DD246044A1

DD246044A1 - LOADING OF HEAT TRANSFER PIPES IN SUSPENSION REACTORS

Info

Publication number: DD246044A1
Application number: DD28703886A
Authority: DD
Inventors: Kurt Winkler; Karl-Heinz Redlich
Original assignee: Akad Wissenschaften Ddr
Priority date: 1986-02-14
Filing date: 1986-02-14
Publication date: 1987-05-27

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kombinierten Stroemungs- und Waermefuehrung in Reaktoren bei der Kontaktierung und chemischen Umsetzung fluider Medien in Suspensionsphase. Ziel und Aufgabe der Erfindung bestehen darin, die Weiterentwicklung von Elementen in Form von Einbauten zur Unterdrueckung grossraeumiger Rueckvermischung bei gleichzeitiger Verbesserung des Waermeueberganges an getauchte Rohre. Erfindungsgemaess wird das dadurch erreicht, dass mit Einschnitten und Biegekanten versehene Streifenmaterialien so gefaltet werden, dass in einem Rohrraster ueber Zwickelraeume einschiebbare Beflossungsstraenge entstehen, deren Elementen drei von der axialen und radialen Richtung abweichende uebereinanderliegende Stroemungsvektoren zugeordnet. Fig. 3The invention relates to a device for combined flow and heat conduction in reactors in the contacting and chemical reaction of fluid media in suspension phase. The aim and object of the invention are the further development of elements in the form of internals to suppress large-scale backmixing while improving the Waermeueberganges of submerged pipes. According to the invention, this is achieved by folding strip materials provided with indentations and bending edges in such a way that in a tube grid gussets of insertion can be inserted via gusset spaces whose elements are assigned three superimposed flow vectors deviating from the axial and radial directions. Fig. 3

Description

Hierzu 2 Seiten'Zeichnungen2 pages' drawings

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft für Reaktoren eine Vorrichtung zur Ström ungs-und Wärmeführung beider Kontaktierung und chemischen Umsetzung fluider Medien in Suspensionsphase, wie von Gasen oder Dämpfen mit einer Flüssigkeit, in Wechselwirkung mit dispersen Feststoffanteilen, auf dem Gebiet der technischen Reaktionsführung in Blasen oder leicht expandierten Wirbelschichten unter dem Einfluß von Katalysatorpartikeln.The invention relates to reactors for a device for flow and heat conduction both contacting and chemical reaction of fluid media in suspension phase, such as gases or vapors with a liquid, in interaction with disperse solids, in the field of technical reaction in bubbles or slightly expanded fluidized beds under the influence of catalyst particles.

Anwendungsgebiet sind besonders Reaktoren, in denen stark exotherme Reaktionen ablaufen, wie bei der Umsetzung von Synthesegas zu Kohlenwasserstoffen. Vorteilhafte Anwendungen ergeben sich aber auch auf anderen Gebieten der Stoffwandlung in Dreiphasenreaktoren, so für Oxidations-, Hydrier-, Spaltungs- und Polymerisationsprozesse, bei denen eine hohe Effektivität bezüglich Umsatz und Ausbeuten einzelner Komponenten aufgrund einer wechselseitigen Bedingtheit von Stoffstrom-, Strömungs- und Wärmeführung angestrebt wird. Durch die Kombination von Strömungs- und Wärmeführung kann die Erfindung auch in unterschiedlichen anderen Bereichen der chemischen Grundstoffindustrie, der extraktiven Industrie und der Energiewirtschaft, insbesondere für Wärmeaustauscher, angewendet werden.Fields of application are in particular reactors in which strongly exothermic reactions take place, as in the conversion of synthesis gas into hydrocarbons. However, advantageous applications also result in other areas of material conversion in three-phase reactors, such as oxidation, hydrogenation, cleavage and polymerization, in which a high efficiency in terms of sales and yields of individual components due to mutual conditionality of material flow, flow and heat is sought. Through the combination of flow and heat management, the invention can also be applied in various other areas of the basic chemical industry, the extractive industry and the energy industry, in particular for heat exchangers.

