Реактор с теплообменной рубашкой (варианты)

 

Использование: для проведения различных химико-технологических процессов в жидких средах, где требуется интенсивный теплообмен между обрабатываемой средой и жидким теплохладагентом, циркулирующим в рубашке. Сущность изобретения: реактор содержит корпус с патрубками для входа и выхода обрабатываемых компонентов и теплоносителя. С наружной стороны корпуса приварены по спирали теплообменные элементы, которые выполнены в виде уголков несимметричной формы. Верхняя кромка нижнего уголка приварена или к нижней кромке верхнего уголка внахлест, или в контакте с нижней кромкой верхнего уголка и поверхностью корпуса, или с зазором относительно нижней кромки верхнего уголка. 3 с.п.ф-лы, 1 табл.,2 ил.

Предлагаемое изобретение относится к отрасли химического машиностроения и предназначено для проведения различных химико-технологических процессов в жидких средах, где требуется интенсивный теплообмен между обрабатываемой средой и жидким теплохладагентом, циркулирующим в рубашке. Особое применение это техническое решение найдет в реакторе-полимеризаторе для получения ударопрочного АВС-пластика суспензионным и эмульсионным методами, в которых требуется отвести большое количество экзотермического тепла за короткое время.

Известно техническое решение, широко используемое в отечественной практике привариваемые на наружной поверхности корпусов полутрубные рубашки [1] Эти рубашки привариваются по спиральной линии на цилиндрическом корпусе, они интенсифицируют теплообмен, но и имеют следующие существенные недостатки.

1. Между полутрубами остаются свободные участки поверхности корпуса, не участвующие в теплообмене, в среднем это 25 30% площади корпуса.

2. Полукруглая форма канала, по которому течет жидкий хладоноситель, является симметричной, вызывает монотонное его движение, т.е. в поперечном сечении канала практически отсутствует перемешивание холодных и нагретых теплых слоев жидкости, что снижает эффективность теплообмена.

3. Повышенная трудоемкость и стоимость изготовления, т.к. полутруба получается путем продольного разрезания (два реза) стандартных труб, стоимость которых по сравнению с другими видами проката уголок, швеллер и др. самая высокая.

Известны технические решения аппаратов [2;3] в которых теплообменные рубашки в виде полукруглых гофр [2] или прямоугольных каналов [3] привариваются к внутренней поверхности корпуса. Эти технические решения более эффективны, с точки зрения теплообмена, чем по техническому решению [1] но обладают теми же недостатками, что и техническое решение [1] кроме вышеизложенного в п. 1.

Известно техническое решение аппарата [4] в котором сам корпус выполнен из теплообменных труб, имеющих поперечное сечение в виде эллипса, которые соединяются перегородками по оси большого диаметра эллипса. С точки зрения прочности, работа такого аппарата может производиться под высоким давлением с обеспечением оптимального распределения напряжений в элементах корпуса. С точки же зрения эффективности теплообмена такой корпус имеет те же существенные недостатки, свойственные техническому решению [1] а именно: наличие перегородок между теплообменными трубами значительно снижает общую теплообменную поверхность корпуса; трубы эллиптической формы, так же как и полутрубной или прямоугольной формы, имеют симметричное сечение, которое создает монотонное протекание теплохладагента, что не способствует интенсификации теплообмена.

В качестве базового объекта наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является техническое решение тепломассообменного аппарата [5] в котором теплообменная рубашка выполнена из полутруб, размещенных на наружной стороне корпуса аппарата по спирали с шагом, равным 1,6 радиуса полутрубы, при этом одной кромкой полутруба приварена к поверхности корпуса аппарата, а другой к поверхности полутрубы соседнего витка впирали. По утверждению авторов такое решение снижает металлоемкость аппарата, т.к. выполнение рубашки в виде полутруб, расположенных внахлест повышает радиальную жесткость корпуса аппарата и позволяет уменьшить толщину стенки корпуса.

