CN101375125B - 具有改善的传热性能的反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种管壳式反应器或热交换器，其交替地包括环形挡板和第一圆盘形挡板以提高传热效率。在所述反应器或热交换器中，第二圆盘形挡板设置在所述环形挡板内的空白空间中，且一些管存在于环形挡板内和第二圆盘形挡板外的区域，所述管的内部通过用传热介质传热的第一物体。本发明还公开了一种制备氧化物的方法，该方法包括：采用所述的反应器或热交换器，并在所述管内引发催化气相氧化反应，所述管的内部通过用传热介质传热的第一物体。

Description

具有改善的传热性能的反应器
技术领域
本发明涉及一种交替地包括环形挡板和第一圆盘形挡板的管壳式反应器或热交换器，其中，第二圆盘形挡板设置在所述环形挡板内的空白空间中，且一些管设置在环形挡板内和第二圆盘形挡板外的区域，所述管的内部通过用传热介质传热的第一物体。
背景技术
通常，管壳式热交换型催化反应器是一种用于有效除去反应热的反应器。在该反应器中，将固体催化剂填充到多个反应管内，将反应气体加入反应管内以引发用来制得所需产物的化学反应，并且传热介质通过该反应器的壳体循环从而使上述化学反应能够在最佳阶段发生。
在管壳型催化反应器中，热点往往出现在反应管的局部位置，而这样的热点引起如催化剂劣化、导致催化剂寿命缩短和对所需产物的选择性下降的问题。因此，已经尝试了多种向反应器内的反应管有效传热以减少热点的方法。
例如，韩国专利早期公开号2001-0050267公开了通过采用管壳式热交换器在反应器的任何区域内保持传热介质的恒定流速来改善传热性能的尝试，所述管壳式热交换器包括用于传热介质的循环器以及交替设置在反应器壳体内的环形和圆盘形挡板。此外，将没有反应管的循环通路设置在上管板和下管板之间以及壳体的横截面处的外周部分和中心部分之间。通过循环通路能将传热介质在比通过反应管区域更短的时间内从中心部分传输到外周部分或者从外周部分传递到中心部分。因此，由于与反应管接触不频繁，传热介质通过循环通路仅回收了少量的反应热，从而使其能够在相对短的时间内于相对低的温度下到达外周部分或中心部分，并因此能够以相对新鲜条件的传热介质来处理这些部分的反应管。
发明内容
技术问题
本发明人已经发现，在交替设置了环形和圆盘形挡板从而使传热介质呈S形流动的管壳式反应器或热交换器中，在位于改变了传热介质运动方向的中心部分的反应管中存在具有明显降低的传热系数的区域。本发明人还发现：就反应器而言，在传热系数明显下降的区域内存在造成反应管内传热系数下降的异常热点。上述异常热点增加了催化剂劣化、导致催化剂寿命缩短、对所需产物的选择性下降以及引发失控反应的可能性。
为解决上述问题进行了本发明，并且本发明的目的为提供一种用于增加交替地包括环形挡板和第一圆盘形挡板的管壳式反应器或热交换器内管的传热系数的方法，在该反应器或热交换器内所述管设置在环形挡板内的区域，该区域内存在与管的轴线平行的传热介质流(平行流)，且在该反应器或热交换器内用传热介质传热的第一物体通过所述管的内部，该方法包括将第二圆盘形挡板设置在所述区域内以增加平行流的流速。
技术方案
本发明提供了一种交替地包括环形挡板和第一圆盘形挡板的管壳式反应器或热交换器，其中，第二圆盘形挡板设置在所述环形挡板内的空白空间中，且一些管存在于环形挡板内和第二圆盘形挡板外的区域，所述管的内部通过用传热介质传热的第一物体。
在根据本发明的反应器或热交换器中，优选将所述第二圆盘形挡板的直径D1调节至反应器或热交换器壳体的内径D4的5～25％的范围内，并更优选在内径D4的10～20％的范围内。
