CN107407528B - 具有可自动焊接的收集器的化学反应器的板式交换器 - Google Patents

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Abstract

用于等温化学反应器的内部的板式热交换器，所述板式热交换器包括多个具有基本矩形形状的热交换板(1)，其中，每个板包括沿着它们的周向连接在一起的两个壁(2，3)，并且每个板包括相应的用于将热交换介质供给至板的第一收集器和相应的用于从板接收所述介质的第二收集器，所述第一收集器和所述第二收集器被固定至所述板的相对侧，并且，所述第一收集器和所述第二收集器中的至少一个收集器(10，30)包括边缘表面，所述边缘表面是平坦的并且平行于所述板的相应的平坦的端部(12，13)，以提供用于自动焊接的平面的且平行的表面。

Description

具有可自动焊接的收集器的化学反应器的板式交换器
技术领域
本发明涉及用于化学反应器的内部的热交换器。更详细地，本发明涉及实现用于所述交换器的板式热交换元件。
背景技术
含有浸入催化床的热交换器的化学反应器是已知的。所述热交换器允许控制催化床的温度以及控制通过该床的试剂的气流和产品的气流，以将温度保持在预定的范围内。因此，这种反应器也被称为等温反应器。等温化学反应器例如用于甲醇的合成和氨的合成。
特别地，等温反应器是已知的，其中，热交换器包括由板形成的热交换元件，冷却介质或加热介质从内部穿过该板。所述板可以彼此平行，或者更经常地，它们围绕反应器的轴线径向布置。根据这些实施方式的包括热交换器的反应器也简称为板式等温反应器。例如，EP 1 153 653中描述了这种反应器。
每个板基本上由两个平坦且平行的片材形成，该片材间隔开并且沿着周边焊接，以便为热交换流体限定一个或多个通道。已知的结构设计还提供了在表面的选定点处将板焊接在一起，以便限定通道和/或控制内部流体的循环。
已证明板式化学反应器优于常规的管式反应器。然而，板的构造是昂贵的，并且产生许多尚未完全解决的技术问题。出现与耐压性、必要的供给收集器的结构以及减小尺寸的需要有关的最大的技术挑战。
耐压性的问题特别地存在于反应器中，其中，与在外部经过板的流体相比，在板的内部循环的流体是不同的，和/或在板的内部循环的流体具有不同的物理条件(特别是压力)。必须设计成承受内部和外部之间的显著压差(例如10巴的差或更大的差)的板，称为“高压板”。相反，经受几巴的较小的压差的板称为“低压板”。在低压板中，在板的内部循环的流体通常是在外部循环的相同的流体(通常是气体)。
可以在这样的反应器中找到低压板的示例：其中，热气体与新制混合物交换热量，这导致气体的冷却和混合物的预热，在这种情况下，两者均为气态的蒸汽具有基本上相同的压力，头部损失除外。例如，在甲醇反应器中需要高压板，其中，板的外部在高压下(通常约为100巴)与合成气体接触，而在基本上较低的压力下(例如约为30巴)蒸发的水在板的内部循环。两个回路中的一者可以在瞬态条件下或者在发生故障的情况下减压。例如，两个回路中的一者可以处于工作压力，而另一个回路处于环境压力。因此，板可以仅经受内部压力(例如30巴)，或者仅经受外部压力(例如在70巴和100巴之间)。以上导致板必须能够承受的相当大的应力。
用于向每个板供给热交换流体以及从每个板接收热交换流体的收集器构成另一个技术问题。每个板需要用于供给流体的第一收集器(分配器)，以及用于在流体通过板本身后接收流体的第二收集器。所述两个收集器通常焊接至板的两个相对侧。
必须考虑的是板具有基本上细长的矩形形状，其在反应器轴线的方向上具有最大侧边。例如，在具有径向布置的板的立式反应器中(该立式反应器代表最常见的应用)，板具有两个竖向(轴向)的长边和两个径向的较短边。根据具体设计，热交换流体可以在板内部轴向循环或径向循环。在轴向流动的板中，收集器焊接至较短的边，然而，在径向流动的板中，收集器焊接至较长的边。
