CN101896260B - 等温化学反应器中热交换器板片的支承系统 - Google Patents

Abstract

用于支承等温化学反应器(1)内部的板式热交换器(10，100，200)的系统，包括至少固定在板片(11)的顶部径向面(19s)的圆周环结构(40)，所述结构形成为单环或双环。

Description

等温化学反应器中热交换器板片的支承系统

技术领域

本发明涉及一种等温或伪等温化学反应器技术。更具体地，本发明涉及一种等温化学反应器内部的热交换器板片结构连接系统。

背景技术

众所周知，等温或伪等温化学反应器设有内部热交换器，适于提供或移除化学反应器自身内部产生的化学反应热。通常，热交换器插在反应区内部的催化层内，并用于在抵消反应本身所产生(或吸收)的热的状态下，把反应物的温度保持在一个理想的范围内。在其它应用中，生产甲醇的工厂常用等温反应器，其合成反应为放热反应。

上述反应器可为不同的类型，例如根据反应物相对于反应器的主轴所经过的路径，可以是轴向、径向或混合流。

特别地，径向或轴向/径向流等温反应器通常设置为压力容器，其中，容纳有由两个穿孔的同轴壁界定的催化盒，该催化盒包含适当的催化剂(催化床)。

在上述化学反应器中，已知提供了一种板式热交换器，其中，典型的热交换元件为盒形的、平坦的平行六面体元件，通常称为“板片”。该板片主要由两个至少沿周长彼此连接的矩形壁组成，以限定用于加热或冷却流体的通道的内腔。带有板式热交换器的化学反应器，或更简单地，板式反应器例如可见EP-A-1284813。

板式反应器得到了广泛的好评，这是因为：其结构简单、即使在已有的反应器中也能方便安装、与尺寸相比具有较大的热交换表面，因而在许多应用中，其比带有管式交换器的反应器更优。还已经知道，通过在已有的反应器内部设置新的板式交换器以替代管式交换器可以实现反应器的改造。

板式反应器技术面临的是充分支承位于反应器内的热交换板片，也就是上述盒形体的问题。

板片支承系统必须满足各种需求，包括：以适当的方式支承板片的重量；保证长期可靠，例如由反应物/产品流动所产生的震动，该震动可以损害交换器的物理稳固性；在维修或更换时，可以移走一个板片或一组板片。

此外，由于化学反应器内部的容纳空间，板片支承系统受到结构和运行方面的限制，因为可用空间是有限的，并且可取性可能很复杂。例如，不能采取庞大的支承，因为这降低了反应的可用容积和/或降低了催化剂的装载/卸载能力。更重要的是，当介入已经使用了很长一段时间的已有反应器，不推荐采用焊接操作来提供新的支承，应当使用已有的支承。

通常，尤其在老的反应器中，提供一种圆周支承，该支承由焊接到反应器的柱形壳的内部边缘上的支架组成，位于催化床的入口壁，同时内部不再提供支承。在其它情况下，板式交换器位于横向支承梁(例如C形或双C形梁)上，并焊接在反应器内部。应当注意到，在纵轴反应器中，这些支承位于下端板片附近，因此不能轻易接触到。

通常，热交换器包括给定数量的模块元件，即，板片组，每个板片组构成交换器的环形体的一段。尤其当安装到带有部分开口的反应器中，不允许插入整个交换器时，模块结构具有优越性。在这类情况下，通过逐个插入板片组把交换器安装在反应器内部(或替换已有的交换器)，这会给交换器恢复机械一体化，以保证安全支承并阻止板片从安装位置移开所带来问题，尤其当只能获得上述外部圆周支承(支架)时。

需要对现有的支承系统进行改进以满足上述不同需求。尤其在交换器内部完成安装操作时，现有的系统无法满足模块交换器的整体结构的总体恢复需求。

发明内容

本发明基于如下问题：设计并提供了一种板片的机械支承系统，用于上文限定类型的等温反应器中，能够满足上述需求。

通过等温化学反应器内部的板式热交换器的机械支承系统来解决上述问题，所述交换器具有通常的圆柱环形结构以及径向热交换板片，所述板片具有大致为平行六面体的盒形体，该平行六面体具有平行于反应器的轴的面以及位于板片本身相对端、相对于反应器的同一轴为径向的面，所述系统的特征在于，其包括固定于所述板片至少一端的径向面的圆周环箍结构。

