CN102164662B - 用于等温化学反应器的具有径向布置的元件的热交换器 - Google Patents

Abstract

一种等温化学反应器(1)，包含在反应空间内的一系列放射状布置的板状热交换元件(11)，每个元件包含进料管和收集管和限定热交换介质的通道(12)的一组平行的导管，所述导管(15)具有细长的横截面，并以与所述反应器的径向的成不同的方向布置，以便靠近反应器的轴线的内部导管的横截面长轴与所述径向对齐，而外部导管的横截面长轴垂直于所述径向方向。本申请还公开了板状热交换元件的优选结构。

Description

用于等温化学反应器的具有径向布置的元件的热交换器

技术领域

本发明涉及适用于等温或者伪等温化学反应器中的新型的热交换器。更具体的说，本发明涉及热交换器、热交换器的热交换元件、及装备有该热交换器的反应器。

背景技术

等温或伪等温化学反应器是装备有内部热交换器以控制反应区的温度的反应器。运转时，热交换器注有适当的冷却或者加热介质，例如水、蒸汽等等，并补偿分别通过进行的放热或吸热化学反应所放出的或吸收的热。通常，热交换器浸于催化床中。这样的反应器的例子为甲醇合成反应器和转换炉，其中包含一氧化碳的合成气体被处理，以便将一氧化碳转换成二氧化碳。

已知的等温反应器可装备有管式热交换器或者板式热交换器。该反应器也相应的被称为管式等温反应器或者板式等温反应器。

传统的管式等温反应器包含由相对的管板所支撑的管束形式的热交换元件。板式等温反应器具有板形式的热交换元件，该板由至少沿着其周边彼此相连的平行的墙所形成，以限定用于热交换介质的内部通道。

EP-A-1284813公开了板式等温反应器。EP-A-1705445中公开了用在化学反应器中的特别有利的板式热交换器，包含所谓的“膨胀”板，该“膨胀”板由两个通过周边焊接和可能其他焊接点连接的平金属板所形成的，所述两个平金属板还经受了高压液压膨胀，以在两个板之间建立液体通道。

板式等温反应器通常优于管式反应器，因为具有例如为大交换面积的优势。通过可能的模块结构能使得安装和维护更容易，其中交换器是由包含一定数量的板的模块组成，能够通过相对小的检修孔插入或移除每个模块。在另一方面，管需要与反应器的外壳一样大的管板，意味着反应器必须具有大约与外壳直径相同的上部凸缘和下部凸缘。大凸缘更昂贵并且可能造成密封的问题，此外，通常不能替换或取出管式热交换器的一部分以用于维护。

在轴向流动或者径向流动反应器中，反应空间通常是与催化床的入口/出口相对应的在内径和外径之间的环形空间。因此内部板式热交换器形成为具有径向板的基本上环形的单元，径向板在朝着反应器的轴线的一端收敛，在靠近反应器的外壳的位置的一端发散。这种设置具有多个优点，包括最佳利用了反应器内部的有效体积。

存在着增加这样的化学反应器的负荷的连续的动机，以增加生产率。因此热交换器需要在整个反应区域交换相当多的热能，并提供反应温度的精确控制。在新的高反应性的进料的入口和反应区的外部区域(径向向心流动)的要求更高，入口处的反应的热能较大，在反应区外部区域由于交换器的径向布置，而导致热交换元件彼此之间相对远离。

发明内容

在一个包含圆柱形壳体和一系列放射状布置在环形反应空间中的热交换元件的化学反应器中，本发明面对的技术问题是改变热交换元件的结构以获得有效热交换面积的最佳利用，特别是在反应空间的外部区域的热交换面积，在外部区域放射状的元件发散。

本发明提供了一种等温化学反应器，包含大体上圆柱形的壳体和大体上环形的反应空间，所述反应器包含设置在所述反应空间中的热交换器，该热交换器包含一系列环绕着反应器的中心轴线放射状布置的热交换元件，其中每个所述热交换元件在径向方向上延伸穿过所述反应空间，每个热交换元件包含多个用于加热液体或冷却液体的通道，所述通道大体上平行于所述反应器的所述轴线，特征在于：