优选将所述环形挡板的内径D3调节至反应器或热交换器壳体的内径D4的20～50％的范围内，并且优选调节存在所述管的区域的内径D2以使距第二圆盘形挡板的距离，即(D2-D1)/2，为50～500mm或在D4的0.5～10％的范围内，并使距环形挡板的距离，即，(D3-D2)/2，为200～1000mm或在D4的3～20％的范围内。
本发明还提供了一种增加交替地包括环形挡板和第一圆盘形挡板的管壳式反应器或热交换器中的管的传热系数的方法，在该反应器或热交换器内所述管设置在环形挡板内的区域，该区域内存在与管的轴线平行的传热介质流(平行流)，且在该反应器或热交换器内用传热介质传热的第一物体通过所述管的内部，该方法包括将第二圆盘形挡板设置在所述区域内以增加平行传热介质流的流速。
此外，本发明提供了一种制备氧化物的方法，该方法包括：采用所述的管壳式反应器或热交换器，并在其内部通过用传热介质传热的第一物体的管内引发催化气相氧化反应。
由所述管内的催化气相氧化反应形成的氧化物的典型实例包括不饱和醛和/或不饱和脂肪酸。
有益效果
从前述内容中可以看出，本发明提供了反应器或热交换器，其交替地包括环形挡板和第一圆盘形挡板，且在该反应器或热交换器内第二圆盘形挡板设置在环形挡板内的区域，在该区域内传热介质平行于反应管的轴线流动。在本发明的反应器或热交换器中，能够提高设置于所述区域或其附近的如反应管的管的传热效率而压力损失增加不明显。因此，所有管能够具有高于特定值的传热系数以防止在管内出现热点。从而，局部位置处的传热效率或性能的下降不会出现。因此，就热交换器而言，可以提高整体的传热性能，而且就反应器而言，可以抑制热点的出现并增加所需产物的产率。
因此，在具有本发明提出的结构的反应器中，由包括丙烯或异丁烯的气体的催化气相氧化反应通过更稳定的操作以更少循环量的传热介质利用更少量的能量能够以增加的产率制得(甲基)丙烯酸和/或(甲基)丙烯醛。
附图说明
图1为示意性地显示现有的普通管壳式催化反应器或热交换器的结构的截面图。
图2为示意性地显示根据本发明的反应器或热交换器的结构的截面图，其中，具有特定直径的圆盘形挡板设置在环形挡板内以提高传热效率。
图3为沿图2中的X-X′线所获取的截面图，其显示了根据本发明的一个实施方式的反应器或热交换器的横截面，在该反应器或热交换器中圆盘形挡板设置在环形挡板内；且该截面图还示出了反应管区域、环形挡板的尺寸和设置于该环形挡板内的圆盘形挡板的尺寸。
图4为显示分别在比较实施例1和实施例1中制备的反应器中传热系数分布的图。
图5为显示分别在比较实施例1和实施例1中制备的反应器中反应管的内部温度分布的图。
<附图标记说明>
1： 反应器或热交换器壳体；
2a：环形挡板；
2b：圆盘形挡板；
2c：设置于环形挡板内中心的圆盘形挡板；
3a、3b和3c：管板；
4： 反应管；
5a：加入传热介质的循环管道；
5b：排出传热介质的循环管道；
6： 传热介质；
7： 反应气体入口；
8： 反应气体出口；
9： 反应器或热交换器内反应管所在的区域；
10：环形挡板的内环；
11：反应管所在区域的内边界；
12：在比较实施例1中制备的反应器中传热系数的分布；
13：在实施例1中制备的反应器中传热系数的分布；
14：在比较实施例1中制备的反应器内反应管的内部温度分布；以及
15：在实施例1中制备的反应器内反应管的内部温度分布。
具体实施方式
以下，将详细描述本发明。
如本文所用，术语“管”是指其内部通过用传热介质传热的第一物体的管。在该管中，能够发生化学或物理反应，并且可以是放热或吸热反应。用传热介质传热的第一物体可以是化学或物理反应前的反应物、反应后的产物或其混合物，而且还可以是不进行任何反应仅进行传热的物体。
