КОЖУХОТРУБНЫЙ РЕАКТОР

Предлагаемое техническое решение относится к реакторам для проведения неизотермических каталитических и некаталитических реакций и может найти применение в химической, нефтехимической, топливо-энергетической, атомной и других отраслях промышленности, связанных с выделением, поглощением и отводом тепла или его подводом в реактор.
Известен реактор с пучком труб для проведения каталитических неизотермических реакций в газовой фазе, который состоит из корпуса и трубного пучка, закрепленного в трубных решетках. Каждая труба трубного пучка выполнена цилиндрической, то есть равного диаметра по всей высоте. Для равномерного распределения теплоносителя по всему поперечному сечению межтрубного пространства в нем установлены распределительные пластины с проходным сечением, изменяющимся в радиальном направлении. (Патент ФРГ №2903582, B01J 8/06, 1980 г.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата относится невысокая скорость теплопередачи в цилиндрических трубах трубного пучка, что требует специальных внешних устройств, изменяющих расход и температуру реакционной массы на входе в зависимости от ее температуры внутри труб трубного пучка, и увеличивает сложность проведения неизотермических процессов.
Известен также кожухотрубный реактор для проведения неизотермических реакций, состоящий из корпуса с пучком труб, закрепленных в трубных решетках, и патрубков для входа и выхода реакционной массы и теплоносителя, при этом каждая труба трубного пучка выполнена из трех или более трубок равной длины, диаметр которых увеличивается по ходу потока реакционной массы или конически расширяющейся по ходу потока реакционной массы, а также снабжена размещенными на ее наружной поверхности ребрами с высотой, уменьшающейся по ходу потока реакционной массы и наружным диаметром, равным диаметру трубы на выходе (Авт. св. СССР №1088781, Кожухотрубный реактор, B01J 19/00, 1984 г.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная интенсивность теплопередачи таких секционных труб на входе в реактор, где тепловыделение или теплопоглощение за счет реакции наибольшие.
Наиболее близким техническим решением по совокупности общих признаков к заявляемому объекту и принятому за прототип является кожухотрубный реактор для проведения неизотермических реакций, состоящий из корпуса с пучком труб, закрепленных в трубных решетках, и патрубков для входа и выхода реакционной массы и теплоносителя, при этом каждая труба трубного пучка выполнена цилиндрической и снабжена симметрично установленными на внутренней поверхности пластинами треугольной формы с основанием у нижнего торца. (Патент на полезную модель РФ №106140, B01J 8/00, 2011 г.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная интенсивность теплопередачи поверхности труб, особенно на входе реакционной массы в трубы трубного пучка, где тепловыделение или теплопоглощение за счет протекания химической реакции наибольшие.
Техническим результатом предлагаемого кожухотрубного реактора является интенсификация процесса теплопередачи на входе реакционной массы за счет увеличения поверхности теплоотдачи внутри каждой трубы.
Поставленный технический результат достигается тем, что в кожухотрубном реакторе для проведения неизотермических реакций, состоящем из корпуса с пучком цилиндрических труб, закрепленных в трубных решетках и снабженных симметрично установленными на внутренней поверхности пластинами треугольной формы с основанием на входе потока реакционной массы в трубу, и патрубков для входа и выхода реакционной массы и теплоносителя, при этом каждая пластина снабжена вертикальным ребром трапецеидальной формы с большим основанием на входе потока реакционной массы в трубу и симметрично установленным на внутренней поверхности пластины.
Снабжение каждой пластины вертикальным ребром увеличивает поверхность теплоотдачи внутри труб, где протекает экзо- или эндотермическая реакция, что обеспечивает повышение теплоотвода в экзотермических реакциях или теплоподвода в эндотермических и в целом увеличивает интенсивность теплопередачи.
