УЗЕЛ ПОДГОТОВКИ ГАЗОПАРОЖИДКОСТНОГО ПОТОКА Российский патент 2009 года по МПК B01J19/00 

Изобретение относится к оборудованию для подготовки неоднородного газопарожидкостного потока перед вводом в каталитический реактор или в машину подачи потока и может использоваться во всех технологических процессах с потоками «сложных» газопарожидкостных смесей и технологических линиях, включающих любой (по меньшей мере, один) из двух указанных агрегатов, например в линии подачи смеси в реактор гидрирования фенола при производстве капролактама.

Известны аналоги - узлы подготовки неоднородного газопарожидкостного циркуляционного потока перед подачей в трубчатые каталитические реакторы гидрирования фенола, описанные в работе Бадриана А.С., Кокоулина Ф.Г., Овчинникова В.И., Ручинского В.Р., Фурмана М.С., Чечика Е.И. «Производство капролактама», М.: Химия, 1977, стр.92, рис.25. Конструкции узлов подготовки потока аналогов включают: вертикальный испаритель фенола (С₆Н₆О), поступающего в процесс в жидком агрегатном состоянии, со штуцерами ввода фенола (сбоку корпуса) и водорода (Н₂ - снизу в днище), а также финишный теплообменник-перегреватель для окончательной температурной «доводки» газопарожидкостной смеси перед каталитическим реактором гидрирования. Указанные аппараты соединены трубопроводами с запорно-регулирующей арматурой.

Работа узлов подготовки-аналогов заключается в том, что подогретый жидкий фенол (С₆Н₆О) с температурой 130÷140°С по передаточному трубопроводу вводится в испаритель. Туда же подается циркуляционный-реакционный газ (упрощенно - водород H₂). Барботируя через слой жидкого кипящего фенола (С₆Н₆О), циркуляционный газ насыщается парами фенола и, частично захватывая с поверхности раздела фаз жидкокапельные фенольные фрагменты (со скоростью витания, соответствующей или меньше скорости потока), «устремляется» по технологическому трубопроводу в финишный теплообменник. В финишном теплообменнике неоднородный газопарожидкостный поток подогревается до температуры около 155°С (при двухстадийной схеме гидрирования на никель-хромовом катализаторе). При нагреве часть жидко-капельных фрагментов переходит в паровую фазу и смесь направляется в каталитический реактор гидрирования, где в трубках, заполненных катализатором, реализуется требуемое химическое взаимодействие - гидрирование с образованием одного целевого продукта производства капролактама - циклогексанона (С₆Н₆О), или в смеси с циклогексанолом (С₆Н₆О) - побочным продуктом производства (перерабатываемом затем в циклогексанон). В различных вариантах схем гидрирования: в одностадийной-селективной - сразу в циклогексанон (С₆Н₆О) или в двухстадийной-неселективной - с получением смеси продуктов циклогексанона (С₆Н₆О) и циклогексанола (С₆Н₆О), при использовании различных типов катализатора в реакторе, оптимальные температурные интервалы подготовки потока могут изменяться.

Недостатком конструкций-аналогов является низкая безопасность технологического процесса, низкий срок службы катализатора (из-за спекания его верхних слоев в трубках), частые остановки линии для замены и высокая трудоемкость замены спекшихся слоев. Указанные недостатки причинно обусловлены неполным переходом в паровую фазу - проскоком через финишный теплообменник и попаданием в трубки реактора жидко-капельных фрагментов фенола, особенно в переходные моменты времени - существования неустановившихся режимов (пуска, повышения нагрузки и пр.). В установившемся режиме возможно объединение мелкообъемных фрагментов в крупные жидкофазные образования. Попадание жидкофазного фенола в трубки реактора приводит к спеканию принимающих его верхних слоев катализатора. Резко увеличиваются гидравлические сопротивления этих трубок. Перераспределяются расчетно-равные потоки парогазовой смеси по отдельным трубкам, и увеличивается давление в реакторе. При большом объеме проскока жидкой фазы возможно критическое локальное выделение тепла, приводящее к взрывному развитию процесса.

