CN1355725A - 用于放热或吸热非均相反应的等温反应器 - Google Patents

Abstract

一种用于非均相放热或吸热反应的反应器,包括安装在合适外壳(2)上的催化床,至少一根用于通过冷却或加热流体的管(13),该管有利地在催化床(3)内沿着基本上垂直于催化床的相对多孔侧壁(4,5)的板延伸。

Description

用于放热或吸热非均相反应的等温反应器

应用领域

本发明涉及一种用于放热或吸热非均相反应的等温反应器，包括：

—优选基本上为圆筒形的直立外壳；

—外壳内至少一个含有两个相对的多孔侧壁的催化床，所述侧壁分别用于含反应剂的流体进入和含反应后物质的流体流出；和

—至少一个通过所述至少一个催化床用于使冷却或加热的流体通过的管。

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。

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。

现有技术

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后气体的中心收集器螺旋延伸。

特别是，盘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中公开的具有盘管束的等温反应器具有许多缺点，下文将进行描述。

首先，尽管管排列成盘管束比排列成垂直直管好，但是不能有效地匹配通过径向移动的催化床的气体反应物流体的温度曲线。

事实上，与直立延伸的盘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，这造成气体反应器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，外部盘管通过的是刚刚开始反应的气体，因此温度相对低，而更靠近中心的盘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盘管吸收的热量逐渐减小(参见DE-A-3318098，图3)。

因此，每个盘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，盘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。由此每个盘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盘管的热载荷小，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盘管的热载荷大，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，最大热载荷的盘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盘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)。

发明的简述

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是沿着与催化床侧壁基本上垂直的板延伸。

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、具有转化率和能耗方面所有优点的等温反应器，

事实上，与现有技术的盘管(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沿着催化床内基本上垂直于反应剂通过的侧壁的板延伸。

这样，管基本上与含有反应剂的流体通过催化床的方向平行的方式有利地排列。

这就意味着，每根单管与相同部分的反应剂接触，很好地与所有热变化匹配，因此也与催化床的入口到出口的部分反应剂的温度分布图相匹配。

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，在放热反应的情况下，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，以及该床本身的转化率和对应的能耗。

对于上述参考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，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向截面的部分视图。

图2表示图1反应器细节的放大透视图。

图3表示图1反应器的细节的放大纵向简图。

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等距盘管的截面简图。

图5表示图4中不同节距管的截面简图。

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向图。

图7表示图6反应器中使用的用于通过冷却或加热流体的并列排列的两个盘管的截面简图。

图8表示根据本发明又一个实施方式，用于通过冷却或加热流体的并列排列的两个管的截面简图。

优选实施方式的详细描述

参考附图1-5，都用附图标记1表示本发明用于放热或吸热非均相反应的等温反应器。

反应器1包括基本上为圆筒形的外壳2，其内部安装一催化床，通常用3表示。

催化床3的边缘以相对的多孔侧壁4和5分界，多孔侧壁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排出。

一般来说，加入反应器1中用于进行放热或吸热非均相合成的物质是气相的。

因此，下述术语“含有反应剂的流体”和“含有反应后物质的流体”分别是指反应剂的气体流和反应后的气体流。然而，也应当清楚的是，本发明的反应器也分别适用于液相或液/固相反应。

在下面的实施例中，多孔侧壁4和5分别对于催化床3中的反应剂气体流和反应后的气体流是可透过的。

催化床3在其底部以无孔底部(不能透过气体)分界，对应于图1中反应器1的底部6，其顶部以多孔壁7(气体可通过)分界，该多孔壁7用于以轴向移动使少量气体反应剂通过催化床3。

为了保证准确的轴向—径向通过催化床3，径向部分相对于轴向部分占绝大多数，侧壁5具有一从顶端延伸出来的小的无孔部分5′(不透过气体)。

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

另外，只要是仅仅需要径向通过催化床，就有壁7，其无孔或决不透过气体。

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径的更高活性的催化剂，得到高的转化率，同时得到对气体反应剂的低的压降。

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内部定义了管道10，用于收集和排出来自反应器的反应后气体流。为此，管道10与气体出口喷嘴11流体连接，其上部被不透气体的挡板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分别被用于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加入到管道13中，并通过与一个或多个出口喷嘴17流体连接的管道16排出管道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)。优选地，相关的流动速率越大，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内沿着基本上垂直于侧壁4和5的板延伸成盘管。

在下面的描述和后附权利要求中，术语“盘管(coil tube)”是指基本上为曲线或具有曲线和直线部分的管子。

为此，每根管13的整个长度通过的是反应剂气体的相同部分，因此能够跟随该气体部分从催化床3的入口到出口的所有热变化以及温度分布图。

另外，管13沿着基本上彼此平行的板形成为盘管，所有的管承受着相同的热载荷，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。

