CN102844101B - 具有板式热交换器的化学反应器 - Google Patents

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Abstract

一种蒸汽冷却化学反应器（1）包括：立式容器（2）；嵌入在催化床中的板式热交换器，其用以通过冷却水流的蒸发冷却催化床，其中水入口和蒸汽出口位于所述热交换器的下面，并且板和相关的管路被布置成使得冷却流的路径包括从催化床的底部到顶部的第一上升路径以及从催化床的顶部到底部的第二下降路径，其中，板的内蒸发通道提供所述第二下降路径或所述第一上升路径，并且水上升管或蒸汽下降管相应提供所述第一上升路径和所述第二下降路径的另一者。

Description

具有板式热交换器的化学反应器
技术领域
本发明涉及配备有板式热交换器的等温化学反应器，以及用于等温化学反应器的板式热交换器。
背景技术
等温化学反应器或伪-等温化学反应器包括催化床和被安排成将所述催化床的温度保持在给定的范围内的热交换器，其中在该催化床中进行化学反应。除了其他应用之外，等温反应器被应用在甲醇转化炉中，其中，热交换器将甲醇合成的强烈放热反应所释放的热排除。该内部热交换器可以是板式热交换器，如在EP-A-1284813中所公开的板式热交换器。
冷却介质可以是沸水，使得从催化床移除的热用来产生加压蒸汽，以便回收能量。在该说明书中，术语“蒸汽冷却反应器”用来指其中发生放热反应的化学反应器，并且内部热交换器主要通过给水的完全蒸发或至少一部分蒸发来冷却催化床。
反应器的容器包括管路和/或连接凸缘以使冷却介质循环通过内部热交换器。在已知的反应器中，冷却介质在容器的一端进入并且在该容器的另一端出去：例如，冷却水流在该容器的底部进入并且蒸汽流或水/蒸汽流从该反应器的顶部出去。因此，在该交换器的顶部和底部分别需要相对较大的收集器或分配器，以将介质输送到所述板中的每一板/从所述板中的每一板收集该介质。
板式等温反应器因其有很多优点而越来越引人注目，尤其是在甲醇合成领域中，所述优点比如为良好的热交换性能、模块化设计、易于维护。因此，鼓励持续改进和优化板式等温反应器的设计。具体地，其中一个技术问题是以最可行的方式开发容器的尺寸，即，化学反应的可用空间。
现有技术的一个问题是需要处理热交换器的板相对于反应器的容器的不同的热膨胀。实际上，板和容器通常由不同的材料制成并且在不同的温度下工作。在正常工作期间，板的温度较低；在瞬时步骤（例如，启动）期间，板可具有比容器本身高或低的温度。不同的热膨胀导致主要在热交换介质的入口和出口处产生机械应力，所述入口和出口构成热交换器和容器之间的连接的刚性点。
当前通过将内部管路设计成允许热交换器相对于容器有一定的位移来克服该问题。例如，用于热交换介质的一个或多个管以一方式折叠以充当弹簧，并且补偿热交换器和容器之间的相对位移。在公知的布置中，热交换板径向地布置在竖直容器的轴的周围，因此整个热交换器具有基本上环形的形状；沸水流在热交换器的底部进入并且通过大型的圆环形的收集器而在该热交换器的顶部出去，该收集器通过多个较小的管连接到各个板；该大型连接件因其形状而能够弯曲到一定的程度，因此补偿热交换器的热膨胀。
然而，上述解决方案具有以下缺点：内部管路昂贵并且占取化学反应的空间。例如，上文提及的圆环形的收集器占取了容器的上部中的体积的相关部分。事实上，催化床的体积应该尽可能地充满热交换板以提供反应温度的精确控制。另一个缺点是安装时间较长和相对地难以进行催化剂装填。
从EP-A-1279915可知另一解决方案，其中，板具有分区挡板以提供类似U型的冷却介质路径，并且入口凸缘和出口凸缘都可以被布置在反应器的底部处，使热交换器的上部与容器没有刚性连接，并且因此自由膨胀。
尽管后者的解决方案已经证实是有效的，然而鼓励提供对该类型的反应器的持续改进，特别是对于甲醇转化炉而言。则本发明的目的是提供用于特别是在蒸汽冷却化学反应器中的板式热交换器的高效且低成本的构型。
发明内容
