КОЖУХОТРУБНЫЙ РЕАКТОР

Техническое решение относится к химическим реакторам для проведения изотермических и неизотермических реакций и может найти применение в химической и нефтехимической промышленности.
Известен кожухотрубный реактор с трубным пучком для проведения каталитических неизотермических реакций в газовой фазе, который состоит из корпуса с крышкой и днищем, труб трубного пучка, закрепленных в трубных решетках, и катализатора в виде зерен или гранул, засыпанных в трубки. Реакционная масса движется по трубам. Теплоноситель движется в межтрубном пространстве. Для равномерного распределения теплоносителя по всему поперечному сечению межтрубного пространства в нем установлены распределительные устройства, представляющие собой пластины с проходным сечением, изменяющимся в радиальном направлении [Патент ФРГ №2903582, В01Υ 8/02, 1980 г.].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится отсутствие распределительного устройства, выравнивающего расход реакционной массы в трубках трубного пучка, что приводит к неодинаковой степени конверсии и температуры реакционной массы и в трубках, и снижению качества продуктов реакции на выходе.
Известна конструкция кожутрубного реактора для проведения экзо- и эндотермических реакций, содержащего корпуса, трубные решетки, пучки труб, внутри которых размещен катализатор, технологические патрубки и распределительные устройства, выполненные в виде трубки с щелевыми прорезями в верхней части и установленные внутри каждой трубы у нижнего ее торца, при этом распределительные трубки снабжены подвижными регулируемыми крышками, расположенными над щелевыми прорезями [Авт. Св. СССР №1134230, В01Υ 8/00, 1985 г.].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится неодинаковый расход реакционной массы в трубках, так как распределительные устройства в виде трубок, установленных внутри каждой трубы у нижнего ее торца, просто делят попадающий в трубу расход на два потока, но никак не влияют на выравнивание расхода по всем трубам трубного пучка. Это приводит к неодинаковой степени конверсии и температуры реакционной массы и снижению качества продуктов на выходе.
Наиболее близким техническим решением по совокупности к заявляемому объекту и принятому за прототип является кожухотрубный реактор, содержащий корпус, трубные решетки, пучки труб, внутри которых размещен катализатор, технологические патрубки и распределительные устройства, отличающийся тем, что каждое распределительное устройство выполнено в виде конической крышки, жестко соединенной упругой цилиндрической пружиной с нижнем торцом трубы и установленной осесимметричной с ней, при этом вершина конуса направлена на вход в трубу реакционной массы [Патент на полезную модель №133436, В01Υ 8/00, 2013 г.].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится незначительные колебания конической крышки под действием потока газовой реакционной массы, что снижает скорости выравнивания расходов по всем трубам, снижению общей степени конверсии и качества продуктов реакции.
Техническим результатом предлагаемой конструкции кожухотрубного реактора является увеличение производительности.
Поставленный технический результат достигается тем, что в кожухотрубном реакторе содержащем корпус, трубные решетки, пучки труб, технологические патрубки и распределительные устройства, каждое из которых выполнено в виде конической крышки, жестко соединенной упругой цилиндрической пружиной с нижним торцом трубы и установленной осесимметрично с ней, при этом вершина конуса направлена на вход в трубу реакционной массы, причем, под каждой конической крышкой закреплен осесимметрично с ней груз массой, определяемой из выражения:
r
где m - масса груза, кг;
a
- упругость цилиндрической пружины, Н/м;
- длина трубы, м;
с - скорость звука для газа в трубе, м/с;
k
м - масса конической крышки, кг.
Жесткое осесимметричное закрепление под каждой конической крышкой груза, позволяет поддерживать осесимметричное расположение каждой крышки относительно оси сопряженной с ней трубы без переноса, что позволяет выравнивать подачу газовой реакционной массы в трубы с равным расходом и обеспечить высокую производительность на выходе из кожухотрубного реактора.
Установка груза массой, определяемой из выражения (1), позволяет обеспечить резонансный режим колебаний с большой амплитудой этого груза и конической крышкой (образующих с упругой цилиндрической пружиной физический маятник) с газовой реакционной массой, движущейся внутри трубы. Интенсивная вибрация конической крышки под каждой трубой способствует турбулизации газовой реакционной массы на входе в трубы, обеспечивающей свободные осевые перемещения конической крышки в зависимости от локального расхода, а значит скорости газовой реакционной массы на входе в трубу, изменению проходного сечения между конической крышкой и входам в трубу, и выравниванию локальных расходов этой массы и температуры, что приводит к увеличению производительности по продуктам реакции.
Выбор массы груза по выражению (1) приводит к равенству частот колебаний газовой реакционной массы в трубе и собственной частоты колебаний конической крышки с грузом, подвешенных на упругой цилиндрической пружине и образующих пружинный маятник.
Цилиндрический столб газа в трубе длиной  имеет собственную частоту колебаний:
где с - скорость звука в газе, м/с [Б.М. Яворский, А.А. Детлаф, Справочник по физике. Для инженеров и студентов вузов. - М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1963, с. 510],
а собственная частота колебаний пружинного маятника:
r
где m - масса груза, кг;
a
- упругость цилиндрической пружины, Н/м;
k
m - масса конической крышки, кг [Б.М. Яворский, А.А. Детлаф, Справочник по физике. Для инженеров и студентов вузов. - М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1963, с. 102].
Приравнивая правые части уравнений (2) и (3) после алгебраических преобразований получаем выражение (1).
На фиг. 1 представлен общий вид кожухотрубного реактора в разрезе, на фиг. 2 - распределительное устройство на входе в реакционной массы в трубу.
