RU88287U1

RU88287U1 - SHELL-TUBE REACTOR

Info

Publication number: RU88287U1
Application number: RU2009123073/22U
Authority: RU
Inventors: Александр Борисович Голованчиков; Наталия Александровна Дулькина; Юлия Валерьевна Аристова; Светлана Борисовна Воротнева; Екатерина Анатольевна Селезнева; Александр Борисович Харченко
Priority date: 2009-06-16
Filing date: 2009-06-16
Publication date: 2009-11-10

Abstract

Кожухотрубный реактор для проведения экзотермических и эндотермических реакций, содержащий корпус, трубные решетки, пучки труб, внутри которых размещен катализатор, технологические патрубки для входа и выхода реакционной массы и теплоносителя и распределительные устройства, выполненные в виде трубок с крышками, установленные внутри каждой трубы у нижнего ее торца, отличающийся тем, что крышки герметично прикреплены к распределительным трубкам, а внутри каждой распределительной трубки осесимметрично установлена дополнительная трубка для подачи к нижней части трубы теплоносителя, при этом отношение диаметров дополнительной трубки и распределительной трубки составляет d/D=0,65÷0,75, где d - диаметр дополнительной трубки; D - диаметр распределительной трубки.A shell-and-tube reactor for conducting exothermic and endothermic reactions, comprising a casing, tube sheets, tube bundles inside which the catalyst is placed, process pipes for the inlet and outlet of the reaction mass and coolant, and switchgears made in the form of tubes with caps installed inside each pipe at the bottom its end, characterized in that the covers are hermetically attached to the distribution tubes, and inside each distribution tube an additional tube is axisymmetrically mounted and for feeding to the bottom of the coolant pipe, the ratio of the diameters of the additional tube and the distribution tube is d / D = 0.65 ÷ 0.75, where d is the diameter of the additional tube; D is the diameter of the distribution tube.

Description

Техническое решение относится к реакторам для проведения неизотермических каталитических реакций и может найти применение в химической и нефтехимической промышленности.The technical solution relates to reactors for conducting nonisothermal catalytic reactions and can find application in the chemical and petrochemical industries.

Известен кожухотрубный каталитический реактор, содержащий корпус с верхней и нижней крышками и патрубками для входа и выхода реакционной массы и теплоносителя, трубные решетки с пучком труб, внутри которых размещен катализатор (патент РФ №1810096, В01J 8/08, 1997 г.).Known shell-and-tube catalytic reactor containing a housing with upper and lower covers and nozzles for the inlet and outlet of the reaction mass and coolant, tube sheets with a tube bundle inside which the catalyst is placed (RF patent No. 1810096, B01J 8/08, 1997).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится крайне неравномерное распределение температуры по длине труб, что приводит к снижению степени конверсии во времени и ухудшению качества продуктов реакции.The reasons that impede the achievement of a given technical result include an extremely uneven temperature distribution along the length of the pipes, which leads to a decrease in the degree of conversion over time and a deterioration in the quality of the reaction products.

Известен реактор с трубным пучком для проведения каталитических неизотермических реакций в газовой фазе, который состоит из корпуса и трубного пучка, закрепленного в трубных решетках. Реакционная масса движется по трубам, заполненных катализатором. Теплоноситель движется в межтрубном пространстве. Для равномерного распределения теплоносителя по всему поперечному сечению межтрубного пространства в нем установлены распределительные устройства, представляющие собой пластины с проходным сечением, изменяющимся в радиальном направлении (патент ФРГ №2903582, В01J 8/02, 1980).Known reactor with a tube bundle for carrying out catalytic nonisothermal reactions in the gas phase, which consists of a housing and a tube bundle, mounted in tube sheets. The reaction mass moves through pipes filled with catalyst. The coolant moves in the annulus. For uniform distribution of the coolant throughout the entire cross-section of the annular space there are installed switchgears in it, which are plates with a bore cross-section that changes in the radial direction (German patent No. 2903582, B01J 8/02, 1980).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится невозможность регулирования теплопереноса от реакционной массы к стенкам труб, что приводит к ухудшению количества продуктов реакции за счет большего изменения температуры по длине реактора и радиусу труб в трубном пучке, особенно на входе в трубы.The reasons that impede the achievement of a given technical result include the impossibility of regulating heat transfer from the reaction mass to the pipe walls, which leads to a deterioration in the number of reaction products due to a larger change in temperature along the length of the reactor and the radius of the pipes in the tube bundle, especially at the pipe inlet.

Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявленной конструкции и принятым за прототип является кожухотрубный реактор для проведения экзотермических и эндотермических реакций, содержащий корпус, трубные решетки, пучки труб, внутри которых размещен катализатор, технические патрубки для входа и выхода реакционной массы и теплоносителя и распределительные устройства в виде трубок с крышками, установленные внутри каждой трубы у нижнего ее торца, причем распределительные трубки снабжены регулируемыми крышками, расположенными под щелевыми прорезями (авт.св. СССР №1134230, B01J 8/00, 1985 г.).The closest technical solution for the totality of features to the claimed design and adopted as a prototype is a shell-and-tube reactor for conducting exothermic and endothermic reactions, containing a housing, tube sheets, tube bundles inside which the catalyst is placed, technical pipes for the inlet and outlet of the reaction mass and coolant and distribution devices in the form of tubes with caps installed inside each pipe at its lower end, and the distribution tubes are provided with adjustable covers, aspolozhennymi under the slotted holes (SU, USSR №1134230, B01J 8/00, 1985).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится невозможность регулирования теплопереноса от реакционной массы к теплоносителю в процессе изменения катализатора каталитических свойств, что снижает степень конверсии во времени и уменьшает качество продуктов реакции.The reasons that impede the achievement of a given technical result include the impossibility of regulating heat transfer from the reaction mass to the coolant in the process of changing the catalyst of catalytic properties, which reduces the degree of conversion over time and reduces the quality of the reaction products.

Техническим результатам предложенной конструкции кожухотрубного реактора является повышение степени конверсии и увеличение качества продуктов реакции за счет регулирования теплопереноса в распределительных устройствах.The technical results of the proposed shell-and-tube reactor design are an increase in the degree of conversion and an increase in the quality of the reaction products by regulating the heat transfer in the distribution devices.

Поставленный технический результат достигается тем, что в кожухотрубном реакторе для проведения экзотермических и эндотермических реакций, содержащем корпус, трубные решетки, пучки труб, внутри которых размещен катализатор, технологические патрубки для входа и выхода реакционной массы и теплоносителя и распределительные устройства в виде трубок с крышками, установленные внутри каждой трубы у нижнего торца, при этом крышки герметично прикреплены к распределительным трубкам, а внутри каждой распределительной трубки осесимметрично установлена дополнительная трубка для подачи теплоносителя, причем отношение диаметров дополнительной трубки и распределительной трубки с крышкой составляетThe technical result is achieved by the fact that in a shell-and-tube reactor for conducting exothermic and endothermic reactions, comprising a housing, tube sheets, tube bundles inside which the catalyst is placed, process pipes for the inlet and outlet of the reaction mass and coolant and distribution devices in the form of tubes with caps, installed inside each pipe at the bottom end, while the caps are hermetically attached to the distribution tubes, and inside each distribution tube axisymmetrically anovlena additional tube for supplying the coolant, wherein the ratio of the diameters of the additional tube and wand with a lid is

где d - диаметр дополнительной трубки,where d is the diameter of the additional tube,

D - диаметр распределительной трубки.D is the diameter of the distribution tube.

Герметичное прикрепление крышек к каждой распределительной трубке предотвращает смешивание теплоносителя, движущегося в распределительных трубках, с реакционной массой, находящейся в трубах с катализатором, а значит увеличивает степень конверсии и качество продуктов реакции.The tight attachment of the caps to each distribution tube prevents mixing of the coolant moving in the distribution tubes with the reaction mass in the pipes with the catalyst, and therefore increases the degree of conversion and the quality of the reaction products.

