Ізотермічний або псевдоізотермічний хімічний реактор та спосіб введення кільцевого пластинчастого теплообмінника в нього

1. Ізотермічний або псевдоізотермічний хімічний реактор (1), що має вертикальну вісь і містить пластинчастий теплообмінник (10, 100, 200) і систему механічного кріплення цього теплообмінника, який має у цілому циліндрично-кільцеву структуру і містить радіально розташовані теплообмінні пластини (11), коробчастий корпус яких має по суті форму паралелепіпеда з поздовжніми сторонами (18), паралельними осі реактора (1), і радіально спрямованими сторонами (19s,19i) на протилежних кінцях пластин, і труби (12-16) для розподілу в пластини (11) і збору від них теплоносія, який відрізняється тим, що система механічного кріплення містить кільцеподібну конструкцію (40), прикріплену щонайменше до верхніх радіальних сторін (19s) пластин (11). 2. Реактор за п. 1, який відрізняється тим, що кільцеподібна конструкція (40) має двокільцеву структуру, яка містить два концентричних кільця (41, 42), приєднаних до теплообмінних пластин (11), і радіальні сполучні елементи (43) між цими двома кільцями (41, 42). 3. Реактор за п. 1 або 2, який відрізняється тим, що кільцеподібна конструкція (40) прикріплена до труб (14) плинного середовища, приєднаних до радіальних сторін (19s, 19i) теплообмінних пластин. 4. Реактор за будь-яким з попередніх пунктів, який відрізняється тим, що на обох кінцях пластини 2 (19) 1 3 Область техніки Даний винахід відноситься до області ізотермічних або псевдоізотермічних хімічних реакторів. Зокрема, винахід відноситься до конструкції з'єднання пластин теплообмінника всередині ізотермічного хімічного реактора. Рівень техніки Відомо, що ізотермічні або псевдоізотермічні хімічні реактори мають внутрішній теплообмінник, пристосований для забезпечення теплом хімічної реакції або відведення від хімічної реакції тепла, що виробляється у самому реакторі. Теплообмінник звичайно вставляється у шар каталізатора всередині реакційної зони й служить для підтримки температури реагентів у межах оптимального інтервалу, компенсуючи виробляння (або поглинання) тепла реакцією. Крім інших застосувань, ізотермічні реактори широко використовуються в установках для виробництва метанолу, реакція синтезу якого є екзотермічною. Згадані реактори бувають різних типів, наприклад, з осьовим потоком, радіальним потоком або комбіновані, залежно від шляху, по якому проходять реагенти стосовно головної осі реактора. Ізотермічні реактори з радіальним або радіально-осьовим потоком, зокрема, звичайно конструюються як резервуар високого тиску, в якому розміщається картридж каталізатора, що обмежується двома перфорованими коаксіальними стінками й містить придатний каталізатор (шар каталізатора). У згаданих хімічних реакторах також використовується пластинчастий теплообмінник, у якому теплообмінні елементи являють собою коробчасті плоскі паралелепіпеди, названі «пластинами». Пластини, по суті, виконані з двох прямокутних стінок, з'єднаних одна з одною щонайменше по периметру, і утворюють внутрішню камеру для проходження текучого середовища, що нагріває або охолоджує. Хімічний реактор із пластинчастим теплообмінником або, просто, пластинчастий реактор, відомий, наприклад, з ЕР-А-1284813. Пластинчасті реактори користуються популярністю завдяки нескладній конструкції, простоті установки навіть в існуючих реакторах, великій, щодо розмірів теплообмінника, поверхні теплообміну, що у багатьох випадках робить їх більше кращими, чим реактори із трубчастими теплообмінниками. Також відомі випадки модернізації існуючих реакторів установкою у них нового пластинчастого теплообмінника замість трубчастого теплообмінника. При створенні пластинчастих реакторів існує проблема досить надійного