RU2373471C2 - Процесс и реактор для проведения реакций теплообмена - Google Patents

Процесс и реактор для проведения реакций теплообмена Download PDF

Info

Publication number
RU2373471C2
RU2373471C2 RU2005116117/06A RU2005116117A RU2373471C2 RU 2373471 C2 RU2373471 C2 RU 2373471C2 RU 2005116117/06 A RU2005116117/06 A RU 2005116117/06A RU 2005116117 A RU2005116117 A RU 2005116117A RU 2373471 C2 RU2373471 C2 RU 2373471C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
heat transfer
pipe
double
reactor
heat exchange
Prior art date
Application number
RU2005116117/06A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2005116117A (ru
Inventor
Майкл БОУ (DK)
Майкл БОУ
Серен Гайд ТОМСЕН (DK)
Серен Гайд ТОМСЕН
Original Assignee
Хальдор Топсеэ А/С
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Хальдор Топсеэ А/С filed Critical Хальдор Топсеэ А/С
Publication of RU2005116117A publication Critical patent/RU2005116117A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2373471C2 publication Critical patent/RU2373471C2/ru

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/10—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged one within the other, e.g. concentrically
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J8/00—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
    • B01J8/02—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds
    • B01J8/0285—Heating or cooling the reactor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J8/00—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
    • B01J8/02—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds
    • B01J8/06—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds in tube reactors; the solid particles being arranged in tubes
    • B01J8/067—Heating or cooling the reactor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/02—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being helically coiled
    • F28D7/026—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being helically coiled the conduits of only one medium being helically coiled and formed by bent members, e.g. plates, the coils having a cylindrical configuration
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/10—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged one within the other, e.g. concentrically
    • F28D7/106—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged one within the other, e.g. concentrically consisting of two coaxial conduits or modules of two coaxial conduits
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2208/00—Processes carried out in the presence of solid particles; Reactors therefor
    • B01J2208/00008—Controlling the process
    • B01J2208/00017—Controlling the temperature
    • B01J2208/00106—Controlling the temperature by indirect heat exchange
    • B01J2208/00115—Controlling the temperature by indirect heat exchange with heat exchange elements inside the bed of solid particles
    • B01J2208/00132—Tubes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2208/00—Processes carried out in the presence of solid particles; Reactors therefor
    • B01J2208/00008—Controlling the process
    • B01J2208/00017—Controlling the temperature
    • B01J2208/00106—Controlling the temperature by indirect heat exchange
    • B01J2208/00168—Controlling the temperature by indirect heat exchange with heat exchange elements outside the bed of solid particles
    • B01J2208/00212—Plates; Jackets; Cylinders
    • B01J2208/0023—Plates; Jackets; Cylinders with some catalyst tubes being empty, e.g. dummy tubes or flow-adjusting rods
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2240/00—Spacing means

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Devices And Processes Conducted In The Presence Of Fluids And Solid Particles (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)

Abstract

Изобретение относится к технологии проведения физико-химических процессов, в частности к процессу и реактору для проведения реакции теплообмена. Процесс проведения реакции теплообмена, содержащий подачу потока реагента в слой каталитического материала, расположенного снаружи, по меньшей мере, одной трубы теплопередачи с двойными стенками в теплообменном реакторе, контакт потока реагента с каталитическим материалом при косвенном теплообмене со средой - теплоносителем, присутствующей в кольцевом объеме, по меньшей мере, одной трубы теплопередачи с двойными стенками, причем в кольцевом объеме установлен один или более элементов распорки, создающих спиральный путь потока среды - теплоносителя вокруг внутренней трубы теплопередачи, по меньшей мере, одной трубы теплопередачи с двойными стенками. Изобретение также содержит теплообменный реактор для проведения описанной выше реакции. Технический результат - улучшение теплопередачи при проведении реакции теплообмена. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 13 ил.

