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 кожухотрубный реактор для проведения экзотермических и эндотермических реакций, содержащий корпус, трубные решетки, пучки труб, внутри которых размещен катализатор и распределительные устройства, выполненные в виде трубки с щелевыми прорезями в верхней части и установленные внутри каждой трубы у нижнего его торца, при этом трубки снабжены крышками, расположенными над щелевыми прорезями (Авт. св. СССР №1134230, Кожухотрубный реактор, В01J 8/00, 1985 г.).
К причинам, препятствующий достижению заданного технического результата относится сложность изготовления и установки распределительных устройств в каждую трубу трубного пучка, выполненных в виде трубки с щелевыми прорезями в верхней части и их снабжение крышками, расположенными над щелевыми прорезями.
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, В01J 8/06, 1980 г.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата относятся трудности регулирования теплоотдачи реакционной массы в цилиндрических трубах трубного пучка к стенкам труб, 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.
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 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, В01J 19/00, 1984 г.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится сложность изготовления таких секционных трубок с разным диаметром в каждой секции или конически расширяющихся трубок.
Техническим результатом предлагаемого кожухотрубного реактора является упрощение конструкции за счет применения цилиндрических труб в трубном пучке и создания в каждой цилиндрической трубе площади сечения, увеличивающейся по ходу потока реакционной массы.
Поставленный технический результат достигается тем, что в кожухотрубном реакторе для проведения неизотермических реакций, состоящем 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.
Выполнение труб трубного пучка цилиндрическими значительно упрощает конструкцию кожухотрубного реактора, так как именно такие трубы широко используются в кожухотрубных аппаратах. Кроме того для установки цилиндрических труб можно использовать одинаковые верхнюю и нижнюю трубные решетки, что также упрощает конструкцию кожухотрубного реактора.
Симметричная установка на внутренней поверхности каждой цилиндрической трубы пластин треугольной формы с основанием у нижнего торца позволяет внутри каждой цилиндрической трубы создать переменное сечение, постепенно увеличивающееся по ходу потока реакционной массы, что обеспечивает наибольшую скорость реакционной массы на входе в трубы трубного пучка и ее постепенное снижение по мере продвижения к выходу из трубы. Большие скорости реакционной массы на входе в трубы трубного пучка в свою очередь увеличивают коэффициент теплоотдачи. Так как на входе в трубы трубного пучка концентрации реагирующих компонентов в реакционной массе наибольшие, то тепловыделение в экзотермической реакции или теплопоглощение в эндотермической реакции тоже будут наибольшие, и высокое значение коэффициента теплоотдачи будет способствовать хорошему переносу выделяющегося тепла реакции через поверхность трубы и пластин к хладагенту в межтрубное пространство к хладагенту при экзотермической реакции, или переносу тепла через стенку трубы и пластин от теплоносителя в межтрубном пространстве к реакционной массе при эндотермической реакции.
Постепенное уменьшение ширины треугольных пластин по мере движения реакционной массы к выходу из трубного пучка приводит к увеличению сечения, в котором движется реакционная масса, и снижению коэффициента теплоотдачи, но и тепловыделение или теплопоглощение за счет реакции постепенно по мере уменьшения концентрации реагирующих компонентов также уменьшается. Поэтому меньшему количеству выделившейся или поглощенной тепловой энергии за счет реакции будет соответствовать меньший коэффициент теплоотдачи.
Симметричная установка пластин треугольной формы на внутренней поверхности каждой трубы позволяет равномерно использовать поверхность труб и пластин для теплопереноса.
На фиг.1 изображен общий вид кожухотрубного реактора с цилиндрическими трубами в трубном пучке, на фиг.2 - вид сверху на цилиндрическую трубу с установленными в ней пластинами треугольной формы с основанием у нижнего торца, на фиг.3 - пластина треугольной формы.
Кожухотрубный реактор состоит из корпуса 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 цилиндрической трубы 7 симметрично установлены пластины 8 треугольной формы с основанием у нижнего торца. При проведении каталитических процессов внутри каждой трубы 7 засыпаны зерна или гранулы катализатора 9.
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 максимально.
Однако на входе в трубы 7 площадь сечения, в котором движется реакционная масса наименьшая, так как его часть занимают пластины 8 треугольной формы с основанием у нижнего торца, то есть на входе реакционной массы. Наименьшей площади сечения на входе в трубы трубного пучка соответствует наибольшая скорость реакционной массы, а значит, наибольшая теплоотдача от реакционной массы к стенкам трубы 7 и пластин 8 в экзотермической реакции или от стенок трубы 7 и пластин 8 в эндотермической реакции.
По мере продвижения реакционной массы от входа к выходу площадь сечения увеличивается, а скорость реакционной массы уменьшается, соответственно уменьшается коэффициент теплоотдачи. Однако и тепловыделение в экзотермической или теплопоглощение в эндотермической реакции также уменьшается за счет уменьшения концентрации реагирующих веществ реакционной массы. Продукты реакции выходят из корпуса 1 через выходной патрубок 5. Теплоноситель поступает в межтрубное пространство по патрубку 2, а выходит по патрубку 3.
Симметричная установка на внутренней поверхности каждой цилиндрической трубы 7 трубного пучка пластин треугольной формы с основанием у нижнего торца, то есть на входе потока реакционной массы позволяет выравнивать профиль температуры по высоте труб реактора, снизить абсолютное значение температуры на 2-5%, увеличить степень конверсии на 0,8%, предотвратить термическую деструкцию исходных веществ и продуктов реакции и термическую дезактивацию катализатора 9 без установки специальных приборов контроля температуры по длине труб и регулирования подачи реакционной массы, что упрощает конструкцию труб трубного пучка и их эксплуатацию, а также позволяет использовать обычные цилиндрические трубы равного диаметра по высоте, но постепенно увеличивать по их высоте площадь сечения, через которое движется реакционная масса.