ТЕПЛООБМЕННИК-РЕАКТОР
HEAT EXCHANGER-REACTOR

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в энергетической, химической, нефтехимической и других отраслях промышленности, при осуществлении процессов, сопровождаемых большими тепловыми эффектами, в частности при гетерогенно-каталитическом окислении, гидрировании и дегидрировании.
Известен реактор для проведения эндотермических и экзотермических каталитических реакций, состоящий из кожуха, труб теплопередачи, в которых может быть расположен твердый катализатор. Кроме того, теплообменник содержит периферийные трубы теплопередачи. Реакционная смесь проходит через слой катализатора, расположенного вне труб теплопередачи, затем - через слой катализатора, расположенного в кольцевом пространстве двойных труб теплопередачи или внутри труб теплопередачи, после чего покидает аппарат через периферийные трубы теплопередачи (Патент РФ 2379100 МПК С2 B01J 8/02 С01В 3/3, опубл в 2008 году).
Реактор сложен по конструкции. Загрузка и выгрузка катализатора затруднительны. Большое сопротивление реакционным газам не оправдано повышенной эффективностью теплообмена по сравнению с другими аналогичного назначения аппаратами.
Известен кожухотрубный реактор с жидкостным охлаждением под давлением для проведения каталитических реакций, содержащий пучок вертикальных заполненных катализатором реакторных труб, концы которых герметично закреплены в верхней и нижней трубных решетках. Трубные решетки соединены с корпусом герметично посредством уплотнительного устройства и состоят из отдельных участков, соединенных герметично друг с другом также герметизирующим устройством. По меньшей мере одна из трубных решеток имеет фиксирующий элемент в виде параллельного к решетке удерживающего диска, а также отверстие для прохода отводящей или подводящей трубы. Узлы реактора могут быть соединены сваркой и не нуждаются в термической обработке после сборки (Патент РФ 2392045 МПК B01J 8/06 опубл. 2008 году).
В кожухотрубном реакторе указанной конструкции сложно добиться равномерного и одинакового во всех трубах теплообмена, а также согласованности скоростей отвода или подвода тепла со скоростью процесса, происходящего в катализаторных трубах. Более того, в реакторе остаются полости, используемые недостаточно полно. Разборка и ремонт реакторов с паровым барабаном более сложны по сравнению с традиционной компоновкой реакторов.
Известен теплообменник, пригодный для проведения химических процессов, в котором проходы для нагреваемой среды (холодного теплоносителя) постепенно увеличиваются, а для нагревающей среды (охлаждаемого теплоносителя) - постепенно сужаются. Скорость потока сред вдоль поверхности теплообмена остается постоянной. Это достигается применением кольцевых секторов. В данном аппарате осуществляют оптимальный теплообмен (Заявка Германии DE 102590398 МПК F28D 9/00 опубл. 2004 году).
В таких теплообменниках в кольцевых секторах параметры потока на различных уровнях будут различны. Причем эти различия не совпадают с подобными различиями в соседних секторах. В таком аппарате достичь высокой эффективности достаточно сложно.
Известен теплообменник, который может быть использован в качестве химического реактора, где для выравнивания скорости и градиента сопротивления величина проходного сечения первого потока (трубное пространство) выполняется неравномерной - обратно пропорциональной плотности заполнителя или величине локальных значений теплового потока (Пат. США 4108241 кл. 165/146, МПК F28F 13/00 опубл. 1978 году).
Теплообменник способен работать лишь в узком диапазоне расходов без переналадки.
