CN101312780B - 用于等温化学反应器的板式热交换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于等温化学反应器(60)的板式热交换器(20、120)，所述板式热交换器(20、120)包括限定内部腔室(24)并且装配有用于热交换器工作流体的第一流体流流入所述腔室(24)和从所述腔室(24)流出的进口联结管(28)和出口联结管(29)的大体上箱形的扁平体(22)，用于供给-分配第二流体流的至少一个供给-分配装置(26、126)，与所述扁平体(22)相连并且与扁平体的所述内部腔室(24)流体连通以便调节所述工作流体温度，所述至少一个供给-分配装置(26、126)支撑在所述内部腔室(24)内并且与所述内部腔室(24)流体连通。

Description

用于等温化学反应器的板式热交换器
技术领域
本发明主要涉及一种化学反应器，在所述化学反应器中在假拟的等温条件(pseudo-isothermal conditions)下，即，在其中反应温度被控制在预设的最优值或预设的温度曲线的附近所限制的数值范围内的条件下，进行预定的化学反应。
特别地，本发明涉及所述类型的一种假拟等温反应器(也被称为等温反应器)，其中使用热交换器单元以便获得上述的反应温度控制，所述等温反应器包括合适的热交换工作流体肯定会流经其中的所谓的多个板式热交换器。
更特别地，本发明涉及一种构造用于允许控制/调节流经其中的热交换工作流体的温度的板式热交换器。
所述热交换器包括大体上箱形的扁平体，所述箱形的扁平体限定内部腔室并且装配有使得热交换工作流体的第一流体流进入所述腔室和从所述腔室离开的进口联结管和出口联结管，和至少一个用于第二流体流的供给-分配装置，所述供给-分配装置与所述体连接并且与其内部腔室流体连通，以便调节所述工作流体的温度。
背景技术
已知，为了在假拟等温条件下进行化学反应，例如氨、甲醇、甲醛或苯乙烯的合成反应，有必要分别地将热量从反应环境中移除或将热量供给到反应环境中，在通常为催化床的所述反应环境中发生反应，从而控制当前反应温度在预先计算好的理论值左右的狭窄范围内。
为此，也已知使用多个热交换反应器，其布置在催化床并且适合的热交换工作流体穿过其中。
特别地，使用具有限定内部腔室的大体上为箱形的扁平体的板式热交换器，所述工作流体沿在流体进口联结管和流体出口联结管之间已经建立的路径流经所述内部腔室。
然而，对于使用热交换器以便按要求控制假拟等温条件，基于当流体逐渐沿流经通过所述热交换器的各个路径前进时热交换工作流体必然经受温度变化(例如，在发热反应的情况下的温度升高)的事实，存在技术缺点。有时此温度变化相当大，通常导致热交换器本身的工作效率降低。因此上述温度变化导致对所述的化学反应的假拟等温条件的控制能力降低，随后也导致产量降低。
为了克服此缺点，建议控制预定的热交换工作流体沿其流经热交换器的整个路径的温度，从而维持所述温度值尽可能接近当所述流体进入热交换器时本身所具有的温度值。
为此目的，在先技术中已经提出将具有适当的温度的另外的流体流(以后也被称为温度调节流体)供给到热交换器中和限定在其中的流动路径的几个点上，从而具有将两种流体流以尽可能均匀的方式混合的隐含益处。基本上，为了执行上述控制，在先技术已经提出在每个热交换器内在工作流体和具有适当的已确定温度和流率特性的另一种调节流体之间进行“直接”的热交换。
在板式热交换器的情况下，已经通过采用一个或更多的用于分配预定调节流体的分配器应用上述技术，所述分配器在外部焊接到所述板式热交换器的壁上，在相对于所述工作流体的流动方向的横向方向上所述分配器通常延伸通过所述壁的总宽度。
然而，要注意的是，尽管从各种观点来看此解决方案存在优点，然而至少在构造方面需进一步改进。
发明内容
本发明要解决的技术问题是设计和提供一种板式热交换器，所述板式热交换器具有的结构和功能特征不仅允许有效控制/调节流经所述交换器的热交换工作流体的温度，而且易于实现、特别是关于工作压力方面能够多用途使用、和极度可靠。
根据本发明通过上述类型的板式热交换器解决了此问题，所述板式热交换器其特征在于至少一个供给一分配装置支撑在所述内部腔室内并且与其流体连通。
