Трубчатый канал фильтрации для реактора с радиальным потоком
Трубчатый канал фильтрации для реактора с радиальным потоком имеет поперечное сечение в форме полумесяца. Указанный канал содержит фронтальную выпуклую стенку (VE), заднюю выпуклую стенку (DO) и две третьих выпуклых боковых стенки (FL). Все стенки имеют сетчатую структуру, образованную из прямолинейных проволок (FR) и опорных стержней (FC), загнутых самих на себя путем их изгибания таким образом, чтобы стенки канала содержали отверстия по всей периферийной части поперечного сечения и обладали упругой деформацией вдоль радиального направления канала. Технический результат - повышение механической прочности реактора при эксплуатации. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 6 ил.
Настоящее изобретение касается трубчатого канала фильтрации, предназначенного для реактора с радиальным потоком, имеющего поперечное сечение в форме полумесяца и содержащего первую выпуклую фронтальную стенку, проходящую вдоль оси трубчатого канала и имеющую первый радиус кривизны периферийной части его поперечного сечения, вторую выпуклую заднюю стенку, противоположную фронтальной стенке и имеющую второй радиус кривизны периферийной части поперечного сечения этого канала, который больше первого радиуса кривизны, и две третьих выпуклых боковых стенки, объединяющих фронтальную стенку канала и заднюю стенку канала и имеющих третий радиус кривизны периферийной части поперечного сечения канала, величина которого меньше величины первого радиуса кривизны.
Канал фильтрации подобного типа известен из патентов США US 5366704 и US 5015383, в которых описаны реакторы с радиальным потоком. Указанные реакторы содержат слой твердых частиц, который имеет тороидальную форму, так что текучая среда или газ, введенные в реактор, проходят через слой твердых частиц в радиальном направлении перед тем, как выйти из реактора. Такие реакторы обычно используются для проведения нефтехимических технологических процессов, в которых поток текучей среды подвергается действию различных химических реакций при прохождении через слой твердых частиц, выполняющий функцию катализатора. Этот тороидальный слой твердых частиц снаружи ограничен цилиндрической оболочкой, а изнутри при помощи центральной цилиндрической трубы, соосной упомянутой оболочке. Подлежащая фильтрации текучая среда или газ вводятся в оболочку через систему трубчатых каналов фильтрации, которые проходят параллельно главной оси оболочки, будучи распределенными на периферийной части оболочки, причем задняя стенка каждого из каналов прижата к цилиндрической поверхности оболочки. В технической литературе эти трубчатые каналы фильтрации с поперечным сечением в форме полумесяца называют "скалоп" (scallops - фестоны или зубчатый край).
В соответствии с патентом США US 5366704 трубчатый канал фильтрации изготавливается из одного ажурного металлического листа, который формируется путем сгибания, а также фальцовки. В частности, боковые стенки канала являются изогнутыми и снабжены отверстиями, необходимыми для прохождения подлежащих фильтрации текучей среды или газа, что недопустимо, поскольку приводит к снижению механической прочности канала. Вследствие этого в цилиндрической оболочке реактора появляются так называемые "мертвые" зоны между двумя примыкающими друг к другу трубчатыми каналами фильтрации, через которые не проходит поток текучей среды или газа, и где накапливаются твердые субстанции, которые с течением времени под действием давления со стороны частиц на стенки каналов фильтрации ускоряют старение каналов и реактора в целом. В частности, частицы, которые накапливаются в упомянутых "мертвых" зонах реактора, склеиваются между собой в процессе охлаждения реактора и становятся очень твердыми. В более общем смысле можно сказать, что тепловые циклы, воздействию которых подвергается реактор, приводят к дифференциальному тепловому расширению, что в сочетании с наличием твердых частиц обуславливает значительные механические напряжения на стенках каналов фильтрации.
В патенте США US 5015383 раскрыто устройство, в котором каждый канал фильтрации формируется на основе цилиндра с сетчатой поверхностью, деформируемой путем сплющивания в матрице для придания цилиндру поперечного сечения в форме полумесяца, следствием чего является снижение механической прочности канала в результате создания зон повышенного механического напряжения на уровне боковых стенок канала фильтрации, радиус кривизны которых оказывается весьма малым.