用蒸汽冷却化学反应器来实现上述目的，该蒸汽冷却化学反应器包括：含有催化床的立式容器；嵌入在所述催化床中的板式热交换器，所述热交换器被布置成通过冷却水流的蒸发来使所述催化床冷却；水入口和蒸汽出口；以及用以将水分配至所述热交换器的板的蒸发通道并自所述热交换器的板的蒸发通道收集蒸汽流的管路，其中，所述水入口和所述蒸汽出口位于所述热交换器的下面，并且所述管路和热交换板被布置成提供用于冷却流的路径，所述路径包括从所述催化床的底部到顶部的第一上升路径和从所述催化床的顶部到底部的第二下降路径，所述板的所述蒸发通道提供所述第一路径和所述第二路径中的一个路径，以及一个或多个水上升管（14）或一个或多个蒸汽下降管提供所述第一路径和所述第二路径中的另一路径。
在本发明的一些实施方式中，冷却水通过一个或多个上升管从催化床的底部穿行到顶部，并且随后在通过热交换板的蒸发通道向下流动的同时蒸发。在本发明的其他实施方式中，冷却水在通过热交换板的蒸发通道从催化床的底部向顶部流动的同时蒸发，并且这样获得的蒸汽流或蒸汽/水流在一个或多个下降管中返回至床的底部。优选地，所述蒸发通道是在板内的直的、纵向的通道。
在其他实施方式中，所述上升管被整合在热交换器的板中。例如，每个板包括向与蒸汽通道连通的上分配器供料的一个或多个通道。
本发明提供的优点为，冷却水的蒸发在蒸发通道内以良好受控的方式进行，这允许对整个催化床上的温度进行稳定操作和良好控制。具体地，本发明还有助于避免在针对液体水流设计的通道内部形成可能地不稳定双相流、以及与偏离正常条件相关的任何风险、催化床的温度分布不均匀或局部过热。除此之外，板式热交换器的上端部与反应器的容器没有任何刚性机械连接，因此，基本上相对于容器自由移动。这种自由度补偿不同的热膨胀并且消除对昂贵的折叠管、接头等的需要。本发明的另一优点是可以减少内部管路和相关成本。具体地，本发明的具有整合在热交换板中的水上升管的实施方式允许节省水管和安装件的成本。
在本发明的一些实施方式中，热交换器的板布置有下水进口和上蒸汽出口，并且内部管路包括至少一个下降管，该下降管被布置成将来自所述上出口的含有蒸汽的流送至在热交换器下面的主蒸汽收集器。
在其他实施方式中，热交换器的板布置有上水入口和下蒸汽出口，并且所述内部管路包括至少一个上升管，该上升管被布置成将来自主分配器的冷却给水输送到热交换板的所述入口。可以设置多个用于给水的上升管，各个上升管将给水的一部分输送到热交换器的相应组的板。本发明的这些实施方式可以是优选的，因为用于液体水的上升管可以远小于用于蒸汽流或蒸汽/水流的下降管，下降管具有较大的比体积。
在其他实施方式中，一个或多个上升管被整合在热交换器的每个板中。将上升管或下降管整合在板中具有的优点是进一步减少管路和相关连接。例如，热交换板可以径向地布置在反应器的竖向轴的周围，因此形成具有总体环形结构的热交换器。
根据优选实施方式，热交换器的每个板包括：
-与所述板的下侧连接的底部进料器；与所述板的上侧连接的分配器和与所述板的所述下侧连接的相对的底部收集器；
-所述底部进料器、所述分配器和所述底部收集器由在结构上独立于所述板的管或管道元件形成；
-所述板具有内部通道，所述内部通道包括至少一个蒸发通道和至少一个给水通道，所述内部通道互相隔离；
-所述给水通道提供在所述底部进料器和所述分配器之间的流路径，以及所述蒸发通道提供在所述分配器和所述底部收集器之间的流路径。
在结构上独立的进料器、分配器和收集器连接（例如焊接）至所述板的上侧和下侧。所述板的结构通常由结合到一起的两个金属片制成以形成给水通道和蒸发通道。更优选地，热交换器的各个板包括两个相对的金属片，并且具有多个纵向的且平行的内部通道，这些内部通道通过将所述金属片隔开的连续的隔片元件或通过在所述金属片之间的连续的纵向接合部而彼此隔离。所述通道中的一个通道或所述通道的第一组被布置成将来自底部进料器的给水导向至上分配器，并且所述通道中的第二组形成从上分配器到底部收集器的蒸发通道。
