CN107921396A - 管式等温催化反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于化学反应的竖直式反应器(1)，包括浸入催化床(5)中的管式热交换器(6)，其中该管式交换器(6)包括多个直形管束(6.1、6.2)，所述多个直形管束具有用于馈送热交换流体的相应的管板(9.1、9.2)和用于收集热交换流体的相应的管板(10.1、10.2)，并且其中所述管束和所述相应的管板竖向错开，以允许进入壳体侧部。

Description

管式等温催化反应器
技术领域
本发明涉及包含催化床和浸入该床中的管式热交换器的化学反应器。这样的反应器也被称作管式等温反应器并且用于例如甲醇的合成。
背景技术
上述类型的反应器主要包括外部壳体、适合的转鼓，转鼓包含催化床、管束以及分别用于U形管或直形管的一个或两个管板。在径向流或轴向-径向流的实施方式中，催化床具有基本上由两个同轴的圆筒形壁--称作内收集器和外收集器--限定出的环状结构；因此，管束也具有环状结构。
管被馈送有热交换流体、例如水或蒸汽，热交换流体从床中释放或移走热量，从而允许控制床本身的温度。因此，反应器也被定义为等温的。例如，在用于甲醇合成的反应器中，化学反应是放热的，通常是沸水穿过管束。
基本上，反应器具有含有催化剂的壳体侧部，试剂和通常为气态的反应产物通过壳体侧部，并且上述热交换流体穿过管侧部(位于管内)。应当注意，催化剂随时间经过而耗尽，必须定期将其卸载以使其再生或用新鲜催化剂接替，这需要进入反应器的壳体侧部。
已知在这种类型的反应器中管板是昂贵的部件。上述板呈外径基本上等于反应器的直径的圆盘或环的形式，其具有相当大的厚度以承受压力，因此需要大量优质材料(合金钢)。另外，常规的管板使得难以进入反应器的壳体侧部以装载和卸载催化剂，这导致了这些操作费时且费成本。
为了消除上述昂贵的部件，已经提出了管式等温反应器，其中管板被用作流体分配器的第一本体和用作收集器的第二本体取代，管的端部被焊接到上述第一本体和第二本体。上述本体具有例如环形、球形、圆筒形或椭圆形的形状，并且小于装置的横截面，以允许催化剂的装载和卸载。
如此实现的分配器和收集器相比于管板更轻且花费更少，然而它们具有一系列的缺陷。
第一个缺陷在于在管束的中央部分中规律地且均匀地间隔开(例如正方形或三角形构型)的多个管必须布置成在分配器本体和收集器本体附近彼此靠近，从而导致每个单个管在其端部处都具有一个或多个弯曲部；根据管在反应器内部的径向位置，这些弯曲部都是彼此不同的。从结构设计的观点来看，这一特征带来了许多问题，并且需要特殊的折弯机来获得精确且可重复的几何形状。
另一问题在于管在上述本体上的接合发生在垂直于上述本体的表面的方向上，该方向通常不与管的轴线一致。为了在装置的装配期间将管安装在可用的有限空间内，因此有必要至少在每个管的一个端部处提供成形端部和直形部件之间的中间接合部。这增加了成本并且产生了可能的泄漏点。
因这些中间接合部之一的焊接缺陷导致的泄漏将很难被检测到，并且由于大量的管彼此靠近而不能被修复。基本上唯一的解决方案是将损坏的管密封起来。
如上所述，分配器本体和收集器本体小于装置的横截面以允许催化剂在催化剂装载/卸载期间的流入/流出。然而，管在所述本体周围的更紧密的布置构成了催化剂流出的障碍，并且部分地抵消了所取得的优势。此外，多个管的端部--路径、高度和长度都不相同--阻碍了热交换流体在管侧部上的正确分布，从而引起不均匀的水头损失；因此管内的流动可能不均匀，并且管束中的一些管可能具有降低的供冷能力或供热能力。所有这些都构成了该过程的缺陷。
当管偏离直且平行的构型时，由于存在弯曲的端部，不可避免地形成这样的区带，即，在其中，管布置成彼此更加靠近或管相对于设计布局间隔开；这些区带是不希望得到的非标准特征，其对热交换贡献较差。出于这个原因，上述管的端部--虽然其在装置内纵向延伸--在确定热交换表面时未被考虑在内，并且因此对装置的填充系数、即其内部容积的有益利用产生不利影响。
