CN101873889A - 具有平板式热交换单元的化学反应器 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种等温化学反应器(1)，包括平板(30)热交换单元(12)，浸在催化床(7)中并被指定为加热或冷却试剂，从而在预定范围内保持反应温度；所述平板(30)由两个平壁(31，32)和纵向隔离物(33)形成，从而获得用于热交换流体循环的平行通道(34)。

Description

具有平板式热交换单元的化学反应器

技术领域

在最通常的方面，本发明涉及内部装备有平板热交换单元或平板热交换器的化学反应器技术领域。

作为非限制性示例，本发明适用于装备有浸在催化层中的内部热交换器的等温或伪等温化学反应器(其用于放热或吸热的非均匀反应)，或装备有操作条件下浸在流体中的内部热交换器的反应器。

背景技术

已知的不同类型的化学反应器装备有至少一个内部热交换器，其适合于提供或移除来自于反应器自身内进行的化学反应的热量。

第一个示例描述了所谓的等温或伪等温反应器，通常包括浸在催化层中的热交换器，其目的是，在放热化学反应的情况下用于去除来自试剂的热量，或在吸热反应的情况下用于提供热量，从而在最优效率范围内保持反应温度。在甲醇合成装置中，在其它情况之中使用等温反应器。

所考虑的化学反应器类型的另一个示例是，尿素生产装置中的氨基甲酸酯冷凝器。

进一步的示例描述了所谓的变换炉(shift converter)反应器，其中，处理通过甲烷气体的部分氧化获得的并包含一氧化碳的合成气体，从而将部分一氧化碳转化为二氧化碳。在从天然气获得的氮气和氢气生产氨的过程中，在其它情况之中，使用这种类型的反应器。

在所考虑的化学反应器类型中，已知提供平板式热交换器，其主要包括平行管形的多个箱行扁平体，称作“平板”。所述平板主要由两个矩形壁形成，该两个矩形壁至少沿着周边相互连接，从而限定了热交换流体的内部通路室。间接热交换发生在与平板的外表面接触的外部流体和在平板自身内循环的流体之间。根据需要，前述内部热交换流体可以是与试剂或反应产物(例如，获得预热的试剂)相同的流体，或只被指定为用于热交换而不参与化学反应的流体(诸如，水、蒸汽、溶化的盐等)。

EP-A-1705445公开了化学反应器中使用的特别有利的平板式热交换器，并且其包括被称作“膨胀的”平板，也就是，由两块平的金属板通过周边焊接并可能通过其它焊接点而连接形成，并且“膨胀的”平板遭受高压液压膨胀(例如，400-500巴(bar))的循环，从而获得两个板之间的内部流体通路室。

必须注意的是，在所考虑的类型的化学反应器领域，人们有着使用确保优点的平板式热交换器的强烈动机，该优点诸如关于尺寸的大交换表面、相对有限的成本和易于安装反应器。

然而，具有平板式热交换的化学反应器具有一些技术局限，所以仍需要改进。

首先，需要尽可能地减少交换器内的水头损失(head loss)，这种水头损失，特别是在大容量装置中，会引起辅助设备(循环泵)的相当大的能量消耗。

而且，虽然有很多原因的优点，使用具有“膨胀”式平板的交换器的化学反应器，尽管因诸多原因是有益的，涉及仍没有被克服的一些技术限制。实际上，这种类型的交换器不适合于承受热交换流体循环于其中的平板内部和承受反应器压力的平板自身外部之间的高压力差。

使用膨胀的平板交换器是公知的，例如，在用于在70-80巴操作合成甲醇的反应器中，但对于更高的压力差(例如，大约100巴或超过100巴)，其显得不容易适用。实际上，变平的阻力实质上由平板的厚度和平板自身之间的焊接点的间距确定；然而，厚度增加由于膨胀过程的不可能性不能超过一定的限度，并且，基于同样的原因，不能减小焊接点的间距(即，使它们彼此更近)超过一定限度。必须指出的是：包括上述高压液压膨胀的制造过程的成本相对高。

