CN1222352C - 放热或吸热非均相反应的反应器 - Google Patents

Abstract

用于非均相放热或吸热反应的等温反应器，包括在催化床(3)内安装在合适的外壳(2)中的至少一个管(13)，用于冷却或加热流体的通过，它有利地延伸成锥形螺旋管。

Description

放热或吸热非均相反应的反应器

技术领域

本发明涉及用于进行放热或吸热非均相反应的等温反应器，包括：

—优选直立的基本上为圆筒形的外壳；

—外壳内提供至少一个催化床，包括分别用于含有反应剂的流体进入和含有反应过物质的流体出来的相对多孔侧壁；

—至少一个通过所述至少一个催化床用于冷却或加热流体通过的管。

在下面的描述和后附权利要求中，术语“等温反应器”是指其中进行反应的催化床的温度基本上保持恒定的反应器，所述反应可以是放热的也可以是吸热的(本领域也可以用行话“假等温反应器”表示)。

举例说明，这种反应器可以用于合成化合物例如甲醇或甲醛(剧烈的放热反应)或苯乙烯(剧烈的吸热反应)。

众所周知，在放热或吸热非均相合成反应中，越来越需要实现大容量的等温反应器，一方面容易制备，安全可靠，投资和维修费用低，另一方面，能够在小的压降。低的能耗下操作，并且反应剂和冷却或加热流体之间具有高的热交换效率。

发明背景

为了满足上述需求，本技术领域曾有人提议了等温反应器，它具有径向型的催化床，包括大量内部用于排热或供热的垂直直管。

例如，DE-A-3318098公开了一种用于放热或吸热非均相合成反应的等温反应器，其中气体反应剂径向通过催化床并与排列在所述催化床内的大量垂直管接触。

根据一个未示出的实施方式，也可以预见，排热或供热的管沿着排出来自反应器的反应过气体的中心收集器螺旋延伸。

特别是，螺旋管束在相对的上管板和下管板之间垂直延伸，其中这些管是相互扭结在一起的。

应当注意的是，排热或供热的管的螺旋排列在具有轴向催化床的等温反应器中也是公知的。例如参见US-A-4339413和US-A-4636365。

尽管有某些方面的优点(例如，催化床的径向排列比轴向催化床，可以在更小的压降和更低的能耗下以简单有效的方式得到更高的产量)，但是DE-A-3318098中公开的具有螺旋管束的等温反应器具有许多缺点，下文将进行描述。

首先，尽管管排列成螺旋管束比排列成垂直直管好，但是不能有效地匹配以径向移动通过催化床的气体反应物流的温度曲线。

事实上，与直立延伸的螺旋管垂直流过的气体流，通过催化床，与不同温度下的不同管接触，这造成气体反应剂和冷却或加热流体之间热交换效率低。

换句话说，对于气体反应剂向心地径向流过催化床的放热反应，外部螺旋管通过的是刚刚开始反应的气体，因此温度相对低，而更靠近中心的螺旋管通过的是越来越高温度的气体，越来越大量的热与它们交换直到达到一个点，在此反应气体的温度为最高点。从这开始，温度降低，因此邻近催化床气体出口壁排列的螺旋管吸收的热量逐渐减小(参见DE-A-3318098，图3)。

因此，每个螺旋管吸收的热量是不同的，必需承担的热载荷也是不同的。这引起催化床内温度分布不好，降低了热交换效率。

例如，只要热水作为冷却方式流入管，并转化为蒸汽时，很清楚，如DE-A-3318098所示，螺旋管束中的每根管就产生不同量的蒸汽。

这暗示了与控制和加入/排出管板上的冷却流体相关的问题，以及进入所述管的水和蒸汽的分布差。

鉴于此，值得关注，DE-A-3318098中公开的等温反应器中的所有管彼此平行会怎样？也就是说，它们从同一来源进入并从同一点排出。由此每个螺旋管得到的压降是相同的。

