CN1571697A - 用于等温化学反应器的热交换单元 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于等温径向或轴向－径向等温化学反应器(1)的热交换单元，其结构为近似环形和圆柱形，带有轴向穿过其的预定直径的通道(11)，特征在于：其包括多个近似矩形的扁平盒状热交换器(13)，热交换器(13)以同轴和同心排列分布，在单元(12)中限定了多个具有大致径向排列的径向队列，其中交换器(13)具有平行于所述单元(12)的轴的长边(13a)和径向延伸的短边(13b)，交换器(13)的每个都包括意在使工作的换热流体通过的内室(17)、工作流体的至少一个分配器管(19)和至少一个收集器管(20)，分配器管(19)和收集器管(20)与交换器(13)的两个各自的相对侧(13a)连接并沿其延伸，导管(19，20)在一侧上通过在其中形成的至少一个开口(19a，20a)与室(17)流体连通，在另一侧上通过各个用于工作流体的入口配件和出口配件(21，22)与所述交换器(13)的外部流体连通。

Description

用于等温化学反应器的热交换单元
技术领域
本发明在其最广泛的范围内涉及如下类型的化学反应器，包括由各个底部在其相对端封闭的大体圆柱形的壳体(或压力容器)、位于所述壳体中的反应区(其中至少放置有一个催化床)和嵌入催化床中的热交换单元。
这样的反应器对于在大体等温的条件下(即其中将反应速度控制在预定值周围的相当有限的范围内的条件下)执行放热和吸热反应尤其有用。
在以下的描述和权利要求书中，将上述类型的反应器称为伪等温反应器，或简言之，称为等温反应器。
更具体地，本发明涉及如下类型的等温反应器，使得反应气体和气态反应产物向径向或轴向-径向(相对于所述反应器的圆柱形壳体的轴)穿过催化床，且包括热交换单元，所述热交换单元由多个近似呈盒状的板状热交换器制成，并在其内部限定了热交换工作流体穿过的室。
背景技术
一般说来，用在等温反应器的热交换单元中的工作流体可由温度变化的流体(未沸腾的流体)构成，例如供给反应器自身的适当和受控的反应气体流、或诸如沸腾的水、熔化的盐、Dow Therm等的沸腾即等温流体。此外，为了使得热交换更有效，改善化学反应的动力学，在各个热交换单元内，所述工作流体流的指向与依次向径向或轴向-径向(相对于所考虑的反应器的壳体的通常为垂直的轴)穿过催化床的气态反应产物的流向相反或相同。当工作流体由反应气体自身构成时，除了将热移动到或提供到反应环境(催化床)以促进反应自身的完成外，它们还分别被加热或冷却，达到对于气体开始来说在热力学上为合适的温度条件。
在此情形下，(径向或轴向-径向)等温反应器的一般构造即为压力容器的构造，其中由至少一个催化筒(catalytic cartridge)支撑，并由两壁围住，与容器自身同心或同轴且被适当穿孔，以使得气体能通过装在所述筒(催化床)中的催化剂。将大量催化剂埋入由适当构造、支撑、和互连的多个热交换器构成的热交换单元中。
在此处所考虑类型的等温反应器中最有效和最新使用的热交换器中，最常用的是具有大体扁平盒状结构的板式热交换器。
尽管有人认为它们有益，例如可用于热交换的大表面，但是上述类型的板状热交换器具有如下技术缺陷，即难以将其内部中的工作流体流导向指定方向，举例来说尤其是难以指向相对于反应器的轴的径向。此困难常常意味着热交换效率降低，从而减少了将要进行的化学反应的生产量。
发明内容
本发明旨在提供用于径向或轴向-径向等温反应器的热交换单元，所述热交换单元具有例如能克服上面参看现有技术引用的缺陷等的结构和功能特征。