根据本发明的一个方面，所述圆周环箍结构为单环或双环的形式；所述双环环箍结构主要包括两个同心环并，还包括位于所述两个环之间的径向连接元件。

所述环箍结构设置在板片的一端或两端。在纵轴反应器中，所述环箍结构至少固定在板片的顶部径向面上，并且还可选择地固定在板片本身相对的底面上。优选地，环箍结构固定在与所述热交换板片的径向面成为一体的流体收集器或分配器上。

根据另一个等同实施方式，热交换板片设置为一个单排，或者也可以，设置为几排或同心“圈”，每排板片都有各自的环箍结构，每个环箍结构可能具有单环结构或双环结构。优选地，内部板片进一步与下一个板片连接，外层排通过钩固定在相应环箍结构上。

在一个优选实施方式中，热交换板片设置为模块元件，称为板片组，每组由给定数量的板片组成，并且每组设有一部分(或段)圆周环箍结构，其也是模块化的。更进一步，环箍结构的模块或段具有可逆连接，以连接板片组并恢复交换器的整个整体结构。

优选地，这种可逆连接通过双环环箍结构的径向板片上的孔来实现，以便对邻近的板片组的环箍段用螺栓连接。可逆连接甚至能够通过在板片的维修和更换期间以简单地切割和再次焊接的方式实施的焊接操作而获得。

本发明的一个目的是还提供一种等温或伪等温化学反应器，包括内部板式热交换器，并设有依据本发明的用于所述交换器的机械支承系统。

本发明基本上具有以下优点：

所述环箍结构恢复板片之间的机械连续性，从而获得单件热交换器的整体结构，虽然热交换器由板片组组成，板片组被预先组装并被一次一个地插入反应器的壳中。

当反应器是完全开口的反应器时，可以预先组装交换器，以从整个交换器的上方插入。在这种情况下，本发明有利于在车间生产具有整体结构的交换器，然后使其向下进入开口反应器，减少了现场工作、成本以及安装时间。

如果交换器插入反应器时仍是分解的(一次一个板片组)，根据本发明的系统可以有效地恢复板片的机械一体性；工作变得更加容易，尤其通过固定到顶面收集器，接触通常更为容易。

通过以下描述，参照优选但非限制性的实施方式，本发明进一步的优点将变得明显。

附图说明

图1为示意性示出了根据本发明的径向流体等温反应器的剖视图，包括板片的双环环箍结构；

图2示出了图1的反应器交换器的一组板片；

图3和4分别从俯视图和仰视图角度，示意性示出了位于图1的反应器内部的交换器；

图5示出了另一个实施方式，其中交换器具有两个同心排的板片；

图6描绘了交换器的板片之间的啮合系统，该交换器是设有两个同心排的类型；

图7示出了又一个实施方式，其中交换器设有三个同心排的板片；

图8示出了图7的细节；

图9示出了本发明的另一个简化的实施方式，其中环箍结构为单个、焊接的环的类型。

具体实施方式

参考图1，所示的等温反应器1主要包括圆柱壳2，具有纵轴，所述圆柱壳2具有法兰20和21，用于反应物的进入和反应产品的排出，所述圆柱壳2包含板式热交换器10。所述圆柱壳2还设有顶部开口或人孔P。

交换器10插入到催化篮3中，主要由外部圆柱壁4、内部圆柱壁5以及底部6组成。壁4和5被穿孔以允许反应物/反应产品通过缝隙7在壁4与壳2之间径向流动，经过篮3本身，然后到达与法兰21连接的中心排放管收集器8。

催化篮3一般大致为圆柱环形，并包含一定量的适当的催化剂(未显示)。在反应器1内部的反应区(或环境)与篮3中催化剂所占用的空间一致，在图1中显示为虚线。

插入催化篮3中的交换器10包括多个热交换板片11，每个热交换板片11大致由盒形、平坦体组成，并具有内腔，加热或冷却流体(热交换流体)流经该内腔。这种流体可以是液态或气态或其它任何状态，例如水，熔盐等等；其也可以表现为由消耗的反应热所预热的相同反应物。

板片以径向或竖向方式设置在反应器1内部，具有平行于反应器的轴的长面18、顶部短径向面19s以及底部短径向面19i。在示例中，通过法兰或管嘴12以及与板片的面19i连接的分配器13提供热交换流体；然后同一流体被连接到顶部短面19s的管14收集；管14与连接到出口流体管嘴12’的收集器15、16的系统连接。

板片11由下部外圆周支承支持，在示例中，采用了具有矩形截面的、固定到壳2上的支架30而形成。所述支架30为板片11的短面19i的边缘区域17(图4)提供了支承。

热交换板片11通过圆周环箍结构40彼此机械地连接，在示例的双同心环结构中，大致包括两个固定在板片本身的顶部径向面19s的环41和42。

更具体地，参考图1-4的非限制性实施方式，交换器10由多个模块或组10a(图2)组成，包括预设数量的板片11和相关的管14；结构40也是模块化的，包括固定在各个板片组10a上的段40a。

