專利名稱：用于等溫化學反應器的熱交換單元的制作方法
技術領域：
本發(fā)明在其最廣泛的范圍內(nèi)涉及如下類型的化學反應器，包括由各個底部在其相對端封閉的大體圓柱形的殼體(或壓力容器)、位于所述殼體中的反應區(qū)(其中至少放置有一個催化床)和嵌入催化床中的熱交換單元。
這樣的反應器對于在大體等溫的條件下(即其中將反應速度控制在預定值周圍的相當有限的范圍內(nèi)的條件下)執(zhí)行放熱和吸熱反應尤其有用。
在以下的描述和權利要求書中，將上述類型的反應器稱為偽等溫反應器，或簡言之，稱為等溫反應器。
更具體地，本發(fā)明涉及如下類型的等溫反應器，使得反應氣體和氣態(tài)反應產(chǎn)物向徑向或軸向-徑向(相對于所述反應器的圓柱形殼體的軸)穿過催化床，且包括熱交換單元，所述熱交換單元由多個近似呈盒狀的板狀熱交換器制成，并在其內(nèi)部限定了熱交換工作流體穿過的室。
背景技術：
一般說來，用在等溫反應器的熱交換單元中的工作流體可由溫度變化的流體(未沸騰的流體)構(gòu)成，例如供給反應器自身的適當和受控的反應氣體流、或諸如沸騰的水、熔化的鹽、Dow Therm等的沸騰即等溫流體。此外，為了使得熱交換更有效，改善化學反應的動力學，在各個熱交換單元內(nèi)，所述工作流體流的指向與依次向徑向或軸向-徑向(相對于所考慮的反應器的殼體的通常為垂直的軸)穿過催化床的氣態(tài)反應產(chǎn)物的流向相反或相同。當工作流體由反應氣體自身構(gòu)成時，除了將熱移動到或提供到反應環(huán)境(催化床)以促進反應自身的完成外，它們還分別被加熱或冷卻，達到對于氣體開始來說在熱力學上為合適的溫度條件。
在此情形下，(徑向或軸向-徑向)等溫反應器的一般構(gòu)造即為壓力容器的構(gòu)造，其中由至少一個催化筒(catalytic cartridge)支撐，并由兩壁圍住，與容器自身同心或同軸且被適當穿孔，以使得氣體能通過裝在所述筒(催化床)中的催化劑。將大量催化劑埋入由適當構(gòu)造、支撐、和互連的多個熱交換器構(gòu)成的熱交換單元中。
在此處所考慮類型的等溫反應器中最有效和最新使用的熱交換器中，最常用的是具有大體扁平盒狀結(jié)構(gòu)的板式熱交換器。
盡管有人認為它們有益，例如可用于熱交換的大表面，但是上述類型的板狀熱交換器具有如下技術缺陷，即難以將其內(nèi)部中的工作流體流導向指定方向，舉例來說尤其是難以指向相對于反應器的軸的徑向。此困難常常意味著熱交換效率降低，從而減少了將要進行的化學反應的生產(chǎn)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供用于徑向或軸向-徑向等溫反應器的熱交換單元，所述熱交換單元具有例如能克服上面參看現(xiàn)有技術引用的缺陷等的結(jié)構(gòu)和功能特征。
根據(jù)本發(fā)明，用于徑向或軸向-徑向等溫反應器的熱交換單元解決了現(xiàn)有技術存在的問題，所述熱交換單元具有近似環(huán)形或圓柱形構(gòu)造，并帶有軸向穿過其的具有預定直徑的通道，其特征在于包括多個大體矩形的扁平盒狀熱交換器，所述熱交換器以多個同軸和同心排列分布，在所述單元中限定了多個具有大體徑向排列的徑向隊列，其中所述交換器具有平行于所述裝置的軸的長邊和徑向延伸的短邊，所述交換器中的每個都包括能使工作的換熱流體通過的內(nèi)室、所述工作流體的至少一個分配器管和至少一個收集器管，所述分配器管和收集器管與所述交換器的兩個相應的相對側(cè)相關聯(lián)并沿其延伸，所述管在一側(cè)上通過在其中形成的至少一個開口與所述室流體連通，在另一側(cè)上通過各個用于所述工作流體的相應的入口和出口配件與所述交換器的外部流體連通。