Characteristic of the known technical solutions

Für reaktionstechnische Umsetzungen in flüssig-gasförmigen Systemen mit einem Feststoffanteil bis etwa 15%, bei denen die miteinander reagierenden Komponenten mit der Gasphase zugeführt und die entstehenden Produkte vorwiegend mit dem Restgas abgeführt werden, die Reaktion jedoch an der flüssigkeitsbenetzten Katalysatoroberfläche erfolgt, stellen sich in den Blasenschichten von der Reaktorhöhe und dessen Querschnitt abhängige Konzentrations-, Temperatur- und auch Druckgradienten ein. Durch zumindest örtliches Überschreiten minimaler Fluidisierungsgeschwindigkeiten wird eine stabile raumfüllende Verteilung suspendierter Feststoffpartikel angestrebt, die aber aufgrund der sich ausbildenden Strömungsgradienten gestört ist und ihrerseits nicht zu hohen Raum-Zeit-Ausbeuten führt. Eine angenähert optimale Verknüpfung von Diffusions- und Reaktionsschritten sowie der Wärmeführung mit der vorgelagerten Hydrodynamik wird neuerdings mittels Leiteinbauten versucht, die in der Regel koaxial in den Reaktor eingebrachte offene Hohlzylinder darstellen (z.B. DE-2057528; DE-3047101) und von der Dreiphasendisperision großräumig geordnet in Form von inneren Rezikulationskonturen durchströmt werden.For reaction engineering reactions in liquid-gaseous systems with a solids content of up to about 15%, in which the components which react with one another are supplied with the gas phase and the resulting products are removed predominantly with the residual gas, but the reaction takes place on the liquid-wetted catalyst surface, are placed in the Bladder layers of the reactor height and its cross section dependent concentration, temperature and also pressure gradients. By at least locally exceeding minimum fluidization velocities a stable space-filling distribution of suspended solid particles is desired, which is disturbed due to the forming flow gradients and in turn does not lead to high space-time yields. An approximately optimal combination of diffusion and reaction steps and the heat transfer with the upstream hydrodynamics is recently attempted by Leiteinbauten, which are usually coaxial introduced into the reactor open hollow cylinder (eg DE-2057528; DE-3047101) and organized by the three-phase disperse large-scale in the form of internal recirculation contours are flowed through.

Es wurde bereits vorgeschlagen (DD-WP B 01 J/274479/5), diese Leitzylihder aus Wärmeträgerrohren auszubilden, um mit einer minimalen Anzahl von Bauelementen auszukommen. Reaktoren mit Leitzylindern sind jedoch nachteilig partielle Rückvermischer mit entsprechendem Abbau von Gradienten der Triebkräfte. Zur Realisierung eines Propfenströmungsverhaltens bei gleichzeitiger Unterdrückung der Rückvermischung der Suspensionsphase hat es bisher nicht an Versuchen gefehlt, den Reaktionsraum zu kammern, besonders bei größeren Reaktordurchmessern. So sind Einrichtungen bekannt, in denen Wärmeträgerrohre vertikal und rasterartig in einen Reaktor eintauchen und dabei sechseckig-wabenförmig über senkrechte Querwände miteinander verbunden sind (DE-946289; 948781; 958020; 1 004146). Dabei werden Schächte gleichbleibenden Querschnitts ausgebildet, die am Reaktoreintrittflüssigkeitsseitig, an dessen Ausgang gasseitig miteinander kommunizieren und den notwendigen Querausgleich beider Phasen bei sich einstellender Ungleichverteilung zulassen. Nachteilig ist, daß diese Ausgleichvorgänge lediglich in zwei, im Reaktor endständigen Bereichen stattfinden können. Die für die Wärmeführung an sich vorteilhaft und konstruktiv einfach vertikal getauchten Wärmerohre implizieren somit nachteilig vertikale Wände, die jedoch radiale Strömungen unterdrücken, wobei die Wärme gewissermaßen in zum Reaktormantel parallelen Strom röhren über die gesamte Längsausdehnung und weniger anteilig quer aus dem Reaktor ausgebracht oder zugeführt wird. Spezielle Anordnungen, wie zur Gaszuführung und -verteilung, sogar mit getrennter Regelung von Gasteilströmen, konnten diese Nachteile nicht ausschließen.It has already been proposed (DD-WP B 01 J / 274479/5) to form these Leitzylihder from heat transfer tubes in order to make do with a minimum number of components. Reactors with master cylinders, however, are disadvantageous partial backmixers with corresponding degradation of gradients of the driving forces. In order to realize a plug flow behavior while suppressing the backmixing of the suspension phase, there has hitherto been no lack of attempts to chamber the reaction space, especially with larger reactor diameters. Thus, devices are known in which heat transfer tubes vertically and grid-like immersed in a reactor and thereby hexagonal honeycomb-shaped interconnected via vertical transverse walls (DE-946289, 948781, 958020, 1 004146). In this case, shafts of constant cross-section are formed, which communicate with each other on the gas inlet side of the reactor inlet, at the outlet side of which allow the necessary cross-balancing of both phases in adjusting unequal distribution. The disadvantage is that these compensatory processes can take place only in two, terminal regions in the reactor. The advantageous for the heat transfer in itself and structurally simply vertically immersed heat pipes thus adversely affect vertical walls, but suppress the radial currents, the heat in a sense in the reactor jacket parallel flow tube over the entire longitudinal extent and less proportionately applied or supplied transversely from the reactor , Special arrangements, such as gas supply and distribution, even with separate control of partial gas flows, could not exclude these disadvantages.

