Каталітичний реактор з теплообмінником для проведення екзотермічних і ендотермічних хімічних реакцій

1. Псевдоізотермічний реактор по суті з циліндричним корпусом (2), закритим із протилежних кінців відповідними днищами (3, 4), принаймні одне з яких має принаймні один люк (5) з отвором, діаметр якого менше діаметра корпуса (2), і розташованою всередині корпуса (2) зоною (6) реакції із шаром каталізатора, який відрізняється тим, що він має принаймні два розташовані у зоні (6) реакції модульні і зібрані теплообмінники (11), розміри поперечного перерізу яких менші розмірів отвору люка (5) і кожний з яких має принаймні один пластинчастий теплообмінний елемент (12). 2. Реактор за п.1, який відрізняється тим, що принаймні один теплообмінний елемент (12) складається з двох металевих пластин (13а, 13b), які прилягають і певним чином з'єднані між собою у відповідних місцях зварними швами (14, 16), між якими залишається вільний простір (15) певної ширини. 3. Реактор за п.1, який відрізняється тим, що передбачено блоковий теплообмінник (10), який складається принаймні з двох теплообмінників (11) циліндричної форми, зовнішній діаметр якого дорівнює внутрішньому діаметру корпуса (2) і який має центральний отвір (30), діаметр якого дозволяє використовувати його як люк або лаз. 4. Реактор за п.3, який відрізняється тим, що 2 (19) 1 3 75631 4 каталізатора, який відрізняється тим, що він лообмінного елемента зварені одна з одною, розскладається принаймні з двох модульних і зібраташовані в шаховому порядку і/або у вершинах них теплообмінників (11) за п.1. квадрата. 12. Блоковий теплообмінник за п.11, який відріз15. Блоковий теплообмінник за п.13, який відрізняється тим, що принаймні один теплообмінний няється тим, що кожен теплообмінник (11) склаелемент (12) складається з двох металевих пладається з множини теплообмінних елементів (12), стин (13а, 13b), які прилягають і певним чином які з'єднані один з одним і утворюють одну жорстз'єднані між собою у відповідних місцях зварними ку конструкцію. 16. Блоковий теплообмінник за п.15, який відрізшвами (14, 16), між якими залишається вільний няється тим, що патрубки (17, 18) теплообмінних простір (15) певної ширини. 13. Блоковий теплообмінник за п.12, який відрізелементів (12) кріпляться відповідно до верхньої і няється тим, що пластини (13а, 13b), з яких нижньої трубок (19,20), які їх з'єднують. 17. Блоковий теплообмінник за п.15, який відрізскладається теплообмінний елемент (12), зварені няється тим, що теплообмінні елементи (12) роодна з одною у множині точок (16), які утворюють всередині теплообмінного елемента вільний прозташовані в кожному теплообміннику (11) растір (15) і множину звивистих каналів для протідіально. 18. Блоковий теплообмінник за п.16, який відрізкання робочого текучого середовища, які сполуняється тим, що передбачено множину колекточені з розташованими на протилежних сторонах елемента (12) вхідним і вихідним патрубками (17, рів (26, 39), які сполучені з нижніми трубками (20) 18), призначеними для підведення і відведення теплообмінників і утворюють плоску ґратчасту робочого текучого середовища. несучу конструкцію, яка використовується для 14. Блоковий теплообмінник за п.13, який відрізкріплення блокового теплообмінника (10) всереняється тим, що точки (16), у яких пластини тепдині корпуса (2) реактора. Даний винахід стосується псевдоізотермічного реактора для проведення екзотермічних і ендотермічних гетерогенних реакцій по суті з циліндричним корпусом, закритим із протилежних кінців днищами, принаймні одне з яких має принаймні один люк з отвором певних розмірів, і розташованою всередині корпуса реакційною зоною із шаром каталізатора, у якій розташований блоковий теплообмінник. Винахід стосується, зокрема, блокового теплообмінника для псевдоізотермічних реакторів описаного вище типу принаймні з один