РЕАКТОР С ТЕПЛООБМЕНОМ УДАРНОЙ СТРУЕЙ Российский патент 2009 года по МПК B01J8/02 B01J35/04 F01N3/28 

Изобретение относится к области химического машиностроения, а именно к конструкциям гетерогенных каталитических реакторов.

Каталитические реакторы - это устройства, способствующие ускорению прохождения химических реакций.

Ударная струя текучей среды, направленная на твердую поверхность, - это уже известный метод, предназначенный для увеличения коэффициента теплообмена вблизи поверхности материала. Он применяется, например, для охлаждения внутренних каналов турбин и электронных компонентов. Американский патент US 5029638 полностью описывает суть метода ударной струи, а также возможные конфигурации устройств, которые способствуют теплопередаче в компактных теплообменниках.

Известны американские патенты US 5350566, US 5651946 и US 4719090. В этих патентах описаны проницаемые технические конструкции, которые могут быть использованы при катализе, и которые обеспечивают смешивание текучих сред путем увеличения турбулентности по всему объему реактора. В каждом из этих трех патентов используются волнистые листы, волны которых наклонены под косым углом по отношению к общему направлению движения потока текучей среды, на всем протяжении от входа реактора до его выхода. Волнистые листы либо перфорированы, либо между ними выполнены промежутки, либо и то и другое. Наклон «волн» листов под косым углом приводит к тому, что боковые, поперечные компоненты начинают участвовать в движении и становятся составляющей скорости потока текучей среды. Перфорация или промежутки между волнистыми листами обеспечивают обратное движение поперечных слоев текучей среды, что поддерживает на нулевом уровне чистый боковой поток по всему реактору. Боковые потоки зарождаются на небольших расстояниях, в то время как на больших расстояниях чистые боковые потоки балансируются. Каждый из трех вышеупомянутых патентов объясняет процесс ускорения смешивания. В соответствии с конструкциями, предлагаемыми этими патентами, боковой момент не сохраняется, а текучие среды, имеющие противоположные скорости движения боковых компонентов, смешиваются, что в результате приводит к полному обоюдному уничтожению соответствующих им боковых моментов. Такие конструкции очень эффективны при смешивании, но менее эффективны при разрушении пограничных слоев на стенке реактора, а также для увеличения коэффициента теплообмена вблизи поверхности стенок реактора, по сравнению с ударными струями, направленными на стенки реактора под небольшим углом наклона.

Кроме того, в этих трех патентах используются стопки параллельных волнистых листов с переменными углами наклона волн. Благодаря тому что листы лежат в параллельных плоскостях, каналы направлены по хорде относительно поперечного сечения реактора. Это приводит к тому, что в некоторых каналах, расположенных под прямым углом к стенке реактора, вблизи некоторых участков стенки реактора, а также расположенных параллельно по отношению к другим участкам стенки реактора, наблюдается меньшая эффективность увеличения теплопередачи по сравнению с радиально направленными каналами.

Также известен европейский патент за номером ЕР 0025308, который подробно раскрывает сущность устройств, в которых поток текучей среды по стержневой части реактора течет в переменных направлениях, также как и в промежутках между стержневой частью реактора и стенкой резервуара. В этом патенте не используется метод ударной струи для разрушения пограничного слоя на стенке реактора. Все воплощения указанного патента относятся к обширным потокам текучей среды, которые параллельны стенкам реактора, и которые проходят в промежутках между стенками реактора и технологической набивкой. Патент ЕР 0025308 также предлагает два альтернативных типа конструкции. В первом варианте используются сплошные, перфорированные конструкции, во втором - не перфорированные. Если используется перфорированная конструкция, то поток текучей среды в основном направлен по оси турбулентности, смешивание происходит в поперечных направлениях, и поток вблизи стенок реактора параллелен этим стенкам в осевом направлении. Такой поток является неэффективным для разрушения пограничного слоя на стенках реактора по сравнению с реакторами с теплообменом ударной струей. В случае использования листов из сплошного материала открытая зона или зона эффективного поперечного сечения реактора уменьшается, потому что поток проходит внутри центральной части конструкции и взаимодействует с другими потоками только в промежутках между стержневой частью и стенкой реактора, это обстоятельство усиливает падение давления относительно перфорированной структуры или относительно такой конструкции, у которой крестообразно пересекающиеся каналы обычно взаимодействуют друг с другом.

Использование усеченных конусов в патенте ЕР 0025308 А1 предполагается исключительно для реакторов, имеющих в своем поперечном сечении кольцо. Такие усеченные конусы могут быть либо перфорированными, либо располагаться в различных зонах последовательно для формирования переменных центробежных и центростремительных потоков вдоль всей длины реактора. Поток текучей среды проходит в значительной степени параллельно стенкам реактора. Это детально описывается для всех воплощений изобретения по данному патенту. Применение промежутков между стержневой частью реактора и его стенкой обеспечивает образование осевого потока вдоль поверхности стенки реактора вместо обширного, однородного и мелко распределенного потока ударной струи, направленной на стенку реактора.

Известен американский патент US 4985230, который описывает передачу тепла от первой стенки ко второй стенке с помощью потока текучей среды, проходящей по каналам, которые попеременно отражают текучую среду от одной стенки к другой. Стенки параллельны между собой и находятся на определенном, не меняющемся расстоянии друг от друга. Каналы содержат катализатор для осуществления гетерогенного катализа текучей среды. Одна стенка - это стенка реактора, а вторая - это стенка внутри самого реактора. Этот способ может оказаться полезен, в частности, при использовании в кольцеобразных или так называемых штыковых реакторах, которые используются, например, при преобразовании пара, но он не пригоден для цилиндрических реакторов или других реакторов, имеющих сплошную, не полую, конструкцию. Радиально расположенные каналы (патент US 4985230) ограничиваются в осевых направлениях и они должны питаться боковыми потоками текучей среды. Так как каналы сходятся в одну точку на оси реактора, они обязательно имеют уменьшающуюся ширину или площадь поперечного сечения вблизи оси реактора по сравнению с участками, расположенными у стенок реактора. То есть в устройствах, представляющих собой цилиндрические реакторы, уменьшенная площадь поперечного сечения стенок, сходящихся в районе оси реактора, будет ограничивать поток текучей среды, проходящей через каналы, делая, тем самым, передачу тепла малоэффективной. Расширение каналов относительно оси реактора также имеет отрицательный эффект, так как оно значительно увеличивает нежелательное падение давления в реакторе.

