Кожухотрубный реактор

Актуальность
При создании новых и модернизации существующих кожухотрубных реакторов для проведения изотермических и неизотермических процессов главной задачей является снижение энергозатрат и повышения производительности.
Основной проблемой большинства известных конструкций кожухотрубных реакторов является неодинаковый расход реакционной массы в трубах, что приводит к снижению общей степени конверсии и качества продуктов реакции.

Кожухотрубный реактор
а) общий вид кожухотрубного реактора; б) распределительное устройство на входе реакционной массы в трубу;
1 - корпус; 2,3 - патрубки входа и выхода теплоносителя; 4,5 - патрубки входа и выхода реакционной массы; 6 - трубные решетки; 7 - трубы трубного пучка; 8 - распределительное устройство; 9 - цилиндрическая пружина; 10 - стержень; 11 - груз
Рисунок 1 - Кожухотрубный реактор
Кожухотрубный реактор (рисунок 1) содержащий корпус 1, трубные решетки 6, пучки труб 7, технологические патрубки и распределительные устройства 8, каждое из которых выполнено в виде конической крышки, жестко соединенной упругой цилиндрической пружиной 9 с нижним торцом трубы и установленной осессиметрично с ней, при этом вершина конуса направлена на вход в трубу реакционной массы, причем, под каждой конической крышкой закреплен осесимметрично с ней груз массой, определяемой из выражения:
где mr - масса груза, кг;
a - упругость цилиндрической пружины, Н/м;
l - длина трубы, м;
с - скорость звука для газа в трубе, м/c;
mk - масса конической крышки, кг.
(1)

Жесткое осесимметричное закрепление под каждой конической крышкой груза, позволяет поддерживать осесимметричное расположение каждой крышки относительно оси сопряженной с ней трубы без переноса, что позволяет выравнивать подачу газовой реакционной массы в трубы с равным расходом и обеспечить высокую производительность на выходе из кожухотрубного реактора.
Установка груза массой, определяемой из выражения (1), позволяет обеспечить резонансный режим колебаний с большой амплитудой этого груза и конической крышкой (образующих с упругой цилиндрической пружиной физический маятник) с газовой реакционной массой, движущейся внутри трубы. Интенсивная вибрация конической крышки под каждой трубой способствует турбулизации газовой реакционной массы на входе в трубы, обеспечивающей свободные осевые перемещения конической крышки в зависимости от локального расхода, а значит скорости газовой реакционной массы на входе в трубу, изменению проходного сечения между конической крышкой и входам в трубу, и выравниванию локальных расходов этой массы и температуры, что приводит к увеличению производительности по продуктам реакции.
Кожухотрубный реактор

Выбор массы груза по выражению (1) приводит к равенству частот колебаний газовой реакционной массы в трубе и собственной частоты колебаний конической крышки с грузом, подвешенных на упругой цилиндрической пружине и образующих пружинный маятник.
Цилиндрический столб газа в трубе длиной l имеет собственную частоту колебаний:
(2)
где с - скорость звука в газе, м/c.
Собственная частота колебаний пружинного маятника:
где mr - масса груза, кг;
a - упругость цилиндрической пружины, Н/м;
mk - масса конической крышки, кг
(3)

Пример расчета кожухотрубного реактора
В кожухотрубном реакторе под каждой трубой трубного пучка установлена на упругой цилиндрической пружине коническая крышка .
Длина труб составляет l=6 м;
Коническая крышка имеет массу mk=0,15 кг;
Упругость цилиндрической пружины: a=10400 Н/м.
Определим из выражения (1) массу груза со стержнем, обеспечивающим резонансный режим их колебаний вместе с конической крышкой на упругой цилиндрической пружине , то есть с частотой, совпадающей с частотой колебаний газовой реакционной массы в трубах . В трубах движется реакционная масса, основой которой является воздух. Скорость звука в воздухе с=330 м/с.
Подставляем численные значения вышеназванных параметров в выражение (1) получаем массу груза со стержнем :
кг
Определяем по уравнению (2) частоту колебаний воздушной реакционной массы в трубах :
Гц
Определяем по уравнению (3) собственную частоту колебаний пружинного маятника, образованного упругой цилиндрической пружиной с суммарной массой стержня и груза:
Гц
Таким образом, при массе груза со стержнем, определяемой из выражения (1), частоты колебаний воздушной реакционной массы в трубах совпадет с собственной частотой колебаний пружинного маятника, образованного упругой цилиндрической пружиной с суммарной массой mr стержня и груза .

Вывод
Разработанная конструкция кожухотрубного реактора, позволяет увеличить производительность за счет обеспечения резонансного режима колебаний с большой амплитудой груза и конической крышкой с газовой реакционной массой, движущейся внутри трубы.
Резонансный режим колебаний способствует выравниванию локальных расходов реакционной массы в трубах трубного пучка, средних скоростей и времени пребывания газовой реакционной массы внутри труб, равномерному и одинаковому температурному режиму по высоте труб, а значит одинаковой степени конверсии.