CN104955558B - 利用内床冷却的隔热的多床催化转换器 - Google Patents

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Abstract

一种具有内床热交换器的多床催化转换器(1)，包括多个叠加的催化床和在两个或多个连续的催化床之间共享的公用热交换器(5)，所述公用热交换器包括例如管束(6)的热交换本体、和分别限定管侧和壳侧的壁系统(9，10)，所述壳侧至少包括第一空间(12)、第二空间(13)和密封件(14)，其中第一空间(12)接收离开所述连续的床的第一床的产物气体，且离开所述第一空间(12)的内冷却气体被允许进入用于进一步转化的第二床(3‑3)，所述密封件避免了气体直接从所述第一空间到达所述第二空间。

Description

利用内床冷却的隔热的多床催化转换器
技术领域
本发明涉及利用内床冷却的多床催化转换器的领域。
背景技术
隔热的多床催化转换器用在多种领域中，包括例如甲醇的合成和氨的合成。
内冷多床转换器包括串联布置的多个催化床、以及用于对从一床流经到另一床的部分反应产物(简称为产物)的气流进行冷却的一个或多个内床热交换器。
通常的布局可以描述如下。该转换器为寄放有催化箱的细长的竖直压力容器；所述箱包括多个叠加的催化床；每一个催化床包括具有中央通道的环形圆柱状的催化剂筒，且内床冷却器通常为装配在所述筒的中央通道中的壳管式热交换器。多孔壁的合适系统将气流导向穿过催化床，之后，进入热交换器的壳侧中，在它们进入随后的床或离开转换器之前气体在此处得以冷却。
管中的冷却介质可以为气体反应剂的新鲜充量，以消耗从冷却产物获得的热量来对新鲜充量预热。根据各种已知的实施方式，入口床温度可以通过将产物和一定量的淬火介质混合而得以调节。所述淬火介质通常为试剂流，例如为可得到的新鲜充量的未预热部分。
具有内床热交换器的现有技术的转换器例如披露在US 4,769,220中。
已知的转换器的缺点在于，由于具有多个催化床而使设计和结构变得复杂且成本高。例如，每一个壳管式热交换器需要各个管束具有两个管板；管板为非常昂贵的物件，并且管和管板之间的焊接需要小心进行并且完成的成本较高。当前的现有技术考虑到，具有多于三床和两个中间交换器的布局是不便的。然而，存在增加级数(即，催化床数)的动机，因为从理论上说，更多级可以实现更高的效率和更为均匀的温度曲线。
发明内容
本发明旨在克服上述的缺陷。因此，本发明负责解决的问题是提供一种用于多床内冷却转换器的新型设计，以简化机械结构、降低成本并且因此增加多床配置的便利性。
该问题通过根据权利要求1的多床催化转换器得以解决。
该转换器包括压力容器、配置有圆柱环形催化剂筒和轴向中心通道的多个叠加的催化床、以及用于对在至少两个所述催化床之间的气体流进行内床冷却的装置，其特征在于，用于内床冷却的所述装置包括热交换器，所述热交换器包括：
-热交换本体，其轴向地延伸且无连续性中断地穿过至少两个连续的催化床的所述中心通道，以及
-壁系统，其也布置在所述中心通道中，并且围绕所述热交换本体，以限定所述热交换器的壳侧的边界，
并且，其特征还在于，所述壁系统以如此方式构造：
-所述热交换器的所述壳侧至少包括第一空间和第二空间，以及
-所述第一空间具有气体入口和气体出口，所述入口与所述连续的催化床的第一催化床的出口连通，以接收离开所述第一床的热气体，并且所述出口与所述连续的催化床的第二催化床的入口连通，使得离开所述第一空间的内冷却气体可以进入所述第二床以进行进一步转化，且所述第二空间具有与所述第二床的出口连通的气体入口，
并且其中，所述转换器还包括密封件以避免气体直接从所述第一空间通过到所述第二空间。
优选地，所述壁系统包括第一圆柱形壁和第二圆柱形壁，所述第一壁围绕所述热交换本体的上部，而所述第二壁围绕所述热交换本体的下部，其中所述第二壁与所述第一壁间隔，使得它们形成具有间隙的壳。
所述密封件优选地包括弹性环构件和在所述弹性环构件之间的密封部。优选地，所述密封部为曲径密封垫片(labyrinth seal)。公用热交换器的壳通常与催化床的气体分布壁同轴。因此，密封件的优选的形式包括：固定至热交换本体的第一弹性环；固定至催化床的分布壁的第二弹性环。
本方面的额外优选的特征是根据所附的从属权利要求。
