Структурированная насадка для реактора

Структурированная насадка сформирована из металлического листа для содействия переносу тепла и массы возле стенки реактора. Структурированная насадка вызывает боковой поток жидкостей, текущих через насадку, таким образом, чтобы осуществлялось содействие столкновению струи, с одной стенкой реактора. Насадка может использоваться в цилиндрическом, кольцевом или пластинчатом реакторе, каталитическом реакторе или теплообменнике. Изобретение обеспечивает повышение коэффициента теплопередачи теплообменников без значительного повышения перепада давления в них. 11 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Перекрестная ссылка на родственную заявку

Настоящая заявка претендует на приоритет предварительной заявки на патент США под серийным номером 61/207,170, поданной 9 февраля 2009 года. Раскрытие вышеупомянутой заявки включено сюда посредством ссылки во всей своей полноте.

Область изобретения

Изобретение относится к структурированной насадке для реактора. Насадка может использоваться в цилиндрическом, кольцевом или пластинчатом реакторе, например каталитическом реакторе или теплообменнике.

Предпосылки к созданию изобретения

Реакторы, такие как химические реакторы и теплообменники, широко используют для содействия переносу тепла, переносу массы и/или скорости химических реакций. В случае с реакторами, такими как химические реакторы, часто существует необходимость в переносе тепла в реактор (например, для эндотермических реакций) или в переносе тепла из реактора (например, для экзотермических реакций). В коммерческой практике, для достижения экономии за счет эффекта масштаба, желательно использовать реакторы, имеющие большой диаметр. Для содействия переносу тепла между содержимым реактора и окружающей средой желателен высокий коэффициент теплопередачи в реакторе. Высокий коэффициент теплопередачи в реакторе особенно желателен возле наружного диаметра реактора, где отношение площади поверхности для теплового излучения к внутреннему объему является наименьшим и где количество тепла, подлежащего радиальному переносу, пропорционально объему внутри источника реактора. Трение между жидкостями и стенкой реактора часто влечет за собой относительно низкие скорости и, соответственно, более низкие значения коэффициента теплопередачи возле стенки реактора, где наличие более высоких коэффициентов теплопередачи является наиболее желательным.

В случае гетерогенно-каталитических реакторов с неподвижным слоем перенос тепла в стенку реактора может ограничивать скорость реакции для эндотермических реакций, либо перенос тепла от реактора может ограничивать управление или безопасную эксплуатацию для экзотермических реакций. В целом желательно ограничить число внутренних стенок в реакторе, чтобы соответственным образом минимизировать число пограничных слоев низкой скорости и низкого коэффициента теплопередачи, через которые тепло должно пройти в радиальном направлении. Увеличение площади поверхности в каталитических реакторах улучшает возможность ускорения реакций за счет создания большего количества участков для эффективного размещения катализатора. В частности, высокая геометрическая площадь поверхности возле стенки каталитических реакторов повышает количество доступного тепла для проведения экзотермических реакций и отводимого тепла для эндотермических реакций на коротких расстояниях, проходимых теплом на пути из реакторов или в реакторы, соответственно.

Уровень техники

Известно, что сооружаемая насадка, состоящая из металлических подложек, может быть сконструирована таким образом, при котором она содержит более тонкие стенки, чем те, которые могут быть возможны в слоях с неупорядоченным уплотнением для катализа, и, таким образом, имеет большую геометрическую площадь поверхности, при перепаде давления, сопоставимым или меньшим относительно того, который может быть достигнут в слое с неупорядоченным уплотнением. Известно также, что сооружаемая насадка может быть сконструирована таким образом, чтобы обеспечивать желаемо высокие коэффициенты теплопередачи возле стенки реактора.

Патенты США 4,882,130, 4,719,090 и 4,340,501 относятся к различным конструкциям сооружаемой насадки для обеспечения равномерного улучшения геометрической площади поверхности и переноса тепла по всему объему реактора, при желательно низком перепаде давления, без значимого улучшения переноса тепла или геометрической площади поверхности возле стенки реактора.