Технической задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков и создание трубчатого канала фильтрации для реактора с радиальным потоком, который имеет высокую механическую прочность при эксплуатации и конструкция которого позволяет уменьшить "мертвые" или не являющиеся активными пространства, имеющиеся в реакторе.
Поставленная задача решается путем создания трубчатого канала фильтрации, предназначенного для реактора с радиальным потоком, имеющего поперечное сечение в форме полумесяца и содержащего первую фронтальную выпуклую стенку, проходящую вдоль оси канала и имеющую первый радиус кривизны поперечного сечения, вторую заднюю выпуклую стенку, противоположную фронтальной стенке и имеющую второй радиус кривизны периферийной части поперечного сечения, величина которого больше величины первого радиуса кривизны, и две третьих выпуклых боковых стенки, объединяющих фронтальную стенку канала с задней стенкой канала, причем каждая из третьих стенок имеет третий радиус кривизны периферийной части поперечного сечения, величина которого меньше величины первого радиуса кривизны, характеризующегося тем, что первая, вторая и две третьих стенки канала фильтрации выполнены в виде сетчатой структуры из проволок, прямолинейных и параллельных друг другу, проходящих вдоль оси трубчатого канала фильтрации и распределенных по периметру поперечного сечения, и опорных стержней, проходящих перпендикулярно к проволокам вдоль периферийной части поперечного сечения и образующих совместно с проволоками продольные отверстия в стенках трубчатого канала фильтрации, имеющие постоянные продольные размеры, причем каждый опорный стержень (FC) замкнут сам на себя путем изгибания и имеет соответствующий радиус кривизны.
Таким образом, трубчатый канал фильтрации в соответствии с предлагаемым изобретением содержит отверстия, чтобы проявлять фильтрующие свойства по всей своей поверхности благодаря сетчатой структуре, реализованной при помощи проволок и опорных стержней, что исключает образование "мертвых" зон в реакторе. Изгибание стержней с замыканием самих на себя придает стенкам канала упругую деформацию к механическим напряжениям, что позволяет обеспечить наилучшую стойкость к напряжениям давления, воздействующим со стороны катализатора в реакторе и в результате механических деформаций оболочки реактора в процессе изменений его температуры.
Согласно другому предпочтительному варианту реализации трубчатого канала фильтрации величина третьего радиуса кривизны поперечного сечения превышает на одну шестую часть величину первого радиуса кривизны.
Согласно еще одному предпочтительному варианту реализации канала фильтрации опорные стержни расположены внутри трубчатого канала фильтрации и приварены к проволокам. Механические характеристики этих стержней и их количество в одном канале соответствуют напряжениям давления, испытываемым каналом в реакторе с радиальным потоком.
Согласно еще одному предпочтительному варианту реализации канала фильтрации проволоки расположены на одинаковом расстоянии друг от друга по периферийной части поперечного сечения, чтобы плотность жидкого или газообразного потока была однородной по всей поверхности канала.
Предлагаемое изобретение касается также способа изготовления трубчатого канала фильтрации, который состоит в формировании цилиндра из опорных стержней, проходящих параллельно друг другу вдоль оси цилиндра и располагающихся вокруг поперечного сечения цилиндра, и проволок, проходящих параллельно друг другу по периферии поперечного сечения цилиндра, рассечении полученного таким образом цилиндра в его продольном направлении между двумя смежными опорными стержнями для получения пластины, имеющей поверхность с отверстиями в виде сетчатой структуры, сформированной из опорных стержней и проволок, изгибании полученной пластины в направлении, перпендикулярном проволокам, при этом замыкании опорных стержней самих на себя и формировании трубчатого канала, имеющего поперечное сечение в форме полумесяца, и приваривании двух концов каждого опорного стержня к соединительному металлическому элементу.
Согласно еще одному варианту реализации способа в процессе формирования цилиндра проволоки приваривают к опорным стержням, причем проволоки отстоят друг от друга на различные расстояния, а расстояния между проволоками в процессе изгибания пластины поддерживают постоянными по всей периферии поперечного сечения формируемого канала.
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения предлагаемого изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 изображает общий вид реактора с радиальным потоком (частичный разрез) согласно изобретению;
фиг.2 - общий вид трубчатого канала фильтрации согласно изобретению;
фиг.3 - поперечный разрез реактора с радиальным потоком согласно изобретению;
фиг.4 - поперечный разрез реактора с радиальным потоком, где показано пространство между двумя смежными трубчатыми каналами фильтрации, согласно изобретению;
фиг.5 - поперечный разрез трубчатого канала фильтрации согласно изобретению;
фиг.6 - сетчатую структуру, сформированную проволоками и опорными стержнями и выполненную в виде сетки, из которой изготавливается канал фильтрации, согласно изобретению.
