные стенки, соединенные друг с другом по меньшей мере по периметру, образуя внутреннюю камеру или канал, где циркулирует теплоноситель (например, вода или водяной пар). Пластины закреплены внутри реактора известными средствами, и подсоединены соответствующими средствами для подведения и отведения теплоносителя. Известны пластины различных конструкций, включая так называемые "раздутые" пластины, образованные двумя плоскими металлическими листами, соединенными по периметру и в других точках сваркой, которые раздувают воздействием высокого гидравлического давления для формирования внутренней камеры между двумя листами.
Пластинчатые реакторы пользуются популярностью благодаря большой, относительно размеров теплообменника, поверхности теплообмена, низкой стоимости и простоте установки внутри реактора.
Внутренний пластинчатый теплообменник часто формируется в виде по существу кольцевого узла, у которого радиально расположенные пластины сходятся к оси реактора. В известной компоновке вертикального реактора с внутренним теплообменником с аксиальным или аксиально-радиальным потоком пластины теплообменника расположены длинными сторонами параллельно вертикальной оси реактора, а радиальные короткие стороны сходятся к этой оси; для подведения и отведения теплоносителя к нижней и верхней сторонам каждой пластины подводятся цилиндрические трубы.
Обычно средства для подведения и отведения теплоносителя кольцевых теплообменников, описанных выше, зачастую включают радиальные трубы или трубопроводы, расположенные вдоль коротких радиальных сторон пластин. Поэтому цилиндрические трубы для теплоносителя имеют расходящиеся концы, а именно внешние концы, лежащие на наружном диаметре кольцевой структуры самого теплообменника, и сходящиеся концы, а именно противоположные концы, лежащие на внутреннем диаметре теплообменника, вблизи оси химического реактора.
Интервал между пластинами зависит от различных конструктивных параметров, но, как правило, пластины расположены относительно близко для увеличения отношения поверхности теплообмена и общего объема теплообменника. Поэтому сходящиеся концы радиальных труб могут мешать друг другу или, в любом случае, промежуток между сходящимися концами может стать слишком малым, создавая практические неудобства, например, препятствуя выгрузке или пополнению катализатора.
Эта проблема решается в известных конструкциях, представленных на фиг.5 и 6.
Как показано на фиг, 6, к коротким сторонам пластин 100 кольцевого пластинчатого теплообменника прикреплены коллекторы 101 для теплоносителя. Внутренние концы коллекторов 101 сходятся в зоне 112, вблизи центральной оси реактора. Как показано, для того чтобы избежать взаимных помех между коллекторами 101 в зоне 112, пластины 100 расположены в двух уровнях с тем, чтобы коллекторы 101 попеременно располагались в верхней и нижней плоскостях. В отдельных случаях может быть использовано более двух уровней. Недостатком такого решения является более сложная и дорогая конструкция.
На фиг.7 показано другое известное решение, в котором у пластин 100 сделаны срезы (или скосы) 113, чтобы удалить сходящиеся концы коллекторов 101 от оси реактора (т.е. поместить их на большем диаметре), и избежать взаимных помех. Это решение, однако, нельзя признать удовлетворительным: такие пластины более сложны в изготовлении, а срезы 113 создают помехи потоку теплоносителя внутри; более того, внутри пластин должна быть возможность для протекания поперечного потока для уравновешивания выходного потока и компенсации влияния срезов 113.
Технические решения на фиг.6 и 7 иногда используются в комбинации, что приводит к еще более сложным и дорогим теплообменникам.
Упомянутые проблемы особенно ощутимы в реакторах, предназначенных для проведения реакций с большим тепловыделением, где жидкий теплоноситель по меньшей мере частично превращается в пар, и коллекторы должны иметь большее сечение. Это может быть, например, в реакторах, где отводимое от химической реакции тепло используется для получения пара, и взаимных помех между сходящимися концами больших коллекторов пара трудно избежать.
Сущность изобретения
Решаемая в настоящем изобретении задача состоит в том, чтобы создать достаточные интервалы и избежать взаимных помех при компоновке между внутренними концами радиально проходящих трубопроводов подведения и отведения теплоносителя радиальных теплообменных пластин (панелей), установленных внутри изотермических химических реакторов.