Если с точки зрения прочности аппарата это техническое решение эффективно, то в части обеспечения теплообмена оно значительно менее эффективно по следующим основным причинам: 1. Профиль полутрубы является симметричным, в котором жидкий хладагент приобретает постоянное монотонное течение, при котором отсутсвует интенсивное поперечное перемешивание нагретых и холодных слоев потока хладагента. Этот недостаток усугубляется тем, что, как оговорено в формуле, шаг между полутрубами, равен 1,6 R, где радиус полутрубы (см. фиг.2[5]). Для эффективного теплообмена наиболее оптимальным был бы шаг, равный 2R, т.е. чтобы теплообменная площадь использовалась не на 60% а на 100% А куда же, в этом случае, деваются 40% А эта поверхность просто не используется, т.к. полутруба своей передней кромкой 8 (см. фиг.2 [5]) "налезает" на основную соседнюю полутрубу на все 40% Поэтому проходное сечение полутрубы бесполезно увеличивается в наружную перпендикулярно поверхности корпуса сторону аппарата, а не в продольную сторону по высоте корпуса аппарата, как это требуется для интенсификации теплообмена.

2. В связи с тем, что каждая полутруба устанавливается внахлест со своей соседней на 40% то общее количество полутруб, привариваемых к корпусу аппарата, также увеличивается на 40% Это вызывает увеличение металлоемкости рубашки из полутруб и снижает эффективность металла корпуса за счет радиальной жесткости полутруб.

3. В изготовлении такой тип рубашки очень трудоемок, т.к. приходится дополнительно разрезать вдоль дорогостоящие трубы и производить большой объем сварочных работ, т.к. количество полутруб, а следовательно, и сварных швов из-за шага 1,6 R значительно возрастает, примерно на 40% 4. Если кромку (см. фиг.2 [5]) полутрубы удобно приваривать с полным ее проваром к корпусу под углом 90^o и шов в этом случае получается прочным и надежным, то кромку приварить под острым углом к соседней полутрубе, имеющей "скат" с полным проваром по ее толщине практически невозможно, что делает этот сварной шов очень ненадежным по прочности и герметичности.

Предлагаемое изобретение направлено на устранение недостатков известных решений и получение возможности для создания высокоэффективного реактора с теплообменной рубашкой для проведения химико-технологических процессов в жидких средах с интенсифицированным режимом теплообмена при одновременном снижении металлоемкости и трудоемкости изготовления реактора.

Указанный результат достигается тем, что на наружной цилиндрической поверхности корпуса реактора по спирали приварена теплообменная рубашка в виде уголкового профиля несимметричной формы, образующего с поверхностью корпуса клинообразный канал.

В зависимости от параметров и типа теплохладагента предлагается три варианта конструктивного исполнения теплообменной рубашки.

1 вариант. Цель изобретения достигается тем, что уголковый профиль несимметричной формы, образующий с поверхностью корпуса клинообразный канал, приварен таким образом, что верхняя кромка каждого нижнего уголка приваривается к нижней кромке верхнего уголка внахлест с зазором S не более δ от его конца, где d толщина стенки уголка. Этот вариант рубашки имеет один неконтролируемый сварной шов нижних кромок несимметричных уголков, поэтому применение такой рубашки ограничено использованием в качестве теплохладагента только холодной и горячей воды при давлении не выше 4 6 атм.

II вариант. Конструктивное исполнение теплообменной рубашки, при котором резко снижается объем сварочных работ выполнение крепления несимметричного уголкового профиля на поверхности корпуса аппарата таким образом, что верхняя кромка каждого нижнего уголка установлена в контакте с нижней кромкой верхнего уголка и с поверхностью корпуса.

III вариант. Для обеспечения высокой надежности при работе теплообменной рубашки под высоким давлением теплохладоносителя несимметричный уголковый профиль теплообменной рубашки крепится на корпусе реактора таким образом, что верхняя кромка каждого нижнего уголка относительно нижней кромки верхнего уголка установлена с зазором S не более 3 d, где d толщина стенки уголка.

На фиг. 1 показан продольный разрез реактора с теплообменной рубашкой в виде уголкового профиля несимметричной формы, на фиг.2 в сечениях "а", "b", и "c" приведены различные варианты выполнения теплообменной рубашки.