Description

Изобретение относится к технологии проведения физико-химических процессов, в частности к процессу и реактору для проведения реакции теплообмена.
Уровень техники
Для проведения реакций теплообмена можно использовать, например, реакторы с двойными трубами. Теплообменные реакторы с двойными трубами хорошо известны в области химии (см., например, ROEMPPS CHEMIE-LEXIKON, vol.6, 8 ed., 1988, стр.4567). Такие реакторы особенно удобны, когда требуется обеспечить косвенный теплообмен для передачи или отвода тепла в конкретную реакцию или из нее.
Устройство с двойными трубами в самой простой форме состоит из внутренней трубы, установленной внутри внешней трубы, в результате чего в пространстве между трубами образуется кольцевой объем. Правильное размещение внутренней трубы внутри внешней трубы является очень важным фактором для эффективного функционирования двойной трубы. Во многих случаях наилучшее выполнение функции достигается при установке внутренней трубы по центру внутри внешней трубы, но в других случаях более эффективно асимметричное размещение внутренней трубы. Во всех случаях используют распорки для обеспечения правильного расположения этих двух труб по отношению друг к другу. Функция распорок состоит в фиксации положения внутренней трубы в поперечном сечении по отношению к внешней трубе, при обеспечении свободы движения между трубами в продольном направлении.
Устройства с двойными трубами имеют несколько вариантов использования в химических реакторах. Один из таких вариантов использования состоит в применении реактора с двойными трубами, в котором текучая среда - теплоноситель протекает в кольцевом объеме двойной трубы теплопередачи, при этом такая текучая среда - теплоноситель предназначена для передачи тепла в химическую реакцию или для отбора тепла из химической реакции, проходящей снаружи внешней трубы и/или внутри внутренней трубы. Условия передачи тепла в текучую среду - теплоноситель или из текучей среды, протекающей в кольцевом объеме, часто являются неоднородными вдоль периметра внешней трубы теплопередачи или даже, в некоторых специальных случаях, вдоль внутренней трубы теплопередачи. Различные устройства теплопередачи, предназначенные для улучшения теплопередачи, в которых для передачи тепла используется текучая среда - теплоноситель, известны в данной области техники.
Реактор с двойными трубами содержит одну или больше двойных труб теплопередачи. Обычно катализатор располагают внутри внутренней трубы. Реактор с двойными трубами, однако, также можно использовать в конфигурациях, когда двойные трубы теплопередачи установлены в каталитическом слое. Внутри внутренней трубы может быть текучая среда, катализатор или пустота. Вместо внутренней трубы также можно использовать стержень. Каждая двойная труба, поэтому, в такой конфигурации окружена частицами катализатора, которые могут катализировать экзотермическую или эндотермическую реакцию.
В случае, когда экзотермическая химическая реакция происходит в каталитическом слое снаружи двойной трубы теплопередачи, выделяемое тепло приводит к внешнему нагреву внешней трубы теплопередачи.
Передача выделяемого тепла в текучую среду - теплоноситель, протекающую в кольцевом объеме, иногда может быть проблематичной из-за неоднородного нагрева внешней трубы теплопередачи, в результате чего только некоторые секции вокруг периметра внешней трубы подвергаются внешнему нагреву. Текучая среда - теплоноситель, протекающая в кольцевом объеме, имеет прямую структуру потока, и неоднородный нагрев внешней трубы теплопередачи приводит к более высоким температурам текучей среды - теплоносителя в некоторых секциях.
В случае, когда снаружи двойной трубы теплопередачи происходит эндотермическая химическая реакция, тепло, требуемое для проведения реакции, подают с помощью горячей текучей среды - теплоносителя, протекающей в кольцевом объеме. Когда двойную трубу теплопередачи используют вместе с другими двойными трубами теплопередачи, более высокие температуры наблюдают в областях, в которых невелико расстояние между соседними горячими двойными трубами. В случае, когда расстояние между двойными трубами теплопередачи больше, наблюдаются более низкие температуры. Такое неоднородное распределение температуры газа приводит к неоднородному нагреву частиц катализатора, и это оказывает отрицательное влияние на химические реакции, проходящие в реакторе. Неоднородное распределение температуры в каталитическом слое также приводит к неоднородному распределению температуры текучей среды - теплоносителя, когда текучая среда - теплоноситель, протекающая в кольцевом объеме, имеет прямую структуру потока.
Объектом настоящего изобретения является процесс теплового обмена с использованием среды - теплоносителя, имеющей спиральную структуру потока, для опосредованной передачи тепла в текучую среду или твердую среду или из нее.
Кроме того, объектом изобретения является также теплообменный реактор типа реактора с двойной трубой, предназначенный для использования в описанном выше процессе, с применением среды - теплоносителя для опосредованной передачи тепла в текучую среду или твердую среду, окружающую трубу, или из нее.
Сущность изобретения
Изобретение относится к теплообменному реактору типа реактора с двойными трубами, содержащими элементы распорок в кольцевом объеме двойных труб теплопередачи. Элементы распорок сформированы так, что они обеспечивают вращение среды - теплоносителя вокруг оси двойной трубы, по мере того, как она протекает через кольцевой объем. Полученная в результате структура потока принимает форму спирали или винтовую форму, что обеспечивает ряд преимуществ по сравнению с обычными реакторами с двойной трубой, в которых не происходит вращения, то есть, по сравнению с прямым потоком среды - теплоносителя, в кольцевом объеме.