Осесимметричная установка внутри каждой распределительной трубки дополнительной трубки для подачи теплоносителя к нижней части трубы позволяет для экзотермических реакций подавать в них хладагент, который отбирает тепло реакции от реакционной массы на ее входе в трубный пучок, где концентрации реагирующих компонентов, а значит, скорость реакции и тепловыделение наибольшие. То же касается эндотермических реакций, когда на входе в трубный пучок теплопоглощение наибольшее, и пар или горячий теплоноситель не позволяют снизиться температуре на входе в реактор, а значит, снизить степень конверсии и качество продуктов реакции.The axisymmetric installation inside each distribution tube of an additional tube for supplying coolant to the bottom of the pipe allows for exothermic reactions to supply refrigerant to them, which takes away the reaction heat from the reaction mass at its entrance to the tube bundle, where the concentration of the reacting components, and therefore the reaction rate and heat generation the largest. The same applies to endothermic reactions, when the heat absorption is greatest at the inlet to the tube bundle and the steam or hot heat carrier does not allow the temperature at the inlet of the reactor to decrease, which means that the degree of conversion and the quality of the reaction products are reduced.

Уменьшение диаметра дополнительной трубки ниже заявленного предела d/D<0,65 приводит к возрастанию гидросопротивления теплоносителя внутри дополнительной трубки и увеличению кольцевого сечения между распределительной трубкой и дополнительной трубкой. Последнее приводит к уменьшению скорости теплоносителя, движущегося в этом кольцевом сечении, и уменьшению теплопереноса от реакционной массы к хладагенту, что может привести к росту температуры реакционной массы в экзотермической реакции и термической деструкции катализатора. Для эндотермической реакции снижение скорости теплоносителя приводит к уменьшению теплопереноса от него к реакционной массе, снижению температуры и степени конверсии, а значит, качества продуктов реакции.A decrease in the diameter of the additional tube below the stated limit d / D <0.65 leads to an increase in the hydraulic resistance of the coolant inside the additional tube and an increase in the annular cross section between the distribution tube and the additional tube. The latter leads to a decrease in the velocity of the coolant moving in this annular section and to a decrease in heat transfer from the reaction mass to the refrigerant, which can lead to an increase in the temperature of the reaction mass in the exothermic reaction and thermal destruction of the catalyst. For an endothermic reaction, a decrease in the coolant velocity leads to a decrease in heat transfer from it to the reaction mass, a decrease in temperature and degree of conversion, and hence, the quality of the reaction products.

Увеличение диаметра дополнительной трубки выше заявленного предела d/D>0,75 приводит к уменьшению кольцевого сечения между распределительной трубкой и дополнительной трубкой, что увеличивает гидравлическое сопротивление и скорость теплоносителя. Для экзотермической реакции это приводит к увеличению теплопереноса от реакционной массы к хладагенту, чрезмерному понижению температуры реакционной массы, снижению степени конверсии и качества продуктов реакции. Для эндотермической реакции это может привести к увеличению переноса тепла от теплоносителя к реакционной массе, чрезмерному росту ее температуры, термической деструкции катализатора и в дальнейшем снижению степени конверсии и качества продуктов реакции.An increase in the diameter of the additional tube above the stated limit d / D> 0.75 leads to a decrease in the annular section between the distribution tube and the additional tube, which increases the hydraulic resistance and the velocity of the coolant. For an exothermic reaction, this leads to an increase in heat transfer from the reaction mixture to the refrigerant, an excessive decrease in the temperature of the reaction mixture, and a decrease in the degree of conversion and the quality of the reaction products. For an endothermic reaction, this can lead to an increase in heat transfer from the coolant to the reaction mass, an excessive increase in its temperature, thermal destruction of the catalyst, and a further decrease in the degree of conversion and quality of the reaction products.

Кроме того, установка в каждой распределительной трубке дополнительной трубки позволяет менять расход теплоносителя и его температуру в зависимости от активности катализатора и температуры реакционной массы в зоне действия распределительной трубки. При росте температуры в трубках трубного пучка расход теплоносителя можно увеличить, а температуру снизить, при ее чрезмерном снижении по мере старения катализатора и потерей им во времени каталитических свойств расход теплоносителя можно снижать, а его температуру повышать.In addition, the installation of an additional tube in each distribution tube allows you to change the coolant flow rate and its temperature depending on the activity of the catalyst and the temperature of the reaction mixture in the area of the distribution tube. With increasing temperature in the tubes of the tube bundle, the coolant flow rate can be increased, and the temperature can be reduced, if it decreases excessively as the catalyst ages and the catalytic properties lose in time, the coolant flow rate can be reduced, and its temperature can be increased.

