热交换器、包括该热交换器的反应器设备以及反应器温度控制的方法

摘要

本发明涉及一种热交换器(1)，其包括：至少两根热交换器管(3)的束，其中热交换器管(3)的束垂直定向，并由热交换器管板(31)封端；热交换器壳体(5)，其包围热交换器管(3)的束，其中在热交换器壳体(5)中，液体传热介质(7)在热交换器管(3)的束周围穿过；热交换器罩(9)，其在上面封端热交换器壳体(5)；热交换器底部(11)，其在下面封端热交换器壳体(5)底部；传热介质(7)的给料点(13)，其在热交换器壳体(5)上通入热交换器(1)；传热介质(7)的出口(15)，其在热交换器壳体(5)上从热交换器(1)导出；以及紧急泄放口(17)，其在接近热交换器罩(9)处布置。热交换器(1)的特征在于，热交换器(1)包括在接近热交换器底部(11)处布置的安全装置(19)。本发明还涉及一种反应器设备(101)，其包括：反应器(27)；本发明的热交换器(1)，其连接至反应器(27)；以及泵(29)，其连接至反应器(27)和/或热交换器(1)，用于使液体传热介质(7)中的至少一些循环的。最后，本发明涉及用于控制反应器(27)的温度的方法以及本发明的热交换器(1)的用途。

说明书

本发明涉及热交换器、涉及包括反应器和该热交换器的反应器设备(arrangement)以及涉及控制反应器温度的方法。

用于反应器及类似装置的热交换器原则上由现有技术已知。例如，DE 22 07 166 A1记载了包含环流传热介质的用于反应装置的冷却组件，其中在用于传热介质的反应容器外部布置循环泵和冷却器。其中，循环泵和冷却器容置在两个并排设置的壳体中。此外，用于传热介质的膨胀容器布置在泵壳体上方并与泵壳体连通，并且用于冷却剂的蒸汽分离器直接布置在冷却器壳体上方并与冷却器管连通。在膨胀容器的盖中可以布置防爆盘。

关于改变管壳式反应器(shell-and-tube reactor)的温度的方法，DE 10 2006 034 811 A1记载了对冷却介质无特殊限制的盐浴冷却器。该冷却器具有均衡容器，其中布置有填充液位计。当达到预定的填充液位时，过量的传热介质经溢出泄放口和/或紧急泄放口流走。除了在传热介质过度膨胀时使用外，紧急泄放口还在例如倘若蒸发冷却器管破裂时发挥作用。

当将所讨论类型的热交换器作为冷却器运行时，泄漏的时刻极其危险。冷却器管含有压力为50巴以上的水/水蒸汽。这些冷却器管之一的破裂则会迫使水以此压力进入传热介质中。由于液体传热介质在例如约280℃的温度下循环，所以水立即汽化，并因此产生高压的自发积累。

如上所述，现有技术因而包括预防措施，以便在过压的情况下从热交换器(即，冷却器)释放压力。然而，这些装置尚未在实践中得到充分证明。所讨论类型的热交换器，特别是盐浴冷却器，能够计量4m至8m之间的高度。尽管极度小心并进行良好的设备维护，现有技术中所描述的冷却器管破裂这种不大可能发生的情况在实践中却仍一再发生。就此而言，已注意到这种管破裂主要发生在冷却器管的下部区域，即，仅距冷却器管板的短距离处。

当使用的冷却介质为水(其被传热介质汽化)时，它通常以液体形式存在，直到冷却器管下部区域的一定高度。实践中，在此特定区域中屡次观察到管破裂，并且这些管破裂尤其可归因于不正确的冷却器操作。管破裂的另一个原因可能是给水品质不足，导致原因不明的应力和/或腐蚀。当发生管破裂时，则蒸汽需要穿过其上方的传热介质柱或移动传热介质，以便经由现有技术已知的紧急泄放口或经防爆盘而释放积累的压力。这种穿过或移动可行，只是难度极大，特别是在常规使用的密度相对高的传热介质(例如密度为2的盐浴)的情况下。