Реактор содержит цилиндрический корпус 1, на верхней крышке которого размещен электропривод 2, приводящий во вращательное движение вал 3 с перемешивающим устройством 4 для смешения обрабатываемой среды и устранения температурного поля. С наружной стороны корпуса и днища по спирали привариваются уголки несимметричной формы 5, которые образуют с поверхностью корпуса клинообразные каналы "А", по которым циркулирует жидкий теплохладоноситель, поступающий в рубашку через штуцер 6 и выходящий из рубашки через штуцер 7. Первый вариант теплообменной рубашки, приведенный на фиг.2 в сечении "c", предусматривает установку соседних несимметричных уголков 5 "внахлест", когда верхняя кромка каждого нижнего уголка приваривается к нижней кромке каждого верхнего уголка с зазором S не более d от его конца, где d толщина стенки уголка. Этот вариант рубашки имеет один неконтролируемый сварной шов нижних кромок несимметричных уголков 5, поэтому применение такой рубашки ограничено использованием в качестве теплохладагента только холодной и горячей воды при давлении не выше 4 6 атм. Необходимо отметить, что использование воды с указанными параметрами применяются в 30 - 40% случаев использования химических аппаратов в различных химических производствах.

Вторым вариантом конструктивного исполнения рубашки (см. фиг.2, сечение "b") является установка каждого последующего витка несимметричного уголка 5 (впритык к предыдущему) таким образом, чтобы верхняя кромка каждого нижнего уголка контактировала с нижней кромкой верхнего уголка и чтобы обе кромки контактировали с поверхностью корпуса 1. Это условие необходимо для получения качественного сварного шва, обеспечивающего полный провар контактируемых элементов. Полученный сварной шов также достаточно хорошо контактируется всеми способами контроля, предусмотренными Правилами Госгортехнадзора (визуальный, рентгеноскопия, цветная дефектоскопия и др.). Поэтому этот вариант рубашки может быть использован для применения в качестве теплоносителя перегретой воды с параметрами P_раб≃ 10 атм. T_раб до 180^oC или пожаро-взрывоопасных органических хладоносителей типа жидкого этилена, пропилена и др. с параметрами P_раб; 10 атм. T_раб до минус 105^oC.

При этом варианте экономится практически 50% сварочных материалов (электроды, флюс и др.) и электроэнергии, но несколько повышается трудоемкость сборочных работ, предшествующих сварке, т.к. обеспечение контактов свариваемых элементов требует повышенной точности монтажа этих элементов (по технологии сварки допускаемый зазор между свариваемыми элементами должен лежать в пределах 1 2 мм).

Третий вариант рубашки показан на фиг.2, сечение "a". В этом случае гарантированно обеспечивается хороший доступ для обязательного рентгенологического и визуального контроля каждого сварного шва приварки верхней и нижней кромок несимметричного уголка 5. В этом варианте зазор S между нижней и верхней кромками соседних уголков может быть сведен к минимуму и составить всего S 3 δ, где d толщина стенки уголка. Этот зазор определяется следующим образом: валики сварных швов приварки кромок уголков должны быть примерно равны толщинам привариваемых деталей и расстояние между сварными валиками, обеспечивающее качественное выполнение швов, также примерно равно высоте сварного валика. Так, если принять толщину стенки d 5, то установленный зазор между нижней и верхней кромками соседних уголков (до момента производства самой сварки) составит S 3 d 3·5 15 мм. Этот вариант конструкции рубашки также может быть использован для применения теплохладагентов, указанных выше.

Реактор работает следующим образом.

Через патрубок 8 периодически или непрерывно загружаются исходные компоненты, мономеры стирол, акрилонитрил, катализатор, водная фаза. Включается электропривод 2 и приводится во вращательное движение вал 3 с перемешивающим устройством 4. Загруженные компоненты энергично перемешиваются и начинается реакция полимеризации с выделением большого количества экзотермического тепла. При достижении определенной температуры (примерно 120 130^oC) обрабатываемой реакционной среды через штуцер 6 в теплообменную рубашку подается холодная вода. Протекая по клинообразным каналам "А", образованным уголкам 5 несимметричной формы, нагретые и холодные слои воды энергично перемешиваются как в продольном, так и в поперечном направлениях. Это достигается благодаря клинообразной форме канала (несимметричность в поперечном сечении), при котором верхняя широкая часть канала имеет меньшее значение гидродинамического сопротивления движению воды, а нижняя узкая часть канала имеет повышенное значение гидродинамического сопротивления, следовательно, и скорости циркуляции воды в верхней и нижней частях канала будут различными.