В патенте США 4,985,230 раскрывается конструкция насадки, подходящая для использования в кольцевом пространстве или между двумя стенками, которая содержит чередующиеся колонны каналов, которые соответственно направляют жидкость к первой стенке и ко второй стенке для стимулирования турбулентности жидкости, проходящей через реактор. Такая насадка создает желательные значения переноса тепла и геометрической площади поверхности возле стенок реактора при желательно низком перепаде давления, но имеет недостаток, заключающийся в сложности ее изготовления.

Опубликованная патентная заявка US 2004/0013580 относится к корпусу фильтра для удаления частиц сажи из выхлопов дизельного двигателя. Раскрываемая конструкция, которая предназначена для побуждения жидкости к течению через примыкающие пластины фильтра, не пригодна для того, чтоб вызывать столкновение жидкости со стенкой и ее отражение от стенки для обеспечения желательного переноса тепла.

В заявке РСТ (PCT/US 2005/42425) раскрывается бескольцевой реактор, предусматривающий сооружение активной зоны возле оси реактора и сооружение кожуха реактора между активной зоной и стенкой реактора.

Цели изобретения

Целью изобретения является создание структурированной насадки для реактора, которая повысит геометрическую площадь поверхности и/или коэффициент теплопередачи (особенно, возле стенки реактора) реакторов, таких как гетерогенно-каталитические реакторы с неподвижным слоем, без значительного повышения перепада давления в них.

Еще одной целью изобретения является создание структурированной насадки для теплообменника, которая повысит коэффициент теплопередачи теплообменников без значительного повышения перепада давления в них.

Названные цели, а также другие цели изобретения будут очевидны из приведенного далее подробного описания изобретения.

Краткое изложение сущности изобретения

Структурированная насадка по настоящему изобретению легко изготавливается резкой листа и последующим сгибанием листа в конструкцию, в состав которой входят чередующиеся колонны, содержащие лопасти, ориентированные встречно и наклонно к оси реактора для того, чтобы вызывать поочередное столкновение жидкости со стенкой реактора и ее возвращение от стенки реактора. Колонны отделены друг от друга в основном прямыми разделительными стенками. Лопасти, сложенные из одного листа, присоединены своими сторонами к разделительным стенкам перемычками, сложенными из того же листа. В предпочтительном случае, лист представляет собой металлическую фольгу, а конструкция предпочтительно формуется последовательно расположенными штампами для вырубки и сгибания.

Структурированная насадка по настоящему изобретению может быть расположена возле внутреннего диаметра трубы или оболочки цилиндрического реактора, в кольцевом пространстве кольцевого реактора или между двумя стенками реактора другой формы, например, между двумя плоскими стенками в пластинчатом теплообменнике. Во всех случаях структурированная насадка по настоящему изобретению вызывает столкновение жидкости со стенкой реактора, что повышает теплопередачу через эту стенку.

Краткое описание чертежей

ФИГ.1а) представляет собой поперечное сечение структурированной насадки по настоящему изобретению.

ФИГ.1б) представляет собой продольное радиальное сечение структурированной насадки по настоящему изобретению (соответствующее сечению В-В на ФИГ.1а) с изображением центробежных лопастей.

ФИГ.1в) представляет собой продольное радиальное сечение структурированной насадки по настоящему изобретению (соответствующее сечению А-А на ФИГ.1а) с изображением центростремительных лопастей.

ФИГ.2 представляет собой горизонтальную проекцию листа, из которого формуется структурированная насадка по настоящему изобретению.

ФИГ.3 представляет собой укрупненный фрагмент листа, из которого формуется структурированная насадка по настоящему изобретению.

ФИГ.4 представляет собой перспективный вид структурированной насадки по настоящему изобретению.