可以将本发明提出的提高传热效率的方法应用于如催化反应器或不以进行化学反应为目的的普通热交换器的系统中，该催化反应器或普通热交换器提供或排出如传热介质的流体，其不受反应器内反应气体的种类或传热介质的种类的限制。尤其是，根据本发明的方法适用于能用在催化气相氧化反应的管壳式反应器或热交换器。
能应用具有根据本发明的结构的反应器或热交换器的催化气相氧化反应的典型实例包括由烯烃制备不饱和醛或不饱和酸的过程，其非限制性实例包括：由丙烯或丙烷的氧化反应制备丙烯醛和/或丙烯酸的过程，由异丁烯、叔丁醇或甲基-叔丁基醚的氧化反应制备(甲基)丙烯醛和/或(甲基)丙烯酸的过程，由萘或邻二甲苯的氧化反应制备邻苯二甲酸酐的过程，由苯、丁烯或丁二烯的部分氧化反应制备马来酸酐的过程等。
只要应用具有根据本发明的结构的反应器，本发明对在反应器中制备的如(甲基)丙烯酸或(甲基)丙烯醛的所需产物的种类并没有限制。
以下，将参照管壳式催化反应器的用途描述本发明，但本发明并不限于管壳式催化反应器。在该管壳式催化反应器中，反应管相当于其内部通过用传热介质传热的第一物体的所述管，并且反应气体相当于用传热介质传热的第一物体。
所述传热介质为一种流体，其非限制性实例包括高粘性介质，例如主要由硝酸钾和硝酸钠的混合物组成的熔融盐。该传热介质的其它实例包括苯基醚介质(例如，“道氏热载体”)、聚苯介质(例如，“ThermS”)、热油、萘衍生物(S.K.油)、汞等。
图1为示意性地显示现有的具有圆柱形结构的管壳式催化反应器的构造的截面图。
参照图1，该反应器包括，在圆柱形壳体1内固定于多个管板3a、3b和3c的多个反应管4。位于反应器中部的管板3a将壳体分成几部分并使反应温度受独立的传热介质的控制。壳体的各个部分包括：与热介质输送管连接的循环管道5a以及与热介质排出管连接的循环管道5b。通过与输送管连接的循环管道5a输送的传热介质6沿由环形挡板2a和圆盘形挡板2b形成的S形流体通路流动，同时该传热介质与反应管4进行热交换。通过反应气体输送管7加入的反应气体通过多个反应管4，其后该气体被收集在一起并通过出口管8排出。
图2中显示了包括加入到图1的现有管壳式催化反应器中的第二圆盘形挡板2c的结构。如图2中所示，根据本发明的一个实施方式为了提高传热效率，将第二圆盘形挡板2c设置在环形挡板内，在所述环形挡板内存在有与管轴平行的传热介质流(平行流)。在图2中，为了详细显示挡板结构而没有示出多个反应管。
并且，图3中显示了沿图2中的X-X′线所获取的截面图。在图3中，D4表示反应器壳体的内径，D3为环形挡板的内径，D2为存在反应管的区域的内径，以及D1为设置在环形挡板内的第二圆盘形挡板的直径。而且，在图3中示出了这些部分间的位置关系及尺寸。
图4为显示在环形挡板内没有设置第二圆盘形挡板的现有反应器(比较实施例1)中的传热系数分布12和在环形挡板内设置有第二圆盘形挡板的本发明的反应器(实施例1)中的传热系数分布13之间的对比的图。本发明的反应器中的传热系数分布为沿图2中的X-X′线得到的。
如本文所用，术语“传热系数”是指由通过反应器壳体的传热介质引起的管外表面上的传热系数。
如图4中所示，在环形挡板内没有设置第二圆盘形挡板的现有反应器中，传热系数在环形挡板的内径(D3)内逐渐增大。当其移向中心部分时，传热系数在特定位置达到最高值，然后向中心部分迅速减小。
传热系数在环形挡板内径内逐渐增大的原因在于，反应器或热交换器是圆柱形的，因此用于流体流动的横截面积向中心部分降低从而增加了流速。
同时，传热系数在环形挡板内径中的特定位置到达最高值后其向中心部分迅速下降的原因在于，由于密集形成的管束传热介质不再形成横过管的横向流动而变为沿管的轴线的窗流(window flow)或纵向流动，在管中，当使反应管与平行流(与管的轴线的方向相同)中的传热介质接触时的传热系数低于当使反应管与管轴线垂直流动中的传热介质接触时的传热系数。