Настоящее изобретение относится к каталитическим реакторам круглой (в поперечном сечении) формы или иной сплошной формы, в отличие от реакторов, имеющих кольцеобразное поперечное сечение, или реакторов, которые, по крайней мере, частично содержат в себе или, наоборот, окружают собой другие объемы, не являющиеся частью реактора.

Задачей настоящего изобретения является преодоление всех вышеперечисленных недостатков, а также обеспечение эффективного теплообмена по всему объему реактора, особенно вблизи стенок каталитического реактора цилиндрической или иной сплошной в поперечном сечении формы.

Настоящее изобретение может оказаться полезным для реакторов, преобразующих пар, а также для каталитических конверторов, обрабатывающих и уничтожающих выбросы двигателей внутреннего сгорания. В последнем случае предлагаемое изобретение способно также и охлаждать конвертор, что продлевает срок службы катализатора.

Данное описание по настоящему изобретению предназначено для того, чтобы дать ключ к общему пониманию его сути. Оно не обязательно будет описывать наиболее характерные воплощения данного изобретения или все его подробности и детали. Данное изобретение предлагает устройства, которые способствуют прохождению реакции текучей среды на поверхности катализатора и которые осуществляют перенос тепла от стенок реактора. Первая часть конструкции располагается вблизи оси реактора, а вторая - рядом со стенками реактора. Эти две конструкции отличаются друг от друга, что позволяет обеспечить процесс прохождения каталитических реакций и передачи тепла.

Каталитический реактор включает в себя некоторый объем, который не заключает в себе другой, второй объем, который не является частью реактора. Говоря в общем случае, реактор - это некое цилиндрическое тело, заключенное внутри стенки реактора, которое с одного конца имеет вход, а с другого - выход. В реакторе имеются сплошные поверхности, которые содержат соответствующий активный каталитический компонент, способствующий прохождению химической реакции.

Конструкция, расположенная практически вблизи оси реактора будет называться в настоящем описании стержень. Она располагается вдоль всей оси реактора на заданную длину и на заранее определенном расстоянии от внутренней поверхности стенок реактора. Это расстояние обычно лежит в пределах от 0.01 до 0.4 (наиболее предпочтительно - от 0.05 до 0.2) расстояния от внутренней поверхности стенок реактора до его оси. Геометрическая форма, в которой выполнен стержень реактора, позволяет текучей среде протекать как в осевом, так и в радиальном направлении, через сообщающиеся проходы. Примеры подходящих в данном случае геометрических форм стержня включают в себя сферические или цилиндрические формы, шарообразные формы с отверстиями, кольцо Рашига, стержни в форме седла, монолитные конструкции, имеющие в себе ряд перфорированных каналов или крестообразно пересекающихся каналов, которые связаны друг с другом, и т.п.. Монолитные стержневые конструкции, также известные, как «технологические набивки», наиболее предпочтительны. Примеры таких конструкций можно найти на рисунках 17 и 18 американской заявки US 10/886237 от 7 июля 2004 года «Реактор с первичными и вторичными каналами», заявитель Джонатан Дж. Фейнштейн, которая будет включена в настоящий документ посредством соответствующих ссылок. Монолитные стержни могут быть выполнены из металла, керамики или комбинации металла и керамики. Наиболее предпочтительный вариант - металлическая подложка, покрытая слоем соответствующего носителя катализатора и самим активным катализатором. Конструкция, расположенная вблизи стенок реактора, которая в настоящем описании будет называться оболочка, расположена на определенном расстоянии от внутренней поверхности стенки реактора. Таким образом, оболочка расположена между стержнем реактора и его стенкой в тех местах, где необходимо обеспечить эффективную передачу тепла. Оболочка содержит в себе приспособления первого типа - для центробежного направления потока текучей среды, в результате которого струя текучей среды ударяется о стенку реактора, и устройств второго типа, которые позволяют текучей среде оттекать от стенок реактора по ходу ее движения от входа в реактор до выхода из него. Приспособления первого типа - это каналы, образованные сплошными стенками. Устройствами второго типа могут быть стенки, лопасти, каналы или пористые структуры. Примером пористой структуры может служить перфорированная стенка или каналы, которые позволяют текучей среде пересекать стенки или каналы. Оболочка может быть выполнена отдельно от стержня, а может представлять собой продолжение стержневой конструкции, но при соответствующем изменении пористости, для обеспечения наличия устройств первого и второго типа. Примером такой конструкции может быть структура, у которой некоторые определенные участки оболочки являются сплошными, а соответствующие им поверхности стержня являются перфорированными. Оболочка может быть составлена из металлической или керамической подложки, но предпочтительно из металлической подложки, покрытой слоем соответствующего носителя катализатора и слоем активного катализатора.