Таким образом, изобретение относится к процессу проведения реакций теплообмена, включающему подачу потока реагента в слой каталитического материала, расположенного снаружи, по меньшей мере, одной трубы теплопередачи с двойными стенками в теплообменном реакторе, контакт потока реагента с каталитическим материалом при косвенном теплообмене со средой - теплоносителем, присутствующей в кольцевом объеме, по меньшей мере, одной трубы теплопередачи с двойными стенками, причем в кольцевом объеме установлен один или более элементов распорки, создающих спиральный путь потока среды - теплоносителя вокруг внутренней трубы теплопередачи, по меньшей мере, одной трубы теплопередачи с двойными стенками.
Изобретение также относится к теплообменному реактору, предназначенному для использования в описанном выше процессе теплообмена, содержащему, по меньшей мере, одну трубу теплопередачи с двойными стенками, установленную в слое каталитического материала, причем, по меньшей мере, одна труба теплопередачи с двойными стенками состоит из внутренней трубы теплопередачи, установленной внутри внешней трубы теплопередачи, в результате чего образуется кольцевой объем для потока среды - теплоносителя между внутренней поверхностью внешней трубы теплопередачи и внешней поверхностью внутренней трубы теплопередачи, причем кольцевой объем содержит один или больше элементов распорки, установленных вдоль длины двойной трубы теплопередачи, причем элементы распорки находятся в контакте или в состоянии, близком к контакту, как с внутренней, так и с внешней трубами теплопередачи, причем элементы распорки создают спиральный путь потока среды - теплоносителя вокруг внутренней трубы теплопередачи.
В случае, когда неоднородные условия передачи тепла в среду - теплоноситель или из нее, транспортируемую в кольцевом объеме двойных труб теплопередачи, существуют вдоль периметра внешней трубы, вращение структуры потока приводит к тому, что каждая часть текучей среды подвергается воздействию различных условий вдоль периметра трубы, благодаря чему снижаются или устраняются разности температуры текучей среды вокруг периметра в любом месте вдоль длины двойной трубы.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показана схема, изображающая четыре двойных трубы теплопередачи, расположенных в каталитическом материале.
На фигурах 2 и 2а показаны схемы, иллюстрирующие элементы распорок, установленные на внешней поверхности внутренней трубы.
На фиг.3 показана схема, иллюстрирующая элементы распорок, установленные на внутренней поверхности внешней трубы.
На фиг.4 показана схема, иллюстрирующая элементы распорок, удерживаемые силами сжатия между стенками кольцевого объема.
На фигурах 5 и 5а показаны схемы, иллюстрирующие элементы распорок, интегрированные во внутренней трубе.
На фигурах 6 и 6а показаны схемы, иллюстрирующие элементы распорок, интегрированные во внешней трубе.
На фиг.7 показана схема, изображающая поворот элемента распорки по отношению к оси трубы.
На фиг.8 показан вид в плане развернутой внутренней трубы, интегрированной с элементами распорки.
На фиг.9 показано сечение вдоль линии А-А, обозначенной на фиг.8.
На фиг.10 показан вид в плане развернутой внутренней трубы теплопередачи с элементом распорки, который продолжается вдоль длины внутренней трубы и выполняет три полных оборота вокруг двойной трубы.
Подробное описание изобретения
Процесс и реактор, в соответствии с изобретением, используют, когда требуется опосредованно передавать тепло в среду - теплоноситель или из нее, протекающую внутри кольцевого объема, по меньшей мере, одной двойной трубы теплопередачи, во внешний слой каталитического материала. Реактор, в соответствии с изобретением, является в особенности предпочтительным и обеспечивает улучшенную теплопередачу в случае, когда в реакторе используют несколько двойных труб теплопередачи.
Дополнительный каталитический материал может быть размещен внутри внутренних труб, если это необходимо.
Для иллюстрации проблемы, связанной с теплопередачей в обычном реакторе с двойными трубами теплопередачи, установленными в каталитическом слое, рассмотрим фиг.1.
На фиг.1 показана принципиальная схема, изображающая четыре двойных трубы теплопередачи, расположенных в каталитическом материале, который катализирует эндотермическую химическую реакцию. Среда-теплоноситель обычно представляет собой горячий газ, поэтому она передает тепло в реакцию, происходящую снаружи двойных труб теплопередачи в каталитическом слое. Стрелки 1 и 2 указывают направление переноса тепла в различных позициях из среды - теплоносителя, находящейся в кольцевом объеме двойных труб теплопередачи, в каталитический материал, расположенный снаружи труб. При обычном не циркулирующем прямом потоке среды - теплоносителя через кольцевой объем двойных труб теплопередачи большая часть тепла переносится через стенку внешней трубы в направлении, где расположено большее количество каталитического материала.
Направление высокой передачи тепла обозначено стрелкой 1. Следовательно, в это может привести к более низкой температуре среды-теплоносителя в кольцевом объеме в этих позициях, в то время как температура среды - теплоносителя будет более высокой в положениях наименьшего расстояния между соседними двойными трубами теплопередачи, как показано стрелкой 2, обозначающей направление низкой передачи тепла.
Повышенное падение температуры среды - теплоносителя при протекании ее через кольцевой объем в направлениях, где требуется большая передача тепла, в свою очередь, может уменьшить передачу тепла в этих направлениях. Результатом будет увеличение неравномерного распределения температуры в потоке среды-теплоносителя по окружности при заданном поперечном сечении и неравномерное распределение температуры катализатора снаружи двойных труб теплопередачи, то есть будет получена высокая температура катализатора, в местах, где трубы расположены близко друг к другу, и низкая температура катализатора, в местах, где ближайшая труба расположена на большем расстоянии.
