具有用于放热和吸热多相化学反应的换热器的催化反应器

摘要

一种用于假等温反应器的换热单元，假等温反应器包括相对的两端分别被底板(3，4)封闭的基本上是圆柱状的壳体(2)，至少一个底板上提供有至少一个有预定尺寸的人孔口(5)；为包含催化床而设置在壳体(2)内的反应区(6)，其特征在于：该换热单元包括至少两个具有预定的横截面积小于人孔口(5)横截面积的模块化和组配式换热器(11)，每一个换热器(11)都包括至少一个换热部件(12)。

说明书

技术领域

从广义上说，本发明涉及用于进行放热和吸热多相反应的假等温反应器，其包括相对的两端分别被底板封闭的基本上是圆柱状的壳体，其至少一个底板上提供有至少一个有预定尺寸的人孔；为包含催化床而设置在壳体内的反应区和置于所述反应区内的换热单元。

更具体地说，本发明涉及用于上述类型的假等温反应器的换热单元，其包括至少一个将浸没在所述催化床中的换热器。

发明背景

众所周知，为了进行催化放热或吸热反应，大量使用称为绝热反应器的化学反应器，即，在该反应器中，进行反应时没有任何热交换，反应温度随所述反应是放热或吸热而升降。

这种反应器是经济的，并且易于建造，因为除用于建造和支撑催化床的常规设备或装置外，这种反应器不需要特殊的设备和/或装置。

但是，人们已经认识到这种反应器的严重缺陷，即，当需要控制反应温度时，例如，在温度必须在相当窄的范围内波动的情况在或者甚至在必须保持恒定的预定温度的情况下，都不可能以任何方式对其干预。

为了克服这一缺陷，特别是对于强放热或吸热反应，人们已经设计出一种绝热反应器，其中，催化床分成多个绝热阶段，这些绝热阶段沿反应器轴分布，彼此被换热系统或单元分开。

通过这些单元，基本上能够重新排列气相反应试剂和以预定温度值排出每一个绝热阶段的反应产品的温度，从而能够对每一个绝热阶段的温度进行某种程度的控制。但是，这却不能最好地利用催化剂，因为它是在远离最大反应速率的情况下操作的。

术语“最大反应速率”表示对应于催化剂最大产率的反应速率，因此，在转化产率相同的条件下，要使用最小体积的催化剂。

因此，有人提出一种所谓的等温或假等温催化反应器，即，通过在催化床内实现适宜而连续的热交换控制反应温度的反应器。为此，对于上述类型的反应器，人们大量采用浸没在催化剂内的大壳管式换热器。合适的换热流体横穿换热器的管。人们提出的另一种方案是在大管束的管内布置催化剂，用选定的换热流体防止其冲击外部。

尽管在一些方面具有优点，但是，特别而又最重要的是，在几乎温度恒定的条件下进行反应时，现有技术中提出的假等温反应器具有结构复杂性，还具有下面所述的人们已认知的缺点，这一点与绝热反应器相同，甚至更甚。

众所周知，一定的活性期后，反应器，特别是绝热反应器必须进行全部清刮，因为内部设备和装置会磨损或工业报废，但是，它们仍然有基本上合理和在工业上有价值的外壳。

考虑到在催化反应器内，无论是绝热反应器还是假等温反应器，大家都认识到：从技术和工业角度考虑，最昂贵的、最有价值的最值得生产的部分是其外壳和各自的封闭底板，目前需要或者更好的愿望是回收和再利用反应器的外壳，一旦其内部设备的寿命终结，可以将现存的设备从中拆除，在其中重新安装其它从结构和功能角度考虑更新和更先进的设备。

另外，至于假等温反应器，日益需要提高现有反应器的容量、产率和效率，因此，需要用工业上更先进的内部设备取代正在使用的内部设备。

换句话说，一直需要翻新上述催化反应器(包括绝热型和假等温型)，否则将全部清刮，从操作的角度考虑通过将它们有利地转变成各个高效的假等温反应器是不能满足要求的。

但是，装置回收或转变目前尚未实现，因为，作为公知常识，要将其实现是很难的，不经济的，基本上是不可能的。

事实上，要替换所述反应器内包含的磨损或报废的那些设备和装置，例如，特别是包括大量被相对的大管板支撑的，形成大而复杂的管束的这种类型的换热单元的设备和装置要具有下述尺寸：为了将它们放置在回收壳体的内部，例如，必须首先除掉至少一个底板，然后进行艰巨而困难的将除掉的底板复位的工作，还有可能损害如此得到的反应器的功能和结构特征。

