CN102744017A - 具有射流冲击热传递的管式反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在管式反应器中生产产物混合物的管式反应器，其中所述管式反应器包括具有杯形结构的内部催化插入物，所述杯形结构具有用于形成使流体冲击管壁的流体射流的孔。在非绝热反应器中，射流冲击用于提高管内流体与管壁之间的热传递。该管式反应器和方法可用于吸热反应，例如蒸汽甲烷重整以及放热反应，例如甲烷化。

Description

具有射流冲击热传递的管式反应器
相关申请的交叉引用
本申请是2008年8月13日提交的序列号为12/190,806的美国申请的部分继续申请，以引用的方式将其说明书和权利要求书合并于此并作为本申请的一部分。
技术领域
本发明涉及用于由反应物混合物生产产物混合物的管式反应器。更具体地，本发明涉及改进管式反应器中的热传递。
背景技术
包含具有催化剂的填料的反应器已经有记载，例如，用于蒸汽甲烷重整的管式反应器。填料可以是散堆填料，例如催化剂小球或所谓结构化的填料。与散堆填料相比，结构化的填料可产生更低的压降，不容易流化，并且不易于沉积或粉碎。由于管式反应器通常从外部加热或冷却，这种反应器的另一个重要特征涉及外部热源/散热器与反应器内的工艺流体之间的热传递。
管式反应器可包含散堆填料或结构化的填料，其中填料包括用于所需要的反应的催化剂。据信与散堆填料相比，结构化的填料具有更低的压降。
人们已经认识到管式反应器中的热传递的重要性。已有记载有关改进管式反应器中热传递的努力。
Davidson在第4,340,501号美国专利中描述了反应器容器中的结构，其中使流体间歇地但可控制地与容器壁接触。其结果，Davidson声称这可以得到具有颗粒床热传递特性的蜂窝结构的平滑流动特性。
在Davidson的发明中，用于使流体与容器壁接触的工艺的特征在于，使流体交替流过(a)容器内的结构和(b)所述结构与容器壁之间的空间。Davidson还描述了用于实现该工艺的设备，其包括容器和容器内部的结构。
Repasky等人的第7,761,994号美国专利公开了用于增加具有结构化的填料的管式反应器中热传递的方法和通过该方法所制得的反应器。该方法是在构造过程中使结构向着管式反应器的壁膨胀，从而减小壁与填料之间的间隙。流体被挤压在填料和管壁之间。减小的间隙增加流体的速度，从而增加热传递。
这种方法和热传递依赖于结构与管壁之间间隙的任何方法所具有的问题在于，在高温高压下的长期操作之后，管会经历时间依赖性的，通常被称为“蠕变(creep)”的塑性变形，导致管径增加以及管壁与结构化的填料之间的间隙相应增加。由于热传递的机制依赖于该间隙中流体的速度，因此当间隙变大时速度降低，当管蠕变时热传递降低。当热传递降低时反应器性能降低。
尽管当管蠕变时散堆填料能够随着管壁移动并因此热传递不依赖于填料和管壁之间的间隙时，散堆填料可因如上所述的大的压降而受到损害。
需要的是在管式反应器的整个寿命期内，尤其是在管发生蠕变时保持管式反应器中的热传递效率。本发明解决了在管式反应器中由管的蠕变导致的热传递降低的问题。
需要改进管式反应器中的热传递。本发明公开了用于提供管式反应器中改进的热传递的其它特征。
发明概述
本发明涉及具有改进的热传递特性的管式反应器。
有如下所列的本发明的几个方面。
第一方面。一种管式反应器，其具有管式反应器入口和在该管式反应器入口下游的管式反应器出口，所述管式反应器包括：
具有管壁和管的纵向方向轴的管，和
设置在所述管内的插入物，其中所述插入物包括：
在所述管的纵向方向相继排列的多个杯形结构，所述多个杯形结构的每一个具有上游端、下游端和围绕上游端与下游端之间的中央空间的侧壁，