结果是，冷却器夹套暴露于通常并非为其设计的压力下。所讨论类型的热交换器(即，特别是包含液体传热介质的冷却器)通常为无增压设计。在最坏的情况下，由管破裂引起的压力积累能够导致冷却器夹套本身撕裂以及传热介质向外溢出。这对人体健康和环境造成了严重危险。

鉴于现有技术的缺点，本发明的目的是提供改进的热交换器，其确保特别是发生泄漏情况下的迅速而安全地卸压。另一目的是提供相应的反应器设备以及详述控制反应器温度的方法，其中所述设备和所述方法不具有现有技术的缺点。

在本发明的第一方面，上文提及的目的通过热交换器(1)实现，其包括：

-至少两根的热交换器管(3)的束，其中热交换器管(3)的束已经垂直定向，并在底部由热交换器管板(31)封端，

-热交换器壳体(5)，其包围热交换器管(3)的束，其中在热交换器壳体(5)中，液体传热介质(7)围绕热交换器管(3)的束穿过，

-热交换器罩(9)，其密封热交换器壳体(5)的顶部，

-热交换器底部(11)，其密封热交换器壳体(5)的底部，

-传热介质(7)的给料点(13)，其中所述给料点提供在热交换器壳体(5)上，并导入热交换器(1)，

-传热介质(7)的出口(15)，其中所述出口提供在热交换器壳体(5)上，并从热交换器(1)导出，

-紧急泄放口(17)，其布置在接近热交换器罩(9)处。

热交换器(1)包括布置在接近热交换器底部(11)处的安全装置(19)。

在本发明的第二方面，将上文所述的热交换器(1)集成至反应器设备(101)中。该反应器设备(101)包括：

-反应器(27)，

-热交换器(1)，其如上文所定义，连接至反应器(27)，

-泵(29)，其用于使液体传热介质(7)中的至少一些循环，其中所述泵连接至反应器(27)和/或热交换器(1)。

在本发明的第三方面，本发明的控制反应器(27)温度的方法可以使用本发明的热交换器(1)或本发明的反应器设备(101)实施。该方法包括如下步骤：

a)将由反应器(27)在第一温度T1下排出的液体传热介质(7)中的至少一些经由给料点引入至上文所定义的热交换器(1)中，

b)使液体传热介质(7)在围绕热交换器(1)的热交换器管(3)穿过，以在传热介质(7)与热交换器管(3)之间交换热量，

c)由热交换器(1)在第二温度T2下排出液体传热介质(7)，并将液体传热介质(7)供给至反应器(27)，

其中，在热交换器(1)中的压力升高的情况下，产生的过压通过至少一个安全装置(19)降低。

如果关于本发明的热交换器(1)和/或本发明的反应器设备(101)，以下描述也列出了方法特征，则它们优选与下文所更具体限定的本发明的方法有关。

本发明的热交换器(1)具有如下优点：由于安全装置(19)设置在接近热交换器底部(11)处，因而液体传热介质(7)侧的过压可以快速并安全地降低，而无需使热交换器(1)中的传热介质(7)移动或使其通过热交换器(1)的大部分高度。因此，提供了基本上防止所有压力升高的热交换器(1)。此外，提供安全装置(19)意味着热交换器壳体(5)可以是无增压设计，并且这体现在热交换器(1)和设备整体的成本上。

在这种情况下，无增压意指对于大于5巴的压力无需采取预防措施。当然，热交换器壳体(5)连同热交换器罩(9)和热交换器底部(11)针对最高达3巴的压力来设计，所述压力由传热介质(7)流体静力学地施加，并且由用于传热介质(7)的循环泵产生。

与热交换器罩(9)和热交换器底部(11)相关的措词“接近”，意指将紧急泄放口(17)布置在热交换器壳体(5)的上三分之一处，特别是上四分之一处；以及将安全装置(19)布置在热交换器壳体(5)的下三分之一处，特别是下四分之一处，并且非常特别优选为下五分之一处。

