EA032540B1 - Конструкция змеевиков охлаждения для реакторов окисления или аммоксидирования - Google Patents

Abstract

Змеевики охлаждения, используемые в промышленных реакторах окисления или аммоксидирования, можно сделать более плотно упакованными путем обеспечения отдельных участков, определяющих змеевик охлаждения, в поперечном расположении, а не продольном расположении.

Description

Настоящее изобретение можно понять лучше со ссылкой на следующие графические материалы, на которых на фиг. 1 показан обычный промышленный реактор получения акрилонитрила для осуществления аммоксидирования пропилена и аммиака в акрилонитрил;

на фиг. 2 представлен схематический вид, показывающий конструкцию и работу обычной конструкции змеевика охлаждения, используемого в обычном промышленном реакторе получения акрилонитрила фиг. 1;

фиг. 3 представляет собой вид сверху обычной конструкции змеевиков охлаждения фиг. 2;

- 3 032540 фиг. 4 представляет собой вид сверху, аналогичный фиг. 3, показывающий более подробно обычную конструкцию змеевиков охлаждения фиг. 2;

на фиг. 5 представлен схематический вид, аналогичный фиг. 2, но показывающий один змеевик 61 охлаждения, а также его способ работы;

на фиг. 6 и 8 представлены схематические изображения первого признака настоящего изобретения, в котором змеевики охлаждения обычного промышленного реактора получения акрилонитрила более плотно упакованы, чем в обычной конструкции;

на фиг. 7 представлен вид сверху, аналогичный фиг. 2 и 4, показывающий только повернутые вверх и-образные фитинги 63 одного змеевика охлаждения обычной конструкции с этих фигур, включая выравнивание этих повернутых вверх И-образных фитингов друг относительно друга, на фиг. 8 взят разрез по линии 7-7 фиг. 5;

на фиг. 9 представлено схематическое изображение держателя змеевиков охлаждения, который можно использовать для подвешивания змеевиков охлаждения фиг. 6 и 8 на их опорной конструкции;

на фиг. 10 представлено схематическое изображение другого признака настоящего изобретения, в котором термический рукав используют для защиты соединения между впускным отверстием змеевика охлаждения и стенкой реактора, через которую проходит это впускное отверстие змеевика охлаждения; и на фиг. 11 представлено схематическое изображение еще одного признака настоящего изобретения, в котором выпускной коллектор для приема охлаждающей воды и пара из змеевиков охлаждения перемещен в положение, которое находится ниже верхних частей этих змеевиков охлаждения.

Подробное описание изобретения

Согласно первому признаку настоящего изобретения используют новую конфигурацию змеевиков охлаждения, которая облегчает увеличение плотности упаковки змеевиков охлаждения внутри реактора. В результате общую площадь поверхности, обеспечиваемую узлом змеевиков охлаждения в целом, можно эффективно увеличивать, что, в свою очередь, приводит к лучшей грубой регулировке работы змеевиков охлаждения и, по меньшей мере, в некоторых случаях увеличивает общую производительность реактора.

Этот признак показан на фиг. 6, которая представляет схематический вид, аналогичный фиг. 4, в том, что показывает расположение повернутого вверх И-образного фитинга 63 каждого змеевика 61 охлаждения и их расположение относительно помостов 74 и опор 70 змеевика охлаждения узла змеевиков охлаждения.

См. также фиг. 7, на которой схематически показано расположение участков змеевика в обычной конструкции с фиг. 2, 3, 4 и 5. Сравните ее с фиг. 8, которая является схематическим изображением, аналогичным фиг. 7, но показывает расположение участков змеевика охлаждения в конструкции настоящего изобретения с фиг. 6.

Как показано на фиг. 6, повернутые вверх И-образные фитинги 63 змеевика 61 охлаждения расположены в смещенной взаимосвязи относительно друг друга, а не в компланарной взаимосвязи, как показано на фиг. 4. В обычной конструкции, как показано на фиг. 4, змеевик 61 охлаждения проходит изнутри реактора 10 к периметру реактора 10 (т.е. из положения В в положение 8) в вертикально направленной плоскости Ό. Для удобства вертикально направленная плоскость Ό относится в настоящем документе к главной плоскости змеевика 61 охлаждения. Как также показано на фиг. 4, все основные элементы змеевика 61 охлаждения (т.е. все вертикально направленные патрубки 60 охлаждения, а также все повернутые вниз И-образные фитинги 62 и повернутые вверх И-образные фитинги 63) являются компланарными, т.е. все они выровнены относительно вертикально направленной главной плоскости змеевика охлаждения Ό в том смысле, что их центры или оси лежат в этой плоскости. Также схематически показано на фиг. 7, которая показывает, что патрубки 60 для охлаждающей воды, а также повернутые вниз Иобразные фитинги 62 участков 57 змеевика охлаждения выровнены относительно друг друга в том смысле, что все их центры или оси лежат в общей вертикально направленной главной плоскости змеевика охлаждения Ό. Кроме того, как также показано на фиг. 4, помосты 74 также расположены между этими основными элементами и параллельно им.

