РЕАКТОР-ТЕПЛООБМЕННИК С БАЙОНЕТНЫМИ ТРУБАМИ, КОНСТРУКЦИЯ КОТОРОГО ПОЗВОЛЯЕТ ЕМУ РАБОТАТЬ С ПЕРЕПАДАМИ ДАВЛЕНИЯ ПОРЯДКА 100 БАР МЕЖДУ ТРУБОЙ И КАЛАНДРОМ
REACTOR - HEAT EXCHANGER WITH BAYONET PIPES; REACTOR - HEAT EXCHANGER DESIGN ALLOWING ITS OPERATION WITH PRESSURE DROPS OF ABOUT 100 BAR BETWEEN PIPE AND CALANDRIA

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к реактору-теплообменнику, состоящему из каландра с расположенным внутри него множеством труб, имеющего конструкцию, которую специалист в данной области техники квалифицирует как конструкцию класса трубы/каландр, причем указанный реактор-теплообменник позволяет проводить в нем процессы, носящие ярко выраженный эндотермический характер, то есть такие, к которым можно отнести паровой реформинг природного газа, при котором использующаяся в технологическом процессе среда циркулирует внутри труб, а теплоноситель - снаружи этих труб (это пространство у специалистов носит также название каландрового). Конструкция реактора-теплообменника согласно предлагаемому изобретению позволяет создавать реакторы с диаметром, превышающим 4 метров, и даже превышающим 10 метров и с перепадом давлений во внутритрубном и внетрубном пространствах, способным достигать от 30 бар до 100 бар (1 бар=0,1 МПа), причем без использования трубчатой пластины для распределения среды, участвующей в технологическом процессе, по всем трубам. При всем том реактор согласно предлагаемому изобретению может изготавливаться и с диаметром, меньшим 4 метров.
В нижеприведенном тексте термин "внутритрубное пространство" используется для обозначениях всего того, что относится к химической реакции и циркуляции участвующих в реакции сред внутри указанных труб, а термин "каландровое пространство" используется для обозначениях всего того, что относится к переносу тепла от теплоносителя к участвующей в реакции среде и циркуляции указанного теплоносителя.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В ранее применявшихся реакторах-теплообменниках при реализации процессов, носящих явный эндотермический характер, то есть таких, к которым можно отнести паровой реформинг смеси углеводородов, использовался реактор, представленный на фиг.1.
Этот тип реактора-теплообменника снабжен системой распределения среды, участвующей в технологическом процессе, посредством первой трубчатой пластины, а также системой сбора эффлюентов посредством второй трубчатой пластины.
Байонетная труба (4) состоит из внутренней трубы (5), расположенной внутри наружной трубы (6), причем внутренняя труба (5) и наружная труба (6) установлены практически коаксиально друг относительно друга.
Необходимый теплоноситель получали, как правило, в процессе сжигания топлива, проводимого вне реактора-теплообменника посредством любой системы сжигания, например, печи или парового котла, в котором топливо сжигается с помощью горелок. В качестве теплоносителя могут использоваться также и утилизируемые дымовые газы или же какая-либо другая высокотемпературная среда, которую можно найти непосредственно на рабочей площадке, например пар.
Циркуляция теплоносителя может осуществляться внутри дымоходов (10), окружающих, по меньшей мере на некотором протяжении, байонетные трубы (4) и ограничивающих собой кольцеобразное пространство (10), пригодное для циркуляции теплоносителя внутри указанной кольцеобразного пространства.
Для лучшего понимания сути изобретения необходимо напомнить о недостатках, связанных с применением трубчатой пластины.
В известных технических решениях трубчатая пластина, установленная в реакторах-теплообменниках, выполняется, как правило, в виде перфорированной пластины, проходящей по существу в плоскости сечения реактора, причем каждое отверстие этой плиты предназначено для установки в нем соответствующей трубы реактора. Входные (или выходные) торцы совокупности труб реактора расположены таким образом на входной (соответственно на выходной) трубчатой пластине.
Входная трубчатая пластина (i) разделяет таким образом объем реактора на первое пространство (20), расположенное над указанной трубчатой пластиной, причем это первое пространство содержит участвующую в реакции среду и позволяет обеспечить ее распределение по всем трубам реактора, и второе пространство (21), расположенное под указанной трубчатой пластиной, причем это второе пространство окружает трубы и содержит только теплоноситель.
