CN1642630A - 具有热交换器的反应装置 - Google Patents

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Abstract

一种反应装置，包括被封装在一外壳6中的一热交换器5和一具有一加热器2的反应器1，该热交换器5的顶部与反应器1相连，热交换器5的另一端部与外壳6的底部借助一凸缘4彼此固定，用于引入待处理的气体和排出处理过的气体的一双管7与该热交换器5的所述另一端部相连，使得在气体经双管中的内管和外管中的一个被引入至经另一个管被排出的处理过程中，气体经过该热交换器5，反应器1和热交换器5；以及使用该装置的反应方法。使用本发明的装置时，反应器内的温度分布可以被保持均匀，且能量回收的有效性可以得到提高。

Description

具有热交换器的反应装置
相关申请的交叉引用
本申请基于U.S.C.Article 111(a)的规定提出，并依据35 U.S.C.Article119(e)(1)的规定要求享受根据35 U.S.C.111(b)于2002年4月2日申请的专利申请序列号为NO.60/368965的申请日。
技术领域
本发明涉及一种反应装置和一种应用该装置的反应方法。更具体而言，本发明涉及一种结合有热交换器的反应装置和一种应用该装置的反应方法，其中，在高温下且在具有固体催化剂或固体反应剂的情况下进行反应。
背景技术
结合有热交换器和催化反应器的传统装置的已知例子包括：
(1)在JP-A-64-51126(这里所使用的术语“JP-A”的意思是“未审查的日本专利申请公开文件”)中公开的一种高温催化装置。
(2)在JP-A-54-126671中公开的一种催化氧化装置，其中，一种催化剂被涂布在蜂窝结构上。
在(1)的高温催化装置的情况下，装置本身可以被制造得相对紧凑，但是，由于在处理之前和之后的气体使用分离的流动通路，因此气体需要多条管道，且装置要求外周部空间。此外，经处理的气体在经过填充在反应器中的催化剂层之后，且在其经过热交换器之前，与反应器和热交换器的连接部分相接触，且该连接部分可能被加热到高温，因此，必须选择具有高耐热性的材料作为用于密封连接部分和热交换器的一密封物或类似部分的结构材料。另外，(1)的高温催化装置还存在一个问题，即凸缘部分受到烘烤。
在催化剂被涂布在一种蜂窝结构上的(2)的催化氧化装置的情况下，由于热交换部分覆盖有催化剂，因此热效率得到了提高，但是，在更换催化剂时，该作为一个整体的装置必须被拆开，这就增加了成本和维护的问题。
此外，当一加热器例如电炉被用作热源时，充满催化剂或反应剂的层经历一种现象，即，沿经处理的气体的流动方向出现温度分布。即使提供一预热器，也难于改善这种现象和有效地消除温度的分布，且在许多情况下，填充在反应器中的催化剂或反应剂不能有效地被利用。
发明内容
在这些情况下，本发明的一个目的是提供一种紧凑的热交换器一体式反应装置，其中，反应器沿气流方向的温度分布可以被保持均匀，热能回收效率可以得到提高，且可以防止装置中的凸缘部分过热，且一种由常规低温结构材料构成的密封材料可以被用作凸缘，且本发明还提供一种采用上述装置的反应方法。
为了实现上述目的而进行的广泛的调查研究的结果是，本发明人已发现可以通过一种反应装置来实现上述目的，该反应装置包括一热交换器和一具有一加热器的反应器，它们被封装在一外壳中，热交换器的顶部与反应器相连，热交换器的另一端部(下端部)和外壳的底部通过凸缘固定，且用于引入待处理的气体并排出处理过的气体的双管与热交换器的下端部连接。本发明根据这种发现而完成。
具体而言，本发明涉及以下反应装置和反应方法。
1、一种反应装置，包括一热交换器和具有一加热器的一反应器，它们被封装在一外壳中，该热交换器的顶部与该反应器相连，该热交换器的另一端部和该外壳的底部通过凸缘彼此固定，用于引入待处理的气体和排出处理过的气体的一双管与热交换器的另一端部相连，使得在通过双管中的内管和外管中的一个被引入至通过另一个管被排出的处理过程中气体顺序流过热交换器，反应器和热交换器。