В модифицированной конструкции данного аспекта настоящего изобретения, однако, по меньшей мере, некоторые участки 57 змеевика охлаждения по меньшей мере одного змеевика охлаждения расположены перпендикулярно вертикально ориентированной главной плоскости змеевика охлаждения, в которой в целом лежит змеевик охлаждения. Обычно все участки 57 змеевика охлаждения по меньшей мере одного змеевика охлаждения расположены таким образом, тогда как в некоторых вариантах осуществления все участки змеевика охлаждения в основном или даже все змеевики охлаждения расположены таким образом.

Это расположение более полно показано на фиг. 8, на которой показано, что как патрубки 60 для охлаждающей воды, так и повернутые вниз И-образные фитинги 62 каждого участка 57 змеевика охлаждения этой конструкции лежат в их собственных соответствующих плоскостях участков змеевика охлаждения О. которые расположены под острым углом α к вертикально направленной главной плоскости змеевика охлаждения Ό, в которой в целом лежит змеевик 61 охлаждения. Острый угол α может быть

- 4 032540 любым желаемым углом. Согласно одному аспекту угол составляет от приблизительно 30 до приблизительно 60°, а согласно другому аспекту от приблизительно 40 до приблизительно 50°.

Как также показано на фиг. 6, опоры 70, которые несут всю массу змеевиков 61 охлаждения и их содержимое, расположены выше И-образных фитингов 63, а не ниже этих И-образных фитингов, как в обычной конструкции с фиг. 2, 3, 4 и 5. Кроме того, как показано на фиг. 9, подходящие подвески обеспечены для подвешивания каждого И-образного фитинга 63 на его связанной опоре 70.

Первое преимущество модифицированной конструкции данного признака настоящего изобретения состоит в том, что участки 57 змеевика охлаждения можно плотнее упаковывать, чем в обычной конструкции. Это обеспечивает увеличение эффективной площади поверхности узла змеевиков охлаждения, изготовленного с данной конструкцией, относительно обычной конструкции, что, в свою очередь, дает большую охлаждающую способность и имеет возможность лучшего контроля температуры реактора по сравнению с обычной конструкцией. Конструкция змеевика охлаждения, описанная в настоящем документе, обеспечивает большее количество участков змеевика охлаждения на 1 м диаметра реактора. Согласно данному аспекту конструкция змеевика, описанная в настоящем документе, эффективна для обеспечения от приблизительно 40 до приблизительно 60 участков змеевика охлаждения на 1 м диаметра реактора, а согласно другому аспекту от приблизительно 45 до приблизительно 55 участков змеевика охлаждения на 1 м диаметра реактора.

Вторым преимуществом модифицированной конструкции является то, что механическое напряжение, которое сообщается металлическим элементам, образующим каждый змеевик охлаждения в данной конструкции в результате периодической остановки и повторного запуска, можно лучше компенсировать данной конструкцией по сравнению с обычной конструкцией. Это происходит вследствие того факта, что повернутые вверх И-образные фитинги 63 в конструкции настоящего изобретения подвешены на подвесках из опоры 70 и, кроме того, расположенных перпендикулярно ей. Следовательно, когда змеевики охлаждения конструкции настоящего изобретения расширяются и сужаются в ответ на изменения температуры, меньшее напряжение передается этим змеевикам охлаждения, чем будет происходить в ином случае. Это происходит, поскольку значительная часть этого расширения и сужения происходит перпендикулярно этим опорам, а также потому что подвески служат в качестве буфера, поглощающего изменения размера и связанные перемещения, которые происходят между этими змеевиками охлаждения и опорами.

Следовательно, в результате данной модификации конструкции можно увеличивать не только охлаждающую способность, обеспечиваемую узлом змеевиков охлаждения без увеличения количества вспомогательного оборудования, необходимого для размещения такого узла (и, в частности, числа помостов и опор), но, кроме того, также можно исключить или, по меньшей мере, значительно снизить отказы змеевика охлаждения и связанные эксплуатационные расходы, которые обычно возникают из-за механического напряжения, передаваемого змеевикам охлаждения в результате периодических остановок и повторных запусков. Как указано, конструкция, описанная в настоящем документе, обеспечивает большее число змеевиков. Большее число змеевиков может участвовать в цикле обслуживания реже.

