КОЖУХОТРУБНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК-РЕАКТОР

Полезная модель относится к области теплотехники, и может быть использована в энергетике, нефтехимической и других отраслях промышленности, в частности в процессах, протекающих с большими тепловыми эффектами.
Известно входное устройство для тангенциально подаваемой в аппарат текущей среды, где оно выполнено в виде диффузора. Диффузор уменьшает входную скорость текущей среды. Однако он выполнен изгибом, поэтому среда приобретает вращательное движение внутри аппарата в виде вихревого потока. При этом вихревой поток, имея большую скорость в периферийной области аппарата в центральной части замедляется, особенно вертикальная составляющая скорости. Поэтому в целях максимально равномерного распределения потока внутри аппарата, предусмотрен отклоняющий элемент. Он расположен ниже по течению от диффузора и отклоняет вихревой поток в направлении к центральной части аппарата. В результате достигается достаточно хорошее распределение потока внутри аппарата. (Патент RU 2445997 B01D 3/30, B04C 5/04 опубликован 27.03.2012)
Данное входное устройство занимает большой внутренний объем аппарата, сложно по конструкции, а также увеличивает общую массу аппарата и сопротивление потоку.
Известен реактор, имеющий собственный аппарат смешивания с зоной быстрого теплоотвода. Смесительный аппарат состоит из вихревой камеры, грубой распределительной схемы и собственно распределительного устройства. В вихревую камеру подают реагирующую жидкость и теплоотводящую жидкость, где они полностью перемешиваются в вихревом потоке. Смесь двух жидкостей выходит из вихревой камеры в грубую распределительную схему, где смесь распределяется радиально посредством камер, расположенных в виде лучей, исходящих из центра. Затем смесь через разбрызгивательную тарелку поступает в тарелку с барботажными колпачками. После этого смесь поступает в катализаторный слой. Предлагаются другие варианты расположения элементов смесительного и распределительного устройств. (Патент US006098965A, опубликован 8.08.2000 F280D 21/00, B01F 3/00)
Реактор с предлагаемым аппаратом смешивания с зоной быстрого теплоотвода может применяться только для определенного значения расходов рабочих сред, так как вихревая камера при больших расходах может оказать неприемлемое сопротивление, а колпачковые тарелки перестали бы работать. В грубой распределительной системе в длинных камерах радиального распределения, а также на отражателях могут произойти обратные процессы, а именно некоторые разделения, особенно газожидкостных и паро- жидкостных смесей. Нарастание эффективности смешивания и распределения не установлено, особенно при одновременном применении вихревой камеры и тарелчатых устройств, а также грубой распределительной системы. Смесительной аппарат в целом обладает большой металлоемкостью и низкой универсальностью.
Известен кожухотрубный аппарат, используемый в качестве реактора для проведения гетерогенно- каталитических экзотермических реакций. Поток реагирующей смеси поступает в трубное пространство сверху через тангенциальный ввод, расположенный на вершине верхнего днища. Реакционная масса, проходя через трубы с катализатором, выходит через нижний тангенциально расположенный патрубок. Для съема выделяющегося тепла реакции в межтрубное пространство подают теплоноситель. Он поступает снизу через тангенциальный ввод и специальное распределительное кольцо, расположенное внутри в нижней части реактора. Выход теплоносителя происходит через верхний патрубок. Конструкция верхнего выходного устройства аналогично конструкции входного. Таким образом, в межтрубном пространстве достигают довольно равномерное смывание внешних поверхностей труб. (Kirk, Otmer, Encylopedia of Chemical Technology, New York, 1965)
Недостатком реактора является неравномерное поступление реакционной смеси в трубки. Тангенциальный ввод вызывает преимущественно круговое движение потока в верхнем днище, оформленное внутренней конфигурацией днища и поверхностью трубной решетки. Средняя плотная часть потока плохо рассеивается и почти параллельно трубной решетке покрывает лишь определенную часть трубок. В другую часть трубок поступает участки потока, обладающие меньшими плотностями и скоростями. Разные линейные скорости в трубках особенно заметны при больших массовых и объемных скоростях.
