Способ теплосъема в реакторах
Владельцы патента RU 2298752:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт химии и технологии элементоорганических соединений" (ФГУП ГНИИХТЭОС) (RU)
Заявленное изобретение предназначено для применения в теплообменных процессах, а именно может быть использовано в химической технологии, энергетике, криогенной технике. Способ теплосъема в реакторах заключается в том, что осуществляют циркуляцию теплоносителя по замкнутому контуру через расположенный в реакторе теплообменный элемент, причем циркуляцию высококипящего теплоносителя осуществляют по замкнутому контуру, а теплообменный элемент выполняют в виде эрлифтного циркуляционного устройства, при этом в теплообменный элемент подают низкокипящую жидкость, организуют вскипание низкокипящей жидкости с образованием пузырьков низкокипящей жидкости и таким образом образуют восходящий поток теплоносителя в теплообменном элементе, после чего восходящий поток теплоносителя направляют в выносной теплообменник, в последнем поток теплоносителя охлаждают, причем в процессе охлаждения образуют нисходящий поток смеси низкокипящей жидкости и высококипящего теплоносителя, которую в процессе охлаждения конденсируют, после чего смесь разделяют, высококипящий теплоноситель возвращают в теплообменный элемент, а низкокипящую жидкость направляют в теплообменный элемент для создания восходящего потока теплоносителя. Изобретение позволяет интенсифицировать теплообмен от жидкого теплоносителя, повысить гидродинамическую устойчивость режима теплообмена, снизить энергозатраты. 1 табл.
Предлагаемое изобретение относится к теплообменным процессам и может быть использовано в химической технологии, энергетике, криогенной технике и др. Для проведения процессов при повышенных температурах широко применяют жидкие высококипящие органические теплоносители (ВОТ) (Чечеткин А.В. Высокотемпературные теплоносители. - М.: Энергия, 1971 г.). Для нагрева рабочих сред их используют как в жидком, так и в парообразном состоянии, а при охлаждении - только как жидкости,
Настоящее изобретение предполагает использовать жидкие высококипящие органические теплоносители в процессах охлаждения реакционной массы при синтезе органохлорсиланов. Для таких процессов в аппаратах размещают теплообменные устройства, по которым прокачивают ВОТ.
Известен способ теплосъема в реакторе прямого синтеза органохлорсиланов в псевдо-ожиженном слое. Реактор снабжен внешним теплообменным элементом (рубашкой) и помещенными внутри него петлевыми трубчатыми элементами, по которым прокачивают ВОТ для охлаждения реакционной массы. (Патент РФ №2162735, МКИ В 01 J 8/18, опубл. 2001 г.).
Циркуляцию ВОТ с охлаждением его во внешнем теплообменнике осуществляют с помощью специальных насосных агрегатов, рассчитанных на работу при высоких температурах в условиях повышенной взрывопожароопасности. Они оснащены герметичными экранированными электроприводами, КПД которых значительно ниже, чем для электродвигателей обычного исполнения, что приводит к повышенным энергозатратам при их эксплуатации. Эти насосные агрегаты представляют собой сложные дорогостоящие машины и требуют специального квалифицированного обслуживания.
Интенсивность теплообмена зависит от скорости движения теплоносителя в тепло-передающих элементах. Но такие насосные агрегаты имеют ограничения в производительности, поэтому в аппаратах большой мощности промышленного масштаба вопросы теплосъема вызывают серьезные трудности. Особенно это проявляется при теплообмене в аппаратах большого диаметра, где теплосъем осуществляют через рубашку из-за невозможности обеспечить в них высокие скорости движения теплоносителя.
Известно, что интенсивность теплообмена при кипении жидкости значительно выше, чем от жидкости при неизменном ее агрегатном состоянии. Поэтому такие теплообменные элементы, как термосифоны, теплообменные трубы и др., стали широко применяться в промышленности, особенно - в теплотехнике, атомной энергетике, криогенной технике и др. В таких теплообменных элементах теплосъем осуществляют за счет кипения теплоносителя с выводом его паров и последующей конденсацией их во внешнем теплообменнике и возврате конденсата в зону кипения. В таких теплообменных элементах используют однокомпонентные теплоносители с фиксированной температурой кипения. Они не требуют применения циркуляционных высокотемпературных насосов.
Наиболее близким к предложенному изобретению по технической сущности, достигаемому результату и принятым нами в качестве прототипа является способ теплосъема с помощью теплообменных элементов термосифонного типа, которые помещают в реакционной зоне реактора (Авторское свидетельство СССР №1682746, МКИ F 28 F 13/12, опубл. 1989 г.). Теплообменный элемент заполняют жидкостью, имеющей температуру кипения ниже температуры в реакционной зоне реактора. Жидкость кипит, пары ее выводят и конденсируют во внешнем теплообменнике, а конденсат возвращают в зону кипения жидкости.
Недостатком такого способа теплосъема является то, что при интенсивном кипении жидкости из-за встречных потоков пара и конденсата наступает режим захлебывания, что существенно снижает возможность такого способа теплосъема. Кроме того, в реакторах большой высоты, что характерно для химической технологии, такие теплообменные элементы недостаточно эффективны. Для кипящей жидкости при больших высотах реактора проявляется эффект "гидростатической депрессии". Давление в нижней части теплообменного элемента выше, чем на свободной поверхности жидкости на величину столба жидкости. Это приводит к неравномерности температурного поля по высоте реактора, а при определенных условиях, и в частности, при большой высоте реактора в нижней части теплообменного элемента может не проходить кипения, что уменьшает величину активной теплопередающей поверхности, снижает эффективность теплообмена и усугубляет неравномерность температурного поля.
