CN101304803A - 等温化学反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种等温反应器(1)，其包括：基本圆柱形的外壳(2)；在外壳(2)中支撑的至少一个催化床(10)；和在床(10)中支撑的至少一个热交换单元(13)，该热交换单元(13)包括：基本拉长矩形和扁平结构的基本盒状的多个交换器(14)，每个交换器(14)具有：与圆柱形的外壳(2)轴平行的相对的长侧(14a)；和相对外壳轴垂直延伸的相对的短侧(14b，14c)，并且还包括：热交换工作流体将要流动通过的内腔室(18)，其中：至少一个热交换单元(13)的至少一个交换器(14)内部设有多个分隔挡板(19)，该分隔挡板从交换器的短侧(14b或14c)向相对的短侧(14c或14b)延伸，并且相对于后者以预定的间隔关系延伸，在所述内腔室(18)中限定了具有交替上升和下降部的基本之字形流体路径。

Description

等温化学反应器
技术领域
在其最普通的方面，本发明涉及一种类型的化学反应器，包括：基本圆柱形的外壳(或压力外壳)，在其相对端部通过各自的底部封闭；在所述外壳中的反应区，其中布置至少一个催化床；和浸入所述催化床中的热交换单元。
背景技术
一个这样的反应器特别用于在基本等温的条件下执行的散热或吸热的化学反应，即该反应温度处于大约预定值或大约预定温度曲线的值的非常严格的范围中的条件下。
在以下的说明中和随后的权利要求中，上述类型的反应器等同于准等温反应器，或简称为等温反应器。
更具体地，本发明作为这种类型的等温反应器，内部构成为以允许试剂气体和气态反应产物沿径向或轴-径向方向横穿过催化床(参照所述反应器的圆柱形的外壳轴)，并包括热交换单元，该热交换单元由多个板件、基本盒状的热交换器组成，所述热交换器在其内部限定腔室，热交换工作流体将会流动通过该腔室。
上面指出的该类型的等温反应器在本领域广泛已知。在该反应器中，散热或吸热的预定的化学反应的动力学受益于下述因素：横穿过各自的热交换单元的工作流体从反应环境(催化床)中流出/流入到反应环境中，或从反应环境传送热量/将热量传送至反应环境，以加速反应的完成。
为了获得最优的与试剂气体和气态反应产物的热交换效率，热交换工作流体必须沿径向或基本径向的方向、与所述气体顺流或逆流地顺序横穿过热交换单元的每个热交换器。
为此，热交换单元中的每个交换器都具有大致拉长的矩形或扁平结构的基本盒状的结构，具有相对的长侧和相对的短侧，在其内部限定了热交换工作流体将要流过其中的腔室，并且配置有在其相对的长侧处布置的所述工作流体的分配导管和收集器导管。该导管的一侧通过沿一条或多条母线在导管上定位的多个开口或孔与内腔室流体连通，并且另一侧通过各个所述工作流体的入口和出口连接与交换器外部流体连通。
每个交换器的内腔室可被依次分成多个腔室，所述多个腔室彼此不直接连通，并平行于交换器的短侧延伸，即垂直于其分配器和收集器导管。所述腔室中的每个通过这些部件中的至少一个开口与分配器导管和收集器导管流体连通，并且配置有平行于收集器和分配器导管延伸的多个偏转挡板，从而在每个腔室中限定基本迷宫类的流体通路。
流体以这种方式在每个交换器内被分成多个流，所述多个流沿径向或轴-轴向方向在每个迷宫中平行流动，相对于横穿过催化床的试剂气体和反应产物的方向同向或反向流动。
即使上述反应器在几个方面具有优势，特别在热交换的效率方面具有优势，但是上述反应器具有难以克服的严重缺陷，并且实现上述热交换器的成本相对较高，并且尤其是实现分配器和收集器导管的成本。
在该方面，应该注意的是，为了容纳将要流入的和从每个交换器的内腔室中分别流出的工作流体的流，则需要相当大的尺寸(端口)的这种导管，从而会产生交换器的总体尺寸问题。增加的制造困难，尤其是在交换器的制造过程中的困难以及分配器和收集器导管的机械强度，尤其是压力强度，导致了相对于交换器的内腔室的机械强度相当小的结果。
