RU2624378C1

RU2624378C1 - Heat exchanger-reactor

Info

Publication number: RU2624378C1
Application number: RU2016130661A
Authority: RU
Inventors: Лут Бурганович Низамиев; Риннат Галеевич Нуруллин; Виктор Михайлович Гуреев; Ильнур Лутович Низамиев; Юрий Федорович Гортышов; Михаил Викторович Швецов; Иван Федорович Калачев
Original assignee: Закрытое акционерное общество "Татарский центр катализа Эрэфэн" (ЗАО "ТЦК Эрэфэн")
Priority date: 2016-07-25
Filing date: 2016-07-25
Publication date: 2017-07-03

Abstract

FIELD: heating system.

SUBSTANCE: heat exchanger-reactor, having a tube bundle with detachable connection, comprises a frustoconical-shaped housing element, tubes, except the central one, are arranged obliquely with respect to the axis and around the axis. Housing element on top and bottom is covered with bottoms. The tube bundle with its small tube grid is connected to protrusion of the housing element thickening from below with a bolted connection. When removing the tube bundle from the housing element and when connecting, a specialized pallet-trolley is used.

EFFECT: technical equipment range expansion.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в энергетике, нефтехимической, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности, в частности, в процессах, протекающих с большими тепловыми эффектами.The invention relates to heat engineering and can be used in energy, petrochemical, oil refining and other industries, in particular, in processes that occur with great thermal effects.

Известен кожухотрубный теплообменник с плавающей головкой, где одна из трубных решеток теплообменника не прикреплена к корпусу. При нагревании корпус и трубный пучок не испытывают температурных напряжений. Герметичность трубного пространства обеспечивается прокладкой, расположенной между подвижной трубной решеткой и фланцем крышки плавающей головки. В подобных аппаратах более удобен монтаж и демонтаж узлов, осмотр и чистка трубного пучка коррозии, пыли насыпного материала и других загрязнений. (ГОСТ 14246-79; ГОСТ 27601-88 Аппараты теплообменные кожухотрубные),Known shell-and-tube heat exchanger with a floating head, where one of the tube sheets of the heat exchanger is not attached to the housing. When heated, the casing and the tube bundle do not experience temperature stresses. The tightness of the tube space is ensured by a gasket located between the movable tube sheet and the flange of the floating head cover. In such devices, assembling and disassembling units, inspection and cleaning of the tube bundle of corrosion, dust, bulk material and other contaminants are more convenient. (GOST 14246-79; GOST 27601-88 Heat exchangers shell-and-tube),

Известное устройство недостаточно эффективно при больших объемных скоростях в межтрубном пространстве, а также обладает большой металлоемкостью.The known device is not effective enough at high space velocities in the annulus, and also has a large metal consumption.

Известен пластинчатый аппарат, который служит основой кожухопластинчатого теплообменника и представляет собой полностью сварной пакет пластин, помещенный во внешний кожух. Пластины сваривают попарно между собой, затем по периметру в пакет. Одна среда входит и выходит через присоединительные патрубки сварного пакета пластин. Эти патрубки вварены в крышку кожуха при потоке, направленном со стороны пластин. Другая среда входит через присоединительный патрубок, расположенный на цилиндрической поверхности кожуха, направляется в каналы между пластинами при помощи периферийных металлических направляющих и выходит через выходной патрубок при направлении потока этой среды со стороны кожуха. Конструкция данного теплообменника может быть полностью сварной, либо со съемной передней частью. Отличительными признаками являются компактность, удобство ремонта и чистка поверхностей (патент RU №2206851, МПК F28D 09, опубл. 20.06.2003).Known plate apparatus, which serves as the basis for a shell-plate heat exchanger and is a fully welded package of plates placed in an outer casing. The plates are welded in pairs between each other, then around the perimeter in a package. One medium enters and exits through the connecting pipes of the welded package of plates. These nozzles are welded into the cover of the casing with the flow directed from the side of the plates. Another medium enters through a connecting pipe located on the cylindrical surface of the casing, is guided into the channels between the plates using peripheral metal guides and exits through the outlet pipe in the direction of flow of this medium from the casing. The design of this heat exchanger can be fully welded, or with a removable front. Distinctive features are compactness, ease of repair and cleaning of surfaces (patent RU No. 2206851, IPC F28D 09, publ. 06/20/2003).