附图说明
通过下面参照附图描述优选示范性实施例，根据本发明的用于等温化学反应器的板式热交换器的其它特征和优点变得清楚，这里的优选示范性实施例仅仅是说明性的而不是限制性的。其中：
图1示意性地显示了一种根据本发明的、多个板式热交换器设置在其中的化学交换器的纵剖面图；
图2示意性地显示了包括在图1中的反应器中的板式热交换器的正视图；
图3示意性地显示了图2中的板式热交换器的第一实施例的细节的放大正视图；
图4示意性地显示了沿根据在图3中用线IV一IV描绘的平面而作的图3中所示细节的横截面图；
图5示意性地显示了图2中的板式热交换器的第二实施例的细节的放大正视图；和
图6示意性地显示了沿根据在图5中用线VI-VI描绘的平面而作的图5中所示细节的横截面图。
具体实施方式
参照图1，等温化学反应器60通常包括具有垂直轴线A-A并在其相对端分别由下底部63和上底部64封闭的圆柱形外壳62。在外壳62内限定没有示出的、通常包括催化床的反应环境69，在所述催化床中以本质上传统方法支撑热交换器单元。
所述的热交换器单元40包括例如可以并排布置的多个板式热交换器20。
每个板式交换器20具有用于限定内部腔室24且肯定会被热交换工作流体的第一流体流流经的箱形扁平体22，所述箱形扁平体为平行六面体、矩形构造且其长边平行于所述反应器60的A-A轴线。
为此，热交换器20包括使得所述热交换工作流体流入内部腔室24和从内部腔室24流出的进口联结管28和出口联结管29。
更准确地，每个板式热交换器20在所述体22的两个短对边22a和22b处分别装配有分配管10和集合管11，所述集合管11一方面与所述腔室24流体连通，另一方面与热交换器本身内部连通。
应该注意的是，可选地，可以仅设置上述两个管(分配管10和集合管11)中的其中之一，并且所述体22也可以具有大体上箱形形式。
应该注意，图4至6中每个板式热交换器20具有优选地包括一对并列并以预设的间隔开的关系相互联合的金属板20a和20b的体22，从而所述腔室24被限定在金属板20a和20b之间。
每个热交换器20装配有至少一个用于第二流体流(或调节流)的供给一分配装置26(在附图中显示了两个供给一分配装置)，将要在描述中进一步解释第二流体流，所述第二流体流用于控制和调节当第一热交换流体流经热交换器本身时第一热交换流体的温度。
根据本发明，本发明的目的是提供一种具有良好机械阻力的热交换器20，所述供给一分配装置26具有管状体并且支撑在所述内部腔室24内，在内部腔室24内供给一分配装置26在相对于热交换工作流体的第一流体流的流动方向的横向方向上延伸。在所图示的示例中，所述流动方向是垂直的，并且关于反应器60的轴线A-A，交换器20通常被称为“轴向交叉”。
根据第一实施例，所述供给一分配装置26包括位于内部腔室24内的管30。所述管30以本质上传统方式支撑在腔室24的内部，为此在附图中没有显示出来。例如通过适当的散热片支撑管30，所述散热片在管30外部在径向方向上延伸直到它们与所述内部腔室24接触，并且在纵向方向延伸过所述管30的预定长度的一部分。管30在一端密闭，在相对的另一端与连接到第二流体流进口开口28c上的第二流体流的进口联结管28b流体连通。
在图1和2所示的示例中，在所述腔室24的两个区域内显示了两个管30。所述两个管30连接到各自的进口联结管28b上，所述进口联结管28b连接到各自的进口开口28c。可选地，单独的一个进口开口28c可以设置成与各个进口联结管28b流体连通。
在所述管30上进口开口30a(例如孔)设置用于第二流体流以预设的温度进入所述腔室24的进口。更具体地，管30布置成平行于热交换器20的边22a和22b，并且进口开口30a沿管30的一个或更多母线布置，所述母线优选地朝向集合管11布置在其上的热交换器20的边22b。
如在图4中所见，在腔室24内的管30的位置限定了腔室24的部分24a和部分24b，部分24a与腔室24内的工作流体的前进有关，并在管30的上游，部分24b在管30的下游。