Согласно второму признаку настоящего изобретения площади поперечного сечения каналов для потока внутри различных змеевиков охлаждения узла змеевиков охлаждения настоящего изобретения регулируют так, что количество охлаждающей воды, которая превращается в пар, в каждом узле змеевиков охлаждения составляет в среднем приблизительно 15% или менее, согласно другому аспекту от приблизительно 10 до приблизительно 15%. Желательно, чтобы эти площади поперечного сечения выбирали так, чтобы количества охлаждающей воды, которая превращается в пар во всех змеевиках охлаждения в этом узле змеевиков охлаждения, отличались друг от друга не более чем на 5%, желательно не более чем на 4%, не более чем на 3%, не более чем на 2% или даже не более чем на 1% на основании общего количества охлаждающей воды, проходящей через змеевики охлаждения.

Как указано, узел змеевиков охлаждения может содержать змеевики охлаждения, где каждый змеевик охлаждения содержит различное число участков змеевика охлаждения. Например, узел змеевиков охлаждения может содержать змеевики охлаждения, где основная часть змеевиков охлаждения имеет множество участков змеевика охлаждения (например, 6 участков змеевика охлаждения), а некоторые змеевики охлаждения имеют только один участок змеевика охлаждения. Удаление змеевиков охлаждения влияет на производительность, и различное число участков змеевиков охлаждения, которые можно удалять при циклической работе змеевика охлаждения, обеспечивает эксплуатационную гибкость для сохранения желаемой производительности.

Как показано, в частности, на фиг. 2, различные змеевики охлаждения в обычном промышленном реакторе получения акрилонитрила обычно не все имеют одинаковое число участков 57 змеевика охлаждения. В результате некоторые из этих змеевиков охлаждения имеют более длинные каналы для потока, тогда как другие имеют более короткие каналы для потока. Этот признак может приводить к неравномерной работе змеевиков охлаждения, поскольку время удержания охлаждающей воды внутри более длинных каналов, по существу, больше, чем время удержания охлаждающей воды в более коротких каналах для потока. В результате больше охлаждающей воды в более длинных каналах для потока превращается в пар, чем в более коротких каналах. Это, по существу, приводит к большим скоростям потока

- 5 032540 внутри более длинных каналов для потока, в частности вблизи их выпускных концов. Это, в свою очередь, может вызывать избыточную эрозию, а также осаждение (т.е. образование осадка и отложений) минералов и других ингредиентов из охлаждающей воды в этих местах.

Как указано выше, желательно согласно данному аспекту настоящего изобретения, чтобы количество пара, образующегося в каждом узле змеевиков охлаждения, было в среднем приблизительно 15% или менее, согласно другому аспекту от приблизительно 10 до приблизительно 15%. Другими словами, желательно, чтобы количество охлаждающей воды, которая превращается в пар в каждом узле змеевиков охлаждения, составляло не более чем приблизительно 15%, согласно другому аспекту от приблизительно 10 до приблизительно 15% воды, поданной в этот узел змеевиков охлаждения. Таким образом, согласно данному признаку настоящего изобретения площадь поперечного сечения каналов для потока каждого змеевика охлаждения выбирают так, чтобы, когда все запорные клапаны 84 находились в открытом положении, количество охлаждающей воды, превратившейся в пар, в каждом канале было насколько это возможно близко друг к другу на уровне значения, которое составляет приблизительно 15% или менее, а согласно другому аспекту от приблизительно 10 до приблизительно 15%. Согласно данному аспекту количество образовавшегося пара является рассчитываемым значением.

Наиболее рентабельным способом для конструирования промышленного реактора получения акрилонитрила является изготовление каждого змеевика охлаждения из труб одного диаметра и обеспечение регулирования каждого змеевика охлаждения одинаковым запорным клапаном 84, т.е. каждый регулирующий клапан идентичен остальным. Таким образом, самым простым способом обеспечения того, чтобы поперечное сечение канала для потока каждого змеевика охлаждения выбирали для достижения одинакового превращения воды в пар, является размещение подходящего ограничителя потока внутри каждого змеевика охлаждения или, по меньшей мере, внутри каждого змеевика охлаждения с более коротким каналом для потока, желательно на его впускном конце или вблизи него, или на его выпускном конце, или в обоих местах. Определение точного размера каждого ограничителя потока (или относительных площадей поперечного сечения каналов для потока, если ограничители потока не используют) можно легко осуществить посредством обычных теплообменных расчетов, задавая относительные длины различных каналов для потока и, таким образом, различное время, которое охлаждающая вода будет находиться в этих различных каналах.

