CN102413916A - 等温管式反应器 - Google Patents

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Abstract

管式等温化学反应器(1)，包括：具有中心轴线(A-A)的容器(2)，和环形的管式热交换器(40)，环形的管式热交换器插入催化剂反应空间，所述交换器(40)包括管簇(10a)的多个同心排(10、11)，各所述管簇包括平行的管(30)、各自的热交换流体供给器(20)和各自的热交换流体收集器(21)。

Description

等温管式反应器
技术领域
本发明涉及一种用于等温或者非等温化学反应器的管式热交换器的新结构。本发明还涉及一种安装有所述管式热交换器的化学反应器。
背景技术
等温或者非等温化学反应器是安装有内部热交换器以控制反应区域的温度的反应器。在操作中，热交换器被供应诸如水、蒸汽等等的合适的制冷或者加热介质，且分别补偿由放热化学反应产生的热量或吸热化学反应吸收的热量。等温反应器可以安装有管式热交换器或者板式热交换器，且相应地称为管式反应器或板式反应器。等温反应器是例如用于甲醇合成的反应器和处理合成气体以将一氧化碳转化为二氧化碳的变换反应器。
管式反应器的常用结构具有基本环形的热交换器，该热交换器带有由两个相对的管板(片)支持的轴向管。然而这种结构有很多缺点。该管片昂贵，且维修困难。由于管式热交换器的整体式结构，使得替换损坏的管和补给催化剂困难；例如为维修而移除管式热交换器的一部分通常是不可能的，因为所有的管都被紧紧地固定到管片。该反应器要求具有大的法兰，该法兰具有约与壳体相同的直径，该法兰很贵，并且会造成密封性问题。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种用于更有效地在化学等温反应器内安置轴向的、环形的管式热交换器的管的系统。
根据本发明，提供一种管式等温化学反应器，包括：容器和环形的管式热交换器，所述容器具有中心轴线，所述环形的管式热交换器具有平行于所述轴线安置的多个热交换管，所述热交换器包括多个管簇形式的热交换部件，各所述管簇包括一束平行的管、各自的热交换介质供给器和各自的热交换介质收集器，各管簇的管具有与各自的供给器和收集器流体连通的相对的端部，所述管簇被安置成所述环形的热交换器的多个同心的排。
所述环形的管式热交换器通常插入外圆柱形壁和内圆柱形壁之间的环形的催化剂架中。所述管簇优选地形成为曲线形的、板状的部件，且各所述部件在所述环形的热交换器的环的各个扇区上延伸。
在本发明的优选实施方式中，各所述热交换介质供给器和收集器基本形成为盒形体。所述盒形体由相对的壁限定，且具有内部空间，所述内部空间用于为连接到所述供给器的管供给介质，或自连接到所述收集器的管收集所述介质。
在本发明的更优选实施方式中，各所述盒形体包括前曲面和后曲面、两个侧面、顶面和底面，各所述曲面分别对应于一条圆柱面，所述顶面和底面形成为环面的扇区。
优选地，单一管簇的所述供应器和收集器具有基本上相同的形状和尺寸，所述供应器和收集器位于所述热交换器的相对的热交换介质入口/出口侧。在本发明的实施方式中，能够根据交换器的环形结构中的各个管簇的位置区分所述管簇的供给器和收集器。
在一个实施方式中，各管簇的管被安置在以所述反应器和环形热交换器的轴线为中心的多个曲线形的、同心的管排中。所述管排的管基本分布在以所述轴线为中心的圆弧上。根据本发明的不同的实施方式，在整个所述交换器内每簇所述管排的数量可以是不变的或变化的。然而，所述管簇内的管可以具有不同的结构；例如，在其它实施方式中，各管簇的管以正方形排列或三角形排列分布。
在同一热交换器中可以提供具有不同管布置的管簇。例如，相对于所述反应器的中心轴线的内管簇和外管簇，可以具有各自的和具体的管布置，和/或不同的供给器以及收集器。
在优选的实施方式中，管簇在轴向方向上交错成使得所述供给器和收集器在热交换器的流体入口/出口侧在轴向坐标的不同高度上交错。更优选地，所述部件交错成使得所述供应器和收集器至少交替地位于第一高度和第二高度，且位于一个高度内的各供给器或收集器紧邻着位于另一高度的其它供给器或收集器。在本发明的优选实施方式中，所述管簇以等于或大于所述盒式供给器和收集器的高度的间距交错。
