КОЖУХОТРУБНЫЙ РЕАКТОР

Техническое решение относится к химическим реакторам для проведения изотермических и неизотермических каталитических реакций и может найти применение в химической и нефтехимической промышленности.
Известны конструкции кожухотрубных каталитических реакторов для экзо - и эндотермических реакций, состоящие из корпуса с крышкой и днищем, трубок, закрепленных в трубных решетках, и катализатора, в виде зерен или гранул, засыпанных в трубки [Ю.И. Шаповалов, В.С. Шеин. Машины и аппараты общехимического назначения. - Воронеж: изд-ство Воронежского университета, 1981, с. 220, 224 и 225].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится неодинаковый расход реакционной массы в трубках с катализатором, что приводит к неодинаковой температуре и степени конверсии из-за неравномерности потери катализатором каталитических свойств и снижению качества продуктов реакции на выходе из реактора.
Известен кожухотрубный реактор с трубным пучком для проведения каталитических неизотермических реакций в газовой фазе, который состоит из корпуса с крышкой и днищем, труб трубного пучка, закрепленных в трубных решетках, и катализатора в виде зерен или гранул, засыпанных в трубки. Реакционная масса движется по трубам. Теплоноситель движется в межтрубном пространстве. Для равномерного распределения теплоносителя по всему поперечному сечению межтрубного пространства в нем установлены распределительные устройства, представляющие собой пластины с проходным сечением, изменяющимся в радиальном направлении [Патент ФРГ №2903582, B01J 8/02, 1980].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится отсутствие распределительного устройства, выравнивающего расход реакционной массы в трубках трубного пучка, что приводит к неодинаковой степени конверсии и температуре реакционной массы и катализатора в трубах, неравномерности потери катализатором каталитических свойств и снижению качеств продуктов реакции на выходе.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому объекту и принятому за прототип является кожухотрубный реактор для проведения экзо - и эндотермических реакций, содержащий корпус, трубные решетки, пучки труб, внутри которых размещен катализатор, технологические патрубки и распределительные устройства, выполненные в виде трубки с щелевыми прорезями в верхней части и установленные внутри каждой трубы у нижнего ее торца, при этом распределительные трубки снабжены подвижными регулируемыми крышками, расположенными над щелевыми прорезями [Авт. св. СССР № 1134230, B01J 8/00, 1985].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится неодинаковый расход реакционной массы в трубах, так как распределительные устройства в виде трубок, установленные внутри каждой трубы у нижнего ее торца, просто делят попадающий в трубу расход на два потока, но никак не влияют на выравнивание расхода по всем трубам трубного пучка. Это приводит к неодинаковой степени конверсии и температуре реакционной массы и катализатора в трубах, неравномерности потери катализатором каталитических свойств и снижению качества продуктов реакции на выходе.
Техническим результатом предлагаемой конструкции кожухотрубного реактора является увеличение качества продуктов реакции за счет выравнивания расходов реакционной массы на входе в трубы трубного пучка.
Поставленный технический результат достигается тем, что в кожухотрубном реакторе, содержащем корпус, трубные решетки, пучки труб, внутри которых размещен катализатор, технологические патрубки и распределительные устройства, при этом каждое распределительное устройство выполнено в виде конической крышки, жестко соединенной упругой цилиндрической пружиной с нижним торцом трубы и установленной осесимметрично с ней, при этом вершина крышки направлена на вход в трубу реакционной массы.
Выполнение распределительного устройства в виде конической крышки уменьшает его массу, что снижает инерцию и увеличивает свободу его вертикального перемещения при колебаниях расхода реакционной массы в трубе. Это увеличивает его возможность выравнивания расходов реакционной массы в трубах трубного пучка и равномерность превращения исходных веществ в продукты реакции, а значит, повышает в целом их качество.
Установка конической крышки осесимметрично с трубой, с вершиной крышки, направленной на вход в нее реакционной массы, снижает гидравлическое сопротивление конической крышки за счет равномерного обтекания его боковой поверхности реакционной массой на входе в трубу, что увеличивает способность к выравниванию расходов реакционной массы в трубах трубного пучка, а значит и скорость протекания реакции, степень конверсии, температуру и, в конечном счете, повышает в целом качество продуктов реакции.
Жесткое соединение конической крышки упругой цилиндрической пружиной с нижним торцом трубы позволяет при колебаниях расхода реакционной массы в трубе соответственно: с увеличением расхода -сжиматься пружине, тем самым уменьшая сечение на входе в трубу реакционной массы, то есть уменьшать ее расход, и наоборот, с уменьшением расхода - растягиваться пружине, тем самым увеличивая сечение на входе в трубу реакционной массы, то есть увеличивать ее расход, что в целом способствует повышению качества продуктов реакции.