Что касается экзотермических химических реакций, стрелками 1 и 2 на фиг.1 указаны направления теплопередачи, противоположные направлению теплопередачи при эндотермических реакциях. В этом случае более высокие температуры среды - теплоносителя можно наблюдать в направлении 1, и более низкие температуры в направлении 2.
При обоих типах реакции неравное распределение температуры является нежелательным, поскольку оно приводит к снижению эффективности теплопередачи и использования катализатора, в результате чего возникает необходимость построения более длинного реактора с большей поверхностью теплопередачи и с большим количеством катализатора.
Изобретение решает проблему, связанную с прямым потоком среды теплопередачи в кольцевом объеме двойных труб теплопередачи. Для исключения дополнительных затрат, связанных с необходимостью использовании большого реактора, в кольцевом объеме установлены элементы распорок, и благодаря их наличию обеспечивается вращение потока среды теплопередачи в кольцевом объеме. Это вращение приводит к тому, что среда - теплоноситель подвергается воздействию одинаковых условий по всему объему, поскольку среда - теплоноситель протекает через области, в которых чередуется низкая и высокая передача тепла. Обеспечиваемая в результате повышенная однородность температуры для данного поперечного сечения реактора позволяет уменьшить требуемые размеры реактора и, кроме того, снижает механические напряжения и/или упругие или пластические деформации, связанные с различной степенью теплового расширения.
В теплообменном реакторе, в соответствии с изобретением, различные текучие среды или твердые среды могут занимать объем снаружи внешней трубы. Если требуется, в канале, сформированном внутри внутренней поверхности внутренней трубы, также может протекать текучая среда, или он может быть заполнен твердой средой, такой как каталитический материал. В качестве альтернативы можно использовать монолитную трубу или пустую трубу. Твердая и текучая среды могут иметь разные составы, температуру, давление и скорость потока. Кроме того, различные объемы могут быть частично заполнены катализатором, и в них могут проходить химические реакции. Стенки трубы, разделяющие среду, позволяют обеспечить теплопередачу из одной среды в другую.
Кольцевой объем содержит текучую среду - теплоноситель. Однако некоторое количество каталитического материала может дополнительно присутствовать в нем так, что он влияет на спиральный поток среды - теплоносителя. Каталитический материал может, например, использоваться в форме оборудования, на которое нанесен катализатор или в виде гранул катализатора.
Двойная труба теплопередачи состоит из внутренней трубы, расположенной внутри внешней трубы таким образом, что образуется кольцевой объем в пространстве между трубами. Внутренняя труба состоит из стенки, имеющей внутреннюю и внешнюю поверхность. Внешняя поверхность стенки внутренней трубы образует кольцевой объем. Внешняя труба также состоит из стенки, имеющей внутреннюю и внешнюю поверхность. Внешняя поверхность стенки внешней трубы находится в контакте с каталитическим слоем, в то время как внутренняя поверхность стенки внешней трубы также образует кольцевой объем.
Элементы распорки могут быть установлены на внешней поверхности внутренней трубы либо на внутренней поверхности внешней трубы. Это показано в варианте выполнения на фиг.2, где элемент распорки установлен на внешней поверхности внутренней трубы. Вариант выполнения, показанный на фиг.2а, представляет вид в поперечном сечении по плоскости, обозначенной линией d-d на фиг.2. В варианте выполнения, показанном на фиг.3, элемент распорки установлен на внутренней поверхности внешней трубы.
Элементы распорки в вариантах выполнения 2 и 3 сформированы отдельно от труб и прикреплены к поверхности трубы с помощью сварки. Крепление элементов распорки, кроме того, может быть выполнено с использованием пайки твердым припоем, приклеивания, резьбовых соединений, шпилек, заклепок и других известных способов крепления. Их поперечное сечение может иметь любую форму, например квадратную, прямоугольную, круглую, треугольную или даже переменную форму, при условии, что она обеспечивают крепление к поверхности трубы. Форма продольного поперечного сечения также может быть произвольной.
Вместо установки на одной из поверхностей трубы элементы распорки могут удерживаться на месте силами сжатия или силами трения, прикладываемыми к стенкам внутренней и внешней труб. Это показано на фиг.4.
Элементы распорки также могут быть интегрированы в одну или обе стенки трубы, в случае, если одна или обе трубы сформированы так, что внутренняя труба точно устанавливается внутри внешней трубы. На фиг.5 показан вид в продольном разрезе элемента распорки, в котором внешняя труба была открыта для показа элемента распорки, интегрированного с внутренней трубой. На фиг.5а показан вид в поперечном сечении через обе трубы по линии b-b, обозначенной на фиг.5.
На фиг.6 и 6а аналогично, соответственно, представлена продольный разрез элемента распорки, интегрированного с внешней трубой, и поперечное сечение через обе трубы по линии с-с.
Контакт между внутренней и внешней трубой, когда обеспечивается точная подгонка, может быть выполнен в форме точечных контактов, линейного контакта или больших поверхностей контакта.
Элементы распорки могут иметь любую форму. Однако предпочтительный вариант выполнения показан на фиг.7. Элемент распорки имеет начальную точку 1 и конечную точку 3 вдоль оси 2 трубы, соответствующей первой и последней точкам, соответственно, распорки, установленной вдоль оси трубы. Конечная точка 3 повернута относительно оси трубы по отношению к фиксированной исходной точке. Угол θ распорки представляет собой угол между продольным направлением и элементом распорки. Линия от начальной точки 1 распорки до конечной точки 3 распорки, показанная на поверхности цилиндра, имеет угол θ по отношению к продольному направлению трубы. Это создает спиральный путь потока среды - теплоносителя. От начальной точки 1 до конечной точки 3 элементы распорки могут быть, например, выполнены прямыми, изогнутыми, могут иметь s-образную форму или могут иметь форму с множеством изгибов, с переменной или фиксированной формой поперечного сечения, как указано выше.