Подробное описание изобретения

Структурированная насадка по настоящему изобретению используется в реакторе, имеющем вход, выход и, по меньшей мере, одну стенку, и включает:

(a) лист, сложенный назад и вперед, образующий таким образом ряд чередующихся первых и вторых колонн, отделенных друг от друга разделительными стенками;

(b) первые и вторые направляющие лопасти, расположенные в соответствующих первых и вторых колоннах таким образом, что, по меньшей мере, некоторые из первых лопастей наклонены под непрямым углом к стенке реактора, и, по меньшей мере, некоторые из вторых лопастей наклонены под противолежащим непрямым углом к стенке реактора;

(c) перемычки, соединяющие, по меньшей мере, некоторые из первых и вторых лопастей с разделительными стенками вдоль, по меньшей мере, одной боковой стороны, по меньшей мере, некоторых из первых и вторых лопастей; и

(d) множество промежутков между разделительными стенками и стенкой реактора, простирающихся от входа к выходу.

В предпочтительном случае структурированная насадка по настоящему изобретению сформирована из единого листа, который может представлять собой лист металла или фольгу. Противолежащие непрямые углы, упоминаемые в пункте (b) выше, могут иметь одинаковую или различную величину. Промежутки, упоминаемые в пункте (d) выше, являются, предпочтительно, прерывистыми.

Обычно реактор, содержащий структурированную насадку по изобретению, будет иметь цилиндрическую форму и содержать внутренние и наружные концентрические стенки, а также расположенное между ними кольцевое пространство. Структурированная насадка по настоящему изобретению в предпочтительном случае включает ряд чередующихся первых и вторых колонн с их соответствующими первыми и вторыми лопастями, где ряд располагается в кольцевом пространстве. Кроме того, является предпочтительным, чтобы в кольцевом пространстве располагалась пластина, а насадка, предпочтительно, включала ряд чередующихся первых и вторых колонн с их соответствующими первыми и вторыми лопастями, где ряд располагается в кольцевом пространстве.

Как упоминалось выше, реактор может представлять собой химический реактор, например каталитический реактор, или он может представлять собой теплообменник. В случае каталитических реакторов, предпочтительно, чтобы, по меньшей мере, на некоторой части поверхностей листа имелся катализатор.

Подробное описание чертежей

На ФИГ.1а) реактор 1 имеет цилиндрическую стенку 2, а структурированная насадка 3, изображенная в виде заштрихованного участка, находится внутри стенки 1. Наружный диаметр 4 насадки 3 соответствует внутреннему диаметру стенки 1. Насадка 3 имеет внутренний диаметр 5 и разделена на продольные колонны 6 (изображенные участками, заштрихованными точками) и продольные колонны 7 (изображенные участками, заштрихованные косыми линиями). Колонны 6 и 7 чередуются и отделены друг от друга радиальными разделительными стенками 8. Реактор 1 имеет прерывистые промежутки (не показаны), расположенные между радиальными разделительными стенками 8 и стенкой 2 реактора вдоль осевой длины реактора. Жидкость, текущая вдоль длины реактора 1, направляется в центробежном направлении через колонны 6 и в центростремительном направлении, протекая через колонны 7.

На ФИГ.1б) (который представляет собой продольное сечение реактора 1 через сечение В-В ФИГ.1а) колонна 6 простирается от своего наружного диаметра 4 к своему внутреннему диаметру 5. Колонна 6 ограничена у своего наружного диаметра 4 стенкой 2 реактора. По высоте колонна 6 содержит лопасти 9. Лопасти 9 образуют каналы 10, которые направляют жидкость центробежно, по мере того как жидкость проходит от верха к низу реактора 1.

На ФИГ.1в) (который представляет собой продольное сечение реактора 1 через сечение А-А ФИГ.1А) центростремительная колонна 7 простирается от своего наружного диаметра 4 к своему внутреннему диаметру 5. Колонна 7 ограничена у своего наружного диаметра 4 стенкой 2 реактора. По высоте колонна 7 содержит лопасти 11. Лопасти 11 образуют каналы 12, которые направляют жидкость центростремительно, по мере того как жидкость проходит от верха к низу реактора 1.