其中，负载的催化剂设置于所述多个杯形结构的每一个的中央空间内，
其中所述上游端限定通向所述中央空间的入口，
其中所述中央空间在所述下游端处至少部分被封闭，
其中所述侧壁限定多个适合形成从所述中央空间向所述管壁方向的流体射流的孔，
其中对于所述多个杯形结构的每一个，在所述侧壁和所述管壁之间形成外部空间，所述外部空间从所述多个杯形结构的每一个的上游端延伸至下游端，所述外部空间与相邻的下游杯形结构的入口和/或所述管式反应器出口流体连通；和
其中所述外部空间在垂直于所述管的轴且穿过所述多个杯形结构的第一杯形结构下游端的第一平面的横截面积大于所述外部空间在垂直于所述管的轴且穿过与所述第一杯形结构上游端相邻的孔的第二平面的横截面积，所述孔属于由所述第一杯形结构的侧壁限定的多个孔。
第二方面。第一方面的管式反应器还包括：
设置于所述多个杯形结构的第一杯形结构上游端的串珠导流器(beaded flow deflector)，所述串珠导流器包括多个珠粒，其中所述多个珠粒的每一个与所述管壁接触。
第三方面。一种管式反应器，其具有管式反应器入口和在该管式反应器入口下游的管式反应器出口，所述管式反应器包括：
具有管壁和管的纵向方向轴的管，和设置在所述管内的插入物，其中所述插入物包括：
在所述管的纵向方向相继排列的多个杯形结构，所述多个杯形结构的每一个具有上游端、下游端和围绕上游端与下游端之间的中央空间的侧壁，
其中，负载的催化剂设置于所述多个杯形结构的每一个的中央空间内，
其中所述上游端限定通向所述中央空间的入口，
其中所述中央空间在所述下游端处至少部分被封闭，
其中所述侧壁限定多个适合形成从所述中央空间向所述管壁方向的流体射流的孔，和
其中对于所述多个杯形结构的每一个，在所述侧壁和所述管壁之间形成外部空间，所述外部空间从所述多个杯形结构的每一个的上游端延伸至下游端，所述外部空间与相邻的下游杯形结构的入口和/或所述管式反应器出口流体连通；和
设置于所述多个杯形结构的第一杯形结构上游端的串珠导流器，所述串珠导流器包括多个珠粒，其中所述多个珠粒的每一个与所述管壁接触。
第四方面。第三方面的管式反应器，其中所述外部空间在垂直于所述管的轴且穿过所述多个杯形结构的第一杯形结构下游端的第一平面的横截面积大于所述外部空间在垂直于所述管的轴且穿过与所述第一杯形结构上游端相邻的孔的第二平面的横截面积，所述孔属于由所述第一杯形结构的侧壁限定的多个孔。
第五方面。第一、二或四方面中任一项的管式反应器，其中与所述第一杯形结构相邻并在其上游设置所述多个杯形结构的第二杯形结构，其中所述第二杯形结构的下游端与所述第一杯形结构的上游端分隔开小于15mm的距离。
第六方面。第一方面至第五方面中任一项的管式反应器，其中所述中央空间在所述下游端处至少部分被板状结构封闭。
第七方面。第二方面至第六方面中任一项的管式反应器，其中所述多个珠粒的每一个具有限定在其中的洞，其中所述多个珠粒被串在穿过各个洞的线上，各个洞的尺寸大于所述线的尺寸，从而当所述管壁直径变化时允许所述多个珠粒移动以与管壁保持接触。
第八方面。第二方面至第七方面中任一项的管式反应器，其中所述珠粒导流板由所述第一杯形结构的侧壁支撑。
第九方面。第二方面至第七方面中任一项的管式反应器，其中所述第一杯形结构在所述上游端处包括挡板，其中所述挡板限定所述第一杯形结构的入口，和其中所述串珠导流器由所述挡板支撑。
第十方面。第二方面至第九方面中任一项的管式反应器，其中所述多个珠粒各自为球形。
第十一方面。第二方面至第九方面中任一项的管式反应器，其中所述多个珠粒各自为圆柱形。
第十二方面。第二方面至第九方面中任一项的管式反应器，其中所述多个珠粒各自为环形(toroid)的一部分。