В известном устройстве не достигается равномерность теплообмена во всех точках теплообменных поверхностей из-за неравномерного распределения скоростей теплоносителей, кроме того, высокие требования к качеству сварки и к однородности структуры металла пластин.In the known device, the uniformity of heat transfer at all points of the heat exchange surfaces is not achieved due to the uneven distribution of coolant speeds, in addition, high demands on the quality of welding and the uniformity of the structure of the metal plates.

Известен теплообменник, в частности, для высокотемпературного ядерного реактора, который рассчитан на большие расходы и перепады температур. Выполнен в виде части установки, содержащей собственно теплообменники, изготовленные в форме модулей, имеющих форму параллелепипеда, собранных из пластин в виде вертикальных стопок. Кроме этого установка имеет вентилятор для циркуляции первого теплоносителя. Теплообменники компанованы вокруг центрального коллектора, чередуясь с осевыми коллекторами. При этом термомеханические изменения в теплообменниках компенсируются соединительными элементами, жесткость которых меньше, а гибкость больше относительно соединяемых узлов. Осмотр и ремонт теплообменников обеспечивают извлечением их из корпуса в виде единого блока, объединяющего теплообменники, входные и выходные камеры и коллекторы (патент RU №2414661, МПК F28F 9/02, опубл. 20.03.2011).A heat exchanger is known, in particular for a high-temperature nuclear reactor, which is designed for high costs and temperature changes. Made in the form of a part of the installation containing the actual heat exchangers made in the form of modules having the shape of a parallelepiped assembled from plates in the form of vertical stacks. In addition, the installation has a fan for circulating the first coolant. Heat exchangers are arranged around a central manifold, alternating with axial manifolds. In this case, the thermomechanical changes in the heat exchangers are compensated by connecting elements, the rigidity of which is less, and the flexibility is greater relative to the connected nodes. Inspection and repair of heat exchangers is provided by removing them from the housing in the form of a single unit uniting heat exchangers, input and output chambers and collectors (patent RU No. 2414661, IPC F28F 9/02, publ. 20.03.2011).

Известное устройство отличается сложностью извлечения блока узлов из корпуса. Существует опасность перегревов в соединительных элементах и необратимая деформация.The known device is difficult to extract a block of nodes from the housing. There is a risk of overheating in the connecting elements and irreversible deformation.

Наиболее близким к заявляемому изобретению и принятым за прототип является теплообменник-реактор, который содержит корпус (кожух) в форме усеченного конуса с днищами, патрубки ввода и вывода теплоносителей трубного и межтрубного пространств, трубные решетки, в отверстиях которых закреплены конусообразные трубки по меньшей мере, образуя два ряда трубок (Патент RU №2511815, МПК F28D 7/00, опубл. 10.04.2014 Бюлл. №10).Closest to the claimed invention and adopted for the prototype is a heat exchanger-reactor, which contains a housing (casing) in the form of a truncated cone with bottoms, inlet and outlet pipes of the heat transfer medium of the pipe and annular spaces, tube sheets, in the openings of which conical tubes are fixed at least forming two rows of tubes (Patent RU No. 2511815, IPC F28D 7/00, publ. 04/10/2014 Bull. No. 10).

Однако известный теплообменник-реактор по прототипу является недостаточная универсальность. Его использовать в процессах, сопровождаемых постепенными накоплениями не целевыми продуктами, приводящими к частым остановкам и очистки, экономически не выгодно. При использовании в качестве реакторов в гетерогенно каталитических процессах, обновление и перегрузка катализаторов занимает много времени и дополнительных ресурсов.However, the known heat exchanger-reactor of the prototype is a lack of versatility. It is not economically viable to use it in processes accompanied by the gradual accumulation of non-target products, leading to frequent shutdowns and cleaning. When used as reactors in heterogeneous catalytic processes, updating and reloading catalysts takes a lot of time and additional resources.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение заключается в расширении универсальности, уменьшении эксплуатационных расходов, а также увеличении надежности работы при больших перепадах температур, за счет возможности извлечения трубного пучка из корпуса при ремонте, очистки и замене катализатора.The technical result, to which the present invention is directed, is to expand versatility, reduce operating costs, as well as increase the reliability of operation at large temperature differences, due to the possibility of removing the tube bundle from the housing during repair, cleaning and replacement of the catalyst.