Кожухотрубный реактор состоит из корпуса 1 с патрубками входа 2 и выхода 3 теплоносителя в межтрубном пространстве, патрубками входа 4 и выхода 5 реакционной массы, трубных решеток 6, в которых закреплены трубы 7 трубного пучка. Осесимметрично с каждой трубой 7 на входе в нее реакционной массы установлено распределительное устройство в виде конической крышки 8, при этом вершина крышки 8 направлена на вход в трубу 7 реакционной массы. Коническая крышка 8 жестко соединена с нижнем торцом трубы 7 упругой цилиндрической пружиной 9. Под каждой конической крышкой 8 осесимметрично с ней закреплен груз 10. Крепление груза 10 может осуществляться, например, с помошью жестко закрепленного под конической 8 стержня 11 с резьбой на нижнем свободном конце, на котором подвешивается непосредственно груз 10.
Кожухотрубный реактор работает следующим образом. Газовая реакционная масса подается по патрубку 4 и трубы 7 трубного пучка, и выходит в виде продуктов реакции через патрубок 5 из реактора. Теплоноситель подается по патрубку 2 в межтрубное пространство и выводится из корпуса 1 по патрубку 3.
Выравнивание расходов реакционной массы в трубах 7 трубного пучка обеспечивает распределительное устройство в виде конической крышки 8. Если в одной из труб 7 расход реакционной массы возрастает, то возрастает и ее скорость в кольцевом зазоре между торцом трубы 7 и конической крышкой 8. Рост скорости приводит к снижению давления, под действием которого коническая крышка 8 перемещается вверх, сжимая витки упругой цилиндрической пружины 9. Проходное сечение для реакционной массы между торцом трубы 7 и конической крышкой 8 уменьшается, что способствует снижению расхода реакционной массы в трубу 7 и его выравниванию с расходом других трубах 7 трубного пучка, при этом упругая цилиндрическая пружина 9 ограничивает при сжатии ее витков перемещение конической крышки 8; и наоборот, если в трубе 7 расход реакционной массы становится меньше, чем в других трубках 7 трубного пучка, то скорость реакционной массы в кольцевом зазоре между торцом трубы и конической крышкой уменьшается. Уменьшение скорости приводит к росту давлению в этом зазоре, которое заставляет коническую крышку 8 опускаться вниз, увеличивая проходное сечение вышеназванного кольцевого зазора, что способствует возрастанию расхода в трубе 7, при этом упругая цилиндрическая пружина 9 ограничивает растяжение ее витков и перемещение конической крышки 8 вниз.
r
Кроме того, груз 10, подвешенный на стержне 11, жестко закрепленной закрепленный под конической крышкой 8 и имеющий массу m которая определяется выражением (1), совершает резонансные вертикальные колебания на упругой цилиндрической пружине 9, частота которых равна частоте колебаний газовой реакционной массе в трубах 7. Эти резонансные колебания с высокой амплитудой еще в большей степени способствуют выравниванию локальных расходов газовой реакционной массы в трубах 7, что обеспечивает равные степени конверсии и температуры, а значит, повышают производительность по продуктам реакции. Такой резонансный режим непрерывных колебаний конической крышки 8 особенно важен, когда происходят общие изменения во время расхода газовой реакционной массы, подаваемой по патрубку 4. Именно в этом случае локальные расходы реакционной массы в трубы 7 становится крайне неодинаковыми, а непрерывные колебания конических крышек 8 с большой амплитудой позволяют такой недостаток быстро нивелировать.
Пример расчета.
В кожухотрубном реакторе под каждой трубой 7 трубного пучка установлена на упругой цилиндрической пружине 9 коническая крышка 8.
Длина труб 7 составляет ;
k
Коническая крышка 8 имеет массу m=0,15 кг;
a
Упругость цилиндрической пружины 9: =10400 Н/м.
Определим из выражения (1) массу груза 10 со стержнем 11, обеспечивающим резонансный режим их колебаний вместе с конической крышкой 8 на упругой цилиндрической пружине 9, то есть с частотой, совпадающей с частотой колебаний газовой реакционной массы в трубах 7. В трубах 7 движется реакционная масса, основой которой является воздух. Скорость звука в воздухе с=330 м/с.
Подставляем численные значения вышеназванных параметров в выражение (1) получаем массу груза 10 со стержнем 11:
Определяем по уравнению (2) частоту колебаний воздушной реакционной массы в трубах 7:
Определяем по уравнению (3) собственную частоту колебаний пружинного маятника, образованного упругой цилиндрической пружиной 9 с суммарной массой стержня 11 и груза 10:
r
То есть при массе груза 10 со стержнем 11, определяемой из выражения (1), частоты колебаний воздушной реакционной массы в трубах 7 совпадет с собственной частотой колебаний пружинного маятника, образованного упругой цилиндрической пружиной 9 с суммарной массой m стержня 11 и груза 10.
r
Таким образом, осесимметрично с жестко закрепленные внутри каждой конической крышки 8 стержня 11 с резьбой на нижнем свободном конце, на котором подвешен груз 10 массой m, определяемой из выражения (1) обеспечивает резонансный режим колебаний с высокой амплитудой конической крышки 8, стержня 11 и груза 10, совпадающей с частотой колебаний газовой реакционной массы в трубах 7, что способствует выравниванию локальных расходов этой массы в трубах 7 трубного пучка, средних скоростей и времени пребывания газовой реакционной массы внутри труб 7, равномерному и одинаковому температурному режиму по высоте труб 7, а значит одинаковой степени конверсии и высокой производительности продуктов реакции, особенно при колебаниях общего расхода газовой реакционной массы во времени.
Предлагаемая конструкция узла, включающего коническую крышку 8 со стержнем 11 и грузом 10, закрепленных на упругой цилиндрической пружине 9 несложна в изготовлении. Его можно установить как на вновь проектируемые реакторы, так и находящиеся в эксплуатации.