ТРУБНЫЙ ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ КАТАЛИТИЧЕСКИЙ РЕАКТОР Российский патент 2020 года по МПК B01J8/02 B01J19/24 

Область техники

Изобретение относится к каталитическому реактору, содержащему каталитический слой и трубный теплообменник, погруженный в этот слой. Такой реактор называется также трубным изотермическим реактором и используется, например, для синтеза метанола.

Уровень техники

Реактор приведенного выше типа в основном включает наружный кожух, специальный барабан, содержащий каталитический слой, трубный пучок, одну или две трубные доски для U-образных или прямых труб, соответственно. В вариантах выполнения с радиальным или аксиально-радиальным потоком каталитический слой имеет кольцевую структуру, в основном формируемую двумя коаксиальными цилиндрическими стенками, называемыми внутренним коллектором и наружным коллектором; как следствие, трубный пучок также имеет кольцевую структуру.

В трубы подается теплообменная текучая среда (теплоноситель), например вода или пар, что высвобождает или отводит тепло от слоя, обеспечивая регулирование температуры самого слоя. По этой причине реактор называют также изотермическим. Например, в реакторах синтеза метанола химическая реакция протекает экзотермически, и по трубному пучку, как правило, пропускается кипящая вода.

В общем, реактор имеет межтрубное пространство, которое содержит катализатор, и через которое пропускаются реагенты и продукты реакции, обычно газообразные, и внутритрубное пространство (внутри труб), через которое пропускается теплообменная текучая среда. Следует отметить, что со временем катализатор вырабатывается и его нужно периодически выгружать для регенерации или замены свежим катализатором, что требует доступа в межтрубное пространство реактора.

Известно, что трубные доски являются дорогостоящим компонентом таких реакторов. Этим трубным доскам придается форма диска или кольца с наружным диаметром, практически равным диаметру реактора; они имеют значительную толщину для противостояния высокому давлению и, следовательно, требуют большого количества высококачественного материала (легированной стали). Кроме того, известные трубные доски затрудняют доступ в межтрубное пространство реактора для загрузки и выгрузки катализатора, в результате чего эти операции становятся времязатратными и дорогими.

Для избавления от упомянутых дорогих компонентов был предложен трубный изотермический реактор, в котором трубные доски заменены первой базовой частью, действующей как распределитель текучей среды, и второй базовой частью, действующей как коллектор, при этом концы труб привариваются к первой и второй базовым частям. Эти базовые части имеют, например, тороидальную, сферическую, цилиндрическую или эллипсоидную форму и размер, меньший, чем поперечное сечение устройства, так чтобы обеспечивать загрузку и выгрузку катализатора.

Выполненные таким образом распределитель и коллектор легче и дешевле трубной доски, однако, порождают ряд недостатков.

Первый недостаток состоит в том, что трубы, симметрично и однородно разнесенные друг от друга (например, в квадратной или треугольной конфигурации) в центре пучка, должны располагаться ближе друг к другу вблизи распределительной базовой части и коллекторной базовой части, в результате чего каждая труба имеет один или несколько изгибов на своих концах; все эти изгибы отличаются друг от друга в зависимости от радиального положения трубы внутри реактора. Эта особенность создает проблемы при конструировании и требует специализированных гибочных машин для получения точных и воспроизводимых геометрических форм.

Другая проблема состоит в том, что стыковка труб с вышеупомянутыми базовыми частями производится в перпендикулярных поверхностям базовых частей направлениях, которые в общем не совпадают с осями труб. Для монтажа труб в ограниченном пространстве, доступном при сборке устройства, необходимо, следовательно, обеспечить по меньшей мере на одном конце каждой трубы промежуточное соединение между профилированным концом и прямой частью. Это увеличивает стоимость и создает места возможной утечки.

Утечка, связанная с дефектом сварки в одном из этих промежуточных соединений, может быть трудно обнаруживаемой, и ее невозможно исправить из-за большого числа труб, близких друг к другу. По существу единственным решением является заглушка поврежденной трубы.

Как упоминалось выше, распределительная базовая часть и коллекторная базовая часть меньше поперечного сечения устройства для обеспечения подачи/вывода катализатора при его загрузке/выгрузке. Однако сближенное расположение труб вблизи базовых частей создает препятствие для истечения катализатора и частично перечеркивает полученные преимущества. Кроме того, концы разных труб, которые все отличаются по направлению, высоте и длине, служат помехой для должного распределения теплообменной текучей среды во внутритрубном пространстве, приводя к неравномерности потерь тепла; следовательно, поток внутри труб может быть неоднородным, и некоторые трубы в пучке могут иметь пониженную охлаждающую или нагревательную способность. Все это обусловливает недостатки всего процесса.

