CN101505864A - 等温反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种等温反应器(1)，包括：一个基本上圆筒形的外壳(2)、至少一个支撑于所述外壳(2)内以通过反应气体的催化床(10)以及一个包括多个热交换器(14)的热交换单元(13)，其特征在于，所述催化床(10)中临近的热交换器(14)之间的至少一个反应区域(36)内具有缓冲装置，用于使流过所述催化床(10)的所述反应气体向所述临近的热交换器(14)偏移。

Description

等温反应器
技术领域
本发明在其最通常的方面涉及这样一种类型的化学反应器，该反应器包括通过分别的底部在相对的端处封闭的基本上圆筒形的外壳(或压力导管)，其中，所述外壳内的反应区域中设置有至少一个催化床(或篮)以及一个嵌于所述催化床内的热交换单元。
这样的反应器专门用于在基本上等温的条件下实现散热或吸热化学反应，所述等温条件即这样的条件：反应温度被控制在一个预先设定的值附近的相当有限的数值范围内。
在下述的说明书部分和随后的权利要求中，上述类型的反应器用以下术语表示：伪等温反应器，或更简短的：等温反应器。
更具体地，本发明涉及一种上述类型的等温反应器，其中，所述热交换单元由多个平板状、基本上盒式的热交换器组成，其内限定有一个腔室供热交换工作流体通过。
本发明还涉及一种用于上述类型的等温反应器中的热交换单元。
背景技术
上述类型的等温反应器在本领域内是公知的。在这样的反应器中，流经各热交换单元的工作流体从反应环境(如催化床)中吸收或向其散发热量，其可以促进预设的化学反应活动，包括散热和吸热活动，从而使该反应转向完成的方向。
因此，为了改善反应效率，尽可能地优化上述热交换器以及催化床内流动的工作流体之间的热交换是比较重要的，其中，所述交换器嵌于所述催化床内，热反应就在该催化床内发生。
在现有技术中，通常通过将液体流经的热交换器内部以及催化床内部的热交换系数最大化来实现上述的工作流体之间热交换的最优化。
尽管如此，用这样的方式改善反应效率后，我们注意到，催化床内产生了不容忽视的温度梯度，尤其是在后者(也可以是反应气体)保持相对较小的热交换系数的情况下。
具体地，该催化床任意一点处的温度在热交换器的第一温度值与第二温度值之间变化，第一温度值即交换器自身外壁处的温度值，且第二温度值为催化床距离热交换器最远位置处的温度值。
在下述说明书和所附的权利要求中，所述第二温度值将用术语“极限温度”T1表示。
如果在反应器内发生的反应是放热反应，所述极限温度T1对应一个最大预定温度值Tmax，高于该最大预定温度值的情况将不适于该反应的发生，由于反应已达到平衡和/或发生副反应从而导致产量降低，且因此使得催化效率降低。
如果在反应器内发生的反应是吸热反应，所述极限温度T1对应一温度值，低于该温度值时该反应不会发生。
温度分布的不均匀性导致该催化床的内部偏离伪等温的理想状态，同时伴随反应器本身总效率变差。
发明内容
因此，本发明的技术问题是提供一种上述类型的热反应器，即使所述催化床或所述反应气体和所述反应气体的生成物处于低传导率的状态下，该热反应器也能够获得交换器和催化床之间热交换的最优效率，由此克服上述现有技术中存在的缺陷。
能够解决这些技术问题的热反应器包括一个基本上圆筒形的外壳、至少一个催化床以及一个热交换单元；该催化床支撑于所述外壳内以供反应气体通过；该热交换单元包括多个热交换器，其特征在于，所述催化床中临近的热交换器之间的至少一个反应区域内具有缓冲装置，用于使流经所述催化床的所述反应气体流向所述临近热交换器偏移。
优选地，上述缓冲装置包含多个具有平板状、基本上矩形的筋条。
优选地，上述筋条在其长边处通过所述交换器支撑，并且沿所述交换器基本上向上延伸到临近的热交换器之间的中心线区域。
在本发明一个具体优选的实施方案中，每一交换器的相对的两壁上均支撑有多个彼此间隔预设距离的筋条，并且，在临近热交换器限定的每一反应区域中，一个热交换器的筋条与另一个临近交换器的筋条交替设置，由此形成一个沿该催化床的所述反应区域的近似的z字型交叉路径，该Z字型交叉路径用于使所述反应气体向所述临近的热交换器流动。
在本发明的另一个优选实施方案中，这些筋条或这些筋条中的一些设置在由临近的热交换器限定的反应区域内，位于中心线区域处。
采用本发明的缓冲装置迫使在中央临近热交换器之间的反应区域(即，所述反应区域的距离所述临近的交换器较远的部分)的反应气体向所述反应区域的外围(即，所述反应区域的靠近所述临近的交换器的部分)流动，反之亦然，最好是沿该近似z字型路径向上流动直至可选择地接触所述交换器。