Задачей настоящего изобретения является интенсификация теплообмена от жидкого теплоносителя, повышение гидродинамической устойчивости режима теплообмена, снижение энергозатрат.
Для решения указанной задачи предложен способ теплосъема в реакторах проведения экзотермических процессов путем циркуляции теплоносителя в теплообменных элементах, помещенных внутри реактора, и охлаждении теплоносителя вне зоны реактора. Согласно изобретению циркуляцию высококипящего теплоносителя осуществляют по замкнутому контуру теплообменного элемента с восходящим и нисходящим потоками теплоносителя, при этом восходящий поток создают подачей инертного газа, или пара, или низкокипящей жидкости (НКЖ) в теплообменный элемент. Пузырьки газа (пара), всплывая в теплоносителе, создают интенсивную турбулентность, образуя восходящий поток теплоносителя (барботажную зону). В случае использования низкокипящей жидкости в процессе охлаждения образующейся паровой фазы конденсируется смесь низкокипящей и высококипящей жидкостей, которую разделяют, после чего низкокипящую жидкость направляют для создания восходящего (турбулентного потока) теплоносителя и высококипящую жидкость также возвращают в теплообменный элемент в нисходящий (циркуляционный) поток теплоносителя.
Способ осуществляют следующим образом. Теплообменный элемент выполнен в виде эрлифтного циркуляционного устройства, который заполняют высококипящей органической жидкостью (ВОЖ). В теплообменный элемент вводят газ (воздух, азот), или пар, или низкокипящую жидкость, например, воду. Пузырьки газа, а в случае использования НЮК при ее закипании за счет тепла экзотермической реакции пузырьки жидкости, всплывая в теплоносителе, создают интенсивную турбулентность, образуя восходящий поток теплоносителя (барботажную зону). Восходящий поток теплоносителя направляют в выносной теплообменник для охлаждения, после чего его возвращают в теплообменный элемент, при этом образуется нисходящий поток теплоносителя (циркуляционная зона). Теплообменный элемент может быть выполнен в виде одиночных U-образных труб, одиночных труб с продольной перегородкой или труб, объединенных коллектором. Возможно выполнение теплообменного элемента в виде плоских или кольцевых вертикальных каналов, например, рубашки.
Для сравнительной оценки различных способов теплообмена выполнены расчеты по известным методикам (Соколов В.Н., Доманский И.В. Газожидкостные реакторы. Л.: Машиностроение, 1976. Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. М.:
Химия, 1972).
Эффективность теплообмена характеризуется величиной коэффициента теплообмена (α). В расчетах приняты диаметр реактора D=2 м, поверхность теплообмена - 65 м2. Результаты расчетов приведены в таблице. Примеры I-III выполнены по известным способам теплообмена. Примеры IV1-V3 выполнены по предложенному способу.
α - коэффициент теплоотдачи (Вт/м2/К).
V - объемный расход активного компонента теплоносителя (м3/ч).
N - мощность, затрачиваемая на осуществление циркуляции теплоносителя (кВт).
| Таблица | |||
| № примера | α (Вт/м2/К) | V (м3/ч) | N (кВт) |
| I | 132 | 100 | 37 |
| II | 580 | 100 | 37 |
| III | 1015 | 100 | 37 |
| IV-1 | 1814 | 21,8 | 2,4 |
| IV-2 | 1038 | 21,8 | 2,4 |
| IV-3 | 1425 | 21,8 | 2,4 |
| V-1 | 1814 | 0,003 | 0,23 |
| V-2 | 1038 | 0,003 | 0,23 |
| V-3 | 1425 | 0,003 | 0,23 |
I. - Способ наружного теплосъема через рубашку.
II. - Способ внутреннего теплосъема через однопроходные элементы.
III. - Способ внутреннего теплосъема через петлевые трубчатые элементы.
IV. - Барботажно-эрлифтный способ теплосъема с подачей азота.
IV-1, IV-2, IV-3 - Эффективность теплоотдачи соответственно в барботажной зоне, циркуляционной и осредненному значению теплоотдачи.
Как видно из таблицы, эффективность теплообмена барботажно-эрлифтного (предложенного) способа выше, чем известных способов теплосъема при значительно меньших потоках теплоносителя и энергозатратах на его циркуляцию.
Способ теплосъема в реакторах, заключающийся в том, что осуществляют циркуляцию теплоносителя по замкнутому контуру через расположенный в реакторе теплообменный элемент, отличающийся тем, что циркуляцию высококипящего теплоносителя осуществляют по замкнутому контуру, а теплообменный элемент выполняют в виде эрлифтного циркуляционного устройства, при этом в теплообменный элемент подают низкокипящую жидкость, организуют вскипание низкокипящей жидкости с образованием пузырьков низкокипящей жидкости и таким образом образуют восходящий поток теплоносителя в теплообменном элементе, после чего восходящий поток теплоносителя направляют в выносной теплообменник, в последнем поток теплоносителя охлаждают, причем в процессе охлаждения образуют нисходящий поток смеси низкокипящей жидкости и высококипящего теплоносителя, которую в процессе охлаждения конденсируют, после чего смесь разделяют, высококипящий теплоноситель возвращают в теплообменный элемент, а низкокипящую жидкость направляют в теплообменный элемент для создания восходящего потока теплоносителя.