由于交换器较长，所以该分配器导管的尺寸(端口)和收集器导管的尺寸必须分别较大，并且因此，工作流体的流分别流入和流出，从而使上述缺点恶化。
发明内容
本发明主要解决的技术问题在于：可提供一种前面考虑过的类型的等温反应器，其具有：热交换单元，其将被更简单且更经济地制造，并且同时保持工作流体与试剂气体和气态反应产物的最优化的热交换效率，从而克服参照现有技术说明的上述缺点。
该问题通过等温反应器得以解决，其包括：基本圆柱形的外壳(2)；在外壳(2)中支撑的至少一个催化床(10)；和在床(10)中支撑的至少一个热交换单元(13)，该热交换单元(13)包括：基本拉长矩形和扁平结构的基本盒状的多个交换器(14)，每个交换器(14)具有：与圆柱形的外壳(2)轴平行的相对的长侧(14a)；和相对外壳轴垂直延伸的相对的短侧(14b，14c)，并且还包括：热交换工作流体将要流动通过的内腔室(18)，其中：至少一个热交换单元(13)的至少一个交换器(14)内部设有多个分隔挡板(19)，该分隔挡板从交换器的短侧(14b或14c)向相对的短侧(14c或14b)延伸，并且相对于后者以预定的间隔关系延伸，在所述内腔室(18)中限定了具有交替上升和下降部的基本之字形流体路径。
有利地，所述分隔挡板在所述至少一个交换器的内腔室内以彼此间隔预定距离的方式延伸，该预定距离被包含在在10mm和120mm之间，优选在20mm和60mm之间。
本发明基于意外的发现：由于设有具有上述热交换器的至少一个热交换单元的一个等温反应器，所以在工作流体与试剂气体和反应产物之间保持最优热交换效率；并且同时，由于这种单元的交换器的更大程度上的结构上的简化，热交换单元的制造成本显著减小，该结构上的简化不需要现有技术的交换器的复杂分配器和收集器导管。
此外，由于本发明，获得了在整个表面上具有的机械强度，尤其是压力强度均匀的一个热交换器，从而其还可以被方便地用在热交换器内循环的热交换工作流体与流动通过催化床的气态反应物之间的高压差的条件下。
应该指出：由于在根据本发明的反应器的交换器中，代替现有技术为具有最优热交换效率所需要的径向运动，热交换工作流体利用基本轴向运动(上升和下降)循环，上述与现有技术的一致教导形成鲜明对比。
现有技术所教导的仅提出在各自反应器的交换器中的热交换工作流的径向(或轴-径向)流而不是轴向流的主要原因的事实在于：由于热交换工作流体沿交换器的轴向路径经历冷却(或加热)，轴向流让位于在催化床的不同高度处的非均匀的温度范围。采用这种方式，由于代替径向方式流动通过催化床的试剂气体和反应产物将发现其本身处于相当不同的温度条件下，该温度条件取决于催化床的径向横穿的高度，所以反应动力学不支持。
然而，前述的缺陷可通过利用对应的内腔室的多个分隔挡板，实现至少一个热交换单元的热交换器，从而沿多个上升和下降部在交换器中分布热交换流体的流体通路而得到解决或至少大大减小。在这种方式下，可方便地注意到：在催化床的不同高度处测量的温度具有更均匀(更确切地说，最大温度差局限于百分几度)的结果，从而获得与现有技术的先前提及的交换器整体可比的热交换效率。
根据本发明，根据动力受控的散热或吸热反应的特征，每个交换器中的分隔挡板的数目(并且因此热交换流体的通路的上升和下降部的数目)可根据需要改变。通常，随着动力受控的反应的散热或吸热特征的增加，分隔挡板的数目增加，从而遍及催化床取得基本同质的温度。
此外，本发明的其它特征和优点将参照附图、从根据本发明的过程的实施例的下述描述中变得更清晰，参照附图的实例目的在于描述而非对本发明的限制。
附图说明
图1显示了根据本发明的结合包含多个交换器的一个热交换单元的径向等温反应器的部分截面的立体图；
图2示意地表示图1的热交换单元中的一个热交换器的视图；
图3表示沿图2的热交换器的线III-III截取的截面；
图4示意地表示沿图3的线IV-IV截取的图2的热交换器的截面。
具体实施方式