Третий признак настоящего изобретения показан на фиг. 10. В обычной конструкции, такой как показанная на фиг. 5, впускная линия 64 змеевика 61 охлаждения непосредственно приварена к стенке 36 реактора 10. Как указано выше, принято чередовать змеевики охлаждения промышленного реактора получения акрилонитрила путем периодической остановки, а затем повторного запуска каждого змеевика охлаждения отдельно или последовательно. Когда змеевик охлаждения останавливают, его температура быстро увеличивается до нормальной рабочей температуры реактора от приблизительно 350 до приблизительно 480°С. Затем когда змеевик охлаждения повторно запускают путем контакта с дополнительными количествами охлаждающей воды, его температура практически мгновенно снова падает приблизительно до уровня температуры кипения этой охлаждающей воды. Это падение температуры может придавать значительное тепловое напряжение змеевику 61 охлаждения, в частности, где его впускная линия 64 приварена к стенке 36 реактора. Со временем это повторяющееся тепловое напряжение может приводить к механическому разрушению в этом месте.

Согласно данному признаку настоящего изобретения этой проблемы избегают путем установки термического рукава в месте, где впускная линия 64 змеевика 61 охлаждения пересекает стенку 36 реактора 10. Как показано на фиг. 10, термический рукав 59, который связан с впускной линией змеевика 64 охлаждения, принимает входной патрубок 33 змеевика охлаждения, который проходит через стенку 36 реактора 10 и приварен к ней. Наружный диаметр термического рукава 59 несколько меньше внутреннего диаметра входного патрубка 33 змеевика охлаждения, чтобы определять зазор 75 на тепловое расширение между ними, который поддерживается распорными кольцами 77. Выходная кромка 73 термического рукава 59 не приварена или иным образом намертво не прикреплена к патрубку 33 змеевика охлаждения и, таким образом, может свободно перемещаться в осевом направлении относительно этого патрубка змеевика охлаждения.

При такой конструкции любые температурные напряжения на механическое соединение между впускной линией 64 змеевика охлаждения и стенкой 36 реактора, которые будут в ином случае возникать из-за значительных изменений температуры, происходящих внутри змеевика 61 охлаждения, когда его останавливают и повторно запускают, уменьшают посредством расширения и сужения термического рукава 59. В результате в основном исключается механическое разрушение змеевика 61 охлаждения в месте, где он пересекает стенку 36 реактора 10.

Согласно еще одному признаку настоящего изобретения выпускной коллектор для охлаждающей воды, который обеспечивают для приема охлаждающей воды и пара, выходящих из каждого змеевика охлаждения, перемещают в место, которое находится ниже выпускной линии каждого змеевика охлаждения и выпускного коллектора. Согласно одному аспекту выпускное отверстие для охлаждающей воды перемещают в место, которое находится ниже верхних частей участков змеевика охлаждения каждого змеевика охлаждения.

- 6 032540

Как показано на фиг. 5, в обычной конструкции выпускной коллектор 82 для охлаждающей воды расположен выше выпускной линии 79 для охлаждающей воды, а также И-образных фитингов 63, которые определяют верхние части участков 67, 69 и 71 змеевика охлаждения. Как указано выше, змеевики охлаждения обычного промышленного реактора получения акрилонитрила периодически останавливают, а затем повторно запускают для удаления каких-либо отложений молибдена, которые могли осадиться на их внутренних поверхностях. Когда змеевик охлаждения останавливают, какая-либо охлаждающая вода, оставшаяся внутри, быстро испаряется, поскольку температура внутри реактора получения акрилонитрила очень высока. Когда это происходит, из-за того что нет клапана выпускного отверстия, связанного с выпускной линией 79, сила тяжести вызывает обратное течение вниз охлаждающей воды в выпускной коллектор 82 в этот остановленный змеевик охлаждения через выпускную линию 79 змеевика охлаждения. Это приводит к дополнительным количествам испаряющейся охлаждающей воды и, таким образом, превращающейся в пар внутри змеевика охлаждения.