为了确保围绕所述管30的热交换工作流体从内部腔室24的在所述管30的上游的部分24a到所述管30的下游的部分24b的通道，管30具有比内部腔室24的横截面小的尺寸。优选地，如图4中所示，一对金属板20a和20b在管30所放置的位置上形成有适当的凸起，以便能够容纳具有较大尺寸的管30。
基本上，内部腔室24的部分24b容纳了所述第一热交换工作流体流和所述第二流体流的混合物。
在放热反应的非限制性示例中，反应流体通过上底部64的进口开口64a进入化学反应器60到达催化床层。在此多个板式热交换器20吸收热量，由此促进了在所述催化床层内所进行的化学反应。反应物通过下底部63的出口开口63a从反应器排出。
每个板式热交换器20供给有从进口开口28a开始通过进口联结管28到达分配管10的第一热交换工作流体流。
更具体地，第一热交换工作流体流经腔室24的部分24a，并且被加热直到其到达确定温度T1。
为确定温度T1的所述第一工作流体流在管30的进口开口30a上与从进口开口30a进入的为预定温度T2的第二流体流混合。
通常，流经腔室24的部分24a的所述工作流体与通过进口开口30a进入的流体是例如水的相同流体，因此，在腔室24的部分24b的开始处存在具有在T1和T2之间的中间温度的水，并且在任何情况下低于当其从腔室24的部分24a排出时的温度T1。
简言之，由于从腔室24的部分24a到达的热流与从管30的进口开口30a进入的冷流混合，在腔室24的部分24a的开始处工作流体被冷却。
应该注意的是，通过腔室24的部分24b的流体流量由流经腔室24的部分24a的流体和从管30的进口开口30a进入的流体的流体流量之和来确定的。
在内部流经热交换器20的腔室24的热交换工作流体，然后被集合管11收集并通过出口联结管29到达热交换工作流体出口开口29a。
图5和6显示了根据本发明的板式热交换器的第二实施例，所述板式整个热交换器用标记120标示。在图5和6中，用相同的附图标记标示从功能上来看与在上述的图3和4中所示的热交换器相同的或等同的结构部件，并且将不再进一步描述。
由标记126标示的供给一分配装置包括限定环形空间134的一对同轴同心管，即，内管130和外管132，所述内管130和外管132至少定位在所述腔室24的一个处于所述进口联结管28和所述出口联结管29之间的区域上。以本质上传统方式例如通过适当的散热片将内管130支撑在外管132的内部，并且因此没有在附图中显示，所述散热片在外部在径向方向上延伸到管130直到它们与所述外管132接触，并且在纵向方向上延伸过所述管130的确定长度的一部分。内管130在一端密闭，在相对的另一端与另外的调节流体的进口联结管28b流体连通，进口联结管28b连接到另外的调节流体的进口开口(在附图中没有示出，然而与图1中的开口28c相似)。
在内管130上进口开口130a(例如孔)设置用作具有预设温度的第二流体流进入所述空间134的进口。更具体地，管130与热交换器120的边22a和22b平行布置，且进口开口130a沿管130的一个或更多母线布置，所述母线优选地朝向集合管11布置在其上的热交换器20的边22b。
在外管132上，进口开口132a(例如孔或槽)设置用作所述第一热交换工作流体进入所述空间134的进口，且出口开口132b(例如孔或槽)设置用作所述第一热交换工作流体流与所述第二流体流的混合物从所述空间134出来的出口。更具体地，进口开口132a和出口开口132b沿管132的相对母线布置，所述母线分别朝向分配管10布置在其上的热交换器120的边22a和集合管11布置在其上的热交换器120的边22b。
如图6中所示，形成热交换器120的一对金属板20a和20b至少在热交换器120的中间位置被切割，在所述切割位置上放置外管132。如此，限定了腔室24的部分24a和部分24b，部分24a与腔室24内的工作流体的前进有关，并位于管132的上游，部分24b位于管132的下游。
特别地，将外管132沿其两个母线133a和133b焊接到一对金属板20a和20b上，由此限定了部分24a。将外管132沿其另外两个母线133c和133d焊接到一对金属板20a和20b上，由此限定了部分24b。更具体地，母线133a和133c大体上与母线133b和133d关于内部腔室24的对称平面对称。