Наиболее близким по технической сущности решением, принятым за прототип, является узел подготовки неоднородного газожидкостного циркуляционного потока перед подачей в реактор - колонну синтеза аммиака (NН₃), описанный в работе Румянцева О.В. «Оборудование цехов синтеза высокого давления в азотной промышленности», М.: Химия, 1970, стр.39, рис.2.2 (в составе схемы агрегата синтеза аммиака с конденсационной колонной). На рис.2.2, стр.39 приведена схема агрегата синтеза аммиака, отличающаяся от приведенных в той же работе других схем (рис.2.1; 2.3 и др.) конструкцией узла подготовки и названная по основному аппарату этого узла - конденсационной колонне. Узел предреакторной подготовки циркуляционного потока в этой схеме в отличие от схемы аналога включает сепарационную камеру с трубопроводом ввода в нее неоднородной смеси. Сепарационная камера размещена в нижней части корпусного аппарата, верхняя часть которого выполнена в виде перегревателя - финишного трубного теплообменника (верхним днищем сепарационной камеры является трубная перегородка теплообменника). Объединенный аппарат позиционирован под названием конденсационная колонна. От теплообменника-перегревателя к реакционной колонне синтеза аммиака подведен трубопровод подачи отсепарированного нагретого газового потока. В нижней части сепарационной камеры смонтирован трубопровод слива жидкого продукта.

Работа известной конструкции прототипа состоит в следующем. Циркуляционный газожидкостный поток попадает в нижнюю часть конденсационной колонны - в расширенную сепарационную камеру. Так как поперечное сечение камеры в несколько раз больше сечения трубопровода, скорость смешанного газожидкостного потока резко уменьшается. Капельные фрагменты жидкой фазы, не поддерживаемые резко уменьшившимися скоростными-инерционными силами, под действием сил тяжести падают вниз, собираются на нижнем днище и выводятся из корпуса колонны - сепарационной камеры по трубопроводу слива жидкой фазы (жидкого аммиака). Одновременно освободившийся от жидкой фазы - отсепарированный газовый поток «уходит» вверх, попадает в трубное пространство перегревателя - финишного теплообменника, нагревается первичным более горячим продуктом, «проходящим» по межтрубному пространству, и передается в реактор-колонну синтеза аммиака. Особенность, упрощающая конструкцию узла подготовки неоднородного циркуляционного потока агрегата синтеза аммиака, заключается в том, что выводимая здесь жидкая фаза - жидкий аммиак - является целевым - конечным продуктом синтеза, который далее отводится на очистку и в складское хранилище.

Недостатком узла подготовки газопарожидкостного потока, принятого за прототип, является пониженное содержание - пониженная массовая доля паровой фазы в выводимом из узла подготовки готовом газопаровом потоке в случаях, когда паровая фаза (являясь парами отделяемой в узле жидкости) представляет необходимый реагент, подлежащий последующей переработке (т.е. сырцовый продукт, направляемый в реактор или машину подачи потока). Указанный недостаток узла подготовки неоднородного газопарожидкостного потока, известного из технологических схем агрегатов синтеза аммиака, обусловлен использованием в конструкции узла подготовки единственного гидродинамического эффекта - эффекта отделения жидкости от газообразной среды с разделением технологических линий движения этих потоков. В технологических процессах, где образующаяся жидкая фаза является первичным фазовым состоянием или конденсатом сырцовой (подлежащей подаче в каталитический реактор или машину подачи потока) паровой фазы, например в технологии гидрирования фенола, требуется возвращение жидкой фазы обратно в первичную расходную емкость. С последующим повторным введением ее в поток, направляемый в штатный испаритель (аппарат испарения). И, таким образом, к первому недостатку прототипа (пониженная нагрузка узла по массе паровой фазы) в выводном потоке добавляется другой - из-за необходимости защиты реактора или машины от попадания жидкости - узлом подготовки потока создается бесполезно циркулирующий контур жидкой фазы (сепарационная камера - первичная расходная емкость - испаритель - сепарационная камера).