Sogenannte statische Mischer, die druckverlustarm einzelne Stromsträhnen aus einer Hauptströmungsrichtung auslenken und miteinander verflechten, dienen weitgehend der Realisierung eines Propfenströmungsverhaltens bei noch ausreichender radialer Vermischung. Eine gute Mischungsgüte wird durch Elemente erzeugt, die aus drei gegenüber der axialen und radialen Richtung schräg orientierten Leitfäden bestehen und die axial jeweils um eine halbe Längsausdehnung zueinander versetzt sind. ,Diese vorgeschlagene Lösung (DD-WP-B 01 J/278360/7) ist jedoch lediglich dafür geeignet, daß innerhalb eines einzelnen rohrartigen Gehäuses zwei kammerartige Räume miteinander kommunizieren können, wobei sich zwei Stränge der Strömung wechselseitig durchdringen. Eine sich über die Gehäusebegrenzung hinaus fortpflanzende, benachbarte Räume ausfüllende Strömung wird nachteilig somit nicht zugelassen.So-called static mixers, which deflect individual stream strands with little pressure loss from a main flow direction and intertwine with each other, largely serve to realize a plug flow behavior with sufficient radial mixing. A good quality of mixing is produced by elements which consist of three obliquely oriented with respect to the axial and radial directions guides and which are offset axially in each case by half a longitudinal extent to each other. However, this proposed solution (DD-WP-B 01 J / 278360/7) is only suitable for allowing two chamber-like spaces to communicate with each other within a single tubular housing, with two strands of flow intersecting each other. A propagating beyond the housing boundary addition, adjacent spaces filling flow is adversely thus not allowed.

Auf dem Gebiet der Wärmeaustauschtechnik sind zur Verbesserung des Wärmeüberganges bereits eine größere Anzahl von Lösungen für eine Bewehrung von Wärmeträgerrohren bekannt, wie Rippen, Flossen und andersartige Leiflächen. Nachteilig ist bekannt, daß diese Modifizierungen der Rohrperipherie zusätzliche und aufwendige Arbeitsgänge zur Befestigung dieserTeile erfordern, wie Schweißen, Aufwalzen oderVerpressen. Beflossungen,dieauf einfache Weisein ein Bündel parallel orientierter Rohre eingebracht werden und mit einer minimalen Anzahl von Befestigungspunkten auskommen, wurden bisher nicht eingesetzt.In the field of heat exchange technology to improve the heat transfer already a larger number of solutions for a reinforcement of heat transfer tubes known, such as ribs, fins and other types of leeward surfaces. It is a disadvantage that these modifications of the pipe periphery require additional and expensive operations for fastening these parts, such as welding, rolling or pressing. Flows that are easily introduced into a bundle of parallel oriented tubes and manage with a minimum number of attachment points have not previously been used.