Таким образом, выполнение распределительного устройства в виде конической крышки, жестко соединенной упругой цилиндрической пружиной с нижним торцом трубы и установленной осесимметрично с ней, при этом вершина крышки направлена на вход в трубу реакционной массы позволяет при колебаниях общего расхода реакционной массы выравнивать ее расходы по трубам трубного пучка, что приводит к одинаковым скоростям реакции, температуре, степени конверсии и использовать в полной мере каталитическую активность катализатора, а значит к повышению качества продуктов реакции.
На фиг. 1 представлен общий вид кожухотрубного реактора в разрезе, на фиг. 2 - распределительное устройство на входе реакционной массы в трубу.
Кожухотрубный реактор состоит из корпуса 1 с патрубками входа 2 и выхода 3 теплоносителя в межтрубном пространстве, патрубками входа 4 и выхода 5 реакционной массы, трубных решеток 6, в которых закреплены трубы 7 трубного пучка. В трубах 7 трубного пучка засыпаны гранулы или зерна катализатора 8. В нижней части каждой трубы 7 трубного пучка ее сечение закрыто сеткой 9 с размером ячеек меньшим, чем размер гранул или зерен катализатора 8. Осесимметрично с каждой трубой 7 на входе в нее реакционной массы установлено распределительное устройство в виде конической крышки 10, при этом вершина крышки направлена на вход в трубу 7 реакционной массы. Коническая крышка 10 жестко соединена с нижним торцом трубы 7 упругой цилиндрической пружиной 11.
Кожухотрубный ректор работает следующим образом.
Реакционную массу подают по патрубкам 4 в трубы 7 трубного пучка, которая взаимодействует с катализатором 8 и выходит в виде продуктов реакции через патрубок 5 из реактора. Теплоноситель подают по патрубку 2 в межтрубное пространство и выводят из корпуса 1 по патрубку 3.
Выравнивание расходов реакционной массы в трубах 7 трубного пучка обеспечивает распределительное устройство в виде конической крышки 10. Если в какой - то трубе 7 расход реакционной массы возрастает, то возрастает и ее скорость в кольцевом зазоре между торцом трубы 7 и конической крышкой 10. Рост скорости приводит к снижению давления, под действием которого коническая крышка перемещается вверх, сжимая витки упругой цилиндрической пружины 11. Проходное сечение для реакционной массы между торцом трубы 7 и конической крышкой 10 уменьшается, что способствует снижению расхода реакционной массы в трубу 7 и его выравниванию с расходом в других трубах 7 трубного пучка, при этом упругая цилиндрическая пружина 11 ограничивает при сжатии ее витков перемещение конической крышки 10; и наоборот, если в трубе 7 расход реакционной массы становится меньше, чем в других трубах 7 трубного пучка, то скорость реакционной массы в кольцевом зазоре между торцом трубы 7 и конической крышкой 10 уменьшается. Уменьшение скорости приводит к росту давлению в этом зазоре, которое заставляет коническую крышку опускаться вниз, увеличивая проходное сечение вышеназванного кольцевого зазора, что способствует возрастанию расхода в трубе 7, при этом упругая цилиндрическая пружина 11 ограничивает растяжение ее витков и перемещение конической крышки 10 вниз.
Таким образом, распределительное устройство в виде конической крышки, жестко соединенной упругой цилиндрической пружиной с нижним торцом трубы и установленной осесимметрично с ней, при этом вершина крышки направлена на вход в трубу реакционной массы, позволяет при колебаниях общего расхода реакционной массы на входе в реактор выравнивать локальные расходы реакционной массы в каждой трубе, что способствует выравниванию средних скоростей реакционной массы в трубах трубного пучка, а значит равномерному и одинаковому протеканию самой химической реакции во всех трубах, равномерному использованию каталитических свойств катализатора и одинаковому температурному режиму по высоте труб без термической деструкции катализатора и реакционной массы, а также одинаковой степени конверсии. Все вышесказанное повышает качество продуктов реакции, а также способствует стабильной работе кожухотрубного реактора и уменьшает затраты на его эксплуатацию.
Распределительные устройства у каждой трубы трубного пучка в кожухотрубном реакторе предлагаемой конструкции несложны и в изготовлении и монтаже. Их можно установить как не вновь проектируемые кожухотрубные реакторы, так и находящиеся в эксплуатации.