Целью изобретения является повышение удельной нагрузки узла по массе паровой фазы в готовом газопаровом потоке (увеличение массовой доли паровой фазы в потоке) и исключение бесполезной циркуляции жидкости-сырца (источника паровой фазы) при использовании в технологиях, где паровая фаза - необходимый сырьевой компонент смеси, например в технологии гидрирования фенолом.

Указанная цель достигается тем, что в известном узле подготовки газопарожидкостного потока, включающем трубопровод и расположенные по ходу потока в трубопроводе сепарационную камеру и входную трубную перегородку горизонтального теплообменника-перегревателя, во входной трубной перегородке теплообменника-перегревателя выполнен, по меньшей мере, один канал от нижнего сегмента плоскости входной перегородки (расположенный ниже уровня трубок) к, по меньшей мере, одной заделанной в перегородке части трубки, причем ось канала в месте прохода через стенку заделанной части трубки отнесена от входной плоскости перегородки на полдиаметра трубки. Канал выполнен Г-образной формы с продольной и поперечной ветвями, полученными двумя операциями сверления с отглушкой торцевого (технологического) участка поперечной ветви. Поперечные ветви, по меньшей мере, двух Г-образных каналов, проведенные через стенки заделанных частей, по меньшей мере, двух нижних трубок теплообменника, соединены одной продольной горизонтальной ветвью канала, выполненной с большим диаметром и расположенной в самой нижней точке перегородки. По меньшей мере, один выполненный во входной перегородке канал снабжен патрубком, один конец которого герметично присоединен ко входному торцу продольной ветви канала, а другой конец патрубка опущен в углубленную нижнюю часть сепарационной камеры. Штуцер ввода теплоносителя в межтрубное пространство теплообменника-перегревателя расположен напротив тех трубок, заделанная часть которых во входной трубной перегородке дооснащена каналами.

Изобретение поясняется Фиг 1-7.

На Фиг.1 приведен продольный вид узла подготовки газопарожидкостного потока с трубной сепарационной камерой, эксцентрично расширенной вертикально вверх.

На Фиг.2 представлен продольный вид узла подготовки с расширенной вниз в виде «стакана» нижней частью сепарационной камеры.

На Фиг.3 изображен фрагмент поперечного вида реконструированного низа входной трубной перегородки с одной трубкой, дооснащенной Г-образным каналом, продольная ветвь которого размещена ниже уровня трубок (входа газопарожидкостного потока в пароперегреватель-теплообменник).

На Фиг.4 то же, что и на Фиг.3, но с тремя трубками, дооснащенными тремя раздельными Г-образными каналами.

На Фиг.5 то же, что и на Фиг.4, но с тремя поперечными ветвями каналов, замкнутыми на одну продольную горизонтальную ветвь (канала), выполненную с большим диаметром.

На Фиг.6 приведен фрагмент продольного разреза низа перегородки по обеим ветвям одного из каналов.

На Фиг.7 представлен продольный вид узла подготовки с расширенной вниз в виде стакана нижней частью сепарационной камеры, причем введенный канал (во входной трубной перегородке) дооснащен (соединен с одним концом) патрубком, второй конец которого опущен вниз стакана камеры.