Технический результат достигается тем, что в теплообменнике-реакторе, содержавшем корпус в форме усеченного конуса с днищами, патрубки ввода и вывода теплоносителей трубного и межтрубного пространств, трубные решетки, в отверстиях которых закреплены конусообразные трубки, а в центральной трубке температурные и другие датчики. При этом трубный пучок со стороны малой трубной решетки имеет с кожухом разъемное соединение, для чего, верхняя часть стенки корпуса выполнена с утолщением кверху и с переходом в горизонтальный выступ, направленный внутрь корпуса. Малая трубная решетка имеет по наружному диаметру кольцевую расточку, образующую ступеньку, в которой жестко закреплены штыри, расположенные равномерно по окружности и имеющие в верхней части резьбу. Выступ корпуса, длина которого равна ширине расточки, имеет отверстия для установки его на штыри расточки трубной решетки, при этом корпус и трубная решетка закреплены с помощью резьбового соединения гайкой. Между горизонтальной поверхностью расточки и внутренней поверхностью выступа имеется кольцевая прокладка. Горизонтальная поверхность расточки в трубной решетке имеет канавки.The technical result is achieved by the fact that in a heat exchanger-reactor containing a truncated cone-shaped body with bottoms, inlet and outlet nozzles of the heat transfer medium of the pipe and annular spaces, pipe grates, in the openings of which cone-shaped tubes are fixed, and temperature and other sensors in the central tube. In this case, the tube bundle from the side of the small tube sheet has a detachable connection with the casing, for which the upper part of the casing wall is made with a thickening upward and with a transition to a horizontal ledge directed inside the casing. The small tube sheet has an outer diameter of an annular bore forming a step, in which pins are mounted rigidly, arranged uniformly around the circumference and having a thread in the upper part. The protrusion of the housing, the length of which is equal to the width of the bore, has holes for mounting it on the pins of the bore of the tube sheet, while the case and tube sheet are fixed with a threaded nut. Between the horizontal surface of the bore and the inner surface of the protrusion there is an annular gasket. The horizontal surface of the bore in the tube sheet has grooves.

На фиг. 1 представлен схематичный общий вид теплообменника-реактора.In FIG. 1 is a schematic general view of a heat exchanger-reactor.

На фиг. 2 - узел А, схема соединения трубного пучка с днищем и корпусом.In FIG. 2 - node A, the connection diagram of the tube bundle with the bottom and the housing.

Теплообменник-реактор (фиг. 1) содержит корпус 1 с днищами 2 и 3, патрубки 4 и 5 ввода и вывода теплоносителя трубного пространства, патрубки 6 и 7 ввода и вывода теплоносителя межтрубного пространства. Трубный пучок 8 ограничен трубными решетками 9 и 10. Малая из них 9 имеет по наружному диаметру кольцевую расточку 11 (фиг. 2). В разрезе она напоминает ступеньку, в которую равномерно по окружности жестко закреплены штыри 12. Они в свободном конце имеют резьбу 13. Кольцевой выступ 14 имеет отверстия 15 для установки на штыри 12 расточки 11. Выступ 14 равен ширине расточки II. Корпус 1 и трубная решетка 9 закреплены резьбовым соединением гайкой 16 с шайбами 17 и 18. Между горизонтальной поверхностью расточки 11 и внутренней поверхностью выступа 19 имеется кольцевая прокладка 20 с отверстиями. Теплообменник-реактор (фиг. 1) со стороны малых диаметров герметично закрывается днищем 2 фланцевым соединением 21, а со стороны больших диаметров - днищем 3 фланцевым соединением 22, 23, между которыми зажат фланец 24 трубной решетки 10. Фланцевые прокладки на чертеже не показаны.The heat exchanger-reactor (Fig. 1) contains a housing 1 with bottoms 2 and 3, nozzles 4 and 5 of the input and output of the coolant of the pipe space, pipes 6 and 7 of the input and output of the coolant of the annulus. The tube bundle 8 is bounded by tube sheets 9 and 10. The smallest of them 9 has an outer diameter of an annular bore 11 (Fig. 2). In the context, it resembles a step into which the pins 12 are rigidly fixed uniformly around the circumference. They have a thread 13 in their free end. The annular protrusion 14 has holes 15 for mounting on the pins 12 of the bore 11. The protrusion 14 is equal to the width of the bore II. The housing 1 and the tube sheet 9 are fixed by a threaded connection with a nut 16 with washers 17 and 18. Between the horizontal surface of the bore 11 and the inner surface of the protrusion 19 there is an annular gasket 20 with holes. The heat exchanger-reactor (Fig. 1) is sealed on the small diameters side by the bottom 2 of the flange connection 21, and on the large diameters side by the bottom 3 of the flange connection 22, 23, between which the flange 24 of the tube sheet 10 is clamped. The flange gaskets are not shown in the drawing.

