ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ ХИМИЧЕСКИЙ РЕАКТОР
ISOTHERMAL CHEMICAL REACTOR

Область техники
В целом, настоящее изобретение относится к химическому реактору, содержащему, по существу, цилиндрическую оболочку (или оболочку высокого давления), закрытую с противоположных концов соответствующими днищами, находящуюся в этой оболочке зону реакции, в которой расположен по меньшей мере один слой катализатора, и погруженный в этот слой катализатора теплообменный блок.
Реактор такого типа особенно подходит для проведения экзотермических или эндотермических химических реакций, проходящих, по существу, при постоянной температуре, то есть в условиях, когда температура реакции поддерживается в достаточно узком интервале вокруг заранее заданной величины или изменяется по заданному закону.
В приведенном ниже описании и следующей далее формуле реактор этого типа описывается в терминах: псевдоизотермический реактор, или кратко изотермический реактор.
В частности, настоящее изобретение относится к изотермическому реактору указанного типа, внутренняя конструкция которого обеспечивает прохождение газов-реагентов и газообразных продуктов реакции через слой катализатора в радиальном или осевом-радиальном направлениях (по отношению к оси цилиндрической оболочки реактора), содержащему теплообменный блок, состоящий из большого числа пластинчатых теплообменников, по существу, коробчатой формы, внутри которых образована камера, через которую должен протекать рабочий теплоноситель.
Уровень техники
Изотермические реакторы описанного типа широко используются. В подобных реакторах на кинетику проводимой химической реакции, как экзотермической, так и эндотермической, благоприятно влияет то, что рабочая текучая среда, проходящая по соответствующему теплообменному блоку, отводит тепло из зоны реакции (слой катализатора) или подводит сюда тепло для обеспечения завершения реакции.
Для эффективного теплообмена с газами-реагентами и газообразными продуктами реакции рабочий теплоноситель должен, в свою очередь, проходить по каждому теплообменнику теплообменного блока в радиальном или по существу радиальном направлении параллельно или встречно-параллельно с потоком этих газов.
Для выполнения этой задачи каждый теплообменник теплообменного блока имеет, по существу, коробчатую конструкцию, преимущественно вытянутой прямоугольной уплощенной формы, с противолежащими длинными сторонами и противолежащими короткими сторонами, со сформированной внутри него камерой, через которую должен протекать рабочий теплоноситель, а также оснащен распределительным трубопроводом и коллекторным трубопроводом для рабочей текучей среды, расположенными по его длинным сторонам. Эти трубопроводы, с одной стороны, связаны текучей средой с внутренней камерой сквозь множество отверстий или окон в трубопроводах, расположенных вдоль одной или более образующих, а с другой стороны, с внешним оборудованием через соответствующие впускные и выпускные патрубки для рабочей текучей среды.
Внутренняя камера каждого теплообменника может быть, в свою очередь, разделена на несколько камер, не имеющих непосредственной связи друг с другом, проходящих параллельно коротким сторонам теплообменника, то есть перпендикулярно его распределительному и коллекторному трубопроводам. Каждая из этих камер сообщается с распределительным трубопроводом и с коллекторным трубопроводом сквозь по меньшей мере одно отверстие в этих трубопроводах, и имеет несколько разделительных перегородок, проходящих параллельно коллекторному и распределительному трубопроводам и образующих тем самым в каждой камере, по существу, проход для текучей среды в виде лабиринта.
При этом текучая среда в каждом теплообменнике делится на большое число потоков, протекающих параллельно в каждом лабиринте в радиальном или осевом-радиальном направлении параллельно или встречно-параллельно по отношению к направлению потока газов-реагентов и газообразных продуктов реакции, проходящих в слое катализатора.
Несмотря на ряд преимуществ, особенно в отношении эффективности теплообмена, описанные реакторы страдают серьезным недостатком, связанным со сложностью и относительно высокими затратами изготовления описанных теплообменников и, в частности, распределительного и коллекторного трубопроводов.