通常需要进料器、分配器和收集器接受多个内部通道（给水通道或蒸发通道）的流量。因此，进料器、分配器和收集器需要比板的一个内部通道的横截面大的横截面；为了该目的，在结构上独立的构造允许实现具有比板的金属片的厚度大的厚度和/或比板的金属片更耐磨的材料的进料器、分配器和收集器的任一者，以便具有和板通道相同的抵抗力（例如，抗内部压力）。
更优选的实施方式提供，每个板的蒸发通道的总横截面大于相同的板的给水通道的总横截面。在一些实施方式中，给水通道可具有与蒸发通道基本上相同的横截面；在该情况下，可利用蒸发通道的数量大于给水通道的数量来达到上述条件。
本发明的优选的但非排它的应用是甲醇转化炉。在优选的应用中，根据上文，甲醇转化炉配备有环形的板式热交换器，在例如15巴到25巴的介质压力下输送蒸汽。
本发明的另一方面是一种用于制造根据上文的板式热交换器的热交换板的新型结构。所述板包括用于热交换流体的内部通道、用于所述流体的进料器和收集器，并且其特征在于：所述进料器和所述收集器都与所述板的第一侧连接；所述板包括与相对于所述第一侧的第二侧连接的流体分配器；所述进料器、所述分配器和所述底部收集器由在结构上独立于所述板的管或管道元件形成；所述板的所述内部通道包括至少一个第一内部通道和至少一个第二内部通道，所述第一内部通道提供所述进料器和所述分配器之间的流体连通，所述第二内部通道提供所述分配器和所述收集器之间的流体连通，所述第二通道与所述第一通道分离。
根据一些实施方式，所述交换板包括两个相对的金属片，并且具有在所述金属片之间的多个纵向且平行的内部通道，所述通道通过将所述金属片隔开的连续的隔片元件或通过连续的纵向接合部而彼此隔离。所述通道的一个通道或所述通道的第一组通道提供了在所述进料器和所述分配器之间的连通，并且所述通道的第二组通道提供了在所述分配器和所述收集器之间的连通。
应该注意，无论在板的外部的气体流如何布置，本发明可应用在催化床中。本发明从而同样适用于轴流式反应器或径流式反应器。
下文是本发明的另一优点。申请人的经验显示，在冷却水具有基本上为U形的路径的水冷却板式热交换器中，即，水至少沿着从催化床的底部到催化床的顶部的第一上升路径和从催化床的顶部到催化床的底部的第二下降路径流动，避免水在第一上升路径期间蒸发是方便的。换句话说，冷却水应该仍然以液态到达催化床的顶部。原因是，部分蒸发导致水流偏离设计条件并且从而热交换器的一些区域发生不太有效的冷却，这意味着有催化床局部过热的风险。如果，例如给水在上升路径中蒸发，则可以在板内形成一薄层液态水，板的剩余体积充满蒸汽。则在板的充满过热蒸汽的区域中除热效率低得多，并且催化床的外部区域可能过热。
然而，保持水为液态是不容易的，这是因为在通常情况下（例如，甲醇转化炉），冷却水来自状态接近饱和的汽鼓。因此，相对较小的压降和/或水的温度的升高可导致相关蒸汽部分的形成。
为了该目的，必须注意，压降反比例地关联于管的直径。此外，较小的管具有在接触热催化床的外表面和横截面之间的较低的比率，即，对于给定流速的流量较低，这意味着在内部流动的水更多接触来自催化床的热流。考虑上文所有因素，申请人已经注意到，具有较小直径的水上升管可能导致给水的蒸发并且经受上述缺点。本发明解决了该问题，特别是由于每个上升管输送水至一组板的实施方式，或者是由于具有一体化的上升管的实施方式，其中，板可以形成有充当水上升管的一个或多个较大的通道、和提供水的下降路径的较小的通道。较大的上升管或较大的板通道减少了由于压降和/或加热造成的较早蒸发的风险；可以获得，如优选的，蒸发主要或唯一地在下降路径中进行。
结合附图，从优选的指示性且非限制性实施方式的示例的以下描述，本发明的特征和优点将更明确。
附图说明
图1为等温反应器的纵向截面图，该等温反应器包括根据本发明的优选实施方式的内板式热交换器。
图2为根据本发明的另一实施方式的热交换器的板的视图。
图3为根据线III-III的图2的板的横截面。
图4为根据本发明的另一实施方式的热交换器的板的横截面。
具体实施方式
参考图1，轴流式反应器1包括具有竖向轴的柱状壳体（或容器）2、下端部3和上端部4、用于反应物的新鲜进料的顶部入口5和用于反应产物的底部出口6。反应在容器内的催化床7中进行。