-所述通道在与所述反应器的所述轴线相垂直的平面上具有细长的横截面，该横截面具有长轴和短轴；

-每个所述热交换元件具有至少第一子通道和至少第二子通道，所述第一子通道位于所述反应空间的内部区域并且被布置成所述长轴与所述径向形成大于或等于0°的第一角度，所述第二子通道位于所述反应空间的外部区域，并且被布置成所述长轴与所述径向形成第二角度，所述第二角度大于所述第一角度。

根据该说明，子通道包含各个热交换元件的一个通道或多个连续通道。术语热交换元件被缩写成HX元件。反应空间的内部区域指的是所述空间的离反应器的轴线较近的环形部分，而外部区域指的是离壳体较近的环形部分。

所述第一角度是小角度，优选的在0-15°的范围，更优选的等于0°，即内部通道优选的被布置成它们的横截面的长轴与反应器内的径向平行。

所述第二角度优选的小于或等于90°。在优选的实施方式中，所述第二角度在30°至90°的范围，优选的等于或接近90°。

在更优选的实施方式中，每个HX元件包含至少一中间子通道，该中间子通道位于所述第一子通道和所述至少一第二子通道之间，并且所述中间子通道的通道被布置成所述横截面的长轴形成在所述第一角度和所述第二角度的范围之间的中间角度。在另一个实施方式中，具有一个或多个所述中间子通道。

在特定的实施方式中，每个HX元件包含横截面长轴平行于径向的第一子内部通道、长轴与径向成30°至60°、优选45°的至少一第二子中间通道、和长轴与反应器的径向成90°垂直的另一个子外部通道。

在优选的实现模式中，热交换元件的通道由具有适当横截面的导管所形成。

根据本发明的另一个方面，每个HX元件由板状元件所形成，所述板状元件包含：热交换介质的进料管和相对的收集管、和一组平行的导管，所述进料管和收集管形成HX元件的上边和下边，所述平行的导管的相对的两个端部分别与所述进料管和所述收集管液体连通。

优选的，进料管和收集管具有可变的横截面，在所述反应器的径向方向沿着HX元件从HX元件本身的外部向内部缩小。一个优选的实施方式中用圆锥形管以实现所述进料管和收集管。

根据本发明的另一个方面，所述进料管和所述收集管具有大体上三角形的或者梯形的形状，在靠近反应器的壳体的外端具有较宽的部分，以为热交换介质通道提供更多的空间。例如，可以通过进料管和收集管的较宽的部分并排支撑两个或更多个导管，增加反应空间的外部区域中的有效热交换面积。在实践中，所述管可以成为导管板的部分。

在所有上述实施方式中，导管和通道的细长横截面可以例如为椭圆的或者多边形的，例如细长六边形的，或其它形式。

由于导管和通道的细长的横截面，以及通道的长轴与径向之间的不同角度，与传统的板式或管式单元相比，热交换面积以更有效的方式分布。特别的，与半径垂直的细长的导管能够更好的填充外部区域的反应空间，在该区域元件趋向于彼此发散；在靠近轴线处细长的导管平行于半径，使得减少元件之间的距离，以提供更多的HX元件，而不导致它们收敛端的物理干扰。

根据本发明的一个方面，圆锥形的进料管和收集管在降低热交换元件在有效空间较少的收敛端的横向尺寸方面也是有利的。

根据本发明的热交换元件大体上像板式交换元件一样运行，因此保留了上文中讨论的板式热交换器的优点。板状元件的管连接与传统的板元件相同。更重要的是，本发明的热交换器在给定的反应空间中与传统的放射状布置的板式热交换器相比能够提供更多的热交换元件和/或更多的热交换面积。

总之，发明的HX元件具有了可变方向的液体通道，并担当具有可变宽度的板元件。相关的优点是能更好的控制反应，降低催化床的局部过热的风险，特别是板元件的相对远的外部之间的催化床的局部过热，以及延长了催化剂的寿命。

本发明还有一个目的是板状热交换元件，该板状热交换元件具有全宽和全高，并包含用于热交换介质的至少进料管和收集管，所述进料管和收集管被设置在元件的宽度方向上，多个导管限定热交换介质的通道，所述导管在高度方向上延伸并且其相对的两端分别与所述进料管和所述收集管液体连通，特征在于：

