反应器、特别是放热反应的反应器

摘要

本发明涉及一种反应器,特别是用于放热反应的反应器,包括:基本上为圆筒形的外壳(2);外壳内至少一个含有多孔圆筒形外侧壁(4)和与其共轴的内侧壁(5)的催化床(3),所述侧壁与所述外壳形成一自由空间(8);所述催化床(3)内一个热交换器(13),所述热交换器(13)是通过多个与冷却流体的加入和排出收集器(14,16)流体连接的旋管型、盘管型或类似形状的管子(15)组成。更具体地说,所述热交换器(13)包括多个叠加和结构独立的模式单元(20),每个单元包括至少两个旋管、盘管或类似形状的管(15),所述管垂直于外壳的轴(2)并且绕着所述催化床(3)的所述内壁(5)的相应部分(25)盘绕,并且与所述加入和排出收集器(14,16)具有对应的连接部分(22,23)。

说明书

应用领域

本发明涉及一种特别是用于放热反应的反应器，该类型的反应器包括：

—基本上为圆筒形的外壳；

—外壳内至少一个含有多孔圆筒形外侧壁和与其共轴的内侧壁的催化床，所述外侧壁与所述外壳形成一自由空间；

—所述催化床内的热交换器，所述热交换器是通过多个与加入和排出冷却剂流的收集器流体连接的旋管型、盘管型或类似形状的管子组成。

在该具体技术领域，该类反应器通常称作“等温反应器”或“假等温反应器”，这是指在放热和吸热反应过程中，其中进行反应的催化床的温度基本上保持恒定或根据预定分布图进行控制的反应器。

举例说明，这种反应器可以用于通过化学物质的放热反应进行的合成，例如甲醇或甲醛。该反应器也可以用于通过吸热反应进行的化学物质的合成例如苯乙烯。

对于该应用领域，越来越需要实现产量大和安全可靠的等温反应器，它还具有投资和维修费用低的简单结构。然而这些特征必需与小的压降、低的能耗，并且反应剂和冷却或加热流体之间具有高的热交换效率的操作能力相一致。

现有技术

现有技术已经提议了多种试图满足上述要求的方案。例如，已经提议了多种具有径向型催化床的多种等温反应器，其中的催化床包括多个直立地并以密集图案排列的热交换管。

该反应器的一个实例公开在德国专利申请DE-A-3318098中，其中可以预见一种含有多个热交换管的反应器，这些热交换管排列成螺旋型，绕着轴向收集器垂直延伸。应当注意的是，在上述具有轴向催化床的等温反应器中，热交换管的螺旋排列也是公知的，例如US-A-4339413和US-A-4636365。

对于轴向型催化床，尽管考虑到某些方面的优点在于催化床的径向构型可以以简单经济的方式在低压降和低能耗下得到高的生成能力，但是上述德国申请中的等温反应器具有许多缺点，描述如下。

首先，排列成螺旋管束的所有管分布不能有效地匹配径向移动通过催化床的气体反应物流体的放热或吸热模式。事实上，与直立排列的螺旋管相垂直流过的气体流，通过催化床时，与不同温度下的不同管接触，这造成气体反应剂和热交换流体之间热交换效率低。

换句话说，对于气体反应剂径向流过催化床的放热反应，外部螺旋管碰撞的是刚刚开始反应的气体，因此放出少量热，而更内部的螺旋管碰撞的是这样的气体，管子从它们那吸收越来越大量的热直到从它们那放出的热达到一个最大值的点。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减小。

结果，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，只要热水流入管内带走反应热，并转化为蒸汽时，很清楚，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。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，这意味着以质量流速计算，低的水蒸发量，随着而来的是低的排出速度和高的水流速。相反，与高温气体反应剂接触的螺旋管的热载荷大，这意味着以质量流速计算，水的高蒸发量，随着而来的是高的排出速度和低的水流速。

因此，当反应器工作时，发生的情形是，高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程度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，这甚至引起温度的失控。

此外，过量蒸汽促进了管内水中存在的残留物的沉淀，因此影响管的热交换效率。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相对的结构和生产复杂性产生的，这需要高的投资和维修费用。

正是由于这些缺点，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或垂直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。

德国专利申请DE-A-3708957中公开了另一个公知技术，在其一个实施方式中，提及了一种等温反应器，包括基本上为圆筒形的外壳，外壳内至少一个催化床(包括一圆筒形无孔外壁和与其共轴的内壁)和一多孔环形底部。此外，催化床内有一热交换器，其中该热交换器是由与外壳轴垂直的多个螺旋型排列的管组成，所述管与冷却流体加入和排出的收集器流体连接。

