СПОСОБ ТЕПЛОСЪЕМА В РЕАКТОРАХ Российский патент 2007 года по МПК F28D15/02 

Предлагаемое изобретение относится к теплообменным процессам и может быть использовано в химической технологии, энергетике, криогенной технике и др. Для проведения процессов при повышенных температурах широко применяют жидкие высококипящие органические теплоносители (ВОТ) (Чечеткин А.В. Высокотемпературные теплоносители. - М.: Энергия, 1971 г.). Для нагрева рабочих сред их используют как в жидком, так и в парообразном состоянии, а при охлаждении - только как жидкости,

Настоящее изобретение предполагает использовать жидкие высококипящие органические теплоносители в процессах охлаждения реакционной массы при синтезе органохлорсиланов. Для таких процессов в аппаратах размещают теплообменные устройства, по которым прокачивают ВОТ.

Известен способ теплосъема в реакторе прямого синтеза органохлорсиланов в псевдо-ожиженном слое. Реактор снабжен внешним теплообменным элементом (рубашкой) и помещенными внутри него петлевыми трубчатыми элементами, по которым прокачивают ВОТ для охлаждения реакционной массы. (Патент РФ №2162735, МКИ В 01 J 8/18, опубл. 2001 г.).

Циркуляцию ВОТ с охлаждением его во внешнем теплообменнике осуществляют с помощью специальных насосных агрегатов, рассчитанных на работу при высоких температурах в условиях повышенной взрывопожароопасности. Они оснащены герметичными экранированными электроприводами, КПД которых значительно ниже, чем для электродвигателей обычного исполнения, что приводит к повышенным энергозатратам при их эксплуатации. Эти насосные агрегаты представляют собой сложные дорогостоящие машины и требуют специального квалифицированного обслуживания.

Интенсивность теплообмена зависит от скорости движения теплоносителя в тепло-передающих элементах. Но такие насосные агрегаты имеют ограничения в производительности, поэтому в аппаратах большой мощности промышленного масштаба вопросы теплосъема вызывают серьезные трудности. Особенно это проявляется при теплообмене в аппаратах большого диаметра, где теплосъем осуществляют через рубашку из-за невозможности обеспечить в них высокие скорости движения теплоносителя.

Известно, что интенсивность теплообмена при кипении жидкости значительно выше, чем от жидкости при неизменном ее агрегатном состоянии. Поэтому такие теплообменные элементы, как термосифоны, теплообменные трубы и др., стали широко применяться в промышленности, особенно - в теплотехнике, атомной энергетике, криогенной технике и др. В таких теплообменных элементах теплосъем осуществляют за счет кипения теплоносителя с выводом его паров и последующей конденсацией их во внешнем теплообменнике и возврате конденсата в зону кипения. В таких теплообменных элементах используют однокомпонентные теплоносители с фиксированной температурой кипения. Они не требуют применения циркуляционных высокотемпературных насосов.

Наиболее близким к предложенному изобретению по технической сущности, достигаемому результату и принятым нами в качестве прототипа является способ теплосъема с помощью теплообменных элементов термосифонного типа, которые помещают в реакционной зоне реактора (Авторское свидетельство СССР №1682746, МКИ F 28 F 13/12, опубл. 1989 г.). Теплообменный элемент заполняют жидкостью, имеющей температуру кипения ниже температуры в реакционной зоне реактора. Жидкость кипит, пары ее выводят и конденсируют во внешнем теплообменнике, а конденсат возвращают в зону кипения жидкости.

Недостатком такого способа теплосъема является то, что при интенсивном кипении жидкости из-за встречных потоков пара и конденсата наступает режим захлебывания, что существенно снижает возможность такого способа теплосъема. Кроме того, в реакторах большой высоты, что характерно для химической технологии, такие теплообменные элементы недостаточно эффективны. Для кипящей жидкости при больших высотах реактора проявляется эффект "гидростатической депрессии". Давление в нижней части теплообменного элемента выше, чем на свободной поверхности жидкости на величину столба жидкости. Это приводит к неравномерности температурного поля по высоте реактора, а при определенных условиях, и в частности, при большой высоте реактора в нижней части теплообменного элемента может не проходить кипения, что уменьшает величину активной теплопередающей поверхности, снижает эффективность теплообмена и усугубляет неравномерность температурного поля.

Задачей настоящего изобретения является интенсификация теплообмена от жидкого теплоносителя, повышение гидродинамической устойчивости режима теплообмена, снижение энергозатрат.

Для решения указанной задачи предложен способ теплосъема в реакторах проведения экзотермических процессов путем циркуляции теплоносителя в теплообменных элементах, помещенных внутри реактора, и охлаждении теплоносителя вне зоны реактора. Согласно изобретению циркуляцию высококипящего теплоносителя осуществляют по замкнутому контуру теплообменного элемента с восходящим и нисходящим потоками теплоносителя, при этом восходящий поток создают подачей инертного газа, или пара, или низкокипящей жидкости (НКЖ) в теплообменный элемент. Пузырьки газа (пара), всплывая в теплоносителе, создают интенсивную турбулентность, образуя восходящий поток теплоносителя (барботажную зону). В случае использования низкокипящей жидкости в процессе охлаждения образующейся паровой фазы конденсируется смесь низкокипящей и высококипящей жидкостей, которую разделяют, после чего низкокипящую жидкость направляют для создания восходящего (турбулентного потока) теплоносителя и высококипящую жидкость также возвращают в теплообменный элемент в нисходящий (циркуляционный) поток теплоносителя.