上述问题阻止并限制了高压力和/或侵蚀性环境中操作的化学反应器中的平板热交换器的广泛使用。

发明内容

本发明解决的问题是设计并提供装备有平板热交换单元的反应器，其适合于解决现有技术的上述缺点和限制。

特别地，本发明的目的是减小反应器的热交换单元内的水头负荷(head load)，并在平板的内部和外部之间的高压力差下和/或腐蚀环境中，允许热交换单元的有效运行。

使用化学反应器解决了问题，该化学反应器包括至少一个平板热交换单元，设置为在流经所述平板的该单元内的流体，和在所述单元外并包含在所述反应器内的流体之间进行热交换，其特征在于，每一个热交换单元的所述平板包括：

-第一平壁和第二平壁，其基本是二维的，所述壁相互平行并相互隔开；

-多个内部隔离物元件，连接所述第一平壁和第二平壁，并获得多个平行通道，限定为所述第一和第二壁之间的所述内部流体的通路。

关于术语基本二维的壁，这意味着所述壁具有分别是长和宽的两个维度的尺寸，明显大于(例如，一个或两个数量级)第三维尺寸或厚度。

平壁具有与交换器内部连通的外表面，被指定为与外部流体接触；相对的内表面相互面对，并由所述隔离物元件间隔，并且与在平板自身内循环的内部流体接触。

根据本发明的第一实施方案，隔离元件在每一块平板中无间断地延伸，从而在所述第一和第二壁之间获得相互隔开的平行通道。

在本发明的第二实施方案中，平板的隔离物元件具有间断，在通道之间产生了具有水流均衡功能(flow equalisation function)的流体通路。

根据本发明的一个实施方案，前述隔离物元件是纵向的，也就是沿着平板的最大维度延伸。然而，在其它等同实施方案中，隔离物相对于平板的主要延伸方向可以是横向的。

根据优选的结构方面，所述第一和第二平壁基本由各个平金属板形成。隔离物元件具有实心的横截面，优选矩形，从而获得矩形截面通道，其具有的高度等于所述隔离物的厚度，并且宽度等于两个相邻的隔离物元件之间的开口。

为了侧向密封平板，可以沿着壁的纵向周边设置两个附加的隔离物元件。

优选地，隔离物元件可以由钢板带制成，其厚度大约等于内部流体循环通道所需的高度，并且所述隔离物元件采用激光工艺焊接，或借助钎焊(brazing)连接。

本发明的优点如下：平板的机械强度很高，并且可以按照需要实际提高。实际上，可以通过增加平壁的厚度和/或减小隔离物元件之间的距离(间距)获得更坚固的平板。因此，平板可以承受内部和外部之间的很高的压力差。

而且发现，根据本发明的平板配置的水头损失低于膨胀平板的水头损失。

进一步的优点是，与外部流体接触的平板的外部表面可以非常光滑。光滑的外部表面可以方便催化剂的排放并且由于不具有腐蚀的起始点，其也可以是有利的。

此外，保持了在等温反应器中使用平板式交换器的所有优点，诸如，大交换表面、低成本和易于安装。

因此，本发明的一个方面，包括在应用中使用上面描述类型的平板式热交换单元，替代了传统的管道式交换器，在该应用中，平板式交换器仍有未解决的缺点。

参考所附的图，从下面说明性的和非限制性的实施例示例的描述中，本发明的特性和优点将更加明显。

附图说明

图1示意性地示出了根据本发明的实施方案的平板式等温化学反应器的剖面。

图2示意性地示出了图1的反应器的交换器的热交换平板。

图3示出了图2的平板的横截面。

图4示意性地示出了图1的反应器的热交换平板的剖面。

图5是热交换平板的另一实施方案。

具体实施方式

参考图1，所示的等温化学反应器1包括具有垂直轴的圆柱形外壳2，下端3和上端4，其分别装备有用于试剂的入口的法兰5和用于反应产物的出口的法兰6。

图1的示例为催化反应器，例如，用于合成甲醇，其包括基本为圆柱状且环形结构的催化架子(rack)7。所述催化架子7主要由外部圆柱形壁8、内部圆柱形壁10和环形底部7b组成。具有罩2的外壁8限定了减小了宽度的间隙9。架子7被指定包含大量的适合的催化剂(未示出)。