Точно так же выходная трубчатая пластина (выходные трубчатые пластины) выделяет в объеме реактора третье пространство (22), расположенное над указанной трубчатой пластиной, причем это третье пространство содержит исключительно образующиеся в ходе технологического процесса эффлюенты, выходящие из каждой трубы реактора.
Первое пространство (20) располагается таким образом между входной трубчатой пластиной (i) и выходной трубчатой пластиной (выходными трубчатыми пластинами) и содержит исключительно участвующую в реакции среду, попадающую в указанное пространство (20) через патрубок, обозначенный на фиг.1 буквой А.
В случае реактора-теплообменника известной конструкции, содержащего байонетные трубы, реактор, как это представлено на фиг.1, имеет две трубчатые пластины, причем в верхней (верхних) пластине размещен выходной торец центральных труб (5), а в нижней пластине (i) размещен входной торец кольцеобразной зоны, расположенной между центральной трубой (5) и наружной трубой (6). Распределение по трубам участвующей в реакции среды происходит в пространстве (20), заключенном между нижней трубчатой пластиной (i) и верхней трубчатой пластиной (верхними трубчатыми пластинами), посредством входного патрубка (A).
Каландровое пространство соответствует в случае фиг.1 пространству (21), расположенному снаружи от труб реактора и под нижней трубчатой пластиной (i).
Фиг.1 предоставляет возможность ясно увидеть, что в реакторе-теплообменнике известной конструкции, содержащем байонетные трубы, входной и выходной торцы каждой байонетной трубы (4) располагаются на уровне входной и выходной трубчатых пластин, а следовательно, внутри реактора.
Но перепад давлений между внутренним пространством труб (5) и наружным пространством труб (21) или, что то же самое, каландровым пространством, в котором содержится теплоноситель, может достигать нескольких сотен бар. В особом случае реализации процесса парового реформинга величина указанного перепада давлений может достигать от 25 бар до 40 бар (1 бар=0,1 MПa).
Верхняя плоскость нижней трубчатой пластины (i) может таким образом прилегать к зоне ввода сред (20), а ее нижняя плоскость прилегать к зоне циркуляции теплоносителя (21), которые подвергаются воздействию перепада давлений от 25 до 50 бар.
Специалистам в данной области техники хорошо известно, что для того, чтобы трубчатая пластина была способна выдерживать подобные перепады давлений, ее толщина должна достигать очень значительных величин, которые на практике для реакторов с диаметром начиная с десяти метров, увы, невозможно обеспечить.
-3
В качестве примера на приведенной ниже таблице приведены толщины трубчатой пластины, в мм (10 метра), для реакторов диаметром от 2 до 10 метров, и для перепадов давлений по обе стороны трубчатой пластины, равных 25, 30 и 35 бар (отложены по ординате).
Диаметр реактора
2 метра
5 метров
10 метров
Дельта давления
25 бар
193 мм
483 мм
967 мм
30 бар
212 мм
530 мм
1059 мм
35 бар
229 мм
572 мм
1144 мм
Если принять, что максимальная толщина трубчатой пластины составляет порядка 400 мм, то из этого следует, что предельный диаметр реактора будет составлять порядка 5 метров при перепаде давлений по обе стороны трубчатой пластины, равном 25 барам. Указанный предельный размер будет еще ниже при более значительном перепаде давлений по обе стороны трубчатой пластины. Таким образом, если перепад давлений по обе стороны трубчатой пластины достигает 35 бар, то максимальный диаметр реактора будет всего лишь около 3 метров.
2
С точки зрения механической прочности существует также предельная величина плотности размещения труб по площади трубчатой пластины, причем эта предельная величина зависит от диаметра труб и составляет приблизительно 10 труб/ м для труб диаметром 170 мм. Конструкция, соответствующая настоящему изобретению, позволяет превысить предельно допустимые значения размеров реакторов известных конструкций, то есть тех реакторов, которые снабжены трубчатой пластиной, за счет полного устранения трубчатой пластины и осуществления наружного, относительно реактора, распределения используемых в процессе технологических сред и сбора эффлюентов.