各管簇形成环形的热交换器的环的扇区，在相对中心轴线的特定角度上延伸。在本发明的第一实施方式中，所有的管簇占据相同的角度，使得环形的热交换器的扇区包括相同数量的管簇。在又一实施方式中，所述角度改变；优选地，更接近所述中心轴线的内管簇比所述外管簇延伸更大的角度，以便减少部件的总数量。因此，在优选实施方式中，所述热交换器的曲线形的管簇至少包括外管簇和第二内管簇，所述外管簇延伸为对应于以所述反应器的中心轴线为中心的第一角度的扇区环，所述第二内管簇延伸为对应于以同一轴线为中心的第二角度的扇区环，所述第二角度大于所述第一角度。
本发明的另一目的是一种用于根据上述的化学反应器的热交换器。本发明的目的是管式热交换器，所述管式热交换器用于在等温反应器中，所述热交换器具有环形的结构，所述环形的结构具有中心轴线和平行于所述轴线的管，其特征在于，所述管式热交换器包括多个管簇形式的热交换部件，各所述管簇包括一束平行的管、热交换介质供给器和相对的热交换介质收集器，各管簇的管具有与各自的供给器和收集器流体连通的相对的端部，所述管簇被安置成多个同心的排。
另一目的是用于制造根据本发明的模块化的热交换器的管簇。具体地，本发明的目的是用于制造环形的管式热交换器的板状的热交换器部件，所述部件包括一束平行的管、热交换介质供给器和相对的热交换介质收集器，各所述平行的管具有第一端部和相对的第二端部，所述第一端部与所述供给器流体连通，所述相对的第二端部与所述收集器流体连通，所述部件基本形成为圆环的扇区。因此，多个这样的部件能够形成具有给定轴线的环形的管式交换器的环形部分。在一个实施方式中，所述部件的管被安置成一排或更多排，且各排的管包括分布在同心圆弧上的管。优选地，所述弧以环形的管式交换器的所述轴线为中心。在可替选实施方式中，所述部件的管例如以正方形排列或三角形排列安置。
该具有创造性的管簇基本用作模块化的、板状的部件。各管簇大体作为在圆周方向上稍弯曲的板操作，占据环形的反应空间内的环的给定的扇区。因此，根据本发明的所述管式热交换器具有类似于板式热交换器的结构的模块化结构，而不需要大的以及昂贵的管片。例如，损坏的管的维修以及替换比传统的管组件更简单。各管簇能够如热交换板一样容易地被抽取、维修或替换。能够通过相对小的法兰抽取和插入所述管簇，即不再需要如传统的管片组件中的大的上法兰和下法兰。
所述管均匀地分布在整个可用的反应空间中，提供精确的温度控制且避免例如温度的局部峰值。能够彼此邻近地安装管，获得非常均匀的热交换，且在整个反应空间中管的间距基本保持不变。但作为本发明的另一优点，由于管间的空隙，板状的模块化的部件能使气流穿过。由于此特征，通过反应空间形成的反应物/产物混合物更均匀。
具有分布在两个或更多高度上的流体入口/出口供给器和连接器的管簇的交错结构的另一优点在于能够更容易地排出和再填充催化剂。
因此，本发明将管式反应器的优点与板式反应器的优点结合。通过对作为非限制性示例的优选实施方式的如下详细的描述，这些和其它优点将更明显。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施方式的反应器的横截面示意图；
图2是图1的反应器的热交换器管簇的示意图；
图3是图2的管簇的俯视图；
图4是在本发明的优选实施方式中，示出多个管簇的、图1的反应器的热交换器的部分图；
图5是根据本发明的另一实施方式的反应器的横截面示意图；
图6和图7示出根据本发明的管簇的又一实施方式的横截面。
具体实施方式
等温化学反应器1包括具有纵轴线A-A的圆柱壳体2。反应器1包含催化剂架，该催化剂架由外圆柱壁4和内管或内导管3限定，该催化剂架上充满合适的催化剂。然后，在反应器1内的壁3和4之间限定环形的反应空间R。管式热交换器40被嵌入催化剂架，以向所述空间R提供热量，或从所述空间R移除热量。
管式热交换器40具有大体环形的结构，包括平行于轴线A-A、且均匀分布在空间R内的轴管。这些管从热交换器40的入口侧延伸到相对的出口侧。例如，介质在反应器的底部进入，并在顶部出去。