Реактор 1 (RR) (фиг.1) с радиальным потоком выполнен в форме баллона, содержащего цилиндрический резервуар 2 (RC) с осью симметрии АХ. Цилиндрический резервуар 2 содержит в верхней части первое отверстие 3 (РО) и в нижней части второе отверстие 4 (SO). Отверстия 3 и 4 предназначены соответственно для входа и для выхода текучей среды, проходящей через реактор.
Внутри цилиндрического резервуара 2 расположено рядом друг с другом множество внутренних трубчатых каналов 5 (CD) фильтрации, проходящих в продольном направлении. Каналы 5 фильтрации удерживаются в резервуаре 2 и прижаты к внутренней поверхности резервуара параллельно оси АХ, формируя по существу цилиндрическую оболочку, поперечный разрез которой показан на фиг.3. Эти каналы 5 фильтрации непосредственно сообщаются с упомянутым первым отверстием 3 своими верхними концами для приема потока текучей среды. Текучая среда диффундирует через стенку каналов фильтрации с отверстиями (фиг.2), проходит через слой 6 твердых частиц в радиальном направлении к центру реактора. Текучая среда попадает в центральный цилиндр 7 (СС), который размещен коаксиально оси АХ и также имеет стенку с отверстиями. Центральный цилиндр 7 в описываемом варианте воплощения сообщается со вторым отверстием 4 реактора с нижнего конца.
Таким образом, текучая среда, введенная в первое отверстие 3, проходит через каналы 5, пересекая их в радиальном направлении, после чего проходит через слой 6 твердых частиц, собирается в центральном цилиндре 7 и выводится из реактора через второе отверстие 4. Указанный реактор может функционировать также и в обратном направлении, то есть он может принимать текучую среду через второе отверстие 4 и возвращать ее на уровень первого отверстия 3.
Трубчатый канал 5 фильтрации в соответствии с предлагаемым изобретением (фиг.5) содержит изогнутую в направлении наружу фронтальную стенку 8, которая имеет выпуклую часть (VE) и размещена против главной оси АХ реактора, заднюю изогнутую стенку 9 (DO) канала фильтрации, которая предназначена для плотного присоединения или приклеивания к внутренней стенке резервуара 2. Выпуклая фронтальная стенка 8 и задняя изогнутая стенка 9 связаны между собой при помощи двух изогнутых боковых стенок канала, образующих две боковины 10 (FL) канала, причем конструкция, показанная в разрезе, образует систему, имеющую в поперечном сечении форму полумесяца. Таким образом, периферийная часть канала 5 фильтрации в поперечном сечении образована четырьмя дугами окружности, каждая из которых имеет свой радиус кривизны. Фронтальная стенка канала 5 имеет радиус кривизны R1, отвечающий требованиям процесса фильтрации. Каждая из боковин 10 имеет второй радиус кривизны R2, величина которого меньше величины радиуса R1. Задняя стенка 9 имеет третий радиус кривизны R3, который является радиусом цилиндрического резервуара 2 и имеет величину, превышающую величину радиуса R1.
В известных устройствах радиус кривизны R2 имеет очень малую величину вследствие того, что этот радиус формируется при проведении операции изгибания путем сплющивания (см., например, патент США US 5015383), что приводит к возникновению зоны концентрации механических напряжений и снижению механической прочности канала.
В канале 5 фильтрации в соответствии с предлагаемым изобретением радиус кривизны R2 боковин 10 выбирается достаточно большим и формируется путем изгибания таким образом, чтобы он не ослаблял конструкцию и прочность канала, но напротив, создавал упругую зону, выполняющую функцию пружины. Выбор достаточно большой величины радиуса кривизны R2 позволяет в наилучших условиях обеспечить поглощение механических напряжений, приложенных со стороны слоя 6 твердых частиц к фронтальной стенке 8 канала 5 фильтрации в процессе осуществления последовательных термических циклов, воздействию которых подвергается реактор. В этих условиях оказывается, что в том случае, когда радиус кривизны R2 превышает одну шестую часть радиуса кривизны R1, срок службы канала 5 фильтрации увеличивается.