Здесь следует отметить, что, для того чтобы пропустить поток рабочей текучей среды, подводимой к внутренней камере каждого теплообменника и отводимой от нее, необходимо использовать трубопроводы достаточно большого размера (сечения), с соответствующим увеличением общих размеров теплообменников, повышением сложности изготовления, особенно на этапе изготовления теплообменников, а также проблемами в отношении механической прочности распределительного и коллекторного трубопроводов, в частности, при воздействии повышенного давления, которая оказывается значительно ниже, чем механическая прочность внутренней камеры теплообменников.
Размер (сечение) распределительного трубопровода и, соответственно, коллекторного трубопровода должен увеличиваться с увеличением длины теплообменников и, соответственно, потока подводимой и отводимой рабочей текучей среды, что еще больше обостряет отмеченные недостатки.
Краткое изложение сущности изобретения
В основу настоящего изобретения положена задача создания изотермического реактора описанного выше типа, теплообменный блок которого проще и дешевле в изготовлении, и в то же время обеспечивает оптимальную эффективность теплообмена рабочей текучей среды с газами-реагентами и газообразными продуктами реакции, что дает возможность преодолеть отмеченные выше недостатки известных конструкций.
Эта задача решается в изотермическом реакторе, содержащем, по существу, цилиндрическую оболочку, по меньшей мере один слой катализатора, удерживаемый в этой оболочке, и по меньшей мере один теплообменный блок, расположенный в этом слое, при этом теплообменный блок содержит большое число теплообменников, по существу, коробчатой конструкции и преимущественно вытянутой прямоугольной уплощенной формы, причем противолежащие длинные стороны теплообменников параллельны оси цилиндрической оболочки, противолежащие короткие стороны проходят перпендикулярно этой оси, а теплообменники дополнительно содержат внутреннюю камеру, по которой должен протекать рабочий теплоноситель, отличающемся тем, что по меньшей мере один теплообменник по меньшей мере одного теплообменного блока имеет внутри несколько разделительных перегородок, проходящих от одной короткой стороны теплообменника до противолежащей короткой стороны теплообменника на заданном расстоянии от нее, с формированием во внутренней камере, по существу, зигзагообразного прохода для текучей среды с перемежающимися восходящими и нисходящими участками.
В предпочтительном варианте разделительные перегородки проходят во внутренней камере по меньшей мере одного теплообменника на заданном расстоянии друг от друга, составляющем от 10 мм до 120 мм, желательно от 20 мм до 60 мм.
Настоящее изобретение основано на неожиданно обнаруженном факте, что в изотермическом реакторе, имеющем по меньшей мере один теплообменный блок с теплообменниками описанного выше типа, обеспечивается оптимальная эффективность теплообмена между рабочей текучей средой и газами-реагентами и продуктами реакции, и в то же время значительно сокращаются затраты на изготовление теплообменного блока благодаря конструктивной простоте теплообменников этого блока, в котором не требуются сложные распределительный и коллекторный трубопроводы, используемые в известных теплообменниках.
Кроме того, в настоящем изобретении предлагается теплообменник, механическая прочность которого, в частности, при воздействии высокого давления, однородна по всей его поверхности, что дает преимущество при использовании в условиях больших перепадов давления между рабочим теплоносителем, циркулирующим внутри теплообменника, и газообразными реагентами, проходящими через слой катализатора.
Следует отметить, что описанное выше очевидно отличается от известных конструкций, поскольку в теплообменниках реактора, предложенного в изобретении, рабочий теплоноситель циркулирует, в основном, в осевом направлении (поднимаясь и опускаясь), а не в радиальном, как это требуется в известных конструкциях для достижения оптимальной эффективности теплообмена.