发明内容

本发明要解决的技术问题是得到一种用于假等温催化反应器的换热单元，其具有能够满足上述要求的结构和功能特征。

本发明解决了上述问题：一种用于假等温催化反应器的换热单元，假等温催化反应器包括相对的两端分别被底板封闭的基本上是圆柱状的壳体，至少一个底板上提供有至少一个有预定尺寸的人孔；为包含催化床而设置在壳体内的反应区，其特征在于：该换热单元包括至少两个具有预定的横截面积小于人孔口横截面积的模块化和组配式换热器，每一个换热器都包括至少一个换热部件，换热部件优选包括一对利用焊接相互结合成预定空间关系的并列金属板，以定义它们之间的预定宽度的间隙。

参考附图并结合下述本发明实施方案的例示性但非限定性的实施例的描述，可以更清楚地看到本发明的换热单元的特征和优点。

附图简述

图1是示意性地示出包括本发明的换热单元的假等温反应器的轴测图。

图2是示意性地示出图1的换热单元的细节的放大透视图。

图3是示意性地示出图2细节的放大透视图。

图4是示意性地示出包括本发明另一个实施方案的换热单元的假等温反应器的轴测图。

具体实施方式

参照上述附图，标号1从整体上示意性表示假等温反应器，假等温反应器包括圆柱壳体2，圆柱壳体2的两个相对端被各个底板，下底板3和上底板4所封闭。

上底板4上有具有预定横截面积的所谓人孔口5。

为了包含催化床，在壳体2内布置反应区6，在附图中，反应区6包括上线7和下线8之间的部分，催化床是公知的，这里不再详述。

在反应区6内支撑将浸没在一定体积的图中未示出的合适催化剂中的换热单元，换热单元整体上用标号10表示。

所说的换热单元10是圆柱形，其外径基本上等于所述壳体的内径，其轴向与圆柱通道30相交，圆柱通道30优选具有大到足以成为人孔的直径。

在图1所示的实施方案中，所说的换热单元10包括三个换热器11，它们分别是多个9a、9b和9c，它们都是圆柱形，它们相互支撑，它们的部件同轴和同心排列。

根据本发明，有利的是，换热器11的多个9a、9b和9c中的每一个都模块化，都可以组配，都用预定的横截面积，其横截面积小于人孔5的横截面积。

根据该实施方案，换热器11在反应器内还进行排列分布，其排列方向是各自的径向母线，并且以下述方式进行支撑。

为了更清楚地表示图1的反应器，每一个换热器11都表示为包括三个换热部件12，这将在图2和3中详述。

每一个换热部件12都优选基本上是板状，由一对利用周边焊接14相互结合成预定空间关系的并列金属板13a、13b形成(图3)。从而在所述的金属板13a、13b之间定义了预定宽度的间隙15，间隙15用于流通换热工作流体。

具体来说，根据本发明的特点，金属板13a和13b还可以通过规则分布的多个焊点16相互结合，焊点16优选具有所谓的梅花和/或正方形节距，这将使换热部件12具有基本上是“被褥(quilted)”的形式。

优选在每一个换热部件12的相对两侧上都分别设置有所说的换热流体的入口和出口接点17、18。

必须注意：因为存在有上述焊点16，所以所说的流体在本发明的换热部件12的间隙15中的流程是弯道，所有这些弯道自身之间及其分别与接点17、18之间都是流体相通的。这些通道可以连续而随意地改变，这有助于换热器11的换热效率，从而可以对反应温度进行优化控制。

换热部件12的入口和出口接点17和18分别连接和固定在上和下管道19、20上(图2)，它们通过19、20劲化在一个单独结构中，从而形成相应的换热器11。

包括多个9a、9b和9c的换热器11的所有上管道19都通过相应的用标号22整体表示的多个接管与各个环形分配器21连接。这种环形分配器与换热单元10同轴，并且支撑在其上。

有利的是，用于将换热流体导入换热器11的所述环形分配器21包括多个弯曲孔段，每一个弯曲孔段的尺寸都能够通过上述人孔5。

换热器11的下管道20通过接点29连接各个歧管26和39。

歧管26从所说的壳体2的内壁线性和径向延伸至所说的轴向通道30。然后歧管39形成圆弧，它们都与壳体2的轴同心，在相邻的歧管26之间延伸，并且通过歧管26流体相通。