Трубчатый канал 5 фильтрации в соответствии с предлагаемым изобретением выполнен из параллельных друг другу проволок 11 (FR), приваренных к опорным стержням 12 таким образом, чтобы сформировать стенку с отверстиями по всей периферийной части канала для уменьшения так называемых "мертвых" зон в реакторе. Более конкретно, канал 5 фильтрации образован прямолинейными проволоками 11 (FR), расположенными параллельно друг другу вдоль продольной оси АХ канала фильтрации (фиг.2). Проволоки 11 распределены по всей периферийной части поперечного сечения канала 5, имеющего форму полумесяца (фиг.5), и приварены к опорным стержням 12 (FC), которые проходят перпендикулярно по отношению к проволокам 11 по периферийной части канала и формируют вместе с проволоками 11 продольные отверстия фильтрации, имеющие по существу постоянные размеры на фронтальной стенке, на задней стенке и на боковинах канала 5 фильтрации. Опорные стержни 12 замкнуты сами на себя путем их изгибания, как указано выше, с образованием радиусов кривизны R1, R2 и R3. Таким образом, опорные стержни 12 искривлены так, что замкнуты сами на себя в плоскостях, перпендикулярных проволокам 11. Два конца каждого опорного стержня 12 скреплены между собой и приварены к скрепляющему элементу 13 (FE), который проходит по всей длине канала 5 и позволяет сформировать замкнутый профиль для этого канала. В поперечном сечении проволоки 11 могут иметь трапециевидную форму, причем вершина трапеции ориентирована против направления течения потока текучей среды в реакторе.
Таким образом, пространство 14 (ЕС) (фиг.4) между двумя смежными каналами 5 фильтрации в реакторе не является так называемым "мертвым" пространством, поскольку боковины 10 имеют отверстия, что позволяет текучей среде диффундировать в направлении пространства 14 и избегать закупорки, образующейся в результате накопления твердых частиц, что способствует продлению срока службы реактора.
Именно проволоки 11 обеспечивают возможность прохождения через стенку канала 5 фильтрации текучей среды и не допускают прохождения через эту стенку твердых частиц. Таким образом, прямолинейные проволоки выполняют функцию фильтра, тогда как изогнутые стержни, замкнутые сами на себя, выполняют функцию опорной конструкции для этих прямолинейных проволок и располагаются внутри канала. Прямолинейные проволоки 11 в соответствии с предлагаемым изобретением равномерно распределены по периферийной части канала фильтрации и отстоят одна от другой на постоянное по существу расстояние Е0, несмотря на различные радиусы кривизны различных участков этого поперечного сечения, что способствует гомогенизации плотности потока, проходящего через канал 5 фильтрации на всей его стенке, и в еще большей степени снижает образование твердой субстанции во всех зонах, располагающихся вокруг данного канала.
При изготовлении трубчатого канала фильтрации прежде всего формируют цилиндр, образованный прямолинейными опорными стержнями 12, проходящими параллельно друг к другу вдоль оси цилиндра и располагающимися вокруг поперечного сечения цилиндра, и проволоками 11, намотанными параллельно друг другу вокруг опорных стержней 12 по периферийной части поперечного сечения цилиндра. Затем при помощи распиливания рассекают цилиндр в продольном направлении между двумя соседними опорными стержнями 12 для получения пластины 15 (GR) (фиг.6), имеющей поверхность с отверстиями, образованную сетчатой конструкцией опорных стержней и проволок. Затем эту пластину 15 изгибают вдоль направления, перпендикулярного проволокам 11, так, чтобы обеспечить замыкание самих на себя опорных стержней 12 и сформировать трубчатый канал с поперечным сечением в форме полумесяца. И наконец, приваривают два конца каждого опорного стержня 12 к соединительному элементу 13.