根据本发明，用于径向或轴向-径向等温反应器的热交换单元解决了现有技术存在的问题，所述热交换单元具有近似环形或圆柱形构造，并带有轴向穿过其的具有预定直径的通道，其特征在于：包括多个大体矩形的扁平盒状热交换器，所述热交换器以多个同轴和同心排列分布，在所述单元中限定了多个具有大体径向排列的径向队列，其中所述交换器具有平行于所述装置的轴的长边和径向延伸的短边，所述交换器中的每个都包括能使工作的换热流体通过的内室、所述工作流体的至少一个分配器管和至少一个收集器管，所述分配器管和收集器管与所述交换器的两个相应的相对侧相关联并沿其延伸，所述管在一侧上通过在其中形成的至少一个开口与所述室流体连通，在另一侧上通过各个用于所述工作流体的相应的入口和出口配件与所述交换器的外部流体连通。
附图说明
图1以局部剖视透视图示意性地示出使用根据本发明的包括多个交换器的热交换单元的径向等温反应器；
图2以放大尺寸表示图1所示热交换单元的热交换器；
图3、图4、和图5分别是沿图2的线III-III、IV-IV、和V-V的剖视图；
图6示意性地示出图2所示热交换器的优选构造；
图7示出沿图6的线VII-VII的剖视图；
图8表示图6所示热交换器的可选实施例；
图9以放大尺寸示出沿图8的线IX-IX的截面；以及
图10示出图1所示径向等温反应器的可选实施例。
具体实施方式
参看图1，1表示整个等温反应器，所述等温反应器包括具有一垂直轴的圆柱形壳体2，用相关底部(下部3和上部4)的相对端将该圆柱形壳体2封闭，通常装配有通道5，6，分别用于将反应气体和气态反应产物导入所述等温反应器1和从所述等温反应器1排出，根据以下描述这些将变得更加清楚。
在壳体2中限定了反应区，其通常由大体圆柱形的结构并具有环形横断面的催化容器(catalytic basket)7支撑。所述容器7大体上由外部圆柱形壁8、内部圆柱形壁10和传统类型的环形底部7b构成，其中所述外部圆柱形壁8与所述壳体2一起限定了宽度逐渐减小的空间9。
内壁10在中央限定了轴向通道，其通常被用于收集气态反应产物的导管11支撑，所述导管11具有封闭的上端11a和开放的下端11b，所述下端11b与底部3的通道6直接流体连通。
将所述壁(即外壁8和内壁10)穿孔以形成从所述容器7到所述中央管11的反应气体通道和气态反应产物通道。
容器7用于容纳大量适当的催化剂(未示出)，其中用本质上已知的方式被嵌入和支撑在热交换单元12中。
所述热交换单元12具有与所述容器7的构造相似的整体环形圆柱形构造。其外径与容器7的外径大致相同，具有直径大致等于容器自身的内径的通道轴向穿过所述热交换单元。
具体地，根据优选但非限制性的实施例，如图1所示，所述热交换单元12包括以三个同轴和同心排列分布的多个热交换器13。每个交换器13(图2)都具有大致盒状结构，具有实质上细长的、扁平的矩形构造，其中画出两个相对的长边13a和两个相对的短边13b的轮廓。
在上述的热交换单元12中，交换器13呈大致径向排列，具有平行于所述装置12的轴(从而平行于所述反应器1的壳体2的轴)的长边13a和径向延伸的短边13b，用于构成多个由三个交换器组成的径向组。
当然，根据不同的技术和实施要求，每个由三个交换器13组成的组可用一对交换器或一个单独的交换器替换，这种交换器占据容器7的整个径向延伸范围。
甚至更具体地(从图2到图5)，每个交换器13由一对并列的金属片14，15构成，其中所述金属片14、15通过周焊接部件16，16a以预定距离相互结合，从而在它们之间限定了旨在使工作热交换流体穿过的室17。
为了实现径向穿过催化床的反应气体和气态反应产物的最佳热交换效率，热交换流体必须沿着径向或大体径向、与所述气体流向相同或相反依次穿过交换装置12的每个交换器13。