зануреним у шар каталізатора теплообмінником. Як відомо, для проведення каталітичних екзотермічних або ендотермічних реакцій звичайно використовують так звані адіабатичні реактори, тобто реактори, у яких реакція відбувається без усякого теплообміну, а температура реакції збільшується або знижується залежно від того, чи є реакція екзотермічною або ендотермічний. Реактори такого типу економічні і прості за конструкцією через відсутність у них яких-небудь додаткових, крім потрібних для розміщення шару каталізатора, елементів або пристроїв. Такі реактори, однак, мають і один дуже істотній недолік, який полягає в неможливості регулювання температури реакції, яка у цілому ряді випадків або може змінюватися лише в дуже вузьких межах, або взагалі повинна залишатися постійною. Для вирішення цієї проблеми, яка особливо гостро виникає при проведенні високо екзотермічних або ендотермічних реакцій, були запропоновані адіабатичні реактори, у яких шар каталіза тора розділений на множину адіабатичних ступенів, розташованих вздовж осі реактора і розділених теплообмінними системами або блоковими теплообмінниками. Такі блокові теплообмінники дозволяють вирівнювати і підтримувати на заданому рівні температуру газоподібних реагентів і продуктів реакції на виході адіабатичного ступеня і тим самим відповідним чином регулювати температуру кожного адіабатичного ступеня. У таких реакторах, однак, шар каталізатора використовується не оптимально, а швидкість реакції, яка відбувається в ньому, далека від максимальної. Під "максимальною швидкістю реакції" розуміється така швидкість реакції, яка відповідає максимальному виходу каталізатора, або швидкість реакції, яка при тому самому конверсійному виході дозволяє використовувати мінімальний об'єм каталізатора. Крім адіабатичних реакторів були також запропоновані і так звані ізотермічні або псевдоізотермічні каталітичні реактори, тобто реактори, у яких температуру реакції регулюють шляхом безперервного теплообміну в шарі каталізатора. Для регулювання температури в реакторах такого типу звичайно використовують занурені в шар каталізатора великі кожухотрубчасті теплообмінники. По трубах теплообмінників прокачують відповідний рідкий теплоносій - охолодну або нагрівальну рідину. Крім таких реакторів відомі і реактори з каталізатором, яким зсередини заповнені теплообмінні трубки трубного пучка, які нагріваються або охолоджуються зовні відповідним текучим теплоносієм. 5 75631 6 При всіх своїх численних перевагах, зокрема конструктивними і технологічними особливостями можливості проведення реакції при практично дозволяв би вирішити згадані вище проблеми і постійній температурі, відомі в даний час псевдодотримати згадані вище вимоги. ізотермічні реактори не лише мають досить склаЦя задача вирішується за допомогою запродну конструкцію, але і мають і ще один докладно понованого у винаході теплообмінника для псеврозглянутий нижче істотній недолік, який властидоізотермічних реакторів з циліндричним корпувий, причому навіть у більшому ступені, і адіабасом, закритим із протилежних кінців днищами, тичним реакторам. принаймні одне з яких має принаймні один люк з Відомо, що після закінчення певного періоду отвором певних розмірів, і розташованою всереексплуатації реактори, зокрема адіабатичні реакдині корпуса зоною реакції із шаром каталізатора, тори, визнаються непридатними для подальшої який відрізняється тим, що він складається прироботи через знос або технологічні проблеми, які наймні з двох модульних зібраних один з одним виникають в апаратах і пристроях, розташованих теплообмінників з певним поперечним перерізом, всередині зовнішнього корпуса реактора, який на розміри якого менше розмірів отвору люка, при цей момент як і раніше залишається досить міццьому кожен теплообмінник містить принаймні ним і технологічно придатним для подальшої один