这样，我们惊奇地发现，与现有技术教导的内容形成鲜明对比的是，可以以虚拟的方式获得增加催化床传导率的效果，由此使催化床自身获得更高的温度均匀性，热交换器和催化床之间的热交换效率可以得到显著提高。
因此，即使在催化床的热传导率有效值特别低的情况下，使所有催化床在理想的伪等温状态下工作是可能的，其有利于反应器自身的整体反应效率的提高。
本发明还涉及一种用于上述类型等温反应器中的热交换单元。该热交换单元包括在其内限定有多个供反应气体流过的反应区域的多个热交换器，其特征在于，在所述临近热交换器的至少一个反应区域中包括缓冲装置，用于使所述反应气体向所述临近的热交换器偏移。
下面将参考附图以非限定性实例的方式，通过某些本发明所述反应器的实施方案对本发明的特征和优点进行进一步清楚地描述。
附图说明
图1示出了根据本发明的一个实施例的等温反应器的透视图和局部剖视图；
图2示出了图1中等温反应器的热交换单元的细节透视放大图；
图3示出了图1中等温反应器的剖视图；
图4示出了根据本发明的另一个实施例的等温反应器的热交换单元的细节透视放大图；
图5示出了图4中的等温反应器与热交换单元结合的剖视图；
图6示出了根据本发明的再一个实施例的等温反应器的热交换单元的细节的透视放大图；
图7示出了整合图6所示热交换单元的等温反应器的剖视图；
图8示出了现有工作状态中的等温反应器的细节剖视示意图以及相关的温度分布；
图9示出了图1中所示等温反应器的细节剖视示意图以及相关的温度分布。
具体实施方式
参照图1，本发明中，参考标记1通指用于合成诸如氨水，甲醇，甲醛，硝酸等化学物质的伪等温催化化学反应器。
所述反应器1包括：具有垂直轴x的圆筒形外壳2，其相对的两端分别通过下底部3和上底部4封闭，反应气体入口5、反应生成物出口6、用于热交换工作流体进料的入口7以及所述工作流体的出口8。
所述外壳2内限定有反应区域或反应环境9，催化床10以常规方式支撑在其内，该基本上圆筒形的催化床10与外壳2和一中心管12同轴，并且与外壳2限定有一较窄的间隔11，该中心管12沿壳体2的轴线延伸。
催化床10具有孔以允许反应气体的通道由所述间隔11径向移动到所述反应区域9，反之，气体也可通过中央管12渗透，中央管12具有封闭的上端12a和开启的下端12b，并且与底端3的出口6直接液体连接。
催化床10容纳有大量催化剂(未示出)，其中，热交换单元以常规方式嵌入并支撑在该催化床内。
总的来说，所述热交换单元13为圆柱环状，并且包括多个径向均匀分布的热交换器14，排列为三个同轴和同心的圆。参照图2，每一交换器14为扁平、盒式、基本上拉伸的矩形状。根据图1中的设置，在热交换单元13中，所有的交换器14均设置为具有相对的长边14a和相对的短边14b、14c，所述长侧面与壳体2的轴线平行，所述短边相对于该轴线呈散射状延伸。
更具体地，每一交换器14由一对并排放置的金属板(壁)15、16组成，这对金属板通过周边焊接以预设的间隙相互连接，从而在其内限定一个供热交换工作流体经过的区域或腔室(图9中以参考标记37表示)。
此外，所述热交换器14为热交换工作流体提供入口接头27和出口接头28，在非限定性的实例中，该入口接头27和出口接头28被设置在相同的侧边上，具体地，设置在短边14b上，但它们同样也可以设置于不同侧边上。
在本发明的实施方案中，一组预设数量的热交换器14共用一个入口头管和一个出口头管(图2)。优选地，所述热交换器14组包括所有的同轴和同心配置的交换器，但其数量并不限于此配置。热交换器14的所述入口和出口接头27和28在顶端处分别与工作流体的分配器29和头环形管30连接，该分配器29和头环形管30配置于催化床10的上端处并且覆盖在圆柱环形的热交换器14上。
每一环形分配器管29与单个同轴配置的热交换器14连接；该连接同样适用于每一环形头管30。
此外，上述环形管29和30内与热交换单元1的外表面分别通过所述液体进液管31和排液管32流体连接，该进液管31和排液管32分别与所述热交换工作流体的入口7之一和出口8之一连接。
根据本发明，等温反应器1在临近热交换器14之间的反应区域36中包括缓冲装置，用于使流经所述催化床的所述反应气体流向所述临近的热交换器偏移。
优选地，所述缓冲装置包括多个板状、基本上矩形的筋条18，这些筋条18具有相对的长侧边18a、18b和短侧边18c。