Наиболее близок к заявляемому изобретению теплообменник-реактор, который содержит корпус в виде усеченного конуса с вогнутой в направлении к его вертикальной оси поверхностью с днищами, патрубки ввода и вывода теплоносителей трубного и межтрубного пространств. Внутри корпуса расположен трубный пучок, который состоит из по меньшей мере двух рядов конусообразных труб, закрепленных концами в отверстиях решеток по концентрическим окружностям. Трубы расположены с наклоном одновременно в двух направлениях: с наклоном к вертикальной оси корпуса и с дополнительным наклоном, выполненным путем смещения концов в окружном направлении, то есть по дугам окружностей размещение их в трубных решетках. Эти наклоны противоположны в смежных рядах труб. При этом углы наклонов выполнены в пределах 0,5-50,0 градусов от вертикальной плоскости, проходящей через вертикальную ось корпуса. При таком выполнении отпадает необходимость усиливать входные параметры теплоносителя, что позволяет экономить тепловую и электрическую энергии. (Патент RU 245 1889, МПК F28D 7/08, опубликован 25.05.2012).
Недостатком данного теплообменника-реактора является недостаточная равномерность подачи теплоносителей в трубном и межтрубном пространствах. Часть поступившего в днище потока, отражаясь от не занятых трубами поверхности, направляется к середине потока, где плотность выше. Небольшая часть увлекается средним плотным потоком, а большая часть отражается от потока и, сохраняя криволинейную троекторию, ударяется о стенки днища. В результате возникают вихри, определяемые размерами днищ, по маршруту: вход теплоносителя - трубная решетка - средняя плотная часть потока - стенки - трубная решетка. Как показали математические модели, скорости в середине потока и в средних трубах трубного пучка выше практически в два раза по сравнению со скоростями в периферийных участках над трубной решеткой и в периферийных трубах. В случае подачи многокомпонентных смесей может происходить некоторое разделение по молекулярным массам, что недопустимо при использовании теплообменника-реактора в качестве химических реакторов.
Технический результат, на достижение которого направлена предлагаемая полезная модель заключается в повышении равномерности и интенсивности теплообмена во всех участках кожухотрубного теплообменника-реактора, эффективности процессов, протекающих с большими тепловыми эффектами.
Технический результат достигается тем, что в кожухотрубном теплообменнике-реакторе, содержащем корпус с днищами, патрубки ввода и вывода теплоносителей трубного и межтрубного пространств, трубные решетки, в отверстиях которых закреплены, по меньшей мере, два ряда труб, новым является то, что в центре днища, находящегося на стороне подачи теплоносителя в трубное пространство имеется вогнутость, направленная широким концом в сторону трубной решетки, а в днище, находящемся на стороне выхода теплоносителя из трубного пространства, закреплен полый конус с отверстиями, расположенный вершиной против потока.
Вогнутость выполнена и ориентирована так, что плотность и скорость отраженного от вогнутости потока равномерно распределены по поверхности трубной решетки.
Вогнутость выполнена съемной заодно с патрубком ввода теплоносителя.
Патрубки ввода и вывода теплоносителей трубного и межтрубного пространств, расположены тангенциально.
На фигуре представлена общая схема кожухотрубного теплообменника-реактора.
Кожухотрубный теплообменник-реактор (фиг.) содержит корпус 1 с днищами 2 и 3, патрубки 4 и 5 ввода и вывода теплоносителя трубного пространства, патрубки 6 и 7 ввода и вывода теплоносителя межтрубного пространства. На центральной части одного из днищ, в частности днища 2, имеется вогнутость 8 (если смотреть изнутри днища). Корпус 1 снабжен компенсатором 9 тепловых влияний. В одном из днищ, в частности в днище 3 закреплен тонкостенный полый конус 10 распределитель потоков с мелкими 11 и крупными 12 отверстиями. Корпус 1 с двух концов герметично закрыт трубными решетками 13 и 14, в которых закреплены трубы 15. В центре кожухотрубного теплообменника-реактора выполнена свободная от труб зона 16. При подаче теплоносителя трубного пространства снизу через патрубок 5, конструкция днища 3 должна быть подобна конструкции днища 2, и наоборот, конструкция днища 2 - подобна конструкции днища 3.
Кожухотрубный теплообменник-реактор работает следующим образом.