第十三方面。第一方面至第十二方面中任一项的管式反应器，其中所述多个杯形结构的每一个具有圆形横截面。
第十四方面。第一方面至第十三方面中任一项的管式反应器，其中所述多个杯形结构的每一个的侧壁是锥形的，在上游端直径大于下游端直径。
第十五方面。第一方面至第十三方面中任一项的管式反应器，其中所述多个杯形结构的每一个的侧壁具有圆柱形部分和与所述圆柱形部分邻接的锥形部分，其中所述圆柱形部分在所述锥形部分的上游，且其中所述锥形部分在其与所述圆柱形部分邻接的一端具有较大的直径。
第十六方面。第一方面至第十五方面中任一项的管式反应器，其中所述多个孔的至少一部分是开有槽(slotted)的。
第十七方面。第一方面至第十六方面中任一项的管式反应器，其中所述多个孔的特征在于水力直径d和与管壁的间隔h，其中对于所述多个孔来说，h/d的范围为0.5到20。
第十八方面。第一方面至第十七方面中任一项的管式反应器，其中所述第一杯形结构在纵向方向具有长度L，且所述管具有与纵向方向垂直的直径D，其中0.3≤L/D≤3，或0.3≤L/D≤1.3。
第十九方面。第一方面至第十八方面中任一项的管式反应器，其中在所述第一杯形结构的中央空间的上游端处设置网和/或穿孔板以约束所述负载的催化剂。
附图说明
图1是表示具有用于在管壁上形成射流冲击的杯形结构的管式反应器的一部分的示意图。
图2是表示具有用于在管壁上形成射流冲击的杯形结构和串珠导流器的管式反应器的一部分的示意图。
图3是热传递系数对管式反应器中压力梯度所作的图，对比了实验数据与计算的流体动力学模拟结果。
图4是热传递系数对压力梯度所作的图，对比了杯形结构几何形状。
图5是热传递系数对压力梯度所作的图，说明了串珠导流器的效果。
发明详述
当应用于在说明书和权利要求书中描述的本发明的实施方式中的任何特征时，在本文中使用的冠词“一”和“一种”指的是一个或多个。除非具体指明，“一”和“一种”的使用并不是将其意思限定为单个特征。在单数或复数名词或名词短语前面的冠词“所述”表示一个或多个具体指定的特征，并且根据其被使用的上下文可具有单数或者复数含义。形容词“任何”指的是一个、一些或者所有不加区别的任何数量。在第一实体和第二实体之间的术语“和/或”指的是(1)第一实体、(2)第二实体和(3)第一实体和第二实体中的一种。在列出的3个或更多个实体的最后两个实体之间的术语“和/或”指的是在所列实体中的至少一个。
如本文中所使用的，术语“多个”指的是两个或更多个。
如本文中所使用的，术语“负载的催化剂”是指在适当的载体上的催化剂。所述载体可以包含添加剂以改进所述催化剂载体的性能。
上游和下游是指传递的工艺流体的预定流动方向。如果工艺流体的预定流动方向是从第一装置至第二装置，则第二装置在第一装置的下游与第一装置流体连通。
为了本发明的目的，提及的术语“直径”对于非圆形横截面指的是水力直径。水力直径定义为DH＝4×液体体积/被液体浸湿的表面。
本发明涉及具有改进的热传递的管式反应器。改进的热传递由工艺流体在所述管式反应器的管壁上的射流冲击提供。射流冲击热传递强度可通过保证冲击之后工艺气体并不冲走另一射流，而是具有不与另一射流相互影响的清晰流路来保持。通常增加的热传递可通过增加的动量传递(对应于增加的压降)获得，因为两者是类似的过程。本发明的管式反应器通过改进的几何形状在没有高压降的情况下提供增加的热传递。
管式反应器特别适合氢和/或合成(煤)气(合成气)的生产，其中产物混合物可包括H2和CO。管式反应器还可用于其它反应过程，例如水煤气转换、部分氧化、氢化、哈柏(Haber)制氨法、甲烷化、气体脱硫、脱氢、催化氧化和氨氧化。