在DE-A-3318098中，与低温气体反应剂接触的螺旋管的热载荷小，这意味着低的水蒸发量，随着而来的是低的排出速度和高的水流速(以质量流速计算)。相反，与高温气体反应剂接触的螺旋管的热载荷大，这意味着水的高蒸发量，随着而来的是高的排出速度和低的水流速(以质量流速计算)。

因此，当反应器工作时，发生的情形是，最大热载荷的螺旋管是那些供给的水更少和易于具有更大蒸发量和更小排热能力的管。当轻微放热反应例如甲醇合成时，这远远偏离于催化床内温度的最佳分布，而当快速和剧烈放热反应例如甲醛合成时，这甚至引起温度的陡升。

此外，过量蒸汽促进了管内水中存在的残留物的沉淀，破坏管本身的热交换效率。

所有这些缺点与下述事实无关，即管是根据催化床内气体反应剂的温度分布图以不同间距排列的。

现有技术反应器的其它缺点是由管束螺旋排列产生的高的结构复杂性产生的，这需要高的投资和维修费用。

此外，只要考虑到可以安装的管的数量，管板的结构就是一个约束，即由于气体反应剂和冷却或加热流体之间的压力差，该管板通常需要非常厚，因此就贵，并且由此进一步破坏反应器的热交换效率。

由于这些缺点，尽管该领域日益需要大容量的反应器，但是具有径向催化床和螺旋管束的这种用于放热或吸热非均相合成反应的等温反应器，目前还在使用的已经非常少了(这一点对于具有直立管束的反应器更是这样)。

发明内容

发明概述

本发明要解决的问题是提供一种用于放热或吸热非均相反应的等温反应器，它易于制备，安全可靠，投资和维修费用低，能够在小的压降、低的能耗和反应剂和冷却或加热流体之间具有高的热交换效率下工作。

根据本发明，上述问题是通过一种上述类型的反应器解决的，它的特征在于在所述至少一个催化床中，所述至少一个排热或供热管延伸成锥形螺旋管。

根据本发明，有可能以简单经济的方式有利地实现一种具有高的热交换效率、对转化率和能耗非常有利的等温反应器。

事实上，与现有技术的圆筒形螺旋管(以基本上平行于加入和排出气体流的多孔侧壁的方向，从催化床的一端延伸到另一端)不同，根据本发明，排热或供热的每个单管在催化床内延伸成锥形螺旋管。

为此，靠近锥顶具有逐渐减小的直径的每根单管的不同螺旋与不同温度的气体反应剂接触，因此有利地允许所有的热变化，也因此随动于催化床的入口到出口反应剂的温度分布。

因此，只要在催化床内，根据本发明排列的大量管就承担相同的热载荷。例如，在放热反应中，使用热水作冷却流体，所有的管子产生相同量的蒸汽(管内水和蒸汽的均匀分布)。

换句话说，根据本发明，每根管子可以排出或供应相同量的热，因此不管是剧烈的放热反应还是吸热反应，在催化床内都可能得到最好的温度分布。这有助于催化床的热交换效率，因此有利于该床本身的转化率和对应的能耗。

相对于上面描述的现有技术的等温反应器，本发明的反应器能够以更高的热值回收或供应热，由此提高了热交换效率和转化率。或者，在与现有技术相同转化率下，热交换效率的增加可以降低所需催化剂的量，由此节约了空间和投资费用。