圖1以局部剖視透視圖示意性地示出使用根據(jù)本發(fā)明的包括多個交換器的熱交換單元的徑向等溫反應器；圖2以放大尺寸表示圖1所示熱交換單元的熱交換器；
圖3、圖4、和圖5分別是沿圖2的線III-III、IV-IV、和V-V的剖視圖；圖6示意性地示出圖2所示熱交換器的優(yōu)選構(gòu)造；圖7示出沿圖6的線VII-VII的剖視圖；圖8表示圖6所示熱交換器的可選實施例；圖9以放大尺寸示出沿圖8的線IX-IX的截面；以及圖10示出圖1所示徑向等溫反應器的可選實施例。
具體實施例方式
參看圖1，1表示整個等溫反應器，所述等溫反應器包括具有一垂直軸的圓柱形殼體2，用相關底部(下部3和上部4)的相對端將該圓柱形殼體2封閉，通常裝配有通道5，6，分別用于將反應氣體和氣態(tài)反應產(chǎn)物導入所述等溫反應器1和從所述等溫反應器1排出，根據(jù)以下描述這些將變得更加清楚。
在殼體2中限定了反應區(qū)，其通常由大體圓柱形的結(jié)構(gòu)并具有環(huán)形橫斷面的催化容器(catalytic basket)7支撐。所述容器7大體上由外部圓柱形壁8、內(nèi)部圓柱形壁10和傳統(tǒng)類型的環(huán)形底部7b構(gòu)成，其中所述外部圓柱形壁8與所述殼體2一起限定了寬度逐漸減小的空間9。
內(nèi)壁10在中央限定了軸向通道，其通常被用于收集氣態(tài)反應產(chǎn)物的導管11支撐，所述導管11具有封閉的上端11a和開放的下端11b，所述下端11b與底部3的通道6直接流體連通。
將所述壁(即外壁8和內(nèi)壁10)穿孔以形成從所述容器7到所述中央管11的反應氣體通道和氣態(tài)反應產(chǎn)物通道。
容器7用于容納大量適當?shù)拇呋瘎?未示出)，其中用本質(zhì)上已知的方式被嵌入和支撐在熱交換單元12中。
所述熱交換單元12具有與所述容器7的構(gòu)造相似的整體環(huán)形圓柱形構(gòu)造。其外徑與容器7的外徑大致相同，具有直徑大致等于容器自身的內(nèi)徑的通道軸向穿過所述熱交換單元。
具體地，根據(jù)優(yōu)選但非限制性的實施例，如圖1所示，所述熱交換單元12包括以三個同軸和同心排列分布的多個熱交換器13。每個交換器13(圖2)都具有大致盒狀結(jié)構(gòu)，具有實質(zhì)上細長的、扁平的矩形構(gòu)造，其中畫出兩個相對的長邊13a和兩個相對的短邊13b的輪廓。
在上述的熱交換單元12中，交換器13呈大致徑向排列，具有平行于所述裝置12的軸(從而平行于所述反應器1的殼體2的軸)的長邊13a和徑向延伸的短邊13b，用于構(gòu)成多個由三個交換器組成的徑向組。
當然，根據(jù)不同的技術和實施要求，每個由三個交換器13組成的組可用一對交換器或一個單獨的交換器替換，這種交換器占據(jù)容器7的整個徑向延伸范圍。
甚至更具體地(從圖2到圖5)，每個交換器13由一對并列的金屬片14，15構(gòu)成，其中所述金屬片14、15通過周焊接部件16，16a以預定距離相互結(jié)合，從而在它們之間限定了旨在使工作熱交換流體穿過的室17。
為了實現(xiàn)徑向穿過催化床的反應氣體和氣態(tài)反應產(chǎn)物的最佳熱交換效率，熱交換流體必須沿著徑向或大體徑向、與所述氣體流向相同或相反依次穿過交換裝置12的每個交換器13。
為此目的并根據(jù)本發(fā)明的特征，在每個交換器13的相對長邊13a分別安裝用于所述工作流體的分配管19和收集管20。導管19和導管20在一側(cè)上通過至少一個但是優(yōu)選多個開口或孔19a和20a與所述室17流體連通，開口或孔19a和20a沿一條或多條母線設置，在另一側(cè)上通過配件21和22與交換器13的外部流體連通，配件21和22分別用于所述工作流體的入口和出口。