下文中，更详细地描述本发明。

本发明首先提供一种热交换器(1)，其包括至少两根的热交换器管(3)的束、热交换器壳体(5)、热交换器罩(9)、热交换器底部(11)、给料点(13)和出口(15)以及紧急泄放口(17)。本发明的热交换器(1)值得注意之处在于，其包括在接近热交换器底部(11)处布置的安全装置(19)。

在具体实施方案中，本发明的热交换器(1)为冷却器。

在本发明的热交换器(1)的一个改进中，安全装置(19)为紧急减压装置。出于本发明的目的，“紧急减压装置”应理解为意指基本上这样的管：其在接近热交换器底部(11)处从热交换器壳体(5)导出，并且基本垂直向上引导，使得紧急减压装置达到至少高于液体传热介质(7)在热交换器壳体(5)中的液位。这可用于补偿在灌注通过热交换器管的束时产生的压力下降。在正确的操作中，将安全装置(19)用液体传热介质(7)填充至特定液位。安全装置(19)优选提供有伴随加热(trace heating)，以便使液体传热介质(7)保持与热交换器(1)内部的传热介质(7)基本相同的粘度。

此刻情况下，当压力在热交换器(1)中积累并基本超过其正常运转压力(即，大于3巴的压力)时，该压力可以通过将安全装置(19)中的传热介质柱向上推动而释放。以水和/或蒸汽逸出的管破裂为例，这意味着传热介质(7)中形成的蒸汽能够容易且有利地膨胀到安全装置(19)中。通过这样做，与热交换器(1)内部的大量传热介质(7)相比，蒸汽所要移动或穿过的传热介质(7)柱实质上更小。安全装置(19)的直径优选在100mm至800mm之间。

就此而言，已证明有利的是，安全装置(19)的自由横截面积与热交换器管(3)的自由横截面积之比在15与1600之间。该比值在热交换器管(3)泄漏的情况下，确保逸出的蒸汽/液体混合物可排出，而不会在热交换器壳体(5)中积累大的压力。在发生泄漏的情况下，不足的直径比会导致增强的压力升高，最高达传热介质(7)在相应温度下的蒸汽压。

出于本发明的目的，“自由横截面积”应理解为意指可有效地使传热介质(7)流动的面积。

在另一实施方案中，热交换器(1)包括用于传热介质(7)的容纳装置(21)，其中所述容纳装置连接于安全装置(19)和/或紧急泄放口(17)的下游。当相对大量的传热介质(7)通过提高压力经由安全装置(19)和/或紧急泄放口(17)移动时，传热介质(7)可以由容纳装置(21)容纳而不会从设备中逸出。首先，这增强了安全性，原因在于没有高温传热介质(7)逸出；其次，一旦将故障修正，容纳装置(21)使得传热介质(7)在无污染的情况下再循环至热交换器(1)。为此，特别有利地的是，容纳装置(21)包括伴随加热，以防止传热介质(7)的粘度增大至其凝固点。这一容纳装置(21)还可用于缓冲传热介质(7)的填充液位差和/或在整个设备关闭期间(例如检查工作期间)收集部分或全部传热介质(7)。

热交换器(1)还优选包括用于将液体传热介质(7)从气相中移出的装置，其中，在发生泄漏的情况下，当逸出的物质混合物为两相(蒸汽/液体)时，所述装置使得气体和液体有效分离。所提及的装置特别地布置在容纳装置(21)上。

还优选的是，将容纳装置(21)经由足够大的横截面通风至大气，以便将移出的气体(例如蒸汽)释放到大气中而不会在容纳装置(21)中积累大的压力。此处，基于热交换器管(3)的横截面积计，可用于通风的横截面积之比应当在500至1 000 000的范围内。