本发明另一个优点是，当大量管子排列在催化床内部时，由于没有控制供应和排出冷却/加热流体的问题，所有管子热载荷相同，因此它们可以由同一热源供应。

最后，应当注意的是，本发明的反应器是怎样特别易于实现，并且不需要管板的，由此解决了相应的投资和维修费用。

本发明的特征和优点将参考附图，通过下面实施方式说明性的而非限定性的描述变得清楚。

附图的简要说明

图1表示根据本发明实施方式，用于放热或吸热非均相反应的等温反应器的纵截面的部分视图。

图2表示图1反应器细节的放大透视图。

图3表示图1反应器细节的纵截面放大简图。

图4表示图1反应器中使用的用于通过冷却或加热流体的恒定节距的锥形螺旋管的顶视图。

图5表示图4管在不同节距时的顶视图。

图6表示根据本发明又一个实施方式，用于放热或吸热非均相反应的等温反应器的纵截面视图。

优选实施方式的详细描述

参考图1-5，本发明用于进行放热或吸热非均相反应的等温反应器全部用1表示。

反应器1包括基本上圆筒形的外壳2，其内部安置一通常用3表示的催化床。

催化床3的边缘由相对的多孔侧壁4和5界定，所述侧壁4和5分别用于含有反应剂的流体进入和含有反应后物质的流体出来。

一般的说，加入反应器1中用于进行放热或吸热非均相合成反应的物质是气相的。

因此，下面描述中，术语“含有反应剂的流体”和“含有反应后物质的流体”分别是指气体反应剂流和反应后气体流。尽管如此，但是清楚的是，本发明的反应器也可以适用于发生在气相或液/气相中的反应。

在下面描述的实施例中，多孔壁4和5对于催化床3中气体反应剂流的进入和反应后气体流的出来来说分别是可透气的。

催化床3在其较低部分以无孔底部(不能透过气体)分界，对应于图1中反应器1的底部6，其较高部分以多孔壁7(气体可通过)分界，该多孔壁7用于使少量气体反应剂以轴向移动通过催化床3。

为了保证准确的轴向一径向通过催化床3，径向部分相对于轴向部分占大多数，侧壁5具有一从其顶端延伸出来的无孔部分5′(不能透过气体)。

然而，可以透过气体的壁7整体上是非必要的，其主要是用于固定催化床3内的催化剂(图1中没有示出)，以使它们很好地分开。

另外，只要是仅仅需要径向通过催化床，就可以设置其无孔或决不透过气体的壁7。

不管是径向型催化床还是更不平常的轴向-径向型催化床都是特别有利的，这是由于它们可以通过使用更小粒度更高活性的催化剂，得到高的转化率，同时对气体反应剂低的压降。

在外壳2和侧壁4之间具有一环形空间8，用于催化床3内气体反应剂的最好分布和加入。为此，空间8与气体入口喷嘴9是流体连接的。

反过来，侧壁5内部限定了管道10，用于收集和排出来自反应器的反应过的气体流。为此，管道10与气体出口喷嘴11流体连接，其上侧被不透气体的挡板12封住。

为了能够向催化床3内流动的气体排热或供热以保持反应器1为等温，催化床3分别被通过冷却或加热流体的大量管穿过，这些管都用符号13表示。

冷却或加热流体通过与一个或多个入口喷嘴15流体连接的管道14加入到管13中，并通过与一个或多个出口喷嘴17流体连接的管道16排出管13。

喷嘴15和17的数量分别根据冷却或加热流体的流速来选择(实施例中为2)，对应速率越大，出口喷嘴15和17的数量就越多。

管道14与喷嘴15通过环形收集器14a流体连接，而管道16与喷嘴17通过环形收集器16a流体连接。

根据本发明一个特别有利的方面，用于排热或供热的管13在催化床3内延伸成锥型螺旋管。

为此，管13的每个螺旋通过的是不同温度下的部分反应剂气体，因此能够随动于从催化床3的入口到出口的气体反应剂的所有热量变化，以及温度分布。

具有锥型螺旋型的管13都承受着相同的热载荷，因此以相同的方式工作。

这在没有温度陡升的危险的情况下，在催化床3内部产生最佳的温度分布，和气体反应剂和冷却或加热流体之间有效的热交换，这都有助于提高转化率和降低能耗。

显然，在本发明范围内也可预见到一种反应器1，该反应器包括多个催化床3，这些床内至少可以根据放热或吸热反应程度和/或催化床的大小，通过多根管13(至少一根)。

本发明范围内，还包括一反应器1，该反应器包括一个或多个催化床，这些床主要由从中心(管道10)向外围(空间8)径向移动的反应剂流体通过。

管13可以单独地连接到喷嘴15和17上，因此每根管13分别与进料管道14和排出冷却或加热流体的管道16连接。它们也可以连接到至少两根管的管组上，即管13的每一组连接到管道14和管道16上(图1)。甚至它们也可以分别通过一单个管道14或16与连接到一起的所有管13连接(即串联)，或者与全部直接连接到单个管道14和16的管13连接(图6)。