管式反应器在化学和石化工业中是公知的。管式反应器包括围绕载体上的催化剂的管。催化剂可负载在催化剂球或所谓的结构化的填料上。适合用于所需反应的催化剂在本领域中是已知的。在生产氢和/或合成(煤)气的情况下，催化剂可以是蒸汽重整催化剂。适合用于蒸汽甲烷(碳氢化合物)重整的催化剂在本领域中是已知的。可选择任何合适的催化剂并用于所述反应器中。
本发明涉及非绝热管式反应器，其中热量可通过管壁向管式反应器提供或通过管壁从管式反应器移出。
以下描述了本发明的示例性实施方式。虽然本发明易于多种改变和替代形式，但其具体实施方式通过附图中的实例显示并在此进行详细描述。然而，应当理解此处对于具体实施方式的描述并不是旨在将本发明限制在公开的特定形式，相反，本发明覆盖了如所附权利要求书所定义的本发明的范围。
当然应认识到在任何这些实际实施方式的开发中，必须做出多个实施的具体决定以达到开发者的具体目标，例如按照系统相关或商业相关的约束，其可从一种实施向另一种实施变化。此外，应认识到这样的开发努力可能是复杂和费时的，但是对于那些得益于本发明的本领域普通技术人员来说将是常规的任务。
参考图1和2，管式反应器101具有管式反应器入口110和在管式反应器入口110的下游的管式反应器出口120。所述管式反应器101包括管103，其具有管壁105和管103纵向方向的轴106。所述管式反应器还包括设置或位于管103内的插入物130。
此处将管定义为用于在管内传导或运送流体的任何流体密封的空心体。所述管可以具有圆形横截面、方形横截面或其它需要的形状。所述管具有沿纵向并且位于所述管的横截面的几何中心的纵向轴。所述纵向方向对应于从所述反应器的入口到出口的方向。
所述管103可以由任何适合于所需应用的材料制造。对于适合用于氢和/或合成气生产的管式反应器的材料是本领域中已知的。
所述插入物130包括在管103的纵向方向相继排列的多个杯形结构132、133。多个杯形结构132、133的每一个具有上游端134、下游端136和围绕上游端134和下游端136之间的中央空间的侧壁138。上游端134限定通向所述中央空间的入口。所述杯形结构可由金属、陶瓷材料或任何其它适合的材料构成。可以选择适合用于特定应用的构成材料。适合用于氢和/或合成气生产的适合的构成材料是本领域中已知的。金属杯形结构可以通过常规的金属加工方法制造。陶瓷杯形结构可以通过常规的陶瓷制造技术浇铸。
所述杯形结构可以具有圆形横截面，与同样具有圆形横截面的管横截面互补。
所述杯形结构的侧壁可以是锥形的，其上游端的直径大于下游端的直径。如在此所使用的，术语“锥形”指的是朝一端逐渐变得更小，以逐渐缩小。锥形的侧壁是有用的，因为其在不限制杯形结构之间的流动的情况下允许相邻杯形结构之间的距离变得更小。在直侧壁杯形结构之间的流动限制导致压降增加。
如图2中所示的实施方式中所表示的，多个杯形结构的每一个的侧壁可以具有圆柱形部分和与所述圆柱形部分邻接的锥形部分，其中所述圆柱形部分在所述锥形部分的上游，且其中所述锥形部分在其与所述圆柱形部分邻接的一端具有较大的直径。
所述杯形结构在具有从上游端134贯穿至下游端136的纵向方向的长度L。所述管具有与纵向方向垂直的直径D。所述杯形结构的长度可以构成为0.3≤L/D≤3或0.3≤L/D≤1.3。纵横比L/D影响管式反应器中的管壁温度均匀性和压降。优选较低的L与D之比，以改进管壁温度均匀性，同时不显著增加压降。
负载的催化剂144设置或位于多个杯形结构132、133的每一个的中央空间内。所述负载的催化剂可以是负载在通常用于负载催化剂的种类的多孔陶瓷球上的催化剂。所述负载的催化剂可以是负载在结构化载体上的催化剂。所述催化剂可以是蒸汽重整催化剂。适合的蒸汽重整催化剂是本领域中已知的。