закріплення всередині реактора теплообмінних пластин, тобто, згаданих вище коробчастих елементів. Система кріплення пластин повинна відповідати різним вимогам, а саме: утримувати належним чином вагу пластин; гарантувати надійність у часі, наприклад, під впливом вібрацій, викликаних проходженням потоку реагентів/продуктів, які могли б загрожувати конструктивній цілісності теплообмінника; забезпечувати можливість добування 97567 4 окремої пластини або групи пластин для обслуговування й заміни. Крім того, система кріплення пластин піддається обмеженням відносно її конструкції й монтажу, пов'язаним з розміщенням усередині хімічного реактора, де вільний простір обмежений, і доступ може бути утруднений. Громіздкі кріплення можуть бути неприйнятними, наприклад, через те, що вони зменшують реакційний об'єм і (або) вони погіршують умови по завантаженню (розвантаженню) каталізатора. Що ще більш важливо, при установці в існуючий реактор, що вже використовується протягом тривалого часу, небажане застосування зварювальних операцій для створення нових елементів кріплення, і варто намагатися використовувати існуючі елементи. Як правило, використовується кільцева опора, виконана у вигляді полиці, привареної на внутрішній край циліндричного корпуса реактора, у впускної стінки шару каталізатора, при цьому інші кріплення всередині відсутні, особливо у старих реакторах. В інших випадках, пластинчастий теплообмінник лежить на поперечних опорних поперечинах, наприклад, С-подібного або подвійного С-подібного профілю, приварених усередині реактора. Слід зазначити, що у реакторах з вертикальною віссю, ці елементи кріплення розташовані поблизу нижньої кінцевої пластини й тому досить важкодоступні. Звичайно теплообмінник містить задане число модульних елементів з пакетів пластин, кожний з яких утворить секцію кільцевого корпуса теплообмінника. Перевага модульної конструкції проявляється, насамперед, при установці у реактор з неповним розкриттям, коли неможливо встановити теплообмінник цілком. У таких випадках, монтаж теплообмінника всередині реактора (або заміна існуючого теплообмінника) виконується установкою пакетів пластин по одному, і при цьому виникає проблема відновлення механічної цілісності теплообмінника для забезпечення надійного кріплення й запобігання зсуву пластин із установленого положення, особливо, коли є тільки згадана вище зовнішня кругова опора (полиця). Відомі системи кріплення вимагають удосконалення для відповідності раніше згаданим вимогам. Зокрема, у відомих системах не виконується вимога повного відновлення монолітності конструкції модульних теплообмінників при завершенні монтажу всередині реактора. Сутність винаходу В основу даного винаходу покладене завдання розробки й створення системи механічного кріплення пластин в ізотермічних реакторах описаного вище типу, що відповідає згаданим вимогам. Це завдання вирішується системою механічного кріплення пластинчастого теплообмінника всередині ізотермічного хімічного реактора, в якій теплообмінник має у цілому циліндрично-кільцеву структуру й включає радіально розташовані теплообмінні пластини, коробчастий корпус, який має по суті форму паралелепіпеда, зі сторонами, паралельними осі реактора, і сторонами, спрямова 5 97567 6 ними за радіусом щодо цієї осі реактора, за протиспрощує виготовлення теплообмінника з монолітлежними кінцями пластин, причому система відріною конструкцією на заводі, після чого він опусказняється тим, що включає кругову кільцеподібну ється у відкритий реактор, що дозволяє скоротити конструкцію, прикріплену до радіальних сторін обсяг робіт на об'єкті, вартість і час установки. щонайменше одного кінця цих пластин. Якщо теплообмінник вставляється у реактор у Відповідно до особливостей