теплообмінний елемент, який переважно експлуатації. складається з двох металевих пластин, які приНайбільш дорогою і складною у виготовленні лягають і певним чином з'єднані між собою у відчастиною каталітичного реактора не залежно від повідних місцях зварюванням, між якими залитого, чи є він адіабатичним або псевдоізотермічшається вільний простір певної ширини. ним, є, як відомо, його закритий відповідними Інші відмінні риси і переваги запропонованого днищами зовнішній корпус, і саме з цим і пов'язау винаході теплообмінника більш докладно розгна існуюча в даний час потреба або скоріше балянуті нижче на прикладі варіанта його можливожання в повторному використанні зовнішнього го здійснення, що ілюструє, але не обмежує обсяг корпуса реактора після демонтажу внутрішнього винаходу, з посиланням на додані крес-лення. устаткування реактора, яке відробило свій терНа доданих до опису кресленнях показано: мін, і його заміни новим і більш досконалим за на Фіг.1 - схематичний загальний вигляд в акконструкцією і за параметрами устаткуванням. сонометричній проекції псевдоізотермічного реаКрім того, що в першу чергу стосується псевктора із запропонованим у винаході блоковим доізотермічних реакторів, у даний час усе більш і теплообмінником, більш гострою стає проблема підвищення продуна Фіг.2 - схематичний вигляд у збільшеному ктивності, виходу й ефективності існуючих реакмасштабі в аксонометричній проекції деталей торів шляхом заміни внутрішнього устаткування блокового теплообмінника, показаного на Фіг.1, працюючого реактора на більш досконале. на Фіг.3 - схематичне зображення у збільшеІншими словами, у даний час існує необхідному масштабі в аксонометричній проекції однієї ність у реконструкції каталітичних реакторів згаз деталей теплообмінника, показаних на Фіг.2, і даного вище типу (і адіабатичних, і псевдоізотерна Фіг.4 - схематичний загальний вигляд в акмічних), які інакше повинні бути визнані або сонометричній проекції псевдоізотермічного реаповністю непридатними для подальшої експлуактора з блоковим теплообмінником, виконаним за тації, або нездатними більше працювати з потрііншим варіантом. бною ефективністю, і створення на їх базі відпоСхематично показаний на кресленнях і позвідних високоефективних псевдоізотермічних начений позицією 1 псевдоізотермічний реактор реакторів. має зовнішній циліндричний корпус 2, закритий із Однак у даний час така реконструкція або протилежних кінців нижнім і верхнім днищами 3 і модернізація існуючих каталітичних реакторів 4 відповідно. звичайно вважається вкрай складною, економічВерхнє днище 4 має люк 5 з отвором певного но недоцільною і по суті неможливою. поперечного перерізу. Дійсно, устаткування, яке підлягає заміні, і ріВсередині корпуса 2 реактора між позначезні розташовані в корпусі реактора пристрої, які ними на кресленнях позиціями 7 і 8 верхньою і або повністю зносилися, або прийшли в неприданижньою площинами розташована зона 6 реакції тний для подальшої експлуатації стан, зокрема із шаром каталізатора, який досить добре відоблокові теплообмінники з великою кількістю мий і тому не вимагає докладного опису. утворюючих великогабаритний і складний за У зоні 6 реакції розташований позначений у конструкцією трубний пучок із закріпленими в зборі позицією 10 блоковий теплообмінник, який протилежних трубних ґратах кінцями труб, мають занурений у шар відповідного каталізатора, який такі розміри, що для їх розміщення всередині на кресленні не показаний. корпуса відновлюваного реактора необхідно, наБлоковий теплообмінник 10 має форму поприклад, попередньо відрізати від корпуса прирожнистого циліндра з зовнішнім діаметром, який наймні одне днище, а потім виконати дуже трупо суті дорівнює внутрішньому діаметру корпуса домістку і складну роботу з установки днища на 2, і який проходить уздовж осі циліндричним місце, яка часто супроводжується