Оболочка является монолитной по своей природе, т.е. в настоящем описании это будет означать то, что она представляет собой инженерно-техническую конструкцию, прилегающую к сплошным или перфорированным стенкам реактора, или листам материала, между которыми располагаются каналы для прохода текучей среды. Конструкция стрежня отличается от структуры оболочки, по крайней мере, по одному из следующих признаков. Первое отличие заключается в том, что стержень не является монолитным. Второе отличие заключается в том, что стержень монолитный, а процентный объем проходов, образованных сплошными (неперфорированными) стенками, для центробежного направления потока текучей среды по мере ее прохождения от входа реактора к его выходу, по крайней мере, на 10% меньше по сравнению с процентным объемом таких каналов конструкции монолитной оболочки. Третье отличие заключается в том, что стержень монолитный, а его пористость, по крайней мере, на 10% меньше пористости конструкции оболочки. И четвертое отличие состоит в том, что стержень монолитный, а средний гидравлический диаметр проходов, образованных сплошными (неперфорированными) стенками, которые предназначенны для центробежного направления текучей среды по ходу ее движения от входа реактора к его выходу, по крайней мере, на 10% больше, чем гидравлический диаметр соответствующих каналов оболочки, у которой этот гидравлический диаметр равен 4 площадям поперечного сечения канала, поделенного на периметр поперечного сечения канала.

Каналы оболочки, выполненные в сплошных (неперфорированных) стенках, для центробежного направления текучей среды по ходу ее движения от входа в реактор до выхода из него направлены радиально, что заставляет текучую среду ударяться о стенки реактора под углом наклона от 0 до 85 градусов (наиболее предпочтительный вариант - от 0 до 45 градусов). Проницаемость оболочки может быть рассчитана таким образом, чтобы она была выше, чем проницаемость стержня, для того, чтобы осевая массовая скорость текучей среды, проходящей через оболочку, была выше, чем в стержне, что будет способствовать улучшению коэффициента теплопередачи текучей среды на стенках реактора.

На фиг.1А представлен частичный вид в разрезе одного из вариантов реактора в соответствии с предлагаемым изобретением, который включает в свою конструкцию стопку гладких и волнистых листов, расположенных в форме усеченного конуса, которые имеют различные свойства, что позволяет создать разные по своим свойствам стержневую конструкцию и конструкцию монолитной оболочки, которые будут выполнять разные функции.

На фиг.1В представлено поперечное сечение периферической поверхности некоторых каналов реактора, представленного на фиг.1А.

Фиг.1C - это поперечное сечение периферической поверхности каналов согласно второму варианту исполнения реактора, представленного на фиг.1А.

Фиг.1D - это часть поперечного сечения реактора в соответствии с вариантом, представленным на фиг.1А, показывающий связь каналов внутри оболочки и модель движения текучей среды в радиальном направлении.

На фиг.2А представлен перспективный вид второго варианта исполнения конструкции оболочки реактора, в соответствии с предлагаемым изобретением.

Фиг.2В иллюстрирует метод воплощения изобретения, представленного на фиг.2А.

На фиг.3А изображено продольное сечение другого варианта исполнения настоящего изобретения.

На фиг.3В изображены детали конструкции монолитной оболочки, представленной на фиг 3А.

Описание является примерным и не содержит в себе никаких ограничений. На фиг.1А изображен перспективный вид в разрезе одного из вариантов воплощения настоящего изобретения. Каталитический реактор 100 имеет вход 101, выход 102 и цилиндрическую стенку реактора 103. Внутренний объем включает в себя стержень 110 и оболочку 120. Стержень состоит из монолитной подложки, составленной из гладких листов 111 в форме конуса, показанных как в поперечном, так и в продольном сечении, между которыми находятся волнистые листы 112 конусообразной формы, показанные только в поперечном сечении. Как гладкие, так и волнистые листы стержня являются перфорированными. В этом и других примерах перфорированные поверхности будут изображаться пунктирными линиями. В промежутках между гладкими и волнистыми листами находятся проходы 113. Гладкие и волнистые листы конусообразной формы в наиболее предпочтительном варианте располагаются под углом 45° к стенке реактора. Проходы 113 направлены радиально. Текучая среда проходит от входа реактора к его выходу через стержень по проходам 113 и через перфорацию каналов с минимальной кривизной траектории в осевом направлении. В стержне нет каналов, образованных сплошными (неперфорированными) стенками, для центробежного направления текучей среды по ходу ее движения от входа в реактор до его выхода. Оболочка представляет собой продолжение гладких и волнистых листов стержня, выполненных в форме конуса, но для обеспечения теплоотвода от стенок реактора, оболочка должна отличаться от стержня. Оболочка включает в себя гладкие листы 121 в форме усеченного конуса, разделенные между собой волнистыми листами 122, также выполненными в форме усеченного конуса, которые являются продолжением листов 111 и 112 соответственно. Пространство между гладкими и волнистыми листами конструкции оболочки образует каналы 123, которые располагаются в осевом направлении вдоль поверхности усеченного конуса. Поверхности листов в форме усеченного конуса оболочки находятся под тем же углом наклона к стенке реактора, что и поверхности листов в форме усеченного конуса стержня. Гладкие листы 121 упираются в стенку реактора. Между волнистыми листами оболочки и стенкой реактора существует зазор, который не показан на фиг.1А. Об этом зазоре будет рассказано в описании к фиг.1D. Листы конструкции оболочки содержат участки, на которых нанесена перфорация 124, и участки 114, которые остаются сплошными (неперфорированными), тем самым образуя каналы 115, которые образованы только сплошными поверхностями, а также каналы 125, которые, по крайней мере, частично образованы перфорированными поверхностями. Каналы 115, образованные неперфорированными стенками, направляют поток текучей среды центробежным образом так, чтобы она ударялась о стенку реактора по ходу ее движения от входа в реактор до выхода из него. Вышеупомянутый центробежный поток показан на фиг.1А стрелкой 116. Каналы 125 позволяют текучей среде возвращаться в центростремительном направлении от стенки реактора по ходу движения текучей среды от входа в реактор к его выходу. Стрелка 126 показывает направление потока текучей среды, пересекающей перфорированные каналы 125. Каналы 115 скомпонованы стопками, расположенными вдоль оси в одну линию с каналом, расположенным в периферийном направлении. Каналы 125 скомпонованы в стопки, расположенные вдоль оси в одну линию с, по крайней мере, двумя каналами, расположенными в периферийном направлении. Стопки каналов 115 и 125 расположены от входа в реактор до выхода из него или проходят через такие участки реактора, где необходимо обеспечить наиболее эффективную передачу тепла от реактора окружающей среде. Стопки каналов 115 и 125 чередуются по всей периферии стенки реактора или вокруг тех частей стенки реактора, где необходимо обеспечить наиболее эффективный теплообмен реактора с окружающей средой. Расположение стопок каналов далее будет более подробно показано на фиг.1В, 1C и 1D.

