CN101754802B - 用于等温化学反应器的热交换单元 - Google Patents

Abstract

用于等温的或拟等温的化学反应器的板式热交换单元(12)，用于在板内部循环的流体与反应物气体的往外的流之间的热交换，其中，板(13)的壁(14、15)具有被合适的接合线(105)包围的切口(14s、15s)，获得穿过板(13)自身的贯通开口(104)，致使所述板在横向方向上实质上可透过反应物气体。

Description

用于等温化学反应器的热交换单元

技术领域

在本发明最一般的方面而言，本发明涉及用于催化化学反应的等温反应器或拟等温反应器(pseudo-isothermal reactor)技术领域，所述催化化学反应是在存在合适催化剂的情况下进行并产生热量(放热反应)或吸收热量(吸热反应)的化学反应。

背景技术

已知上述类型的许多催化化学反应要求温度保持在相当窄的最优产出范围内，补偿由反应本身所引起的热量产生或吸收。

为此，已知用于催化化学反应的反应器包括大体圆柱形的外壳，该外壳配备有针对反应物和反应产物的合适的入口/出口，并且包括嵌入有热交换单元的催化层，该热交换单元能够在放热化学反应的情况下从反应物气体中取走热量，或者反过来在吸热化学反应的情况下提供热量。因为这样的热交换单元将反应器中的温度保持在预定范围内，补偿了化学反应的热量增加或吸收，所以所述反应器被称为“拟等温反应器”，或者更简单的说为“等温反应器”。

热交换单元由多个适当构造、支撑并相互连接的交换器构成，液体形态、气体形态或相变期间的形态的合适的热交换流体(如导热油、熔盐、液态或沸腾态的水，乃至反应物气体本身)被供给所述交换器。例如，存在一种用于放热反应的已知类型的反应器，在该反应器中，一部分气态反应物作为冷却流体在热交换器内循环，获得对反应物自身进行预热这一额外优点。

板式热交换器被广泛用于本文所虑及类型的等温反应器中。

例如，EP-A-1306126公开了用于径向的或轴向-径向的等温化学反应器的板式热交换单元，该板式热交换单元包括多个热交换板，所述热交换板被大体径向布置，以长边平行于该单元的轴而短边沿径向延伸，其中，每个板包括两个相互并置且平行的壁，所述两个壁通过至少一个周边接缝接合，以限定用于热交换流体循环的腔室。

已经认识到，板式单元尽管具有诸如交换表面大、成本相对低廉以及便于组装的优点，但是可能对外部气体流产生一些干扰。特别地，板式单元可能在反应区域内、在邻接的板之间产生关于气体流的优选通道，所述优选通道彼此相对隔离。该效应可能降低所述流的混合以及反应物之间的接触。

发明内容

本发明的主要问题在于设计和提供一种用于等温化学反应器的板式热交换单元，该板式热交换单元能够克服前述缺点，减少所述流在板之间的径向通道中的分割。

该问题是采用一种用于等温化学反应器的板式热交换单元来解决的，该板式热交换单元可用于在所述单元中循环的工作流体与馈送到反应器中的反应物气体流之间的热交换，所述单元包括多个热交换板，其中，每个板包括两个相互并置且平行的壁，所述壁通过至少一个周边接缝接合，在所述壁之间获得至少一个用于所述工作流体的循环的内部腔室，其特征在于，每个板具有配备有多个开口的一个壁，并且相对的壁配备有同样多的、与面向前述开口的开口，并且该板沿着所述开口的边缘还包括所述壁之间的的接合线(joining line)，获得穿过板的贯通开口。

根据一个优选实施例，开口被成形为在板的纵向延伸方向上延伸的如缝隙状或切口状。更优选地，所述贯通开口被布置在多个平行的排上。

应当注意，具有相关的边缘接合线的每个开口往往使板内循环的流体偏离，具有对于热交换的大体有益的效果。根据本发明的另一方面，沿着每个板，贯通开口布置在许多平行的排上，并且所述平行的排优选是错开的，获得在板自身内部的流体的大体为蛇形的路径，这将在下文中通过非限定的示例性实施例而变得清楚。