Малое значение угла θ приводит к незначительному повороту кольцевого потока, и большое значение угла θ приводит к существенному повороту внутри кольца. Угол θ должен быть больше 0° и меньше 90°. Наиболее подходящий диапазон угла θ, однако, составляет 5°-60°.
Для сравнения, величина угла θ равна 0° для обычных распорок, и следовательно, они не создают спиральный путь потока.
На фиг.8 показан вид в плане развернутой внутренней трубы, интегрированной с элементами распорки, которые интегрированы с внутренней трубой, как представлено на фиг.5 и 5а. Внешняя труба не показана. В сечении по линии а-а показан вид в поперечном сечении элемента распорки. На фиг.6 показаны два уровня элементов распорок, разделенные интервалом b, причем каждая распорка имеет длину в продольном направлении с. Каждый уровень имеет две распорки, которые равномерно распределены по окружности трубы. Поворот структуры распорок при переходе с одного уровня на другой указывает на то, что элементы распорки на одном уровне могут быть сдвинуты на некоторое количество градусов по отношению к элементам распорки на предыдущем уровне, в данном случае на 90°, по окружности трубы. Также показана окружность е внутренней трубы.
На фиг.9 показан сечение а-а элемента распорки, представленного на фиг.8. Элемент f распорки имеет высоту d в радиальном направлении. Поперечное сечение показано вместе с развернутой внешней трубой g.
На фиг.10 показан другой предпочтительный вариант выполнения, содержащий длинный элемент распорки, представленный на развернутой внутренней трубе. Длинная распорка выполняет три полных оборота вокруг оси двойной трубы. В качестве альтернативы она может продолжаться непрерывно вдоль всей длины внутренней трубы. Элементы распорки аналогичны представленным в вариантах выполнения, показанным на фиг.2 и 3, и они сформированы отдельно от труб и прикреплены к поверхности трубы с помощью, например, сварки или с использованием другого способа, как указано выше. Их форма в поперечном сечении может быть любой, например, квадратной, прямоугольной, круглой или треугольной, при условии, что она обеспечивает возможность крепления на поверхности трубы. Форма продольного поперечного сечения также может быть произвольной. Угол θ распорки измеряют между продольным направлением и направлением элемента распорки, и он составляет величину больше 0° и меньше 90°. Длина 4 распорки представляет собой расстояние от исходной точки 3 до конечной точки 1 вдоль продольной оси 2.
В следующем варианте выполнения изобретения частицы катализатора расположены в канале, сформированном внутри внутренней поверхности внутренней трубы. Каталитический материал, таким образом, присутствует снаружи внешней трубы и внутри внутренней трубы.
Все варианты выполнения, описанные выше, имеют преимущество, состоящее в том, что они создают спиральный путь потока для среды - теплоносителя.
Каталитический паровой реформинг углеводородного сырья представляет собой процесс, в котором углеводородное сырье (обычно метан) реагирует с паром, в результате чего образуется синтез-газ, обогащенный водородом и монооксидом углерода, в соответствии со следующей эндотермической реакцией:
СН4+Н2О⇔3Н2+СО
Реакция реформинга является равновесной реакцией, и поток продукт содержит в основном водород и монооксид углерода и небольшое количество диоксида углерода, метана и пара. В состоянии равновесия используются температуры 500-1000°С и давления 0,1-4 МПа.
Подходящим теплообменным реактором, применимым для вышеуказанной реакции, является реформер, обогреваемый газом. Средой-теплоносителем в этом случае может быть газ, подвергнутый реформингу, и он может обеспечивать тепло для реакции реформинга, происходящей в слое катализатора.
Пример
Используют двухтрубный реформер, обогреваемый газом, с двойными трубами теплообмена, помещенными в слой катализатора, как показано на фиг.1. Каналы во внутренних трубах двойных труб теплообмена также содержат частицы катализатора. Элементы распорок интегрированы во внутренние трубы как показано на фиг.5, 8 и 9.
Поток реагента - смесь метана и пара - при температуре 360°С вводят в реформер, где во время каталитического контакта газ реагирует со смесью водорода, СО, СО2, метана и пара при температуре 880°С внутри внутренних труб и снаружи внешних труб. Значительное количество тепла, необходимое как для эндотермической реакции, так и для нагрева газов-реагентов, получают из среды-теплоносителя, состоящей из горячего газового потока газа, подвергнутого реформингу, при 1000°С, присутствующего в кольцевом объеме реформера. Этот горячий газ передает тепло в газ, подвергаемый паровому реформингу в присутствии катализатора, и выходит из кольцевого объема с температурой 650°.
Данные, относящиеся к размерам, приведенные ниже, относятся к фиг.8 и 9:
Количество двойных труб теплопередачи: 61
Длина трубы теплопередачи: 11000 мм
Количество уровней распорок: 14
Спиральных распорок на каждом уровне: 2
Распределение распорок на каждом уровне: 180 градусов,
  друг от друга (равномерное)
Поворот структуры распорок от одного  
до следующего уровня: 90 градусов
Расстояние между уровнями распорок (В): 775 мм
Длина распорки (С): 187 мм
Высота распорки (D): 8 мм
Угол (θ) распорки: 13,2 градуса
Результаты показали, что количество спиральных оборотов вокруг оси в двойной трубе, выполняемых кольцевым потоком газа при протекании через всю длину двойной трубы, составляло шесть витков. Увеличение падения давления, вызванное распорками, составило 70%, что было приемлемо.