Основная причина, по которой в известных конструкциях используется только радиальное (или осевое-радиальное) направление движения потока рабочего теплоносителя в соответствующих теплообменниках реактора, состоит в том, что при осевом направлении потока возникает неравномерное распределение температуры по высоте слоя катализатора, поскольку рабочий теплоноситель подвергается охлаждению (или нагреву) при движении вдоль оси теплообменника. Это неблагоприятно сказывается на кинетике реакции, так как газы-реагенты и продукты реакции, которые, напротив, протекают по слою катализатора в радиальном направлении, попадают в совершенно различные температурные условия, зависящие от того, на какой высоте проходит радиальный поток через слой катализатора.
Тем не менее, указанный недостаток устраняется или, по меньшей мере, значительно ослабляется в предложенном в изобретении изотермическом реакторе, благодаря использованию теплообменников по меньшей мере одного теплообменного блока с несколькими разделительными перегородками в соответствующей внутренней камере, где путь протекания потока теплоносителя в теплообменниках распределен по нескольким восходящим и нисходящим участкам. При этом отмечается, что температуры, измеренные на разной высоте в слое катализатора, оказываются более однородными (то есть максимальная разница температур не превышает нескольких градусов Цельсия), в результате чего достигается эффективность теплообмена, сравнимая с упомянутыми выше известными теплообменниками.
В соответствии с изобретением число разделительных перегородок в каждом теплообменнике (а значит и число восходящих и нисходящих участков для прохождения теплоносителя) может изменяться согласно требованиям в зависимости от характеристик экзотермической или эндотермической реакции, управляемой через ее кинетику. Как правило, число разделительных перегородок увеличивается с усилением экзотермического или эндотермического характера реакции, управляемой посредством ее кинетики, для достижения, по существу, равномерной температуры по всему слою катализатора.
Другие особенности и преимущества настоящего изобретения будут более понятны из следующего далее описания варианта осуществления, приведенного в качестве не ограничивающего изобретения примера, проиллюстрированного приложенными чертежами.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлен перспективный вид с частичным сечением радиального изотермического реактора, включающего один теплообменный блок, содержащий несколько теплообменников, предложенных в изобретении,
на фиг.2 схематически изображен один из теплообменников теплообменного блока, показанного на фиг.1,
на фиг.3 изображен поперечный разрез по линии III-III теплообменника, показанного на фиг.2,
на фиг.4 схематически показано сечение теплообменника, изображенного на фиг.2, по линии IV-IV на фиг.3.
Подробное описание предмета изобретения
На фиг.1 представлен изотермический реактор 1, содержащий цилиндрическую оболочку 2, ось которой расположена вертикально, закрытую с противоположных концов, соответственно, нижним днищем 3 и верхним днищем 4. В верхнем днище 4 имеется отверстие 6 для впуска газов-реагентов, а также смотровой люк 5, в то время как в нижнем днище 3 имеется отверстие 8 для выпуска газообразных продуктов реакции и отверстие 7 для выпуска катализатора.
В оболочке 2 образована зона или среда 9 реакции, в которой обычно удерживается слой 10 катализатора, по существу, цилиндрической формы, коаксиальный с оболочкой 2. Слой 10 катализатора совместно с оболочкой 2 образует пространство 11 уменьшенной толщины, и центральный канал 12, проходящий по оси оболочки.
Слой 10 катализатора перфорирован для обеспечения прохода газов-реагентов из пространства 11 в зону 9 реакции, в то время как у центрального канала 12, также проницаемого для газа, верхний конец 12а заглушен, а нижний конец 12b открыт и непосредственно сообщается с отверстием 8 в днище 3.
Слой 10 катализатора вмещает определенное количество подходящего катализатора (не показан), в который погружен и где известным образом закреплен теплообменный блок, в целом имеющий обозначение 13.
У теплообменного блока 13, имеющего внешне цилиндрическую конфигурацию, наружный диаметр приблизительно равен внутреннему диаметру слоя 10 катализатора, а внутренний диаметр приблизительно равен наружному диаметру центрального канала 12.