На ФИГ.2 лист 20 сформирован в структурированную насадку по настоящему изобретению посредством резки и сгибания колонн 21, состоящих из повторяющихся форм 30, образующих центростремительные лопасти, и колонн 22, состоящих из повторяющихся форм 40, образующих центробежные лопасти. Лист 20 представляет собой пластичный жесткий материал, предпочтительно - металлическую фольгу.

На ФИГ.3 показаны в укрупненном виде форма 30 из колонны 21 ФИГ.2 и форма 40 из колонны 22 ФИГ.2. Форма 30 образована из листа 20 в лопасть и ее две боковые перемычки, которые соединяют лопасть с листом, из которого она сформирована. Сплошные линии соответствуют линиям отреза листа. Линии, обозначенные точками, соответствуют изгибам листа под углом около 90°. Линии, обозначенные штрихами, соответствуют изгибам листа под углом около 180°.

Лист 20 обрезан по линиям 31, 32 и 33, причем горизонтальная линия 33 соответствует горизонтальной линии 32 для примыкающей формы (не показана), которая аналогична показанной форме 30 и находится под ней. Лист складывают под углом около 90° в направлении от читателя вдоль линий 34 и складывают под углом около 180° в направлении к читателю вдоль линий 35. Образованная таким образом лопасть 9 состоит из плоской, в основном, поверхности, ограниченной линиями 32, 33 и 34. Лопасть 9 крепится к остальной части листа перемычками 37 вдоль двух сторон лопасти. Перемычки 37 ограничены линиями 31, 34 и 35. Для кольцевой или цилиндрической насадки верх лопасти 9, в предпочтительном случае, шире, чем ее низ, как показано на фигуре. Лопасть 9 представляет собой лопасть, создающую центростремительные каналы для жидкости, текущей от верха к низу реактора 1. Для насадки между двумя плоскими параллельными стенками лопасть 9, в предпочтительном случае, имеет одинаковую ширину наверху и внизу.

Лист 20 обрезан по линиям 41, 42 и 43, причем горизонтальная линия 43 соответствует горизонтальной линии 42 для примыкающей формы (не показана), которая аналогична показанной форме 40 и находится под ней. Лист 20 складывают под углом около 90° в направлении к читателю вдоль линий 44 и складывают под углом около 180° в направлении от читателя вдоль линии 45. Образованная таким образом лопасть 11 состоит из плоской, в основном, поверхности, ограниченной линиями 42, 43 и 44. Лопасть 11 крепится к остальной части листа перемычками 47 вдоль двух сторон лопасти. Перемычки 47 ограничены линиями 41, 44 и 45. Для кольцевой или цилиндрической насадки, верх лопасти 11, в предпочтительном случае, уже, чем ее низ, как показано на рисунке, а лопасть 11 создает центробежные каналы для жидкости, текущей от верха к низу реактора 1. Для насадки, расположенной между двумя параллельными пластинами, лопасть 47, в предпочтительном случае, имеет одинаковую ширину наверху и внизу.

Как видно из ФИГ.2 и 3, нижняя форма 30 в колоннах 21 расположена лишь частично над нижней кромкой 23 листа 20. Обрезанные кромки 31 и 32 для нижней формы 30 колонны 21 могут приводить к образованию пустот или отсутствию насадки для таких нижних форм. Подобным же образом видно, что верхняя форма 40 в колоннах 22 располагается лишь частично под верхней кромкой 24 листа 20. Соответственно, верхние формы 40 усечены верхней кромкой 24.

Лист, сформированный описанным выше образом, разрезают на боковые отрезки и сгибают в кольцо или кольцеобразную форму или иным образом располагают вдоль одной или между двумя стенками реактора. Концы колец могут быть соединены сваркой, клеем или взаимным сцеплением концов.

На ФИГ.4. представлен в разрезе перспективный вид структурированной насадки по изобретению для цилиндрического или кольцевого реактора, в котором все элементы на ФИГ.4, соответствующие описанным выше рисункам, имеют то же цифровое обозначение, что и на рисунках, описанных выше.