Указанная задача решается в химическом изотермическом реакторе, включающем по меньшей мере один пластинчатый теплообменник, имеющий по существу кольцевую конструкцию, и включающий несколько радиально расположенных теплообменных пластин и по меньшей мере одну группу радиальных трубопроводов для подведения к внутренним каналам пластин или отведения от них теплоносителя, при этом радиальные трубопроводы расположены (ориентированы) вдоль радиальных сторон пластин и имеют, вследствие их радиального расположения, расходящиеся концы и противоположные им сходящиеся концы, а реактор отличается тем, что сходящиеся концы радиальных трубопроводов по меньшей мере одной группы трубопроводов имеют уменьшенное поперечное сечение по сравнению с соответствующими расходящимися концами.
Изобретение также касается пластинчатого теплообменника для использования в изотермических химических реакторах, включающего несколько радиально расположенных теплообменных пластин и по меньшей мере одну группу радиальных трубопроводов для подведения к внутренним каналам пластин или отведения от них теплоносителя, при этом радиальные трубопроводы расположены вдоль радиальных сторон пластин и имеют, вследствие их радиального расположения, расходящиеся концы и противоположные им сходящиеся концы, а реактор отличается тем, что сходящиеся концы радиальных трубопроводов имеют уменьшенное поперечное сечение по сравнению с соответствующими расходящимися концами.
Противоположные сходящиеся и расходящиеся концы радиальных трубопроводов лежат, соответственно, на первом и втором диаметрах упомянутой кольцевой конструкции, т.е. они распределены по внутреннему и наружному контурам, имеющим первый и второй диаметры, соответственно.
Радиальные трубопроводы, в соответствии с изобретением, представляют собой трубопроводы для подведения и (или) отведения теплоносителя. Радиальные трубопроводы для теплоносителя, в соответствии с вариантом осуществления изобретения, прикреплены (например, приварены) к коротким сторонам пластин.
В одном варианте осуществления изобретения теплообменник включает лежащие с противоположных сторон радиальные трубопроводы для подведения к теплообменным пластинам и отведения от них теплоносителя, например верхние и нижние трубопроводы в вертикальном варианте расположения, и все эти расположенные с противоположных сторон трубопроводы имеют сходящиеся концы с уменьшенным поперечным сечением, в сравнении с соответствующими расходящимися концами. В другом упрощенном варианте осуществления изобретения радиальные трубопроводы выполнены со сходящимися концами с уменьшенным сечением только с одной стороны пластин, в предпочтительном варианте со стороны выхода теплоносителя. Этот вариант может быть предпочтительным в случае, когда объемный расход теплоносителя на выходе значительно больше объемного расхода теплоносителя на входе, например, когда теплоноситель по меньшей мере частично испаряется, проходя по пластинам. В этом случае для увеличенного объемного расхода могут потребоваться выпускные трубопроводы большего сечения, и упомянутая проблема взаимных помех в конструкции становится критичной на выпускной стороне теплообменника. Обычный трубопровод с постоянным поперечным сечением может быть, при этом, в ряде случаев использован со стороны впуска теплоносителя.
В предпочтительном варианте осуществления каждый радиальный трубопровод или труба имеют по меньшей мере суживающуюся секцию с равномерно уменьшающимся сечением к внутреннему, сходящемуся концу трубопровода. В более предпочтительном варианте эта суживающаяся секция имеет форму конуса или усеченного конуса.
В соответствии с вариантами осуществления изобретения трубопроводы для теплоносителя включают цилиндрическую секцию и суживающуюся, желательно коническую секцию, поперечное сечение которой непрерывно уменьшается к сходящимся концам; в соответствии с другим вариантом осуществления трубопроводы суживаются или имеют коническую форму по всей радиальной длине, от наружного расходящегося конца ко внутреннему сходящемуся концу.
В предпочтительном варианте угол конусности конических трубопроводов составляет менее 10 градусов, желательно от 10' (десять угловых минут) до 5 градусов.
В соответствии с другим вариантом осуществления радиальные трубопроводы теплообменных пластин включают несколько секций с различным поперечным сечением, причем секция вблизи сходящегося конца каждого трубопровода имеет поперечное сечение меньше, чем другая секция (секции) того же трубопровода. В предпочтительном варианте каждый из радиальных трубопроводов выполнен с наружной цилиндрической секцией, имеющей первый диаметр, и второй внутренней секцией вблизи сходящегося конца, имеющей второй диаметр меньше первого диаметра.
В соответствии с особенностью изобретения подобные трубопроводы с уменьшенным поперечным сечением на сходящихся концах используются с теплообменными пластинами, имеющими структуру сандвича, где каждая пластина включает две стенки и внутренние разделительные вставки, соединяющие стенки и образующие внутренние каналы между двумя стенками для теплоносителя.