所述外壁8和所述内壁10被打孔，从而使试剂气体的通路从间隙9进入架子7，并使气态反应产物的通路从架子7到中心管道11，该中心管道11构成所述反应产物的收集器。

反应器还包括由整体标识为12的平板热交换单元，其被包含在架子7中并被浸在催化剂中。

更特别地，所述热交换单元12包括多个热交换平板30，在示例中其被设置为类似射线的方式，即，放射状地。

热交换流体，例如水，可以通过适合的循环构件(在示例中描述为各个流体入口分配器22和流体出口收集器21)供给到每一个平板30。分配器22和收集器21通过反应器1内的适合的管材和入口/出口法兰23和24连接。

所述热交换流体或内部流体流经限定在平板30内的多个通道。

参考图1-4的实施方案，每一个平板30主要包括相互平行的第一平壁31和第二平壁32，以及连接所述第一壁31和第二平壁32的多个纵向隔离物33，从而获得用于所述内部流体的通道34。

壁31和32基本是二维的，也就是，它们的长度和宽度明显大于厚度。例如，长度是几米；宽度大约是一米；厚度是若干毫米。

优选地，隔离物33具有实心截面，如图所示，更优选地为矩形，从而获得具有基本矩形截面的通道34，其高度等于所述隔离物的厚度，并且宽度等于两个相邻的隔离物33之间的距离(间距)。

在所描述的实施方案中，隔离物33无间断地连接壁31和32，从而获得由壁31、32的内表面和隔离物33的连续侧表面限定的、相互平行并分离的通道34。换言之，沿着平板30的纵向延伸，流入通道34中的一个的流体流不能与流过相邻的通道的流体混合(图4)。

沿着壁31和32的纵向周边，设置了两个附加的隔离物35，从而侧向密封平板30。这种隔离物35可以与隔离物33相同。

在优选实施例中，壁31和32由各个平金属板形成，并且隔离物33被描述为平板带，其适合的厚度等于内部流体循环通道34所需的高度。

提供了优选的制造过程用于使用激光工艺将隔离物元件33、35焊接到壁31和32。在特别的情况下，诸如在反应器中存在腐蚀环境，即，在平板外面，然而，可以使用焊接金属手动执行平板体30的外部焊接，从而可以避免会引发腐蚀的空隙形成。

如图所示，分别被表示为31a和32a的壁31和32的外部表面，是平板30自身的外部表面，并且被指定为与包含在反应器1内的外部流体直接接触。平板的相对的内部表面相互面对，并且与在通道34内循环的内部流体相互接触。因此，热交换间接发生，两中流体之间不发生直接接触。

表面31a和32a优选是平滑的。在催化反应器中，该特征特别有利，但不是唯一有利的。参考图1的示例，具有平滑外部表面的平板30方便了排放并替换包含在床7中的催化剂。

为了在高压力差和/或潜在的腐蚀环境中操作，所描述的单元12由不锈钢或双炼钢的平板30的壁31、32和隔离物33制作。作为示例，壁31、32可以具有的厚度为几个毫米，并且隔离物33的厚度为大约5mm。

可理解的是，根据本发明的热交换单元获得了上述状态的物体，并特别地提供了内部和外部之间的压力差的高阻力。还发现了，相对于上面限定的膨胀式平板，负载损失减小了。在一些情况下，负载损失的减小可以从1/3至1/10。

在进一步的实施方案(未说明)中，隔离物33沿着其纵向延伸被间断，从而获得通道34之间的各个流体通路。隔离物元件的间断和通道之间的流体通路，可以有利于通道34中的流动均衡效果。