Наиболее близким к заявляемому изобретению и принятым за прототип является теплообменный аппарат, содержащий корпус в форме усеченного конуса с днищами, патрубки ввода и вывода теплоносителей в трубное и межтрубное пространства, трубные решетки, в отверстиях которых закреплены трубы в форме усеченных конусов наклонно под углом относительно центральной вертикальной оси корпуса, причем трубы, кроме центральной, дополнительно наклонены путем смещения концов по окружностям их размещения в трубной решетке на 0,5-50,0 градусов, а отверстия в трубных решетках выполнены под усеченные конуса одинаковой высоты сомкнутыми вершинами (Патент на полезную модель РФ 101162 МПК F28D 15/00 опубл. в 10.01.2011 году). Однако в известном теплообменном аппарате недостаточно полно используется объем, что приводит к недостаточно высокой интенсивности теплообмена и, кроме того, создаются дополнительные напряжения, возникающие в процессе эксплуатации, вызываемые центробежными силами, что снижает надежность работы аппарата.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении интенсивности теплообмена и эффективности процесса в ректоре, а также повышении надежности при эксплуатации.
Технический результат достигается тем, что в теплообменнике-реакторе, содержащем корпус в форме усеченного конуса с днищами, патрубки ввода и вывода теплоносителей трубного и межтрубного пространств, трубные решетки, в отверстиях которых закреплены по концентрическим окружностям наклонно к оси, по меньшей мере, два ряда труб, кроме того, трубы дополнительно наклонены со смещением по дугам окружностей размещения их концов на одной из трубных решеток, центральную трубу, при этом, по меньшей мере, в одном ряду, трубы наклонены со смещением по дугам окружностей размещения их концов на одной из трубных решеток в противоположном направлении относительно наклона со смещением в прилежащем ряду или в прилежащих рядах.
Трубы имеют форму усеченного конуса.
Поверхность корпуса выполнена вогнутой к своей вертикальной оси, при этом максимальная вогнутость расположена на расстоянии 02,58-0,65 от большой трубной решетки.
В центральной трубе расположены тепловые и другие датчики.
На фиг.1 показан общий вид теплообменника-реактора (без теплоизоляции и опорных приспособлений), на фиг.2 - общий вид трубного пучка, по меньшей мере, с двумя рядами труб и с трубными решетками (без корпуса и днищ), на фиг.3 - вид А в направлении трубного пучка по фиг.2 (без трубных решеток), на фиг.4 - вид Б в направлении трубного пучка (без трубных решеток).
Теплообменник-реактор (фиг.1) содержит корпус 1 в форме усеченного конуса с вогнутой в направлении к его вертикальной оси поверхностью с днищами 2, 3, патрубки 4, 5 ввода и вывода теплоносителя трубного пространства, а также патрубки 6, 7 ввода и вывода теплоносителя межтрубного пространства. Внутри корпуса 1 размещен трубный пучок (фиг.2). Он состоит из, по меньшей мере, двух рядов конусообразных труб 8, 9, расположенных по концентрическим окружностям и закрепленных концами в трубных решетках 11, 12. Отверстия в трубных решетках 11, 12 выполнены под усеченные конусы одинаковой высоты сомкнутыми малыми вершинами. Центральная труба 10 конусообразной формы, ее ось совпадает с вертикальной осью корпуса 1. Внутри трубы 10 расположен кожух для тепловых и других датчиков. Трубы 8, 9 расположены с наклоном одновременно в двух направлениях: с наклоном к вертикальной оси корпуса 1 и с дополнительным наклоном, выполненным путем смещения концов в окружном направлении, т.е. по дугам окружностей размещения их в трубных решетках 11 или 12. При этом углы наклонов выполнены в пределах 0,5-50,0 градусов от вертикальной плоскости, проходящей через вертикальную ось корпуса 1. Направление дополнительных наклонов труб 8, 9 выполнены чередующимся. Например, трубы 9 второго ряда с края пучка наклонены в противоположную сторону по отношению к трубам 8 первого крайнего ряда. Может быть выбран любой другой порядок чередования рядов с противоположными наклонами. Предпочтительно, если чередование будет осуществляться через два или нескольких рядов от крайнего ряда.