винаходу, зазнарозібраному стані (пакети пластин вставляються чена кільцеподібна конструкція має форму одинопо одному), система, відповідно до винаходу, зачного або подвійного кільця; двох-кільцева консбезпечує відновлення механічної цілісності пластрукція по суті включає два концентричних кільця тин; спрощується робота, зокрема, прикріпленням й додаткові радіальні сполучні елементи між цими до верхніх колекторів, звичайно більше доступних. двома кільцями. Інші переваги будуть очевидні з наведеного Кільцева структура використовується з одного опису, що відноситься до кращих варіантів здійсабо з двох кінців пластин. У реакторах з потоком нення, не обмежуючих винахід. уздовж вертикальної осі, ця кільцева структура Нижче винахід більше докладно розглянутий з прикріплена щонайменше до верхніх радіальних посиланнями на прикладені креслення, на яких: сторін пластин, але також можливе кріплення й до Короткий опис креслень протилежних нижніх сторін цих пластин. У кращона фіг. 1 схематично представлений поперечму варіанті, кільцева структура прикріплюється до ний переріз запропонованого у винаході ізотермічколекторів або розподільників текучого середовиного реактора з радіальним потоком, що включає ща, що становить єдине ціле з радіальними стокільцеподібну конструкцію пластин із двома кільронами теплообмінних пластин. цями; Відповідно до інших еквівалентних варіантів на фіг. 2 представлений пакет пластин теплоздійснення, теплообмінні пластини встановлюютьобмінника реактора, показаного на фіг. 1; ся в один ряд, або, в альтернативному варіанті, у на фіг. 3 і 4 схематично показаний теплообдекілька рядів або концентричних «кіл», з відповімінник усередині реактора, показаного на фіг. 1, дними кільцевими конструкціями для кожного ряду відповідно, на видах зверху й знизу; пластин, причому кожна кільцеподібна конструкція на фіг. 5 показаний інший варіант здійснення, може включати одне кільце або два кільця. У крав якому теплообмінник має два концентричних щому варіанті, внутрішні пластини також з'єднані з ряди пластин; пластинами наступного, зовнішнього ряду скобана фіг. 6 представлена система зачеплення ми, прикріпленими до відповідних кільцевих консміж пластинами теплообмінника, що має два контрукцій. центричних ряди; У кращому варіанті здійснення, теплообмінні на фіг. 7 представлений інший варіант здійспластини об'єднані у модульні елементи, названі нення, в якому теплообмінник має три концентрипакетами пластин, кожний з яких зібраний з задачних ряди пластин; ного числа пластин, і має відповідну частину (або на фіг. 8 представлений фрагмент зображення секцію) кільцеподібної конструкції, що також є мона фіг. 7; дульною. Крім того, модулі або сектори кільцевої на фіг. 9 представлений інший спрощений ваконструкції мають симетричні з'єднання, які дозворіант здійснення винаходу, в якому використовуляють з'єднувати пакети пластин і повністю відноється кільцеподібна конструкція з одиночним звавлювати монолітність конструкції теплообмінника. реним кільцем. Такі симетричні з'єднання, у кращому варіанті, Докладний опис винаходу мають вигляд отворів у радіальних пластинах кіНа фіг. 1 показаний ізотермічний реактор 1, що льцевої конструкції з двома кільцями, що дозволяє у загальному включає циліндричний корпус (обизгвинчувати кільцеві сектори суміжних пакетів плачайку) 2 з вертикально розташованою віссю, що стин. Симетричні з'єднання можуть бути зроблені має фланці 20 і 21 для впуску реагентів і випуску навіть за допомогою зварювання, виконаного так, продуктів реакції, і містить пластинчастий теплоощоб воно могло бути легко розрізане й заварене бмінник 10. Корпус 2 також має зверху отвір або знову у процесі обслуговування й заміни пластин. люк Р. Об'єктом даного винаходу є також