В изобретении решена проблема взаимных помех подводящих/отводящих трубопроводов, упомянутая выше.
Особенно большой выигрыш изобретение дает в случае, когда теплообменник имеет пластины со структурой сандвича, описанные выше. Такие пластины обладают высокой стойкостью к большим перепадам давления между внутренним и наружным пространством (например, 100 бар и более), и отличаются малым внутренним падением давления, поэтому их использование более предпочтительно, чем, например, использование раздутых подушкообразных пластин. Конструкция таких пластин с внутренними каналами, образуемыми разделительными вставками, не позволяет реализовать решение, показанное на фиг.7, поскольку нет простого способа соединения внутренних каналов вблизи оси реактора с соответствующим трубопроводом для теплоносителя. При использовании известных технических решений для теплообменника с пластинами со структурой сандвича потребуется сложная и дорогая конструкция, показанная на фиг.6, для того чтобы избежать помех друг другу внутренних концов трубопроводов для теплоносителя, чем и ограничиваются возможные применения этих теплообменников.
Изобретение, несмотря на это, может быть использовано с теплообменными пластинами любого типа, включая упомянутые раздутые пластины, с сохранением преимущества соблюдения необходимых интервалов между внутренними сходящимися концами трубопроводов для теплоносителя, а также низкой стоимости и простоты монтажа.
Особенности и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из приведенного далее описания предпочтительных вариантов осуществления, иллюстрирующих изобретение, не ограничивая его, со ссылками на приложенные чертежи, где:
Краткое описание чертежей
на фиг.1 представлено схематическое изображение, с частичным разрезом, изотермического химического реактора, в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения;
на фиг.2 схематически показаны некоторые детали чертежа на фиг.1;
на фиг.3 представлено поперечное сечение одной из пластин теплообменника внутри реактора на фиг.1, в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления;
на фиг.4 изображены детали пластины и трубопровода для теплоносителя, показанных на фиг.1 и 2;
фиг.5 относится к другому варианту осуществления изобретения.
Подробное описание осуществления изобретения
На фиг.1 представлен изотермический химический реактор 1 с радиальным потоком, включающий, в основном, цилиндрический корпус 2 с вертикальной осью, верхний конец 4 и нижний конец 3, имеющие, соответственно, впускной фланец 5 для подачи свежих реагентов, и выпускной фланец 6 для продуктов химической реакции.
Реактор 1 включает кольцевой несущий каркас для катализатора, известный в уровне техники и здесь подробно не описываемый, содержащий подходящий катализатор и ограниченный снаружи цилиндрической перфорированной стенкой 7. Реагенты протекают в радиальном направлении, из промежутка между стенкой 7 и корпусом 2 к центральному коллектору 8, связанному с выпускным фланцем 6. Кольцевое пространство, определяемое несущим каркасом для катализатора, по существу является пространством реакции, где реагенты превращаются в продукты реакции.
Пластинчатый теплообменник 10 с аксиальным потоком устанавливается в реакторе 1 и погружен в катализатор. Теплообменник 10 имеет по существу кольцевую конструкцию, с радиальными пластинами 11 в форме по существу прямоугольных уплощенных коробок, имеющих длинные стороны 12i, 12е, параллельные оси реактора, и радиальные короткие стороны 13s, 13i.
Пластины 11 подсоединены к подходящим средствам распределения теплоносителя, например охлаждающей воды. В приведенном примере теплоноситель поступает с нижних сторон 13i, протекает вдоль оси внутри пластин 11, и выходит из верхних сторон 13s. Теплоноситель распределяется посредством радиальных трубопроводов, присоединенных надлежащим образом к пластинам 11; в приведенном примере теплоноситель распределяется через группу радиальных труб 14, прикрепленных к нижним сторонам 13i теплообменных пластин 11, и собирается группой радиальных труб 15, прикрепленных к верхним сторонам 13s. Каждой пластине 11 соответствует распределительная труба 14 и коллекторная труба 15.
Теплоноситель подводится через трубопроводную систему, включающую впускной фланец 20, трубу 21 и другую кольцевую трубу 22, от которой питаются распределительные трубы 14, теплоноситель проходит от каждой из этих распределительных труб 14 внутрь соответствующей пластины 11, например, через отверстия или прорези в трубе 14, известные в уровне техники. Коллекторные трубы 15, в которые поступает теплоноситель из пластин 11, соединены с кольцевой трубой 23 и выпускным фланцем 24.