деяким зниотвором 30 переважно з досить великим діаметженням працездатності і конструктивних якостей ром, щоб його можна було використовувати як реактора. люк або лаз. В основу даного винаходу була покладена У показаному на Фіг.1 варіанті блоковий тепзадача розробити теплообмінник для псевдоізолообмінник 10 складається з трьох блоків 9а, 9b, термічних каталітичних реакторів, який за своїми 9с теплообмінників 11, які мають циліндричну 7 75631 8 форму і складаються з елементів, розташованих відповідним чином кріпиться до його корпуса. концентрично один до одного на одній осі елемеРозподільник 21, який має форму круглого кінтів. льця, призначений для підведення текучого тепЗапропоновані в даному винаході теплооблоносія в теплообмінники 11, переважно виготомінники 11 кожного блоку 9а, 9b, 9с мають модувляти з декількох зігнутих секцій, розміри яких льну конструкцію і складаються з окремих елемедозволяють опустити їх всередину корпуса реакнтів, які збираються один з одним, поперечний тора через згаданий вище люк 5. переріз яких менше поперечного перерізу отвору Нижні патрубки 20 теплообмінників 11 з'єдлюка 5. нані трубками 29 з відповідними колекторЗапропоновані в цьому варіанті теплообмінрами 26 і 39. ники 11 розташовані в радіальних площинах всеКолектори 26 мають форму прямої труби і редині циліндричного корпуса реактора і кріппроходять по радіусу від внутрішньої стінки корляться до нього описаним нижче способом. пуса 2 до центрального отвору 30 блокового тепДля простоти кожний з показаних на Фіг.1 телообмінника. На відміну від них колектори 39, які плообмінників 11 схематично зображений таким, з'єднують між собою сусідні колектори 26 і сполущо складається з трьох теплообмінних елементів чаються з ними, мають форму дуги кола розта12, деталі конструкції яких більш докладно покашовані концентрично один до одного навколо осі зані на Фіг.2 і 3. корпуса 2. Кожен теплообмінний елемент 12 переважно Деякі з теплообмінників 11 кожного блоку 9b, має форму пластини і складається (Фіг.3) із двох 9b, 9с, які розташовані в тих самих радіальних металевих пластин 13а, 13b, які прилягають одна площинах реактора, кріпляться до розташованих до одної і з'єднані між собою по периметрі зварпід ними радіальних колекторів 26. Інші (не поканими швами 14, між якими залишаються певним зані на кресленнях) теплообмінники 11 кріпляться чином розташовані по всій площі теплообмінного до зігнутих по дузі кола колекторів 39. елемента проміжки. У виготовленому в такий У кращому варіанті кріплення всього блокоспосіб теплообмінному елементі між пластинами вого теплообмінника 10 всередині корпуса 2 реа13а, 13b є вільний простір 15, через який під час ктора здійснюється за допомогою по суті плоскої роботи реактора проходить текучий теплоносій. ґратчастої несучої конструкції, утвореної всією У запропонованому у винаході теплообмінмножиною колекторів 26 і 39. Для цього кожен ному елементі пластини 13а і 13b з'єднані між радіальний колектор 26, який має відповідні розсобою, зокрема, зварюванням у великій кількості міри, кріпиться одним його кінцем до кільця 28, точок 16, рівномірно розподілених, переважно в розташованого на внутрішній стінці корпуса 2 у шаховому порядку або у вершинах квадрата, по нижній частині зони 6 реакції, а іншим кінцем - до всій поверхні теплообмінного елемента 12, який стінки циліндричної труби 27, розташованої в за своїм зовнішнім виглядом після зварювання центральному отворі 30 блокового теплообміннинагадує "стьобану ковдру". ка 10. До радіальних колекторів 26 своїми кінцяКожен елемент 12 має розташовані переважми кріпляться колектори 39. На Фіг.1 показані три но з протилежних сторін вхідний і вихідний патколектори 39, відповідні кінці яких приварені до рубки 17, 18, через які проходить згаданий вище радіального колектора 26. текучий теплоносій. Усі колектори 26 