为此目的并根据本发明的特征，在每个交换器13的相对长边13a分别安装用于所述工作流体的分配管19和收集管20。导管19和导管20在一侧上通过至少一个但是优选多个开口或孔19a和20a与所述室17流体连通，开口或孔19a和20a沿一条或多条母线设置，在另一侧上通过配件21和22与交换器13的外部流体连通，配件21和22分别用于所述工作流体的入口和出口。
根据第一优选实施例，当进行使金属片14和15向上的拔丝(drawing)和周焊接时，所述导管19和20直接在交换器13的长边13a中“形成”。有利的是，它们通过以预定距离平行于周焊接部件16、16a延伸的焊缝116、116a而获得，而流体通道的开口19a、20a通过焊缝116、116a的适当中断而获得。
根据另一实施例(未示出)，所述导管19和20由在交换器的长边13a平行于它们的固定在所述室17中的各个管子(tube)组成，并与上面引用的各个配件21和22形成一体。
根据本发明的另一特征，用于从每个交换器13分配工作流体和将工作流体收集到每个交换器13中的导管19和20的配件21和22分别设置在交换器的相同短边13b上。
在被设置以构成本发明的所述热交换单元12时，在上述的设置(图1)中，具有相应配件21和22的短边13b构成每个交换器13的上侧，而短边以已知方式直接固定到整个热交换单元12的支撑结构(未示出)上。
有利的是，为了增加热交换效率，整个热交换单元12的交换器13的至少部分根据图6示意性示出的构造制造。
根据此可选实施例，将每个交换器13的内室再分成彼此不直接连通的多个室117，举例来说，通过平行于交换器13的短边13b(换言之，垂直于它的分配器19和收集器20导管)延伸的金属片14的相应的多个焊缝117a来实现。所述室117可以根据需要全部都具有相同宽度或不同宽度，且内部安装有平行于所述导管19、20延伸的多个折流板118，所述折流板118在每个室117中限定了基本上是螺旋形的流道。
每个室117通过其至少一个开口19a与所述分配器管19流体连通，通过其至少一个开口20a与所述收集器管20流体连通。
应当指出，为了更好地控制压降，从而更好地控制室117内工作流体的分配，分配器管19的开口19a设置在所述室117的每个的底部，并具有不同宽度或光(light)，尤其在所述导管19内的工作流体的流向中宽度逐渐增加。
有利的是，为了提高用于控制室117中工作流体的分布的可能性，当其中的压降低得不能保证它时，可以使用校准套筒(calibrated sleeve)119a(图8和图9)，将其适当插入每个所述开口19a中，以便获得精确计算出的流道截面(从而获得精确和计算的压降)。
在本发明的等温反应器1中，在催化容器7的上端和在热交换单元12上面的位置中，环状管23可用于工作流体的总体分配。
在工作流体自身由反应气体构成(图1)且必须与气态反应产物流向相同穿过热交换单元12时，这样的导管23通过所述流体的各个供给管23a与等温反应器1的外部流体连通，各个供给管23a连接到反应器中所述反应气体的入口通道5a。在另一侧面，所述导管23与每个由三个交换器组成的径向组中的最外的交换器13的多个分配器管19流体连通。
此外，在每个三个一组的径向组中，每个交换器的收集器管20与向壳体2的轴直接跟随其的交换器的分布器管19直接连接。如附图所示，通过使交换器的收集器配件22与随后的交换器的分布器配件21以头尾相接的液压连接流体连通，可实现这样的连接。
加热器装置21的更内部的交换器13的收集器管20在壳体2的上部中(大致位于上底部4处)是“开放的”，从而在交换器13中预热和冷却的反应气体以在径向上穿过的方式被传送到空间9，并从空间9传送到装在容器7中的催化床。