В частности, в соответствии с предпочтительным, но не ограничивающим изобретение вариантом его осуществления, схематически изображенным на фиг.1, теплообменный блок 13 содержит несколько теплообменников 14, радиально расположенных двумя равномерно распределенными коаксиальными и концентрическими рядами. Как показано на фиг.2-4, каждый теплообменник 14 имеет, по существу, вытянутую прямоугольную уплощенную коробчатую форму. В соответствии с конструкцией, представленной на фиг.1, в теплообменном блоке 13 длинные стороны 14а всех теплообменников 14 параллельны оси оболочки 2, а короткие стороны 14b и 14с перпендикулярны ей.
Как более детально показано на фиг.2-4, каждый из теплообменников 14 состоит из наложенных друг на друга двух металлических пластин 15, 16, разнесенных на заданное расстояние и скрепленных друг с другом по периметру сварным швом 17 так, что между ними сформирована камера 18, через которую должен проходить рабочий теплоноситель.
В соответствии с настоящим изобретением внутри теплообменника 14 имеется несколько расположенных друг за другом разделительных перегородок 19, отделенных друг от друга заданным интервалом, например, от 30 мм до 40 мм. Разделительные перегородки 19 отходят от короткой стороны 14b или 14с теплообменника на заданное расстояние, меньшее, чем длина длинных сторон 14а, в одном направлении с длинными сторонами 14а.
В предпочтительном варианте каждая разделительная перегородка 19 формируется путем сварки друг с другом двух пластин 15 и 16, из которых выполнен теплообменник 14, начиная от заданного места на одной из коротких сторон 14b или 14с и продолжая в направлении противолежащей короткой стороны 14с или 14b, от которой она отделена заданным интервалом.
В частности, в соответствии с настоящим изобретением разделительные перегородки 19 каждой пары последовательно расположенных разделительных перегородок 19 проходят от противолежащих коротких сторон 14b и 14с соответственно, в результате чего каждая перегородка 19 разделяет камеру 18 на две смежные части, соединяющиеся друг с другом только в непосредственной близости от коротких сторон 14b или 14с, лежащих напротив, соответственно сторон 14с или 14b, от которых отходит эта перегородка.
При этом движение рабочего теплоносителя внутри камеры 18 каждого теплообменника 14 происходит по, по существу, зигзагообразному проходу, с перемежающимися восходящими и нисходящими участками в смежных частях камеры.
В показанном на чертежах примере, не ограничивающем изобретение, теплообменник 14 содержит четыре установленные друг за другом на одинаковом расстоянии разделительные перегородки 19, из которых нечетные разделительные перегородки 19 (считая слева направо) отходят от короткой стороны 14b теплообменника 14, в то время как четные разделительные перегородки 19 отходят от противоположной короткой стороны 14с теплообменника 14.
Таким образом, камера 18 теплообменника 14 оказывается разделена на пять частей, а именно две расположенные с противоположных сторон боковые части 18а и 18b и три центральные части 18с.
В соответствии с другой особенностью настоящего изобретения боковые части 18а и 18b внутренней камеры 18 каждого теплообменника 14 сообщаются с внешним оборудованием через отверстия 20, 21, находящиеся, соответственно, на короткой стороне 14b или 14с теплообменника 14, от которой отходит разделительная перегородка 19, отделяющая соответствующую боковую часть 18а или 18b.
В предпочтительном варианте уже на этапе изготовления теплообменника в отверстия 20, 21 закрепляются трубные соединители 20а, 21а.
В примере, показанном на фиг.2-4, впускное отверстие 20 для теплоносителя, выполненное на короткой стороне 14b теплообменника 14, связано с внешней частью 18а внутренней камеры 18 теплообменника, а выпускное отверстие 21 для теплоносителя, выполненное на противоположной короткой стороне 14с, связано с противоположной внешней частью 18b.