Узел подготовки газопарожидкостного потока (по ходу вводимой в узел смеси) (Фиг.1; 2; 7) состоит из основного трубопровода 1 подачи смешанного газопарожидкостного потока, в который вставлена сепарационная камера 2 в виде трубной катушки. Сепарационная камера 2 может быть выполнена в виде эксцентричного расширения трубы 3 вверх (Фиг.1) или опущенным вниз накопительным стаканом 4 (Фиг.2; 7). Выход сепарационной камеры 2 (по движению потока) соединен с входным фланцем 5 перегревающего теплообменника 6, в котором размещена входная трубная перегородка 7. Теплообменник 6 является одноходовым по трубному пространству. В перегородке 7 заделаны концы трубного пучка - пучка трубок 8 (Фиг.3; 4; 5; 6). Во входной трубной перегородке 7 и, по меньшей мере, в стенке одной заделанной в нее части нижней трубки 8 выполнен, по меньшей мере, один Г-образный канал, состоящий из поперечной (по потоку) и продольной ветвей 9 и 10. Каждая из двух ветвей 9 и 10 получена одной операцией сверления. Сверление поперечной ветви 9 проведено до «протыкания» стенки трубки 8 насквозь. При этом технологический (по условию доступа сверления) участок 11 поперечной ветви 9 отглушен (заглушен), на Фиг.6 участок 11 мелко заштрихован. Ось поперечной ветви 9 канала Г-образной формы размещена во входной перегородке 7 теплообменника 6 на расстоянии, равном полдиаметра трубки 8. По высоте ось продольной ветви 10 канала Г-образной формы размещена ниже уровня трубок - т.е. входа газопарового потока в трубки 8. В вариантах, показанных на Фиг.4 и 5, каналами Г-образной формы дооснащены три нижних трубки 8 теплообменника 6, причем каналы по варианту, приведенному на Фиг.4, выполнены полностью раздельно. Продольные ветви 10 всех трех каналов размещены ниже уровня трубок - входа газопарового потока в трубное пространство теплообменника 6. В отличие от варианта Фиг.4 в варианте Фиг.5 у трех поперечных ветвей каналов Г-образной формы продольные ветви 10 объединены в одну общую ветвь, имеющую больший диаметр.

В варианте, показанном на Фиг.7, входное отверстие продольной ветви 10 канала Г-образной формы дооснащено патрубком 12, опущенным в нижнюю часть накопительного стакана 4 сепарационной камеры 2.

Ввод теплоносителя в межтрубное пространство одноходового (по трубному пространству) теплообменника-перегревателя 6 осуществляется по штуцеру 13. Вывод - по штуцеру 14. Штуцер ввода 13 расположен внизу напротив трубок 8, заделанная часть которых в трубной перегородке 7 дооснащена каналами Г-образной формы с ветвями 9 и 10.

Работа предложенного узла подготовки газопарожидкостного потока состоит в следующем. По трубопроводу 1 в трубную катушку с сепарационной камерой 2, выполненной в виде эксцентричного расширения трубы 3 вверх или накопительного стакана 4 вниз, подается неоднородный газопарожидкостный поток - поток, содержащий кроме газопаровой фазы жидко-капельные фрагменты сырцовой жидкости (жидкости - источника паровой фазы). При входе в сепарационную камеру 2, расширенную вверх (Фиг.1) или вниз (Фиг.2), в результате резкого увеличения проходного сечения скорость потока резко снижается. Жидко-капельные фрагменты, не поддерживаемые достаточными скоростными инерционными силами, выпадают в осадок - вниз - на нижнюю часть сепарационной камеры 2. «Отбитый» - отсепарированный от жидкости поток поступает на вход теплообменника 6, разделяется на струи, которые «заходят» в трубное пространство - в трубки 8 через входную перегородку 7. Газопаровые струи, входящие в трубки 8 (на начальном участке длины трубок 8) на расстоянии, приблизительно равном половине их внутреннего диаметра, сужаются до площади сечения, равного около 0,6 внутреннего проходного сечения трубок 8. В кольцевой пристеночной зоне каждой трубки 8, остающейся незаполненной газопаровым потоком, образуется условно вакуумное пространство (зона пониженного давления в сравнении с уровнями давлений перед входом в трубки 8 и на выходе из них). На верхних трубках 8 теплообменника 6, которые не дооснащены каналами Г-образной формы с поперечной 9 и продольной 10 ветвями, возникновение описанного эффекта не сопровождается его полезным использованием. (То есть механика движения струй отсепарированного газопарового потока в одноходовом по трубному пространству теплообменнике-перегревателе 6 в верхних трубках 8, не дооснащенных по перегородке 7 Г-образными каналами с ветвями 9 и 10, не отличается от работы известных устройств.) Отличия возникают в работе нижних трубок 8, дооснащенных Г-образными каналами по перегородке 7. Отсепарированный газопаровой поток, входящий в нижние трубки 8, также образует струи переменного сечения, т.е. также создает своим движением вакуумные зоны. Но вакуумные зоны нижних трубок 8 не остаются незаполненными - в них непрерывно автоматически подсасывается выпадающая в нижнюю часть сепарационной камеры 2 (участка трубы 3 по Фиг.1 или стакана 4 по Фиг.2; 7) сырцовая жидкость. «Подсасывание» сырцовой жидкости происходит автоматически по введенным (выполненным) во входной трубной перегородке 7 Г-образным каналам с ветвями 9 и 10, соединяющим образующиеся внутри трубочные, условно вакуумные пространства с нижней частью сепарационной камеры 2 - местом накопления выпадающей при расширительной сепарации жидкости.