采用上述配置，获得另一重要的优点是可能的。实际上，在环状分配器管23占有的相同区中，为了分配预定的工作热交换流体(具体地和有利地由反应气体构成)，可能设置另两个(或更多个)环状导管24、25，每个环状导管都与相应的一排环状交换器的热交换器13流体连通。例如并优选地，在由三个交换器组成的同一径向组的交换器13之间的头尾相接的液压连接中提供了这样的连接。
24a和25a分别表示从反应器的外部到环状导管24和25的所述工作流体的供给管。
以此方式，可能将“新的”工作流体导入中间的环状排列的交换器13，从而可能控制催化床中的温度轮廓。
图10表示本发明的等温反应器的可选实施例，具体的，但非排他性的，当待使用的工作流体是水，或者是待预热(或冷却)但是待制造以在另一反应器中反应的反应气体时是适合的。在此图中，已经在图1中描述的所有部分用相同附图标记限定。
根据此可选实施例，在(可能)被用于分配工作热交换流体的环状导管23、24、和25占用的区域中，最末的环状导管26(收集器管)用来从本发明的热交换单元收集所述工作流体。为此目的，环状导管26在一侧上通过所述装置12的最内部的热交换器13的配件22与所有收集器管20流体连通，在另一侧上，通过导管26a与来自等温反应器的“出口”喷嘴27流体连通。反应气体通过设置在其中的上部通道5导入反应器1。
为了排放催化剂而不移动板状交换器，本发明的化学反应器的容器7安装有向容器自身的内部凸出的下盘(bottom wall)28。下盘28又靠近所述容器7的外壁安装有多个开口29(在图10中仅可见一个开口)，所述开口29与设置在所述反应器的底部3中用于排放催化剂的各个喷嘴30连通。
因此对本领域的技术人员来说，可对本发明进行进一步的改变和修改，这些改变和修改都落在由所附权利要求书限定的本发明的保护范围内。

Claims (22)

1.一种用于等温径向或轴向-径向化学反应器(1)的热交换单元，其整体结构大体为环形和圆柱形的，具有轴向穿过其的具有预定直径的通道，特征在于：其包括多个大致矩形的扁平盒状热交换器(13)，所述热交换器(13)以许多同轴和同心排列分布，在所述单元(12)中限定了多个具有大致径向排列的径向队列，其中所述交换器(13)具有平行于所述单元(12)的轴的长边(13a)和径向延伸的短边(13b)，所述交换器(13)中的每个都包括用来使工作的换热流体通过的内室(17)、所述工作流体的至少一个分配器管(19)和至少一个收集器管(20)，所述分配器管(19)和收集器管(20)与所述交换器的两个各自的相对侧(13a)相关联并沿其延伸，所述管(19，20)在所述一侧上通过在其中形成的至少一个开口(19a，20a)与所述室(17)流体连通，在所述另一侧上通过各个用于所述工作流体的各自的入口配件和出口配件(21，22)与所述交换器(13)的外部流体连通。
2.根据权利要求1所述的热交换单元，其特征在于：所述交换器13中的每个由一对并列的金属片(14、15)构成，其中所述金属片(14、15)通过周焊接部件(16)以预定距离相互结合，从而在它们之间限定了所述室(17)。
3.根据权利要求2所述的热交换单元，其特征在于：分别用于分配和收集所述工作流体的所述导管(19，20)设置在相应的交换器(13)的相对长边(13a)处。
4.根据权利要求3所述的热交换单元，其特征在于：所述导管(19，20)由在所述室(17)中固定在所述各自的交换器(13)的所述相对长边(13a)处的各个管子构成。
5.根据权利要求3所述的热交换单元，其特征在于：在形成所述交换器(13)的同时所述导管(19，20)直接形成在所述长边(13a)处。
6.根据权利要求4和5所述的热交换单元，其特征在于：所述导管(19，20)通过放置在所述交换器的相同短边(13b)上并朝着所述单元(12)的各个管状配件(21，22)与所述交换器(13)的外部流体连通。