В нижней части канала скорость воды будет меньше, чем в верхней части. Это вызывает возникновение вторичных циркуляционных токов в потоке воды как в продольном направлении потока, так и в поперечном сечении, чему способствует также несимметричная форма канала и в продольном сечении. Поэтому на протяжении всего пути протекания охлаждающей воды в канале "А" теплообменной рубашки происходит непрерывное перемешивание и смешение всех слоев воды как в центральной части потока, так и на периферийных участках. Это способствует усреднению температуры воды, повышению разницы температур (Dt) воды и реакционной среды и, как следствие этого, увеличение общего коэффициента теплопередачи от реакционной среды к хладоносителю. То есть удается за более короткий срок отвести большее количество экзотермического тепла и сократить время проведения полимеризации процесса.

Нагретая вода отводится через штуцер 7. По завершении процесса готовый продукт выгружается через вентиль 9.

Расчетно-экспериментальный анализ 2-х типов рубашек предлагаемой по данному техническому решению (несимметричный профиль канала ширина полки 26 мм, длина уголка 110 мм) и полутрубной (симметричный профиль R=30 мм) на реакторе объемом 600 л показал следующие результаты, приводимые в таблице.

Приведенные в таблице данные показывают, что реактор с несимметричной теплообменной рубашкой, образующей клинообразный канал по предлагаемому техническому решению, обеспечивает по сравнению с прототипом, при всех прочих равных условиях, увеличение коэффициента теплопередачи на 21% В свою очередь, это позволяет сократить время полимеризации и повысить производительность реактора.

Источники информации 1. Отраслевой стандарт ОСТ 26-01-2987-82 "Рубашки из полутруб для стальных сварных сосудов и аппаратов. Конструкция и размеры". Минхимнефтемаш, 1982.

2. А.с. СССР N 606611 "Аппарат для проведения теплообменных жидкофазных реакций", B 01 J 14/00, 1978.

3. Патент США N 4552724 "Реактор-теплообменник", F 28 D 21/00,1985.

4. А.с. СССР N 1248646 "Аппарат для проведения технологических процессов", B 01 J 3/00, 1986.

5. А.с. СССР N 1349772 "Тепломассообменный аппарат", B 01 J 8/00, 1987 - прототип.

Формула изобретения

1. Реактор с теплообменной рубашкой для проведения жидкофазных теплообменных процессов, содержащий корпус с патрубками для входа исходных компонентов и теплоносителям и вывода готового продукта и теплоносителя, с наружной стороны которого приварены по спирали теплообменные элементы, образующие теплообменную рубашку, отличающийся тем, что теплообменные элементы выполнены в виде уголкового профиля несимметричной формы, образующего с поверхностью корпуса клинообразный канал, причем верхняя кромка каждого нижнего уголка приварена к нижней кромке верхнего уголка внахлест с зазором S не более δ, где δ- толщина стенки уголка.

2. Реактор с теплообменной рубашкой для проведения жидкофазных теплообменных процессов, содержащий корпус с патрубками для входа исходных компонентов и теплоносителя и вывода готового продукта и теплоносителя, с наружной стороны которого приварены по спирали теплообменные элементы, образующие теплообменную рубашку, отличающийся тем, что теплообменные элементы выполнены в виде уголкового профиля несимметричной формы, образующего с поверхностью корпуса клинообразный канал, причем верхняя кромка каждого нижнего уголка приварена в контакте с нижней кромкой верхнего уголка и поверхностью корпуса.

3. Реактор с теплообменной рубашкой для проведения жидкофазных теплообменных процессов, содержащий корпус с патрубками для входа исходных компонентов и теплоносителя и вывода готового продукта и теплоносителя, с наружной стороны которого приварены по спирали теплообменные элементы, образующие теплообменную рубашку, отличающийся тем, что теплообменные элементы выполнены в виде уголкового профиля несимметричной формы, образующего с поверхностью корпуса клинообразный канал, причем верхняя кромка каждого нижнего уголка относительной нижней кромки верхнего уголка приварена с зазором S не более 3δ, где δ- толщина стенки уголка.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3