2、如上述1中所述的反应装置，其特征在于：所述热交换器为壳及管式热交换器。
3、如上述1中所述的反应装置，其特征在于：所述外壳在其顶板部分上具有吊环螺栓固定部分，使得所述外壳是可拆卸的。
4、如上述1中所述的反应装置，其特征在于：所述反应器在其内部具有翅片(散热片)。
5、如上述1中所述的反应装置，其特征在于：所述翅片被设置在双管中的内管内部和/或在双管中的内管和外管之间。
6、如上述1中所述的反应装置，包括一种其中待处理的气体经内管被引入并经外管被排出的机构。
7、如上述6中所述的反应装置，其特征在于：双管的外管具有热辐射板。
8、如上述1中所述的反应装置，其特征在于：所述反应装置适合于被水平地安装，且该具有一加热器的反应器和该热交换器彼此相对水平放置。
9、一种反应方法，包括，按顺序依次地使一待处理的气体经过一双管中的内管和外管中的一个管，一热交换器，一具有一加热器的反应器，该热交换器和该双管中的另一个管，且在该待处理的气体被引入该反应器之前借助该加热器对该待处理的气体进行加热，从而调节反应器内沿气流方向的温度差。
10、如上述9中所述的反应方法，其特征在于：该待处理的气体经双管的内管被引入，且经外管被排出。
11、如上述9或10中所述的反应方法，其中，温度差被调节到50℃或更小。
附图说明
图1(A)为本发明的结合有热交换器的(一体式)反应装置的一个例子的纵剖图示意图，且图1(B)为本发明的该装置的一个例子的横截面示意图；
图2为一示出了采用外部加热系统的传统反应装置的一个例子的示意图；
图3为一示出了当气体的流速改变时，本发明的热交换器一体式反应装置的温度分布的一个例子的图表；
图4为一示出了当设定温度改变时，本发明的热交换器一体式反应装置的温度分布的一个例子的图表；
图5为一示出了在采用外部加热系统的传统反应装置中，反应剂或催化剂的温度分布的一个例子的图表。
具体实施方式
下面将对本发明的反应装置和反应方法进行详细说明。
本发明的反应装置包括：热交换器5和具有一加热器2的反应器1，它们被封装在外壳6中，且在该反应装置中，热交换器5的一端部(典型的是顶端部)与所述反应器1连接，热交换器5的另一端部(典型的是下端部)和外壳6的一端部(典型的是下端部)被凸缘4固定，用于引入待处理的气体和排出经过处理的气体的双管7与热交换器5的端部(典型的是下端部)连接。
本发明的反应装置可以被用在，例如使用固体反应剂或固体催化剂来分解处理在制造半导体装置、液晶显示装置或类似装置的过程中排出的干蚀刻或清洁气体的反应中。而且，本发明的反应装置可以被用在使用固体催化剂分解并从而清除容纳在用于机箱的吹扫用气体管线中的一氧化氮或从手术室中排出的麻醉废气的反应中。
图1(A)为示出了本发明的热交换器一体式反应装置的一个例子的示意性纵向截面图，图1(B)为其示意性横截面图。尽管图1示出了沿着垂直方向的本发明的热交换器一体式反应装置的一个例子，其中，热交换器5的顶部与反应器1相连，热交换器5的底端部分和外壳6的底部由凸缘4固定，但该装置也可以应用于水平方向，且本发明包括该实施例。
如图1所示的反应装置包括由接触加热器2的侧壁和其上放置催化剂的冲压金属板3组成的反应器1，和与反应器的下端相连的壳管式热交换器5。
外壳6的底部和热交换器的下端部由凸缘4彼此固定在一起。
所述壳及管式热交换器5的意思是指这样一种热交换器，其中大量的小口径直管(管道12)通过将它们的两端插入两个圆盘中而被固定，且被容纳在一个壳室中，且该热交换器的特征在于，一宽大的热传递表面可以被容纳在一个小的体积中。在热交换器底部的圆盘表面连接有双管7，该双管7由用于将处理之前的气体引入热交换器中的内管7a和用于将处理之后的气体排出系统的外管7b组成。