Теплоноситель трубного пространства поступает тангенциально через патрубок 4 в вогнутость 8, где поток, меняя направление, форму и разбившись на множество малых потоков, устремляется в трубы 15 трубного пучка. В случае противотока, одновременно с теплоносителем трубного пространства, второй теплоноситель поступает в межтрубное пространство через тангенциальный ввод 7, где происходит теплообмен через стенки труб 15 между двумя теплоносителями. Выход теплоносителя из межтрубного пространства осуществляется через тангенциально расположенный патрубок 6. Теплоноситель трубного пространства, после выхода из труб 15 через распределитель потоков 10 и тангенциально расположенный патрубок 3 направляется в наружу.
Конструкция и ориентация вогнутости 8 рассчитаны так, что отраженный и рассеянный поток устремляется в направлении фокуса вогнутости, который достаточно удален для того, чтобы площадь сечения его пучка оказалась на уровне трубной решетки 13 не больше и не меньше ее площади. Поскольку, из-за малого расстояния, пучок отраженного потока претерпевает лишь расширение в пути до поверхности трубной решетки, он имеет одинаковую плотность и скорость на всех точках при соприкосновении с трубной решеткой и поступлении в трубы. Следовательно, плотность и скорость пучка потока также одинаковы в трубах 15. В случае подачи в трубное пространство многокомпонентных смесей при соприкосновении со стенками вогнутости 8 происходит дополнительное смешивание. Поскольку, расстояние внутри днища 2 незначительно, разделение не происходит, пучок потока за очень короткий промежуток времени достигает труб 15.
Однако, при выходе потоков из труб 15, скорости несколько отличаются. При выполнении выходного патрубка 5 в середине нижнего днища 3, выходящие из труб 15 потоки, расположенные ближе к центру, против которых расположено выходное отверстие, испытывают меньше сопротивления, чем выходящие потоки из периферийных труб. Следовательно, скорости центральных потоков больше чем скорости периферийных. Дополнительный узел в виде полого тонкостенного конуса 10 с отверстиями 11 и 12 различных диаметров, увеличивающихся в направлении от вершины к основанию конуса, выравнивают разницу в сопротивлениях. Потоки, проходящие через малые отверстия 11, расположенные ближе к вершине конуса, испытывают больше сопротивления, чем потоки, проходящие через крупные отверстия 12, расположенные ближе к основанию конуса 10. Потоки, проходящие через периферийных труб, проходя через крупные отверстия 12, испытывают некоторое сопротивление, но в меньшей степени, чем проходящие через мелкие отверстия 11. Все потоки при подходе в выходное отверстие патрубка 5 имеют практически одинаковые скорости. Выравнивание скоростей потоков внутри днища 3 влияет на скорости потоков внутри труб 15.
При выполнении входных и выходных патрубков в межтрубное пространство тангенциально 6 и 7, начальное воздействие на трубы 15 входящего теплоносителя происходит на более широкой области, чем при классическом вводе, т.е. при перпендикулярном к касательной плоскости на поверхности корпуса 1. Местного перегрева или охлаждения меньше.
Однако, при тангенциальном вводе большая часть потока направляется по кругу, тогда как часть потока, направляющаяся к центру и вверх, меньше. Следовательно, на различных точках межтрубного пространства скорости будут разные. Неравномерность скоростей вызывает неравномерность теплообмена в кожухотрубном теплообменнике-реакторе. При вводе теплоносителя в межтрубное пространство снизу через патрубок 5 часть потока устремляется в радиальном направлении в зону 16, где меньше сопротивление. Одновременно, за счет убывания тангенциальной скорости и за счет радиального стремления, растет вертикально составляющая общей скорости теплоносителя. В результате - скорости выравниваются гораздо раньше, чем в прототипе, в нижней области межтрубного пространства.
Таким образом, в предлагаемом кожухотрубном теплообменнике-реакторе достигается равномерное распределение скоростей по всему его объему, что позволяет избегать местных перегревов и охлаждения, что повышает эффективность его работы, позволяет его использовать в процессах, происходящих в более жестких условиях с высокой надежностью и экономичностью, и при этом уменьшаются его габаритные размеры.