В общем случае для обеспечения однородной проницаемости предпочтительно, чтобы гладкие и волнистые листы конструкции оболочки были перфорированными, но в некоторых случаях, когда передача тепла является более значительным фактором по сравнению с падением давления, плотность перфорации может быть рассчитана таким образом, чтобы обеспечить более низкую осевую проницаемость ближе к оси реактора, по сравнению с зоной, находящейся вблизи от стенок реактора. Упомянутое изменение проницаемости обеспечивает соответствующий поток и скорость потока текучей среды, необходимую для правильного соударения со стенкой реактора, что позволяет увеличить коэффициент теплопередачи от стенки реактора.

На фиг.1В изображена периферическая поверхность оболочки в соответствии с вариантом исполнения изобретения, представленным на фиг.1А. Оболочка включает в себя чередующиеся гладкие и волнистые листы, выполненные в форме усеченного конуса, между которыми формируются каналы. Участки 114 гладких листов сплошные (что показано сплошными линиями), а участки 124 гладких листов перфорированные - они показаны пунктирной линией. Участки 117 волнистых листов сплошные (показаны сплошными линиями), а участки 127 волнистых листов - перфорированные, что показано пунктирными линиями. Каналы 115 образованы сплошными стенками, а каналы 125, по крайней мере, частично образованы перфорированными поверхностями. Участки гладких и волнистых листов располагаются таким образом, чтобы образовать вертикальные или осевые стопки каналов, расположенных в одну линию с каналами 115, чередующимися по окружности с тремя вертикальными стопками каналов 125. Эти стопки каналов располагаются от входа в реактор до выхода из него либо в тех местах, где необходимо обеспечить наиболее эффективную передачу тепла. Каналы 115 направляют текучую среду центробежным образом с тем, чтобы она ударялась о стенки реактора по ходу ее движения вдоль всей длины этих каналов. Текучая среда в каналах 125 в значительной степени пересекает их, что обеспечивает ее движение как в осевом направлении, т.е. от входа к выходу реактора, так и в центростремительном направлении от стенок реактора. Возможно выполнение канавок или ямочек, которые могут быть выполнены на гладких и волнистых листах для формирования соединения выступов с канавками 130, которые будут указывать на места соответствующего расположения гладких и волнистых листов относительно друг друга, обеспечивая точное позиционирование стопок. Процент открытых, т.е. перфорированных участков гладких листов, образующих каналы 125, и число каналов, расположенных в одну линию в стопке каналов 125, регулируется таким образом, чтобы позволить текучей среде протекать через гладкие перфорированные поверхности при значительном падении давления, для того чтобы текучая среда могла протекать через конструкцию монолитной оболочки и обеспечивать необходимый уровень теплообмена на стенках реактора. Процент перфорированных участков поверхности 124 может быть выше, чем у гладких листов стержня, либо число каналов 124, расположенных в одну линию в данной стопке, может быть увеличено в зависимости от угла наклона листов в форме конуса и формы поперечного сечения волн листа.

На фиг.1C изображена периферийная поверхность конструкции оболочки с другим профилем волн листа в соответствии с вариантом изобретения, представленным на фиг.1А. Оболочка состоит из чередующихся гладких и волнистых листов, выполненных в форме усеченного конуса, между которыми образованы каналы. Участки 114 гладких листов являются сплошными (неперфорированными), это показано на фиг. сплошными линиями, а участки 124 - перфорированными, что показано пунктирными линиями. Участки 117 волнистых листов являются сплошными (на фиг. показано сплошными линиями), а участки 127 волнистых листов перфорированы (пунктирные линии). Каналы 115 образованы сплошными поверхностями, а каналы 125 образованы, по крайней мере, частично перфорированными поверхностями. Участки гладких и волнистых листов расположены таким образом, чтобы сформировать вертикальные стопки в одну линию с каналами 115, которые чередуются по окружности с вертикальными стопками каналов 125, расположенных по три в одну линию. Эти стопки каналов расположены от входа реактора до выхода из него или в тех местах, где необходимо обеспечить наиболее эффективную передачу тепла. Каналы 125 направляют текучую среду центробежным образом, для того чтобы она ударялась о стенки реактора по ходу ее движения вдоль всей длины описанных каналов. Поток текучей среды в каналах 125 в значительной степени пересекает эти каналы, что обеспечивает движение текучей среды как в осевом направлении, т.е. от входа к выходу, так и в центростремительном - от стенок реактора. Возможно выполнение канавок или ямочек, которые могут быть выполнены на гладких и волнистых листах для формирования соединения выступов с канавками 130 и указывающие на места соответствующего расположения гладких и волнистых листов относительно друг друга, обеспечивая точное позиционирование стопок. Вогнутая форма волн в нижней части немного сужается, а в верхней - расширяется. Такая форма волн, представленных на фиг.1C, позволяет обеспечить более однородную ширину стопок, образованных каналами 115, по сравнению с формой, показанной на фиг.1В.