外壳6的顶板和侧壁部分被一体形成，或者，外壳具有一体结构，其中，顶板和侧壁部分被一体地接合。外壳在其顶板部分上具有一有吊环螺栓固定部分9，从而外壳6可以与其所覆盖的热交换器5和反应器1分离，且可以容易而顺利地更换固体反应剂或催化剂。
在本发明的反应装置中，作为热交换器，虽然可以采用常规类型的气体在逆流换热中流动的热交换器，但是使用壳和管热交换器是更优选的。
在图1所示的反应装置中，在由内管7a和外管7b组成的双管7中，待处理的气体经由内管或外管中的一个被引入到圆筒形壳管式热交换器5中，然后引入反应器中。在反应之后，再次经过圆筒形壳管式热交换器5的反应气体通过双管7中的另一个管被排出。优选的是，待处理的气体经内管7a被引入，且反应之后的气体经外管7b被排出。
从圆筒形热交换器5的中心部分进入的待处理气体，经过由壳中的隔板10分隔的流路朝着圆筒的外侧流动，并再次流到中心部分。在图1中，箭头示出了气体的流动。通过重复图1所示交换器5中这样的气体流动，待处理的气体就在热交换器5中以之字形逐渐向上流向反应器1。此时，由于在处理之前的气体(待处理的气体)与经反应器1中的加热器2热处理之后的高温气体在其中流动的小口径直管12的壁表面接触，热量逐渐在处理之前的气体和处理之后的气体之间交换，直到处理之前的气体(待处理的气体)以之字形流动到达反应器1。
经过壳中的由隔板10分隔的流路从侧部以之字形流动到中心并进行热交换的处理之前的气体(待处理的气体)，然后经过位于热交换器5和反应器1之间的流动口8朝着反应器1移动。在流过位于反应器1之上的加热器2与外壳6之间的空间(位于反应器1外侧的空间)时被进一步加热的气体，从存在于反应器1的顶板部分上的冲压金属板3进入反应器1中，被预先填充在反应器1中的固体催化剂或反应剂11反应处理。处理之后的气体经由热交换器5中的管道12从反应器1向下流向垂直底部，且如上所述，在该流动期间与处理之前的气体进行热交换。在温度被降低之后，该气体进入双管7的外管7b中，与在内管7a中流动的处理之前的气体(待处理气体)进行热交换，然后从系统排出。
通过使用本发明的反应装置，由于上述的处理气体的流动，热交换可以有效地在处理之前的气体和处理之后的气体之间进行，因此，例如，与传统的反应器相比，填充在反应器1中的催化剂层在沿处理的气体流动方向上的温度分布可被大大改善，且在催化剂层中的温差可以被保持在50℃或更低。
高效热交换对填充在反应器1中的试剂(催化剂)在沿着(气体)流动方向上保持温差在50℃或更低的均匀的温度分布是必须的，但通过使用本发明的反应装置，可实现更有效的热交换，其原因包括，例如：
(i)在待处理的气体被引入热交换器5和反应器1之前，该气体可以在双管7中预先进行热交换，
(ii)热交换器5和反应器1是一体的，因此，在反应器1中的反应(处理)之前的气体和之后的气体之间的热交换平稳且有效地进行，以及
(iii)反应器1具有一加热器2，且在待处理的气体被引入反应器1中之前，该气体可以直接与加热器2接触，因此，温度与在反应器1中设定的温度接近的待处理的气体可以被引入反应器1中。
反应器1优选是在其内侧具有翅片13，以便增加热传导区域，且在反应器中朝着中部放置的翅片13使填充在反应器1中的反应剂或催化剂的温度更加均匀。特别是，当反应器的直径大于10cm时，这样影响更大，尽管该变化依赖于所使用的条件。
双管7由内管7a和外管7b构成。该双管结构不仅对于提高热效率来说是一个非常重要的因素，而且对于节省反应器外周空间也是一个非常重要的因素，例如，用于进行预热的预热器或类似设备可以被省去。
优选的是，在内管7a和外管7b之间配备翅片，从而可以进一步提高热交换效率。
在处理之后的气体在其中流动的双管7的外管7b中，优选地放置热辐射板，从而热释放效率可以被提高，且从系统排出的气体温度可以被降得更低。