这些缺陷可能显著地减少使用前述收集器和分配器取代管板所取得的成本节省。
为了解决(被管板阻碍的)进入壳体侧部的问题，也已经提出了减小上述板的尺寸，即、例如使用横截面大体小于床的板。然而，这一解决方案也需要将管弯曲以使其聚集到板截面上，这带来了附加的缺陷，即，与上述情况相比，其每个端部甚至需要双重弯曲部。除了上面已经提到的成本方面以外，应当注意，管之间的最小距离呈现于管板的区域中，这意味着需要使用沿着反应器彼此相对地间隔开的一束管，并因此不能获得具有被非常密集地占用的交换表面的装置。
基本上，现有技术尚未提供用于提供低成本管式等温反应器的方便的解决方案。
EP 2 246 109公开了一种具有管簇的同心排的管式等温化学反应器。
发明内容
本发明解决了下述问题：如何以相对于常规技术更低的成本提供管式等温反应器，同时实现高度的可靠性，避免了额外的管接合焊接部，并且当更换催化床时还使得易于在催化剂的装载和卸载期间进入。
该目的通过根据所附的权利要求1的反应器来实现。优选的特性化特征在从属权利要求中限定。
本发明计划提供一种包含多个直形管束的反应器，其中每个管束均具有用于馈送在管中循环的热交换流体的相应的管板和用于收集该热交换流体的相应的管板，并且其中管束和相应的板中至少一些布置在不同的高度处，因而竖向错开。
反应器包括布置在反应器内部第一高度处的第一组管束和布置在反应器内部第二高度处的第二组管束，第一组管束和第二组管束交替布置，使得每个管束均与相邻的管束错开。因此相邻的管板也竖向错开。
不同高度的板、即这些板的竖向错开的布置，在相邻板之间留出自由空间，这又限定了用于进入交换器的壳体侧部的部段。这些部段可以用于装载新鲜的催化剂以及用于卸载废催化剂。
有利地，由于通过竖向偏差保证了用于进入壳体侧部和用于催化剂通过的空间，管板覆盖催化床的整个横截面。根据床的构型，管板成形为呈圆扇形或环状扇形的形式。
上述圆扇形或环状扇形中的每一者均大体上沿着上述催化床的整个径向延伸部延伸。换句话说，管板的每个扇形均具有与催化床相同或大体相同的径向延伸部，因此，在径向方向上只有一个扇形。例如，管板的每个扇形均大体上从催化床的内收集器延伸到催化床的外收集器。
优选地，管束彼此相同，并且特别地管束的所有管都是直形且平行的并具有相同的长度。
本发明主要提出使用模块化管束进行热交换。本发明没有使用具有占据床的整个横截面的单片管板的单束(如现有技术中那样)，而是使用具有相应的尺寸较小的板的多个管束，这些板例如形成为扇形或“花瓣形”，并且本发明采用使管束和管板竖向错开的方法，以留出用于催化剂流出的足够的空间。
本发明的优选应用包括以下结构：甲醇合成反应器、氨合成反应器和用于合成气提纯的变换反应器，例如在制氢装置中或在合成氨装置的前端中的上述结构。
本发明提供了通过竖向错开的板之间的自由空间而使进入壳体侧部简化的巨大优点。同时，本发明允许使用扁平管板，从而简化了管到上述板的焊接。直形管的端部可以直接焊接到板上，而不需要管部段，也不需要将管折叠或弯曲。上文已经进一步列出的现有技术的缺陷因此通过本发明而克服。
借助于以下关于多个优选实施方式的详细描述，本发明的优点将更加清晰地显现。
附图说明
图1以示意图形式示出了根据本发明实施方式的管式反应器。
图2是根据图1的反应器的示意性横截面图。
图3示出了根据图1的反应器的热交换器的纵截面的平面展开图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明实施方式的竖直式反应器1的主要部件。反应器1包括：壳体2；形成内收集器3和外收集器4的同轴且有孔的圆筒形壁。两个收集器3和4之间的空间包含催化床5和整体由附图标记6表示的管式热交换器。上述热交换器6浸入床5中。
该示例涉及向心式轴向-径向流反应器或径向流反应器，其中经由入口30馈送的试剂经围绕外收集器4的空间8进入催化床5，并且反应产物被收集在中心管7内并经出口凸缘31离开。
因此，根据图1的反应器为径向流类型或轴向-径向流类型的(取决于穿过床5的方向)，这构成了特别有利的应用；然而，也可以将本发明的构造应用于轴向反应器，并且在这种情况下，反应器不包括收集器3和4。