优选的是，管13在各自的自由端以至少两根管的管组形式(在图1的实施例中为3根管组成管组)彼此连接在一起，每一组分别与分别用于加入和排出冷却或加热流体的管道14和16流体连接。反过来，各个管道14和16分别与喷嘴15和喷嘴17流体连接。

单个相邻管之间的连接是通过连接管实现的，所有的都表示为19，在图2和3中更好的表示出来。

换句话说，每一组中的单管13串联在一起，而不同组在催化床3内平行排列。

在有很多管道14和16的情况下，分别导入各自相应的收集器14a和16a，以及优选以彼此倾斜的偏离位置导入相应的管13中。

在图1的实施例中给出了包含在催化床3中的第一组和最后一组管13。

冷却或加热流体通过对应于每组管中较下面的管13的一端的对应管道14加入，并且被迫通过每组的管13，在管13中发生相等量的热交换，最终通过来自每组管中较上面的管13的一端的相应管道16排出。

另外，可以以向下的方式使冷却或加热流体通过每组管。此时，流体通过管道16加入到管13中并从管道14排出。

应当注意的是，得到的结构为什么易于实现和操作，为什么不需要管板结构，随着而来的是相对于现有技术节约了投资和维修费用。

图1所示实施方式比其中每个单管13分别与喷嘴15和17连接的方式更加有利，特别是对于具有大量管13的长反应器来说。事实上，根据组成每组的管13的数量，管道14和16的数量减少了，反应器的内部结构和构造复杂性由此显著地简化。

此外，由于冷却或加热流体较低的压降，图1所示实施方式比所有管13彼此连接(串联)的实施方式更加有利，前者中管的下端和上端分别与单个管道14和16连接。

另一方面，所有管彼此连接的结构特别易于实现，由于它仅需要一个冷却或加热流体进人的管道14和一个排出管道16。

这种结构简单性也存在于当管13直接连接到单个管道14和16(图6中平行排列)时，然而，不存在由上述串联排列产生的压降的缺点。

锥型螺旋管13特别有利地在于热交换效率以及结构简单性和灵活性。

锥型螺旋管13可以适应于大多数不同大小的催化床3，特别是可以覆盖同一催化床的所有部分，因此允许在催化床内任何地方发生有效的热交换。

此外，根据排热或供热量，螺旋型管13可以是或多或少不同距离的螺旋。

在图1实施例中，锥型螺旋管13向上发展，以反应器的轴18定义锥体的虚拟顶点。另外，锥体也可以向下发展(实施方式中没有示出)。

优选的是，穿过催化床用于排热或供热的锥型螺旋管具有恒定的半径节距，如图4所示，即随着靠近锥体顶点螺旋直径等量减小。

另外，管13的螺旋直径可以以非连续方式改变，以使之适应催化床3内气体反应剂的温度分布，随动于所有的热变化。

图5所示，根据该实施方式，随着靠近锥体的顶点，半径节距增加。

为了以最好的方式考虑催化床3特别是轴向-径向催化床内气体反应剂流的非均相分布，管13可以有利地以彼此不同的间距排列。

为此，有可能根据排热或供热量采用管13的距离，换句话说，随动于催化床3内的温度分布，这有助于热交换效率，它有利于提高转化率和降低能耗。

根据该没有示出的实施方式，有可能得到一管13的较高密度区(相邻锥型螺旋管之间距离更小)，在此气体反应剂由于其密度更大而导致流速更大，由此热载荷更大，也可能得到管13的较低密度区(相邻锥型螺旋管之间距离更大)，在此气体反应剂的密度更低。