根據(jù)第一優(yōu)選實施例，當進行使金屬片14和15向上的拔絲(drawing)和周焊接時，所述導管19和20直接在交換器13的長邊13a中“形成”。有利的是，它們通過以預定距離平行于周焊接部件16、16a延伸的焊縫116、116a而獲得，而流體通道的開口19a、20a通過焊縫116、116a的適當中斷而獲得。
根據(jù)另一實施例(未示出)，所述導管19和20由在交換器的長邊13a平行于它們的固定在所述室17中的各個管子(tube)組成，并與上面引用的各個配件21和22形成一體。
根據(jù)本發(fā)明的另一特征，用于從每個交換器13分配工作流體和將工作流體收集到每個交換器13中的導管19和20的配件21和22分別設置在交換器的相同短邊13b上。
在被設置以構(gòu)成本發(fā)明的所述熱交換單元12時，在上述的設置(圖1)中，具有相應配件21和22的短邊13b構(gòu)成每個交換器13的上側(cè)，而短邊以已知方式直接固定到整個熱交換單元12的支撐結(jié)構(gòu)(未示出)上。
有利的是，為了增加熱交換效率，整個熱交換單元12的交換器13的至少部分根據(jù)圖6示意性示出的構(gòu)造制造。
根據(jù)此可選實施例，將每個交換器13的內(nèi)室再分成彼此不直接連通的多個室117，舉例來說，通過平行于交換器13的短邊13b(換言之，垂直于它的分配器19和收集器20導管)延伸的金屬片14的相應的多個焊縫117a來實現(xiàn)。所述室117可以根據(jù)需要全部都具有相同寬度或不同寬度，且內(nèi)部安裝有平行于所述導管19、20延伸的多個折流板118，所述折流板118在每個室117中限定了基本上是螺旋形的流道。
每個室117通過其至少一個開口19a與所述分配器管19流體連通，通過其至少一個開口20a與所述收集器管20流體連通。
應當指出，為了更好地控制壓降，從而更好地控制室117內(nèi)工作流體的分配，分配器管19的開口19a設置在所述室117的每個的底部，并具有不同寬度或光(light)，尤其在所述導管19內(nèi)的工作流體的流向中寬度逐漸增加。
有利的是，為了提高用于控制室117中工作流體的分布的可能性，當其中的壓降低得不能保證它時，可以使用校準套筒(calibrated sleeve)119a(圖8和圖9)，將其適當插入每個所述開口19a中，以便獲得精確計算出的流道截面(從而獲得精確和計算的壓降)。
在本發(fā)明的等溫反應器1中，在催化容器7的上端和在熱交換單元12上面的位置中，環(huán)狀管23可用于工作流體的總體分配。
在工作流體自身由反應氣體構(gòu)成(圖1)且必須與氣態(tài)反應產(chǎn)物流向相同穿過熱交換單元12時，這樣的導管23通過所述流體的各個供給管23a與等溫反應器1的外部流體連通，各個供給管23a連接到反應器中所述反應氣體的入口通道5a。在另一側(cè)面，所述導管23與每個由三個交換器組成的徑向組中的最外的交換器13的多個分配器管19流體連通。
此外，在每個三個一組的徑向組中，每個交換器的收集器管20與向殼體2的軸直接跟隨其的交換器的分布器管19直接連接。如附圖所示，通過使交換器的收集器配件22與隨后的交換器的分布器配件21以頭尾相接的液壓連接流體連通，可實現(xiàn)這樣的連接。
加熱器裝置21的更內(nèi)部的交換器13的收集器管20在殼體2的上部中(大致位于上底部4處)是“開放的”，從而在交換器13中預熱和冷卻的反應氣體以在徑向上穿過的方式被傳送到空間9，并從空間9傳送到裝在容器7中的催化床。