На фиг.1D изображена часть поперечного сечения реактора, представленного на фиг.1А. Реактор 100 включает стенку 103, стержень 110 и оболочку 120. Конструкция стержня не показана. В оболочке сплошные волнистые листы 117 отделяют стопки каналов 118, образованных сплошными волнистыми листами, а гладкие листы формируют стопки каналов 128, которые, по крайней мере, частично образованы перфорированными гладкими и волнистыми листами. Чередующиеся стопки каналов 118 и 128 расположены вдоль стенки реактора. В стопках 118 каналы расположены по одному в линию, и они более узкие, чем стопки каналов 128, в которых каналы расположены, по крайней мере, по два в линию. Каналы в стопках 118 направляют текучую среду центробежным образом с тем, чтобы она ударялась о стенки реактора (это показано стрелками 116). Текучая среда, направляемая на стенку реактора по каналам стопки 118, выходит из этих каналов и попадает в стопку 128 через зазоры 131, образующиеся между волнистыми листами и стенками реактора (это показано стрелками 132). Текучая среда, попадающая в стопки каналов 128 вблизи стенок реактора, возвращается в центростремительном направлении от стенок реактора (это показано стрелками 126). Ширина этого зазора представляет собой совокупность средних по окружности значений ширины стопок 118, на их концевых частях, ближайших к стенкам реактора. В тех случаях, когда минимизация падения давления является более важной задачей, чем увеличение коэффициента теплопередачи, эта совокупная ширина может быть в пределах от 0.5 до 2.0. В тех случаях, когда более важной задачей является улучшение теплопередачи, а не минимизация падения давления, то это значение может быть в пределах от 0.1 до 0.7. Ширина зазора может быть как однородной, так и ступенчатой. Это зависит от того, как были обрезаны края волнистых листов перед сборкой реактора. Если зазор не является однородным, то вышеупомянутая ширина этого зазора определяется как его среднее значение.

На фиг.2А изображен еще один вариант исполнения конструкции монолитной оболочки реактора, в которой каналы образованы сплошными стенками для направления текучей среды по направлению, как к стенкам реактора, так и от них. Такой вариант конструкции может быть использован в цилиндрических реакторах. В чередующихся между собой колоннах, расположенных между стержнем и стенкой реактора, выполнены лопатки для направления текучей среды, проходящей через них центробежным и центростремительным образом соответственно. Вход в реактор (не показан находится сверху, выход реактора (не показан) находится в нижней части показанной на рисунке секции оболочки 200. Оболочка 200 содержит разделительные стенки колонн 201, которые отделяют колонны друг от друга. В колоннах 202 выполнены лопатки 203 для центростремительного направления текучей среды от стенок реактора (не показано) по ходу движения текучей среды от входа в реактор до его выхода или сверху вниз по конструкции оболочки так, как показано на фигуре. Верхние края лопаток 203 упираются в стенки реактора, для того чтобы отделить разделительные стенки колонн от стенки реактора, с помощью зазора 204. В колоннах 205 выполнены лопатки 206 и распорки для формирования зазора 207 для направления текучей среды центробежным образом, в результате чего поток текучей среды ударяется о стенки реактора. Нижние края распорок упираются в стенку реактора и отделяют разделительные стенки колон от стенки реактора с помощью зазора 208, который равен ширине зазора 204. Прокладки по ширине колонны 209 рядом со стенками реактора и прокладки 210, примыкающие к стержню, образуют периферийную ширину колонн (по окружности) 205 и 202 соответственно. Ширина колонн 202 и 205 приблизительно одинакова. Прокладки колонн 209 шире, чем прокладки 210, для того чтобы оболочка соответствовала по своей форме кривизне стенки реактора. Ямки 211 могут быть вдавлены в разделительные стенки колонн с каждой стороны лопаток, что позволяет точно позиционировать лопатки. Стрелка 212 показывает направление потока текучей среды, протекающей через оболочку, которая сначала достигает стенки реактора через колонны 205 между лопатками 206, затем ударяется о стенку реактора (не показано) и возвращается сбоку с периферийного направления через зазоры, образованные между разделительными стенками колонн и стенкой реактора. Далее поток текучей среды входит в колонну 202, где меняет свое центростремительное направление с помощью лопаток 203 (от стенок реактора к его центру) по мере движения от входа в реактор до его выхода. Оболочка находится между стержнем и стенкой реактора по всей окружности реактора, располагаясь от входа в реактор вплоть до выхода из него.

На фиг.2В показан способ сборки оболочки, изображенной на фиг.2В. Конструкция монолитной оболочки состоит из металлического листа 212. Лопаток 203 и распорок для формирования зазора 207, которые обрезаются с трех краев, как показано на фигуре, и сгибаются вперед до угла приблизительно 45 градусов вдоль прерывистых линий 213 и 217 соответственно. Лопатки 206 обрезаются с трех сторон, как показано на фигуре, и отгибаются назад под углом приблизительно 45 градусов, вдоль прерывистой линии 216. Лист металла сгибается вперед вдоль прерывистых линий 220 в непосредственной близости от боковых сторон лопаток 203, а также сгибается назад вдоль прерывистых линий 221 в непосредственной близости от боковых сторон лопаток 206 под углом приблизительно 90 градусов или до тех пор, пока разделительные стенки колонн 201 не коснутся краев лопаток 203 и 206. Предпочтительно чтобы прокладки по ширине колонн 209 и 210 были на том же уровне. Ширина лопаток 203 и 206 может сужаться, а ширина распорок колонн 209 может быть больше, чем ширина распорок колонн 210, что позволяет оболочке соответствовать по своей форме кривизне стенки реактора, а лопаткам упираться в абсолютно все участки разделительных стенок колонн. Выгнутая должным образом оболочка покрывается слоем соответствующего носителя катализатора и активным катализатором, после чего устанавливается в реактор между его стержневой конструкцией и стенкой.