尽管没有说明，但是可以预见，为了有利地增加螺旋管内部流体通过的表面，多个螺旋管在催化床3内以预定螺旋面彼此交错排列，这种发展是在各自的螺纹线上发展的。

图6表示了根据本发明又一个实施方式，用于进行放热或吸热非均相反应的等温反应器。

在图中，从结构和操作方面与图1所示相同的反应器1的细节将用相同的附图标记表示，在此不再说明。

在实施例6中，需要指出的是，锥型螺旋管13在其各自的自由端分别有利地连接到与加入和排出冷却或加热流体相同的管道14和16上，由此形成平行的单组管13。

本发明的反应器可以有利地用于进行基本上所有类型的放热或吸热反应。具体地说，本发明反应器可以很好的适用的放热反应的实例可以是甲醇、氨、甲醛、有机氧化反应(例如环氧乙烷)，而吸热反应的实例可以是苯乙烯和甲苯。

流体例如高热量下转变成蒸汽的热水、或熔融盐或透热油都优选用于排热(对于放热反应)。类似的流体也可以用于吸热反应的供热。

下面描述本发明用于进行放热或吸热反应的反应器1的操作。

应当注意的是，加入催化床3的气体反应剂的压力和温度操作条件以及通过管13的冷却或加热流体的操作条件与要进行的具体反应的惯用条件相同，因此下面的描述中不再具体描述。

作为实施例仅给出了甲醇合成的操作条件：合成压力50-100bar，合成温度200-300℃，蒸汽产生的压力15-40bar。

参考图1，将气体反应剂流通过气体入口喷嘴9加入到催化床3中，并在其内部流过多孔壁4和7。这样，气体反应剂主要是以径向(轴向一径向)移动的方式通过催化床3，并且当与催化剂接触时反应。

合成反应过程中产生的热或进行该反应所需要的热分别通过流过管13的流体来排出或供给。

将该流体通过喷嘴15加入到加入反应器1中，并通过管道14加入到每组管中较下面的管13中。然后通过其自由端通过连接管19连接在一起的每组管，这些流体通过管道16由每组管较上面的管13排出，并通过气体出口管道11排出反应器1。

最后，通过多孔壁5离开催化床3的反应后的气体流被收集在管道10中，然后通过气体出口管道11排出反应器1。

除了所有管13是平行的并连接到单个管道14和16上之外，图6反应器1的操作与图1的类似。随之而来的是，冷却流体通过管道14同时加入到管13中，它流过该管并流出并进入管道16中，然后通过喷嘴17流出反应器1。

从上面的描述中可以清楚的看出，本发明产生了多个优点，特别是提供了用于放热或吸热反应的反应器，它易于实现、安全可靠，投资和维修费用低，同时允许在高转化率、低压降、低能耗和气体反应剂和冷却或加热流体之间高的热交换效率下操作。

Claims (8)

1.用于非均相放热或吸热反应的等温反应器，包括：

—直立的，基本上为圆筒形的外壳(2)；

—在外壳(2)内提供至少一个催化床(3)，所述床包括分别用于含有反应剂的流体进入和含有反应过的物质的流体出来的相对的多孔侧壁(4，5)；

—至少一个通过所述至少一个催化床(3)用于冷却或加热流体通过的管(13)；

其特征在于所述至少一根管(13)在所述至少一个催化床(3)内以锥形螺旋状延伸。

2.根据权利要求1的反应器，其特征在于所述至少一根管(13)以恒定半径节距延伸成锥形螺旋状。

3.根据权利要求1的反应器，其特征在于所述至少一根管(13)以不同的半径节距延伸成锥形螺旋管。

4.根据权利要求3的反应器，其特征在于所述半径节距随着接近锥形顶点而增加。

5.根据权利要求1的反应器，其特征在于它包括在所述至少一个催化床(3)内以相邻管(13)之间不同间距排列的大量管(13)。

6.根据权利要求1的反应器，其特征在于其包括在所述至少一个催化床(3)内彼此重叠并且在对应自由端连接的大量管(13)。

7.根据权利要求6的反应器，其特征在于所述管(13)以至少两个管为一组彼此连接，每组管与所述冷却或加热流体的加入管道(14)和排出管道(16)流体连接。

8.根据权利要求1的反应器，其特征在于在所述至少一个催化床(3)内包括多个管(13)，所述管(13)彼此叠加，在其对应自由端与用于所述冷却或加热流体加入的同一个管道(14)以及用于所述冷却或加热流体排出的同一个管道(16)连接。

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