CN109328103B - 用于反应器的催化床的壁以及用于实现该壁的方法 - Google Patents

Abstract

一种催化化学反应器，包括穿孔壁，所述穿孔壁邻近所述反应器的支撑壁或邻近包含在所述反应器内的催化箱的支撑壁，其中，所述穿孔壁包括多个板并包括倚靠在所述支撑壁上的第一区段和与所述支撑壁隔开并限定空腔的第二区段，并且其中，设置有用于将所述透气壁局部固定至所述支撑壁的装置，所述固定装置包括：多个支撑元件和相应的多个锁定元件，所述多个支撑元件固定至支撑壁并穿过所述透气壁的第一区段的相应开口，所述锁定元件可以与所述支撑元件相关联，所述透气壁的板夹在所述支撑壁和所述锁定元件之间。

Description

用于反应器的催化床的壁以及用于实现该壁的方法

技术领域

本发明涉及催化化学反应器技术领域。特别地，本发明涉及用于实现透气壁的技术。

背景技术

催化化学反应器包含可以容纳在催化箱(catalytic cartridge)中的至少一个催化床。

催化反应器需要透气壁(例如穿孔壁)以便将气态反应物分配至催化床，或从催化床收集反应产物。

从技术角度来看，在容器内部实现透气壁是具有挑战性的。特别地，穿孔壁的实现通常作为用于使现有反应器现代化或改造现有反应器的操作的一部分来执行，这意味着必须遵守由现有反应器的特征所施加的一系列限制。例如，如果反应器为部分开放型(即没有尺寸等于直径的凸缘，并且只能通过相对较小的人孔(manhole)进入内部)，则必须将穿孔壁分成足够小的区段以将这些区段引入反应器，并且穿孔壁必须在反应器自身内部组装。

在具有催化箱的反应器中，该催化箱包括用于保持催化剂的圆柱形支撑壁，并且用于分配气体或收集气体的透气壁可以在催化箱内部并与催化箱的所述支撑壁一起形成双壁系统。例如，已知通过第二壁实现用于径向流动的反应器的外部收集器，该第二壁具有至少部分穿孔的表面以便是透气的，并且该第二壁与催化箱的外围支撑壁隔开以便在两个壁之间形成空腔。

在US 5250270中描述了包括壳体和催化箱的催化反应器。

相同申请人的EP 3037165描述了一种由柔性且可变形的多个板制成的穿孔收集器，所述多个板可以通过人孔引入。由所述板的组装产生的壁不是自支撑的而是倚靠在反应器自身的支撑壁上。例如，所述支撑壁是由催化箱的壁形成的。

因此，合适的壁(例如催化箱的壁)可以用作结构承载元件。由于这种措施，收集器不需要支撑载荷，并且因此可以利用轻质且柔性的板来实现，所述板可以折叠并引入到可用的开口(人孔)中。

该解决方案对于使现有反应器现代化的操作特别有利，但仍存在许多技术问题。形成穿孔壁的板是厚度小且长度大于其他尺寸的元件；因此这些板是非常柔性的。已经注意到，一旦邻近支撑壁(例如催化箱的壁)布置这些板，则这些板在其中间区中显著地弯曲。这使得难以在壁组装操作过程中正确地布置板。此外，由于弯曲，存在不再倚靠在支撑壁上并且因此不被支撑的板区。催化剂块(mass)的引入可以使得板在这些无支撑区中变形。

鉴于上述情况，在催化反应器中实现透气壁或实现双壁系统构成了尚未完全解决的技术问题。

发明内容

本发明旨在借助于倚靠在支撑壁上的板来改进用于在化学反应器内部实现穿孔壁的上述技术。所述支撑壁可以是反应器的壳体或包含在反应器内的催化箱的壁。支撑壁为圆柱形的或基本上圆柱形的。