将热交换流体馈送给热交换器6，热交换流体在20处进入并在21处流出，热交换流体控制催化床5的温度。例如，以放热反应器当作参考，其中热交换器6从床输出热量，流体是馈送到底部并沿着管蒸发的水，其从管束顶部以蒸汽形式显现。由于这种操作模式，这种反应器也被称作“气升”式反应器。
热交换器6包括多个管束，管束具有相应的管板，上述管板竖向错开，如从图中可以看到的那样。附图示出了具有管板9.1和10.1的第一管束6.1和具有管板9.2和10.2的第二管束6.2。管束6.1位于反应器1内的第一高度处，而管束6.2位于第二高度处；因此，管束和管板错开了距离s(图3)，该距离限定了相邻板之间的空间11和11’。
如特别在图3中可以注意到的，存在位于第一高度(诸如管束6.1)和位于第二高度(诸如管束6.2)的交替的管束。还应当注意，板的表面12有利地是平坦的。这样，直形管的端部可以容易地被焊接到板上。
管束与共同进料分配器13(水入口)连通并与共同蒸汽收集器14(蒸汽出口)连通。每个板优选地经由导管15和盖部16与分配器13或收集器14连通。
管板9.1和9.2的优选实施方式在图2中示出，其中上述管板成形为环状扇形。单个管板、例如板9.1、占据在壁3和4之间限定出的环的一扇形区域，该扇形区域大体与催化床5的横截面相对应。
从图2中可以注意到，管板覆盖了催化床5的整个横截面，因此即使使用普通的直形管，也可以使管以大体均匀的方式分布在催化床内。另外，板的每个扇形区域都具有与催化床大体相同的从内收集器3到外收集器4的径向延伸部。
这使得更好地利用反应器体积并且改进了对过程的控制以及使得对过程的控制更加均匀，特别是对反应器温度的控制。然而，可经由通道11和11’进入壳体侧部(即含有催化剂的空间)，上述通道11和11’在图2中不可见，但其使得易于装载和卸载催化剂。反应器顶部部分中的通道11'允许催化剂的装载，而底部部分中的通道11意在用于卸载。
流体收集板10.1和10.2以与图2中的示例所示类似的方式成形和布置。
因此，本发明实现了如上所述的目的。

Claims (7)

1.一种竖直式化学反应器(1)，至少包括催化床(2)和管式热交换器(6)，所述管式热交换器浸入所述催化床中并被馈送有热交换流体，
其中，
所述管式热交换器(6)包括多个直形的管束(6.1、6.2)，每个所述管束均具有用于所述流体的相应的馈送管板(9.1、9.2)和用于所述流体的相应的收集管板(10.1、10.2)，
其中所述多个管束至少包括布置于所述反应器内第一高度处的第一组管束(6.1)和布置于所述反应器内第二高度处的第二组管束(6.2)，所述第一组管束和所述第二组管束交替地设置，使得每个管束均相对于相邻的管束竖向错开，
其中所述管板成形为圆扇形或环状扇形，并且所述扇形中的每一者均大体沿所述催化床的整个径向延伸部延伸。
2.根据权利要求1所述的反应器，其中，所述管板具有与所述管接合的平坦的表面(12)。
3.根据权利要求1或2所述的反应器，其特征在于，相邻的管板之间的自由空间(11)因所述竖向错开的布置而限定出通向包含所述催化床的反应器区带的进入点，所述进入点可被用于装载以及卸载催化剂。
4.根据前述权利要求任一项所述的反应器，其特征在于，沿横截面观察时，所述管板覆盖所述催化床的整个横截面。
5.根据前述权利要求任一项所述的反应器，其特征在于，所述管束包括长度相同的直形管。
6.根据前述权利要求任一项所述的反应器，其中，所述催化床(5)具有位于两个竖直且同轴的圆筒形壁(3、4)之间的基本上环状的几何结构，径向流或轴向-径向流穿过所述催化床，并且所述管板(9.1、9.2、10.1、10.2)形成为环状扇形。
7.根据前述权利要求任一项所述的反应器，所述反应器被用于以下用途之一：甲醇合成反应器、氨合成反应器和合成气变换反应器。
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