Трубчатый аппарат для проведения химических реакций

 

Изобретение относится к устройствам для проведения экзотермических и эндотермических жидкофазных химических реакций и может найти применение в химической и нефтехимической промышленности. Техническим результатом является повышение степени конверсии исходных веществ в продукты реакции за счет увеличения времени пребывания и выравнивания профиля температур для неизотермических реакций. Трубчатый аппарат содержит корпус с патрубками ввода и вывода теплоносителя с размещенными в нем теплообменными трубами, закрепленными в трубных досках, и крышки с патрубками ввода реакционной среды. Крышка ввода реакционной среды образует реакционную камеру с размещенным в ней активатором, выполненным в виде пластины с винтообразной поверхностью, установленным на конце вала и образующим с гидравлической турбиной, жестко закрепленной на валу перед активатором, распределительное устройство для равномерной подачи реакционной среды в теплообменные трубы. Патрубки ввода реакционной среды установлены по нормали к лопаткам гидравлической турбины. Реакционная камера снабжена рубашкой с дополнительными патрубками ввода и вывода теплоносителя. 2 ил.

Предлагаемое техническое решение относится к устройствам для проведения экзо- и эндотермических жидкофазных химических реакций и может найти применение в химической и нефтехимической промышленности.

Известны трубчатые (многотрубные) реакторы, состоящие из корпуса с патрубками ввода и вывода теплоносителя, внутри которого в трубных досках закреплены трубы для реакционной среды. Трубные доски закрыты крышками с патрубками ввода и вывода реакционной среды (Общие основы химической технологии/ Перевод с польского под редакцией Романкова П.Г. и Курочкиной М.И., -Л.: Химия, 1977, с.318).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится неравномерность подачи реакционной среды в трубы и большие колебания температуры по длине труб при протекании реакции с большим тепловым эффектом, что приводит к снижению качества продуктов реакции и степени конверсии.

Известен каталитический трубчатый конвектор для паров и газов, включающий цилиндрический корпус, внутри которого аксиально расположены вертикальные реакционные трубы, соединенные с компенсирующими питателями, снабженные чехлами лепестковой формы (авт. св. СССР N 1142949, B 01 J 8/06, N 18/90).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится сложность конструкции компенсирующих питателей и чехлов лепестковой формы, а также недостаточная степень конверсии из-за малой эффективности перемешивания исходных жидких реагентов.

Известно устройство для закручивания теплоносителя в трубчатом теплообменном аппарате, который может быть использован в качестве трубчатого реактора для проведения химических процессов, содержащее завихрители, выполненные в виде улиток и установленные на входе в каждую трубу, при этом улитки смежных труб сопряжены по касательной и снабжены общей крышкой (авт. св. СССР N 954787, F 28 F 13/06, N 32/82).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится сложность конструкций и формы улиток, а также недостаточная степень превращения исходных жидких компонентов в продукты реакции из-за малой эффективности их смешения на входе в трубы.

Наиболее близким техническим решением к заявленному объекту и принятому за прототип относится трубчатый аппарат для проведения химических процессов, использующий способ интенсификации теплообмена в трубчатых аппаратах путем турбулизации вязкой жидкости с помощью механических активаторов (авт.св. N 1019207, F 28 F 13/12, N 19/83).

Он состоит из корпуса с патрубками ввода и вывода теплоносителя и крышками, имеющими патрубки ввода и вывода реакционной среды и размещенного в корпусе пучка труб, закрепленных в трубных решетках, и установленного в крышке ввода реакционной среды гибкого коленчатого вала с приводом и закрепленными на его конце активаторами.

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится сложность конструкции гибкого коленчатого вала с закрепленными на его конце активаторами, а также недостаточно эффективное перемешивание исходных компонентов реакционной массы перед входом в реакционные трубки трубного пучка, что снижает степень конверсии исходных компонентов реакционной массы в продукты реакции.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение эффективности и скорости перемешивания исходных веществ на входе трубного пучка с использованием объема крышки ввода реакционной среды для проведения химической реакции и теплообмена с теплоносителем.