Claims (10)

1. Процесс для проведения реакций теплообмена, включающий подачу потока реагента в слой каталитического материала, расположенного снаружи, по меньшей мере, одной трубы теплопередачи с двойными стенками в теплообменном реакторе, контакт потока реагента с каталитическим материалом при косвенном теплообмене со средой-теплоносителем, присутствующей в кольцевом объеме, по меньшей мере, одной трубы теплопередачи с двойными стенками, причем кольцевой объем содержит один или более элементов распорки, создающих спиральный путь потока среды-теплоносителя вокруг внутренней трубы теплопередачи, по меньшей мере, одной трубы теплопередачи с двойными стенками.
2. Процесс по п.1, в котором реакция теплообмена представляет собой реакцию парового реформинга.
3. Теплообменный реактор, предназначенный для использования в процессе по п.1, содержащий, по меньшей мере, одну трубу теплопередачи с двойными стенками, расположенную в слое каталитического материала, причем, по меньшей мере, одна труба теплопередачи с двойными стенками состоит из внутренней трубы теплопередачи, установленной внутри внешней трубы теплопередачи, в результате чего образуется кольцевой объем для потока среды-теплоносителя между внутренней поверхностью внешней трубы теплопередачи и внешней поверхностью внутренней трубы теплопередачи, причем кольцевой объем содержит один или больше элементов распорки вдоль длины двойной трубы теплопередачи, и элементы распорки находятся в контакте или в состоянии, близком к контакту, как с внутренней, так и с внешней трубами теплопередачи, причем элементы распорки создают спиральный путь потока среды-теплоносителя вокруг внутренней трубы теплопередачи.
4. Реактор по п.3, в котором один или больше элементов распорки имеет конечную точку, которая повернута по отношению к оси трубы, при фиксированной начальной точке.
5. Реактор по п.4, в котором конечная точка одного или больше элементов распорки повернута на угол, больший 0° и меньший 90° по отношению к оси трубы.
6. Реактор по п.3, в котором один или больше элементов распорки закреплен на внутренней трубе или сформирован интегрально с ней.
7. Реактор по п.3. в котором один или больше элементов распорки закреплен на внешней трубе или сформирован интегрально с ней.
8. Реактор по п.3, в котором кольцевой объем содержит каталитический материал.
9. Реактор по п.3, в котором внутренняя труба теплопередачи содержит каталитический материал.
10. Реактор по любому из пп.3-9, в котором теплообменный реактор представляет собой реактор парового реформинга.
RU2005116117/06A 2004-05-29 2005-05-27 Процесс и реактор для проведения реакций теплообмена RU2373471C2 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DKPA200400855 2004-05-29
DKPA200400855 2004-05-29