В варианте на Фиг.7 для реализации подсоса из заглубленного стакана 4 сепарационной камеры 2 продольная 10 ветвь канала дополнительно оснащена герметично присоединенным патрубком 12, опущенным в стакан 4. В варианте, изображенном на Фиг.5, общей продольной ветвью 10 объединены вакуумные пространства трех нижних трубок 8. Всасывание по ветви 10 от сепарационной камеры 2 в данном варианте является общим до места пересечения с тремя поперечными ветвями 9, просверленными к различным трубкам 8. Естественно, диаметр продольной ветви 10 в этом варианте принимается больше диаметра ветвей 9.

Число трубок 8, дооснащенных Г-образными каналами, и диаметры ветвей 9 и 10 каналов определяются в зависимости от объемов жидкости, выделяющейся в сепарационной камере 2.

Сырцовая жидкость, попадая по Г-образным каналам в трубки 8, диспергируется (измельчается и рассеивается) в струях проходящего - транзитного газопарового потока. Многократно возрастает контактная поверхность измельченной жидкой фазы. Рассеивание в струе увеличивает объем несущей ее газопаровой фазы. Реализуются необходимые условия интенсивного теплообмена - поглощения тепла, передаваемого теплоносителем через стенки трубок 8 теплообменника 6 от нагреваемого межтрубного пространства.

Для концентрации наибольшего теплового вклада, отдаваемого теплоносителем на нижних трубках 8 с распыленной жидкой сырцовой фазой, требующих увеличенного теплоснабжения (для испарения дополнительной жидкости), штуцер 13 ввода теплоносителя в межтрубное пространство теплообменника 6 расположен напротив трубок 8, дооснащенных во входной трубной перегородке 7 каналами Г-образной формы (с ветвями 9 и 10). Следует отметить, что сырцовая жидкость попадает в трубки 8 и Г-образные каналы не принудительным впрыском, а естественным подсасыванием, причем по мере диспергирования (измельчения и рассеивания) в транзитной струе газопарового потока предыдущей порции (в условно дискретном представлении) поступает следующая и т.д.