正如上述公知技术，难以用少的投资实现该反应器结构。热交换器的复杂性不允许维修工作中反应器内可能存在的损伤。

此外，气体反应剂以与用于冷却流体通过的螺旋型管横向的方式流入催化床，因此流体之间的热交换具有与上述相同的缺点。

本发明涉及的技术问题是提供一种用于进行放热或吸热非均相反应的等温或假等温反应器，其结构和功能特征允许以简单和可靠的方式实现，投资和维修费用低，可以在低的内部机械载荷以及反应剂和冷却或加热流体之间高的热交换效率下工作。

发明的简述

基于本发明的解决问题的思想是提供许多模式单元，这些单元是由盘成旋管、盘管或类似方式的管组组成，每个管组形成热交换器的一部分，模式单元可以现场彼此叠加或堆叠并与加入和排出冷却/加热流体的收集器连接。

在该解决问题的观点的基础上，根据本发明该技术问题是通过上述反应器解决的，其特征在于热交换器包括许多叠加和结构独立的模式单元，每个单元包括至少两个旋管、盘管或类似形状的管，所述管垂直于外壳的轴并且绕着所述催化床的所述内壁的相应部分盘绕，并且与所述加入和排出收集器具有对应的连接部分。

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

事实上，根据本发明，排热或供热的每个单管沿着基本上垂直于多孔侧壁的板延伸。

为此，管基本上与含有反应剂和反应产物的流体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，随动于其所有热变化，因此也随动于催化床的入口到出口部分的反应剂的温度分布图。因此，只要在催化床内根据本发明排列着大量管，每根管就承担相同的热载荷，排出或供应相同量的热载荷，对催化床的热交换效率和转化率都非常有利。

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。

参考附图，通过下面实施方式说明性的而非限定性的描述，本发明的特征和优点将变得更加清晰。

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透视剖面简图。

图2表示图1反应器组件的透视简图。

图3和4分别表示图2组件的结构细节的放大简图。

图5表示图1等温反应器纵截面简图。

图6表示根据本发明反应器的顶部细节的纵截面放大简图。

图7表示包括在图1反应器中的热交换器的顶视图。

图8表示图7的热交换器细节的纵向简图。

图9表示图7热交换器的结构细节的截面图。

参考这些附图，本发明实现的用于放热或吸热非均相反应的等温或假等温反应器全部简单地用1表示。

反应器1含有一基本上为圆筒形的外壳2，该外壳直立并且底部密封，上部开口。外壳2内安装一催化床或催化篮，通常用3表示。

密封顶盖36(图5)是用于在安装和/或负载催化剂的位置的构造状态的末端处密封外壳2的入口。

催化床3侧边分别通过相对的圆筒形多孔外壁4和多孔内壁5界定，这些侧壁如附图5简单的表示，允许含有反应剂的流体进入和含有反应产物的流体出去。

含有催化剂的圆筒形壁可以是多种不同的公知结构，例如包括穿孔、多孔、用金属网覆盖或者为简单的多孔板。

通常加入反应器1中的物质是气相的。因此，下面描述中，术语“含有反应剂的流体”和“含有反应产物的流体”分别用于表示气体反应剂流和气体反应产物流。

然而，很显然，本发明的反应器也可以用于液相或液/气相反应。

本发明仅仅作为说明的实施例中，多孔壁4和5可以透过气体，分别允许气体反应剂流体进入催化床3和气体反应产物的流体流出催化床。

催化床3的下部还由不透气的底部6界定，该底部即使不对应也支持在对应的反应器的底部。该催化床甚至还可能悬挂在外壳上，即使这不改变发明的特征。

有利地，外壳2中侧边喷嘴9是用于反应气体的入口，它邻近外壳2的入口排列在催化床3上。根据该要求，还提供一加入喷嘴。高压外壳2的顶盖36没有喷嘴使本发明反应器的结构特征成为可能，这在下面的描述中将变得显而易见。

以正相反的相对位置排列的至少一对孔11将催化床3的底部6与该床3的各个排出管道26连接。这种管道26分别导向各个喷嘴30。

根据排出要求或外壳底部的设计，孔11的数量甚至可以更大。

为了使径向部分比轴向部分对正确的轴向—径向通过催化床3更有关，内侧壁5可以具有一从其顶部延伸的短的无孔并且不透过气体的部分。众所周知，径向型催化床，甚至更显著地是，轴向—径向型催化床特别有利地在于，它们能够得到高的转化率，气体反应剂低压降的同时，使利用高活性和小粒径的催化剂成为可能。

在催化床外壳2和外侧壁4之间具有一环形自由空间8，用于得到最佳分布，将气体反应剂加入到催化床3中并为气体界定了一种外部加入收集器。为此，自由空间8与反应器1顶部气体入口喷嘴流体连接。

反过来，侧壁5界定了一基本上与反应器轴共轴的内部管道10，用于收集和排出来自反应器1中的反应过的气体流；该管道10是气体的内部排出收集器。为此，管道10在其下部分是锥形的，并与气体出口喷嘴17流体连接。其上部分，导管10被挡板12封住。