第一热交换工作流体流经腔室24的部分24a并且被加热至确定温度T1。然后，第一工作流体流经管132的进口开口132a并进入环形空间134。
从进口开口132a进来的、为确定温度T1的所述第一工作流体流与从进口开口130a进入的、为预设温度T2(低于T1)的第二流体流混合，所述混合发生在所述空间134内，特别是在位于管130的所述进口开口130a与管132的所述出口开口132b之间的所述空间134内。
应该注意的是，优选地，所述进口开口30a(图3和4中的)和130a(图5和6中的)分别沿所述第二流体流的供给-分配管线27布置，所述管线27在腔室24内关于热交换器的进出口路径横向延伸。
更优选地，以与所述第一热交换器工作流体的路径基本上相同的方向分别从多个进口开口30a和130a开始将所述第二流体流供给到所述内部腔室24中，沿所述供给-分配管线27形成多个独立且相互间隔开的点。
可选地，通过沿所述供给管线27的所述多个独立且相互间隔开的点将所述第二流体流注入到所述第一热交换器工作流体流中。由此，得到了提高第二流体流在第一工作流体流中的混合的有利效果，因而改进了热交换条件。
应该注意的是，为了提高第二流体流在第一工作流体流中的混合，可以用喷嘴代替进口开口30a和130a，所述喷嘴对齐并且相互分开以便形成供给管线27的所述点。
上面的描述清楚地表明，根据本发明的、用于化学反应器的板式热交换器解决了技术问题并且呈现了许多优点，第一优点就是所述热交换器非常可靠。
此外，根据本发明的板式热交换器非常平坦，换言之，确保了关于热交换器本身的正中面对称。
事实上，其中将预选的调节流体的分配器在外部焊接到热交换器的仅一个侧壁上的在先技术的板式热交换器的缺点在于它导致了相当大的变形，即，在分配器焊接在其上的交换器的一侧上变得弯曲，导致在催化床内的交换器的适当定位问题。通过将分配器在外部焊接在交换器的一侧壁上会引起相当大的收缩拉力会产生所述变形。
另一方面，上述的板式热交换器的第二实施例(图5和6)具有定位成彼此相对的四个焊接，因此各自的收缩拉力彼此平衡。上述的板式热交换器的第一实施例(图3和4)没有纵向焊接，因此不发生收缩拉力。
因此，根据本发明的热交换器易于构造和组装，并且几乎没有不平衡的收缩拉力，从而十分稳定和坚固。
此外，板式热交换器的第二实施例(图5和6)具有适用于抵挡非常高压差的机械阻力(可以在高压(即具有例如在1bar与300bar之间的压力)化学反应器内找到示例，流经板式热交换器的内部腔室的水具有例如在1bar与100bar之间的压力，因此存在非常高的压差)。
上述板式热交换器的第二实施例的另一个优点是工作流体与另一种流体在环形的空间内的混合非常有效。
最后，令人吃惊的发现，因为人们注意到热交换工作流体的温度维持在很窄的范围内，所有热交换工作流体与反应流体之间的热交换特别有效；事实上，由第二流体流冷却或加热(分别根据放热或吸热反应)的供给-分配装置的壁与由供给-分配装置本身供给的所述第二流体流配合以便分别冷却或加热所述热交换器工作流体。
明显地，为了满足具体的和实际需要，本领域的普通技术人员可以运用等温化学反应器的上述板式热交换器的多个变型和变体，然而，所有的变型和变体都保持在以下权利要求所限定的本发明的保护范围内。

Claims (14)

1.一种用于等温化学反应器(60)的板式热交换器(20、120)，所述板式热交换器(20、120)包括：大体上箱形的扁平体(22)，所述扁平体(22)限定内部腔室(24)并且装配有进口联结管(28)和出口联结管(29)，所述进口联结管(28)和出口联结管(29)用于热交换器工作流体的第一流体流流入所述腔室(24)和从所述腔室(24)流出；和用于供给-分配第二流体流的至少一个供给-分配装置(26、126)，所述至少一个供给-分配装置(26、126)与所述体(22)相连并且与扁平体的所述内部腔室(24)流体连通以便调节所述工作流体温度，其特征在于：所述至少一个供给-分配装置(26、126)支撑在所述内部腔室(24)内并且与所述内部腔室(24)流体连通。
2.根据权利要求1中所述的板式热交换器(20)，其特征在于：所述至少一个供给-分配装置(26)包括位于所述内部腔室(24)内的管(30)，所述管(30)具有小于所述内部腔室(24)的横截面的尺寸，在所述管(30)上设置所述第二流体流的进口开口(30a)。