热交换介质可以是任何合适的介质。通常的选择是水或者蒸汽。如果反应器1被用于放热反应，介质可以是在管中至少部分蒸发的液体。在剩下的描述中，术语流体被用于指代任何合适的热交换介质。
热交换器40包括多个模块化部件，该多个模块化部件基本形成为弯曲的板状的管簇，并在环形的热交换器40的各自环的扇区内以及在环形的空间R延伸。管簇安置成多个同中心的排，每一排占据环形的空间R的一环。图1中示出了两排10和11。同心的排的数目可以根据尺寸变化，且可以是例如10到15个。
图2示出了一个管簇10a的优选实施方式，并且管簇10a主要包括管30，管30具有与管簇10a的热交换流体供给器20和流体收集器21对应流体连通的相对的端部。图2还示出了环形的热交换器40和反应空间R的坐标r、θ和z。
在本发明的优选实施方式中，供给器20和收集器21基本上形成为稍弯曲的平行六面体盒，该平行六面体盒具有内曲面22和外曲面23、平行于径向方向r的两个侧面24和25以及两个顶面和底面26、27，顶面和底面26、27大体形成环表面的扇区。
如图2和3呈现的各曲面22和23基本是一条圆柱面，对应于管簇10a所在的排10的内/外边界。侧面24、25和顶/底面26、27优选地是平坦的。
各管簇以中心轴线A-A为中心延伸给定角度θe(图3)。因此，一个供给器20或者收集器21的横截面具有如图3所示的梯形形状，两条曲线侧对应于所述的曲面22、23。
管簇优选地沿轴向方向z(平行于A-A)交错，因此分布在两个或更多的高度。在示例中，分别位于同心的排10和11中的管簇10a和管簇11a位于第一高度，而管簇10b和11b位于第二高度，使得第一高度的管簇和第二高度的管簇同时在圆周方向以及径向方向上交替。位于第一高度的各供给器20或收集器21在坐标r和θ中紧邻位于第二高度的其他供给器或收集器。在又一实施方式中，管簇可以在三个或更多的高度上交错。优选地，z形交错的相邻管簇至少等于或大于供给器20和收集器21的高度h(图2)。
图4公开了本发明的优选实施方式，其中的热交换器管簇在两个高度上成z形交错。管簇101a在第一高度，管簇101b在第二高度。在此示例中，环形的反应器空间R的扇区100被13个交替分布在第一和第二z形高度上的管簇占据。图4示出了热交换器40的上端的扇区。交换器40的另一底端以类似的方式实现。
对所有的管簇来说，管簇占据的角度θe可以是相同的，或者在其他实施方式中不同的管簇可以具有不同的角度θe。在图1和图4中，所有的管簇具有相同的角度θe，并且环形的交换器40的每一排具有相同数目的管簇。作为示例，各管簇10a、10b、11a、11b延伸22.5度的角度，使得交换器40的排10、11以及其他同心排各包括16个管簇，占据空间R的相应环部分的整个360度角。
在角度θe是可变的实施方式中，优选地，靠近轴线A-A的内管簇占据的角度大于外管簇占据的角度。图5是实施方式的示意图，其中外排10的管簇10c占据第一角度θe，1，靠近中心轴线A-A的内排12的管簇10d占据大于所述第一角度的第二角度θe，2。优选地，所述第二角度是第一角度的两倍。例如，图4的实施方式的变型可以以下列方式实现：第一组的外排的管簇具有θe，1＝22.5度以及第二组的内排的管簇具有θe，2＝45度。
各管簇的管30可以以许多以轴线A-A为中心的曲线形且同心的排的形式布置。在图2的示例中，管簇10a具有3排管，管301是第一排的管中的一个，管302在第二排且管303在第三排。应理解，整个空间R内的管的间距能够保持基本不变，或者保持在诸如+/-1mm的小容许间隙内。
在图6和图7中示出管簇内的管30的备选布置。图6中，管簇10a具有以三角形排列布置的管310，如虚线所示。图7中，管簇10a具有以正方形排列布置的管320。
供给器20和收集器21与用于分配和收集热交换介质的装置连接，这本身是已知的且不详细描述。作为示例，各盒形供给器20和收集器21可以通过各自的管道连接到环形的供给管或收集管。将通过壳体2提供合适的流体入口/出口法兰或连接器。
本发明的优选的应用是甲醇合成塔，其中管式热交换器40用于移除甲醇合成反应的热。冷却水供给底部的供给器20，且通过管簇的管30蒸发，因此移除由甲醇合成反应产生的热，且在整个空间R内为产品和反应物提供精确的温度控制。在收集器21收集水/蒸气混合物，收集器21还担当平衡装置。