反应器还包括板式热交换器8，该板式热交换器具有多个径向地布置在壳体2的竖向轴周围的板9。热交换器8连接到用于沸水W的入口10和用于含有蒸汽的流S的出口11。沸水W可以全部蒸发或部分蒸发以形成蒸汽流或蒸汽/水流S。
通过主水分配器12将水W分配至板9，通过主蒸汽收集器13自板9收集蒸汽S。主水分配器12和主蒸汽收集器13都位于热交换器8的下面，使得入口10和出口11位于反应器的下部中，即，位于下端部3或柱状壳体2的下部中。
各个板9在内部被分成多个通道，这些通道优选地为直的、纵向的并且相互隔离。借助连接到主分配器12的多个上升管（upcomer）14分配冷却水W。每个板9具有上分配器15，且所述上升管14中的每个上升管借助所述上升管和所述上分配器15之间的连接管16向所述板中的一个板9或优选地一子组供料。在相反的端部处，各个板9包括下收集器17；主收集器13借助连接管18接收来自板9的下收集器17的热交换介质。
因此，反应器1内部的冷却水的全部路径包括通过上行器14的第一上升路径和通过板9的内部蒸发通道的第二下行路径并向下至收集器13。冷却水的蒸发主要在所述第二下降路径期间进行。冷却水W全部蒸发或部分蒸发，从催化床7去除热。
从图1可以理解，热交换器8的上端部8a相对于容器2基本上是自由的，将热交换器连接到容器的所有管道（例如，主管12和主管13以及相关管路）都位于下部8b中。
在基本上双重的布置（未示出）中，水W在板9的内部蒸发通道的内部向上流动的同时蒸发，并且接着通过多个下降管（downcomer）向下返回至主收集器。
在本发明的其他实施方式中，上升管14基本上被整合在交换器8的板中，即，各个板具有至少一个用来将给水W的相应部分输送到相应上分配器15的内部通道。
图2和图3示出了具有一体形成的上升管的板9A的示例。板基本上具有长方形的形状，该长方形的形状具有相对的长边和短边，该板包括两个相对的金属片20、21、与板的第一侧（例如在与图1的装置等同的装置中的下短侧）连接的进料器22、连接至该板的与所述第一侧相对的一侧的分配器23、以及与所述第一侧连接的收集器24。
板9A具有在金属片20和金属片21之间的多个内部通道，所述通道由所述金属片之间的连续的纵向接合部25、25A相互隔开。在该示例中，两个通道26A分别借助开口27和开口28而在进料器22和分配器23之间连通，并且另外的通道26B借助开口29和开口30在分配器23和收集器24之间连通。
因此，入水流W（图2）经过通道26A在一个方向上沿着第一路径而行，并且经过通道26B在相反方向上沿着第二路径而行。例如，板9A被布置在竖向反应器的内部，使得进料器22和收集器24的这一侧为下侧。因此，通道26A作为水流的上升管工作，并且通道26B作为用于下降流的蒸发通道工作，产生蒸汽/水流S。
优选地，给水通道26A的横截面大于蒸发通道26B的横截面。例如，数量为NA的通道26A将水输送到数量为NB的通道26B，NB大于NA。图2示出了两个较大的通道26A向四个较小的通道26B供料的实施方式。优选地，给水通道26A的总横截面基本上等于蒸发通道26B的横截面之和。基于以上阐述的原因，给水通道26A的较大横截面有助于使给水W在流动至催化床的顶部之前保持为液态。
图4示出本发明的另一实施方式，其中，在金属片20和金属片21之间的通道26A、26B通过隔片31限定。优选地，隔片31具有牢固的截面，其允许板承受相关的压力差。

Claims (12)

1.一种蒸汽冷却化学反应器(1)，其包括：含有催化床的立式容器(2)；嵌入在所述催化床中的板式热交换器(8)，所述热交换器被布置成通过冷却水流的蒸发来使所述催化床冷却；水入口(10)和蒸汽出口(11)；以及用以将水分配至所述热交换器的板(9、9A)的蒸发通道(26B)并自所述热交换器的板(9、9A)的蒸发通道(26B)收集蒸汽流的管路，其中，所述水入口和所述蒸汽出口位于所述热交换器的下面，并且所述管路和热交换板被布置成提供用于冷却流的路径，所述路径包括从所述催化床的底部到顶部的第一上升路径和从所述催化床的顶部到底部的第二下降路径，所述板的所述蒸发通道提供所述第二下降路径，并且一个或多个水上升管(14)提供所述第一上升路径，所述反应器的特征在于：每个板的所述蒸发通道(26B)的总横截面大于同一板的所述一个或多个水上升管(14)的总横截面，每个板的蒸发通道的数目大于同一板的所述水上升管(14)的数目。