利用根据本发明的催化化学反应器实现了该目的。

本发明的一方面是一种化学反应器，所述化学反应器包括催化床和面向该催化床的透气壁，其中：

所述透气壁包括多个板，并且所述多个板中的每个板在所述透气壁的有角区段(angular sector)上延伸；

所述透气壁包括支承抵靠邻近该透气壁的支撑壁的第一壁区段和与所述支撑壁隔开的第二壁区段，该第一壁区段和该第二壁区段沿着透气壁的圆周延伸部分彼此交替；

所述第二壁区段包括用于气体的通道；

所述反应器还包括所述透气壁到所述支撑壁的局部固定装置，所述固定装置包括：

多个支撑件，所述多个支撑件牢固地固定至所述支撑壁并穿过透气壁的第一壁区段的相应开口；

相应的多个锁定元件，所述多个锁定元件可以与所述支撑件相关联，所述透气壁的板夹在所述支撑壁和所述锁定元件之间。

支撑壁可以是反应器的壳体或催化箱(如果提供的话)的壁。

因此，本发明的另一方面是一种反应器，所述反应器包括壳体和该壳体内部的催化箱，所述催化箱具有圆柱形或基本上圆柱形的支撑壁，所述反应器包括邻近所述催化箱的支撑壁布置的至少一个透气壁，其中：

所述透气壁包括多个板，所述多个板中的每个板形成所述透气壁的有角区段；

所述透气壁包括有效表面(useful surface)，所述有效表面与所述支撑壁隔开从而在两个壁之间限定间隙，并且所述有效表面是穿孔的以便允许气体通过，并且所述透气壁还包括从邻靠所述支撑壁的所述有效表面突出的多个支承肋部；

所述反应器包括在所述透气壁的板和所述支撑壁之间的固定装置，所述固定装置包括：

多个支撑件，所述多个支撑件牢固地固定至所述支撑壁并穿过所述支承肋部的相应开口，以及

相应的多个锁定元件，所述多个锁定元件可以与所述支撑件相关联，

其中，当所述锁定元件与所述支撑件相关联时，所述透气壁的板夹在所述支撑壁和所述锁定元件之间。

催化箱具有在催化剂和反应器的外壳体之间留下自由空间的优势。该自由空间可以被冷却介质(例如预热下的新鲜装料)穿过，以避免外壳体被热催化剂直接加压。然而，在一些情况下，催化箱不是必需的，例如变换反应器可以不包括催化箱。当反应器包括催化箱时，优选地，上述支撑壁为催化箱的壁。当反应器不包括催化箱时，上述支撑壁是反应器的外壳体。

支撑壁和由所述板连接在一起而获得的透气壁是同轴的。支撑壁的轴线和透气壁的轴线平行于(优选地重合于)反应器自身的壳体的轴线。透气壁具有基本上圆柱形的构造，以便跟随其所倚靠的支撑壁。因此，支撑壁和透气壁一起形成双壁。

当组装时，透气壁形成包含并界定整个催化剂块的单个单元。透气壁分别作为朝向催化床的气体分配器、或从催化床流出的气体收集器操作。

透气壁是组装多个板的结果。优选地，所述多个板具有至少部分地叠置在支承区段的区域中的边缘。

在说明书和权利要求书中的术语支承肋部表示肋部、浮凸部或更一般地表示支撑部分，其可以具有不同的构造，然而仍然在本发明的范围内。

所述肋部可以包括朝向所述支撑壁聚拢的两个倾斜表面，以及可选地包括邻靠支撑壁的平坦表面。根据优选的实施方式，所述肋部沿垂直于壁的轴线的剖面具有基本上为V形或梯形的横截面。

当肋部具有V形或梯形的横截面时，有利地，形成锁定元件以便以类似楔入的方式接合肋部的横截面。

当肋部包括倚靠在支撑壁上的平坦表面时，优选地，锁定元件为平板的形式。

有利地，在固定至支撑壁的支撑件和支承肋部的相应开口之间的接合使得允许透气壁相对于支撑壁的有一定移动。甚至更优选地，至少在轴向方向上允许所述移动的自由。在优选的实施方式中，上述开口具有在轴向方向上的细长孔眼的形式。