图1的实施例中，外壳2是垂直放置的，管13在催化床3内部沿着优选基本上水平的板延伸成盘管。

然而，什么都不能妨碍管13以不同的方式排列，例如一组管彼此重叠，沿着直立的板延伸。

在这两种情况下，管都是垂直于侧壁4和5，以及垂直于直立反应器的外壳2的纵向轴18，同时它们基本上平行于反应剂气体流通过催化床3的方向。

显然，本发明范围内可以预见一种含有多个催化床3的反应器1，其中催化床3可以根据反应放热程度和/或催化床的大小而有不等量的管13(至少一个)通过。

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，该床主要由从中心(管道10)向外围(空间8)径向移动的反应剂流通过。

根据本发明又一个没有示出的实施方式，可以预见含有一个或多个催化床的水平型外壳，其中的催化床被排热或供热的管道穿过，这些管沿着垂直于用于气体反应剂进入和排出的透气壁的板延伸成盘管。此时，催化床的透气壁还平行于外壳的纵轴。

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，或者分别通过一单个管道14或16，这样所有的管13都连接在一起。

优选的是，管13以至少两根管的管组形式在每个自由端连接在一起，每一组分别流体连接到进料管道14和排出冷却或加热流体的管道16上。反过来，不同管道14和16分别流体连接到喷嘴15和喷嘴17上。

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

对于多个管道14和16，分别导入相应收集器14a和16a，以及优选以彼此倾斜的偏离位置导入相应管13中。

在图1的实施例中，给出了含在催化床3中的第一组和最后一组管13。

将冷却或加热流体通过对应于每组管中较下面的管13的一端的相应管道14加入，并且使其通过每组管13，其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。事实上，管道14和16的数量减少了(根据组成每组的管13的数量)。

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彼此连接的实施方式更加有利，前者所有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13彼此连接的结构特别易于实现，这是由于它仅需要一个用于冷却或加热流体进入的管道14和一个排出管道16。

优选的是，穿过催化床3用于排热或供热的管13是图4和5中所示的螺旋线型盘管(spiral-shaped coil)。

事实上，业已发现，螺旋线型管13不管是在热交换效率方面还是在结构的简单性和灵活性方面都特别有利。

螺旋线型管13可以适应于大多数不同大小的催化床3，特别是，它可以覆盖同一催化床的不同部分，因此可以在催化床的任何地方发生有效的热交换。

此外，根据排热量或供热量，螺旋线型管13可以通过节距或多或少的转弯来实现。

在图4的实施例中，螺管具有恒定的节距，也就是说，相邻螺旋之间距离相等。

对此，特别有利的结果是根据螺旋线半径的变化改变线圈节距实现的，使其本身适应催化床3内气体反应剂的温度分布图，随动于所有热变化。

该实施例表示在图5中，根据螺旋线半径(优选根据螺旋节距)的改变而变化的相邻转弯处之间的距离随着螺旋线半径的增加而减小。

为了以最好的方式考虑催化床3内气体反应物流的非均相分布，特别是对于轴向—径向催化床，管13可以有利地在相邻管板之间以不同距离排列。

为此，有可能根据排热或供热量，换句话说，按照催化床3内的温度分布图对管13之间的距离进行调节。这有助于提高热交换效率，从而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，有可能得到一气体反应剂的流速更大由此热载荷更大的管13的较高密度区(相邻距离之间距离更小)，和流速更小的管13的较低密度区(相邻管板之间距离更大)。

图6表示根据本发明又一个实施方式的用于放热或吸热非均相反应的等温反应器。

该图中，从结构和操作的角度看，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，并且不再描述。

图6的实施例中，重点是注意两根管13是怎样对应于预定水平板并列排列的，图7给予更清楚的表示。并列的两根管13中发生了等量的热交换。

每个系列20和21中的所有管13分别通过连接管19彼此有利地连接在一起，由此形成两平行系列的管13，通常用20和21表示。此外，每个系列20，21还分别通过较上面和较下面的管13仅与冷却或加热流体的加入管道14和排出管道16中的一个连接。

特别是，管13延伸成盘管，具有从中心区域到外围区域长度增加的圆弧形。

当然，每个系列20，21中的管13可以分组在图6的反应器中排列，同图1的实施例一样。

与图1中的实施例的主要区别是，图1实施例中每根管13沿着催化床3的整个区域延伸，而在图6实施例中，并列排列的管13将分别占据一圆环部分(半个部分)。这意味着使管和双倍数量的冷却或加热流体加入和排出管道14和16以及它们的连接管19的数量加倍。