і 39 з'єднані через отвори 31 Необхідно відзначити, що в запропонованому з центральною трубою 27, у яку з теплообмінниу винаході теплообмінному елементі 12, який ків 11 попадає текучий теплоносій, який прохоскладається з двох пластин і має велику кількість дить через них. певним чином розташованих точок 16, вільний Розподільник 21, який має форму круглого кіпростір 15 для проходу згаданого вище текучого льця, і колектори 26 і 39 з'єднані з відповідними теплоносія утворює канали звивистої форми, які патрубками, розташованими зовні на корпусі реасполучаються між собою і відповідно з вхідним і ктора, при цьому, зокрема, розподільник 21 з'єдвихідним патрубками 17, 18. Такі канали, які монаний підвідною трубою 24 із вхідним патрубком жуть безперервно і випадковим чином змінювати 23, а текучий теплоносій, який пройшов чесвій напрямок, істотно підвищують ефективність рез·теплообмінники, з колекторів 26 і 39 попадає роботи теплообмінників 11 і забезпечують можу відвідний патрубок 25. ливість оптимального регулювання температури Теплообмінники 11, які опускаються по однореакції. му всередину корпуса 2 через згаданий вище люк Вхідний і вихідний патрубки 17 і 18 відповідно 5, збираються в групи і кріпляться відповідним теплообмінних елементів 12 міцно з'єднані з верчином до колекторів 26 і 39. Відвідний патрубок хньою і нижньою трубками 19, 20 відповідно 25 повністю закривається перфорованим захис(Фіг.2), які разом із привареними до них патрубним елементом 32. ками надають потрібної жорсткості усьому зібраРозташована в центрі реактора труба 27 кріному з окремих пластинчастих теплообмінних питься до корпуса реактора з'єднаними з її дниелементів теплообміннику 11. щем 43 і встановленими на захисному елементі Усі верхні трубки 19 усіх теплообмінників 11 32 стояками 33. кожного блоку 9а, 9b і 9с з'єднані з виготовленим Відповідно до ще однієї відмінної риси винаіз зігнутої в кільце труби розподільником 21 відходу кожен теплообмінник 11 збирається зі збіжповідними трубками, умовно позначеними на них один до одного окремих теплообмінних елекресленнях позицією 22. Розподільник 21 розтаментів 12, які після установки теплообмінника в шований на осі блокового теплообмінника 10 і корпус 2 реактора розташовуються всередині 9 75631 10 корпуса, а точніше, всередині зони 6 реакції, у са розташованого в ньому устаткування можна відповідних радіальних площинах (Фіг.1). використовувати і корпус існуючого адіабатичноУ показаному на Фіг.1 варіанті текучий теплого реактора (переустаткування адіабатичного носій, який проходить через теплообмінники 11, реактора в псевдоізотермічний реактор). являє собою газоподібні реагенти, які протікають Запропоновані в даному винаході теплообчерез центральну трубу 27. Центральна труба 27 мінники 11 можна легко опустити і змонтувати при цьому з'єднує через отвори 31 вихідні патрувсередині придатного для подальшої експлуатабки 18 теплообмінних елементів з верхньою часції корпуса реактора, замінивши ними устаткутиною зони 6 реакції. Газоподібні реагенти, які, як вання, яке раніше знаходилося в корпусі. описано вище, попадають у блоковий теплообНеобхідно також відзначити, що використанмінник 10 по підвідній трубі 24, виходять з теплоня запропонованого у винаході блокового теплообмінних елементів через вихідні патрубки 18 і по обмінника дозволяє оптимізувати процес теплоотрубках 20 і 29 і радіальним колекторам 26 попабміну не лише в реакторах, що створюються з дають у центральну трубу 27. використанням корпуса, який був в експлуатації, Відповідним чином нагріті або охолоджені гаале і після реконструкції реактора або переустатзоподібні реагенти з труби 27 попадають у зону 6 кування адіабатичного реактора в псевдоізотерреакції, проходять через неї по всій її висоті і вимічний реактор. водяться з реактора 1 через відвідний патКількість елементів 12 у