另外已证明有利的是，在本发明的热交换器(1)中的安全装置(19)与容纳装置(21)之间提供用于部分液体传热介质(7)的分离器(23)。分离器(23)旨在——在发生泄漏的情况下——大量收集呈正常运行状态的紧急泄放口(17)和/或安全装置(19)的管系统下游中的传热介质(7)的液体体积，从而在不采取该措施时，在将传热介质(7)通过管系统推动至容纳装置(21)时，由于液体堵塞物而产生压力下降。因此，分离器(23)的保留体积应至少与安全装置(19)和分离器(23)之间的管的管体积相当。

已证明，对于均匀和有效的温度分布有利的是，热交换器(1)包括用于使液体传热介质(7)转向的内部构件(internal)(25)且内部构件(25)位于单个热交换器管(3)处或之间和/或位于单个热交换器管(3)与壳体(5)处或之间。内部构件(25)优选为偏转板，其可以是环状或盘状的。这也称为“盘形和环形折流板布置(disc and donut arrangement)”。特别地，将内部构件(25)水平对齐，因而传热介质(7)在热交换器管(3)处基本上横向流动。

特别优选热交换器(1)为盐浴冷却器和/或液体传热介质为盐熔体。盐熔体优选为碱金属硝酸盐和碱金属亚硝酸盐的混合物。特别优选的盐熔体由53重量％的硝酸钾、40重量％的亚硝酸钠和7重量％的硝酸钠组成或由60重量％的硝酸钾和40重量％的亚硝酸钠组成。这些混合物形成低共熔混合物并具有约142℃的熔点。这些盐熔体的工作温度在200℃与500℃之间。

本发明可以应用于传热油以及呈盐熔体形式的液体传热介质(7)。然而，这些传热油通常局限于250℃至280℃的最高工作温度，该工作温度不足以用于在例如管壳式反应器中冷却许多放热反应。

本发明还提供一种反应器设备(101)，其包括：反应器(27)；热交换器(1)，如上文所定义，其连接至反应器(27)；和泵(29)，其用于使液体传热介质(7)中的至少一些循环；其中所述泵连接至反应器(27)和/或热交换器(1)。

本发明的反应器设备(101)包括本发明的热交换器(1)的事实，意味着实现如上文所述的基本相同的优点。特别地，在本发明的反应器设备(101)中，能够快速并安全地降低热交换器(1)中发生的在液体传热介质(7)侧的过压。由于压力可以经由热交换器(1)的安全装置(19)降低，因此基本无需使热交换器(1)中的传热介质(7)移动或通过。提供本发明的热交换器(1)意味着反应器设备(101)的热交换器系统可因此为基本无增压设计，这减少了反应器设备(101)的成本。

在这种情况下，无增压意指对于大于5巴的压力无需采取预防措施。当然，反应器设备(101)针对最高达3巴的压力而设计，所述压力由传热介质(7)流体静力学地施加，并且由用于传热介质(7)的循环泵产生。此外，反应器(27)的反应体积针对部分反应介质最高达80巴的常规反应压力来设计。

出于本发明的目的，措词“连接至反应器(27)的热交换器(1)”应当理解为意指提供在热交换器壳体(5)上的给料点(13)和提供在热交换器壳体上的用于传热介质(7)的出口(15)以合适的方式、特别是焊接的方式连接至反应器(27)的相应给料点和出口。为了能够调节或控制循环通过热交换器(1)的传热介质(7)的量从而调节或控制反应器(27)的温度，在给料点(13)或出口(15)中安装控制阀是方便的。

在优选的实施方案中，反应器(27)为用于进行放热反应或吸热反应的管壳式反应器。

在放热反应的情况下，放热反应中产生的热量被液体传热介质(7)吸收，并通过传热介质(7)的循环供给至本发明的热交换器(1)(在该情况下为冷却器)。如上文所述，本发明的热交换器(1)可以是盐浴热交换器。特别地，盐浴冷却器的热交换器管(3)可以是使水汽化的蒸发器管。以这种方式，可以将反应过程中释放的能量以蒸汽形式回收，并有益地用于驱动蒸汽轮机或用于例如加热目的。