Трубы 14 и 15, в силу их радиального расположения внутри ректора 1, имеют расходящиеся концы 14d и 15d, расположенные по первому контуру, имеющему первый диаметр, несколько меньший, чем диаметр стенки 7, и противоположные сходящиеся концы 14с и 15с, расположенные по второму контуру, имеющему второй диаметр, несколько больший, чем диаметр центрального трубопровода 8. Первый диаметр по существу равен внешнему диаметру кольцевого теплообменника 10, в то время как второй диаметр по существу является внутренним диаметром этой кольцевой конструкции.
Распределительные трубы 14 и (или) коллекторные трубы 15 имеют уменьшенное поперечное сечение по меньшей мере вблизи сходящихся концов 14с, 15с с тем, чтобы избежать взаимных помех и обеспечить надлежащие промежутки между концами труб. Для этого, в предпочтительном варианте, трубы 14 и (или) трубы 15 являются коническим, как это показано на чертежах.
Как подробно показано на фиг.2, конические коллекторные трубы 15 закреплены на верхних коротких сторонах 13s пластин 11, при этом их сходящиеся концы 15с, вблизи оси реактора, имеют меньшее поперечное сечение, чем противоположные концы 15d, и между концами труб остается надлежащий промежуток S.
Поперечное сечение показанных конических труб 15 (фиг.2) равномерно уменьшается от концов 15d к концам 15с. В предпочтительном варианте кольцевые трубы 22 и 23 расположены вокруг расходящихся концов 15d, где имеется больше свободного места.
В соответствии с вариантом осуществления, показанном на фиг.3-4, каждая пластина 11 по существу имеет две параллельные друг другу стенки 31 и 32, соединенные внутренними разделительными вставками 33, образующими каналы 34 для теплоносителя. Вдоль продольных краев по периметру стенок 31 и 32 могут быть установлены дополнительные разделительные вставки для герметизации краев пластины 30. В предпочтительном варианте осуществления стенки 31 и 32 выполнены, соответственно, из плоских металлических листов, а разделительные вставки 33 имеют вид полос подходящей толщины, равной высоте каналов 34. Конические трубы 15 имеют отверстия или прорези 40, из которых каждая прорезь 40 пропускает теплоноситель в по меньшей мере один из каналов 34. В предпочтительном варианте на каждый канал 34 приходится одна прорезь 40.
Распределительные трубы 14 могут быть выполнены также, как и описанные коллекторные трубы 15. В соответствии с изобретением распределительные трубы 14 и (или) коллекторные трубы 15 включают секции с различным поперечным сечением. В примере, показанном на фиг.5, каждая из труб 15 включает наружную цилиндрическую секцию 15е, имеющую первый диаметр, и внутреннюю цилиндрическую секцию 15f, имеющую второй диаметр, меньший, чем диаметр первой секции 15е. В соответствии с другим (не показанным) вариантом осуществления радиальные трубы 14 и (или) трубы 15 включают более двух секций, поперечное сечение которых уменьшается от наружного конца к внутреннему концу трубы.
Работа происходит следующим образом. Реагенты подводятся к реактору 1 через фланец 5 и протекают радиально через каталитическую зону реакции, где установлен теплообменник 10. Теплоноситель, например вода, подводится к пластинам 11, входя и выходя через фланцы 20 и 40 и связанную с ними систему труб.
Между сходящимися концами 14с, 15с труб 14, 15 с уменьшенным поперечным сечением, как это показано на фиг.1, не возникает взаимных помех и между трубами остаются требуемые свободные промежутки S (фиг.2), которые могут быть использованы для выгрузки или пополнения катализатора.
Если рассмотреть, например, экзотермическую реакцию, то теплообменник 10 охлаждает слой катализатора и продукты реакции, поддерживая температуру реакции в интервале с максимальной эффективностью. В качестве теплоносителя может использоваться вода, которая по меньшей мере частично испаряется внутри пластин 11. В этом случае, поскольку для пара требуются трубы большего размера, использование коллекторных труб для воды/пара с уменьшенным поперечным сечением на сходящихся концах оказывается особенно выгодным.
Как очевидно для специалиста, изобретение может быть использовано в химических реакторах любого типа, имеющих пластинчатый теплообменник, в частности в реакторах с радиальным потоком, осевым потоком или поперечным потоком.