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2005116117A RU2005116117A (ru) 2006-12-10
RU2373471C2 true RU2373471C2 (ru) 2009-11-20

Family

ID=34936231

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2005116117/06A RU2373471C2 (ru) 2004-05-29 2005-05-27 Процесс и реактор для проведения реакций теплообмена

Country Status (9)

Country Link
US (1) US7780926B2 (ru)
EP (1) EP1600209A1 (ru)
JP (1) JP2005334878A (ru)
KR (1) KR101175991B1 (ru)
CN (1) CN100557363C (ru)
CA (1) CA2508505C (ru)
MX (1) MXPA05005540A (ru)
RU (1) RU2373471C2 (ru)
ZA (1) ZA200504343B (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2599889C2 (ru) * 2011-01-31 2016-10-20 Хальдор Топсеэ А/С Теплообменник с u-образными трубками, способ теплообмена между теплоносителем и хладагентом и применение теплообменника с u-образными трубками

Families Citing this family (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1807190B1 (en) * 2004-10-26 2013-05-15 Haldor Topsoe A/S Reactor and process for carrying out endothermic or exothermic catalytic reactions
JP2008537507A (ja) * 2005-03-17 2008-09-18 サソール テクノロジー（プロプライエタリー）リミテッド 気体反応物からの液体生成物および任意に気体生成物の生成
AT503954B1 (de) * 2007-01-25 2008-02-15 Josef Schaider Privatstiftung Rohrwärmetauscher
CN101130551B (zh) * 2007-09-05 2010-10-13 青岛科技大学 有机硅单体流化床反应器的导热油分布器及其制造方法
JP2011002159A (ja) * 2009-06-18 2011-01-06 Sumitomo Heavy Ind Ltd 熱交換器
CA2774566C (en) * 2011-04-22 2014-08-05 Air Products And Chemicals, Inc. Tubular reactor with jet impingement heat transfer
JP5649066B2 (ja) * 2011-06-17 2015-01-07 独立行政法人産業技術総合研究所 高温高圧流体混合装置
CN102962011B (zh) * 2012-11-20 2015-08-05 迈瑞尔实验设备（上海）有限公司 一种高效热交换反应器
US10076751B2 (en) 2013-12-30 2018-09-18 General Electric Company Systems and methods for reagent storage
US9399216B2 (en) 2013-12-30 2016-07-26 General Electric Company Fluid transport in microfluidic applications with sensors for detecting fluid presence and pressure
CN116717907A (zh) 2014-08-20 2023-09-08 雀巢产品有限公司 连续流式水加热组件及生产方法
CN104226207B (zh) * 2014-08-28 2016-02-24 沈阳化工大学 双侧冷却同心套管式磺化反应器
US9958211B2 (en) 2015-03-12 2018-05-01 Bayotech, Inc. Nested-flow heat exchangers and chemical reactors
CN108067164B (zh) * 2016-11-17 2020-12-08 中国石油化工股份有限公司 一种加氢反应器及加氢工艺
US10782075B2 (en) * 2017-07-06 2020-09-22 Technip Process Technology, Inc. Catalyst heat removal cluster and tube design
FI130359B (fi) * 2018-05-21 2023-07-20 Valmet Technologies Oy Leijupetikattilaksi soveltuva koaksiaalinen lämmönsiirtoputki ja menetelmä sen valmistamiseksi
US11478768B2 (en) * 2019-05-03 2022-10-25 Chevron Phillips Chemical Company Lp Reactor jacket design
CN110425777B (zh) * 2019-08-30 2023-12-19 中国科学院理化技术研究所 一种冷库排管蒸发器及冷库局部控温方法
CN111584102A (zh) * 2020-05-28 2020-08-25 中国原子能科学研究院 一种反应堆换热装置
CN113188344B (zh) * 2021-05-25 2022-08-05 江苏新恒基特种装备股份有限公司 一种带半“half”环管式折流引流结构的增材制造换热器
CN114471439A (zh) * 2022-02-28 2022-05-13 茂名重力石化装备股份公司 一种具有静配合夹套的串管反应器