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist eine Einrichtung in Form feststehender Einbauten zur Strömungsführung in Kombination mit Wärmeträgerrohren für Blasenschichtreaktoren, die konstruktiv einfach und fertjgungsgünstig herzustellen ist, wobei vertikal und horizontal miteinander kommunizierende Reaktionszonen entstehen, der Strömungs- und Reaktionsvorgang dabei vorzugsweise einem Propfenströmungsverhalten bzw. dem Verhalten eines angenähert idealen Integralreaktor entspricht.The aim of the invention is a device in the form of fixed internals for flow guidance in combination with heat transfer tubes for bubble layer reactors, which is structurally simple and fertjgungsgünstig to produce vertically and horizontally communicating with each other reaction zones, the flow and reaction process preferably a plug flow behavior or the behavior of a corresponds approximately to ideal integral reactor.

Object of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, vertikal in den Rektor eingebrachtes Wärmerohr so durch streifenartige Packungselemente miteinander zu verbinden, daß für die Rohre eine vorteilhafte Beflossung für die Wärmeführung, für die Strömungsführung hingegen günstige, schräg zur Rektorhauptausdehnung gerichtete Freiräume für die Vermischung entstehen.The invention has for its object to vertically introduced into the reactor heat pipe so by strip-like packing elements to connect with each other, that for the pipes advantageous Beflossung for heat management, for the flow, however, favorable, obliquely directed to the main rector expansion open spaces for mixing arise.

Merkmale der Erfindung ·Features of the invention

Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß Beflossungsstränge aus Flachmaterialstreifen durch Schneiden und Biegen hergestellt werden, ohne das praktisch Materialverluste auftreten. Zu diesem Zweck werden die Streifen lediglich in Querrichtung mit seitlichen Einschnitten versehen, die einander gegenüberliegend um eine halbe Längsausdehnung von zu bildenden Leitflächen versetzt sind. Die zickzackförmig durch die Enden der Einschnitte verlaufenden Biegekanten verbinden jeweils die Hälfte der benachbarten Leitflächen so, daß ein durchgehend zusammenhängender Beflossungstrang entsteht. Durch Biegen in alternierender Richtung zur ursprünglichen Streifenebene werden mit den Kanten, der Einschnitte Zwickel gebildet, die eine problemlose Halterung der aus jeweils drei Leitflächen erzeugten Elemente.zwischen jeweils drei benachbarten, innerhalb eines Dreiecksraster angeordneten Wärmeträgerrohren gestatten. Die Zwickelräume stehen mit den Wärmeträgerrohren in Punktberührung, eine formschlüssige Verbindung der Beflossungsstränge kann im Bedarfsfall auf einfache Weise hergestellt werden. Erfindungsgemäß vorteilhaft genügt anderenfalls ein bloßes Einschieben der Stränge zwischen jeweils drei Rohre. Die drei Leitflächen eines Elements sind so gegeneinander schräg angestellt, daß drei von der axialen und radialen Richtung abweichende Strömungsreaktoren ausgebildet werden. Bezogen auf ein Element sind diese jeweils in benachbarte Feiräume in dem aus parallelen Rohren gebildeten Dreiecksraster gerichtet, wobei die Teilströme anteilig drei gleichen Höhenabschnitten zugeordnet sind. Dadurch wird eine gleichmäßige räumliche Verflechtung von Teilströmen aus benachbarten Elementen erreicht. Nach Durchlaufen mehrerer, in axialer Richtung angeordneten Schichten von Beflossungssträngen, die je Schicht mindestens die Höhe eines Elements aufweisen, wird so ein angenähert ideales Pfropfenströmungsverhalten für alle Suspensionsanteile erreicht, wobei insbesondere bei größeren Reaktordurchmessern auch eine ausreichende radiale Durchmischung gewährleistet wird. Erfindungsgemäß ist es vorteilhaft, daß der Drehsinn der zu Schichten angeordneten Elemente sich von Schicht zu Schicht ändern kann.According to the invention this is achieved in that Beflossungsstränge are made of flat strips of material by cutting and bending, without the material losses occur practically. For this purpose, the strips are provided only in the transverse direction with lateral incisions which are offset from each other by half a longitudinal extent of guide surfaces to be formed. The zigzagging through the ends of the incisions extending bending edges connect each half of the adjacent guide surfaces so that a continuous contiguous Flossingstrang arises. By bending in an alternating direction to the original strip plane gussets are formed with the edges, the incisions, which allow easy mounting of the elements produced from three guide surfaces. Between each three adjacent, arranged within a triangular grid heat transfer tubes. The gusset spaces are in point contact with the heat transfer tubes, a positive connection of the fattening strands can be made in case of need in a simple manner. Otherwise, according to the invention, a mere insertion of the strands between each three tubes is sufficient. The three guide surfaces of an element are inclined relative to one another in such a way that three flow reactors deviating from the axial and radial directions are formed. With reference to an element, these are respectively directed into adjacent chambers in the triangular grid formed by parallel tubes, wherein the partial flows are proportionally assigned to three equal height sections. As a result, a uniform spatial entanglement of partial flows is achieved from adjacent elements. After passing through several, arranged in the axial direction layers of Beflossungssträngen having at least the height of an element per layer, so an approximately ideal plug flow behavior is achieved for all suspension proportions, in particular with larger reactor diameters, a sufficient radial mixing is ensured. According to the invention, it is advantageous that the direction of rotation of the elements arranged to layers can change from layer to layer.