-所述通道具有细长的横截面，该横截面具有长轴和短轴；

-所述热交换元件包含至少第一子通道和至少另一个子通道，所述第一子通道被布置成所述长轴与所述宽度方向形成第一角度，所述第一角度在0至90度之间，所述另一个子通道被布置成所述长轴与所述宽度方向形成比第一角度大的第二角度。

上文中公开的优选实施方式可以等同应用于所述板状元件中。

申请人发现板状热交换元件的这种结构还具有能容易的经济的实现的优点，并且发明的板状元件可以成功的替代通过焊接金属板而形成的传统的板元件。

因此，本发明的另一个目的是板状热交换元件，该板状热交换元件具有全宽和全高，并包含用于热交换介质的进料管和收集管，所述进料管和收集管形成所述元件的顶边和底边，其横截面沿着所述宽度方向从所述板状元件的一边向着其相对边减小，所述板状热交换元件还包含多个热交换介质的导管，所述导管被支撑在所述进料管和收集管之间，在所述元件的所述宽度方向上对齐并且其相对的两端分别与所述进料管和收集管固定并液体连通。

这个板状元件大体上担当传统的由焊接在一起的平行金属板形成的板式元件，但是具有低成本的优点，特别是与膨胀的板相比。该板状元件需要较少焊接，实践中只要在管的端部焊接，不需要高压膨胀。

所述导管大体上担当热交换板的通道，但具有反应物还能够围绕导管流动的优点，即与热交换器的大小相比具有更多的有效热交换面积。还应当注意的是板状元件不需要管式热交换器的大导管板。

本发明的特征以及优点将在下文的参照附图的优选的描述和非限制性的实施方式中变得更加清楚。

附图说明

图1是根据本发明的等温化学反应器的截面示意图。

图2是图1的反应器的横截面示意图。

图3是图1的反应器的一个热交换元件的一个上侧和下侧的简化图。

图4是图3的元件的细节的剖视图。

图5是一个优选实施方式中的图3的元件的一个导管的横截面。

图6是图1的反应器中的热交换器的导管的布置。

图7是可替代图5的导管的横截面的一些导管横截面。

图8是本发明的另一个实施方式的示意图，涉及热交换元件的进料管和收集管。

图9是根据本发明的另一个方面的热交换元件的示意图。

具体实施方式

参见图1，等温化学反应器1包括具有垂直轴线A-A的柱状壳体2、下端3和上端4，下端3和上端4分别装备有用于反应物的新进料的入口凸缘5和用于化学反应的产物的出口凸缘6。

图1的示例指的是催化反应器，例如用于合成甲醇的甲醇转换器。

反应器1包含环形催化剂槽，该催化剂槽本身是已知的并未详细描述，该催化剂槽包含适当的催化剂，并且外部通过圆柱形漏墙7限定。反应物的新进料从所述墙7和壳体2之间的孔隙进入，沿着催化槽在径向流动；反应的产物被收集在与出口凸缘6相连通的中心管8中。

反应在位于墙7和管8之间的由催化槽所限定的环形反应空间Q中进行，其中反应物被转化成产物(图2)；在特定的实施方式中，当反应物放射状的从外部区域Qo向内部区域Qi流过催化剂时发生反应。

轴向流动的热交换器10被安装在反应器1中和反应空间Q内，浸入在催化剂中。热交换器10为环形结构，具有一系列的围绕着轴线A-A放射状布置的热交换元件11。每个所述元件11在径向方向上从靠近轴线A-A的内部区域Qi的内端向着靠近漏墙7和壳体2的外部区域Qo的外端延伸。

每个HX元件11包含用于热交换介质的多个通道12。在示例中，水在凸缘30处被载入，在凸缘31处被排出，但是可以使用任何其它合适的加热或冷却介质。

在优选实施方式(图3)中，每个HX元件11包含入口管13和出口管14，入口管13和出口管14形成元件11的相对的两边，HX元件11还包含形成所述通道12的一组平行导管15。图3未按比例绘制，仅表示元件的上侧和下侧，因为元件的高度H通常要比宽度W大得多，例如H是10-12米，W为大约1米或更少。多个钢筋(未示出)以合适的间隔沿着H分布，以防止导管振动。