ізотермічТеплообмінник 10 вставлений у кошик 3 катаний або псевдоізотермічний хімічний реактор, що лізатора, що у загальному складається з зовнішвключає внутрішній пластинчастий теплообмінник, ньої циліндричної стінки 4, внутрішньої циліндричі має систему механічного кріплення для цього ної стінки 5 і днища 6. Стінки 4 і 5 мають теплообмінника відповідно до винаходу. перфорацію, що забезпечує проходження радіаВинахід має, по суті, наступні переваги. льного потоку реагентів (продуктів реакції) із зазоКільцева конструкція відновлює конструктивну ру 7, між стінкою 4 і корпусом 2, крізь властиво безперервність між пластинами, забезпечуючи тим кошик 3 і нагору до центральної випускної трубисамим монолітність структури теплообмінника в колектора 8, приєднаної до фланця 21. єдиній конструкції, незважаючи на те, що теплооКошик 3 каталізатора має у загальному цилінбмінник складений з пакетів пластин, попередньо дричну й кільцеподібну форму, і містить певну кізібраних і вставлених по одному у корпус реактолькість придатного каталізатора (не показаний). ра. Реакційна зона (або середовище) всередині реакТеплообмінник може бути попередньо зібратора 1 збігається з простором, що займає каталіним у тому випадку, коли реактор повністю відкризатор у кошику 3, і показана на фіг. 1 пунктирними тий, і можлива установка зверху повністю зібранолініями. го теплообмінника. У цьому випадку, винахід 7 97567 8 Вставлений у кошик 3 каталізатора теплообЯк правило, пластини одного пакета 10а, типу, мінник 10 включає групу теплообмінних пластин показаного на фіг. 2, з'єднуються стрічковими 11, кожна з яких має по суті коробчастий плоский конструкційними елементами, що розташовуються корпус із внутрішньою камерою, через яку протікає на довгих сторонах (не показані). текуче середовище, що нагріває або охолоджує Пакет 10а пластин механічно прикріплений до (теплоносій). Це текуче середовище може бути у ідентичних з ним суміжних пакетів шляхом скріпрідкому або газоподібному стані, або у будь-якому лення відповідних смуг 43, наприклад, болтами, іншому стані, наприклад, вода, розплавлена сіль що проходять крізь отвори 44. У цілому (див. фіг. тощо; як текуче середовище можуть використову3-4), кругові смуги 47 і 48 різних секторів 40а утвоватися ті ж самі реагенти, що підігріваються за рюють двох-кільцеву структуру 41, 42, яка робить рахунок теплоти реакції. пластини 11 механічно з'єднаними одна з одною, у Пластини розташовані всередині реактора 1 результаті чого утвориться теплообмінник із цилірадіально й у вертикальному положенні, і мають ндрично-кільцевою монолітною структурою, в якодовгі сторони 18, паралельні осі реактора, і, відпого зовнішній нижній край, що відповідає краям 17 відно, верхні й нижні короткі радіальні сторони 19s сторін 19і пластин, опирається на полицю 30. і 19і. Теплоносій подається, наприклад, через На фіг. 5 показаний інший варіант здійснення, фланець або патрубок 12, а розподільник 13 приєв якому теплообмінник 100 у реакторі 1 включає днаний до сторін 19і пластин; цей же теплоносій два концентричних ряди (або «кола») пластин 11' і потім збирається трубами 14, приєднаними до 11", що паралельно живляться теплоносієм. верхніх коротких сторін 19s; труби 14 приєднані до Ряди пластин 11' і 11" включають пакети плассистеми колекторів 15, 16, з'єднаних з патрубком тин, з'єднаних відповідними кільцевими конструк12' випуску теплоносія. ціями 40' і 40", як це показано на фіг. 5. До пластин Пластини 11 підтримуються нижнім і зовнішнім 11' прикріплено першу кільцеподібну конструкцію круговим тримачем, у даному прикладі, що пред40', а друга концентрична внутрішня кільцеподібна ставляє собою полицю 30 прямокутного перерізу, конструкція 40" прикріплена до пластин 11". Крім прикріплену