2.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述热交换器的所述板(9)设置有上水入口和下蒸汽出口，并且所述管路包括至少一个上升管(14)，所述至少一个上升管被布置成将来自主分配器(12)的冷却给水输送到所述热交换板的所述入口。
3.根据权利要求2所述的反应器，所述反应器包括用于所述给水的多个上升管(14)，所述上升管中的每个上升管将水输送到所述热交换器的一组板(9)。
4.根据权利要求2所述的反应器，其特征在于，用于所述给水的至少一个上升管被整合在所述热交换器的各个板中。
5.根据权利要求4所述的反应器，其特征在于，所述板式热交换器的每个板(9A)包括：
-与所述板的下侧连接的底部进料器(22)；与所述板的上侧连接的流体分配器(23)和与所述板的所述下侧连接的相对的底部收集器(24)；
-所述底部进料器(22)、所述流体分配器(23)和所述底部收集器(24)由在结构上独立于所述板的管或管道元件形成；
-所述板具有内部通道，所述内部通道包括多个蒸发通道(26B)和至少一个给水通道(26A)，所述内部通道互相隔离；
-所述给水通道(26A)提供在所述底部进料器(22)和所述流体分配器(23)之间的流路径，以及所述蒸发通道(26B)提供在所述流体分配器(23)和所述底部收集器(24)之间的流路径。
6.根据权利要求5所述的反应器，其中，所述热交换器(8)的每个板(9A)包括两个相对的金属片(20、21)，所述内部通道为纵向的且平行的，所述内部通道通过将所述金属片隔开的连续的隔片元件(31)或通过在所述金属片之间的连续的纵向接合部(25)相互隔离。
7.根据权利要求6所述的反应器，其中，每个板具有给水通道(26A)，所述给水通道(26A)的横截面大于蒸发通道(26B)的横截面。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的反应器，其中，所述热交换板径向地布置在所述反应器的竖向轴的周围。
9.根据权利要求1所述的反应器，其中，所述反应器为甲醇转化炉。
10.一种用于制造用于等温化学反应器的板式热交换器的热交换板(9A)，所述板包括用于热交换流体的内部通道、用于所述流体的底部进料器(22)和底部收集器(24)，并且其特征在于：
-所述底部进料器(22)和所述底部收集器(24)都与所述板的第一侧连接；所述板包括与和所述第一侧相对的第二侧连接的流体分配器(23)；所述底部进料器(22)、所述流体分配器(23)和所述底部收集器(24)由在结构上独立于所述板的管或管道元件形成；所述板的所述内部通道包括至少一个第一流体供给通道和多个第二蒸发通道，所述第一流体供给通道提供所述底部进料器(22)和所述流体分配器(23)之间的流体连通，所述第二蒸发通道提供所述流体分配器(23)和所述底部收集器(24)之间的流体连通，所述第二蒸发通道与所述第一流体供给通道分隔开，其中，所述第二蒸发通道的总横截面大于所述第一流体供给通道的总横截面，且所述第二蒸发通道的数目大于所述第一流体供给通道的数目。
11.根据权利要求10所述的热交换板，所述热交换板包括两个相对的金属片(20、21)，并且具有在所述金属片之间的多个纵向且平行的内部通道，所述内部通道通过将所述金属片隔开的连续的隔片元件(31)或通过连续的纵向接合部(25)相互隔离。
12.根据权利要求11所述的热交换板，其中，所述第一流体供给通道或每个第一流体供给通道的横截面大于所述第二蒸发通道中的每个第二蒸发通道的横截面。
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