这种管排列由于具有两个加入和排出冷却或加热流体的管道，因此可以很好的适应剧烈放热或吸热反应，由此增加了热交换效率。

鉴于此，在同一个水平板中，并列排列着三个或多个螺旋型管13也是可以有利地预见的。

图8表示并列型管排列的另一个实施方式。

这种情况下，沿着在预定水平板并列排列的两根管13包括在靠近催化床3的中心区域和外围区域分别具有不同长度圆弧形的第一和第二部分管(13a，13b)。此外，和将第二部分管13b和第一部分管13a连接起来的第三部分管13c。

优选的是，第三部分管13c是直管，并且从第二部分管径向延伸到第一部分管。

根据该实施方式，仅需要一个加入管道14和一个排出管道16。管道14和16都设置在中心管道10中，并且与所有管13并列流体连接。

图8所示管13的类型具有非常好的热交换效率。事实上，除了图7中管排列所列出的优点之外，管13中的冷却和加热流体基本上是对应于催化床3内反应剂气体的流动是纯粹的并流或逆流，由此提高了热交换效率。

此外，径向延伸的大量管13c的存在可以有利地降低流经管13的冷却或加热流体的压降。

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、有机氧化物(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常规条件相同，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—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。

该流体是通过喷嘴15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。然后流体通过每组管13，这些管是通过连接管19将它们的自由端连接在一起的，这些流体通过管道16由每组管较上面的管13排出，并通过气体出口导管1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。

除了冷却流体同时流过并列排列的管13的两个系列20和21之外，图6反应器1的操作与图1的相似。此外，由于每个系列的管13连接在一起，因此冷却流体是通过对应于较下面的管13的管道14加入，在流出较上面的管13之前流过所有催化床3中的管13，以便于通过喷嘴17流出反应器1。

有利地是，重点注意，管13在催化床3内沿着基本上平行于反应剂气体流通过催化床的横截方向的板延伸。

从上面的描述中可以清楚的看出，本发明产生了多个优点，特别是用于放热或吸热反应的反应器结构，它易于实现、安全可靠，投资和维修费用低，同时可以得到高转化率、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。

Claims (11)

1.用于进行非均相放热或吸热反应的等温反应器，其包括：

—优选直立的基本上为圆筒形的外壳(2)；

—外壳(2)内至少一个含有相对的多孔侧壁(4，5)的催化床(3)，所述侧壁分别用于含有反应剂的流体进入和含有反应后的物质的流体流出；和

—至少一个通过所述至少一个催化床(3)用于冷却或加热的流体通过的管(13)；

其特征在于至少一根所述管(13)在所述至少一个催化床(3)内沿着基本上垂直于所述侧壁(4，5)的板延伸。

2.根据权利要求1的反应器，其特征在于所述至少一根管(3)在所述至少一个催化床(3)内沿着基本上水平的板延伸。

3.根据权利要求1的反应器，其特征在于所述至少一个管(3)延伸成盘管(coil)，优选以螺旋线的形式。

4.根据权利要求3的反应器，其特征在于所述螺旋线型盘管具有根据螺旋线半径的变化而改变的线圈节距。

5.根据权利要求4的反应器，其特征在于线圈节距随螺旋线半径的增加而减小。

6.根据权利要求1的反应器，其特征在于它包括以相邻管(13)之间不同距离排列在所述至少一个催化床(3)内的大量管(13)。

7.根据权利要求1的反应器，其特征在于它包括彼此重叠并且对应自由端之间相连接的位于所述至少一个催化床(3)内的大量管(13)。

8.根据权利要求7的反应器，其特征在于所述管(13)彼此以至少两根管组的形式连接，每个组与分别加入和排出所述冷却或加热流体的管道(14，16)流体连接。

9.根据权利要求1的反应器，其特征在于在对应的至少一个预定板上，至少并列排列着两根管(13)，所述预定板基本上垂直于所述至少一个催化床(3)内的所述侧壁(4，5)。

10.根据权利要求9的反应器，其特征在于至少两根并列排列的管(13)延伸成盘管，所述盘管具有从所述催化床(3)的中心区域到其外围区域长度增加的圆弧形状。

11.根据权利要求9的反应器，其特征在于并列排列的至少两根管(13)包括具有在所述催化床(3)的中心区域和其外围区域不同长度圆弧形的第一和第二部分管(13a，13b)，和将所述第二部分管和所述第一部分管(13b，13a)连接起来的第三部分管(13c)。

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