На фиг.3А изображено поперечное сечение в осевом направлении одного из вариантов исполнения настоящего изобретения, в котором стержень не является монолитным. Каталитический реактор 300 имеет вход 301, выход 302 и цилиндрическую стенку 303. Внутренний объем реактора состоит из стержня 304 и оболочки 305. Стержень состоит из неупорядоченного набора сплошных алюминиевых сфер, которые пропитываются активным катализатором. Оболочка находится между стержнем и стенкой реактора по всей поверхности - от его входа до выхода. Оболочка содержит плоские кольца 306 и 307 соответственно, которые разделены между собой осевыми промежутками. Поверхность между оболочкой и стержнем может дополнительно включать перфорированную стенку, показанную пунктирной линией 308. Направление потока текучей среды от входа в реактор через весь его объем, вплоть до его выхода, показано стрелкой 309. Далее обратимся к фиг.3В, если иное не будет указано в описании. На этой фигуре изображен укрупненный вид части реактора, представленного на фиг.3А, вблизи его стенки. Оболочка 305 упирается в стенку реактора 303. Оболочка содержит внутренние плоские кольца 306 и внешние плоские кольца 307. Внутренние кольца и внешние кольца устанавливаются относительно друг друга и стенки реактора таким образом, чтобы образовать разделительную перегородку или перемежающиеся каналы для направления потока текучей среды центробежным образом, для того чтобы она ударялась о стенки реактора, как это показано стрелкой 310, после чего текучая среда возвращается от стенок реактора в центростремительном направлении, как это показано стрелкой 311, и так происходит по ходу всего движения текучей среды от входа к выходу реактора. Текучая среда, протекающая по каналам в центробежном направлении, ударяется в стенки реактора, как это показано стрелкой 312, после чего она отражается и вновь попадает в каналы, по которым она течет уже в центростремительном направлении. Каналы для текучей среды в оболочке реактора соединены с проходами стержня. Дополнительная перфорированная стенка может быть помещена между оболочкой и стержнем, как это показано пунктирной линией 308. Внешние плоские кольца, внутренний диаметр которых меньше, чем наружный диаметр внутренних плоских колец, упираются в стенки реактора. Внутренние плоские кольца примыкают к стержню по внутреннему диаметру, что формирует внутренний диаметр оболочки. Их внешний диаметр равен, по крайней мере, половине расстояния от стержня до боковой стенки реактора. Внутренние и внешние кольца располагаются в чередующейся последовательности от входа к выходу реактора. Расстояние между смежными внутренним и внешним кольцом постоянно. Зазор между внутренними кольцами и стенкой реактора приблизительно равен значению, которое равно расстоянию по оси между смежными внутренним и внешним кольцом. Расстояние между стрежнем и стенкой реактора равно примерно от 0.01 до 0.4 (наиболее предпочтительный вариант - от 0.05 до 0.2) расстояния от внутренней поверхности стенки реактора до его оси. Внутренние и внешние кольца фиксируются с помощью продольных опор или стоек (не показаны).

Пример исполнения изобретения

В качестве примера одного из вариантов исполнения настоящего изобретения возьмем вариант с оболочкой, изображенной на фиг.2В, размеры которой будут приведены ниже. Этот пример относится к реакторам, предназначенным для преобразования пара, которые применяются при производстве водорода. Внутренний диаметр стенки реактора 100 мм, толщина - 13 мм, длина - 10 м, вход в реактор находится сверху, а выход - снизу. Диаметр стержня 80 мм. Оболочка окружает стержень реактора, расстояние от нее до боковой стенки равно 10 мм. Оболочка составлена из 80 колонн, каждая из которых имеет ширину приблизительно 3.9 мм на стенке реактора. Металлический лист толщиной 0.2 мм, шириной 945 мм и длиной 500 мм, расположенный в осевом направлении реактора, используется в качестве подложки оболочки. Разделительные стенки колонн имеют ширину 8.0 мм, таким образом формируется зазор величиной 2.0 мм между разделительными стенками колонн и стенкой реактора. Лопатки 203 имеют длину 14.1 мм, ширину 3.9 мм - с обрезанного края и 3.5 мм - со стороны согнутого края. Лопатки 206 имеют длину 11.4 мм, ширину 3.5 мм - с обрезанного края и 3.9 мм - со стороны согнутого края. Распорки 207 имеют длину 2.8 мм и ширину 3.9 мм. Прокладки по ширине колон 209 имеют высоту 3 мм и ширину 3.9 мм. Прокладки по ширине колонн 210 имеют высоту 3 мм и ширину 3.5 мм. Предпочтительно, чтобы прокладки 209 и 210 располагались на одном уровне. Лопатки 203 и прокладки 207 сгибаются вперед под углом 45 градусов вдоль линии сгиба 213 и 217 соответственно, а лопатки 206 отгибаются назад под углом 45 градусов вдоль линии сгиба 216. Лист сгибается вперед под углом примерно 90 градусов вдоль линии сгиба 220, которая отстоит на 3.5 мм и находится вблизи боковых сторон лопаток 203. Лист отгибается назад под углом примерно 90 градусов вдоль линии сгиба 221, которая отстоит на 3.9 мм и находится вблизи сторон лопаток 206. Образующаяся оболочка получается цилиндрической формы, а разделительные стенки первой и последней колонны могут быть соединены путем их сгибания.

Стержень выполнен в виде конструкции, описанной в примере 1 американской заявки US 10/886237 «Реакторы с первичными и вторичными каналами» от 7 июля 2004 года, заявитель Джонатан Дж. Фейнштейн. Стержень имеет диаметр 80 мм и длину 500 мм и представляет собой конструкцию в виде вложенных модулей.

Стержень и оболочка покрываются соответствующим носителем катализатора, содержащим оксид алюминия, а также насыщаются активным катализатором, содержащим оксид никеля. Несколько таких собранных блоков, состоящих из стержня и оболочки, устанавливаются затем в реактор, полностью заполняя его внутренний объем. Технологический газ пропускается через реактор для осуществления преобразования пара.