参照图1，等温反应器用1整体表示，其包括：具有垂直轴的圆柱形外壳2，外壳2分别通过下底3和上底4在相对端封闭。上底4通常设有开口6，开口6用于试剂气体的入口和检修孔5；同时下底3通常设有开口8和开口7，开口8用于排放气态反应产物；开口7用于催化剂的出口。
在外壳2中限定反应区或环境9，其中通常支撑有具有基本圆柱形构造并与外壳2同轴的反应床10。催化床10用外壳2限定了具有减小的宽度的空间11和其本身在外壳轴延伸的中央导管12。
催化床10被穿孔，以允许试剂气体从所述空间11到所述反应区9的通路，同时渗透至气体的中央导管12具有封闭的上端12a和打开的下端12b，并且与底部3的开口8直接流体连通。
催化床10将包含大量适当的催化剂(未显示)，其中：用13整体表示的热交换器以本来已知的方式浸没和支持。
所述热交换单元13具有总体圆柱形的结构，该结构具有基本等于所述催化床10的内径的外径，和基本等于轴向导管12的外径的内径。
具体而言，根据图1中示意的优选但非限制的实施例，所述热交换单元13包括多个热交换器14，多个热交换器14沿径向结构均匀地分布成同轴并且同心的两排。参照图2-4，每个交换器14都具有基本拉长的矩形结构，基本扁平的盒状结构。根据图1的结构，在热交换单元13中，所有的交换器14都设有与外壳2的轴平行的长侧14a和相对其垂直延伸的短侧14b和14c。
更具体而言，参照图2-4，该交换器14中的每个都由一对并列的金属片15，16组成，金属片15，16通过周边焊接17，以隔开预定间距的关系互相连结，从而腔室18限定在它们之间，热交换工作流体将会横穿腔室18。
根据本发明，多个连续分离档板19设置在交换器14内，彼此以预定距离相互分开，例如被包含在30mm和40mm之间。分隔挡板19沿与长侧14a相同的方向从交换器的短侧14b或14c以小与长侧14a的长度的预定长度延伸。
优选地，每个分隔挡板19通过形成所述交换器14的两个板15和16相互焊接的方式获得，从在其短侧14b或14c中的一侧上的预定位置开始，并向以预定关系间相对分隔的相对的短侧14c或14b延伸。
特别地，根据本发明，连续分离挡板19中的每对分隔挡板19都分别从相对的短侧14b和14c延伸，从而获得每个挡板19都将腔室18再分成两个邻近部分，该两个邻近部分仅在与挡板本身分开的14c或14b相对的短侧14b或14c附近相互连通。
在这种情况下，每个交换器14的腔室18内的热交换工作流体的运动沿基本“之”字形的路径进行，在其腔室的邻接部分处具有交替的上升和下降部。
在图中所示的非限制性的实例中，交换器14具有4个连续、等距分隔挡板19，其中：奇数分隔挡板19(从左向右计数)与交换器14的短侧14b分隔，同时偶数分隔挡板19从热交换器14的相对的短侧14c分隔。
因此，所述交换器14的腔室18被再分成5个部分，并且精确地分成两个相对的周边部分18a和18b和3个中央部分18c。
根据本发明的另一特征，每个交换器14的内腔室18的周边部分18a和18b中的每个分别通过设置在所述交换器14中的开口20，21与外部连通，在分隔挡板19从其上突起的短侧14b或14c上限定对应的周边部分18a或18b的界限。
管状连接20a，21a方便地分别接合在所述开口20，21中，优选地在交换器的制造期间接合。
在图2-4中所示的实例中，交换器14具有：在短侧14b处形成并与交换器14的内腔室18的周边部分18a相连通的热交换流体的入口开口20；和热交换流体的出口开口21，其在相对的短侧14c处形成并与相对的周边部分18b连通。
因此，在交换器14中的热交换流体的之字形路径将包括：从开口20起沿内腔室18的周边部分18a的下降运动；随后是在连续的中央部件18c中分别进行的上升、下降，和再上升的运动；并且然后在相对的周边部分18b中的下降运动，热交换流体可以从该相对的周边部分18b通过出口21从交换器14流出。