上面定义的高压板通常被供应有轴向流动，因此收集器布置在较短的边上。在另一方面，低压板通常被径向设置，因此使收集器沿着较长的边布置。
在常规技术中，在高压板的情况下，由于机械阻力，使用手动TIG焊接方法，由沿着板的两侧焊接的具有圆形横截面的管形成所述两个收集器。然而，这种方法是缓慢且昂贵的，并且需要熟练的工人以避免在操作期间可能导致泄露的缺陷焊接。事实上，必须沿着管的准线在曲面上执行焊接，这具有好的穿透力，但不会妨碍板内部的通路。此外，由于高的热量水平，这种类型的焊接引起相当大的变形。具有焊接至较长的边的收集器的径向板需要相当长的焊接点，这导致非常昂贵的工作。
任何焊接缺陷都可能导致反应器的板侧和壳体侧之间的密封泄露的问题，这必须绝对地被避免，因为这将导致反应器的停止，以修复泄露或排除有关的交换器零件。
因此，存在使用自动焊接方法(例如，激光)的动机，自动焊接方法具有降低劳动成本和确保均匀质量的优点。然而，所述方法基本上仅可应用于平面且平行的表面，并且因此不能有效地与常规的圆柱形管式收集器一起使用。
EP 2 283 919描述了一种用于等温反应器的交换器，该交换器具有设置有可自动焊接的收集器的板，其中，收集器施加于板的一个面上，并且可适当地成型为具有平行于所述面的边缘部(例如Ω-形)，以允许自动焊接。
该解决方案允许自动焊接，但导致了收集器的非对称布置。因此，其主要适用于低压板。如果板经受高的压力差，则收集器的非对称布置可能导致变形和应力。此外，流体的供给和流体的接收不会沿着板的边缘精确地发生，并且可能形成挖槽，这是不期望的，尤其是内部流体是水或蒸汽时。
在交换器具有径向布置的板的情况下，尺寸的问题是特别有问题的，因为板在轴线附近汇聚，并且在一个板与另一个板之间几乎没有可用空间；因此，期望的是，尽可能地减小收集器的尺寸。另外，更一般地说，化学反应器内部的可用空间是有限的。
为了解决尺寸的问题，已经提出了具有可变的直径的收集器，然而，其制造成本更高。
另外的待解决的问题在于流体的分配以及需要合适的流动横截面(开口)。经由连接至收集器的管进入板和从板离开。收集器的功能是在轴向板的情况下沿着整个宽度分配流体或收集流体，或者在径向板的情况下沿着整个长度分配流体或收集流体。这需要与供给板的管的横截面相当的合适的流动横截面。然而，大的流动横截面可能弱化板。
本发明的目的是进一步改进用于构建用于化学反应器的内部的板式交换器的技术，以及特别是改进用于构建用于供给流体和/或接收流体的相应的收集器的技术，以满足这些要求并克服这些问题。
WO 2012/059889公开了一种用于热交换器的管，该热交换器包括设置有多个平行的流动端口的板。
发明内容
本发明的目的通过用于等温化学反应器的内部的板式热交换器来实现，所述板式热交换器包括多个热交换元件，热交换元件为板的形式，每个板具有基本上矩形的形状，其中，每个板包括两个壁，所述两个壁沿它们的周边连接在一起并间隔开，以形成用于热交换介质的内部通路，并且其中，每个板包括相应的第一收集器和相应的第二收集器，所述第一收集器用于将所述介质供给至所述板的所述通路，所述第二收集器用于从所述通路接收所述介质，所述第一收集器和所述第二收集器被固定至所述板的相对侧，其特征在于，
每个板的所述第一收集器和所述第二收集器中的至少一个收集器沿着板边缘延伸且包括边缘表面，所述边缘表面是平坦的并且平行于所述板的相应的平坦的端部，以这样的方式提供平行的且平面的配合表面以用于将所述至少一个收集器焊接至所述板。
优选地，所述板使用夹层设计压制或制造。这些执行技术允许获得如所期望的平坦的端部。根据不同实施方式，所述内部通路可以包括一个或多个通道。