本发明的热交换器(1)也可用于使过热蒸汽。这在将所获得的过热蒸汽通过例如蒸汽轮机转化为电能时尤其有利。汽化能的利用(即效率)提高，除汽化能外可以提供更多的能量。为此，使已经例如由本发明的第一热交换器(1)产生的蒸汽通过本发明的另一热交换器(1)以提高蒸汽的温度。因此，本发明可用于明显提高效率。

反应器设备(101)还可以包括膨胀容器(图中未示出)。传热介质(7)的密度，即其所占据的体积，作为温度的函数而变化。为此，要提供足够大的膨胀空间(在该情况下为膨胀容器)。否则，传热介质(7)的膨胀会对热交换器(1)和/或反应器(27)施加另外的压力。

本发明的第三方面为一种控制反应器(27)的温度的方法，其包括如下步骤：

a)将由反应器(27)在第一温度T1下排出的液体传热介质(7)中的至少一些经由给料点引入至权利要求1至7中的任一项所要求保护的热交换器(1)中，

b)使液体传热介质(7)围绕热交换器(1)的热交换器管(3)穿过，以在传热介质(7)与热交换器管(3)之间交换热量，

c)由热交换器(1)在第二温度T2下排出液体传热介质(7)，并将液体传热介质(7)供给至反应器(27)，

其中，在热交换器(1)中的压力升高的情况下，通过至少一个安全装置(19)降低产生的过压。

如上文所述，当将本发明的热交换器(1)作为冷却器运行时，热交换器管(3)中会发生故障。这些漏隙可呈一个或多个小洞至相对大的洞的形式或者呈热交换器管(3)甚至完全破裂的形式。热交换器(1)的冷却介质侧通常在比反应器(27)的传热介质侧更高的压力下运行。在此情况下，冷却介质(例如水)进入液体传热介质(7)中。当传热介质侧的主导温度条件超过冷却介质的沸点时，冷却介质非常迅速地汽化，然后快速引起压力升高。这种压力升高能够出乎意料和不可预见地发生，并因此无法在足够短的时间内采取应对措施。在发生这种压力升高的情况下，经由安全装置(19)通过形成的蒸汽移动或穿过安全装置(19)中的传热介质(7)柱而将产生的过压降低，由此避免对热交换器壳体(5)的损害。根据本发明，通过安全装置(19)将产生的且2巴以上的过压降低。

在将本发明的热交换器(1)作为冷却器运行的情况下，液体传热介质(7)中的至少一些由反应器(27)排出的第一温度T1为200℃至450℃，而液体传热介质(7)由热交换器(1)排出的第二温度T2为120℃至300℃。

已证明，当在步骤b)中传热介质(7)在热交换器管(3)之间曲折流动时在本发明的方法中是有利的。这意指，由于用于使液体传热介质(7)转向的内部构件(25)的任选存在，所述液体传热介质基本上横向地导向热交换器管(3)。特别地，在热交换器(1)的底端提供传热介质(7)，并在热交换器(1)的顶端经出口(15)将传热介质(7)排出。以这种方式引导传热介质(7)确保了从传热介质(7)到热交换器管(3)中的冷却介质的最佳传热。

本发明的方法有利地在作为用于进行放热反应或吸热反应的管壳式反应器的反应器(27)中实施。

在反应器(27)中进行的反应可以特别地为部分气相氧化。这种气相氧化优选包括丙烯氧化为丙烯醛、异丁烯氧化为甲基丙烯醛、丙烯醛氧化为丙烯酸、甲基丙烯醛氧化为甲基丙烯酸和邻二甲苯氧化为邻苯二甲酸酐。

在本发明的另一方面中，将上文所述的热交换器(1)用于控制进行放热反应的反应器(27)的温度，其中反应器(27)为管壳式反应器，且液体传热介质(7)为盐熔体。

由以下参照附图对本发明的工作实施例进行的描述，其他目的、特征、优点和可能的应用将更清楚。附图中描述和/或说明的全部特征(单独地或以任何结合)构成本发明的主题，而无论主题在权利要求或该权利要求引用的权利要求中的结合为何。