Трубный пучок 8 имеет несколько рядов наклонных конусообразных трубок 25 (точнее в форме усеченных конусов) и центральную вертикальную подобную же трубку 26. Корпус 1 имеет один из известных видов приспособлений 27 для захвата крюками подъемного устройства, снаружи снабжен опорными деталями 28 для закрепления аппарата на цеховых конструкциях.The tube bundle 8 has several rows of inclined cone-shaped tubes 25 (more precisely, in the form of truncated cones) and a central vertical similar tube 26. The housing 1 has one of the known types of devices 27 for gripping the lifting device with hooks, provided with supporting parts 28 for securing the device to the workshop designs.

Теплообменник-реактор работает следующим образом.The heat exchanger-reactor operates as follows.

Теплоноситель или сырьевая смесь поступает в трубное пространство через патрубок 4 и малое днище 2. При прохождении по трубкам 25 и 26 происходит теплообмен через стенки трубок с теплоносителем, циркулирующим в межтрубном пространстве, поступая через патрубок 6, омывая наружные поверхности трубок 25 и 26 трубного пучка 8, покидающим межтрубное пространство через патрубок 7. Это - в случае осуществления процесса противотоком. В случае прямотока, теплоноситель межтрубного пространства поступает через патрубок 7 и двигается в одном направлении с теплоносителем, поступающим через патрубок 4. В случае подачи теплоносителя в трубное пространство со стороны больших диаметров, теплоноситель или сырьевая смесь поступает через патрубок 5, после прохождения через трубки 25 и 26 выходит через патрубок 4. Если при этом теплоноситель межтрубного пространства поступает через патрубок 7 и выходит через патрубок 6, то это также будет организацией потоков противотоком. Возможны варианты других организаций.The coolant or the raw material mixture enters the pipe space through the pipe 4 and the small bottom 2. When passing through the pipes 25 and 26, heat is exchanged through the walls of the pipes with a coolant circulating in the annulus, entering through the pipe 6, washing the outer surfaces of the tubes 25 and 26 of the tube bundle 8, leaving the annulus through the nozzle 7. This is - in the case of the process countercurrent. In the case of direct flow, the annulus coolant enters through the nozzle 7 and moves in the same direction as the coolant entering through the nozzle 4. If the coolant is supplied to the annulus from the side of large diameters, the coolant or raw material mixture enters through the nozzle 5, after passing through the tubes 25 and 26 exits through the pipe 4. If at the same time the coolant of the annular space enters through the pipe 7 and exits through the pipe 6, then this will also be the organization of flows in countercurrent. Options for other organizations are possible.

