ПСЕВДОИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ ХИМИЧЕСКИЙ РЕАКТОР ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
PSEUDO ISOTHERMAL HIGH-PRESSURE CHEMICAL REACTOR

Настоящее изобретение относится к работающему при высоком давлении псевдоизотермическому химическому реактору с расположенными в его реакционном пространстве теплообменниками так называемого пластинчатого типа.
В приведенном ниже описании и в формуле изобретения под "псевдоизотермическим реактором" подразумевается химический реактор, в котором реакции протекают при контролируемой температуре в узком диапазоне отклонений от предварительно заданной (оптимальной) температуры.
Под "пластинчатым теплообменником" подразумевается коробчатый теплообменник по существу плоской прямоугольной формы, изготовленный из двух уложенных с зазором друг на друга и соединенных по периметру металлических листов, образующих внутреннюю полость теплообменника, через которую пропускают текучий теплоноситель.
Для проведения реакции в псевдоизотермических условиях температуру реакционного пространства реактора, в котором протекает реакция, необходимо регулировать в заданном узком диапазоне допустимых отклонений от оптимальной температуры.
Поэтому при проведении в реакторе в псевдоизотермических условиях экзотермических реакций из реакционного пространства отбирают тепло, а при проведении эндотермических реакций в реакционное пространство подводят тепло.
Для регулирования температуры реакции в псевдоизотермических реакторах используют расположенные в реакционном пространстве теплообменники, через которые пропускают текучий теплоноситель, отбирая тепло из зоны реакции или подводя тепло в зону реакции.
Из всего многообразия теплообменников наиболее пригодны для этой цели пластинчатые теплообменники указанного выше типа, которые позволяют должным образом регулировать температуру в псевдоизотермическом химическом реакторе.
Такие теплообменники, однако, обладают определенным недостатком, который связан с их плоской формой и заключается в низкой прочности теплообменника под действием внешнего давления и возможном сплющивании и короблении в реакторах высокого давления, например, в реакторах синтеза мочевины.
Деформация теплообменника сопровождается уменьшением площади поперечного сечения внутренних каналов теплообменника, через которые пропускают рабочую жидкость.
При определенной деформации теплообменника рабочая жидкость уже не проходит через его внутренние каналы, и процесс теплообмена с зоной реакции прекращается, в результате чего реактор перестает работать в псевдоизотермических условиях, а выход реакции соответственно существенно снижается.
В основу настоящего изобретения была положена задача предложить псевдоизотермический химический реактор с расположенными в зоне реакции теплообменниками так называемого пластинчатого типа, которые не имели бы недостатков известных пластинчатых теплообменников и могли бы выдерживать без деформации и коробления высокую разность давлений между зоной реакции (высокое давление) и внутренней полостью теплообменника (низкое давление).
Указанная задача решается с помощью предлагаемого в изобретении псевдоизотермического химического реактора со множеством коробчатых теплообменников по существу плоской прямоугольной формы, изготовленных из двух уложенных друг на друга и соединенных по периметру металлических листов, образующих внутреннюю полость теплообменника, через которую в определенном направлении пропускается текучий теплоноситель, причем между этими металлическими листами теплообменника в его внутренней полости расположены промежуточные элементы, предотвращающие сплющивание (уменьшение зазора между листами) или выпучивание (увеличение зазора между листами) металлических листов и изготовленные в виде металлической сетки, вытянутой металлической пластины или решетки, приваренных к листам теплообменника в заранее выбранных точках.
Точки, в которых промежуточные элементы приварены к листам теплообменника, в частности, могут быть расположены в шахматном порядке.
Далее изобретение более подробно рассмотрено ниже на примере не ограничивающего, а только иллюстрирующего изобретение варианта выполнения предлагаемого в нем химического реактора со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - схематичный вид в продольном разрезе предлагаемого в изобретении реактора,
на фиг.2 - схематичный вид в аксонометрии одного из теплообменников реактора, показанного на фиг.1,
на фиг.3 - схематичный поэлементный вид в аксонометрии теплообменника, показанного на фиг.2,
на фиг.4 - схематичный вид теплообменника в продольном разрезе плоскостью IV-IV по фиг.2,
на фиг.5 - схематичный вид теплообменника в продольном разрезе плоскостью IV-IV по фиг.2 с показанными точками крепления и
на фиг.6 - схематичный вид фрагмента показанного на фиг.2 теплообменника, выполненного по показанному на фиг.5 варианту.
Предлагаемый в изобретении и рассмотренный ниже со ссылкой на фиг.1-6 псевдоизотермический химический реактор обозначен общей позицией 1.
Реактор 1 имеет закрытый с противоположных концов крышкой 3 и днищем 4 по существу цилиндрический корпус 2 с реакционным пространством или зоной 6 реакции, расположенной внутри корпуса 2 между показанными на фиг.1 плоскостями А-А и В-В.