Weiterhin ist es für die Einstellung einer radialen Gleichverteilung der Strömung von Vorteil, daß die Elemente einer Schicht gegenüber denjenigen der Nachbarschicht bei Einhaltung desgleichen Grundrasters gegeneinander verschoben sein können. Dadurch wird es möglich, daß ein Element aus einer Sicht sich unter- bzw. oberhalb eines Freiraumes der Nachbarschicht befinden kann. Damit wird die Ausbildung übereinanderliegenden zusammenhängender Freiräume vermieden, die zu unerwünschten örtlichen Kurzschlußströmungen führen können. Auch kann eine teilweise Besetzung des Dreiecksrasters mit Elementen vorgesehen werden, wenn eine großräumige Vermischung bereits den gewünschten Effekt erzielt.Furthermore, it is advantageous for the setting of a radial uniform distribution of the flow that the elements of one layer can be shifted relative to those of the neighboring layer while maintaining the same basic grid. This makes it possible that an element from a view below or above a free space of the neighboring layer can be located. Thus, the formation of superimposed contiguous spaces is avoided, which can lead to unwanted local short-circuit currents. Also, a partial occupation of the triangular grid can be provided with elements when a large-scale mixing already achieved the desired effect.

embodiment

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment. In the accompanying drawings show:

Fig. 1: Ansicht eines streifenförmigen Materialstranges in ungefaltetem Zustand,1: view of a strip-shaped material strand in the unfolded state,

Fig.2: Pseudoperspektivische Darstellung eines Beflossungsstranges nach Fig. 1,2 shows a pseudo-perspective view of a fattening strand according to FIG. 1, FIG.

Fig.3: Aufsicht auf einen Schnitt durch mehrere Beflossungsstränge nach Fig. 2,3 shows a plan view of a section through several Beflossungsstränge of FIG. 2,

Fig.4: Pseudoperspektivische Darstellung von zwei Reihen Beflossungssträngen. der Einrichtung.Fig. 4: Pseudo-perspective view of two rows of fusing strands. the device.