根据本发明的反应装置，可以使反应器中的温度分布均匀，从而填充在反应器中的催化剂或反应剂的目标温度可以在一个较宽的范围内选择，这就可以改善催化剂或反应剂的使用效率，提高反应比(reaction ratio)并减少成本。
在该一体结构的垂直底部设有具有凸缘4的外壳6，该一体结构中，热交换器5与反应器1的底部相连，该反应器1具有加热器2，从而反应器1与凸缘4分离，且处于凸缘4的加热可以被抑制。例如，即使当反应温度高达450℃时，凸缘4可以被保持在100℃或更低的温度下。
在传统的装置中，位于反应部分附近的凸缘被烘烤是个难题，然而，通过使用本发明的热交换器一体式反应装置，可以避免该问题的发生。因此，不需要特殊的密封材料(填料)例如碳和金属填料，且可以使用通常在约100℃的温度下使用的低温密封材料(填料)，例如Viton(产品名，由DuPont Dow Elastomers L.L.C.制造)的O型圈。
在本发明的反应装置中，外壳6在其底部具有凸缘4，其优点不仅在于可以选择低温密封材料，而且在于用于固定在外壳上的绝热材料可以顺利地安装在外壳上或从外壳上拆卸，因此易于维护。此外，通过将吊环螺栓旋入设置在与顶板部一体的外壳6的顶板部中的吊环螺检固定部分9中，可把外壳6与热交换器5一体的反应器1分离，从而易于更换反应剂或催化剂。
使用具有加热器的反应器1时的温度可以被设定在从50到700℃的范围内，且优选是从100到500℃，更优选是从250到450℃，然而，该温度可以根据反应的种类进行适当的选择。
用于填充反应器1的催化剂或反应剂(填料)可以根据反应的种类自由地选择且并不受特别限定。填料的量以及反应器与热交换器的长度或直径不特别限定，且可根据反应条件自由选择。为了使填充反应器1的反应剂的中间部分中的温度均匀，设置用于将热量从具有加热器的部分朝着反应器1的中心传递的翅片，以便使温度分布均匀。此外翅片的数量和长度没有特别限定，可以根据反应条件自由选择。
本发明的反应方法的特征在于，使待处理的气体顺序地流过双管7的内管7a和外管7b中的一个，热交换器5，具有加热器2的反应器1，热交换器5和双管7的内管7a和外管7b中的另一个，在该待处理的气体被引入反应器1中之前，利用加热器2对待处理的气体进行加热，从而对反应器内沿气流方向的温度差进行调节。
根据本发明的反应方法，在反应器中充满催化剂/反应剂的层中相对于气流方向，在温度分布中的温度差可以被均匀地保持在50℃或更低。因此，本发明的反应方法可被用于各种反应温度需要被控制得均匀的分解反应和合成反应。
图3示出了当使用图1所示的本发明的反应装置时，在将加热器设定在恒定温度下时，通过改变气体的量，对反应器内的温度分布的测量的结果。在该装置中，从凸缘4到位于反应器1下部的冲压金属板3a的距离约为190mm，位于冲压金属板3a之上的部分充满氧化铝载体。在反应器的具有多个翅片13的40L热交换器一体式反应装置(外径：300mmφ)中，填充有作为固体反应剂11的氧化铝和碳酸钙的混合物，加热器被设定在600℃度恒温下，N2气体的流率被改变为40，80和100L/min，且在假定位于外壳的底部的凸缘部分为0mm点的情况下对反应器内沿垂直方向的温度分布进行测量。温度(内部温度)从反应器的水平中心部分测得。如图3所示，在反应器内部沿垂直方向的温度分布在每个流率的情况下都是均匀的。
图4示出了在保持所使用的气体量恒定的情况下，通过改变加热器温度，对反应器内的温度分布的测量的结果。和图3所示的情况相同，(此处)使用如图1所示的本发明的反应装置，其中从凸缘到反应器的距离约为190mm且反应剂被填充在之上的部分中。温度(内部温度)从反应器的水平中心部分处测得。在该反应装置中，填充有反应剂，N2气体的流率被恒定在80L/min，加热器的温度从450℃变到600℃，且在假定位于外壳的底部处的凸缘部分为0mm点的情况下，对反应器内的沿垂直方向的温度分布进行测量。如图4所示，反应器内的沿垂直方向的温度分布是均匀的。