优选地，每个肋部具有底部的(最下部的)开口，所述开口至少在轴向方向上利用精确的接合配合与相应的支撑件匹配，以便提供相对于板的垂直位移的固定点。

在特别优选的实施方式中，所述支撑件为焊接至支撑壁的螺纹销。所述锁定元件具有用于与所述螺纹销接合的孔，并且例如借助于螺母被锁定。

优选地，沿每个肋部设置有多个锁定元件。例如锁定元件沿轴向方向(即沿所述支撑壁的母线)等距间隔。

例如，透气壁的有效表面可以具有基本上平坦的轮廓、三角形轮廓、弧形轮廓或其他形式。在一些实施方式中，用于允许气体通过并获得期望的渗透性的穿孔可以包括圆孔或具有细长形状的开口。

有利地，透气壁由不锈钢制成，或者在必要时由具有高镍含量的合金制成，例如已知为商标为Inconel的合金。

根据优选的实施方式，透气壁的厚度为1mm至3mm，更优选为1mm至1.5mm。在一些实施方式中，根据容器内径确定透气壁的合适厚度，因为容器越大，由催化剂引起的压力越大。在优选的实施方式中，特别是对于用于合成氨的反应器，透气壁的厚度约为所述直径的1/1000，例如在内径为3m的容器中，透气壁约为3mm厚。

在一些实施方式中，所述板被加强以便承受垂直载荷并避免不稳定的问题。例如，所述板可以利用具有合适厚度的金属带材(sheet metal strip)加强，该厚度优选地大于板的厚度(例如3mm或5mm)。优选地，抵抗垂直载荷的加强件(如果提供的话)沿支承肋部设置，以便不影响所述板的柔性，并且甚至更优选地，所述加强件从所述板的底端(垂直载荷最大的地方)开始延伸一定距离。

本发明还涉及根据本发明的一种用于在包括催化箱的化学反应器内部实现透气壁的方法。在本发明的另一方面，结合现有化学反应器的现代化或改造来实施根据本发明的方法。

本发明适用于各种类型的化学反应器，例如用于氨合成的反应器、用于甲醇合成的反应器、或变换反应器。

本发明基本上提供以下优势：

通过借助于所述锁定元件将所述板固定至支撑壁的事实来帮助透气壁的板的放置。特别地，沿轴向方向(母线)的多个锁定元件的存在防止板的弯曲并且使板与支撑壁保持对齐。以这种方式，已经放置的板不会妨碍后续的板的组装。此外，该组板保持与支撑壁紧密接触，并且因此板中没有区向内弯曲，因此在引入催化剂块期间板中没有区经受变形或破裂。该组装非常快速且不需要特殊设备。

本发明的另一优势是锁定元件邻靠所述肋部，即邻靠与支撑壁直接接触的透气壁区段。从结构的角度来看，该构造是有利的，因为由于催化剂的径向推力引起的压力沿两个支承点之间的中心线是最大的，而在支承点自身上是最小的。