Такое регулирование расхода и температуры теплоносителя в распределительных трубах позволяет вести реакционный процесс с высокой степенью конверсии и повышает качество продуктов реакции даже при снижении катализатором каталитических свойств во времени.This control of the flow rate and temperature of the coolant in the distribution pipes allows the reaction process to be carried out with a high degree of conversion and improves the quality of the reaction products even if the catalyst decreases its catalytic properties over time.

На фиг.1 показан общий вид реактора с распределительными и дополнительными трубками в каждой трубке трубного пучка; на фиг.2 - распределительная трубка с крышкой и осесимметрично с ней установленной дополнительной трубкой.Figure 1 shows a General view of the reactor with distribution and additional tubes in each tube of the tube bundle; figure 2 - distribution tube with a cover and axisymmetrically installed with it an additional tube.

Кожухотрубный реактор состоит из корпуса 1 с патрубками входа 2 и выхода 3 теплоносителя в межтрубном пространстве, патрубков входа 4 и выхода 5 реакционной массы, трубных решеток 6, в которых закреплены трубы 7 трубного пучка. Внутри каждой трубы 7 диаметром D_T осесимметрично на входе установлено распределительное устройство 8 длиной l.The shell-and-tube reactor consists of a casing 1 with nozzles for the inlet 2 and outlet 3 of the coolant in the annulus, nozzles for the inlet 4 and outlet 5 of the reaction mass, tube sheets 6, in which the tube bundle tubes 7 are fixed. Inside each pipe 7 with a diameter D _T, a switchgear 8 of length l is installed axisymmetrically at the inlet.

Трубы 7 заполнены катализатором 9. распределительное устройство 8 представляет собой распределительные трубки 10, диаметром D, установленные на входе в каждую трубу 7 трубного пучка у нижнего его торца. В верхней части распределительные трубки 10 герметично закрыты крышками 11. В каждой распределительной трубке 10 осесимметрично установлены дополнительные трубки 12, диаметром d, которые в нижней части герметично соединены с коллектором 13 подвода теплоносителя, а сверху открыты для выхода теплоносителя в распределительные трубки 10, при этом отношение диаметров дополнительных трубок 12 и распределительных трубок 10 лежит в пределах d/D=0,65÷0,75. Распределительные трубки 10 в нижней части герметично присоединены к коллектору 14 отвода теплоносителя.The pipes 7 are filled with a catalyst 9. The distribution device 8 is a distribution pipe 10, diameter D, installed at the entrance to each pipe 7 of the tube bundle at its lower end. In the upper part, the distribution tubes 10 are hermetically closed by covers 11. In each distribution tube 10, additional tubes 12 of diameter d are installed axisymmetrically, which are hermetically connected in the lower part to the collector 13 for supplying the heat carrier and open on top for the coolant to enter the distribution tubes 10, while the ratio of the diameters of the additional tubes 12 and distribution tubes 10 lies in the range d / D = 0.65 ÷ 0.75. Distribution tubes 10 in the lower part are hermetically connected to the collector 14 of the coolant.

Реактор работает следующим образом.The reactor operates as follows.