Реактор-теплообменник согласно настоящему изобретению предоставляет возможность решения второй проблемы, связанной с заполнением катализатором байонетных труб. В самом деле в реакторах известных конструкций заполнение катализатором байонетных труб происходит через пространство (20), ограниченное двумя трубчатыми пластинами. А указанное пространство является ограниченным и мало приспособленным для этих целей ввиду наличия в нем большого количества труб, прикрепленных к верхней трубчатой пластине.
В реакторе согласно настоящему изобретению заполнение байонетных труб катализатором производится через их торцы, расположенные снаружи реактора, пространство вокруг которого не так сильно перегружено другими устройствами.
Другим преимуществом реактора согласно предлагаемому изобретению является то, что в нем применяется теплоноситель, производство которого осуществляется непосредственно на месте эксплуатации самого реактора, то есть непосредственно внутри реактора-теплообменника, а именно в его каландровом пространстве. Подобное сжигание "на месте" может выполняться с помощью горелок, описанных во французской заявке на изобретение 06/10.999, причем указанные горелки имеют обычно удлиненную форму и устанавливаются в промежутках между байонетными трубами.
ОБЩЕЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР
На фиг.1 представлен реактор-теплообменник с байонетными трубами известной конструкции, оснащенный нижней трубчатой пластиной для распределения используемых в процессе технологических сред, и верхней трубчатой пластиной для сбора эффлюентов.
На фиг.2 представлен реактор-теплообменник согласно предлагаемому изобретению, то есть реактор-теплообменник без трубчатой пластины, с торцами байонетных труб, расположенными снаружи реактора, причем используемый в рассматриваемом аппарате теплоноситель получается в процессе сжигания, осуществляемого внутри самого ректора посредством горелок удлиненной формы, установленных в промежутках между байонетными трубами.
На фиг.3 представлен пример устройства распределения и сбора в реакторе согласно предлагаемому изобретению сред, участвующих в технологическом процессе.
На фиг.4 представлен пример конструкции горелки, пригодной для производства теплоносителя непосредственно внутри реактора-теплообменника согласно предлагаемому изобретению.
Раскрытие сущности изобретения
2
Реактор-теплообменник согласно настоящему изобретению состоит из каландра цилиндрической формы, внутри которого циркулирует теплоноситель и который закрыт сверху колпаком и имеет нижнее днище, причем указанный каландр содержит внутри себя множество труб с осями, ориентированными практически в вертикальном направлении, внутри которых циркулирует участвующая в технологическом процессе среда, причем трубы реактора относятся к типу байонетных и имеют плотность размещения по площади трубчатой пластины в пределах от 2 до 12 штук на каждый м сечения реактора, причем интервал установки байонетных труб или их межосевое расстояние превышает в 2-5 раз внутренний диаметр наружной трубы (6), а входной и выходной торцы каждой байонетной трубы выходят за пределы реактора, что же касается теплоносителя, то он получается в процессе сжигания, осуществляемого внутри самого ректора посредством горелок (8) удлиненной формы, установленных в промежутках между байонетными трубами (4) с трехсторонним шагом, причем межосевое расстояние установки горелок превышает в 2-5 раз диаметр наружной трубы (6) байонетной трубы.
Реактор согласно предлагаемому изобретению не содержит трубчатой пластины.
В реакторе-теплообменнике согласно настоящему изобретению входной и выходной торцы каждой байонетной трубы выходят, как это и показано на фиг.2, за пределы реактора.
В предпочтительном варианте рассматриваемого реактора-теплообменника каждая байонетная труба (4) окружена дымоходом цилиндрической формы (10), установленным практически коаксиально по отношению к байонетной трубе, а теплоноситель циркулирует внутри кольцеобразного пространства (11), ограниченного наружной стенкой байонетной трубы (4) и указанным дымоходом (10), со скоростью, находящейся в пределах от 20 м/сек до 50 м/сек.
Байонетные трубы следует предпочтительно устанавливать с трехсторонним шагом. Интервал установки байонетных или межосевое расстояние, как правило, превышает в 2-5 раз внутренний диаметр наружной трубы (6).