Изобретение относится к конструкциям гетерогенных каталитических реакторов. Каталитический реактор включает вход, выход и стенку реактора. Внутренний объем включает стержневую конструкцию, расположенную вдоль оси реактора, и конструкцию оболочки реактора, которая расположена около стенки реактора. Эти две конструкции отличаются друг от друга для обеспечения прохождения процесса катализа и теплообмена. Для того чтобы текучая среда ударялась о стенку реактора, в оболочке выполнены приспособления первого типа, которые направляют жидкую среду центробежным образом. Для оттока текучей среды от стенки реактора по мере прохождения текучей среды от входа в реактор до выхода из него в оболочке имеются устройства второго типа. Изобретение обеспечивает эффективный теплообмен по всему объему реактора, особенно вблизи стенок каталитического реактора цилиндрической или иной сплошной в поперечном сечении формы. 6 н. и 31 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Каталитический реактор, включающий вход, выход, ось реактора, стенку, расположенную вдоль оси реактора, стержневую конструкцию, в которой выполнены проходы для прохождения через них текучей среды и расположенную, как минимум, в непосредственной близости от оси реактора, конструкцию монолитной оболочки, расположенную между стержневой конструкцией и стенкой реактора и отличающуюся от стержневой конструкции, при этом в конструкции монолитной оболочки выполнено некоторое количество каналов, гидравлически связанных с некоторым количеством проходов стержневой конструкции для направления потока текучей среды центробежным образом и соударения ее со стенкой реактора под углом наклона не более 85° по отношению к боковой стенке реактора.

2. Реактор по п.1, характеризующийся тем, что стержневая конструкция не является монолитной.

3. Реактор по п.1, характеризующийся тем, что стержневая конструкция выполнена пористой, причем значение пористости стержневой конструкции, по крайней мере, на 10% меньше, чем пористость конструкции монолитной оболочки реактора.

4. Реактор по п.1, характеризующийся тем, что совокупность проходов стержневой конструкции имеет определенный гидравлический диаметр, а совокупность каналов конструкции монолитной оболочки реактора также имеет свой гидравлический диаметр, при этом средний гидравлический диаметр проходов стержневой конструкции, по крайней мере, на 10% больше, чем средний гидравлический диаметр каналов конструкции монолитной оболочки реактора.

5. Реактор по п.1, характеризующийся тем, что совокупности каналов структуры монолитной оболочки и совокупности проходов стержневой конструкции соответствует определенное значение процентного объема каналов и проходов соответственно для центробежного направления потока текучей среды по ходу ее движения от входа до выхода каталитического реактора, при этом в стержневой конструкции процентный объем таких проходов, по крайней мере, на 10% меньше, по сравнению с процентным объемом каналов для центробежного направления потока текучей среды по ходу ее движения от входа до выхода каталитического реактора, выполненных в конструкции монолитной оболочки каталитического реактора.

6. Реактор по п.1, характеризующийся тем, что монолитная конструкция оболочки и стержневая конструкция имеют соответствующие им значения проницаемости, при этом проницаемость конструкции монолитной оболочки выше, чем проницаемость стержневой конструкции, в результате чего осевая массовая скорость потока текучей среды через конструкцию монолитной оболочки выше, чем осевая массовая скорость потока текучей среды через стержневую конструкцию.

7. Реактор по п.1, характеризующийся тем, что проходы стержневой конструкции образованы только перфорированными стенками.

8. Реактор по п.1, характеризующийся тем, что каналы конструкции оболочки направлены радиально.

9. Реактор по п.1, характеризующийся тем, что конструкция монолитной оболочки и стержневая конструкция имеют множество поверхностей, при этом, по крайней мере, некоторые из этих поверхностей, как минимум, одной из конструкций, покрыты слоем катализатора.

10. Реактор по п.1, характеризующийся тем, что хотя бы одна из конструкций - стержневая или конструкция монолитной оболочки включают в себя, как минимум, одну подложку, выполненную из металла или керамики.

11. Реактор по п.10, характеризующийся тем, что металлическая подложка представляет собой перфорированный металлический лист.

12. Реактор по п.1, характеризующийся тем, что удаленность стержневой конструкции от стенки каталитического реактора определяется величиной, составляющей 0,01-0,4 расстояния от стенки реактора до его оси.

13. Реактор по п.1, характеризующийся тем, что конструкция монолитной оболочки включает колонны, причем первые колонны выполнены с устройствами для направления текучей среды центробежным образом, а во вторых колоннах выполнены устройства для направления текучей среды центростремительным образом.

14. Реактор по п.13, характеризующийся тем, что первые и вторые колонны разделены между собой разделительными стенками, при этом первые и вторые колонны гидравлически связаны между собой в непосредственной близости от стенок реактора.

15. Реактор по п.1, характеризующийся тем, что каталитический реактор может быть использован либо для преобразования пара, либо для последующей обработки выбросов двигателей внутреннего сгорания, либо для того и другого.

16. Реактор по п.1, характеризующийся тем, что конструкция оболочки имеет определенную геометрическую конфигурацию, при этом эта геометрическая конфигурация отличается от геометрической конфигурации стержневой конструкции на протяжении от оси реактора до стенки реактора.

17. Способ изготовления реактора, включающего монолитную конструкцию, включающую радиально направленные каналы для направления потока текучей среды, проходящей через них центробежным и центростремительным образом соответственно включающий сгибание листа для того, чтобы сформировать ряд радиальных соосных стенок, соединенных посредством периферийных соосных стенок, при этом периферийные стенки, расположенные между последовательными парами радиальных стенок, попеременно находятся в непосредственной близости от стенки реактора или на удаленном расстоянии от нее, причем в периферийных стенках имеются участки, которые отгибают от их основного направления, под косым углом по отношению к оси реактора для того, чтобы направить текучую среду в центробежном или центростремительном направлении по ходу ее движения через реактор, при этом описанная монолитная конструкция устанавливается в непосредственной близости от стенки реактора.

18. Монолитная конструкция, предназначенная для использования в реакторе, включающая радиально направленные каналы для направления текучей среды центробежным и центростремительным образом соответственно, радиальные соосные стенки, соединенные посредством периферийных соосных стенок, при этом периферийные стенки, расположенные между последовательными парами радиальных стенок, попеременно находятся в непосредственной близости от стенки реактора или на удаленном расстоянии от нее, причем в периферийных стенках имеются участки, которые наклонены под косым углом по отношению к оси реактора для того, чтобы направить текучую среду в центробежном или центростремительном направлении по ходу ее движения через реактор, при этом описанная монолитная конструкция расположена в непосредственной близости от стенки реактора.