沿同一径向母线在反应器内排列的多个9a、9b和9c的换热器11排列在径向歧管26上。相反，其它换热器11排列在歧管39上(图中未示出后一种排列)。

有利的是，根据一个优选实施方案，为了形成一个基本上是平面的且格栅形状的结构，用多个歧管26和39在壳体2内支撑整个换热单元10。为此，合适尺寸的每一个歧管26都是一端固定在设置在壳体2内壁中的环形支座28上，环形支座28位于反应区6的下端，每一个歧管26的另一端固定在中心圆柱管27的壁上，中心圆柱管27设置并延伸到所述换热单元 10的轴向通道30中。而歧管39的端部固定在歧管26上。图1中所示的三个歧管39的端部固定在歧管26上。

有利的是，所有的歧管26和39都通过开孔31与所说的管27流体相通，它们将从各个换热器11收集来的换热流体向管27输送。

环形分配器21与歧管26和39都与反应器外部流体相通，更具体地说，环形分配器21通过进料管24与入口喷嘴23流体相通，而歧管26和39与喷嘴25流体相通。

换热器11一个接一个地通过上述人孔5插入壳体2后成组地安装和固定在歧管26和39上。多孔保护部件32完全覆盖喷嘴25。

中心管27通过多个支柱33支撑在反应器内，支柱33靠在保护部件32上，其另一端靠在管27的封闭底板43上。

根据本发明的另一特征，在换热器11中，各个换热部件12根据相互预定的收敛度排列，而在壳体2内部，更确切地说是在反应区6中，所说的换热器11的布置方式有利的是使各个部件12辐射状排列(图1)。

在图1的实施方案中，在换热器11内流动的换热流体是在中心管27内流动的气相反应试剂自身形成的。管27适当地使接点18通过开孔31与所说的反应区6的上部流体相通。事实上，如上所述通过进料管24加入换热单元10的反应试剂通过各个出口接点18排出后输送到管20和接点29，然后通过径向歧管26进入中心管27。

适当加热或冷却的气相反应试剂从管27到达反应区6，它们穿过反应区6的全部长度，它们通过出口喷嘴25排出反应器1。

包含在反应区6内的催化床被惰性材料的颗粒层支撑。上述保护部件32布置在底板3上，并且与喷嘴25邻接，允许气体通过，同时，该保护部件32能够保持惰性材料颗粒。

有利的是，壳体的下底板3上安装有至少一个开孔34，开孔34上连接有各个喷嘴40，喷嘴40用于排放报废的催化剂。

具体来说，因为存在有开孔34和喷嘴40，所以催化剂从反应器1的排放作业极其容易而快速，不需要现有技术所要求的任何耗时的从上面抽吸催化剂的干预操作。

参看图4，在换热器11内流动的换热流体是不同于反应流体的流体，如水、水和蒸汽或透热流体。换热流体从入口喷嘴35进入管36，然后在前面已经描述过的从环形分配器21至中心管27的流体通道内流动。从中心管27出来的换热流体通过适当的管道37和出口喷嘴38排出反应器。

根据该替代的实施方案，反应试剂从入口喷嘴23加入并流经反应区6的全部长度后，通过出口喷嘴25排出反应器1。

必须注意：上述壳体2可以重新设计，也可以由除掉内部设备回收的现存假等温反应器(将用于清刮的反应器翻新)的壳体组成，还可以由已经除掉内部设备的现存绝热反应器(将反应器从绝热向假等温转变)组成。

事实上，为了替换从回收壳体内部除去的每一个设备，易于插入和安装本发明的换热器11。

还应当注意：用本发明的换热单元可以在重新设计的反应器内实现最佳的换热效果，在上述翻新和转变的反应器中也会达到这种优化的换热效果。

每一个换热器11中的部件12的数目随人孔5的横截面积、单个部件12的横截面积及换热器11的部件12之间的距离变化。

另外，在同样的反应器中，换热器11还可以包括不同数目的部件12及不同大小的部件12。

焊点16在部件12中的分布也可以不规则，例如，在一些区域内稠密，而在其它区域内就绝对没有焊点存在。

图1和4中所示的圆弧形状的歧管39可以是在相邻歧管26之间延伸的直线或者是分支结构。在后一种情况下，歧管39在歧管26和歧管39之间及歧管26和歧管29之间延伸。

一种在图1中未示出的替代性实施方案的反应器将来自喷嘴23的反应试剂提供进料管24供给中心管27，其中，换热流体通过流经开孔31而在单元10内从接点29向接点17循环，为了流经反应区6并且从喷嘴25流出，换热流体从接点17排出。

在图4所示的另一种替代性反应器中，冷却或加热流体通过喷嘴38、管37和中心管27供入换热单元10；这种流体通过管36和喷嘴35流出。

在这两种所说的替代性实施方案中，换热单元10内的流体都与反应区内的流体逆向流动。