为了向流入催化床3的气体排热或供热，以保持反应器1为假等温条件，或保持为预定的温度分布，在催化床3内安装一用于传输冷却/加热流体的热交换器13。该交换器13包括多个相对于外壳轴横向布置的旋管、盘管或类似形式的许多管15；这些管15分别与冷却/加热流体的加入和排出收集器14和16流体连接。在一优选实施方式中，管15是平旋管形式。

管15的螺旋型设计对热交换效率和结构简单性和灵活性方面都特别有利。事实上，螺旋型管可以适应于催化床3采取的各种尺寸，并且特别是能够覆盖催化床本身的所有面积，因此在床的任何部分都得到一有效的热交换。

此外，根据排热或供热的量，旋管15可以设计有或紧或松的弯头，即多原理(multi-priinciple)螺旋。

例如，旋管可以是恒定螺旋节距，也就是说沿整个螺旋管的不同螺旋之间具有相等的距离。无论如何，可以根据螺旋半径的不同改变螺旋节距而得到特别有利的结果，以使之适应催化床3内气体反应剂的温度分布图，随动于所有热量变化。

另一方面，也可以考虑使用盘管型管子；这种表述是用于表示基本上为曲线的管子或具有曲线和直线部分之外图案的管子。

此时，不同螺旋之间的距离根据螺旋的半径的改变而变化，优选的是，螺旋节距随着螺旋半径的增加而减小。为了使催化床3特别是轴向—径向床内气体反应剂流体的不同分布为最佳方式，管15甚至可以按下列间距排列，该间距在相邻两管的板之间是不同的。

为此，有可能使管15的间距适应于排热或供热量；换句话说，随动于催化床3内温度分布，对热交换效率非常有利，这有利地影响转化率和能耗。

由此可见，有可能得到相邻两管的投影之间距离更近的管15的分布密度更大的区域，在此气体反应剂的流速更大，因此热载荷也更大，和相邻两管的盘之间距离更远的管15的分布密度更小的区域，在此气体反应剂的流速更小。

冷却或加热流体是通过加入收集器14加入到管15中的，其中收集器与一个或多个入口喷嘴18流体连接。相同流体是通过排出收集器16排出管15的，其中的收集器16与一个或多个出口喷嘴19流体连接。

根据本发明，有利地是，收集器14和16平行延伸，安装在由催化床3的内侧壁5界定的导管10中。在其下部，收集器14导向喷嘴18，而收集器16导向喷嘴19。

根据本发明一个特别有利的方面，排热或供热管15在催化床3内部沿着基本上相对于反应器1横向布置的轴和侧壁4和5的板延伸成旋管型、盘管型或类似形状，优选为平的旋管型。

在后面的描述和后附权利要求中，术语“平螺旋型管”是指沿着板以恒定间距或随动于任何可能的几何级数基本上盘成螺旋型的管。该螺旋型可能近似于任何可能数量的圆弧。

由此可见，每根管15在其全部长度上被反应剂气体的相同部分碰撞，因此随动于从催化床3的入口到出口它们所有的温度变化以及它们的温度分布图。

此外，在各个基本上彼此平行的盘上排列成螺旋型的管15，都承受着相同的热载荷，因此以相同方式工作。这暗示了催化床3内最佳的温度分布，而没有温度失控的危险，气体反应剂和冷却或加热流体之间有效的热交换，对转化率和能耗非常有利。

值得指出的是，管15在催化床3内沿着基本上平行于气体反应剂流体流过催化床的方向的板延伸。

在图1的实施例中，外壳2是直立的，管15在催化床内以螺旋形式沿着基本上垂直于壳的轴的板延伸。

甚至更有利地是，热交换器13包括多个彼此叠加并且结构独立的模式单元20，每个单元20包括至少两根平螺旋型的管15，这些管15绕着催化床3的内部侧壁5的相应部分25缠绕。

在图1的实施例中，仅仅给出了第一个模式单元20，它安装在催化床3的底部6上。

垂直于反应器轴的螺旋管的板可以以相同间距排列，也可以以不同间距排列。

如图2所示，平螺旋型、盘管型或类似形状的管被安装在基本上为篮子形状的笼结构中，其中有利的是，每个模式单元20还包括多孔圆筒形壁的里面部分25，它组成所述催化床3的所述内侧壁5的一片或一部分。

根据潜在的实施方式，每个模式单元也可以包括组成所述催化床的所述外面侧壁4一片或一部分的多孔圆筒形壁的外面部分。由此可见，不但是催化床3的内侧壁5而且还有外侧壁4都由叠加的模式单元20组成。