кожному теплообрубок 25. міннику 11 може бути різним і залежить від розОпорою розташованого в зоні 6 реакції шару мірів поперечного перерізу отвору люка 5, розмікаталізатора служить шар гранульованого інертрів одного елемента 12, а також від відстані між ного матеріалу. Гранули інертного матеріалу окремими елементами 12 теплообмінника 11. утримуються всередині реактора згаданим вище і Крім того, у запропонованому у винаході реазакріпленим на днищі 3 поруч з відвідним патрубкторі можна використовувати теплообмінники 11 ком, 25 перфорованим захисним елементом 32, з різною кількістю елементів 12 або з різними за який пропускає потік газів. розмірами елементами 12. У нижньому днищі 3 корпуса реактора переРозташування зварних точок 16 в елементі важно передбачити принаймні один отвір 34 з 12 може відрізнятися від регулярного, наприклад патрубком 40 для вивантаження з реактора відпу деяких місцях теплообмінника може бути розрацьованого каталізатора. ташовано багато таких точок, а в інших місцях Завдяки наявності в днищі реактора отворів такі точки взагалі можуть бути відсутніми. 34 з патрубками 40 операцію з вивантаження Колектори 39 можуть мати не лише форму каталізатора з реактора 1 можна виконати набапоказаних на Фіг.1 і 4 дуг кола, але і форму відрігато швидше і простіше, ніж відомим у даний час зків прямої лінії, які з'єднують між собою сусідні достатньо тривалим способом вивантаження радіальні колектори 26, або відповідну розгалукаталізатора з верхньої зони реактора під дією жену форму. В останньому випадку на кінцях ковідповідного розрідження. лекторів 26 виконують відводи, які з'єднують коУ показаному на Фіг.4 варіанті текучим теплектори 26 не лише з колекторами 39, але і з лоносієм, який проходить через теплообмінники трубками 29. 11, служить середовище, яке не бере участь у У непоказаному на кресленнях варіанті, що є реакції, яка відбувається в реакторі, і яким є, наальтернативним до варіанту, показаному на приклад, вода, вода і водяна пара або діатермічні Фіг.1, для подачі реагентів з патрубка 23 у рідини. Такий текучий теплоносій подають у реацентральну трубу 27 використовують трубу 24 ктор через вхідний патрубок 35, з'єднаний трубою іншої конструкції, яка виконана таким чином, що 36 з кільцевим розподільником 21, з якого він, текучий теплоносій, який проходить через отвори пройшовши через теплообмінники, попадає опи31 центральної труби, попадає в блоковий тепсаним вище способом у центральну трубу 27. лообмінник 10 через трубки 29 і виходить з нього Центральна труба 27 з'єднана відповідною трупо патрубках 17 у зону 6 реакції, пройшовши чебою 37 з відвідним патрубком 38, через який терез яку, він виводиться з реактора через патрукучий теплоносій виводиться з реактора. бок 25. У цьому варіанті реагенти подають у реактор В іншому варіанті, який є альтернативним до 1 через вхідний патрубок 23 і після проходження варіанту, показаному на Фіг.4, охолодне або напо всій її довжині через зону 6 реакції виводять з грівальне текуче середовище (текучий теплонореактора через відвідний патрубок 25. сій) подають у блоковий теплообмінник 10 через Необхідно відзначити, що при створенні опипатрубок 38, по трубі 37 і центральній трубі 27, а саного вище реактора можна використовувати і відводять з реактора по трубі 36 через паткорпус 2 реактора, який був в експлуатації, і коррубок 35. пус існуючого псевдоізотермічного реактора після В обох альтернативних варіантах текуче сейого реконструкції і демонтажу устаткування, яке редовище рухається всередині блокового теплознаходиться в ньому, (реконструкція реактора, обмінника 10 у протитечії до руху реагентів у зоні визнаного непридатним для подальшої експлуареакції. тації). Для цієї ж мети після видобування з корпу 11 Комп’ютерна верстка Т. Чепелева 75631 Підписне 12 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601