7.根据权利要求4和5所述的热交换单元，其特征在于：所述导管(19，20)通过沿其母线在所述导管(19，20)中形成的各自的多个开口(19a，20a)与所述室(17)流体连通。
8.根据权利要求1所述的热交换单元，其特征在于：在所述径向设置中和在热交换器(13)的每个径向排列中，每个交换器(13)具有用于所述工作流体的出口的所述各个配件(22)，所述配件(22)通过基本上头尾相接的液压连接与用于在所述相同的径向排列中临近的用于所述交换器(13)的流体出口流体的配件(21)连通。
9.根据权利要求1所述的热交换单元，其特征在于：所述室(17)被再分成彼此不直接连通的多个室(117)，其中所述每个室(1 17)都通过在其中形成的各个开口(19a，20a)与所述分配管(19)流体连通和与所述收集器管(20)流体连通。
10.根据权利要求9所述的热交换单元，其特征在于：所述室(117)通过垂直于所述导管(19，20)延伸的所述金属片(14，15)的焊缝(117a)而获得。
11.根据权利要求10所述的热交换单元，其特征在于：所述室(117)中的每个都在内部安装有平行于所述导管(19，20)延伸的多个折流板(118)，所述折流板(118)限定了用于所述工作流体的大体上的螺旋状通道。
12.根据权利要求11所述的热交换单元，其特征在于：所述室具有相同宽度。
13.根据权利要求7所述的热交换单元，其特征在于：所述分配管(19)的所述开口(19a)具有不同宽度。
14.根据权利要求12所述的热交换单元，其特征在于：所述开口(19a)在所述分配管(19)内部的所述工作流体流动的方向上具有逐渐增加的宽度或光。
15.根据权利要求12所述的热交换单元，其特征在于：为了在所述分配管(19)与所述室(117)的每个之间获得具有预定尺寸的流道截面，在所述开口(19a)的每个中安装了校准套筒。
16.根据权利要求1所述的热交换单元，其特征在于：其包括用于所述工作流体的总体分配的环状导管(23)，所述环状导管(23)在一侧上与所述单元(12)的最外的交换器(13)的分配管(19)连通，在另一侧上与用于将所述工作流体供给所述反应器(1)中的相应导管(23a)连通。
17.根据权利要求8，16所述的热交换单元，其特征在于：其包括用于工作流体的入口的至少另一环形导管(24，25)，所述导管(24，25)在一侧上与交换器(13)的每个径向排列的头尾相接的液压连接连通，在另一侧上与用于将所述工作流体供给所述反应器(1)中的各自的导管(24a，25a)连通。
18.根据权利要求17所述的热交换单元，其特征在于：所述单元(12)的最内的热交换器(13)的所述收集管(20)单独向所述单元的外部敞开并位于其相同侧。
19.根据权利要求18所述的热交换单元，其特征在于：其包括用于从所述单元(12)排放的所述工作流体的总体收集的另一环形管(26)，所述环形管(26)连接到所述单元(12)的最内的热交换器(13)的全部收集管(20)。
20.一种等温化学反应器，包括圆柱形壳体(2)和催化容器(7)，其中所述催化容器(7)支撑在所述壳体(2)中，并分别具有圆柱形和同轴外壁和内壁(8，10)和下盘(7b，28)，其特征在于：其包括支撑在所述容器(7)中的根据权利要求15至20中任一所述的热交换单元(12)。
21.根据权利要求22所述的反应器，其特征在于：所述底部(28)朝所述容器(7)内部凸出。
22.根据权利要求23所述的反应器，其特征在于：所述凸出的底部(28)安装有用于排放催化剂的至少一个开口(29)，所述开口(29)在所述容器(7)的外壁(8)的附近形成，并与所述反应器(1)的外部连通。
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