在所述杯形结构的中央空间的上游端处可设置有网和/或穿孔板以限制所述负载的催化剂。所述网和/或穿孔板对于处理催化剂球的流化是有用的。
所述中央空间在下游端136处至少部分被封闭。如图1和2中所示，所述中央空间可在下游端136处至少部分被平的板状结构154封闭。或者，所述杯形结构的下游端136或底部可以是凹面、凸面或任何适合的形状。
所述多个杯形结构的每一个的侧壁138限定多个适合形成从所述中央空间向管壁105方向的流体射流的孔170、171。如在此所使用的，孔是某物可以通过的开口(例如洞)。开口可以是圆形洞或可以具有其它需要的形状例如狭缝或槽。
在此所使用的术语“槽”定义为其中任何槽的横截面是非圆形的且特征在于长轴和短轴的开口。长轴比短轴长，并且两个轴通常是垂直的。所述槽可以具有任何非圆形形状的横截面，且每个横截面的特征在于中心点或质心，其中质心具有常用的几何定义。
所述孔的特征可在于水力直径d和与管壁的间隔h，其中所述孔的h/d范围为0.5到20。为了本发明的目的，间隔h是孔的几何中心与管壁上最接近孔的几何中心的点之间的距离。间隔h和水力直径d是参数，而非具体值。对于所述多个孔的每一个，间隔h和水力直径d的值不需要相同。该值可以从插入物部分到插入物部分之间或甚至在一个插入物部分内有目的地变化。间隔h的范围可以是0.5mm到10mm，或可以是1mm到10mm。
本发明的管式反应器的特定优点在于，热传递不会由于长期操作之后管壁发生蠕变而降低。在依赖于流体在插入物和管壁之间挤压的现有方法中，由于当管壁直径增加时，插入物和管壁之间的间隙增加，因此导致较低的流体速度，从而使热传递降低。所述较低的速度导致降低的热传递。
相反，本发明的管式反应器有目的地不依赖于插入物与管壁之间的间隙来提供有效的热传递，而是依赖于射流速度。由于孔的水力直径在管式反应器的长期操作之后不发生变化，对于给定的流速来说，流体速度也不发生变化，因此热传递效率得到保持。
工艺流体射流冲击管壁，从而在流体射流和管壁之间传递热量。射流冲击通过减小其他方法可沿着管壁建立的边界层来提高管壁与工艺流体之间的热传递。射流的方向可与管壁表面基本垂直或者与管壁成一角度。该角度可在与管壁垂直的±45°范围之内。热量在管与工艺流体之间传递意味着热量可从管传递到工艺流体或者从工艺流体传递到管。在工艺流体冲击管壁之后，工艺气体不得不沿杯形结构与管壁之间的环带向下流走，进入相邻的下游杯形结构中。如果工艺气体累积了足够的速度，则工艺气体可以冲走射流从而使热传递降低。由于，越来越多的工艺气体从孔离开，因此从杯形结构的顶部至杯形结构的底部，冲击后工艺气体的量增加。通过使杯形结构侧壁适当地成锥形，可降低工艺气体的流阻，保持热传递，同时降低压降。
对于多个杯形结构132、133的每一个，在侧壁138和管壁105之间形成外部空间160。所述外部空间从多个杯形结构132、133的每一个的上游端134延伸至下游端136。所述杯形结构的每一个具有其分别的外部空间160。外部空间160与相邻的下游杯形结构的入口流体连通，或在最下游杯形结构的情况中，与管式反应器出口120流体连通。
外部空间160用于在流体冲击管壁105之后收集流体并使流体流到相邻的下游杯形结构的入口。与相邻的下游杯形结构流体连通的外部空间意味着至少一部分流经外部空间的流体进入相邻的下游杯形结构的入口中。最下游杯形结构的外部空间将与管式反应器出口流体流动连通并因此可使流体流到管式反应器出口。
术语“相邻”指的是附近的，且可以包括或可以不包括接触，但要求二者之间没有相同种类的任何物质。