Способ осуществляют следующим образом. Теплообменный элемент выполнен в виде эрлифтного циркуляционного устройства, который заполняют высококипящей органической жидкостью (ВОЖ). В теплообменный элемент вводят газ (воздух, азот), или пар, или низкокипящую жидкость, например, воду. Пузырьки газа, а в случае использования НЮК при ее закипании за счет тепла экзотермической реакции пузырьки жидкости, всплывая в теплоносителе, создают интенсивную турбулентность, образуя восходящий поток теплоносителя (барботажную зону). Восходящий поток теплоносителя направляют в выносной теплообменник для охлаждения, после чего его возвращают в теплообменный элемент, при этом образуется нисходящий поток теплоносителя (циркуляционная зона). Теплообменный элемент может быть выполнен в виде одиночных U-образных труб, одиночных труб с продольной перегородкой или труб, объединенных коллектором. Возможно выполнение теплообменного элемента в виде плоских или кольцевых вертикальных каналов, например, рубашки.

Для сравнительной оценки различных способов теплообмена выполнены расчеты по известным методикам (Соколов В.Н., Доманский И.В. Газожидкостные реакторы. Л.: Машиностроение, 1976. Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. М.:

Химия, 1972).

Эффективность теплообмена характеризуется величиной коэффициента теплообмена (α). В расчетах приняты диаметр реактора D=2 м, поверхность теплообмена - 65 м². Результаты расчетов приведены в таблице. Примеры I-III выполнены по известным способам теплообмена. Примеры IV₁-V₃ выполнены по предложенному способу.

α - коэффициент теплоотдачи (Вт/м²/К).

V - объемный расход активного компонента теплоносителя (м³/ч).

N - мощность, затрачиваемая на осуществление циркуляции теплоносителя (кВт).

Таблица№ примераα (Вт/м²/К)V (м³/ч)N (кВт)I13210037II58010037III101510037IV-1181421,82,4IV-2103821,82,4IV-3142521,82,4V-118140,0030,23V-210380,0030,23V-314250,0030,23

I. - Способ наружного теплосъема через рубашку.

II. - Способ внутреннего теплосъема через однопроходные элементы.

III. - Способ внутреннего теплосъема через петлевые трубчатые элементы.

IV. - Барботажно-эрлифтный способ теплосъема с подачей азота.

IV-1, IV-2, IV-3 - Эффективность теплоотдачи соответственно в барботажной зоне, циркуляционной и осредненному значению теплоотдачи.

Как видно из таблицы, эффективность теплообмена барботажно-эрлифтного (предложенного) способа выше, чем известных способов теплосъема при значительно меньших потоках теплоносителя и энергозатратах на его циркуляцию.

Заявленное изобретение предназначено для применения в теплообменных процессах, а именно может быть использовано в химической технологии, энергетике, криогенной технике. Способ теплосъема в реакторах заключается в том, что осуществляют циркуляцию теплоносителя по замкнутому контуру через расположенный в реакторе теплообменный элемент, причем циркуляцию высококипящего теплоносителя осуществляют по замкнутому контуру, а теплообменный элемент выполняют в виде эрлифтного циркуляционного устройства, при этом в теплообменный элемент подают низкокипящую жидкость, организуют вскипание низкокипящей жидкости с образованием пузырьков низкокипящей жидкости и таким образом образуют восходящий поток теплоносителя в теплообменном элементе, после чего восходящий поток теплоносителя направляют в выносной теплообменник, в последнем поток теплоносителя охлаждают, причем в процессе охлаждения образуют нисходящий поток смеси низкокипящей жидкости и высококипящего теплоносителя, которую в процессе охлаждения конденсируют, после чего смесь разделяют, высококипящий теплоноситель возвращают в теплообменный элемент, а низкокипящую жидкость направляют в теплообменный элемент для создания восходящего потока теплоносителя. Изобретение позволяет интенсифицировать теплообмен от жидкого теплоносителя, повысить гидродинамическую устойчивость режима теплообмена, снизить энергозатраты. 1 табл.

Способ теплосъема в реакторах, заключающийся в том, что осуществляют циркуляцию теплоносителя по замкнутому контуру через расположенный в реакторе теплообменный элемент, отличающийся тем, что циркуляцию высококипящего теплоносителя осуществляют по замкнутому контуру, а теплообменный элемент выполняют в виде эрлифтного циркуляционного устройства, при этом в теплообменный элемент подают низкокипящую жидкость, организуют вскипание низкокипящей жидкости с образованием пузырьков низкокипящей жидкости и таким образом образуют восходящий поток теплоносителя в теплообменном элементе, после чего восходящий поток теплоносителя направляют в выносной теплообменник, в последнем поток теплоносителя охлаждают, причем в процессе охлаждения образуют нисходящий поток смеси низкокипящей жидкости и высококипящего теплоносителя, которую в процессе охлаждения конденсируют, после чего смесь разделяют, высококипящий теплоноситель возвращают в теплообменный элемент, а низкокипящую жидкость направляют в теплообменный элемент для создания восходящего потока теплоносителя.