Охлаждающая вода обычно содержит растворенные минералы, а также дополнительные химические вещества для обработки. Когда змеевик охлаждения останавливают, эти минералы и химические вещества для обработки стремятся выпасть в осадок и отложиться на внутренних поверхностях змеевиков охлаждения, в частности в повернутых вниз И-образных фитингах 62. Количество этих отложений может быть значительным, особенно, если змеевик охлаждения останавливают надолго, поскольку это обеспечивает протекание назад значительных дополнительных количеств охлаждающей воды из выпускного коллектора 82 для охлаждающей воды и, таким образом, испарение в этом остановленном змеевике охлаждения. С течением времени это может вызывать значительное уменьшение площади поперечного сечения канала для потока внутри змеевика охлаждения, в частности в этих местах, что приводит к значительному увеличению расхода охлаждающей воды, проходящей через эти места. Это, в свою очередь, может приводить к значительной эрозии змеевиков охлаждения в этих местах и, таким образом, преждевременному отказу змеевика охлаждения.

Согласно данному признаку настоящего изобретения этой проблемы избегают путем перемещения выпускного коллектора 84 для охлаждающей воды на высоту, которая ниже выпускной линии 79. Согласно одному аспекту выпускной коллектор расположен ниже верхней части последнего участка змеевика охлаждения по меньшей мере одного змеевика охлаждения, более желательно ниже последнего участка основной части или даже всех змеевиков охлаждения. Согласно другому аспекту выпускной коллектор расположен ниже верхней части всех участков змеевика охлаждения по меньшей мере в одном змеевике, более желательно ниже верхних частей всех участков змеевика охлаждения во всех змеевиках охлаждения. См. фиг. 11, на которой схематически показаны данные признаки.

При таком расположении обратный поток дополнительных количеств охлаждающей воды из выпускного коллектора 82 для охлаждающей воды в остановленный змеевик охлаждения из-за силы тяжести предотвращается практически полностью, поскольку выпускная линия 79 для охлаждающей воды, а согласно одному аспекту повернутые вверх И-образные фитинги 63 расположены слишком высокого над выпускным коллектором 82, чтобы облегчать силе тяжести перемещение какого-либо значительного количества охлаждающей воды назад в остановленный змеевик охлаждения.

Хотя только несколько вариантов осуществления настоящего изобретения были описаны выше, будет очевидно, что много модификаций можно сделать без отклонения от сущности и объема настоящего изобретения. Все такие модификации должны включаться в объем настоящего изобретения, которое должно ограничиваться только следующей формулой изобретения.

Claims (6)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Узел змеевиков охлаждения для отвода тепла, образующегося в реакторе окисления или аммоксидирования, содержащий множество змеевиков охлаждения, причем каждый змеевик охлаждения содержит множество участков змеевика охлаждения, находящихся в жидкостной связи друг с другом последовательно, так, чтобы определить канал для охлаждающей воды, имеющий впускное отверстие для охлаждающей воды и выпускное отверстие для охлаждающей воды, причем каждый участок змеевика охлаждения определяет вертикально направленную плоскость участка змеевика охлаждения, причем каждый змеевик охлаждения проходит изнутри реактора в направлении периметра реактора по соответственной вертикально направленной главной плоскости змеевика охлаждения, причем, по меньшей мере, некоторые участки змеевика охлаждения по меньшей мере в одном змеевике охлаждения расположены так, что их плоскости участков змеевика охлаждения перпендикулярны главной плоскости змеевика охлаждения этого змеевика охлаждения, и причем узел змеевиков охлаждения дополнительно содержит опору для каждого змеевика охлаждения, причем каждая опора расположена над ее соответствующим змеевиком охлаждения, причем узел змеевиков охлаждения дополнительно содержит подвески змеевиков охлаждения, расположенные для подвешивания каждого змеевика охлаждения на его соответствующей опоре.
2. 2. Узел змеевиков охлаждения по п.1, в котором все участки змеевика охлаждения по меньшей мере в одном змеевике охлаждения расположены так, что их плоскости участков змеевика охлаждения пер

   - 7 032540 пендикулярны главной плоскости змеевика охлаждения этого змеевика охлаждения.
3. 3. Узел змеевиков охлаждения по п.1, в котором все участки змеевика охлаждения во всех змеевиках охлаждения расположены так, что их плоскости участков змеевика охлаждения перпендикулярны главной плоскости змеевика охлаждения этого змеевика охлаждения.
4. 4. Узел змеевиков охлаждения по п.1, в котором змеевики охлаждения в общем параллельны друг другу.
5. 5. Узел змеевиков охлаждения по п.1, в котором змеевики охлаждения содержат от приблизительно 40 до приблизительно 60 участков змеевика охлаждения на 1 м диаметра реактора.
6. 6. Способ отвода тепла, образующегося в реакторе окисления или аммоксидирования, предусматривающий обеспечение узла змеевиков охлаждения по пп.1-5 в реакторе и обеспечение потока охлаждающей воды через указанный узел змеевиков охлаждения.

   (Уровень техники)