CN1315566C - 在假等温条件下进行化学反应的方法及其所用的热交换器 - Google Patents
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Abstract
在所谓假等温条件下和预定的反应环境中，例如催化床中，连续进行所选择的化学反应的方法，包括向反应环境中至少一个管状热交换器输送处于各自预定入口温度下的第一种热交换工作流体流的步骤，该工作流体沿着各自的进/出路径通过至少一个管状热交换器，这种方法还提供在至少一个管状热交换器和该路径的一个或多个中间位置处，注入具有各自预定入口温度的第二种工作流体流的步骤。
Description
技术领域
从广义上讲，本发明涉及在假等温条件下进行化学反应的方法，也就是说在将反应温度控制在预定最佳值周围很窄的范围内的条件下进行化学反应。
具体而言，本发明涉及一种上述类型的控制催化反应温度的方法，该方法以使用热交换器为基础，所述热交换器浸没在例如催化床的反应环境中的，所选择的化学反应发生在这种环境下。
更具体而言，尽管不排除其他方法，本发明涉及一种使用管状交换器控制反应温度的方法，管状交换器浸在催化床中，合适的热交换工作流体从其内部通过。
本发明还涉及一种管状热交换器，这种热交换器具有适合实现上述方法的结构。
背景技术
已知为了使放热或吸热化学反应，例如甲醇、甲醛或苯乙烯的合成反应满意地进行完全，必须分别从发生反应的环境中清除或提供热量，以将其温度控制在预定理论值附近很窄的范围内。
同样，已知为了达到上述目的，大多数类型的热交换器被广泛使用，这些热交换器浸在反应环境中(通常为催化床)，合适的热交换工作流体从其内部通过。
反应的假等温程度，即反应本身进行或完成的程度，依赖于使用这种热交换器的方式、它们的功能性、向反应环境中提供或清除热量的效率。
尽管目前在假等温条件下进行化学反应所使用的现有技术有一些有利的方面，但仍有已知的缺点，这在工业生产中限制了反应本身进行或完成的程度。
实际上，按照预定的进/出途径流经热交换器的工作流体必然和热交换器所处环境(例如催化床)有热量交换而使其实际温度改变。
工作流体的这种温度变化沿着其路径基本上是连续的，不可避免地造成热交换器工作效率的持续降低。
事实上，沿着热交换器壁的工作流体和反应环境之间的热交换是不均匀的，但是随着内部和外部流体温度差异减小而趋向于降低。
因此，现有的方法和交换器所达到的反应条件的假等温程度的特征在于：基准的反应温度总是被控制在等温温度或者设计温度曲线附近相对较宽的范围内。这种情况还涉及到有关化学反应完成的限制程度。
发明内容
本发明的技术难题是提供一种在所谓的假等温条件下进行化学反应的方法，这种方法基于使用管状热交换器，管状热交换器能在进行预定反应的环境中起作用，并适合于将反应温度维持在预定常数值，或者将所述温度控制在非常窄的范围内，从而与现有方法相比显著提高反应的进行或完成程度。
解决该难题的想法是在热交换工作流体流经各个管状热交换器时将其温度控制在上述的预定值。
按照这种想法，本发明通过如下方法解决上述难题：在假等温条件和预定的反应环境中，例如催化床中连续进行所选择的化学反应，该方法包括向反应环境中至少一个管状热交换器输送处于预定入口温度下的第一种热交换工作流体流的步骤，该工作流体沿着相应的进/出路径通过所述的至少一个管状热交换器；
这种方法的特征在于：
在至少一个管状热交换器和该路径的一个或多个中间位置处注入具有各自预定入口温度的第二种工作流体流。
通过适当地选择第二种流体的入口温度、中间位置的数量以及第二种流体流和第一种流体发生混合的位置本身，可以使工作流体的温度达到设计值，因而可以将热交换工作流体的温度控制在预定值附近很窄的范围内。
此外，本发明涉及一种具有适合实行上述方法的结构和功能特征的管状热交换器。
参照附图对本发明实施方案的陈述性非限制实例所作的如下描述，将使本发明方法的特征和优势变得更加清晰。
附图说明