当将具有特定尺寸(D1)的第二圆盘形挡板设置于环形挡板内时，可以减小用于传热介质流动的单位面积以提高平行流中的传热介质的流速，因此有效地增加了反应管的传热系数，该反应管位于环形挡板内并接近反应器的中心部分。要设置第二圆盘形挡板的区域是传热介质的流动非常不明显的区域。因此，该区域的优势在于，即使将第二圆盘形挡板安装在其中，其显示出的压力损失的增加也非常少，并且第二圆盘形挡板能够降低传热介质的循环量。
图5为显示在环形挡板内没有设置第二圆盘形挡板的现有反应器(比较实施例1)中的内部温度分布16和在环形挡板内设置有第二圆盘形挡板的新反应器(实施例1)中的内部温度分布17之间的对比的图。该新反应器(实施例1)中反应管的内部温度分布是沿图2中的X-X′线获取的。如图4中所示，在环形挡板内没有设置第二圆盘形挡板的现有反应器显示了在位于接近反应器中心的反应管中具有低传热系数的区域，并且该具有低传热系数的区域导致了热点。但是，就环形挡板内设置有第二圆盘形挡板的反应器而言，在反应器的全部内部区域内存在的反应管的传热系数值均高于能够有效除去反应管内部热量的最小值，因此，显示出几乎相同的温度分布而不引起热点。由于这个原因，不会发生由其中存在有平行流的局部位置导致的传热效率或性能的差异，并且就热交换器而言，将会改善整体的传热性能。而且就反应器而言，可以抑制热点的产生并增加所需产物的产率。
优选将设置于环形挡板内的第二圆盘形挡板的直径D1调节为在壳体内径D4的5～25％的范围内，并且更优选在D4的10～20％的范围内。
如果第二圆盘形挡板的直径D1小于壳体内径D4的5％，则采用设置于环形挡板内的第二圆盘形挡板提高传热效率的效果会非常不明显，而如果其直径大于壳体内径的25％，将会减少设置反应管的空间，导致低效率的反应器的设计。
优选将环形挡板的内径D3调节为在壳体内径D4的20～50％的范围内。而且，优选调节其内存在反应管的区域的内径D2从而使距第二圆盘形挡板的距离，即(D2-D1)/2，为50～500mm或在D4的0.5～10％的范围内，并且距环形挡板的距离，即(D3-D2)/2，为200～1000mm或在D4的3～20％的范围内。
如果(D2-D1)/2的长度小于50mm或小于D4的0.5％，则将会需要过多的压力损失以使传热介质通过壳体循环，导致传热介质循环泵的容量增加以及生产费用的增加。另一方面，如果(D2-D1)/2的长度大于500mm或大于D4的10％，则会减少设置反应管的空间，导致低效率的反应器设计。
如果(D3-D2)/2的长度小于200mm或小于D4的3％尽管即使反应管被设置在较接近中心的部分也能够获得足够的传热系数，但不能充分利用反应器的内部空间，这导致低效率的反应器设计。另一方面，如果(D3-D2)/2的长度大于1000mm或大于D4的20％，将会增加位于接近中心部分的反应管内出现具有低传热系数区域的可能性，因此不能充分获得设置第二圆盘形挡板所能得到的优势。
同时，例如，通过将特定尺寸的圆盘形铁板焊接到连杆或隔板以将其固定到反应器的中心，能够制备上述设置于环形挡板内的第二圆盘形挡板以具有本发明中所述的结构。
实施例1
以下面的条件制备如图2中所示的在环形挡板内设置有第二圆盘形挡板的反应器。
反应管的长度：3250mm；
反应器壳体的内径：4150mm；
环形挡板的内径：1600mm；
存在反应管的区域的内径：500mm；
设置在环形挡板内的第二圆盘形挡板的直径：300mm；
传热介质的种类：熔融盐(硝酸钾和硝酸钠的混合物)；
传热介质的温度：310℃；
反应气体的种类：混合气体(丙烯、水蒸气和空气的混合物)；