在一个优选实施例中，热交换单元的板具有大体模块化的结构，包括多个部分，每个部分具有至用于热交换流体的入口歧管和出口歧管的相应的连接。用于馈送和排出流体的歧管有利地被布置在板的两侧，使得板的每个部分(或模块)在其内部被流体按照大体横向的方向穿过。

优选地，板的每个模块包括被制成为纵向切口或缝隙的多个贯通开口，所述贯通开口平行并且在纵向上错开，在两个壁之间获得用于热交换流体的蛇形通道。

优选地，板的贯通开口的总面积为同一板的正表面的2％至20％之间(不考虑可能的波动)，更优选为在5％至10％之间。根据一个示例性的实施例，垂直于板的纵向延伸方向测量到的开口的宽度为大约15mm。

本发明的目的还在于一种用于放热的或吸热的多相化学反应的等温反应器，该等温反应器具有如上所述的板式热交换单元，该板式热交换单元嵌入在催化层中。

通过所述贯通开口，热交换板在使用期间在横向方向上大体可透过反应物的气体流。其结果为所述板不妨碍往外的气体流，并且允许反应物的完全混合。通过该混合效果还可改善与板内部的流体之间的热交换，该混合效果往往使得温度均匀，避免在气体流中形成较热或次热的部分。这样，获得反应器的性能的整体提升。

根据一个优选的方面，板的模块化结构使得热交换更加高效，避免沿着板自身的延伸方向形成“冷”区域和“热”区域。

此外，保持了在等温反应器中使用板式热交换器而获得的所有优点，诸如大交换表面积，低成本以及安装容易。

通过下面对用于说明性而非限定性的目的而给出的结合附图的优选示例性实施例的描述，本发明的特征以及优点将变得更加清楚。

附图说明

图1示意性示出具有径向流的等温反应器的剖面，该反应器包括根据本发明的优选实施例的板式热交换单元；

图2示出图1所示的反应器的热交换单元的板的示意性正视图；

图3示出图2所示的板的一部分的示例性截面；

图4以正视图的形式示出图2所示热交换板的一部分的细节；

图5示出图1所示热交换单元的板的一部分的立体图。

具体实施方式

参考图1，所示的等温反应器1包括具有竖轴的圆柱形壳体2，该壳体2被底基板3和顶基板4封闭，配备有分别用于馈送反应物气体和排出气态反应产物的通道5、6。

在反应器1内部限定反应区域(或环境)，大体为圆柱形且具有环形横截面的催化筐7被支撑在反应区域。所述催化筐7基本上由外圆柱形壁8、内圆柱形壁10以及环形基板7b构成，外圆柱形壁8与壳体2一起限定窄宽度的间隙9。

内壁10在中心区限定轴向通道，导管11被大体支撑在该中心区，该导管11构成反应的气态产物的歧管。所述导管11具有封闭的顶端11a和开放的底端11b，与底基板3的排出通道6直接流体连通。

外壁8与内壁10是带有穿孔的，以允许反应物气体从间隙9进入筐7内部，并且允许反应的气态产物从筐7进入中心导管11。

筐7用于容纳大量合适的催化剂(未示出)，图1中示意性示出的热交换单元12浸入催化剂且以本身已知的方式支撑。

所述热交换单元12具有整体圆柱形的环形结构，类似于所述筐7的结构。单元12具有的外径(outer diameter)大体上等于筐7的外径，并且单元12被直径大体上等于同一筐的内径的通道轴向穿过。

特别地，根据在图1中示意性示出的优选的、但非限制性的实施例，热交换单元12包括多个热交换板13，所述热交换板13以三个同轴且同心的行的方式规则地分布。所述板13被大体径向布置，以长边平行于单元12的轴，从而平行于圆柱形壳体2的轴、而短边沿径向延伸，并且所述板13以构成多个径向组(三个一组)的方式组织。当然，根据不同的技术应用要求，每个三板13一组的径向组可由一对板或单个板代替，所述一对板或单个板的尺寸被设计成占据筐7的整个径向范围。