通过在通道34上装备有开口或槽25的分配器22和收集器21，热交换流体，例如水，流入平板或从平板被收集(图4)。

图5为进一步的实施方案，其中，平板30的间隔物33相对于平板30横向地设置，从而获得径向通道34，其它的技术特性基本等同于上面所描述的。使用装备有上面描述的开口25的纵向分配器22’和收集器21’，获得热交换流体的供给。

图5的实施方案是有益的，例如，在平板上的热负载(反应产生或吸收的热量)沿着半径明显变化的径向反应器中。

再次参考图1，操作如下。试剂通过法兰5进入反应器1，并从间隙9到收集器11径向地穿过催化反应区。热交换流体，例如水，分别经法兰23和24流进和流出，提供给平板30。单元12操作的热交换(指例如放热的反应)，冷却了催化床和反应产物，在最优效率范围内保持了反应温度。

对本领域的技术人员显而易见的是，本发明不限于上面描述的等温催化发生器的情况，其同样适用于不同化学反应器类型，包括转化器，尿素装置反应器等等。

在等同实施例中，单元12的平板30可以具有不同于径向设置的设置；例如，单元12可以是具有基本平行的平板的类型。

内部流体和外部流体也可以是相同的流体(例如，使用反应热预热试剂)，虽然上面描述的反应器类型优选用于高压力反应器，其中，平板内的流体只指定用于热交换，并且不同于外部(过程)流体。

最后，应注意的是，本发明的应用不限于径向或径向-轴向反应器，而是在其它类型的等温化学反应器中也具有相同的优点。

Claims (11)

1.一种等温化学反应器(1)包括：至少一个内部平板(30)热交换单元(12)，设置为在所述单元(12)内的流经所述平板(30)的流体和在所述单元(12)外并包含在所述反应器(1)中的流体之间，提供热交换，其特征在于，所述热交换单元(12)的每一个所述平板(30)包括：

-基本为二维的第一平壁(31)和第二平壁(32)，所述壁(31，32)相互平行并隔开；

-多个内部隔离物元件(33)，连接所述第一平壁(31)和所述第二平壁(32)，从而获得限定于所述壁(31，32)之间用于所述内部流体通路的平行通道(34)。

2.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述内部隔离物元件(33)无间断地连接所述平壁(31，32)，所述平行通道(34)相互隔开。

3.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述内部隔离物元件(33)具有间断，从而获得所述平行通道(34)之间的流体通路。

4.如前面任一项权利要求所述的反应器，其特征在于，所述隔离物元件(33)相对于所述平板(30)是纵向的。

5.如权利要求1-4中任一项所述的反应器，其特征在于，所述隔离物元件(33)相对于所述平板(30)是横向的。

6.如前面任一项权利要求所述的反应器，其特征在于，所述热交换单元(12)的平板(30)的所述隔离物元件(33)具有实心横截面。

7.如权利要求6所述的反应器，其特征在于，所述隔离物元件(33)具有矩形截面，从而获得矩形截面通道(34)，其高度等于所述隔离物的厚度，并且宽度等于两个连续的隔离物元件(33)之间的距离。

8.如前面权利要求中任一项所述的反应器，其特征在于，沿着每一个平板(30)的所述壁(31，32)的纵向周长边缘，设置有另外两个隔离物元件(35)，从而侧向密封所述平板(30)自身。

9.如前面权利要求中任一项所述的反应器，其特征在于，所述平板(30)的所述壁(31，32)具有基本平滑的外部表面(31a，32a)，被指定为与所述外部流体接触。

10.如前面权利要求中任一项所述的反应器，其特征在于，所述热交换单元(12)的平板(30)的所述壁(31，32)和所述隔离物元件(33，35)，通过使用激光工艺的焊接或通过钎焊而连接。

11.如前面权利要求中任一项所述的反应器，其特征在于，所述反应器为等温或伪等温催化反应器，包括催化床(7)，所述热交换单元(12)浸入所述催化床(7)。

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