更具体地，根据图2-5所示的本发明的第一实施方案，优选地，所述筋条18通过所述交换器14支撑在筋条18的长侧边(例如长侧侧边18a)处，并且从分别的交换器14基本上向上延伸到临近交换器14之间的中心线区域39处。
可以通过传统的方式，例如将筋条18的长侧边18a的相对的两端分别固定到的热交换器14的短侧边14b、14c上来实现所述支撑。
优选地，筋条18具有分别的相对的长侧边18a、18b，所述长侧边18a、18b平行于壳体2的轴线并且基本上沿热交换器14的完整轴向长度分别延伸。
再具体地，每一交换器14支撑于相对的两壁15，16上，多个筋条18以预设的间隙设置其间，此外，在临近的两个热交换器14之间限定的每一反应区域36中，一个交换器14的筋条18与另一个交换器14的筋条交替设置，由此形成一个沿所述临近的热交换器14限定的反应区域的基本上Z字型的交叉路径，该Z字型交叉路径引导所述反应气体流向所述临近的热交换器流动。
根据图2-3所示的实施例，筋条18被设置为相对于分别的热交换器14的壁15、16倾斜。
根据图4和5所示的实例，与之相反，筋条18与热交换器14的壁15、16分别基本上垂直设置。
根据图6和7所示本发明的另一实施方案，筋条18或筋条18中的一些被设置在临近的交换器16之间限定的反应区域36中，位于所述中心线区域39处。优选地，设置在临近交换器14之间的中心线区域39中的筋条18被设置为进入到催化床10内，相对于反应气体入口方向大体垂直。
优选地，设置在中心线区域39中的筋条18通过特定隔板分别支撑于交换器14的壁15或16处，其为现有技术，因此未在图中示出。优选地，具体地，该隔板的一侧固定到所述筋条18的长侧边18a或18b的相对端处，其另一侧固定到分别的热交换器14的短侧边14b、14c处。
下面将结合图2-5的前述参考内容，更具体地，结合图4-5涉及的实例进一步介绍本发明实施方案的反应器的其他特性。
图8和9示出了现有工作状态的伪等温反应器的细节以及本发明图1所示反应器的工作细节。
在这些附图中，相互等同和与图1所示反应器等同的内容将用同样的参考标记标识。
参考标记16a，15a分别表示临近的热交换器14的壁16、15的外部表面或催化侧表面，该临近的热交换器14位于催化床10的内部。
在工作过程中，热交换工作流体流经热交换器14内部的区域37，而反应气体和生成物混合物流入由临近热交换器14限定的催化床10的上述反应区域36中。
图8和图9通过线33和34示出了温度分布记录。线34与交换器14内部的区域37中的温度分布有关，反之，线33与催化床10内部的区域36中的温度分布有关。总的来说，各伪等温反应器内部的温度分布结果来自线33和34的结合。
在现有技术的反应器(图8)中，很容易注意到，线34非常平坦，几乎近似为直线并且垂直于热交换器14的壁30。这是由所述热交换器内部的较高的热交换系数(尽可能地高)决定的。
另一方面，仍是针对现有技术的反应器(图8)，线33与催化床10的区域36中的温度分布有关，其表现出不容忽视的弯曲现象。这是由存在于催化床内的、与交换器14内部的(较高的)热交换系数相比较不同的(较低的)热交换系数导致的，该弯曲现象导致交换器14的壁温(表面16a、15a)和在反应区域36内流动的混合物的温度之间产生大的温差(不均匀性)。
换句话说，温度在区域36和37之间变化，从一个最小值，对应于热交换器14内部的区域37的中心，变化到一个最大值(等同于前面所描述过的极限温度T1)，对应于催化床10的区域36的中心，(即，两个临近热交换器之间的中点处)。
因此，从图8中可以看到，在两个区域36和37之间存在温度梯度，该温度梯度主要位于区域36中，其在催化床10中形成了很高的不均匀性，这必然伴随反应效率的降低，从而造成转化生成物的减少，造成这一现象的原因将在下文中描述。
位于区域36中的温度梯度ΔTtot部分由参考标记ΔT表示，其指代如前所述的极限温度T1(对应于Tmax)和交换器14的外部表面16a、15a处的温度之间的温度差。
在反应区域36的温差(或梯度)ΔT范围内，发现产生有效反应的地方存在温度间隔，且由此产生最优的生产条件(伪等温条件)。该温度间隔介于温度Tmax＝(T1)和温度T0之间，低于温度T0，反应无法进行，或在无效条件下均能发生反应。
由图8中可以清楚看到，在催化床10的区域36的大部分中，与参考标记35相同，反应温度低于有利于反应器的效率和整体转换率的最优值。