透气壁相对于支撑壁的轴向滑动移动具有其他的优势，即其允许在组装期间有一定的沉降并补偿支撑壁和透气壁的不同热膨胀。

借助于详细描述，本发明的优势将更加清楚地显现，该详细描述遵循并且涉及本发明的许多优选的实施方式。

附图说明

图1显示根据本发明的实施方式的反应器的示意性横截面视图。

图2部分地显示根据本发明的实施方式的穿孔壁，所述穿孔壁邻近催化箱的支撑壁。

图3为图2的细节。

图4、图5和图6显示关于图2的变型实施方式。

图7示出用于图3中所示类型的壁的闭合接头的实施方式的示例。

图8示出用于图4中所示类型的壁的闭合接头的实施方式的示例。

图9显示具有用于承受垂直载荷的加强件的板的示例。

图10显示根据图9的板的横截面。

具体实施方式

图1示意性地显示催化化学反应器1，该催化化学反应器1包括壳体2和该壳体2内部的催化箱3。所述催化箱具有圆柱形的支撑壁4并且包含形成催化床5的催化剂块。

反应器还包括透气壁6，在该示例中，该透气壁6用作进入催化床5的气体分配器。

图1的反应器设计是向内径向流动。经过催化床5的该流动由图中的箭头表示。这种反应器在本领域中是已知的并且不需要详细描述。

透气壁6(图2)基本上包括支承接触抵靠催化箱的支撑壁4的一系列浮凸部或肋部9以及与所述支撑壁4隔开的一系列有效表面10，所述有效表面限定在支撑壁4和透气壁6之间的间隙11。

根据图2的示例，肋部9具有大致V形的横截面。有效表面10具有用于允许气体通过的多个穿孔，例如孔眼12。

如图所示，每个有效表面10由两个邻近肋部9界定。肋部9朝向壁4延伸并与壁4直接接触。肋部9和有效表面10以由图2中的附图标记8表示的重复节距(pitch)彼此交替。

透气壁6是模块化的，即透气壁6包括组装在一起以形成壁6自身的多个板7。图2显示板7的一部分。

所述多个板7中的每个板在壁6的给定有角区段上延伸。更精确地，每个板7沿圆周方向延伸至少一个节距，即每个板包括至少一个肋部9和有效表面10。单个板7可以沿圆周方向延伸多个节距，并且因此包括一定数量的肋部9和有效表面10。

在大多数情况下，有利地，节距8包含在100mm至200mm之间。单个板7可以具有例如约1米的宽度。完成壁6(即覆盖壁4)所需的板7的数量取决于反应器的直径，例如在直径为3米的反应器中，壁6需要8个至10个板。

在使用过程中，输入空腔的气流通过透气壁6(更精确地通过穿孔区段)进入催化床，或者反之亦然，即通过壁6将从催化床流出的流收集在间隙11内部。

反应器还包括用于将透气壁6和所述支撑壁4局部地固定在一起的装置，在该示例中，所述装置包括与锁定楔形件14接合的螺纹销13。

螺纹销13焊接至支撑壁4上并穿过在肋部9内形成的开口15。楔形件14插入到由所述肋部9在壁6的内侧(即面向催化剂的侧)上限定的V形凹部中。

优选地，楔形件14通过侧表面之间的接触与所述V形凹部接合，这产生轻微的压入配合(楔效应)。利用合适的装置锁定楔形件14，例如每个楔形件14具有容纳销13的孔16并且然后借助于螺母17固定。

销13的头部焊接至支撑壁4的表面。这样，一旦楔形件14和螺母17被放置，则壁6和相关联的板7被固定至支撑壁4。

优选地，对于肋部9中的每个肋部设置有多个锁定元件(即销13和相应的楔形件14)，所述多个锁定元件沿着支撑壁4的母线对齐。

优选地，板7具有例如沿肋部9叠置的边缘。

如图3中更清楚地看到的，孔眼15沿轴向方向延伸，以便允许相应的板7和支撑壁4的一定的相对滑动移动。

图2显示倚靠在支撑环18上的板7。有利地，在较低高度处的成对的销13a和楔形件14a之间的接合构成锁定接合而不是滑动接合，以便限定用于透气壁6的固定约束点。更有利地，壁6的底部条带19例如通过折叠金属片来加强。

图4显示本发明的变型，其中，肋部9包括邻靠支撑壁4的平坦表面20，并且锁定元件是由平板21形成的。

由于具有平坦表面20的构造为锁定元件(该锁定元件也可以设计成具有更简单的形状，即为平板而不是由折叠金属片加工或制成的楔形件)提供了更大的空间，因此与具有V形肋部的构造相比，该构造是有利的。

图5显示本发明的变型，其中，板7具有等腰三角形形式的轮廓。因此，有效表面10包括相对于彼此成角度的两个平坦表面10a、10b。

图6显示本发明的变型，其中，板7具有曲线轮廓，更有利地为圆弧的形式。圆弧轮廓是优选的，因为其可以最大可能地利用材料的强度，即其允许板7具有最小的厚度，而所有的其他条件保持不变。此外，对于邻近的肋部9之间的相同距离，圆弧轮廓提供了最大的有效表面面积。