до корпуса 2. Ця полиця 30 забезпетого, у даному прикладі пластини 11" лежать на чує опору для кінцевої зони 17 (див. фіг. 4) коротдодатковій полиці 31, прикріпленій до внутрішньої ких сторін 19і пластин 11. стінки 5. Теплообмінні пластини 11 механічно з'єднані На фіг. 6 більше докладно показана кільцепоодна з одною круговою кільцеподібною конструкцідібна конструкція 40', що складається з кругових єю 40, що у даному прикладі має конфігурацію смуг 141 і 142 і радіальних сполучних смуг 143, і подвійного концентричного кільця, яка по суті місконцентрична кільцеподібна конструкція 40", що тить два кільця 41, 42, прикріплених до верхніх складається з кругових смуг 144 і 145 і радіальних радіальних сторін 19s пластин. смуг 146. Перевагою такої конструкції є те, що між Зокрема, у не обмежуючому винахід варіанті кільцями 40' і 40" двох рядів пластин є додаткові здійснення, показаному на фіг. 1-4, теплообмінник сполучні елементи, представлені у даному прик10 складений з декількох модулів або пакетів 10а ладі скобами 147, за допомогою яких пластини 11" (див. фіг. 2), що включають задане число пластин внутрішнього ряду втримуються (тобто, «підвіше11 і відповідні трубки 14; конструкція 40 також має ні») на кільці 40' зовнішніх пластин 11'. модульну структуру, включаючи сектора 40а, приЯк показано більше докладно, скоба 147 має кріплені до відповідних пакетів 10а пластин. частину 149, приварену до смуги 144 (зовнішня Сектор 40а, що відповідає одному пакету 10а, кругова смуга кільця пластин 11"), і крючкоподібну по суті включає дві кругові й концентричні смуги частину 148, з'єднану зі смугою 142 (внутрішня 47, 48, виконані, наприклад, зі сталі придатної тосмуга кільця пластин 11'). Скоби 147 розташовані з вщини, з'єднані радіальними смугами (пластинапридатними кутовими інтервалами. ми) 43, що мають кріпильні отвори 44. Кругові смуВикористання скоб 147 дає перевагу під час ги 47, 48 прикріплені до тримачів 45, 46, які, у свою відсутності полиці 31. У цьому випадку, кріплення чергу, механічно прикріплені (приварені, або інфактично забезпечується тільки полицею 30, і шими засобами) до сторін 19s пластин 11 через скоби 147 сприяють створенню стабільної опори труби 14. на цю полицю 30, відновлюючи монолітність консТримачі 45, 46 мають вигляд L-подібних прятрукції теплообмінника з двох рядів пластин. мокутних стійок або «лапок», що сполучаються, Циркуляція теплоносія у пластинах 11' і 11" вівідповідно, зі смугами 47 і 48, і забезпечують подбувається паралельно, при цьому пластини маверхню упору. У кращому варіанті, прямокутні ють відповідні колектори 13 і випускні труби 14, тримачі 45, 46 зміщені, як показано на фіг. 2, припричому ці труби приєднані до головного колекточому зовнішні прямокутні тримачі 45 для зовнішра 16. Прокачування теплоносія по трубах виконуньої смуги 47 і внутрішні прямокутні тримачі 46 для ється відомим способом і не критичне для викосмуги 48 прикріплені з чергуванням до сусідніх нання винаходу, тому далі не розглядається. труб 14. Варто помітити, що кріплення до колектоНа фіг. 7-8 представлений інший варіант здійрів 14, яке особливо виконується зварюванням, є снення, в якому реактор 1 включає теплообмінник кращим, з урахуванням того, що пластини звичай200 із трьома концентричними рядами або колами но мають малу товщину (для поліпшення теплопепластин 11', 11", 11'", що паралельно живляться, з редачі) і, тому, не підходять безпосередньо для відповідними кільцевими конструкціями 40', 40", зварювання; колектори 14, навпаки, мають більшу 40"'. Кожна кільцеподібна конструкція з двох кілець товщину й міцно прикріплені до пластин, і, тому, включає кругові сполучні смуги й радіальні смуги. надають надійні місця для кріплення. 