Там, где трубы из-за изогнутых концов отклоняются от прямолинейной и параллельной конфигурации, неизбежно образуются зоны, в которых трубы располагаются ближе друг к другу или наоборот удалены друг от друга по сравнению с проектной схемой; эти зоны представляют собой нестандартную особенность, приводящую к снижению вклада в теплообмен. По этой причине трубные концы, хотя они и ориентированы в продольном направлении внутри устройства, не принимаются в расчет при определении теплообменной поверхности и поэтому снижают коэффициент заполнения устройства, то есть полезное использование его внутреннего объема.

Эти недостатки могут значительно снизить экономию по стоимости, достигнутую за счет использования вышеупомянутых коллекторов и распределителей вместо трубных досок.

Для решения проблемы доступа в межтрубное пространство (усложняемой наличием трубных досок) предлагалось также снижение размеров трубных досок, то есть использование, например, досок, имеющих площадь, значительно меньшую размера слоя. Однако это решение также требует изгиба труб, так чтобы они сходились на площади доски, что добавляет тот недостаток, что по сравнению с вышеописанной ситуацией требуется даже двойной изгиб каждого конца. В добавление к упомянутым выше стоимостным аспектам нужно отметить, что минимальное расстояние между трубами имеется в области трубной доски, что означает необходимость в использовании пучка труб, которые относительно далеко разнесены друг от друга на длине реактора, и поэтому устройство с плотно расположенными теплообменными поверхностями не может быть реализовано.

По существу, в предшествующем уровне техники не предлагается приемлемого решения для обеспечения недорогого трубного изотермического реактора.

В ЕР 2246109 раскрыт трубный изотермический химический реактор с концентрическими рядами трубных сборок. *Раскрытие изобретения

Изобретение касается проблемы обеспечения трубного изотермического реактора более низкой стоимости по сравнению с построенными на традиционной технологии при достижении в то же время высокой надежности, устранении дополнительных трубных сварных соединений, а также обеспечении легкого доступа при загрузке и выгрузке катализатора в процессе замены каталитического слоя.

Эти задачи решаются в реакторе, выполненном согласно пункту 1 прилагаемой формулы изобретения. Предпочтительные отличительные свойства раскрыты в зависимых пунктах.

В изобретении предлагается реактор, включающий группу пучков прямолинейных труб, в которой каждый трубный пучок имеет соответствующую трубную доску для подвода теплообменной текучей среды, циркулирующей по трубам, и соответствующую трубную доску для сбора той же среды, причем по меньшей мере некоторые из трубных пучков и соответствующих досок расположены на разных высотах, то есть ступенчато сдвинуты в вертикальном направлении.

Реактор содержит первый набор трубных пучков, расположенных на первой высоте внутри реактора, и второй набор трубных пучков, расположенных на второй высоте внутри реактора, и пучки первого набора и второго набора чередуются так, что каждый трубный пучок ступенчато сдвинут в вертикальном направлении относительно соседних пучков. Следовательно, соседние трубные доски также ступенчато сдвинуты в вертикальном направлении.

При разной высоте досок, то есть расположении со ступенчатым сдвигом в вертикальном направлении, остаются свободные пространства между соседними досками, которые в свою очередь определяют участки доступа в межтрубное пространство теплообменника. Эти участки могут использоваться для загрузки свежего катализатора и выгрузки отработанного катализатора.

Предпочтительно трубные доски перекрывают все поперечное сечение каталитического слоя, в то время как промежуток для доступа в межтрубное пространство и для прохождения катализатора обеспечивается вертикальным сдвигом. Трубным доскам придана форма секторов круга или секторов кольца в зависимости от конфигурации слоя.

Каждый из секторов круга или секторов кольца простирается в основном по всей радиальной протяженности каталитического слоя. Другими словами, каждый сектор трубной доски имеет такую же или в основном такую же радиальную протяженность, что и каталитический слой, и, следовательно, существует только один сектор в радиальном направлении. Например, каждый сектор трубной доски простирается в основном от внутреннего коллектора до наружного коллектора каталитического слоя.