Таким образом, зигзагообразное движение теплоносителя в теплообменнике 14 включает движение вниз от отверстия 20 вдоль внешней части 18а внутренней камеры 18, затем следует восходящее движение, нисходящее и снова восходящее по следующим друг за другом центральным частям 18с и, наконец, нисходящее движение в противолежащей внешней части 18b, из которой теплоноситель может выйти из теплообменника 14 через выпускное отверстие 21.
При сборке упомянутого выше теплообменного блока 13, предложенного в настоящем изобретении, в описанной конструкции (фиг.1) длинные стороны 14а теплообменников расположены вертикально, а короткие стороны 14b, 14с проходят радиально в оболочке 2. В частности, сторона 14b с соответствующим отверстием 20 образует верхнюю сторону каждого теплообменника 14, в то время как сторона 14с с соответствующим отверстием 21 образует нижнюю сторону каждого теплообменника 14.
Для подвода-распределения рабочего теплоносителя в каждом ряду расположенных по радиусу теплообменников 14 используется трубопровод 22. Теплообменники 14 сообщаются с коллекторным трубопроводом 23, предназначенным для сбора и отведения теплоносителя. Трубопровод 22 присоединен к трубным соединителям 20а теплообменников 14 посредством труб 22а, а трубопровод 23 присоединен к соединителям 21а теплообменников посредством труб 23а.
Подводящий трубопровод 22 проходит сквозь оболочку 2 для соединения снаружи с источником (не показан) рабочей текучей среды (например, состоящей из кипящей воды, расплавленных солей и т.п.).
Коллекторный трубопровод 23, по аналогии с подводящим трубопроводом 22, соединяется сквозь оболочку 2 с различными потребителями за пределами реактора.
Соединение трубопроводов 22 и 23 сквозь оболочку 2 производится с использованием подходящих штуцеров (патрубков), соответственно, 24 и 25. В примере, приведенном на фиг.1, штуцеры 24 установлены на верхнем днище 4, в то время как штуцер 25 установлен на оболочке 2 по уровню ниже высоты нижних сторон 14с отдельных теплообменников 14.
В соответствии с альтернативным вариантом осуществления настоящего изобретения, приведенным на фиг.2 и 4, по меньшей мере один трубный соединитель 26а связан с по меньшей мере одним теплообменником 14, для подачи в него дополнительного потока рабочего теплоносителя. Трубный соединитель 26а, в свою очередь, сообщается (способ связи известен и здесь не показан) с подводящим-распределительным трубопроводом 22. В предпочтительном варианте трубное соединение 26а установлено в соответствующем отверстии 26, образованном в по меньшей мере одной из коротких сторон 14b или 14с теплообменника 14 и размещенном в промежуточном положении между длинными сторонами 14а. В частности, как показано в примере на фиг.2 и 4, в предпочтительном варианте отверстие 26 расположено в верхней короткой стороне 14b между первой и второй центральными частями 18с и сообщается с камерой 18 теплообменника 14, другими словами, в области верхней короткой стороны 14b, находящейся между нечетными перегородками 19, отходящими от этой стороны.
Тем самым коэффициент теплообмена теплообменника 14 улучшается, увеличиваясь, поскольку за счет промежуточного подвода "свежего" рабочего теплоносителя можно управлять температурой рабочего теплоносителя, протекающего в теплообменнике.
Предложенное изобретение допускает дальнейшие изменения и модификации, которые могут быть предложены специалистом, и которые попадают в область притязаний изобретения, определяемую приложенной формулой.
Например, очевидна возможность расположить отверстия 20 и 21 теплообменников 14 на противолежащих длинных сторонах 14а на уровне, совпадающем с уровнем верхней короткой стороны 14b и нижней короткой стороны 14с, соответственно, либо близком к нему.
Кроме того, можно использовать отдельный и независимый подводящий-распределительный трубопровод для рабочего теплоносителя, связанный с трубным соединителем 26а.