图1示出本发明的一个实施方案中的热交换器(1)的示意图；

图2示出本发明的一个实施方案中的反应器设备(101)的示意图。

本发明的热交换器1示于图1中。热交换器1的外壳由热交换器壳体5、密封顶部的热交换器罩9和密封底部的热交换器底部11构成。热交换器管3在热交换器1内部垂直定向，并在其底部由热交换器管板31封端。在本发明的一个实施方案中，其中热交换器(1)作为冷却器运行，热交换器管3已经用由供给源(图1中未示出)引入的水至少部分地填充。在一个实施方案中，偏转板25安装在热交换器管3之间和/或热交换器管3与热交换器壳体5之间，使得传热介质7围绕热交换器管3以曲折流动的方式穿过。

液体传热介质7经由在热交换器壳体5的下半部提供在热交换器壳体5上的给料点13供给。供给优选在约热交换器管板31的高度处进行。传热介质7在热交换器管3处和之间相对于热交换器管3的定向主要为横向地(即，基本上水平地)通过，并穿过相应的偏转板25。将温度已冷却下来的传热介质7经由提供于热交换器壳体5上的出口15再次从热交换器1中排出。特别地，出口15的就在热交换器罩9下方。由图1可见，紧急泄放口17同样位于热交换器壳体5的上部区域，就在热交换器罩9下方。紧急泄放口17的直径通常在100mm与800mm之间。安全装置19与紧急泄放口相对布置，布置在热交换器壳体5的靠下区域，特别是下三分之一处，优选下四分之一处，特别是下五分之一处。安全装置19特别地为由一种提升管(riser line)构成的紧急减压装置。

图2示出包括反应器27的反应器设备101，反应器27优选为用于进行放热反应或吸热反应的管壳式反应器。在这种管壳式反应器中，垂直定向的反应管的束布置在两个管板之间。反应管可以包含催化剂材料(固定床催化剂)床填料。吸收并散逸放热反应中生成的热量或供给吸热反应中所需的热量的液体传热介质7围绕反应管通过。出于控温的目的，通过利用泵使得传热介质7在预定温度下循环，提供恒定的反应条件。

传热介质7优选在接近底部管板处进入反应器27，并在接近上管板处离开该反应器。

传热介质7流过反应器27，并且所述传热介质27中的至少一些通过至少一个泵29循环。为了不使传热介质7发生不希望的冷却及随之而来的粘度下降，有利地，对泵29以及泵29相应的输入管线和输出管线进行伴随加热。理想地，泵29直接附装在反应器壳体上。在所示出的实施方案中，本发明的热交换器1与泵29基本上相对地布置。有利地，所述热交换器距离反应器27相对短的距离的布置，即距离10cm至250cm的距离布置。如图1所示，紧急泄放口17从热交换器1的上部区域伸出。对于本发明而言必要的安全装置19与紧急泄放口相对布置，布置在热交换器1的靠下区域。

倘若发生管破裂，其中存在冷却介质(主要是水和水蒸气)从热交换器管3向传热介质7中的流入，流入的水非常迅速地汽化，并因此在热交换器1中积累超预期的高压。安全装置19的存在使得热交换器1的下部区域中产生的压力通过安全装置19而相对直接地释放。这通过将安全装置19中的液体传热介质7柱向上推动而实现。在该传热介质柱的上端，通常存在传热介质的粘度相对高(达到固态)的区域——高粘性部分。这些部分(即一种堵塞物)起初包含于分离器23中，特别包含于是中间分离器中，并由此从另一系统移出。使随后的传热介质7和水的混合物以及水蒸气穿过管33进入下游的容纳装置21中。对安全装置19和管33以及容纳装置21均进行伴随加热，以防止传热介质7的粘度增大或凝固。

在容纳装置21中，可以将液体传热介质7从水/水蒸气混合物中移出。这可以特别是使用用于从气相中移除液体传热介质7的装置来实现。可以通过旋风分离器或简单地通过重力分离来实现移除。然后，可以将传热介质7经管线(图2中未示出)供回给热交换器1或反应器27。