如图1和图2的实施方式中所示，外部空间160在垂直于管103的轴106且穿过杯形结构133下游端136的第一平面157的横截面积大于外部空间160在垂直于管103的轴106且穿过与杯形结构133上游端134相邻的孔171的第二平面158的横截面积。所述孔171属于由杯形结构133的侧壁138限定的多个孔170、171。孔171与杯形结构133的上游端134相邻，意味着在该孔和该上游端之间没有其它的孔。
另一杯形结构132可以设置为与杯形结构133相邻并在其上游，其中杯形结构132的下游端136与杯形结构133的上游端134分隔开小于15mm的距离。这相对于其中间隔较大的结构来说是一个改进，因为结构之间的间隙不具有射流冲击热传递，导致局部热点。杯形结构的锥形几何形状便于使杯形结构之间的间隔更近，同时在工艺气体从杯形结构流动至相邻的下游杯形结构时降低流阻。
杯形结构之间的间隔可以由隔离物提供，或者所述杯形结构的每一个可结合到与所述杯形结构的每一个连接并且沿所述管长度的中心杆上。
在图2中所示的实施方式中，管式反应器101还包括设置于杯形结构133的上游端134的串珠导流器180。串珠导流器180包括多个珠粒，其中所述多个珠粒的每一个与管壁105接触。
所述串珠导流器的功能是至少部分阻挡流体在所述杯形结构上游端处进入外部空间，并引导所述流体进入各个杯形结构的入口。
所述珠粒可以由陶瓷材料，例如与用于所述催化剂球的相同陶瓷材料制成。
所述珠粒可以是球形的、圆柱形的、环形的一部分或任何其它合适的形状。
所述珠粒具有防止其通过侧壁或挡板与上游端的管壁之间的间隙的外部尺寸。
串珠导流器180可以由杯形结构133的侧壁138支撑。串珠导流器180可以由防止所述珠粒向内移动的唇形物(lip)约束。该唇形物可允许所述珠粒对于管内的热生长作出响应在窄的范围内移动，但是防止明显的位移。该唇形物可以是所述杯形结构侧壁的延长部分或是单独的组件。
在图2中所示的实施方式中，杯形结构133在上游端134处包括挡板188，其中挡板188限定杯形结构133的入口，以及串珠导流器180由挡板188支撑。挡板是使流体的流动转向的任何装置，例如板、壁或隔板(screen)。
串珠导流器与挡板之间的区别特征是当管壁直径增加/减小时串珠导流器与管壁保持接触，从而甚至当管直径增加/减小时提供工艺气体的转向使其进入杯形结构入口。相反，挡板直径仅由于其热膨胀变化而改变，因此不像导流板防止工艺流体绕开杯形结构的入口而直接流至杯形结构侧壁和管壁之间的外部空间那样有效。
如图2的实施方式所示，所述珠粒可以各自具有限定在所述珠粒本身中的洞，且所述珠粒可以串在穿过每个洞的线182上。每个洞的尺寸(例如，水力直径)可大于所述线的尺寸(例如，直径)，从而当所述管壁直径变化时允许所述珠粒移动以使所述珠粒与管壁保持接触。所述线可以由高温合金例如SS347、Incoloy 800H或其它适合的材料制成。
所述珠粒可以穿在绳(由聚合物材料制成)上，其中在所述管式反应器起动期间，所述绳被烧掉或蒸汽气化掉。
或者，当所述插入物设置于管内时，所述珠粒可以通过粘合剂固定。在所述管式反应器起动期间，所述粘合剂可以被烧掉。所述珠粒可以通过任何适合的技术或机制固定。
在包括串珠导流器180的可选实施方式中，外部空间160在垂直于管103的轴106且穿过杯形结构133下游端136的第一平面157的横截面积可与外部空间160在垂直于管103的轴106且穿过与杯形结构133上游端134相邻的孔171的第二平面158的横截面积相同，所述孔171属于由杯形结构133的侧壁138限定的多个孔170、171。
在此所述的管式反应器可以与其它用于各自化学处理需要的管式反应器类似的方式使用。
在此所述的管式反应器的用途是本领域普通技术人员公知的，特别是考虑到第2010/0038593号美国专利公开申请。