所述平行的且平面的配合表面分别属于收集器和热交换板，并且适于执行自动焊接。
所述至少一个收集器可以是供给收集器或接收收集器。优选地，供给收集器和接收收集器均包括上面限定的边缘表面。因此，可以通过自动焊接来固定两个收集器。
在一些实施方式中，所述至少一个收集器夹紧在所述热交换板的两个壁之间。
在一个优选的实施方式中，所述收集器成型为夹具，更优选地，所述收集器具有C-形横截面。在一个优选的实施方式中，C-形的收集器具有两个凸缘，该两个凸缘与板壁的端部平行重叠，从而形成用于将收集器和板连接在一起的两个区域，收集器和板可以自动焊接(例如通过激光焊接)。
所述至少一个收集器连接至供给管或接收管。本发明的另一方面包括具有从所述供给管或接收管减小的横截面的收集器。所述横截面沿着远离所述管的方向(朝向所述板的相对端)减小。为了保持板尽可能地窄，通过增加高度有利地获得收集器的横截面的增大。
优选地，具有减小的横截面的收集器具有三角形形状或梯形形状。所述结构形式提供适于在收集器的任一点处的流速的横截面；事实上，全部流通过管附近，而在相对端，流趋于零。
根据本发明的另外的实施方式，所述至少一个收集器具有夹层式结构，所述夹层式结构包括平行于热交换板的壁的两个壁。
在一个优选的实施方式中，收集器的其中一个壁由板的一个壁的一部分形成，该板的一个壁的一部分延伸超过所述板的周向边缘。在一些实施方式中，间隔插入件或增强插入件例如以条或盘的形式设置在板的两个壁之间。
板的壁和收集器的壁的优选材料是金属，更优选地是钢。通常，壁由厚度约为1mm至3mm的钢片材组成。
本发明的第一个优点通过收集器的布置而给出，其减小了总体积并且允许具有较低成本、可重复性和均匀质量的好处的自动焊接。本发明还适于生产高压收集器和高压板，即其能够承受外部和内部之间的显著压差(例如为10巴或更大)。通过分别属于收集器和热交换板的成对的平行的且平面的配合表面可以实现自动焊接。
收集器的夹层设计是本发明的另一创新方面，并且收集器的夹层设计允许实现这样的收集器：该收集器可仅在一侧自动焊接并且具有适于高压的结构。
借助详细的描述，这些优点和其它优点将更加清晰地显现。
附图说明
图1是包含热交换器的等温化学反应器的示意性横截面；
图2是根据本发明的实施方式的热交换板和连接的收集器的一部分的视图；
图3是根据图2的板和收集器的横截面视图；
图4示出根据另一实施方式的具有夹层设计的板；
图5示出根据图4的收集器和部分板的主视图，该收集器和部分板具有内部增强条；
图6示出图5的实施方式的变型，其中用增强盘代替增强条；
图7和图8是具有夹层设计的板的两个另外的实施方式的横截面视图。
具体实施方式
图1示出了用于化学反应器的热交换器100的示意性横截面。热交换器100浸入在催化床102中，并且包括热交换板1，在示例中，该热交换板1围绕中心轴线在方向r上径向布置。该热交换器具有环形结构。
图1涉及径流反应器或轴-径流反应器，其中，催化床和热交换器通过两个圆柱形壁103和104限定。在轴流反应器中，外壁是反应器的容器，而内壁是通常具有检修孔功能的中心管。
图2和图3示出了本发明的第一实施方式，其中，热交换板1基本上由第一壁2和第二壁3形成；第二壁3使用本身已知的构造方法沿着周边且在对应于焊接“点”4的分离点处焊接至壁2。
壁2、壁3由金属片材形成，优选奥氏体钢或双相钢。
热交换流体(诸如水、蒸汽、水/蒸汽混合物或气体)通过板1的内部5，该热交换流体由焊接至板本身的两侧的收集器供应和接收。图2和图3示出了收集器10。
板1还可以包括位于壁2和壁3之间的且布置在收集器10的区域内的一系列隔离件6。