На фиг.6 схематически проиллюстрировано расположение проволок 11 и опорных стержней 12, образующих пластину 15. В процессе формирования цилиндра учитывают изменения радиусов кривизны, для этого приваривают проволоки 11 к опорным стержням 12 с различными расстояниями между этими проволоками 11 таким образом, чтобы расстояния между этими проволоками 11 при изгибании пластины 15 оставались по существу постоянными по всей периферийной части поперечного сечения канала 5 фильтрации. На участке пластины 15, соответствующей фронтальной стенке канала, проволоки 11 отстоят друг от друга на первое расстояние Е1. На участках пластины 15, соответствующих боковинам канала, проволоки 11 отстоят друг от друга на второе расстояние Е2. И на участке пластины 15, соответствующей задней стенке канала, проволоки 11 отстоят друг от друга на третье расстояние Е3. Упомянутые выше расстояния Е1, Е2 и Е3 между проволоками имеют величину тем меньшую, чем меньше радиус кривизны той части стенки канала, которую образуют эти проволоки. Таким образом, после соответствующего изгибания пластины в направлении, перпендикулярном проволокам 11, результирующее расстояние Е0 между двумя соседними прямолинейными проволоками оказывается одинаковым по всему периметру канала фильтрации. Величины упомянутых выше расстояний Е1, Е2 и Е3 практически могут быть определены путем расчета в функции предварительно определенной и требуемой в данном случае величины расстояния Е0.
Каждый трубчатый канал фильтрации может быть оборудован также фильтрующей донной частью, средствами фильтрации на двух концах этого канала и элементом соединения с другим смежным каналом фильтрации, располагающимся в данном реакторе.
1. Трубчатый канал фильтрации для реактора с радиальным потоком, имеющий поперечное сечение в форме полумесяца и содержащий первую фронтальную выпуклую стенку (VE), проходящую вдоль оси трубчатого канала фильтрации и имеющую первый радиус кривизны (R1) поперечного сечения, вторую заднюю выпуклую стенку (DO), противоположную фронтальной стенке и имеющую второй радиус кривизны (R3) периферийной части поперечного сечения, величина которого больше величины первого радиуса кривизны, и две третьих выпуклых боковых стенок (FL), объединяющих фронтальную стенку с задней стенкой, причем каждая из третьих стенок имеет третий радиус кривизны (R2) периферийной части поперечного сечения, величина которого меньше величины первого радиуса кривизны, отличающийся тем, что первая, вторая и две третьих стенки трубчатого канала фильтрации (VE, DO, FL) выполнены в виде сетчатой конструкции из проволок, прямолинейных и параллельных друг другу, проходящих вдоль оси трубчатого канала фильтрации и распределенных по периметру поперечного сечения, и опорных стержней (FC), проходящих перпендикулярно проволокам вдоль периферийной части поперечного сечения и образующих совместно с проволоками продольные отверстия в стенках (VE, DO, FL) трубчатого канала фильтрации, имеющие постоянные продольные размеры, причем каждый опорный стержень (FC) замкнут сам на себя путем изгибания и имеет соответствующий радиус кривизны.
2. Канал фильтрации по п.1, отличающийся тем, что величина третьего радиуса кривизны (R2) поперечного сечения превышает на одну шестую часть величину первого радиуса кривизны (R1).
3. Канал фильтрации по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что опорные стержни (FC) расположены внутри трубчатого канала фильтрации и приварены к проволокам (FR).
4. Канал фильтрации по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что проволоки (FR) равномерно распределены по периферийной части поперечного сечения трубчатого канала фильтрации и расположены на одинаковом расстоянии друг от друга.
5. Способ изготовления трубчатого канала фильтрации по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что формируют цилиндр из опорных стержней (FC), проходящих параллельно друг другу вдоль оси цилиндра и расположенных вокруг поперечного сечения цилиндра, и из проволок (FR), проходящих параллельно друг другу по периферии поперечного сечения цилиндра, рассекают полученный цилиндр в продольном направлении между двумя смежными опорными стержнями (FC) для получения пластины, имеющей поверхность с отверстиями в виде сетчатой структуры, сформированной из опорных стержней и проволок, изгибают полученную пластину в направлении, перпендикулярном проволокам (FR), при этом замыкают опорные стержни (FC) сами на себя и формируют трубчатый канал, имеющий поперечное сечение в форме полумесяца, приваривают два конца каждого опорного стержня к соединительному металлическому элементу.
6. Способ изготовления по п.5, отличающийся тем, что в процессе формирования цилиндра проволоки (FR) приваривают к опорным стержням (FC), причем проволоки отстоят друг от друга на различные расстояния, а расстояния между проволоками (FR) в процессе изгибания пластины поддерживают постоянными по всей периферии поперечного сечения формируемого канала.