工作热交换流体被馈送到板13的内部，以加热或冷却(取决于是吸热反应还是放热反应)反应物。为此，单元12连接到用于使所述工作流体循环的合适的装置，在示例中，由供给导管23a、24a、25a以及环形分配器23、24、25表示。这些分配器通过一系列的连接器21将流体输入和输出被纵向布置在所述板13的两侧的歧管。出于非限制性的目的，在图1涉及的反应器中，在板13内部循环的热交换流体由反应物自身构成。反应物气体被馈送给交换单元12，在交换单元12，反应物气体被反应热量预加热，然后从布置在最里面的板13的顶部的开放导管22出来进入到反应区域中。

热交换板13具有多个贯通的开口，使得这些热交换板13在横向方向上实质上可透过反应物气体，为了简明，所述贯通的开口未在图1中示出。

在图2至图5中更详细地示出热交换单元12的板13。一般来说，所述板13大体上由两个相面对的壁14和15构成，壁14和15例如由适当呈波浪状的金属板形成，通过周边焊接16连接在一起，获得在一个壁与另一个壁之间用于热交换流体的腔室(或多个腔室)17。板13还被连接到用于工作热交换流体的入口歧管和用于同一流体的出口歧管，入口歧管和出口歧管在板的两侧纵向延伸。这样的歧管102和103也可以直接“形成”在板内，如在EP-A-1306126中所描述的那样。

参考图3的示例性截面，壁14具有多个开口14s，而壁15具有多个相应的且并置的开口15s。沿着所述开口14s和15s的边缘形成有接合线105例如焊接，从而获得所述贯通开口104之一。应理解，开口14s和15s以及相应的焊接105限定穿过板13的所述贯通开口104，但不会干扰内部腔室17的流体密封。

板13配备有多个这样的开口104，优选如图中所示被布置在一些平行的排或串上。在所示示例中，开口104被布置在三个平行的排上，中心排相对于侧排错开。

通过这些穿贯通开口104，板13实质上可透过流出的气态反应物流，即，在反应器1内部，沿径向流动的反应物本身也可以以上述方式横向穿过板13。

在一个优选实施例中，板13具有大体上模块化的结构，包括多个部分(或模块)，每个模块具有至流体入口歧管和出口歧管的相应的连接，所述连接利用本身已知的技术制造。

参考图4至图5，板13的这些模块中之一由110表示。通过壁14、15之间的焊缝111、112限定所述模块110并且使所述模块110与邻接的模块隔开，并且所述模块110限定用于流体循环的、与歧管103和102适当连通的腔室或管。热交换流体以例如图4和图5中的箭头所示的蛇形路径横向穿过模块110。

更详细而言，板模块110具有三个贯通开口或切口104a、104b和104c，它们按照上述方式制成并且沿纵向延伸。这些切口大体平行且在纵向上错开，限定出大体为蛇形的横向通道117。每个切口104a至104c被相应的边缘焊缝105a至105c包围，这保持板13的壁14与壁15之间的通道117的流体密封性。

可替选地，边缘焊缝105a至105c与用于封闭模块110的顶部焊缝111或底部焊缝112相连。在示例中，焊缝105a和105c与在底部限定模块110的底部焊缝112连接，而焊缝105b与相对的顶部焊缝111连接，以致使开口104a至104c错开布置。

应注意，与图4所示的模块110类似，板13的每个模块具有用于工作流体的相应通道或管，与大体为横向且为蛇形的通道117类似，与邻接的模块的通道分离。然而，在等效的实施例中，在不同的板模块中限定的通道也可以是相互流体连通的。