在图2至图3的实施方式中，收集器10具有大致C-型的横截面，该大致C-型的横截面夹紧板1的周边边缘。更具体地，该C-型的收集器10具有平行于壁2(金属片材)和壁3(金属片材)的端部12和端部13延伸的两个壁11。
因此，可以获得用于自动焊接的平行表面和平面(即金属片材2和金属片材3的端部12和端部13，以及收集器10的壁11的尖端)。
在图3中由箭头W示出的焊接部设置在壁11的所述平面和端部12、端部13之间，并且，由于平行表面和平面，可以例如使用激光技术自动形成焊接部。
如下操作收集器10(例如参考供给收集器)：流体被供应至限定在收集器10和板1之间的腔室14中，并且，流体流过板1的内部5，如果必要的话，流体通过间隔件6之间的孔口。在另一方面，当收集器10是接收收集器时，流体从板的内部5流至收集器的腔室14。
收集器具有通常大于通过板体的横截面的横截面。为了确保合适的强度，收集器优选由比板的金属片材更厚的金属片材制成。参考图2至图3，由于收集器从外部夹持板体，故C-型收集器10的两个片材之间的距离大于板的片材之间的距离。
在一些实施方式中，必要的流动横截面需要孔口，这使得收集器不够强固，尽管收集器本身的厚度合理地增加。为了解决这个问题，可以提供增强件，例如中间间隔条或间隔盘或增强焊点。
图4-图6示出了收集器30的实施方式，该收集器30在主视图中具有三角形形状。该三角形收集器30具有靠近供给管35或接收管35的最大高度。因此，可用于收集器30内部的流的横截面在远离所述管35的方向上减小。
更详细地，图4和图5示出具有夹层结构的收集器30，其基本上由两个壁31、32形成。优选地，所述两个壁31和31平行于板1的壁2、壁3。在一些实施方式中，壁31、壁32中的一者可以由板的壁2、壁3中的一者的一部分形成。
有利地，收集器30还包括一系列中间间隔件(例如间隔条)33，以限定用于流体的通道34以及用于间隔壁31、壁32。优选地，所述间隔件33具有完整的横截面(例如正方形或矩形)，以提供合适的耐压性。
图4中的箭头示出了流体通过的流动路径，例如，从供给管35流入通道34内，然后流体在板1的内部(壁2和壁3之间)流动。
所述夹层设计对于径向板是尤其有利的。图4-图6还示出了径向方向r，该径向方向r从轴线朝向热交换器的外部定向。所述径向方向r也在图1中示出。
收集器30具有梯形形状或三角形形状，收集器的高度沿着远离供给管的径向方向(通常位于外周上)减小，并且因此朝向反应器的轴线减小。管35位于与轴线相对的最大高度的区域中。以这种方式，靠近轴线的区域是最小高度的区域，并且流动横截面远离所述管35(朝向板所收汇聚的轴线)减小，从而适应最靠近管35的流速并且在板的内端15(图5)处减小。
图6示出了一个实施方式，其中，板通过凸片33’增强，该凸片33’执行类似于条33的功能。
图7和图8示出根据本发明的具有夹层收集器的热交换板的另外两个实施方式。
在图7中，收集器30的壁31与板1的壁2重合，板1的壁2延伸超出了板边缘区域7，进而形成夹层收集器30的底部。盖子32被施加至壁2的端部12和壁3的端部13上，以形成收集器30的相对的壁。
收集器30通过一系列的焊接部36封闭，焊接部36将盖子32连接至壁2和壁3的上述端部以及将盖子32连接至间隔件33(如果设置的话)的顶部，以形成中间固定点。
应当注意，可以从同一侧(例如从顶部)形成所述焊接部36。仅从一侧操作对于制造过程而言是优点，因为这避免了工件在自动焊接机上的翻转和重新定位，从而降低了生产成本。
可以通过片材31的外表面(在图中为底部表面)手动地或自动地形成位于间隔件33的底部处的焊接部37和位于间隔件6的底部处的焊接部37。然而，由于本发明允许自动地且在同一侧形成焊接部36(该焊接部36是最昂贵的，并且主要负责收集器/板组件的泄露-密封)，所以本发明是有利的。