Вместе с тем интервал установки труб в трубчатой пластине с квадратным шагом также полностью вписывается в рамки настоящего изобретения.
Внутренняя труба (5) каждой байонетной трубы (4) пересекает под углом к вертикали, равным 30°-60°, наружную трубу (6) в точке, расположенной снаружи реактора, на расстоянии, равном, по меньшей мере, 1 метру от верхнего колпака реактора-теплообменника. Как это представлено на фиг.3, указанное расположение предоставляет возможность полностью отделить друг от друга входной и выходной торцы каждой байонетной трубы (4), что позволяет в свою очередь облегчить установку на место устройства распределения участвующих в технологическом процессе сред, также устройства сбора эффлюентов, являющихся продуктами технологического процесса.
В предпочтительном варианте изобретения загрузка внутренней трубы (5) каждой байонетной трубы (4) осуществляется через главный питательный трубопровод, разветвляющийся на N количество ветвей, причем каждая ветвь питает одну внутреннюю трубу, а количество ветвей N находится в диапазоне от 5 до 100 штук, а в предпочтительном варианте изобретения находится в диапазоне от 10 до 50 штук.
В предпочтительном варианте изобретения наружная труба (6) каждой байонетной трубы (4) подключена к первичному коллектору, а сам этот первичный коллектор подключен к вторичному коллектору и так вплоть до конечного коллектора, который соответствует количеству M коллекторов, которое находится в диапазоне от 2 до 10.
В предпочтительном варианте изобретения среда, участвующая в технологическом процессе, вводится через входной торец кольцеобразной зоны (7), расположенной в пространстве между наружной трубой (6) и внутренней трубой (5), причем указанная кольцеобразная зона (7), по меньшей мере, частично заполнена катализатором.
Образующиеся в процессе работы аппарата эффлюэнты улавливаются выходным торцом центральной трубы (5).
Как правило, теплоносителем являются дымовые газы - продукты сгорания, причем образование последних происходит непосредственно в самом рассматриваемом аппарате с помощью горелок, установленных непосредственно в промежутках между байонетными трубами внутри реактора и смонтированных в отдельном от рассматриваемого реактора-теплообменника оборудовании. Что касается дымовых газов, то они покидают реактор через выходной патрубок (G), расположенный в верхней части реактора.
Согласно предлагаемому изобретению теплоноситель, обеспечивающий доставку тепла, необходимого для проведения реакции, образуется в процессе сжигания, осуществляемого непосредственно в самом рассматриваемом аппарате с помощью горелок удлиненной формы (8), установленных в промежутках между байонетными трубами (4).
Указанные горелки удлиненной формы описаны во французском патенте №06/10.999.
В нижеприведенном тексте они представлены с помощью фиг.4 как горелки без предварительного смешивания топлива с воздухом, как горелки цилиндрической формы, длиной Lb и диаметром Db, и с величиной соотношения Lb/Db, находящегося в диапазоне от 10 до 500, а в предпочтительном варианте изобретения, находящегося в диапазоне от 30 до 300.
Указанные горелки имеют центральный распределитель топлива (27) с возможно неоднородной системой распределения отверстий (30) и снабжены пористым элементом (28) кольцеобразной формы, окружающим центральный распределитель топлива (27), по меньшей мере, по всей его длине Lb, причем толщина указанного пористого элемента (28) находится в диапазоне от 0,5 до 5 см, а внутренняя поверхность указанного пористого элемента (28) находится на расстоянии от центрального распределителя топлива (27), находящемся в диапазоне от 0,5 см и 10 см. Речь идет в этом случае о расстоянии, точно соответствующем зоне (29), указанной на фиг.4.
В предпочтительном варианте изобретения горелки удлиненной формы устанавливаются с трехсторонним шагом, причем межосевое расстояние установки горелок превышает в 2-5 раз наружный диаметр байонетных труб.
В рассматриваемом изобретении предлагается также способ парового реформинга смеси углеводородов, реализуемый на базе рассматриваемого реактора-теплообменника.
В соответствии с одним из вариантов предлагаемого способа согласно предлагаемому изобретению в качестве топлива для проведения процесса сжигания непосредственно в самом рассматриваемом аппарате используется газ, содержащий более чем 90% водорода.