具体实施方式
实施例
使用计算流体动力学(CFD)模型研究了所述多个孔对于射流冲击热传递的技术效果。也研究了所述锥形的杯形结构的技术效果以及所述串珠导流器的技术效果。
对照热传递实验验证了CFD模型。
对于多种填料进行了热传递实验。测量了作为管中压降的函数的热传递系数。使用空气作为流体并且将管电加热进行所述实验。在约大气压和环境温度下进行所述实验。由多个流速的壁温测量来计算热传递系数。
将CFD模拟的结果与图3中的实验数据对比。对于“直壁杯设计”，除了杯的侧壁是直形，而不是如图1中所示的锥形外，其与图1中所示的结构类似。在“直壁杯设计”中，开孔与管壁之间的间隔为约3mm。所述杯形结构具有约33mm的长度，相邻杯形结构之间的距离为18mm。所述杯形结构具有开放的顶部和密封的底部。侧壁直径为约96mm。侧壁总计有60个槽，每个槽的宽为约1mm。所述杯形结构的上游端各自具有挡板以阻挡金属结构壁和管壁之间的流体通道。对于所述CFD模拟，在所述挡板的外部直径和管之间的间隙为1mm。
CFD模型结果和热传递实验之间的基本一致表示CFD模型的适当的可靠性。
图4表示与“直壁杯设计”相比较的两个“锥形杯设计”的CFD模拟结果。对于所述锥形杯设计和所述直壁杯设计，侧壁均总计有28个槽，每个槽的宽为约1mm。锥形杯设计和直壁杯设计均有长度约为66mm的杯形结构，相邻杯形结构之间的距离为7.6mm。
在所述两个锥形杯设计之间的区别是杯侧壁的形状，以及因此开孔与管壁之间的间隔。锥形的杯I的侧壁具有圆柱形部分和锥形部分，如图2中所示。更精确地，所述杯形结构的上半部分(上部50％)是圆柱形的，且下半部分是锥形的。对于所述杯形结构的上半部分在开孔和管壁之间的间隔约为3mm，以及从所述杯形结构中部的3mm变化至所述杯形结构底部的9mm。
锥形的杯II是在其整个长度上都是锥形的，如图1中所示。开孔之间的间隔从所述杯形结构顶部的3mm线性增加至所述杯形结构底部的9mm。
对于所述直壁杯，开孔和管壁之间的间隔为6mm，对应于锥形杯II的平均间隔。
如图4中所示，对于相同的压降，与所述直杯设计相比，所述锥形杯设计的每一个提供约25％更高的热传递。或者可以说，对于相同的热传递，所述锥形杯形结构设计可以显著降低压降。
图5表示在杯形结构的上游端处有间隙和没有间隙的直杯设计的对比。有间隙的情形代表了在上游端处不具有串珠导流器或挡板的杯形结构，其中在所述杯形结构侧壁与管壁之间的间隔为3mm。没有间隙的情形代表了具有串珠导流器的情形。
所述管的直径为102mm。所述杯形结构的长度和直径分别为约33mm和约96mm。杯形结构之间的距离为约17.8mm。所述侧壁总计有56个槽，每个槽的宽为约1mm。对于这两种情形，所述杯形结构的侧壁与管壁之间的距离为3mm。
结果清楚地表示没有间隙(有串珠导流器)的情形下热传递的显著改进，其对应于无工艺流体绕过所述杯形结构的入口。除了热传递的改进之外，也预期了改进的转化，因为迫使全部工艺流体通过所述杯形结构包含催化剂的空间。
虽然根据具体实施方式或实施例描述了本发明，但并不限于此，在不背离如所附权利要求书限定的本发明范围的情况下，可以改变或修改为任何多种其它形式。

Claims (13)

1.一种管式反应器，其具有管式反应器入口和在该管式反应器入口下游的管式反应器出口，所述管式反应器包括：
管，其具有管壁和管的纵向方向的轴，和
插入物，其设置在所述管内，其中所述插入物包括：
在所述管的纵向方向相继排列的多个杯形结构，所述多个杯形结构的每一个具有上游端、下游端和围绕上游端和下游端之间的中央空间的侧壁，
其中，负载的催化剂设置于所述多个杯形结构的每一个的中央空间内，