优选地，板与收集器公用的壁2具有大于壁3的厚度的厚度。
根据图8的变型(类似于图7)在两侧设置焊接部，然而，这具有自动形成所有焊接部(包括固定间隔件33的焊接部)的优点。
图8涉及一个优选的实施方式，其中，收集器还包括L-形的间隔件38，该间隔件38补偿收集器的盖子32和板1的顶壁3之间的不同高度，并且允许简化盖子32的形式，盖子32可以例如使用平坦的金属片材制成。也可以自动形成间隔条33(或凸片33’)的焊接部。
从图7和图8还可以理解，夹层收集器结构是如何适于抵抗高压的，这是由于间隔件33(或凸片33’)，其增强了结构并且减小了片材的相邻的支撑点之间的孔口。

Claims (11)

1.一种用于等温化学反应器的内部的板式热交换器，所述板式热交换器包括多个热交换元件，所述热交换元件为板(1)的形式，每个板具有基本上矩形的形状，其中，每个板包括两个壁(2，3)，所述两个壁(2，3)沿它们的周边连接在一起并间隔开，以形成用于热交换介质的内部通路(5)，并且其中，每个板包括相应的第一收集器和相应的第二收集器，所述第一收集器用于将所述介质供给至所述通路，所述第二收集器用于从所述通路接收所述介质，所述第一收集器和所述第二收集器被固定至所述板的相对侧，
其特征在于，
每个板的所述第一收集器和所述第二收集器中的至少一个收集器(10，30)沿着板边缘延伸并且包括边缘表面，所述边缘表面是平坦的并且平行于所述板的相应的平坦的端部(12，13)，以这样的方式，所述至少一个收集器的所述边缘表面和所述板的所述端部形成通过自动焊接而焊接在一起的平行的且平面的配合表面。
2.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述至少一个收集器(10)是夹具的形式。
3.根据权利要求2所述的热交换器，其中，所述收集器(10)是包括两个凸缘(11)的C-形收集器，所述两个凸缘(11)与所述板的所述端部(12，13)平行重叠。
4.根据权利要求1所述的热交换器，所述至少一个收集器(30)连接至供给管或接收管(35)，并且具有在离开所述管(35)的方向上减小的横截面。
5.根据权利要求4所述的热交换器，其中，所述至少一个收集器(30)具有梯形形状或者三角形形状，所述梯形形状或者三角形形状在所述管附近具有最大高度的区域，并且，高度在离开所述管的方向上减小。
6.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述至少一个收集器(30)具有夹层状结构，所述夹层状结构包括被夹在一起的两个壁(31，32)，所述壁(31，32)具有平行于所述板的所述端部(12，13)的焊接端部。
7.根据权利要求6所述的热交换器，其中，所述至少一个收集器(30)的所述两个壁(31，32)中的第一壁(31)由所述板(1)的壁(2)的延伸超出所述板的周向边缘(7)的部分形成。
8.根据权利要求7所述的热交换器，包括盖子，所述盖子施加于所述板上且形成所述夹层收集器的剩余的第二壁(32)。
9.根据权利要求8所述的热交换器，包括焊接部(36)，所述焊接部(36)封闭夹层式板的所述盖子，并且，在由板和收集器形成的组件的同一侧形成所述焊接部(36)。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的热交换器，其中，所述收集器(30)包括位于相应的两个壁之间的多个增强和间隔的插入件(33，33’)。
11.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述板(1)具有压制的板主体或夹层式的板主体。
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