Псевдоизотермический химический реактор 1 имеет расположенный на крышке 3 верхний патрубок 14 и расположенный на днище 4 нижний патрубок, предназначенные для подачи в реактор исходных реагентов и соответственно для отбора из реактора продуктов реакции.
В реакционном пространстве 6 реактора расположены коробчатые пластинчатые теплообменники 7 по существу плоской прямоугольной формы, каждый из которых изготовлен из двух уложенных друг на друга металлических листов 8, 8а, соединенных по периметру приваренными к ним сварными швами 22 боковыми элементами 13 и образующих в теплообменнике внутреннюю полость 9, через которую в определенном направлении проходит текучий теплоноситель.
Реактор имеет также патрубки 16 и 17, через которые соответственно в реактор подается и из реактора отводится текучий теплоноситель. Патрубок 16 (через который в реактор 1 подается текучий теплоноситель) соединен с расположенным над теплообменниками 7 распределителем 18, который в свою очередь соединен трубами 19 с внутренними полостями теплообменников. Реактор 1 имеет также расположенный под теплообменниками 7 коллектор 20, который с одной стороны соединен трубами 21 с теплообменниками, а с другой стороны соединен с патрубком 17 (через который из реактора отводится прошедший через теплообменники текучий теплоноситель).
По трубам 19 и 21, которые входят внутрь теплообменника 7 соответственно через отверстия 10 и 11, текучий теплоноситель проходит внутрь теплообменника и соответственно выходит из него.
Предлагаемый в изобретении теплообменник 7 имеет промежуточные, или дистанционные, элементы 12, расположенные во внутренней полости 9 теплообменника между металлическими листами 8, 8а.
Промежуточные элементы 12 могут включать металлическую сетку, вытянутые металлические пластины, либо решетку.
На фиг.4 промежуточные элементы 12 схематично показаны зажатыми между пластинами теплообменника 7.
Промежуточные элементы 12 расположены внутри теплообменника 7 и равномерно по всей площади прижаты к обоим металлическим листам 8, 8а теплообменника, которые при наличии таких промежуточных элементов могут выдерживать высокое внешнее давление.
В предлагаемом в изобретении реакторе 1 исходные реагенты через патрубок 14 попадают в зону 6 реакции, в которой в результате протекающей в ней реакции образуются продукты реакции, которые отбирают из реактора 1 через патрубок 15. Псевдоизотермические условия в зоне 6 реакции поддерживаются теплообменниками 7, благодаря которым в зоне 6 реакции происходит теплообмен между пропускаемым через них текучим теплоносителем и исходными реагентами и продуктами реакции.
Описанные выше решения позволяют создать псевдоизотермический реактор с теплообменниками, которые могут работать в зоне реакции, давление в которой намного превышает давление внутри самих теплообменников. Использование предлагаемых в изобретении теплообменников, которые во время работы не коробятся (не сплющиваются и не выпучиваются) и теплообменная способность которых не меняется даже при очень высоком внешнем давлении, позволяет решить указанную выше положенную в основу изобретения задачу и устранить недостатки известных в настоящее время псевдоизотермических реакторов с обычными пластинчатыми теплообменниками.
Реактор и, в частности, теплообменники 7, предлагаемые в настоящем изобретении, предназначены, например, для получения мочевины, когда при давлении в теплообменниках, равном обычно около 6 бар, давление в реакторе может достигать 250 бар.
Промежуточный элемент 12, изготовленный, например, из металлической сетки, приваривается к листам 8, 8а теплообменника 7 в заранее намеченных точках 100. В варианте, показанном на фиг.5 и 6, точки, в которых промежуточный элемент (сетка) приварен к листам теплообменника, расположены в шахматном порядке. В принципе эти точки можно расположить по всей площади промежуточного элемента 12 не в шахматном порядке, а в вершинах квадратов или треугольников.
Приваренный к листам 8, 8а теплообменника в точках 100 промежуточный элемент 12 придает листам дополнительную жесткость и прочность, поэтому выполненные таким образом теплообменники 7 могут, не деформируясь, работать и в аварийных ситуациях, когда давление внутри теплообменника на некоторое время становится больше внешнего давления в зоне 6 реакции. Такие условия возникают, например, на переходных режимах работы реактора (при его запуске или остановке), а также при нарушении его нормального режима работы.
Увеличение количества точек 100, в которых промежуточный элемент приварен к листам теплообменника, и уменьшение шага между соседними точками повышает сопротивление теплообменника 7 к воздействию внутреннего (и внешнего) давления.
Изобретение не исключает возможности внесения в рассмотренные выше варианты его осуществления различных изменений и усовершенствований, не выходя при этом за объем изобретения, определяемый его формулой.