Стенки реактора не показаны на ФИГ.4. Насадка 3 выходит к наружному диаметру в точке 4 и к внутреннему диаметру - в точке 5. Центробежные лопасти 9, крепящиеся к разделительным стенкам перемычками 37, занимают центробежные колонны насадки. Центростремительные лопасти 11, крепящиеся к разделительным стенкам перемычками 37, занимают центростремительные колонны насадки. Центробежные и центростремительные колонны чередуются друг с другом вокруг кожуха и простираются по всей длине реактора 1, предпочтительно - от входа реактора к выходу реактора.

В альтернативном варианте осуществления, множественная структурированная насадка по настоящему изобретению может располагаться последовательно в пределах одного реактора между источниками тепла и приемником отводимого тепла. Например, два или более блока структурированной насадки могут быть размещены концентрически и рядом друг с другом в кольцевом или цилиндрическом реакторе. Два или более блоков структурированной насадки могут быть размещены рядом и параллельно друг другу между двумя стенками пластинчатого реактора или между двумя стенками реактора другой геометрической формы.

Описанные выше варианты осуществления иллюстрируют изобретение. Вместе с тем, следует понимать, что другие средства, известные специалистам или раскрываемые в настоящей заявке, могут быть использованы без отступления от духа изобретения и объема притязаний формулы изобретения, которая приведена ниже.

1. Структурированная насадка для реактора, имеющего вход, выход и, по меньшей мере, одну стенку, включающая
(a) лист, сложенный назад и вперед, образующий таким образом ряд чередующихся первых и вторых колонн, отделенных друг от друга разделительными стенками;
(b) первые и вторые направляющие лопасти, расположенные в соответствующих первых и вторых колоннах таким образом, что, по меньшей мере, некоторые из первых лопастей наклонены под непрямым углом к стенке реактора, и, по меньшей мере, некоторые из вторых лопастей наклонены под противолежащим непрямым углом к стенке реактора;
(c) перемычки, соединяющие, по меньшей мере, некоторые из первых и вторых лопастей с разделительными стенками вдоль, по меньшей мере, одной боковой стороны, по меньшей мере, некоторых из первых и вторых лопастей; и
(d) множество промежутков между разделительными стенками и стенкой реактора, простирающихся от входа к выходу.

2. Структурированная насадка по п.1, отличающаяся тем, что насадка сформирована из единого листа.

3. Структурированная насадка по п.1, отличающаяся тем, что лист представляет собой лист металла или фольгу.

4. Структурированная насадка по п.1, отличающаяся тем, что все противолежащие непрямые углы имеют одинаковую величину.

5. Структурированная насадка по п.1, отличающаяся тем, что все противолежащие непрямые углы имеют различную величину.

6. Структурированная насадка по п.1, отличающаяся тем, что простирающиеся от входа к выходу промежутки между разделительными стенками и стенкой реактора являются прерывистыми.

7. Структурированная насадка по п.1, отличающаяся тем, что реактор является цилиндрическим и содержит внутренние и наружные концентрические стенки, а также расположенное между ними кольцевое пространство.

8. Структурированная насадка по п.7, отличающаяся тем, что насадка включает ряд чередующихся первых и вторых колонн с их соответствующими первыми и вторыми лопастями, где ряд располагается в кольцевом пространстве.

9. Структурированная насадка по п.7, отличающаяся тем, что в кольцевом пространстве располагается пластина, а насадка включает ряд чередующихся первых и вторых колонн с их соответствующими первыми и вторыми лопастями, где ряд располагается в кольцевом пространстве.

10. Структурированная насадка по п.1, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, на некоторой части поверхностей листа имеется катализатор.

11. Структурированная насадка по п.1, отличающаяся тем, что реактор представляет собой каталитический реактор.

12. Структурированная насадка по п.1, отличающаяся тем, что реактор представляет собой теплообменник.