Поток реакционной массы по патрубку 4 поступает на вход в трубы 7 трубного пучка. Так как концентрации реагирующих компонентов здесь наибольшие, то тепловыделение в экзотермической реакции или теплопоглощение в эндотермической реакции максимальны. Поэтому по коллектору 13 в дополнительные трубки 12 подается дополнительный теплоноситель, который вытекает в распределительные трубки 10 и через их стенки отбирает излишнюю тепловую энергию в экзотермической реакции или наоборот передает тепловую энергию реакционной массе в эндотермической реакции и выходит в коллектор 14. Кроме того, реакционная масса в зоне распределительных трубок 10 на длине l движется в кольцевом зазоре между трубами 7 трубного пучка и распределительными трубками 10 с большей скоростью, чем за зоной распределительных трубок 10. Это также увеличивает теплоперенос за счет роста коэффициента теплопередачи. Варьируя расход теплоносителя и его температуру, подаваемого в коллектор 13, можно удерживать необходимую температуру реакционной массы на входе в трубы 7 трубного пучка без термической деструкции катализатора и с учетом понижения его активности в процессе работы. Частично прореагировавшая реакционная масса в зоне распределительных трубок 10 на длине l поступает выше в трубы 7 с катализатором 9. Здесь теплоперенос осуществляется как обычно в кожухотрубных реакторах на всей длине труб 7 трубного пучка от реакционной массы к теплоносителю, движущемуся в межтрубном пространстве и подаваемого туда по патрубку 2 и отводимого по патрубку 3. Прореагировавшая реакционная масса из труб 7 трубного пучка отводится по патрубку 5.The flow of the reaction mass through the pipe 4 enters the entrance to the pipe 7 of the tube bundle. Since the concentrations of the reacting components are the highest, heat release in the exothermic reaction or heat absorption in the endothermic reaction is maximum. Therefore, through the collector 13, additional coolant is supplied to the additional tubes 12, which flows into the distribution tubes 10 and through the walls selects excessive heat energy in the exothermic reaction or vice versa transfers the heat energy to the reaction mass in the endothermic reaction and goes to the collector 14. In addition, the reaction mass in the zone of the distribution tubes 10 along a length l moves in an annular gap between the tubes 7 of the tube bundle and the distribution tubes 10 with a higher speed than behind the distribution zone cuttings 10. It also increases the heat transfer due to growth of heat transfer coefficient. By varying the flow rate of the coolant and its temperature supplied to the collector 13, it is possible to keep the necessary temperature of the reaction mass at the inlet to the tube 7 of the tube bundle without thermal destruction of the catalyst and taking into account the decrease in its activity during operation. The partially reacted reaction mass in the zone of the distribution tubes 10 at a length l flows higher into the tubes 7 with a catalyst 9. Here, heat transfer is carried out as usual in shell-and-tube reactors along the entire length of the tube bundle tubes 7 from the reaction mass to the coolant moving in the annulus and supplied thereto pipe 2 and discharged through pipe 3. Reacted reaction mass from pipes 7 of the tube bundle is discharged through pipe 5.

Таким образом, предлагаемая конструкция кожухотрубного реактора позволяет дополнительно осуществлять теплоперенос на входе в каждую трубу 7 трубного пучка. Для экзотермических реакций это позволяет снижать температуру реакционной массы и предотвратить термическую деструкцию катализатора, а для эндотермических реакций предотвратить снижение температуры реакционной массы на входе в каждую трубу 7 трубного пучка. Кроме того, в предлагаемой конструкции можно регулировать расход и температуру подаваемого в коллектор 13 теплоносителя в зависимости от изменения температуры реакционной массы в трубах 7 трубного пучка на их входе, которая в значительной степени со временем меняется в связи с падением активности катализатора. Все вышесказанное позволяет поддерживать высокую степень конверсии и увеличивать ее и качество продуктов реакции во времени даже при падении активности катализатора.Thus, the proposed design of the shell-and-tube reactor allows additional heat transfer at the inlet to each tube 7 of the tube bundle. For exothermic reactions, this allows to reduce the temperature of the reaction mass and to prevent thermal degradation of the catalyst, and for endothermic reactions to prevent a decrease in temperature of the reaction mass at the inlet of each tube 7 of the tube bundle. In addition, in the proposed design, it is possible to control the flow rate and temperature of the coolant supplied to the collector 13 depending on a change in the temperature of the reaction mass in the tubes 7 of the tube bundle at their inlet, which changes significantly over time due to a decrease in catalyst activity. All of the above makes it possible to maintain a high degree of conversion and increase it and the quality of reaction products in time even with a decrease in catalyst activity.

Claims

A shell-and-tube reactor for conducting exothermic and endothermic reactions, comprising a housing, tube sheets, tube bundles inside which the catalyst is placed, process pipes for the inlet and outlet of the reaction mass and coolant, and switchgears made in the form of tubes with caps installed inside each pipe at the bottom its end, characterized in that the covers are hermetically attached to the distribution tubes, and inside each distribution tube an additional tube is axisymmetrically mounted and for feeding to the lower part of the coolant pipe, the ratio of the diameters of the additional tube and the distribution tube is d / D = 0.65 ÷ 0.75, where d is the diameter of the additional tube; D is the diameter of the distribution tube.