9 97567 10 На фіг. 8 показані кругові смуги 241, 242, 244, менше діаметра реактора, що перешкоджає уста245, 247, 248 і радіальні смуги 243, 246, 249. Виконовці цілого теплообмінника 10. ристовуються також і додаткові сполучні елементи При цьому пакети 10а пластин (фіг. 2) встав250, по суті аналогічні описаним раніше скобам ляються по одному й розміщаються у реакторі 147, за допомогою яких пластини 11" проміжного відомими способами, які тут докладно не описуряду прикріплюються до пластин 11' зовнішнього ються. Треба, однак, відзначити, що винахід доряду. зволяє відновлювати монолітність конструкції тепСлід зазначити (див. фіг. 7), що пластини 11' лообмінника 10 після введення пакетів пластин, лежать на полиці 30, а пластини 11'" лежать на забезпечуючи надійність опори на полицю 30. У полиці 31, і у звичайних умовах проміжні пластини своїй основі, спосіб введення пластинчастого теп11" не мають опори, якщо у реакторі не зроблені лообмінника розглянутого типу включає наступні доробки конструкції, які звичайно трудомісткі й кроки: (або) нездійсненні. У будь-якому випадку, скоби - розміщення пакетів 10а пластин усередині 250 дозволяють одержати монолітну конструкцію, реактора 1, при цьому на кожному пакеті є сектор пластини якої розташовані у три ряди. 40а кільцевої конструкції; В іншому варіанті здійснення, а саме, спроще- прикріплення один до одного секторів 40а кіній версії варіанта, показаного на фіг. 1, конструкльцевої конструкції, наприклад, згвинчуванням ція 40 виконана з одиночного кільця, наприклад, болтами, для відновлення конструкційної цілісностільки з однією круговою смугою (див. фіг. 9). Таті теплообмінника. кий варіант здійснення з одним кільцем може виЗгаданий спосіб з тим же успіхом може бути користовуватися у теплообмінниках з одним або застосований застосовується до теплообмінників, більше рядами або колами пластин, описаними що мають більше одного ряду пластин, по типу вище. Одно-кільцева конструкція може бути роздіпоказаних на фіг. 5, 7. лена на секції дуги, що з'єднуються зварюванням Крім того, положення кільцевої конструкції 40 або з'єднаннями будь-якого іншого типу (не покана верхній стороні 19s має перевагу з погляду позані), наприклад, з'єднанням болтами накладених легшення доступу для проведення згвинчування внапуск кінців. (або зварювання) при завершенні складальних Деталі конструкції реактора на фіг. 5, 7 і 9, операцій, у той час як доступ до інших частин пласпеціально не показані, маються на увазі аналогістин (наприклад, довгих сторін 18) істотно утрудчними деталям реактора на фіг. 1. нений, або зовсім неможливий. Забезпечена наСлід зазначити, що описані кільцеві конструкції дійність опори на полицю 30, завдяки тому, що 40 з одиночним або подвійним кільцем, можуть пластини 11 усі з'єднані одна з одною за допомобути також установлені на нижніх сторонах 19і гою кільцевої конструкції 40, а взаємні переміщенпластин. ня між пластинами утруднені. У винаході вирішені поставлені вище завданКрім цього, винахід має перевагу при виготовня. Винахід має перевагу особливо при установці ленні нових реакторів, якщо реактор відкривається пластинчастого теплообмінника в існуючий реакповністю, то є можливість попередньо зібрати тептор, при обслуговуванні, а також при модернізації. лообмінник і потім просто опустити його у реактор. У цих випадках, як правило, використовуються Нарешті, необхідно відзначити, що винахід тільки опори у вигляді полиці 30 (фіг. 1), і більша може бути використаний з реакторами різних тичастина реакторів відкривається не повністю, інпів, зокрема, реакторами з радіальним, з осьовим акше кажучи, у них є тільки люк Р, діаметр якого або комбінованим потоком. 11 97567 12 13 97567 14 15 97567 16 17 97567 18 Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601