图1显示的是可用于实行本发明方法的、含管状热交换单元的化学反应器纵剖面示意图。
具体实施方式
参照上述图形，1表示的是带有圆柱形外壳2的假等温反应器(作为一个整体)，在分别接近上部3和底部4的相对端处有一垂直轴。上部3和底部4装备有通道5和6，用于向假等温反应器1引入反应物和从中排出反应产物。
壳2限定了反应区或环境7，例如催化床，包含在本发明的管状热交换单元10(在下面的描述中将更详细地描述)中用于输送/分配工作流体的上部分配管8和用于收集和排放该流体的底部收集管9之间。
分配管8穿过壳2连接到外部的工作流体(例如由冷却气、沸水或熔融盐等组成的流体)源上(未显示)。
收集管9，像分配管8一样穿过壳2，连接到反应器1外面不同的应用器上。
穿过壳2的管8和9分别是通过合适的喷管8a和9a接合的。
反应区7用于包含大量的适当催化剂11，反应区中浸没和承载着单元10的多个管状热交换器——所有的都用12表示。适当催化剂11的质量在反应区7中照例由适量的颗粒状惰性材料(未显示)承载。
位于管8、管9和壳2内壁之间的通道14和15也分别限定了反应物和反应产物分别流进、流出反应区7入口和出口。
所述管状热交换单元10一般为圆柱形，其外径比壳2的内径稍小。
具体而言，根据图1所示的优选但非限定性的实施方案，所述单元10包括多个管状热交换器12，规则地分布和浸没在反应区7的催化剂堆中。每个交换器12由基本平行于壳2垂直轴的直线型管组成，其一端和所述分配管8连接，另一端和所述收集管9相连。
更具体而言，管状交换器12限定了热交换工作流体从所述分配管8到所述收集管9所流经的内室16。
本发明的有利之处在于：管状交换器12包括和室16流体相通的热交换工作流体的附加分配器17，以及和所述附加分配管17流体相通的所述工作流体的输送管18。
如图1实例所示，附加分配器17由在室16中同轴排列并几乎延伸到管状交换器12全长的管状元件组成。附加分配器17底端是封闭的，同时其上端和输送管18是流体相通的。
具体而言，附加分配器17包含五行(水平的)孔19。每行孔在上分配管8和下收集管9之间各个预定的距离处和室16流体相通。
优选输送管18排列在分配管8中并穿过壳2——通过喷管8a——在壳外连接到未显示的所述工作流体(例如由冷却气、沸水或熔融盐等组成的流体)源上，其连接方式优选和分配管8相同。
根据本发明的方法，为了控制化学反应的温度，例如合成甲醇时的强放热反应，将上述类型的多个热交换器12——形成热交换单元10——适当地排列在必须连续进行所述反应的环境中，例如反应区7中。
将每个交换器12一侧通过流体入口分配管8连接到热交换工作流体源(未显示)上，另一侧通过各自的流体收集管9连接到排放总管(未显示)上。
将每个热交换器12的附加分配管17依次通过输送管18连接到所述工作流体源上。
一旦完成了这种初步步骤，就可以开始所选择的化学反应了。
反应中，通过多个交换器12至少将产生的热量从反应环境中部分清除或向反应环境部分提供所要吸收的热量。交换器12使所述环境和通过分配管8输入每个所述交换器的第一种工作流体流产生热交换。
所述第一种流体的流速以及所述工作流体的温度是按照本身已知的方法，根据特定反应的化学和动力学特性，考虑到热交换“率”(及由此的反应进行度)还是反应环境和工作流体之间存在的温差的函数，事先计算出来的。
在接近分配管8的所述交换器12区处温差达到最大，我们可以得到最大热交换率。但是，正是由于这种热交换，当工作流体从分配管8流出，在流经交换器12的路径中其温度发生变化，从而趋向于和反应环境温度一致。
为了避免由于上述变化使工作流体的温度“超出”预定值范围，即所希望的在预先计算值附近很窄的区间内，本发明将第二种工作流体流分别通过进料管18和附加分配器17输送到每个交换器12中。
当然，第二种流体流的温度是这样选择的：当交换器12中的两种流体在附加分配器孔19处混合时，同样尽可能接近第一种流体的进口温度。