Выполнение ребер в виде трапеций с основанием на входе потока реакционной массы в трубу позволяет создавать теплопередающую поверхность внутри труб, постепенно уменьшающуюся от входа к выходу реакционной массы с наибольшей теплопередающей поверхностью у входа реакционной массы в трубы, где тепловыделение или теплопоглощение за счет химической реакции наибольшие, и с наименьшей теплопередающей поверхностью у выхода реакционной массы из труб трубного пучка, где реакция затухает и тепловыделение или теплопоглощение наименьшие, и поверхность теплоотдачи может быть ограничена поверхностью самой трубы без ее оребрения, что обеспечивает выравнивание температуры по объему реакционной массы в трубах и в конечном счете увеличивает интенсивность теплопередачи.
Симметричная установка ребер на внутренней поверхности пластин позволяет равномерно по сечению труб распределять боковые теплопередающие поверхности ребер по сечению труб, а значит, равномерно отводить или подводить тепло к реакционной массе, что предотвращает термический перегрев или переохлаждение реакционной массы и зерен катализатора внутри труб и увеличивает в общем скорость теплопередачи.
Таким образом, дополнительная вертикальная симметричная установка ребер трапецеидальной формы на каждой пластине с основанием на входе потока реакционной массы позволяет увеличить поверхность теплопередачи на входе в трубы трубного пучка, где тепловыделение или теплопоглощение за счет химической реакции наибольшие и постепенно уменьшать эту теплопередающую поверхность ребер от входа к выходу реакционной массы из кожухотрубного реактора и выровнять температуру по объему реакционной массы, что приводит к увеличению скорости теплообмена и интенсификации теплопередачи.
На фиг.1 изображен общий вид кожухотрубного реактора с цилиндрическими трубами в трубном пучке, на фиг.2 - вид А сверху на цилиндрическую трубу с установленными в ней пластинами треугольной формы с основанием на входе реакционной массы и вертикальными ребрами трапецеидальной формы, с большим основанием на входе потока реакционной массы в трубы и симметрично установленными на каждой пластине, на фиг.3 - фронтальный вид на треугольную пластину и вертикальное ребро, на фиг.4 - вид сбоку на треугольную пластину и вертикальное ребро.
Кожухотрубный реактор состоит из кожуха 1 с патрубками входа 2 и выхода 3 теплоносителя в межтрубном пространстве, патрубков входа 4 и выхода 5 реакционной массы, трубных решеток 6, в которых закреплены цилиндрические трубы 7 трубного пучка. Внутри каждой трубы 7 симметрично установлены пластины 8 треугольной формы с основанием на входе реакционной массы и засыпаны зерна катализатора 9.
На каждой пластине 8 симметрично вертикально установлены ребра 10 трапецеидальной формы с большим основанием на входе реакционной массы в трубы 7.
Кожухотрубный реактор работает следующим образом.
Исходный поток реакционной массы подается по патрубку 4 в цилиндрические трубы 7 трубного пучка. На входе в трубы 7, где концентрация реагирующих компонентов в сырье наибольшая, выделение тепла в экзотермической реакции или его поглощение в эндотермической реакции наибольшие.
Однако, на входе в трубы 7 площадь поверхности трапецеидальных ребер 10 наибольшая, а значит, наибольший поток тепловой энергии будет отводиться от реакционной массы через стенку труб 7 к хладагенту в межтрубное пространство при экзотермической реакции или подводиться к реакционной массе от теплоносителя через стенку труб 7 и боковую поверхность ребер 10 при эндотермической реакции.
По мере продвижения потока реакционной массы от входа к выходу площадь боковых теплопередающих поверхностей ребер 10 уменьшается. Однако и тепловыделение в экзотермической или теплопоглощение в эндотермической реакции также уменьшается за счет уменьшения концентрации реагирующих компонентов, а значит и самой скорости реакции.
Продукты реакции выходят из корпуса 1 через выходной патрубок 5. Теплоноситель или хладагент поступает в межтрубное пространство по патрубку 2, а выходит по патрубку 3. Симметричная вертикальной установка на внутренней поверхности каждой пластины ребер трапецеидальной формы с большим основанием на входе потока реакционной массы позволяет выравнивать профиль температур по высоте труб реактора даже для сильно экзо- или эндотермических реакций, снизить их абсолютное значение на 6-12% предотвратить термическую деструкцию продуктов реакции и.зерен катализатора, а главное увеличивает интенсивность теплопередачи через поверхности труб и пластин трапецеидальной формы.