反应气体的注入温度：150℃。
比较实施例1
以下面的条件制备在环形挡板内没有设置第二圆盘形挡板的反应器。
反应管的长度：3250mm；
反应器壳体的内径：4150mm；
环形挡板的内径：1600mm；
存在反应管的区域的内径：500mm；
传热介质的种类：熔融盐(硝酸钾和硝酸钠的混合物)；
传热介质的温度：310℃；
反应气体的种类：混合气体(丙烯、水蒸气和空气的混合物)；
反应气体的注入温度：150℃。
<结论>
如图4所示，在比较实施例1的反应器(其中交替地设置有环形挡板和第一圆盘形挡板，而在环形挡板内没有设置第二圆盘形挡板)中，在位于改变了传热介质的运动方向的中心部分的反应管内存在具有明显降低的传热系数的区域。因此，如图5中所示，在存在于具有明显降低的传热系数的区域中的反应管内，出现了由传热效率降低导致的异常热点。这样的异常热点增加了催化剂劣化、导致催化剂寿命的缩短、对所需产物的选择性的降低并引发失控反应的可能性。
在环形挡板内设置有第二圆盘形挡板的实施例1的反应器具有比没有设置第二圆盘形挡板的比较实施例1的反应器更大的传热系数分布13。因此，实施例1的反应器显示出提高的传热效率。由于该原因，出现在位于现有反应器结构中心部分的反应管内的热点不再出现在环形挡板内设置有第二圆盘形挡板的反应器中。
简言之，根据本发明，当将第二圆盘形挡板设置在环形挡板内时，能够消除由于在现有反应器的反应管内局部位置传热效率下降引起的热点出现导致性能损失的问题。具体而言，如图4和5所示，就本发明的反应器而言，所有反应管均具有高于特定值的传热系数以防止其中出现热点，因此不会在局部位置出现传热效率或性能的下降。
尽管用于示例性目的描述了本发明的优选实施方式，本领域技术人员会理解在不偏离如所附权利要求书公开的本发明的范围和实质的条件下，可以进行各种改变、增加和替换。

Claims (8)

1.一种管壳式反应器，所述管壳式反应器交替地包括环形挡板和第一圆盘形挡板，其中，第二圆盘形挡板设置在所述环形挡板内的空白空间中，并且一些管存在于环形挡板内和第二圆盘形挡板外的区域，所述管的内部通过用传热介质传热的第一物体。
2.权利要求1所述的管壳式反应器，其中，所述第二圆盘形挡板的直径D1在所述反应器的壳体内径D4的5～25％的范围内。
3.权利要求1所述的管壳式反应器，其中，所述环形挡板的内径D3在所述反应器的壳体内径D4的20～50％的范围内。
4.权利要求1所述的管壳式反应器，其中，调节存在所述管的区域的内径D2以使距所述第二圆盘形挡板的距离，即(D2-D1)/2，在所述反应器的壳体内径D4的0.5～10％的范围内，并且距所述环形挡板的距离，即(D3-D2)/2，在D4的3～20％的范围内，其中D1为所述第二圆盘形挡板的直径，D3为所述环形挡板的内径。
5.权利要求1所述的管壳式反应器，其中，所述用传热介质传热的第一物体为化学或物理反应前的反应物、反应后的产物或其混合物。
6.一种制备由催化气相氧化反应形成的氧化物的方法，所述方法包括：采用权利要求1～5中任一项所述的管壳式反应器，并在所述管内引发催化气相氧化反应，所述管的内部通过用传热介质传热的第一物体。
7.权利要求6所述的方法，其中，所述氧化物为不饱和醛或不饱和脂肪酸。
8.一种提高交替地包括环形挡板和第一圆盘形挡板的管壳式反应器中管的传热系数的方法，在该反应器内所述管设置在所述环形挡板内的区域，该区域内存在与管的轴线平行的传热介质流，即平行流，且在该反应器内用传热介质传热的第一物体通过所述管的内部，该方法包括将第二圆盘形挡板设置在所述区域内以增加平行流的流速。
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