Ein streifenförmiger Materialstrang 1 (Fig. 1 mit in zwei parallel verlaufenden Schnittkanten) wird so mit Einschnitten 2 versehen, daß zwischen den inneren Schnittenden alternierend ihre Richtung ändernde Biegekanten 3 und 3' gebildet werden. Beim Biegen in alternierender Richtung gegen die Ebene des Stranges 1 entstehen jeweils drei Leitflächen 4;4' und 4", von denen jeweils zwei benachbarte, um die-Kanten 3 und 3'einen Winkel von 120° einschließen, und ein Element 5 bilden (Fig. 2). Dabei entstehen aus den zueinander verdrehten Kanten der Einschnitte 2 die Zwickel 6, die an jeweils drei, einem Dreiecksraster zugeordneten Wärmeträgerrohren 7 anliegen (Fig. 3). Die Leitflächen 4;4' und 4" schließen drei Strömungsreaktoren 8;8' und8" ein, deren Projektionen (auf drei übereinanderliegendne Horizontalebenen gemäß Fig.3) in drei dem Element 5 zugeordnete, benachbarte Freiräume 9;9' und 9" gerichtet sind. Fig.4 zeigt einen Ausschnitt der Einrichtung mit zwei Reihen von Elementen, die parallel zueinander liegen, wobei die Vektoren 8;8' und 8" auf jeweils'unterschiedlichen Ebenen in eine von drei Vorzugsrichtungen weisen.A strip-shaped material strand 1 (FIG. 1 with cutting edges running parallel in two) is provided with incisions 2 such that its direction-changing bending edges 3 and 3 'are alternately formed between the inner cut ends. When bending in an alternating direction against the plane of the strand 1, there are formed in each case three guide surfaces 4, 4 'and 4 ", of which two adjacent ones around the edges 3 and 3' enclose an angle of 120 °, and form an element 5 ( The gussets 6, which abut each other on three heat transfer tubes 7 assigned to a triangular grid, are formed from the mutually twisted edges of the notches 2. The guide surfaces 4, 4 'and 4 "close three flow reactors 8; 8 'and 8 ", whose projections (on three superimposed horizontal planes according to Figure 3) in three element 5 associated, adjacent free spaces 9, 9' and 9" are directed. 4 shows a section of the device with two rows of elements which are parallel to each other, wherein the vectors 8, 8 'and 8 "point at different levels in one of three preferred directions.

Die Wirkung der erfindungsgemäßen Einrichtung ist wie folgt: Die Beflossungsstränge werden parallel ihrer Längsachsen mit den zu verteilenden Fluiden (dem Gas und der Suspension) angeströmt. Sie treffen auf die Leitfäden 4;4'4" und werden je Element 5 aus der Hauptströmungsrichtung in Übereinstimmung mit den Richtungen der Vektoren 8;8';8" und dem Dreiecksraster schräg-vorwärtsweisend in die Freiräume 9;9';9" ausgelenkt. Durch die Kommunikation der Freiräume entsteht eine Quervermischung, die der axialen Hauptströmung überlagert ist.The effect of the device according to the invention is as follows: The flocks are flowed parallel to their longitudinal axes with the fluids to be distributed (the gas and the suspension). They impinge on the guides 4; 4'4 "and are deflected obliquely forwards into the free spaces 9, 9 ', 9" for each element 5 from the main flow direction in accordance with the directions of the vectors 8, 8', 8 "and the triangular grid The communication of the free spaces creates a cross-mixing that is superimposed on the main axial flow.

Claims

claims:

1. Floss of heat transfer tubes in equipment for the mass and heat exchange, in particular for the three-phase reaction in suspensions with fine and finely divided solid particles to carry out highly exo- or endothermic reactions, wherein the liquid phase with the solid continuously or periodically to and removed and by a Gas within a bladder bed in an axial preferred direction, characterized in that from a strand of material (1) with incisions (2) and bending edges (3; 3 ') at least one element (5) with three guide surfaces (4; 4'; ") is in three associated gussets (6) with three adjacent, arranged within a triangular grid heat transfer tubes (7) in point contact and each element (5) three of the axial and radial direction deviating flow vectors (8; 8 '; ") are present, each in three superimposed proportionate heights of the free spaces (9; 9 '; 9") outside de s between the tubes (7) and occupied with other elements (5) occupied space.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the of the guide surfaces (4, 4 ') and (4', 4 ") and the bending edges (3, 3 ') included angle is preferably 120 °.

3. Apparatus according to claim 1 and 2, characterized in that a plurality of periodically in a triangular grid and mutually similar oriented elements (5) with the free spaces (9; 9 '; 9 ") in the radial direction form a layer which is at least the height corresponds to an element (5).

4. Apparatus according to claim 3, characterized in that at least two arranged in the axial direction of different layers each have elements (5) which cause an equal or opposite sense of rotation of their associated vectors (8; 8 ', 8 ").

5. Apparatus according to claim 4, characterized in that at least two layers are rasterdeckend offset in a radial direction to each other nichtdeckungsgleich.

6. Apparatus according to claim 3 to 5, characterized in that the triangular grid is completely or partially occupied by elements (5).