本发明提供了具有一组热交换本体(例如，管束)的热交换器，热交换器在两个或多个连续的催化床之间公用。该热交换器还被称为“公用”热交换器。因此，相关的热交换本体(和它们的用于冷却介质的通道)延伸穿过所述两个或多个催化床而无连续性中断。另一方面，该公用热交换器的壳侧被划分成两个或多个部分，例如与上述的第一空间和第二空间对应。
在一些实施方式中，该转换器可以包括多个热交换器，包括一个或多个根据本发明的公用热交换器、以及一个或多个常规的热交换器。各个热交换器的冷却介质侧(例如，管侧)以这样的方式连接，从而该冷却介质从一个热交换器流经到另一个热交换器中。
由于供两个或多个催化床使用的公用热交换器，故本发明的显著优点是更为简单且成本较低的设计。具体地，消除了至少两个管板。管板为成本的主要来源。管板制造成本高，且需要很多工作来将每一管焊接到管板。如果执行不当，管板的连接还可能为泄漏源。因此，消除一些管板是实质性的优势。在实践中，本发明提供了转换器设计的巨大简化，同时保持了内床冷却的特征。其结果是具有数个催化床的配置可以变得更吸引人，例如本发明考虑了具有四个或五个催化床的具竞争力的设计。
一个特别优选的实施方式(尤其用于氨转换器)具有以下特征：四个叠加的催化床；顶部内床交换器，其装配在第一环形床的中央通道中，且布置成冷却离开所述第一床的热流；底部内床交换器，其在第二床和第三床之间公用。
本发明的一个方面为根据多项权利要求的在结构上独立的催化箱。该箱还可以用于通过用根据本发明得以实现的新的催化箱替代旧的催化箱来改进现有的转换器。
本发明的这些优点和其他优点可以借助对优选且非限制性的实施方式的以下描述来阐明。
附图说明
图1为根据本发明的一个实施方式实现的全开口的催化反应器的简化的截面图，该催化反应器具有四个催化床和用于第二床和第三床的公用的热交换器；
图2为图1的转换器在第二催化床和第三催化床之间的区域中的截面示意图；
图3为图1的转换器在第二催化床和第三催化床之间的一些组件的透视图；
图4为根据本发明的另一个实施方式实现的部分开口的催化反应器的简化的截面图。
具体实施方式
图1披露了转换器1，例如氨转换器或甲醇转换器，所述转换器1包括压力容器V和催化箱2。所述箱2配备有用附图标记3.1至3.4表示的四个催化床。箱2包括用于每一催化床的具有侧壁和底壁的合适的筐，其根据已知技术而无需在此描述。催化床串联布置，即，离开催化床的流出物可能在与淬火气体(quenching gas)混合以后流经到下一催化床，以进行进一步反应。
每一个床配置为环形圆柱状，并且具有中央轴通道；壳管式热交换器布置在至少一些催化床的中央通道中，以对从一个催化床释放到另一个催化床的气体产物提供内床冷却。
更为详尽地，参考图1，转换器1包括第一热交换器4和第二热交换器5，第一热交换器4布置在顶部催化床3.1内侧。第二热交换器5可操作地共享在催化床3.2和催化床3.3之间，且由此也被称为公用热交换器。
交换器4和交换器5操作在壳侧中流动的热产物流和在管侧中(即，管内侧)流动的冷却介质。所述冷却介质可以为单独的回路中的流体(例如水或蒸汽)，或可以由新鲜反应剂表示。在显示的实施方式中，例如，被许可进入转换器1的新鲜反应剂或该新鲜反应剂的至少一部分在它们进入第一床3.1进行第一阶段的转化之前在第二交换器5的内侧流动，之后在第一交换器4的管内侧中流动。
公用热交换器5包括轴向延伸且无连续性中断的穿过连续的催化床3.2和催化床3.3的管束6。所述管束6的相对两端固定至上管板7和下管板8。合适的装置(例如，挡板)防止了管的振动。
所述公用热交换器5的壳侧被包括圆柱形的第一壁9和圆柱形的第二壁10的壁系统限制(图2-图3)。第一壁9围绕上床3.2内侧的管束6的上部，并且第二壁10围绕下床3.3内侧的管束6的下部。
所述第二壁10在轴向上与第一壁9间隔，以在围绕管束6的壁系统中留有间隙11。结果，公用热交换器5的壳侧大体上被划分成第一部分和第二部分，即，由第一壁9限定的空间12和由第一壁10限定的空间13。
所述两个空间12、13未流体联通，而被布置在间隙11的区域中的密封件14分开。因此，离开第一空间12的气体进入在床3.2的底盖下方的大体上环形的腔室28中，且该气体从这里导向到随后的催化床3.3。换句话说，密封件14防止了催化床3.3的不必要的旁通。