Предпочтительно трубные пучки одинаковы друг с другом и, в частности, все трубы пучка прямые и параллельные и имеют одинаковую длину.

По существу в изобретении предлагается теплообменник с модульными трубными пучками. Вместо одного трубного пучка с единой трубной доской, занимающей все поперечное сечение слоя (как в предшествующем уровне техники), в изобретении используется группа пучков с соответствующими досками меньшего размера, которые выполнены, например, в виде секторов или "лепестков", и используется такой прием, как ступенчатое в вертикальном направлении размещение пучков и плит, так чтобы оставалось пространство, достаточное для истечения катализатора.

В предпочтительные применения изобретения входят следующие конструкции: реакторы синтеза метанола, реакторы синтеза аммиака, конверсионные реакторы для очистки синтез-газа, например, на установках получения водорода или на входе аммиачной установки.

Основное преимущество изобретения заключается в упрощении доступа в межтрубное пространство через свободные промежутки между сдвинутыми в вертикальном направлении досками. В то же время обеспечивается возможность использования плоских трубных досок, что упрощает сварку труб с досками. Концы прямых труб могут быть приварены непосредственно к доскам без трубных секций и без искривления или изгиба труб. Таким образом, в данном изобретении преодолены недостатки, перечисленные выше и присущие предшествующему уровню техники.

Преимущества изобретения станут еще более наглядными при использовании приведенного ниже подробного описания, касающегося ряда предпочтительных вариантов выполнения.

Краткое описание чертежей

Далее изобретение рассмотрено более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых схематически показано:

на фиг. 1 - трубный реактор согласно одному из вариантов выполнения изобретения;

на фиг. 2 - поперечное сечение реактора с фиг. 1;

на фиг. 3 - развертка на плоскость продольного сечения теплообменника реактора с фиг. 1.

Осуществление изобретения

На фиг. 1 показаны основные части реактора 1 согласно одному из вариантов выполнения изобретения. Реактор 1 включает: кожух 2; коаксиальные и перфорированные цилиндрические стенки, формирующие внутренний коллектор 3 и наружный коллектор 4. Пространство между двумя коллекторами 3 и 4 содержит каталитический слой 5 и трубный теплообменник, в общем обозначенный ссылочным номером 6. Теплообменник 6 погружен в слой 5.

Приведенный пример относится к реактору с центронаправленным аксиально-радиальным или радиальным потоком, в котором реагенты, подаваемые через ввод 30, поступают в каталитический слой 5 через пространство 8, охватывающее наружный коллектор 4, и продукты реакции собираются внутри трубы 7 и выходят через выпускной фланец 31.

Соответственно, согласно фиг. 1, реактор представляет собой реактор с радиальным или аксиально-радиальным потоком (в зависимости от направления, в котором пронизывается слой 5), что является особо предпочтительным исполнением; однако возможно применение представленной в изобретении компоновки также в аксиальном реакторе, и в этом случае реактор не содержит коллекторов 3 и 4.

Теплообменник 6 снабжается теплообменной текучей средой, поступающей у позиции 20 и выходящей у позиции 21, что регулирует температуру каталитического слоя 5. Например, можно сослаться на экзотермический реактор, в котором теплообменник 6 отводит тепло от слоя, и текучей средой служит вода, подаваемая снизу, которая испаряется по мере движения вдоль трубы, выходя в виде пара сверху пучка. Благодаря такому режиму работы такой реактор также называют "парогенерирующим" реактором.

Теплообменник 6 содержит группу трубных пучков с соответствующими трубными досками, которые в вертикальном направлении ступенчато сдвинуты, как можно видеть на чертежах. На чертежах показаны первый пучок 6.1 с трубными досками 9.1 и 10.1 и второй пучок 6.2 с трубными досками 9.2 и 10.2. Пучок 6.1 расположен на первой высоте внутри реактора 1, в то время как пучок 6.2 расположен на второй высоте; пучки и трубные доски сдвинуты ступенчато на расстояние s (фиг. 3), образуя пространства 11 и 11' между соседними досками.

Как можно видеть, в частности, на фиг. 3, имеются чередующиеся трубные пучки, расположенные на первой высоте (например, пучок 6.1) и на второй высоте (например пучок 6.2). Следует также отметить, что поверхность 12 досок предпочтительно плоская. При таком подходе концы прямых труб могут быть без затруднений приварены к доскам.