HX元件11从流体动力学和热力学上看大体上像热交换板一样运行，还具有热在导管15之间交换的另外的优点。

图3-6中给出了HX元件11的优选实施方式的细节。入口管13和出口管14为圆锥形管，其横截面从外部13a、14a向着内部13b、14b逐渐的减小。较大的外部部分13a、14a位于径向布置的元件11的发散端，而较小的部分13b和14b位于元件11的靠近轴线A-A的收敛端。入口管13与沸水给水管16相连，出口管14与水/蒸汽出口17相连。元件11的入口和出口根据已知技术与反应器1内的布料管和收集管相连。

导管15的相对的两端与管13、14相焊接，通过所述管的孔18提供液体连通，用于热交换介质的通过(图4)。

因此，导管15和通道12在垂直于A-A的平面上具有细长的横截面，该细长的横截面具有长轴20和短轴21，图5是合适横截面的一个示例。优选的，长轴与短轴之间的比率为至少1.5，更优选的为3或大于3。

每个元件11的导管15被布置以便横截面长轴20相对于反应器内部的径向r的方向从反应空间Q的内部区域Qi开始变化到外部区域Qo。位于内部区域Qi的靠近轴线A-A的导管15被设置成长轴20基本上平行于r，而位于靠近壳体2的导管15被设置成所述轴线20与所述径向r形成给定的角度，该角度优选的为至少30°，更优选的为等于或接近90°。

在图6的示例中，每个HX元件11包括：靠近轴线A-A的导管15的第一内部子导管S1，其被设置成长轴20平行于径向r；导管15的中间子导管S2，被设置成长轴20与径向r成45°角；导管15的外部子导管S3，设置成长轴20与径向r形成90°角。在一简化的实施方式中，元件11包含导管的两个子导管，即导管的内部子导管和导管的外部子导管，内部子导管优选的其长轴20平行于径向r，外部子导管优选的其长轴20垂直于径向r。

在另一个实施方式中，每个元件11中具有更多个导管子管，例如，从反应空间Q的内部向着外部方向，长轴20相对于r成0-30-45-60和90°。导管的子导管可以包含任意数目的导管15，包括单个导管。因此，本发明可以被实现成元件11的每个导管15具有各自的横截面长轴20和径向r之间的角度，所述角度从反应空间Q的内部向着外部方向上增加。

所有的HX元件11具有相同的导管方向，以便热交换器10具有同轴的套管行，每行具有给定的相对r的导管方向。因此，反应空间Q的内部区域中细长导管15与反应器的径向对齐，该相同的反应空间的外部区域中导管15逐渐的更旋转，即横截面长轴与r形成更大的角度。

图7所示为通道12的可替代的横截面的并非详尽的列举。通道12的横截面可以是矩形的(A)、多边形的(B)、椭圆的或者类似椭圆的(C)、圆角矩形的(D)等等。图7c)的横截面优选的用于均一的热交换器，而其它可以特别考虑用于降低成本。

图8涉及另外一个实施方式，其中导管13和14基本上为管板的一个角度形状的段，因此在外部部分13a、14a具有较大的宽度。所述较宽的部分13a和14a适合于支撑并肩设置的多个(至少两个)导管15。相关的优点是在反应空间Q的外部部分Qo具有更多的可用导管和更多的热交换面积。

参见图9，根据本发明的另一个方面的板状热交换元件100具有全宽W和全高H，并包含用于热交换介质的圆锥形进料管113和圆锥形收集管114，所述进料管和收集管形成所述元件100的顶侧和底侧，其横截面沿着所述宽度W方向减小。元件100还包含用于热交换介质的导管115，所述导管被支撑在所述进料管和收集管之间，在所述宽度W方向对齐，并且其相对的两端分别与所述进料管和收集管固定和液体连通。在一个简化的实施方式中，导管115具有圆形横截面。元件100还配备有钢筋130，钢筋130沿着通常大于宽度W的高度H以合适的间隔分布。

所述板状元件100是有效的并且与传统的板状元件例如膨胀板相比价格上有竞争力。由于反应物和产物也可以在导管115之间流通，板状元件100与传统的具有相同的尺寸W、H的板元件相比具有更多的热交换面积。

本发明在轴向流动、径向流动或者轴向/径向等温化学反应器中也具有相同的优点。参见图1，例如，在轴向流动时，反应物和产物通过平行于A-A的反应空间。本发明还可以应用于具有运行时浸入液体中的内部换热器的任何反应器中。