在该实例中，所述密封件14包括内环15和外环16，在二者之间有密封部，优选地为曲径密封垫片17(图3)。更优选地，所述内环15固定至管束6，且所述外环16在结构上独立于管束6。在优选的实施方式中，所述内环15固定(例如，焊接)至管束6的隔膜18，而外环16由催化床的一个收集器支撑，例如催化床3.3的内收集器26。
在从一个床流经到另一床的同时，部分反应的气体流可以(可选择地)与淬火气体混合。为此目的，附图示出了用于输送环形腔室28中的淬火气体的分配器20，例如，环面型分配器。经由穿过上床3.2的管21向所述分配器20供给。
催化床包含在侧壁中，所述侧壁至少部分为多孔的，并允许气体的流过。参考图2和图3，床3.2具有侧壁22、侧壁23和底壁24；床3.3以同样的方式具有侧壁25、侧壁26和底壁27。如上所提到的，内壁26可以作为用于密封件14的外环16的支撑件。在更优选的实施方式中，每一催化床的外收集器和内收集器可以包括根据EP 1818094和EP 2014356中披露的“开槽壁”概念的双壁系统。
优选地，催化床中的流动为轴向或轴径向的流动。
转换器1工作方式如下。反应气体的新鲜充量或反应气体的至少主要部分进入转换器1且流动到公用热交换器5的管束6的内侧，之后流动到顶部热交换器4的管的内侧，直到其到达转换器的顶部。例如，在氨转换器中，所述反应气体为氮和氢的混合物。当在管中流动时，该新鲜充量由在交换器的壳侧中流动的冷却热产物释放的热量加热。
在转换器的顶部，预热气体可能与同样充量的未预热部分(冷注入(cold shot))混合，以调节床入口温度，且进入第一床3.1。在第一床3.1中的第一阶段的转化以后，部分反应的热气体被导入第一交换器4的壳侧中，以进行冷却阶段，在此它们向管内侧的新鲜充量释放热量；如此获得的冷却的产物气体流流经到第二床3.2中，以进行第二阶段的反应。
离开所述第二床3.2的进一步反应的气体流在空间12中(即在公用热交换器5的壳侧的第一部分中)冷却，且对在管6中流动的反应剂释放热量。在空间12中的所述流经之后，气体流流动穿过两个床3.2和3.3之间的环形区域28中的间隙11，且从这里进入到第三床3.3。可以注意的是，密封件14避免了气体直接从空间12到达空间13，这可以引起床3.3的旁通。
在所述床3.3中的第三阶段的反应之后，气体进入空间13，以在进入最后一床3.4之前进行另一冷却阶段，空间13为交换器5的壳侧的第二部分13。
可以理解的是，公用热交换器5由于壳侧的划分因此可以执行与两个分开的现有热交换器的同样的任务。然而，公用管板消除了两个管板的需要。事实上，具有两个分开的热交换器的常规设计可能需要四个管板，而非两个管板7、8。
包括催化床、热交换器以及辅助设备(诸如管道、连接件等)的催化箱2可以实现为单独的物件，其具有用于输入和输出的必要的连接。
根据本发明的箱可以装配在预先存在的转换器的压力容器中，假如该压力容器具有如图1所述的全开口，即，具有转换器本身的同样(全)直径的开口。因此，本发明的一个方面为具有全开口的催化转换器的改进，该改进包括移除现存的内部部分(包括催化床和热交换器)的步骤和在容器(例如，在图1中的容器V)引入根据本发明的预组装的箱。
然而，本发明不限于全开口的转换器。图4显示了将本发明应用至部分开口的转换器1A。为了简化，采用了与图1同样的附图标记，转换器1A具有四个催化床3A.1至3A.4以及在顶部的三个催化床之间公用的管状热交换器5A。合适的密封件(例如，根据如上所述的密封件14)分别防止了催化床3A.2和催化床3A.3的旁通。

Claims (13)

1.一种多床催化转换器(1)，包括压力容器、配置有圆柱环形筒和轴向中心通道的多个叠加的催化床(3.1-3.4)、以及用于对至少两个所述催化床之间的气体流进行内床冷却的装置(4，5)，其特征在于，用于内床冷却的所述装置包括热交换器(5)，所述热交换器(5)包括：
-热交换本体(6)，其轴向地延伸且无连续性中断地穿过至少两个连续的催化床(3.2，3.3)的所述轴向中心通道，以及
-壁系统(9，10)，其也布置在所述轴向中心通道中，并且围绕所述热交换本体，以限定所述热交换器的壳侧的边界，
并且其中所述壁系统以如此方式构造：
-所述热交换器(5)的所述壳侧至少包括第一空间(12)和第二空间(13)，以及