从支撑壁4和板7之间的气流横截面(以半圆的形式)的视角来看，图6所示的实施方式也是有利的。所述气流横截面表示用于在催化床的整个高度上均匀分布气体所必需的横截面或用于在所述催化床的出口处收集气体所必需的横截面。

板7布置在旁边，以便沿支撑壁的整个圆周延伸部分形成邻近支撑壁4的壁6。在一些实施方式中，可以设置有用于第一个板和最后的板的特殊闭合接头。

图7显示用于具有图3中所示类型的V形肋部的板的闭合接头的示例。

该图显示两端的板7(第一个板和最后的板)以及包括两个元件31的闭合接头30，该元件31具有叠置在板7的肋部上的V形端肋部32。接头30还包括支撑件33，元件31倚靠在该支撑件33上并被螺栓连接。

图8显示用于具有图4所示类型的平坦支承表面的板的闭合接头40的示例。两个端部的板7终止于设置有孔眼44的凸缘41；所述孔眼44叠置在区42中，在该区放置有与板21基本上相似的锁定板43。优选地，板43具有用于防止壁6的过度紧固的两个齿部45。实际上过度紧固将不允许穿孔壁6和支撑壁4的相对滑动。

图9和图10显示另一实施方式，该实施方式包括设置在肋部9中并被设计成加强和保护板7免受由于垂直载荷引起的不稳定性危险的金属带材50。如果板是薄的和/或如果催化床相当长，则增加用于保护免受垂直载荷的增强元件是合适的。

应该注意的是图9和图10中所示类型的变型(该变型包括抵抗垂直载荷的增强元件)以等效的方式适用于所有落入本发明范围内的各种形式的板，例如图2至图6的实施方式。

在一些实施方式中，反应器不包含催化箱，并且透气壁6直接倚靠在壳体2上。假如图2至图10中所示的支撑壁4由壳体2代替，图2至图10的实施方式同样适用。

组装过程基本上包括参照图2描述的以下步骤。

放置第一板7从而使相应的肋部9抵靠壁4并使板7的底部边缘倚靠在环18上。

将螺纹销13通过开口15焊接至壁4。有利地，可以使用设置有针焊枪(pin-weldinggun)的电容放电焊机来执行这种焊接操作，该电容放电焊机允许将销13的头部焊接至壁4的表面。

将锁定楔形件14插入并用相应的螺母固定。以这种方式，板7牢固地固定至壁4。

安装后续的板7直到围绕支撑壁4的壁6完成。

例如，闭合接头30是根据图7的方案或者根据板7的构造的另一个方案制成的。

上述过程可以在现有反应器的现代化的背景下进行。在这种情况下，板7通过可用的开口(例如人孔)插入到反应器内部。考虑到板7的小的厚度，板可以折叠并适当地绑束，从而使其可以通过人孔插入。

Claims (18)

1.一种催化化学反应器，所述反应器包括催化床和面向所述催化床的透气壁（6），其特征在于：

所述透气壁（6）是多个板（7）的组件并且所述板（7）中的每个板在所述透气壁（6）的有角区段上延伸；

所述透气壁（6）包括第一壁区段和第二壁区段，所述第一壁区段支承抵靠邻近所述透气壁的支撑壁（2，4），所述第二壁区段与所述支撑壁隔开，所述第一壁区段和所述第二壁区段沿着所述透气壁（6）的圆周延伸部分彼此交替；