Благодаря предложенному решению - дооснащению нижней части входной трубной перегородки финишного теплообменника-перегревателя с заделанными в ней частями теплообменных трубок, по меньшей мере, одним Г-образным каналом (размещенном в перегородке на определенном расстоянии - равном половине диаметра трубок от входной плоскости), реализован дополнительно (к сепарационному) гидродинамический эффект условного вакуум-всасывания. Эффект условного вакуум-всасывания создает вторичное - дополнительное перед каталитическим реактором (или машиной подачи потока) введение и диспергирование (измельчение и рассеивание) в потоке жидкой сырцовой фазы. Выделенная в сепараторе из условия обеспечения безопасности и предотвращения разрушения оборудования жидкая сырцовая фаза не возвращается снова в исходную емкость, что вызывало бы бесполезную циркуляцию жидкого сырья, а направляется в процесс. Точнее, в конечную - предреакторную (предмашинную) «точку» (позицию) - в перегреватель (финишный теплообменник), где осуществляется заключительный нагрев смеси. Так как жидкая фаза, вводимая через Г-образные каналы, диспергируется, распыляется в струях, контактная поверхность ее многократно возрастает, увеличивая интенсивность теплообмена, обеспечивая полноту перехода распыленных микрофрагментов в паровое состояние. Тем самым, увеличена массовая доля паровой фазы в потоке или (другими словами) повышена удельная нагрузка узла подготовки по массе паровой фазы в готовой газопаровой смеси, направляемой в каталитический реактор (машину подачи потока).

Предложенное решение позволяет реализовать описанный эффект всасывания, измельчения и рассеивания (распыления) жидкой сырцовой фазы минимальными техническими средствами. Достаточно выполнить два сверления - продольной и поперечной ветвей одного канала. Проведение заявленного изменения на уже работающих - действующих перегревателях требует их остановки всего на несколько часов. В настоящее время разрабатывается проект установки гидрирования фенола, где используется предложенный узел подготовки газопарожидкостной смеси перед каталитическим трубчатым реактором гидрирования.

Изобретение относится к технологическим узлам для подготовки сложных парогазожидкостных смесей перед вводом в трубчатый реактор или компрессор и может быть использован в схеме гидрирования фенола. Входная трубная перегородка горизонтального перегревателя установлена за сепарационной камерой по движению потока и оснащена Г-образными каналами, соединившими нижнюю часть камер и внутреннее пространство нижних теплообменных трубок в зонах суженного сечения входных струй потока. Выделяемая в сепарационной камере по условию безопасности компрессора или реактора сырцовая жидкость по Г-образным каналам подсасывается в нижние трубки перегревателя, измельчается и рассеивается в струях проходящего потока. Штуцер ввода теплоносителя в межтрубное пространство перегревателя расположен напротив нижних трубок. После финишного нагрева смеси увеличивается массовая доля сырьевого пара в потоке, направляемом в реактор или компрессор. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Узел подготовки газопарожидкостного потока, включающий трубопровод и расположенные по ходу потока в трубопроводе сепарационную камеру и входную трубную перегородку горизонтального теплообменника-перегревателя, отличающийся тем, что во входной трубной перегородке теплообменника-перегревателя выполнен, по меньшей мере, один канал от нижнего сегмента входной плоскости перегородки, расположенный ниже уровня трубок, к, по меньшей мере, одной заделанной в перегородке части трубки, причем ось канала в месте прохода через стенку заделанной части трубки отнесена от входной плоскости перегородки на полдиаметра трубки.

2. Узел подготовки газопарожидкостного потока по п.1, отличающийся тем, что канал выполнен Г-образной формы с продольной и поперечной ветвями, полученными двумя операциями сверления с отглушкой торцевого технологического участка поперечной ветви.

3. Узел подготовки газопарожидкостного потока по п.1, отличающийся тем, что поперечные ветви, по меньшей мере, двух Г-образных каналов, проведенные через стенки заделанных частей, по меньшей мере, двух нижних трубок теплообменника, соединены одной продольно-горизонтальной ветвью канала, выполненной с большим диаметром и расположенной в самой нижней точке перегородки.

4. Узел подготовки газопарожидкостного потока по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один выполненный во входной перегородке канал снабжен патрубком, один конец которого герметично присоединен ко входному торцу продольной ветви канала, а другой конец патрубка опущен в углубленную нижнюю часть сепарационной камеры.

5. Узел подготовки газопарожидкостного потока по п.1, отличающийся тем, что штуцер ввода теплоносителя в межтрубное пространство теплообменника-перегревателя расположен напротив тех трубок, заделанная часть которых во входной трубной перегородке дооснащена каналами.