与单个组10a关联的段40a大致包括两个圆周同心板片47和48，例如由适当厚度的钢制成，与带有固定孔44的径向板片43连接。圆周板片47、48固定在支承件45、46上，从而通过管14，机械地固定(通过焊接或其它方式)在板片11的面19s上。

支承件45、46为L形方形支承件或“耳状物”，以分别容纳板片47和48，并提供了一个邻接表面。优选地，方形支承件45、46如图2所示偏移设置，其中，用于外部板片47的外部方形支承件45以及用于板片48的内部方形支承件46二选其一固定在相邻的管14上。应当注意到，尤其采用焊接方式固定到收集器14上为所给的优选方式，因为板片通常厚度很小(以加强热交换)而不适于直接焊接；相反，收集器14厚度更大并用牢固的方式固定在板片上，表示了固定的安全点。

通常，图2所示类型的单个组10a的板片通过带结构元件连接，并设置在长面上(未显示)。

通过(例如采用穿过孔44的螺栓)固定各个板片43机械地将板片组10a固定到相同的邻近组。通常(图3-4)，各个段40a的圆周板片47、48形成双环结构41、42，这使得板片11彼此机械地连接，以获得具有圆柱环形整体结构的热交换器，与板片的面19i的边缘17相对应的外部下边缘位于支架30上。

参照图5，所示为另一实施方式，其中反应器1具有热交换器100，热交换器100包括两个同心排(或“圈”)的板片11’和11”，并平行地供给有热交换流体。

如图5所示，板片11’和11”的排包括通过各自的环箍结构40’和40”机械地连接的板片组。第一环箍结构40’固定在板片11’，第二同心内部环箍结构40”固定在板片11”上。更进一步，在示例中，板片11”位于固定到内壁5上的又一可选支架31上。

图6以更详细的方式显示了环箍40’，环箍40’由圆周板片141、142以及径向连接板片143组成，同心环箍40”由圆周板片144、145以及径向板片146组成。有利的是，在两排板片的环箍环40’和40”之间设置有另外的连接元件，在示例中由钩147表示，内层排的板片11”通过钩147被支承(也就是“挂住”)在外部板片11’的环40’上。

更具体的是，钩147具有焊接在板片144(板片11”的环的外部圆周板片)上的部分149以及与板片142(板片11’的环的内部板片)连接的钩形部分148。钩147以适当的角度间隔设置。

在支架31不存在时，钩147通常是有利的。事实上，在这种情况下，唯一可用的支承是由支架30提供的，通过恢复带有两个板片排的热交换器的整体结构，钩147在所述支架30上提供了稳定的支承。

板片11’和11”中的热流体的流通方式是平行的，板片设有它们各自的收集器13和排出管14，后者与同一主收集器16连接。热流体的管路根据已知技术构成，其并不是本发明实施的核心，所以不作进一步描述。

图7-8示出了另一实施方式，其中，反应器1包括热交换器200，该热交换器200具有以平行方式供给的三个同心排或圈的板片11’、11”和11”’，及各自的三个双环环箍结构40’、40’和40”’。每个双环环箍包括圆周连接板片以及径向板片；图8例示了圆周板片241、242、244、245、247、248以及径向板片243、246、249。此外，设置了连接元件250(大致与前面描述的钩147相似)，中间排的板片11”通过连接元件250被支承在外层排的板片11’上。

应当注意到(图7)，板片11’位于支架30上，板片11”’位于支架31上，在正常情况下，对中间板片11”没有支承，除非对反应器进行结构修改，这种修改通常需要大量劳动和/或不适当。在任何情况下，钩250可以实现与设置成三排的板片成为整体结构。

在另一个实施方式中，也就是图1的简单变形，结构40由单个环组成，例如仅仅设置一个圆周板片(图9)。这种单环实施方式可应用于上面描述的带有一排或圈或多排或圈的板片的交换器。单环环箍被有利地分成弧形段，通过其它任何类型的焊接或接头连接(未例示)，例如端部重叠并用螺栓固定。

图5、7和9中所示的反应器的相关细节没有明确地显示，应当认为其与图1中所示的反应器等同。

应当注意到，所描述的具有单环或双环的环结构40还可以设置在板片的底面19i上。

本发明实现了上述目的。本发明尤其具有的优点是：在维修或改造操作中，把板式热交换器插入已有的反应器。通常，在这些情况下，仅设置支架支承件30(图1)，大多数反应器是部分开口的，也就是说，它们都设有人孔P，其直径小于反应器的直径，因而妨碍整个交换器10的插入。