Техническим результатом предлагаемого технического решения является повышение степени конверсии исходных веществ в продукты реакции за счет увеличения времени пребывания и выравнивания профиля температур для неизотермических реакций.

Поставленный технический результат достигается тем, что в трубчатом аппарате для проведения химических реакций, содержащем корпус с патрубками ввода и вывода теплоносителя с размещенными в нем теплообменными трубами, закрепленными в трубных досках, крышки с патрубками ввода и вывода реакционной среды и вал с активатором, крышка ввода реакционной среды представляет собой реакционную камеру с размещенным в ней активатором, выполненным в виде пластины с винтообразной поверхностью, установленным на конце вала и образующим с гидравлической турбиной, жестко закрепленной на валу перед активатором, распределительное устройство для равномерной подачи реакционной среды в теплообменные трубы, причем патрубки ввода реакционной среды установлены по нормали к лопаткам турбины и реакционная камера снабжена рубашкой с дополнительными патрубками ввода и вывода теплоносителя.

Выполнение крышки ввода реакционной среды в виде реакционной камеры позволяет увеличить реакционный объем, а значит и степень превращения реакционной среды в продукты реакции, начать саму реакцию перед теплообменными трубами трубного пучка и снизить реакционную и тепловую нагрузку на них.

Установка на конце вала активатора в виде пластины с винтообразной поверхностью позволяет при вращении вала интенсивно перемешивать компоненты реакционной среды в объеме реакционной камеры, а значит выравнивать концентрацию, температуру и давление, предотвращать локальный перегрев или переохлаждение реакционной среды при протекании неизотермических реакций.

Установка на валу перед активатором гидравлической турбины, образующих распределительное устройство, и патрубков для ввода реакционной среды по нормали к лопаткам гидравлической турбины позволяет подавать поток реакционной среды на лопатки турбины и использовать энергию скоростного напора на вращение турбины вала и активатора, что позволяет обойтись без внешнего привода вала и узла уплотнения его в крышке ввода реакционной среды, а также равномерно распределять реакционную среду по теплообменным трубам.

Установка рубашки на реакционной камере с дополнительными патрубками ввода и вывода теплоносителя позволяет при проведении неизотермических реакций подавать в рубашку хладагент и отводить с ним тепло экзотермической реакции или подавать в рубашку теплоноситель и подводить с ним к реакционной среде в реакционной камере тепло для эндотермической реакции.

Все вышесказанное способствует увеличению степени превращения и качества продуктов реакции, так как позволяет оптимизировать температурный и концентрационный режим как в реакционной камере, так и в теплообменных трубах, предотвратить термическую деструкцию из-за локальных перегревов, загрязнение реакционной среды смазочными материалами и контакт с окружающим воздухом.

На фиг. 1 представлен общий вид предлагаемой конструкции трубчатого аппарата для проведения химических реакций; на фиг. 2 сечение по лопаткам гидравлической турбины и патрубкам ввода реакционной среды.

Трубчатый аппарат для проведения химических реакций состоит из корпуса 1 с патрубками ввода 2 и вывода 3 теплоносителя, реакционной камеры 4 с патрубками 5 для ввода реакционной среды, и крышки 6 с патрубком 7 для вывода реакционной среды, размещенного в корпусе 1 теплообменных труб 8, закрепленных в трубных досках 9 и 10.

В реакционной камере 4 с патрубками 5 для ввода реакционной среды установлен вал 11 с закрепленным на его конце активатором 12, выполненным в виде пластины с винтообразной поверхностью. Перед активатором 12 на валу 11 жестко закреплена гидравлическая турбина 13 с лопатками 14. Активатор 12 с гидравлической турбиной 13 образуют распределительное устройство для равномерной подачи реакционной среды в теплообменные трубы 8. Патрубки 5 для ввода реакционной среды установлены по нормали к лопаткам 14 гидравлической турбины 13. Крышка 4 с патрубками 5 для ввода реакционной среды снабжена рубашкой 15 с патрубками ввода 16 и вывода 17 теплоносителя.