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB826681A (en) * 1956-07-02 1960-01-20 Waagner Biro Ag Improvements in heat exchangers
US3730229A (en) * 1971-03-11 1973-05-01 Turbotec Inc Tubing unit with helically corrugated tube and method for making same
DE2123650B2 (de) * 1971-05-14 1976-01-29 Combinatul Chimic Fagaras, Fagaras (Rumänien) Reaktor fuer exotherme katalytische verfahren
US4455154A (en) 1982-04-16 1984-06-19 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Heat exchanger for coal gasification process
US4661323A (en) * 1985-04-08 1987-04-28 Olesen Ole L Radiating sleeve for catalytic reaction apparatus
US4847051A (en) 1988-03-21 1989-07-11 International Fuel Cells Corporation Reformer tube heat transfer device
DE69003404T3 (de) * 1989-02-10 1997-05-15 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Mehrrohrtypwärmetauscher.
DE4010151A1 (de) 1989-03-31 1990-10-04 Hubert Vogt Ringspaltwaermetauscher
US6096106A (en) * 1990-04-03 2000-08-01 The Standard Oil Company Endothermic reaction apparatus
JPH107402A (ja) * 1996-06-25 1998-01-13 Toshiba Corp 燃料電池の反応器
DE19926201C2 (de) * 1999-06-09 2001-06-28 Tech Uni Muenchen Lehrstuhl Fu Wirbelschichtreaktor
JP2002318015A (ja) 2001-04-17 2002-10-31 Orion Mach Co Ltd 冷凍装置
US20030223926A1 (en) * 2002-04-14 2003-12-04 Edlund David J. Steam reforming fuel processor, burner assembly, and methods of operating the same

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2599889C2 (ru) * 2011-01-31 2016-10-20 Хальдор Топсеэ А/С Теплообменник с u-образными трубками, способ теплообмена между теплоносителем и хладагентом и применение теплообменника с u-образными трубками

Also Published As

Publication number Publication date
US20050265908A1 (en) 2005-12-01
CA2508505C (en) 2012-07-24
EP1600209A1 (en) 2005-11-30
KR20060048125A (ko) 2006-05-18
CN1702419A (zh) 2005-11-30
US7780926B2 (en) 2010-08-24
RU2005116117A (ru) 2006-12-10
JP2005334878A (ja) 2005-12-08
KR101175991B1 (ko) 2012-08-23
ZA200504343B (en) 2006-04-26
CN100557363C (zh) 2009-11-04
MXPA05005540A (es) 2005-12-01
CA2508505A1 (en) 2005-11-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2373471C2 (ru) Процесс и реактор для проведения реакций теплообмена
US4985230A (en) Method of carrying out heterogeneous catalytic chemical processes
JP4477432B2 (ja) 改質器
CA2078825C (en) Process and reactor for carrying out non-adiabatic catalytic reactions
RU148799U1 (ru) Теплообменный реактор
CN102458638A (zh) 多级多管壳管式反应器
JP2006010309A (ja) 熱交換法および熱交換器
CN111111567B (zh) 一种列管式固定床反应器
WO2006117572A1 (en) Apparatus and process for steam reforming of hydrocarbons
JP2001009264A (ja) 熱交換器様式反応器
JP2012521960A (ja) 受動熱流束制御要素を伴う蒸気改質器
AU2003230236B2 (en) Reaction apparatus with a heat-exchanger
US20030180201A1 (en) Heat transfer enhancing inserts for tubular catalyst bed reactors
KR20070086049A (ko) 촉매 변환 반응을 위한 반응기
KR101252493B1 (ko) 흡열 또는 발열 촉매 반응을 수행하기 위한 반응기 및 방법
US10525428B2 (en) Boiling water reactor
RU2283173C2 (ru) Реактор для проведения неадиабатического процесса
CN101279224B (zh) 多相移热绝热管壳式反应器
JPS6042292Y2 (ja) 熱交換器
Astanovsky et al. Reactor for steam catalytic hydrocarbon conversion and catalytic CO conversion in hydrogen production
DK201600257A1 (en) Cooling Medium Reactor
Astanovskii et al. Reactor for catalytic processes under optimal temperature conditions
JPS61225580A (ja) 加熱器
JPS6327972B2 (ru)

Legal Events

Date Code Title Description
TZ4A Amendments of patent specification