其中，所述支撑壁（2，4）为基本上圆柱形的；

其中，所述第二壁区段包括用于气体的通道（12）；

所述反应器还包括所述透气壁到所述支撑壁的局部固定装置，所述固定装置包括：

多个支撑件（13），所述多个支撑件（13）牢固地固定至所述支撑壁并且穿过所述透气壁的所述第一壁区段的相应开口（15）；

相应的多个锁定元件（14），所述多个锁定元件（14）能够与所述支撑件相关联，所述透气壁的板夹在所述支撑壁和所述锁定元件之间；

其中，固定在一起并固定至所述支撑壁的所述板形成界定催化床的单个壁元件；并且

其中，所述透气壁（6）相对于催化床作为气体分配器或气体收集器操作。

2.根据权利要求1所述的反应器，其中，所述支撑壁是所述反应器的壳体。

3.根据权利要求1所述的反应器，其中，所述反应器包括催化箱，所述催化床包含在所述催化箱中，并且所述支撑壁（4）为所述催化箱的壁。

4.根据权利要求1所述的反应器，其中，邻近的板（7）具有至少部分地叠置在所述第一壁区段的区域内的边缘。

5.根据权利要求1所述的反应器，其中，所述第一壁区段由所述透气壁（6）的浮凸部或肋部形成。

6.根据权利要求5所述的反应器，其中，所述第一壁区段沿垂直于所述支撑壁的轴线的剖面具有V形或梯形的横截面。

7.根据权利要求6所述的反应器，其中，所述第一壁区段具有限定用于容纳锁定元件的凹部的V形横截面，并且所述锁定元件具有适于与所述凹部接合的楔形部分。

8.根据权利要求1所述的反应器，其中，所述第一壁区段包括倚靠在所述支撑壁上的平坦表面（20），并且所述锁定元件形成为平板（21）。

9.根据权利要求1所述的反应器，其中，固定至所述支撑壁的支撑件与所述透气壁的所述第一壁区段中的相应开口之间的接合适合于允许所述透气壁相对于所述支撑壁移动。

10.根据权利要求1所述的反应器，其中，固定至所述支撑壁的支撑件与所述透气壁的所述第一壁区段中的相应开口之间的接合适合于允许所述透气壁相对于所述支撑壁沿轴向方向移动。

11.根据权利要求1所述的反应器，其中，所述支撑件为焊接至所述支撑壁的螺纹销。

12.根据权利要求1所述的反应器，所述反应器包括用于所述第一壁区段中的每个第一壁区段的多个锁定元件，单个第一壁区段的锁定元件沿着所述支撑壁（4）的母线对齐。

13.根据权利要求1所述的反应器，其中，所述透气壁的第二壁区段具有以下构造中的任一者：基本上平坦的轮廓、三角形轮廓、或弯曲轮廓。

14.根据权利要求1所述的反应器，其中，所述透气壁的第二壁区段具有圆弧轮廓。

15.根据权利要求1所述的反应器，所述反应器还包括所述板（7）的加强元件，所述加强元件适于承受垂直载荷。

16.根据权利要求15所述的反应器，其中，所述加强元件位于所述第一壁区段的区域中。

17.一种用于在化学反应器内部实现透气壁（6）的方法，所述透气壁邻近所述反应器的圆柱形支撑壁（2，4）布置或邻近包含在所述反应器内的催化箱的圆柱形支撑壁（2，4）布置，并且所述透气壁适于形成通向所述反应器中的催化床的气体分配器或适于形成来自所述反应器中的催化床的气体收集器，

其中，所述透气壁是多个板（7）的组件，每个板包括倚靠在所述支撑壁上的至少一个第一壁区段以及具有适于气体通过的穿孔表面的第二壁区段，

其中，每个板的所述第一壁区段具有多个开口；

并且其中，当所述板倚靠在所述支撑壁上时，每个板的所述第二壁区段与所述支撑壁隔开，

所述方法至少包括以下步骤：

a）将第一板邻近所述支撑壁放置；

b）通过所述第一壁区段的所述开口将多个销焊接至所述支撑壁；

c）插入合适的锁定元件并将所述锁定元件接合在所述销上，以便将所述板固定至所述支撑壁；

d）对于后续的板重复上述步骤，直到完成所述透气壁。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，使用用于闭合所述透气壁的元件（30，40）以完成所述透气壁。

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