Трубные пучки сообщаются с общим питающим распределителем 13 (ввод воды) и общим паровым коллектором 14 (отвод пара). Каждая доска сообщается с распределителем 13 или коллектором 14 предпочтительно посредством трубы 15 и крышки 16.

На фиг. 2 представлен предпочтительный вариант выполнения досок 9.1 и 9.2, по которому этим трубным доскам придана форма секторов круга. Отдельная трубная доска, например доска 9.1, занимает сектор круга, сформированный между стенками 3 и 4 и в основном совпадающий с поперечным сечением каталитического слоя 5.

На фиг. 2 можно видеть, что трубные доски покрывают все поперечное сечение каталитического слоя 5, и, следовательно, даже при использовании обычных прямых труб можно распределить трубы в каталитическом слое в основном равномерным образом. Кроме того, каждый сектор, занимаемый доской, имеет по существу такую же протяженность по радиусу, что и каталитический слой, проходящий от внутреннего коллектора 3 до наружного коллектора 4.

Это приводит к лучшему использованию объема реактора и более единообразному регулированию процесса, в частности температуры реактора. Тем не менее, межтрубное пространство (то есть пространство, заполненное катализатором) доступно через каналы 11 и 11', не видимые на фиг. 2, но обеспечивающие свободную загрузку и выгрузку катализатора. Канал 11' в верхней части реактора обеспечивает загрузку катализатора, в то время как канал 11 в нижней части предназначен для выгрузки.

Доски 10.1 и 10.2 сбора текучей среды имеют аналогичные форму и расположение, как показано в примерах с фиг. 2.

Таким образом, изобретение решает поставленные выше задачи.

Изобретение относится к каталитическому реактору. Вертикальный химический реактор включает трубный теплообменник (6), погруженный в каталитический слой и содержащий группу пучков (6.1, 6.2) прямых труб с соответствующими трубными досками, предназначенными для подвода (9.1, 9.2) и сбора (10.1, 10.2) теплообменной текучей среды, при этом трубные пучки и соответствующие трубные доски ступенчато сдвинуты в вертикальном направлении, так чтобы обеспечивать доступ в межтрубное пространство. Трубным доскам придана форма секторов круга или секторов кольца и каждый из секторов распространяется на всю радиальную протяженность каталитического слоя. Изобретение позволяет упростить доступ в межтрубное пространство и упростить сварку труб с досками. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Вертикальный химический реактор (1), содержащий по меньшей мере каталитический слой (5) и трубный теплообменник (6), погруженный в каталитический слой и имеющий возможность подвода теплообменной текучей среды,

причем теплообменник (6) содержит группу пучков (6.1, 6.2) прямых труб, каждый из которых имеет соответствующую трубную доску (9.1, 9.2) подвода и соответствующую трубную доску (10.1, 10.2) сбора текучей среды,

группа трубных пучков включает по меньшей мере первый набор трубных пучков (6.1), расположенных на первой высоте внутри реактора, и второй набор трубных пучков (6.2), расположенных на второй высоте внутри реактора, и пучки первого набора и второго набора чередуются так, что каждый трубный пучок ступенчато сдвинут в вертикальном направлении относительно соседних пучков, а

трубным доскам придана форма секторов круга или секторов кольца, и каждый из секторов распространяется по существу на всю радиальную протяженность каталитического слоя.

2. Реактор по п. 1, в котором трубные доски имеют плоскую поверхность (12) стыковки с трубами.

3. Реактор по п. 1 или 2, отличающийся тем, что свободные пространства (11) между соседними трубными досками, образованные за счет расположения со ступенчатым сдвигом в вертикальном направлении, определяют места доступа в содержащую каталитический слой зону реактора, которые могут использоваться для загрузки и выгрузки катализатора.

4. Реактор по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что при рассмотрении в поперечном сечении трубные доски покрывают все поперечное сечение каталитического слоя.

5. Реактор по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что трубные пучки содержат прямые трубы одинаковой длины.

6. Реактор по любому из предыдущих пунктов, в котором каталитический слой (5) имеет в основном кольцевую геометрию, будучи помещенным между двумя вертикальными и коаксиальными цилиндрическими стенками (3, 4), и пересекается радиальным или аксиально-радиальным потоком, а трубные доски (9.1, 9.2, 10.1, 10.2) сформированы в виде секторов кольца.

7. Реактор по любому из предыдущих пунктов, предназначенный для использования по одному из следующих назначений: реактор синтеза метанола, реактор синтеза аммиака, реактор конверсии синтез-газа.