使用本发明的方法，适当地选择第二种流体的温度和孔19的行数及其在每个交换器12内沿着附加分配器17的位置，就可以在热交换工作流体通过热交换器的路径中将其温度控制在预定值范围内。
假设反应环境温度和在这种环境中工作的热交换流体温度之间紧密相关，同样还可以控制基本上和反应温度一致的反应环境温度。
本发明的另一个有利之处在于提供了控制热交换器中流动的工作流体和反应环境中流动的反应流体之间的热交换系数的可能性。
实际上，通过分开的分配器(17)向热交换器中输送第二种工作流体流，可以以独立的方式改变第二种流体的流速和周转率，从而适当地控制热交换器内部工作流体的流速和周转率。
由于这些参数直接影响热交换系数，即：工作流体的流速和周转率越高，热交换系数越大，反之亦然，由于本发明，因此可以沿着整个热交换器获得所需的热交换，从而能够最佳化地控制化学反应的进程。
可以对这样构思的发明进行改变和变更，所有这些都属于如下权利要求所限定的保护范围。
例如，根据本发明未显示的可替代实施方案，孔19在每行中的数量和/或它们的直径可以逐行改变，以适当地改变输送到热交换器12室16中的第二种工作流体流的流速和周转率。以这种方式，可以更好地控制热交换器中流动的工作流体和反应环境中流动的反应流体之间的热交换系数。
还可以通过改变附加分配器17沿其长度的直径和/或改变其相对于热交换器12的长度和/或改变热交换器12沿其长度方向的直径，来控制热交换器12中流动的工作流体的周转率，从而控制热交换系数。
同样可以根据特定应用器和所需的温度控制，以及附加分配器17本身的长度，改变沿着附加分配器17的孔19的行数。其条件可以是只要一行孔19就足够，或者是必须远大于五行。而且，在某些情况下，可以优选用单个孔19代替一行孔。
依照本发明另一个未显示的实施方案，可以将进料管18安排在收集管9的内部，并使其穿过壳2——通过喷管9a——和壳外的工作流体源相连。在这种情况下，附加分配器17的底端和进料管18相连，而其上端封闭。
Claims (9)
1、在所谓的假等温条件下和预定的反应环境中，连续进行所选择的化学反应的方法，包括向所述反应环境中至少一个管状热交换器输送处于各自预定入口温度下的第一种热交换工作流体流的步骤，该工作流体沿着各自的进/出路径通过所述的至少一个管状热交换器，这种方法的特征在于：在所述至少一个管状热交换器和该路径的一个或多个中间位置处，注入具有各自预定入口温度的第二种工作流体流。
2、用于权利要求1方法的热交换器，该热交换器包括管状元件(12)，该管状元件(12)内所限定的、用于通过第一种热交换工作流体流的室(16)，连接到所述管状元件(12)上并和所述室(16)流体相通的流体分配管(8)和流体收集管(9)，其特征在于：这种热交换器还包括和所述室(16)流体相通的第二种工作流体流的附加分配器(17)，以及和所述附加分配器(17)流体相通的第二种工作流体流的进料管(18)。
3、权利要求2的热交换器，其特征在于：所述附加分配器(17)承载在所述管状元件(12)内部，并在所述流体分配管(8)和所述流体收集管(9)之间预定距离处提供至少一个和所述室(16)流体相通的孔(19)。
4、权利要求3的热交换器，其特征在于：所述附加分配器(17)是管状的，其一端封闭，而另一端连接在进料管(18)上。
5、权利要求4的热交换器，其特征在于：所述进料管(18)承载在所述流体分配管(8)或所述流体收集管(9)的内部。
6、权利要求3的热交换器，其特征在于：所述附加分配器(17)基本上延伸到所述管状交换器(12)的整个长度。
7、权利要求3的热交换器，其特征在于：所述附加分配器(17)上有多个孔(19)，这些孔在所述流体分配管(8)和所述流体收集管(9)之间各自的预定距离处排列成行。
8、权利要求4的热交换器，其特征在于：所述附加分配器(17)的直径沿着其长度而变化。
9、用于假等温反应器的热交换单元，其包括至少一个权利要求2-7任何一项中的管状热交换器。
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