当安装以形成本发明的上述的热交换单元13时，在上述结构中(图1)，交换器14具有在外壳2中径向延伸的长垂直侧14a和短水平侧14b，14c；具体而言，与开口20相对的侧部14b形成每个交换器14的上侧，同时与开口21相对的侧部14c形成每个交换器4的下侧。
对于每排径向对齐的交换器14来说，导管22设置用于流入-分配热交换工作流体。因此，交换器14与所述流体的收集和排放的收集器导管23流体连通。导管22通过导管22a连接到所述交换器14的管状连接20a，同时导管23通过导管23a连接到交换器的连接器21a。
流入导管22横穿过外壳2以便在其外部连接到未示出的所述工作流体源(例如，由沸水、融化盐或相类似物组成)。
收集器导管23通过与流入导管22类似的方式通过外壳2接合，用以连接用于反应器外部的不同用途。
通过外壳2的导管22和23的接合通过分别使用适当的喷嘴24和25获得。在图1的实例中，喷嘴24设置在上底4上，同时喷嘴25在低于单个交换器14的下侧14c的高度的高度处设置在外壳2中。
根据仅在图2和4中表示出本发明的可选实施例，至少一个管状连接26a与至少一个热交换器14关联，以便其中流入额外的热交换工作流体。管状连接26a依次与流入-分配导管22流体连通(采用本来已知的方式，并且因此未示出)。管状连接26a方便地接合在限定在所述热交换器14的短侧14b或14c中的至少一侧中的对应的开口26中，并设置在所述长侧14a之间的中间位置上。具体而言，如图2和4中的实例所示，开口26优选设置在与交换器14的腔室18流体连通的上短侧14b上，在第一和第二中央部分18c之间。换言之，在自该侧分离的奇数挡板19之间限定的上短侧14b的空间中。
在这种情况下，由于借助于“新鲜”热交换工作流体的中间流入，可以控制或调节热交换工作流体在内部流动相同，所以容易地改善、增加热交换器14的热交换系数。
因此，本发明被构想为容许另外的变化或修改，所有的变化或修改均在本领域技术人员的能力范围内，并且因此，落入如以下权利要求所限定的本发明的保护范围内。
例如，明显可以将相对的长侧14a处热交换器14的开口20和21分别设置成接近或与上短侧14b和下短侧14c的水平重合的水平。
此外，可以设置与管状连接26a关联的热交换工作流体的分隔件和独立流入分布导管。

Claims (4)

1.等温反应器(1)包括：基本圆柱形的外壳(2)；在所述外壳(2)中支撑的至少一个催化床(10)；和在所述床(10)中支撑的至少一个热交换单元(13)，所述热交换单元(13)包括：具有基本拉长的矩形和扁平结构的基本盒状的多个交换器(14)，所述交换器(14)具有：与圆柱形的外壳的轴平行的相对的长侧(14a)；和相对所述轴垂直延伸的相对的短侧(14b，14c)，并且还包括：热交换工作流体将要流动通过的内腔室(18)，其特征在于：所述至少一个热交换单元(13)的至少一个交换器(14)内部设有多个分隔挡板(19)，所述多个分隔挡板(19)从交换器的短侧(14b或14c)向相对的短侧(14c或14b)延伸，并且相对于后者以预定的间隔关系延伸，在所述内腔室(18)中限定具有交替上升和下降部的基本之字形的流体路径。
2.根据权利要求1所述的等温反应器，其特征在于：所述分隔挡板(19)以彼此间隔被包含在10mm和120mm之间的预定距离在所述至少一个交换器(14)的所述内腔室(18)内延伸。
3.根据权利要求2所述的等温反应器，其特征在于：相邻的分隔挡板(19)之间的所述预定距离被包含在20mm和60mm之间。
4.根据权利要求1所述的等温反应器，其特征在于：所述至少一个热交换单元(13)的至少一个交换器(14)与至少一个管状连接(26a)联合，用于通过另外的热交换工作流体的相对应的开口(26)流入所述至少一个交换器(14)中；所述开口(26)被限定在所述交换器(14)的所述相对的长侧(14a)之间的中间位置中的所述相对的短侧(14b，14c)中的至少一侧中。
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