模式单元20的每单个螺旋支承在预定数量径向支承件上。该支承件可以形成自支承型星型金属结构的一部分，或者可以简单地支承在下面的螺旋管上。

有利地是，如图7简图所示，上述螺旋管的星型支承金属结构是通过铰接在杆状立杆28上的相对末端的辐(rays)(29)形成的，以能够根据操作过程中反应器内外收集器产生的温度变化将螺旋管的位置从平状改变为锥形。

模式单元20是在反应器1的安装步骤中现场彼此堆叠在一起的，以使上述杆状立杆28通过图9所示连接元件32彼此通过快速离合连接。

设备内放置的所有元件在反应器工作过程中相对于与之连接的元件可以自由地进行微分热膨胀。

管15甚至可以单独地连接到喷嘴18和19上，因此每根管15带有冷却/加热流体的加入和排出导管。然而，优选的是，每个模式单元20对应于所述冷却/加热流体的加入和排出收集器14，16具有对应的连接部分22，23。

反过来，连接部分22和23是置于预定多个螺旋管和收集器14，16之间的分配收集器，由此这些收集器分别具有分配和收集从所有螺旋管进入反应器的流体的任务。

螺旋管和收集器之间的连接是由所述部分22，23形成的，所述部分22，23通过流体通路连接到主收集器上，所述流体通路保证了连接的灵活性，避免使用膨胀补偿器，对可靠性有利。

管15通过中间导管36连接到连接部分22，23上，如图2和3所示，所述导管36在螺旋管的相邻板中间径向穿过每个模式单元20。每个中间导管36还导向导管22，23的垂直连接部分37，使主入口的每个管15和出口收集器中间的流体连接成为可能。

换句话说，每根单螺旋管在其相对两端连接，一端连接到与入口收集器14流体连接的连接部分22上，另一端连接到与出口收集器16流体连接的连接部分23上。

在优选实施方式中，例如当反应器是气/气型并且具有特别相关的大小，四层叠加的平旋管分别连接到每个连接部分22或23上，每个模式单元20包括三组具有连接收集器的对应部分22，23的四个螺旋管。

模式单元20在安装反应器过程中现场彼此叠加。为了正确调整和叠加模式单元20，可以提供导杆肋(guide rib)27，如图1所示，该导杆肋沿着催化床3的外侧壁4的内表面以预定间距纵向延伸。

导轨33(反向装置)设置在每个杆状立杆28的外面，以在每个对应肋27中滑动，并现场导引堆叠的每个模式单元20在具有相同结构的下面单元上滑动。

在收集器部分22，23和收集器14，16之间的连接点用孔34，35表示，所述孔以下述方式以预定间距成一直线形成在收集器14，16上，即当它们彼此叠加时在构造步骤过程中在不同模式单元20的顶端结束。图1简单地说明了这种结构特征。

这种排列的优点在于，现场通过焊接或形成凸缘(如附图中所示)形成的连接处就大大减少，这些连接处设置在非常方便的地方。

应当指出的是，所得结构非常易于实现，相应地，相对于现有技术节约了维修和投资费用。

图5中示出的实施方式特别有利，这是因为具有全部彼此连接在一起的管15，得到的结构特别简单，因为它仅仅需要一个冷却或加热流体用的加入收集器14和一个排出收集器16。

根据本发明的反应器能够有利地用于基本上所有的放热或吸热反应。具体地说，本发明反应器非常适用的放热反应的实例是甲醇合成、氨合成、甲醛合成、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合成。

高热量下转变为蒸汽的热水以及熔融盐和透热油都优选用作排热流体(对于放热反应)。类似的流体也可以用于吸热反应的供热。

下面将简单地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15的冷却或加热流体的操作条件是要进行的具体反应的常规条件，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：即合成压力50-100bar，合成温度200-300℃，蒸汽产生的压力15-40bar。

参考图5，将气体反应剂流通过喷嘴9和反应器顶部的气体入口自由空间8加入到催化床3中，并在其内部流过多孔壁4和5。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15的流体来排出或供给。

该流体是通过与喷嘴18连接的收集器14加入反应器1中，并通过每个模式单元20的每个连接元件22加入到平旋管15中。然后由此开始，这些流体通过相应组的管15(其对应的自由端连接到收集器16的连接部分23上)，并通过喷嘴19排出反应器1。

最后，通过多孔壁5离开催化床3的反应过的气体流被收集在中心管道10中，然后通过喷嘴17排出反应器1。

从上面的描述中可以清楚的看出，本发明具有许多优点，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，同时可以允许在高转化率、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的条件下操作。

此外，上述排列在多个方面具有优点，主要在于：

—放在催化床底部的催化剂上的机械载荷更小，因此装料的时间间隔更长；

—内部机械载荷更小；

—催化剂的负载/卸载操作更加灵活；

—易于检修内部；

—根据内部模式化，仓库中可以准备一个或多个整元件作为备用元件，这样即使内部可能出现故障时，将工厂停工期限降低到最小。