其中所述上游端限定了通向所述中央空间的入口，
其中所述中央空间在所述下游端处至少部分被封闭，
其中所述侧壁限定了多个适合形成从所述中央空间向所述管壁方向的流体射流的孔，
其中对于所述多个杯形结构的每一个，在所述侧壁和所述管壁之间形成外部空间，所述外部空间从所述多个杯形结构的每一个的上游端延伸至下游端，所述外部空间与相邻的下游杯形结构的入口和/或所述管式反应器出口流体连通；和
其中所述外部空间在垂直于所述管的轴且穿过所述多个杯形结构的第一杯形结构下游端的第一平面中的横截面积大于所述外部空间在垂直于所述管的轴且穿过与所述第一杯形结构上游端相邻的孔的第二平面中的横截面积，所述孔属于由所述第一杯形结构的侧壁限定的多个孔。
2.权利要求1的管式反应器，其还包括：
设置于所述多个杯形结构的第一杯形结构上游端的串珠导流器，所述串珠导流器包括多个珠粒，其中所述多个珠粒的每一个与所述管壁接触。
3.一种管式反应器，其具有管式反应器入口和在该管式反应器入口下游的管式反应器出口，所述管式反应器包括：
管，其具有管壁和管的纵向方向的轴，和
插入物，其设置在所述管内，其中所述插入物包括：
在所述管的纵向方向相继排列的多个杯形结构，所述多个杯形结构的每一个具有上游端、下游端和围绕上游端和下游端之间的中央空间的侧壁，
其中，负载的催化剂设置于所述多个杯形结构的每一个的中央空间内，
其中所述上游端限定通向所述中央空间的入口，
其中所述中央空间在所述下游端处至少部分被封闭，
其中所述侧壁限定多个适合形成从所述中央空间向所述管壁方向的流体射流的孔，和
其中对于所述多个杯形结构的每一个，在所述侧壁和所述管壁之间形成外部空间，所述外部空间从所述多个杯形结构的每一个的上游端延伸至下游端，所述外部空间与相邻的下游杯形结构的入口和/或所述管式反应器出口流体连通；和
设置于所述多个杯形结构的第一杯形结构上游端的串珠导流器，所述串珠导流器包括多个珠粒，其中所述多个珠粒的每一个与所述管壁接触。
4.前述权利要求任一项的管式反应器，其中与所述第一杯形结构相邻并在其上游设置所述多个杯形结构的第二杯形结构，其中所述第二杯形结构的下游端与所述第一杯形结构的上游端分隔开小于15mm的距离。
5.前述权利要求任一项的管式反应器，其中所述中央空间在所述下游端处至少部分被板状结构封闭。
6.权利要求2-5任一项的管式反应器，其中所述多个珠粒的每一个具有限定在其中的洞，其中所述多个珠粒串在穿过各个洞的线上，各个洞的尺寸大于所述线的尺寸。
7.权利要求2-6任一项的管式反应器，其中所述串珠导流器由所述第一杯形结构的侧壁支撑。
8.权利要求2-7任一项的管式反应器，其中所述第一杯形结构在所述上游端处包括挡板，其中所述挡板限定了所述第一杯形结构的入口，和其中所述串珠导流器由所述挡板支撑。
9.前述权利要求任一项的管式反应器，其中所述多个杯形结构的每一个的侧壁是锥形的，其上游端的直径大于其下游端的直径。
10.前述权利要求任一项的管式反应器，其中所述多个杯形结构的每一个的侧壁具有圆柱形部分和与所述圆柱形部分邻接的锥形部分，其中所述圆柱形部分在所述锥形部分的上游，且其中所述锥形部分在其与所述圆柱形部分邻接的一端具有较大的直径。
11.前述权利要求任一项的管式反应器，其中所述多个孔的至少一部分是开有槽的。
12.前述权利要求任一项的管式反应器，其中所述第一杯形结构在纵向方向具有长度L，且所述管具有与纵向方向垂直的直径D，其中0.3≤L/D≤3。
13.前述权利要求任一项的管式反应器，其中在所述第一杯形结构的中央空间的上游端处设置有网和/或穿孔板以约束所述负载的催化剂。
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