为了与如图2所示具有外部加热系统的用于40L的传统反应装置相比较，进行温度分布上的测量。如图2的反应装置简略地由一反应器1，一加热器2，一冲压金属板3和一凸缘4构成。
图5示出了，当填充反应剂，加热器温度被设定为600℃，在预热器中被加热到500℃的流动气体以80L/min的N2气体流率流过，且假定位于反应器的底部的冲压金属板3在0mm点处时，对反应器内的温度分布的测量结果。通过测量反应器的水平中心部处的温度，确定该温度分布。所获得的反应器中的温度分布实际上是常规温度分布，其中最大值出现在距离冲压金属板3a约200mm附近，且入口和出口温度较低。
工业实用性
本发明提供一种装置，包括一种结构，其中壳及管式热交换器和具有加热器的反应器形成一体，且在反应装置中用于气体流过的管道具有双管结构，该双管结构由用于流过处理之前的气体和逆流的处理之后的气体的内管和外管构成。
通过使用本发明的装置，热交换效率可以被提高。另外，具有加热器的反应器对于使反应器内的沿气流方向的温度分布均匀是有用的。填充反应器的催化剂或反应剂可以保持为一较宽范围的目标温度，且催化剂或类似物质可以被有效地用在需要对温度进行控制的催化反应和类似反应中。此外，由于热交换器和具有加热器的反应器形成一体，且在该反应装置中用于流通气体的管道具有双管结构，该双管结构由用于流通处理之前的气体和逆流处理之后的气体的内管和外管构成，该反应装置可以被小型化，且可以节省反应装置的外周部空间。

Claims (11)

1.一种反应装置，包括被封装在一外壳(6)中的一热交换器(5)和一具有一加热器(2)的反应器(1)，该热交换器(5)的顶部与该反应器(1)相连，该热交换器(5)的另一端部和所述外壳(6)的底部通过一凸缘(4)彼此固定，用于引入待处理的气体和排出处理过的气体的一双管(7)与所述热交换器(5)的所述另一端部相连，使得在气体通过所述双管中的内管和外管中的一个被引入至通过另一个管被排出的处理过程中，气体顺序流过所述热交换器(5)，所述反应器(1)和所述热交换器(5)。
2.如权利要求1所述的反应装置，其特征在于：所述热交换器(5)为壳管式热交换器。
3.如权利要求1所述的反应装置，其特征在于：所述外壳(6)在顶板部分上具有一吊环螺栓固定部分(9)，使得所述外壳(6)是可拆卸的。
4.如权利要求1所述的反应装置，其特征在于：所述反应器(1)在其内部具有翅片(13)。
5.如权利要求1所述的反应装置，其特征在于：所述翅片(13)被设置在所述双管(7)中的所述内管(7a)内部和/或在所述双管(7)中的所述内管(7a)和所述外管(7b)之间。
6.如权利要求1所述的反应装置，包括一种其中待处理的气体经所述内管(7a)被引入并经所述外管(7b)被排出的机构。
7.如权利要求6所述的反应装置，其特征在于：所述双管(7)的所述外管(7b)具有一热辐射板。
8.如权利要求1所述的反应装置，其特征在于：所述反应装置适合于被水平地安装，且所述具有一加热器(2)的反应器(1)和所述热交换器(5)彼此相对水平放置。
9.一种反应方法，包括：按顺序依次地使一待处理的气体经过一双管(7)中的内管(7a)和外管(7b)中的一个管，一热交换器(5)，一具有一加热器(2)的反应器(1)，该热交换器(5)，和该双管(7)中的另一个管，且在该待处理的气体被引入所述反应器(1)之前借助该加热器(2)对该待处理的气体进行加热，从而调节所述反应器(1)内沿气流方向的温度差。
10.如权利要求9所述的反应方法，其特征在于：所述待处理的气体经所述双管(7)的所述内管(7a)被引入，且经所述外管(7b)被排出。
11.如权利要求9或10所述的反应方法，其特征在于：所述温度差被调节到50℃或更小。
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