由于本发明使用缓冲装置(筋条18)来使反应气体流向热交换器14，可以获得催化床的临近交换器14间的区域36的更好的温度分布，从而使得不管催化床10的热交换系数有多低，区域35(靠近交换器14)中的温度都可以升高到一个与T0(反应能够发生的最小温度)相等或高于T0的数值。
这样，如图9所示，区域36中，极限温度T1(对应于Tmax)与交换器14的外部表面16a、15a处的温度之间的温度梯度ΔT减小。
因此，所述区域36中的温度记录(线33)表现出很小的凹度，如图9所示，该凹度被全部包含在间隔(Tmax-T0)内，在该间隔处，反应以最优效率发生(并且由此伴随最优产量)。
基于上述原因，在整个催化床10的区域36中，以有利于整体反应效率的有效方式实现反应是可能的。
与此同时，可以看到，交换器14的内部区域37中的温度记录基本无变化，由此，可以获得交换器14和催化床10之间的较高的热交换系数。
本发明的反应器还可以使用较少的热交换器，在使催化床的内部保持合适的温度均匀性的情况下，催化床的规格可以与根据现有反应器的相等，其有利于简化根据本发明的反应器的结构、操作以及削减成本。
本发明还因此可以包含所有在本领域技术人员的能力范围之内，落入本发明保护范围内的如通过权利要求书所限定的各种变化和改变。

Claims (13)

1、一种等温反应器(1)，包括：一个基本上圆筒形的外壳(2)、至少一个支撑于所述外壳(2)内以通过反应气体的催化床(10)以及一个包括多个热交换器(14)的热交换单元(13)，其特征在于，所述催化床(10)中临近热交换器(14)之间的至少一个反应区域(36)内具有缓冲装置，用于使流过所述催化床(10)的所述反应气体流向所述临近的热交换器(14)偏移。
2、如权利要求1所述的等温反应器(1)，其特征在于，所述热交换器(14)具有基本上为盒式的结构，为拉长矩形和扁平状，其长对边(14a)平行于外壳(2)的轴线(X)且短对边(14b，14c)垂直于所述轴线(X)，所述交换器(14)还包括用于通过热交换工作流体的内腔。
3、如权利要求2所述的等温反应器(1)，其特征在于，所述交换器(14)被成组地按放射状排列为与所述外壳(2)同轴的圆筒形。
4、如上述任一权利要求所述的等温反应器(1)，其特征在于，所述缓冲装置包括多个具有板状结构和近似矩形的筋条(18)。
5、如权利要求4所述的等温反应器，其特征在于，所述筋条(18)通过所述交换器(14)支撑于所述筋条(18)的长边(18a)处并且由所述交换器(14)基本上向上延伸到所述临近热交换器(14)之间的中心线区域(39)。
6、如权利要求4所述的等温反应器，其特征在于，所述筋条(18)平行于所述外壳(2)的轴线(X)，基本上沿各热交换器(14)的整体轴向长度延伸。
7、如权利要求5所述的等温反应器，其特征在于，每一热交换器(14)在其两个相对的壁(15、16)上支撑多个以预设距离彼此间隔的筋条(18)，其特征在于，相邻热交换器(14)限定的每一反应区域(36)中，一个热交换器(14)的筋条(18)与另一个临近交换器(14)的筋条(18)交替设置，由此沿所述临近的交换器(14)限定的所述反应区域(36)形成一个基本上Z字型的交叉路径，该Z字型交叉路径用于引导所述反应气体流向所述临近的热交换器(14)。
8、如权利要求4-7任一所述的等温反应器，其特征在于，所述筋条(18)被以相对于各热交换器(14)的壁(15、16)倾斜排列。
9、如权利要求4-7中任意一个所述的等温反应器，其特征在于，所述筋条(18)以与各热交换器14的壁(15、16)基本上垂直排列。
10、如权利要求4所述的等温反应器，其特征在于，所述筋条(18)或所述筋条(18)中的一些设置在临近热交换器(14)间限定的反应区域(36)中，位于中心线区域(39)处。
11、如权利要求10所述的等温反应器，其特征在于，设置在临近交换器(14)间中心线区域(39)处的所述筋条(18)，被设置为与相对于进入催化床(10)内的反应气体的入口方向基本垂直。
12、如权利要求1所述的等温反应器(1)，其特征在于，所述催化床(10)具有孔以允许反应气体的入口以径向运动进入到所述催化床(10)内。
13、一种用于等温反应器中的热交换单元(13)，包括在其内限定多个供工作气体通过的反应区域(36)的多个热交换器(14)，其特征在于，在所述催化床中临近热交换器(14)之间的至少一个反应区域(36)内具有缓冲装置，用于使所述反应气体流向所述临近的热反应器(14)偏移。
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