В результате осуществления двух видов наклонов достигнуто уменьшение диаметра трубного пучка. Это уменьшение плавно развивается при мысленном движении от трубных решеток 11, 12 в направлении к средней области. Минимальный диаметр достигнут на расстоянии 0,58-0,65 высоты, проведенной от большой трубной решетки 11.
На этой высоте корпус 1 имеет максимальное сужение. Расстояние от внутренней поверхности корпуса 1 до трубного пучка равно расстоянию между наружными поверхностями труб 8, 9, а на трубных решетках - согласно расчетам.
Теплообменник-реактор работает следующим образом. В случае организации теплообмена прямотоком, теплоноситель или реакционная смесь трубного пространства поступает через патрубок 4 и днище 3 малого диаметра в трубы 8, 9, 10, проходя по ним, реагируя и обмениваясь теплом через их стенки с теплоносителем межтрубного пространства, выходит через днище 5 большого диаметра и патрубок 6. При этом поток трубного пространства из-за наклонов труб 8, 9 стремится приобрести закрученный вид. Угол атаки потока трубного пространства направлен в сторону внутренних стенок труб 8, 9. Теплоноситель межтрубного пространства поступает в теплообменник-реактор через патрубок 6 и, отдавая или принимая тепло через наружные стенки труб 8, 9, 10, в теплоноситель трубного пространства, выходит из него через патрубок 7. При организации теплообмена противотоком, теплоноситель или реакционная смесь трубного пространства проходит аналогичный путь, а теплоноситель межтрубного пространства поступает через патрубок 7 и, обмениваясь теплом через стенки труб 8, 9, 10 с теплоносителем или реакционной смесью трубного пространства, выходит через патрубок 6. Иногда выгодно подавать теплоноситель трубного пространства или реакционную смесь через патрубок 5 со стороны большого диаметра теплообменника-реактора. В этом случае потоки организуют в противоположных направлениях.
Преимущества заявляемого теплообменника-реактора в том, что если в каком-то ряду труб в межтрубном пространстве возникает закручивание потока в одном направлении, то в следующем за ним другом ряду формируется закручивание в противоположном направлении. Центробежные силы, возникающие при наклонах одинаковой направленности, уравновешиваются. Осевая нагрузка от потока трубного пространства распределяется более равномерно.
При направлении потока от периферии к центру, от входа к выходу и по окружности, поток приобретает сложную по направлениям волнообразную форму, более равномерную по всем направлениям. Некоторое увеличение сопротивления потоку, вызванное изменением направления части потока при соприкосновении с трубами, наклоны которых противоположны, способствует увеличению части потока, направляющейся по окружности, обеспечивая полноту использования объема. При этом исчезают преобладающие по скорости отдельные течения. Омывание внешних поверхностей труб приближается к поперечному омыванию, а общее сопротивление теплообменника-реактора не увеличивается.
В трубном пространстве появляется разнонаправленная вторичная циркуляция, возникающая в поперечном сечении труб, интенсифицируя теплообмен и процессы в реакторе.
В результате использования корпуса с вогнутой поверхностью и осуществления двух видов наклонов труб происходит дополнительное уменьшение проходного сечения межтрубного пространства. Это приводит к дополнительному увеличению скорости потока, следовательно, усилению теплообмена в области, где наиболее вероятны перегревы или дефицит тепла в трубном пространстве, кроме того, разнонаправленные наклоны труб уравновешивают центробежные силы, что способствует повышению надежности реактора при эксплуатации. Отпадает необходимость усиливать входные параметры теплоносителя межтрубного пространства, что позволяет экономить тепловую и/или электрическую энергию. Таким образом, в предлагаемом теплообменнике-реакторе полнота использования тепловой энергии повышается на 6-7%.
За счет более равномерного и интенсивного теплообмена, уменьшения или полного исчезновения зон перегрева или переохлаждения, как показали предварительные расчеты, выход целевых продуктов в процессах таких, как дегидрирование и парциальное окисление углеводородов, увеличивается до 10%.