歧管103、102之间的流体通道以及所述板的通道由本身已知的技术制造，例如中断所述板的壁之间的焊缝或合适的套筒。

操作方式如下。参考图1，通过所述导管和环形分配器将反应物气体馈送给板13。这些气体在顶基板4所限定的空间中从最里面的板的导管22中出来，从而在径向上从间隙9穿过反应区域到达歧管11。参考放热反应而言，单元12中的热交换使催化床及反应产物冷却，并且使反应物的流预热。由于在板13中存在开口104，沿着反应器1中的径向路径、通过板自身，获得反应物气体的横向混合流，得到在化学反应产量和单元12的热交换的总量方面的益处，而且保持了所期望的温度曲线。

最后应注意，本发明的应用不应被理解为限于径向的或轴向-径向的反应器，而是在其他类型的等温化学反应器中同样是有利的。

Claims (11)

1.一种用于等温化学反应器（1）的板式热交换单元（12），可用于在所述单元（12）中循环的工作流体与馈送到反应器（1）中的反应物气体流之间的热交换，所述单元（12）包括多个热交换板（13），其中，每个板（13）包括两个相互并置且平行的壁（14、15），所述壁通过至少一个周边接缝（16）接合，在所述壁（14、15）之间获得至少一个用于所述工作流体的循环的内部腔室（17），其特征在于，每个板（13）具有配备有多个开口（14s）的壁（14）以及配备有同样多的面向所述开口（14s）的开口（15s）的相对的壁（15），并且所述板还包括在所述壁之间的、沿着所述开口（14s、15s）的边缘的接合线（105），获得穿过所述板（13）的贯通开口（104），穿过所述板（13）的所述贯通开口（104）在所述板（13）自身的纵向延伸方向上延伸，所述贯通开口（104）被布置在多个平行的排上，每个板（13）的贯通开口（104）的平行的排被错开，在板（13）内部的腔室（17）中获得所述流体的大体为蛇形的路径。

2.根据权利要求1所述的热交换单元，其特征在于，每个热交换板（13）具有模块化的结构，包括多个部分或模块（110），每个模块（110）具有针对工作热交换流体的相应入口和出口连接。

3.根据权利要求2所述的热交换单元，其特征在于，每个板模块（110）包括多个所述贯通开口（104a至104c），贯通开口（104a至104c）被布置成限定用于板模块（110）内部的热交换流体的、大体为蛇形的通道（117）。

4.根据权利要求2或3所述的热交换单元，其特征在于，每个板模块（110）由板（13）的壁之间的顶部接合线（111）和相对的底部接合线（112）限定，并且，所述贯通开口（104a至104c）由与所述顶部接合线（111）和所述底部接合线（112）连接的接合线（105a至105c）包围。

5.根据权利要求3所述的热交换单元，其特征在于，每个模块（110）具有边侧贯通开口（104a、104c）以及中央开口（104b），中央开口（104b）相对于所述边侧开口错开，使得整个板（13）具有三排或三串贯通开口，中央的排相对于边侧的排错开。

6.根据权利要求1所述的热交换单元，其特征在于，每个板（13）的贯通开口（104）的总面积为板自身的正表面的2%至20%。

7.根据权利要求6所述的热交换单元，其特征在于，每个板（13）的贯通开口（104）的总面积为板自身的正表面的5%至10%。

8.根据权利要求1所述的热交换单元，其特征在于，板（13）的贯通开口（104）具有15mm的宽度。

9.根据权利要求1所述的热交换单元，其特征在于，所述板（13）的壁（14、15）由金属制成，并且在所述壁之间的所述接合线（105）通过壁的焊接线制成。

10.根据权利要求1所述的热交换单元，其特征在于，所述单元（12）具有大体为环形且为圆柱形的结构，具有沿径向布置的热交换板（13）。

11.一种等温化学反应器，包括外壳体（2）以及热交换单元（12），热交换单元（12）被嵌入到支撑在所述壳体自身中的催化层中，其特征在于，所述热交换单元（12）是根据任一前述权利要求构造。

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