因此，根据此处未作详细描述的已知方法，一次插入一个板片组10a(图2)并把它们设置在反应器中；但是，应当注意到，在完成插入操作后，本发明可以恢复交换器10的整体结构，提供在支架30上牢固的支承。基本上，插入所考虑类型的板式热交换器的方法包括以下步骤：

-把板片组10a设置在反应器1的内部，每组设有环箍段40a；

-例如通过螺栓将环箍段40a彼此固定，恢复交换器的结构连续性。

上述方法可以类似地应用于如图7的图5所示类型的交换器，其具有一排以上的板片。

更进一步，如果可能的话，在完成组装操作时，环箍40定位在顶部面19s是有益的，因为螺栓(或焊接)操作相对容易，而接近板片的其它区域(例如长面18)的操作复杂得多。如果板片11由于环箍40都彼此连接为一体，那么支架30上的支承是牢固的，并且板片之间的相对移动被阻止。

更进一步，本发明有利于制造新的反应器；如果反应器为完全开口的类型，本发明允许交换器的预组装，并可以容易地把它下降放入反应器本身。

最后，应当注意到，本发明可以应用于各种类型的反应器，更确切的为：径向、轴向或混合流反应器。

Claims (11)

1.一种等温或伪等温化学反应器（1），其具有纵轴并包括板式热交换器（10、100、200）以及所述热交换器的机械支承系统，所述板式热交换器具有通常的圆柱环形结构并包括径向热交换板片（11），所述径向热交换板片（11）具有平行六面体的盒形体，其纵向面（18）平行于所述反应器（1）的所述纵轴，其径向面（19s、19i）位于所述径向热交换板片（11）的相对端，以及用于分配和收集进入/来自所述径向热交换板片（11）的热交换介质的管（12-16），

其特征在于，所述支承系统包括至少与所述径向热交换板片（11）的顶部径向面（19s）固定的圆周环箍结构（40）。

2.根据权利要求1所述的反应器，所述圆周环箍结构（40）具有双环结构，包括与所述径向热交换板片（11）连接的两个同心环（41、42），还包括位于所述两个同心环（41、42）之间的径向连接元件（43）。

3.根据权利要求1所述的反应器，所述圆周环箍结构（40）固定在与所述径向热交换板片的径向面（19s、19i）连接的流体收集器（14）上。

4.根据权利要求1所述的反应器，所述圆周环箍结构（40）设置在所述径向热交换板片（11）的两端，与所述径向热交换板片（11）本身的顶部径向面（19s）和底部径向面（19i）连接。

5.根据上述权利要求中任一项所述的反应器，所述热交换器的径向热交换板片（11）设置为多个板片组（10a），每组包括给定数量的板片，所述圆周环箍结构（40）以模块方式制造，并包括所述热交换器的相应板片组（10a）的多个段（40a）。

6.根据权利要求5所述的反应器，所述圆周环箍结构（40）的段（40a）包括可逆连接，以与所述板片组连接。

7.根据权利要求6所述的反应器，所述圆周环箍结构的每个段（40a）由两个圆周板片（48、47）组成，所述两个圆周板片（48、47）由另外的径向板片（43）连接，所述径向板片（43）设有固定孔（44），用于所述环箍结构的段（40a）的可逆连接。

8.根据权利要求2所述的反应器，所述圆周环箍结构的每个段（40a）由两个圆周板片（48、47）组成，所述两个圆周板片（48、47）由另外的径向板片（43）连接，所述径向板片（43）设有固定孔（44），用于所述环箍结构的段（40a）的可逆连接。

9.根据权利要求1-4中任一项所述的反应器，其中，所述热交换器包括多个同心排的板片（11’、11”、11”’），每排板片设有各自的环箍结构（40’、40”、40”’）。

10.根据权利要求9所述的反应器，通过固定在各个环箍结构的圆周板片上的钩（147、250），至少一内层排或圈的板片（11”’、11”）由下一外层排或圈的板片（11”、11’）支承。

11.一种在化学反应器（1）内部插入带有多个径向设置的板片（11）的环形板式热交换器（10、100、200）的方法，该方法包括以下步骤：

—把板片组（10a）设置在所述反应器（1）的内部，每组包括给定数量的板片（11），并设有与所述板片的径向面固定的环箍结构的段（40a）；

—环箍段（40a）彼此固定，从而形成连续的圆周环箍结构（40）并恢复所述热交换器的结构连续性。

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