Извлечение из корпуса 1 трубного пучка 8 осуществляют в следующей последовательности. После промывки, просушки и продувки трубного и межтрубного пространств, разбирают фланцевое соединение 21 и отсоединяют днище 2. Ослабляют резьбовые соединения, разболчивая гайки 16 примерно на 2-3 витка. Захватывают крюками подъемного устройства за приспособление 27 в четырех местах для поддержания под натягом кожух 1. Под аппарат подкатывают тележку-поддон с регулируемым столиком. Разболчивают шпильки у фланцев 22, 23 и 24. При этом днище 3 оставляют на столике тележки; затем отвозят в сторону или в цех. Пустую тележку подводят под трубную решетку 10 пучка 8. Гайками 16 опускают трубный пучок 8 с решеткой 10. Затем отделяют фланец 24 от фланца 23. При этом между фланцем 23 и 24 образуется некоторый просвет. В этот промежуток подводят соответствующие отверстия столика. Затем временно закрепляют трубный пучок 8 фланцем 24 с помощью шпилек минимум в четырех местах к столику. Трубный пучок 8 еще больше опускают одновременно гайками 16 и столиком тележки под собственным весом до нижних деталей тележки.Removing from the housing 1 of the tube bundle 8 is carried out in the following sequence. After washing, drying and purging the pipe and annular spaces, disassemble the flange connection 21 and disconnect the bottom 2. Loosen the threaded connections by loosening the nuts 16 by about 2-3 turns. Grab the hooks of the lifting device by the fixture 27 in four places to maintain the cover 1 under the interference fit. A pallet truck with an adjustable table is rolled under the device. The studs are ground at flanges 22, 23 and 24. At the same time, the bottom 3 is left on the trolley table; then transported to the side or to the workshop. An empty trolley is brought under the tube sheet 10 of the beam 8. The nuts 16 lower the tube bundle 8 with the wire 10. Then the flange 24 is separated from the flange 23. At the same time, a certain gap is formed between the flange 23 and 24. The corresponding holes of the table are brought into this gap. Then, the tube bundle 8 is temporarily fixed by the flange 24 with the help of studs in at least four places to the table. The tube bundle 8 is further lowered simultaneously by the nuts 16 and the trolley table under its own weight to the lower parts of the trolley.

Временные шпильки, закрепившие фланец 24 и столик, разболчивают, предварительно закрепив трубный пучок крепежными изделиями тележки для транспортировки. При этом кожух 1 остается висеть на подъемном устройстве.Temporary studs, securing the flange 24 and the table, shake, pre-securing the tube bundle fasteners carts for transportation. In this case, the casing 1 remains hanging on the lifting device.

Для соединения нового трубного пучка или пучка с новым катализатором запасную тележку с трубным пучком 8 подкатывают под висячий на подъемном устройстве корпус 1. Минимум в четырех местах временно соединяют фланцы 23 и 24 металлическими стержнями, пропустив через их отверстия для предотвращения от возможных отклонений от вертикали при движении вверх. Подъем трубного пучка 8 начинают с помощью подъемного механизма тележки и подъемного устройства одновременно. После прохождения штырей 12 примерно половину болтового соединения и выступа 14, временные направляющие стержни убирают. Болтовое соединение комплектуют, надевая через резьбовой конец штырей 12 прокладку 20, круглые шайбы 18 и пружинистые шайбы 17. Трубную решетку 9 подтягивают к выступу 14 гайками 16. Далее, затягивание гаек 17 доводят до расчетного усилия.To connect a new tube bundle or bundle with a new catalyst, a spare bogie with a tube bundle 8 is rolled up under housing 1. The flanges 23 and 24 are temporarily connected at least in four places with metal rods, passing through their holes to prevent possible deviations from the vertical upward movement. The rise of the tube bundle 8 is started using the lifting mechanism of the trolley and the lifting device at the same time. After passing the pins 12, approximately half the bolted connection and the protrusion 14, the temporary guide rods are removed. The bolt connection is completed by putting on the gasket 20 through the threaded end of the pins 12, round washers 18 and spring washers 17. The tube sheet 9 is pulled to the protrusion 14 by the nuts 16. Next, tightening the nuts 17 is adjusted to the calculated force.

Тележку подкатывают под аппарат, ее подъемный механизм доводят до фланцев 23 и 24. Затем эти фланцы затягивают через прокладку шпильками с гайками. Проводят гидроиспытание межтрубного пространства. Это фланцевое соединение разбирают, спускают жидкость опрессовани, осуществляют просушку и продувку.The cart is rolled under the apparatus, its lifting mechanism is adjusted to flanges 23 and 24. Then these flanges are pulled through the gasket with studs and nuts. Hydrotest annulus. This flange joint is disassembled, the compression fluid is drained, drying and purging are carried out.