Claims (11)

1.一种等温化学反应器（1），包含大体上圆柱形的壳体并设有大体上环形的反应空间（Q），所述反应器包含设置在所述反应空间中的热交换器（10），该热交换器（10）包含一系列环绕着所述反应器（1）的中心轴线（A-A）径向设置的热交换元件（11），其中每个所述热交换元件在径向方向（r）上延伸穿过所述反应空间（Q），并且每个热交换元件（11）包含用于加热流体或冷却流体的多个通道（12），所述通道大体上平行于所述反应器的所述轴线（A-A），其特征在于：

所述通道（12）在与所述反应器（1）的所述轴线（A-A）相垂直的平面上具有细长的横截面，该横截面具有长轴（20）和短轴（21）；

每个所述热交换元件（11）具有通道（12）的至少第一子通道（S1）和至少第二子通道（S2、S3），所述第一子通道（S1）位于所述反应空间的内部区域（Qi）并且被设置成所述长轴（20）与所述径向形成大于或等于0°的第一角度，所述第二子通道（S2、S3）位于所述反应空间的外部区域（Qo）并且被设置成所述长轴（20）与所述径向形成第二角度，所述第二角度大于所述第一角度。

2.根据权利要求1所述的反应器，其中所述第一角度在0°至15°的范围，所述第二角度在30°至90°的范围。

3.根据权利要求1或2所述的反应器，其中每个热交换元件（11）包含位于所述第一子通道（S1）和所述至少第二子通道（S3）之间的至少一个中间子通道（S2），其中所述中间子通道的通道被设置成所述长轴与所述径向形成在所述第一角度和所述第二角度的范围之间的中间角度。

4.根据权利要求3所述的反应器，其中每个所述热交换元件（11）包含：通道（12）的第一内部子通道S1、至少一个中间子通道（S2）和外部子通道（S3），所述第一内部子通道S1被设置成所述长轴（20）与所述反应器（1）的径向相平行，所述至少一个中间子通道（S2）被设置成所述长轴（20）与所述径向形成在30°至60°之间的角度，所述外部子通道被设置成所述长轴（20）与所述径向形成90°的角度。

5.根据权利要求1所述的反应器，其中所述热交换元件的所述通道（12）由具有细长横截面的导管（15）所形成。

6.根据权利要求5所述的反应器，其中每个热交换元件（11）包含用于热交换介质的进料管（13）和收集管（14），所述进料管（13）和收集管（14）形成热交换元件（11）的上侧和下侧，所述导管（15）的相对的两个端部被分别固定到所述进料管和所述收集管上。

7.根据权利要求6所述的反应器，其中每个热交换元件（11）的所述进料管（13）和所述收集管（14）的横截面从位于环形热交换器（10）的外周的外端（13a、14a）朝着位于所述热交换器的内周的内端（13b、14b）方向减小。

8.根据权利要求7所述的反应器，其中所述进料管和所述收集管为具有较宽部分的大体上三角形的或者梯形的形状，在该较宽部分并排支撑有两个或更多个的外部导管，以便增加有效热交换面积。

9.根据权利要求1所述的反应器，所述反应器（1）为甲醇转换器。

10.一种板状热交换元件（11），该板状热交换元件具有全宽和全高，并包含用于热交换介质的至少进料管（13）和收集管（14），所述进料管（13）和收集管（14）被设置在所述板状热交换元件（11）的宽度方向上并形成所述板状热交换元件（11）的相对的两侧，多个平行的导管（15）限定热交换介质的通道（12），所述导管（15）在高度方向上延伸并且其相对的两端分别与进料管和收集管液体连通，其特征在于：

所述导管（15）具有细长的横截面，该横截面具有长轴（20）和短轴（21）；

所述热交换元件包含连续的导管（15）的至少第一子导管和至少另一个子导管，所述至少第一子导管被布置成所述长轴（20）与所述宽度方向形成大于或等于0°的第一角度，所述至少另一个子导管被布置成所述长轴（20）与所述宽度方向形成更大的第二角度。

11.一种适合于用在等温化学反应器（1）中的热交换器（10），所述热交换器具有环形结构并包含根据权利要求10所述的热交换元件（11），所述热交换元件被径向布置以形成所述环形结构。

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