本发明同样有利于轴向流动、径向流动、或者轴向/径向流动的等温化学反应器，且同样适用于具有内部热交换器的任何反应器，该热交换器浸入在流体中工作。

Claims (14)

1.一种管式等温化学反应器(1)，包括：容器(2)和环形的管式热交换器(40)，所述容器(2)具有中心轴线(A-A)，所述环形的管式热交换器(40)具有平行于所述轴线安置的多个热交换管，所述热交换器包括多个管簇形式的热交换部件(10a，10b，10c，10d)，各所述管簇包括一束平行的管(30)、热交换介质供给器(20)和热交换介质收集器(21)，各管簇的管具有与相应的供给器(20)和收集器(21)流体连通的相对的端部，所述管簇被安置在所述环形的热交换器的多个同心排(10，11)中。
2.如权利要求1所述的反应器，其中所述管簇是曲线形的板状部件，且各管簇在所述环形的热交换器的环的扇区上延伸。
3.如权利要求1或2所述的反应器，其中所述热交换介质供给器(20)和热交换介质收集器(21)基本形成为盒形体。
4.如权利要求3所述的反应器，其中所述盒形体包括：前曲面(22)和后曲面(23)，所述前曲面(22)和后曲面(23)分别对应于圆柱面的条；两个侧面(24，25)；以及顶面和底面(26，27)，所述顶面和底面(26，27)形成为环面的扇区。
5.如前述任一项权利要求所述的反应器，其中所述管簇沿轴向方向(A-A)交错，使得所述热交换介质供给器(20)和收集器(21)在所述热交换器的流体入口侧/流体出口侧根据所述反应器(1)的轴向坐标(z)也在不同的高度交错。
6.如权利要求5所述的反应器，其中所述管簇交错为使得所述供给器(20)和收集器(21)至少交替地位于第一高度和第二高度，使得位于一个高度的各供给器(20)或收集器(21)紧邻着位于另一高度的其它供给器或收集器。
7.如权利要求6所述的反应器，其中所述管簇以等于或大于所述供给器(20)和收集器(21)的高度(h)的间距交错。
8.如前述任一项权利要求所述的反应器，其中所述热交换器(40)的曲线形的管簇至少包括外管簇(10c)和第二内管簇(10d)，所述外管簇(10c)在对应于以所述反应器的中心轴线(A-A)为中心的第一角度的扇区环上延伸，所述第二内管簇(10d)在对应于以所述轴线为中心的第二角度的扇区环上延伸，所述第二角度大于所述第一角度。
9.如前述任一项权利要求所述的反应器，其中各管簇(10a)包括热交换管(301，302，303)，所述热交换管(301，302，303)安置成以所述反应器(1)的中心轴线(A-A)为中心的多个曲线形的且同心的排。
10.如权利要求1至8中任一项所述的反应器，其中各管簇(10a)包括安置成三角形排列(310)或正方形排列(320)的管。
11.一种管式热交换器，所述管式热交换器用在等温反应器中，所述热交换器具有环形的结构，所述环形的结构具有中心轴线和平行于所述轴线的管，其特征在于，所述管式热交换器包括多个管簇形式的热交换部件(10a，10b，10c，10d)，各所述管簇包括一束平行的管、热交换介质供给器(20)和相对的热交换介质收集器(21)，各管簇的管具有与相应的供给器(20)和收集器(21)流体连通的相对的端部，所述管簇被安置成所述交换器的所述环形结构的多个同心的排(10，11)。
12.一种板状的热交换部件(10a)，所述热交换部件用于制造环形的管式热交换器，所述部件包括：一束平行的管(301，302，303)、热交换介质供给器(20)和相对的热交换介质收集器(21)，各所述平行的管具有第一端部和相对的第二端部，所述第一端部与所述供给器(20)流体连通，所述相对的第二端部与所述收集器(21)流体连通，所述部件(10a)基本形成为圆环的扇区。
13.如权利要求12所述的热交换部件，其中所述部件的管安置成一排或多排，其中各排包括分布在同心圆弧上的管(301-303)。
14.如权利要求12所述的热交换部件，其中所述部件的管(310，320)以正方形排列或三角形排列安置。
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