-所述第一空间(12)具有气体入口和气体出口，所述气体入口与所述连续的催化床的第一催化床(3.2)的出口连通，以接收离开所述第一催化床(3.2)的热气体，并且所述气体出口与所述连续的催化床的第二催化床(3.3)的入口连通，使得离开所述第一空间(12)的内冷却气体能够进入所述第二催化床(3.3)以进行进一步转化，且所述第二空间(13)具有与所述第二催化床(3.3)的出口连通的气体入口，
其中所述转换器还包括密封件(14)以避免气体直接从所述第一空间(12)到达所述第二空间(13)，并且
其中所述密封件(14)包括第一弹性环构件(15)和第二弹性环构件(16)、以及在两个所述弹性环构件之间的密封部(17)。
2.根据权利要求1所述的转换器，所述第一空间(12)的所述气体出口经由位于所述至少两个连续的催化床之间的腔室(28)与所述第二催化床(3.3)的所述入口连通。
3.根据权利要求1所述的多床催化转换器，所述壁系统包括第一圆柱形壁(9)和第二圆柱形壁(10)，所述第一圆柱形壁围绕所述热交换本体(6)的上部，而所述第二圆柱形壁围绕所述热交换本体的下部，并且其中所述第二圆柱形壁(10)与所述第一圆柱形壁(9)间隔，使得所述第一圆柱形壁和所述第二圆柱形壁形成具有间隙(11)的壳。
4.根据权利要求3所述的转换器，所述第一圆柱形壁(9)位于所述第一催化床(3.2)的轴向中心通道中，并且所述第二圆柱形壁(10)位于所述第二催化床(3.3)的轴向中心通道中，且所述间隙(11)位于所述第一催化床和所述第二催化床之间。
5.根据权利要求1所述的转换器，所述密封部(17)为曲径密封垫片。
6.根据权利要求1或5所述的转换器，所述第一弹性环构件(15)固定至所述热交换本体(6)，且所述第二弹性环构件(16)固定至所述连续的催化床中的一者的壁(19)。
7.根据权利要求1所述的转换器，所述热交换本体(6)为管束。
8.根据权利要求1所述的转换器，还包括淬火线(20)，所述淬火线(20)布置成供给淬火气体，以与离开所述热交换器的所述壳侧的所述第一空间(12)的部分反应气体流混合。
9.根据权利要求1所述的转换器(1A)，所述热交换器(5A)延伸穿过两个以上连续的催化床。
10.根据权利要求1所述的转换器，包括结构上独立的催化箱(2)，并且所述催化床(3.1-3.4)和用于内床冷却的装置(4，5)为所述催化箱的一部分。
11.根据权利要求1所述的转换器，包括：
-四个叠加的催化床(3.1-3.4)，
-顶部内床交换器(4)，其装配在环形的所述第一催化床(3.1)的轴向中心通道中，并且布置成冷却离开所述第一催化床的热流，以及
-底部内床交换器(5)，其具有在所述第二催化床(3.2)和所述第三催化床(3.3)之间公用的热交换本体(6)。
12.根据权利要求1所述的转换器，所述转换器用于氨的合成或用于甲醇的合成。
13.一种用在多床催化转换器(1)中的催化箱(2)，所述催化箱(2)包括：配置有圆柱环形筒和轴向中心通道的多个叠加的催化床(3.1-3.4)、以及用于对至少两个所述催化床之间的气体流进行内床冷却的装置(4，5)，其特征在于，用于内床冷却的所述装置包括热交换器(5)，所述热交换器(5)包括：
-热交换本体(6)，其轴向地延伸且无连续性中断地穿过至少两个连续的催化床(3.2，3.3)的所述轴向中心通道，以及
-壁系统(9，10)，其也布置在所述轴向中心通道中，并且围绕所述热交换本体，以限定所述热交换器的壳侧的边界，
并且其中所述壁系统以如此方式构造：
-所述热交换器(5)的所述壳侧至少包括第一空间(12)和第二空间(13)，以及
-所述第一空间(12)具有气体入口和气体出口，所述气体入口与所述连续的催化床的第一催化床(3.2)的出口连通，以接收离开所述第一催化床(3.2)的热气体，并且所述气体出口与所述连续的催化床的第二催化床(3.3)的入口连通，使得离开所述第一空间(12)的内冷却气体能够进入所述第二催化床(3.3)以进行进一步转化，且所述第二空间(13)具有与所述第二催化床(3.3)的出口连通的气体入口，
其中所述转换器还包括密封件(14)以避免气体直接从所述第一空间(12)到达所述第二空间(13)，并且
其中所述密封件(14)包括第一弹性环构件(15)和第二弹性环构件(16)、以及在两个所述弹性环构件之间的密封部(17)。
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