3.根据权利要求2中所述的板式热交换器(20)，其特征在于：在所述体(22)的两个相对边(22a、22b)上分别设置用于所述第一流体流的分配管(10)和用于将所述第一流体流与所述第二流体流混合的集合管(11)，所述供给-分配装置(26)的所述管(30)布置成平行于所述体(22)的边(22a、22b)，所述进口开口(30a)沿所述供给-分配装置(26)的所述管(30)的一个或更多母线布置。
4.根据权利要求3中所述的板式热交换器(20)，其特征在于：所述母线朝向所述集合管(11)放置处的所述体(22)的一边(22b)。
5.根据权利要求1中所述的板式热交换器(120)，其特征在于：所述至少一个供给-分配装置(126)包括限定环形空间(134)的一对同轴和同心的内管(130)和外管(132)，在所述内管(130)上设置所述第二流体流进入所述环形空间(134)的进口开口(130a)，在所述外管(132)上设置所述第一流体流进入所述环形空间(134)的进口开口(132a)和所述第一流体流与所述第二流体流的混合物从所述环形空间(134)出来的出口开口(132b)。
6.根据权利要求5中所述的板式热交换器(120)，其特征在于：在所述体(22)的两个相对边(22a、22b)上分别设置用于所述第一流体流的分配管(10)和用于将所述第一流体流与所述第二流体流混合的集合管(11)，所述一对同轴和同心管(130、132)布置成平行于所述体(22)的所述的两个相对边(22a、22b)。
7.根据权利要求6中所述的板式热交换器(120)，其特征在于：所述内管(130)的所述进口开口(130a)沿所述内管(130)的一个或更多母线布置。
8.根据权利要求7中所述的板式热交换器(120)，其特征在于：所述母线朝向所述集合管(11)布置处的体(22)的边(22b)。
9.根据权利要求6或7或8中所述的板式热交换器(120)，其特征在于：所述外管(132)的所述进口开口(132a)和出口开口(132b)沿外管(132)的相对母线布置，所述相对母线分别朝向所述分配管(10)布置处的体(22)的边(22a)和朝向所述集合管(11)布置处的体(22)的边(22b)。
10.根据权利要求5-8任一项所述的板式热交换器(120)，其特征在于：所述体(22)包括并列并以预设的间隔开的关系相互联合的一对金属板(20a、20b)，从而所述腔室(24)被限定在金属板(20a、20b)之间，所述一对金属板(20a、20b)至少在热交换器(120)的一个中间位置被切割，在所述切割位置上放置所述外管(132)从而限定了在外管(132)的上游的所述腔室(24)的第一部分(24a)和在外管(132)的下游的第二部分(24b)。
11.根据权利要求10中所述的板式热交换器(120)，其特征在于：将所述外管(132)沿其第一和第二母线(133a、133b)焊接到所述一对金属板(20a、20b)上从而限定了第一部分(24a)，将所述外管(132)沿其第三和第四母线(133c、133d)焊接到所述一对金属板(20a、20b)上从而限定了第二部分(24b)。
12.根据权利要求11中所述的板式热交换器(120)，其特征在于：所述第一母线(133a)和所述第三母线(133c)与第二母线(133b)和第四母线(133d)关于所述内部腔室(24)的对称平面大体上对称。
13.一种用于等温化学反应器(60)的热交换单元(40)，其特征在于：所述热交换单元(40)包括多个根据权利要求2-12任一项所述的板式热交换器(120)。
14.一种化学反应器(60)，包括在相对两端分别由下底部(63)和上底部(64)密闭的圆柱形外壳(62)，在所述外壳(62)内限定反应环境(69)，所述反应环境(69)包括内部设置有催化床的热交换器单元(40)，其特征在于：所述热交换单元(40)包括根据权利要求2-12任一项所实施的板式热交换器(120)。
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