5
Как правило, способ парового реформинга смеси углеводородов на базе реактора-теплообменника согласно предлагаемому изобретению проводится при давлении в каландровом пространстве, находящемся в диапазоне от 1 и 10 бар абс (1 бар =10 паскалей), и при давлении внутри байонетных труб, находящемся в диапазоне от 25 до 50 бар абс. Температура внутри труб реактора находится, как правило, в диапазоне от 700°C и 950°C.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДЛАГАЕМОГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Реактор-теплообменник согласно настоящему изобретению предназначен для проведения реакций, носящих ярко выраженный эндотермический характер, при температурах, доходящих до 950°C. Как правило, рассматриваемый аппарат может использоваться для проведения парового реформинга смеси углеводородов, в частности нефти или природного газа в целях производства водорода.
Приводимое ниже описание относится к фиг.2.
Реактор-теплообменник согласно предлагаемому изобретению состоит из каландра полностью цилиндрической формы (1), закрытого сверху колпаком (2), практически эллипсоидальной формы, а снизу днищем (3) практически эллипсоидальной формы, причем в указанном каландре (1) размещено множество вертикальных труб (4), имеющих длину (L), проложенных вдоль цилиндрической части каландра (1).
Трубы (4) относятся к типу байонетных, то есть в состав их конструкции входит внутренняя труба (5), помещенная внутрь наружной трубы (6), причем внутренняя и наружная трубы установлены практически коаксиально друг относительно друга. Указанная коаксиальность может быть обеспечена, например, путем использования специальных центрующих крылышек, приваренных с одинаковым шагом к поверхности внутренней трубы (5) и обеспечивающих возможность поддержания постоянного зазора с наружной трубой (6).
Кольцеобразное пространство (7), ограниченное наружной поверхностью внутренней трубы (5) и внутренней поверхностью наружной трубы (6), заполнено, как правило, катализатором, причем указанный катализатор выполнен в виде частиц цилиндрической формы, которые при проведении процесса парового реформинга имеют, как правило, длину в несколько миллиметров и диаметр также в несколько миллиметров.
Форма гранул катализатора не является отличительной особенностью предлагаемого изобретения, согласно которому в предлагаемом аппарате могут использоваться гранулы катализатора любой формы, лишь бы их размер позволял вводить их в кольцеобразную часть (7) вертикальных труб (4).
Участвующая в технологическом процессе среда вводится в предпочтительном варианте изобретения в байонетные трубы (4) через кольцеобразную зону катализа (7), входной торец которой располагается снаружи реактора, при этом процесс парового реформинга протекает в кольцеобразной зоне катализа, а эффлюенты собираются в выходной части центральной трубы (5), которая также расположена снаружи реактора.
Возможны также и другие варианты технических решений, в которых среда, участвующая в технологическом процессе, вводится через центральную трубу (5), а эффлюенты улавливаются на выходе из кольцеобразной зоны (7).
Среды, используемые в технологическом процессе, циркулируют, таким образом, внутри байонетных труб (4), сначала спускаясь вдоль кольцеобразной зоны (7) трубы, затем, поднимаясь вдоль центральной трубы (5), причем входные/выходные торцы указанных труб (4) расположены снаружи реактора-теплообменника, а указанные трубы (4) подогреваются теплоносителем, циркулирующим в каландровом пространстве (8).
Природе теплоносителя в рассматриваемом изобретении не придается особого значения. В качестве теплоносителя используются дымовые газы, образующиеся в результате сжигания топлива непосредственно в самом реакторе-теплообменнике с помощью горелок специальной конструкции, типа тех, которые описаны во французской заявке на патент №06/10.999.
Соотношение H/D между высотой H реактора и его диаметром D находится, как правило, в пределах от 2 до 8, а в предпочтительном варианте изобретения - в пределах от 2,5 до 6.
Байонетные трубы (4) прокладываются, как правило, внутри дымохода (10), который их окружает практически коаксиально, что позволяет обеспечить скорость циркуляции дымовых газов вдоль подлежащей нагреву трубы в диапазоне от 5 м/сек и 50 м/сек, а в предпочтительном варианте изобретения в диапазоне от 20 м/сек и 40 м/сек.