Днище 3 подкатывают на тележке, поднимают, совмещают отверстия у всех трех фланцах - 22, 23 и 24, а также риски на их торцовых поверхностях. Трубную решетку 10 закрепляют, оставляя ее фланец 24 между фланцами 22 и 23, снабженными прокладками, затягивая гайки со шпильками до расчетных усилий. Теплообменник-реактор закрепляют на цеховых конструкциях опорами 28. Крюки подъемного устройства отпускают. Днище 2, а также входные и выходные патрубки устанавливают на свои места. При необходимости снятые местные приборы и датчики монтируют на соответствующих местах.The bottom 3 is rolled up on a trolley, raised, the holes are aligned at all three flanges - 22, 23 and 24, as well as the risks on their end surfaces. The tube sheet 10 is fixed, leaving its flange 24 between the flanges 22 and 23 provided with gaskets, tightening the nuts with studs to the design forces. The heat exchanger-reactor is fixed on the shop structures with supports 28. The hooks of the lifting device are released. The bottom 2, as well as the inlet and outlet pipes are installed in their place. If necessary, the removed local devices and sensors are mounted in appropriate places.

В некоторых случаях неизбежны частые остановки аппаратов из-за развития процессов накопления внутри в тех или других пространствах. Например: при образовании накипи в кипятильниках, газогидратов в охладителях, нежелательная полимеризация в аппаратах поликонденсации, не плановая потеря активности катализатора и т.д. Иногда приходится срезать корпус для очистки, ремонта или замены трубного пучка. По сравнению с аппаратами с плавающей головкой, согласно настоящему изобретению, разъединение трубного пучка с кожухом быстрее и легче, т.. к. извлечение пучка осуществляют в вертикальном положении; по мере движения вниз, промежуток между трубным пучком и кожухом все больше увеличивается, исключается торможение накопленной массой. При этом не нужно тратить энергию, работает собственный вес трубного пучка, нужно лишь равномерно разболчивать гайки на концах штырей.In some cases, frequent device shutdowns are inevitable due to the development of accumulation processes inside in one or another space. For example: with the formation of scale in boilers, gas hydrates in coolers, undesired polymerization in polycondensation apparatus, unplanned loss of catalyst activity, etc. Sometimes it is necessary to cut the housing to clean, repair or replace the tube bundle. Compared with devices with a floating head, according to the present invention, the separation of the tube bundle with the casing is faster and easier, since the extraction of the beam is carried out in a vertical position; as you move down, the gap between the tube bundle and the casing increases more and more, the inhibition of the accumulated mass is excluded. In this case, you do not need to waste energy, the own weight of the tube bundle works, you just need to evenly loosen the nuts at the ends of the pins.

При наличии запасного трубного пучка, время замены трубного пучка сокращают не менее, чем на порядок. В случае работы с реакторами, наполненными катализаторами, содержащими драгоценные металлы, которые расходуются при выгрузке и загрузке в обычных условиях промышленного производства до 2 мас.%, по изобретению потери сокращаются до 0,2% и менее.In the presence of a spare tube bundle, the time of replacing the tube bundle is reduced by no less than an order of magnitude. In the case of work with reactors filled with catalysts containing precious metals, which are consumed during unloading and loading under normal industrial production conditions up to 2 wt.%, According to the invention, losses are reduced to 0.2% or less.

Claims

1. A heat exchanger-reactor, comprising a truncated cone-shaped body with bottoms, inlet and outlet nozzles of the heat transfer medium of the pipe and annular spaces, tube sheets, in the openings of which cone-shaped tubes are fixed, and temperature sensors and other sensors in the central tube, characterized in that the tube bundle from the side of the small tube sheet there is a detachable connection with the body, for which the upper part of the wall of the body is made with a thickening up and with a transition to a horizontal ledge directed inside the body, a small pipe The box has an outer diameter of an annular bore that forms a step, in which pins are rigidly fixed, arranged uniformly around the circumference and having threads in the upper part, the protrusion of the casing is equal to the width of the bore and has holes for mounting it on the bores of the tube sheet, while the case and pipe the lattice is fixed with a threaded nut, between the horizontal surface of the bore and the inner surface of the protrusion there is an annular gasket.

2. The heat exchanger-reactor according to claim 1, characterized in that the horizontal surface of the bore in the tube sheet has grooves.