19. Реактор по п.1, характеризующийся тем, что некоторое количество каналов конструкции монолитной оболочки образованы неперфорированными стенками каналов.

20. Технологическая набивка для использования в реакторе, включающая вход, выход, ось реактора, стержневую конструкцию, расположенную, как минимум, в непосредственной близости от оси реактора, в которой выполнены проходы для прохождения по ним текучей среды, конструкцию монолитной оболочки, расположенную вокруг, по крайней мере, части стержневой конструкции, при этом конструкция монолитной оболочки отличается от стержневой конструкции и включает в себя некоторое количество каналов, гидравлически связанных с некоторым количеством проходов стержневой конструкции.

21. Технологическая набивка по п.20, характеризующаяся тем, что стержневая конструкция не является монолитной.

22. Технологическая набивка по п.20, характеризующаяся тем, что стержневая конструкция выполнена пористой, причем значение пористости стержневой конструкции, по крайней мере, на 10% меньше, чем пористость конструкции монолитной оболочки реактора.

23. Технологическая набивка по п.20, характеризующаяся тем, что совокупность проходов стержневой конструкции имеет определенный гидравлический диаметр, и совокупность каналов конструкции монолитной оболочки реактора также имеет свой гидравлический диаметр, при этом средний гидравлический диаметр проходов стержневой конструкции, по крайней мере, на 10% больше, чем средний гидравлический диаметр каналов конструкции монолитной оболочки реактора.

24. Технологическая набивка по п.20, характеризующаяся тем, что совокупности каналов структуры монолитной оболочки и совокупности проходов стержневой конструкции соответствует определенное значение процентного объема каналов и проходов соответственно для центробежного направления потока текучей среды по ходу ее движения от входа до выхода каталитического реактора, при этом в стержневой конструкции процентный объем таких проходов, по крайней мере, на 10% меньше, по сравнению с процентным объемом каналов для центробежного направления потока текучей среды по ходу ее движения от входа до выхода каталитического реактора, выполненных в конструкции монолитной оболочки каталитического реактора.

25. Технологическая набивка по п.20, характеризующаяся тем, что монолитная конструкция оболочки и стержневая конструкция имеют соответствующие им значения проницаемости, при этом проницаемость конструкции монолитной оболочки реактора выше, чем проницаемость стержневой конструкции, в результате чего осевая массовая скорость потока текучей среды через конструкцию монолитной оболочки выше, чем осевая массовая скорость потока текучей среды через стержневую конструкцию.

26. Технологическая набивка по п.20, характеризующаяся тем, что проходы стержневой конструкции образованы только перфорированными стенками.

27. Технологическая набивка по п.20, характеризующаяся тем, что каналы конструкции оболочки направлены радиально.

28. Технологическая набивка по п.20, характеризующаяся тем, что конструкция монолитной оболочки и стержневая конструкция имеют множество поверхностей, при этом, по крайней мере, некоторые из этих поверхностей, как минимум, одной из конструкций, покрыты слоем катализатора.

29. Технологическая набивка по п.20, характеризующаяся тем, что хотя бы одна из конструкций - стержневая или конструкция монолитной оболочки включают в себя, как минимум, одну подложку, выполненную из металла или керамики.

30. Технологическая набивка по п.29, характеризующаяся тем, что металлическая подложка представляет собой перфорированный металлический лист.

31. Технологическая набивка по п.20, характеризующаяся тем, что конструкция монолитной оболочки включает колонны, причем первые колонны выполнены с устройствами для направления текучей среды центробежным образом, а во вторых колоннах выполнены устройства для направления текучей среды центростремительным образом.

32. Технологическая набивка по п.31, характеризующаяся тем, что первые и вторые колонны разделены между собой разделительными стенками, при этом первые и вторые колонны гидравлически связаны между собой в непосредственной близости от стенок реактора.

33. Технологическая набивка по п.20, характеризующаяся тем, что каталитический реактор может быть использован либо для преобразования пара, либо для последующей обработки выбросов двигателей внутреннего сгорания, либо для того и другого.

34. Технологическая набивка по п.20, характеризующаяся тем, что конструкция оболочки имеет определенную геометрическую конфигурацию, при этом эта геометрическая конфигурация отличается от геометрической конфигурации стержневой конструкции.

35. Технологическая набивка по п.20, характеризующаяся тем, что множество каналов образованы неперфорированными стенками.

36. Способ изготовления технологической набивки для использования в реакторе, включающей радиально направленные каналы для направления потока текучей среды, проходящей через них центробежным и центростремительным образом соответственно, включающий сгибание листа для того, чтобы сформировать ряд радиальных соосных стенок, соединенных посредством периферийных соосных стенок, при этом периферийные стенки, расположенные между последовательными парами радиальных стенок, попеременно находятся в непосредственной близости от стенки реактора или на удаленном расстоянии от нее, причем в периферических стенках имеются участки, которые отгибают от их основного направления, под косым углом по отношению к оси технологической набивки для того, чтобы направить текучую среду в центробежном или центростремительном направлении по ходу ее движения через технологическую набивку.

37. Технологическая набивка, предназначенная для использования в реакторе, включающая радиально направленные каналы для направления текучей среды центробежным и центростремительным образом соответственно, радиальные соосные стенки, соединенные посредством периферийных соосных стенок, при этом периферийные стенки, расположенные между последовательными парами радиальных стенок, попеременно находятся в непосредственной близости от стенки реактора или на удаленном расстоянии от нее, причем в периферических стенках имеются участки, которые наклонены под косым углом по отношению к оси реактора для того, чтобы направить текучую среду в центробежном или центростремительном направлении по ходу ее движения через реактор, при этом описанная технологическая набивка расположена в непосредственной близости от стенки реактора.