2
Количество подлежащих нагреву труб на м сечения реактора находится, как правило, в пределах от 2 до 12 штук, а в предпочтительном варианте изобретения в пределах от 3 до 8 штук. Под термином сечение реактора понимается его геометрическое сечение, которое предполагается полностью свободным от каких-либо внутренних устройств.
Байонетные трубы (4) устанавливаются чаще всего с трехсторонним шагом, причем межосевое расстояние установки горелок превышает в 2-5 раз внутренний диаметр наружных труб (6).
В тех случаях, когда процесс сжигания с целью производства теплоносителя осуществляется непосредственно в самом рассматриваемом аппарате с помощью горелок удлиненной формы, последние устанавливаются в промежутках между байонетными трубами, с трехсторонним шагом, причем межосевое расстояние установки горелок превышает в 2-5 раз наружный диаметр указанных байонетных труб.
ПРИМЕР РЕАЛИЗАЦИИ ПРЕДЛАГАЕМОГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
3
2
В нижеприведенном примере даны размеры реактора-теплообменника согласно предлагаемому изобретению, предназначенного для производства 90 000 Нм/час водорода H способом парового реформинга природного газа.
Топливо, применяемое для производства калорий, необходимых для реализации процесса парового реформинга, имеет следующий состав, представленный в молекулярных процентах:
2
H: 92,10%
4
CH: 5,35%
2
CO: 0,78%
CO: 1,5%
2
N: 0,25%.
Температура внутри байонетных труб составляет: 900°C.
Температура дымовых газов, циркулирующих в каландровом пространстве, составляет в среднем 1200°C.
Давление внутри байонетных труб составляет: 35 бар
Давление дымовых газов, циркулирующих в каландровом пространстве, составляет: 5 бар.
Перепад давлений в трубе и каландре составляет, таким образом, 30 бар.
Основные размеры реактора согласно предлагаемому изобретению следующие:
Полная высота реактора (с верхним и нижним днищами): 16 м.
Диаметр реактора: 7 м.
Соотношение H/D составляет: 2,3
Трубы относятся к типу байонетных.
Длина труб: 12 м.
Наружный диаметр труб, подлежащих нагреву, составляет: 200 мм.
Диаметр центральной трубы: 50 мм.
Межосевое расстояние труб, подлежащих нагреву: 300 мм.
Количество труб: 235 трубы, распределенные по сечению аппарата с трехсторонним шагом.
Наружный диаметр пористых горелок составляет: 100 мм.
Длина пористых горелок составляет: 5 м.
Количество пористых горелок составляет: 470.
Межосевое расстояние между пористыми горелками: 600 мм.
Кольцеобразная часть байонетных труб заполнена катализатором для проведения парового реформинга на базе никеля, выполненным в виде пастилок цилиндрической формы, причем каждая гранула катализатора имеет следующие размеры:
- диаметр пастилки: 10 мм,
- длина пастилки: 13 мм.
Среда, участвующая в технологическом процессе среды, загружается в каждую трубу реактора через входной торец наружной трубы (6).
Входной распределитель сред, участвующих в технологическом процессе, имеет, как это представлено на фиг.3, 20 ответвлений.
Улавливание образующихся в ходе технологического процесса эффлюентов происходит в выходном торце центральной трубы (5).
Выходной коллектор эффлюентов, образующихся в ходе технологического процесса, имеет 4 ответвления, как это представлено на фиг.3.
Центральная труба (5) отходит над верхним колпаком реактора на расстоянии, равном 2 метрам, от наружной трубы (6) под углом 30° относительно вертикали.
Заполнение катализатором производится через входные торцы наружных труб (6).
Доступ в кольцеобразную зону наружной трубы (6) облегчается за счет демонтажа патрубков в верхней части. Ввиду того что торец центральной трубы (5) отклонен в сторону и наружу относительно наружной трубы (6) байонетного соединения, риск попадания катализатора в центральную трубу (5) в процессе загрузки кольцеобразного пространства отсутствует.
Для создания более благоприятных условий загрузки катализатора на байонетные трубы, например, на их нижние торцы, доступ к которым возможен через смотровой люк, предусмотренный в каландре, могут быть наложены с помощью вибратора, присоединенного на время загрузки к соответствующей трубе, вибрации.