Трубчатый аппарат для проведения химических реакций работает следующим образом.

Компоненты реакционной среды подаются по патрубкам 5 в реакционную камеру 4. Так как патрубки 5 установлены по нормали к лопаткам 14 гидравлической турбины 13, то потоки компонентов реакционной среды ударяют в лопатки 14 и при преобразовании энергии скоростного напора в энергию давления приводят во вращение гидравлическую турбину 13 вместе с жестко соединенными с ней валом 11 и активатором 12. Так как активатор 12 выполнен в виде пластины с винтообразной поверхностью, то при его вращении как при вращении гидравлической турбины 13 происходит интенсивное перемешивание компонентов реакционной среды в реакционной камере 4, приводящее к выравниванию концентрации, температуры и давления в ее объеме, то есть активатор 12 с гидравлической турбиной 13 образуют распределительное устройство для равномерной подачи реакционной среды в теплообменные трубы 8. При химическом взаимодействии компонентов реакционной среды для неизотермических реакций, которое начинается не в теплообменных трубах 8, а в реакционной камере 4 при экзотермической реакции тепло выделяется и для его теплоотвода в рубашку 15 подводится по патрубку 16 хладагент, а по патрубку 17 этот хладагент отводится. Для эндотермических реакций, идущих с поглощением тепла, в рубашку 15 по патрубку 16 теплоноситель подводят, а по патрубку 17 отводят. Затем частично прореагировавшие компоненты реакционной среды равномерно поступают во все теплообменные трубы 8. Эта равномерность обеспечивается выравниванием давления перед входом в трубы из реакционной камеры 4 также за счет вращения активатора 12 и гидравлической турбины 13, образующих распределительное устройство. На выходе из теплообменных труб 8 продукты реакции поступают в крышку 6 и через патрубок 7 выводятся из трубчатого аппарата.

Хладагент в случае экзотермической реакции или теплоноситель в случае эндотермической реакции подают по патрубку 2 в межтрубное пространство корпуса 1 и выводят через патрубок 3.

Установка на конце вала 11 активатора 12 в виде пластины с винтообразной поверхностью, а перед ним жесткое закрепление на валу 11 гидравлической турбины 13 с образованием распределительного устройства и установка на реакционной камере 4 патрубков ввода 5 реакционной среды по нормали к лопаткам 14 гидравлической турбины 13 позволяет увеличить степень конверсии за счет увеличения объема реакционного пространства на величину объема реакционной камеры 4, улучшить качество продуктов реакции за счет выравнивания концентрации, температуры и давления при вращении вала 11 с активатором 12 и гидравлической турбиной 13, предотвратить термическую деструкцию, перегрев или переохлаждение реакционной среды в реакционной камере 4 за счет подачи теплоносителя в дополнительную рубашку 15, предотвратить попадание реакционной среды в воздух через подшипник вала 11, уменьшить термическую нагрузку на теплообменные трубы 8 и обеспечить равномерную подачу реакционной среды во все теплообменные трубы 8.

Формула изобретения

Трубчатый аппарат для проведения химических реакций, содержащий корпус с патрубками ввода и вывода теплоносителя с размещенными в нем теплообменными трубами, закрепленными в трубных досках, крышки с патрубками ввода и вывода реакционной среды, вал с активатором, отличающийся тем, что крышка ввода реакционной среды представляет собой реакционную камеру с размещенным в ней активатором, выполненным в виде пластины с винтообразной поверхностью, установленным на конце вала и образующим с гидравлической турбиной, жестко закрепленной на валу перед активатором, распределительное устройство для равномерной подачи реакционной среды в теплообменные трубы, причем патрубки ввода реакционной среды установлены по нормали к лопаткам гидравлической турбины и реакционная камера снабжена рубашкой с дополнительными патрубками ввода и вывода теплоносителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2