采用上述配置，獲得另一重要的優(yōu)點是可能的。實際上，在環(huán)狀分配器管23占有的相同區(qū)中，為了分配預定的工作熱交換流體(具體地和有利地由反應氣體構(gòu)成)，可能設置另兩個(或更多個)環(huán)狀導管24、25，每個環(huán)狀導管都與相應的一排環(huán)狀交換器的熱交換器13流體連通。例如并優(yōu)選地，在由三個交換器組成的同一徑向組的交換器13之間的頭尾相接的液壓連接中提供了這樣的連接。
24a和25a分別表示從反應器的外部到環(huán)狀導管24和25的所述工作流體的供給管。
以此方式，可能將“新的”工作流體導入中間的環(huán)狀排列的交換器13，從而可能控制催化床中的溫度輪廓。
圖10表示本發(fā)明的等溫反應器的可選實施例，具體的，但非排他性的，當待使用的工作流體是水，或者是待預熱(或冷卻)但是待制造以在另一反應器中反應的反應氣體時是適合的。在此圖中，已經(jīng)在圖1中描述的所有部分用相同附圖標記限定。
根據(jù)此可選實施例，在(可能)被用于分配工作熱交換流體的環(huán)狀導管23、24、和25占用的區(qū)域中，最末的環(huán)狀導管26(收集器管)用來從本發(fā)明的熱交換單元收集所述工作流體。為此目的，環(huán)狀導管26在一側(cè)上通過所述裝置12的最內(nèi)部的熱交換器13的配件22與所有收集器管20流體連通，在另一側(cè)上，通過導管26a與來自等溫反應器的“出口”噴嘴27流體連通。反應氣體通過設置在其中的上部通道5導入反應器1。
為了排放催化劑而不移動板狀交換器，本發(fā)明的化學反應器的容器7安裝有向容器自身的內(nèi)部凸出的下盤(bottom wall)28。下盤28又靠近所述容器7的外壁安裝有多個開口29(在圖10中僅可見一個開口)，所述開口29與設置在所述反應器的底部3中用于排放催化劑的各個噴嘴30連通。
因此對本領域的技術人員來說，可對本發(fā)明進行進一步的改變和修改，這些改變和修改都落在由所附權利要求書限定的本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權利要求
1.一種用于等溫徑向或軸向-徑向化學反應器(1)的熱交換單元，其整體結(jié)構(gòu)大體為環(huán)形和圓柱形的，具有軸向穿過其的具有預定直徑的通道，特征在于其包括多個大致矩形的扁平盒狀熱交換器(13)，所述熱交換器(13)以許多同軸和同心排列分布，在所述單元(12)中限定了多個具有大致徑向排列的徑向隊列，其中所述交換器(13)具有平行于所述單元(12)的軸的長邊(13a)和徑向延伸的短邊(13b)，所述交換器(13)中的每個都包括用來使工作的換熱流體通過的內(nèi)室(17)、所述工作流體的至少一個分配器管(19)和至少一個收集器管(20)，所述分配器管(19)和收集器管(20)與所述交換器的兩個各自的相對側(cè)(13a)相關聯(lián)并沿其延伸，所述管(19，20)在所述一側(cè)上通過在其中形成的至少一個開口(19a，20a)與所述室(17)流體連通，在所述另一側(cè)上通過各個用于所述工作流體的各自的入口配件和出口配件(21，22)與所述交換器(13)的外部流體連通。
2.根據(jù)權利要求1所述的熱交換單元，其特征在于所述交換器13中的每個由一對并列的金屬片(14、15)構(gòu)成，其中所述金屬片(14、15)通過周焊接部件(16)以預定距離相互結(jié)合，從而在它們之間限定了所述室(17)。
3.根據(jù)權利要求2所述的熱交換單元，其特征在于分別用于分配和收集所述工作流體的所述導管(19，20)設置在相應的交換器(13)的相對長邊(13a)處。
4.根據(jù)權利要求3所述的熱交換單元，其特征在于所述導管(19，20)由在所述室(17)中固定在所述各自的交換器(13)的所述相對長邊(13a)處的各個管子構(gòu)成。
5.根據(jù)權利要求3所述的熱交換單元，其特征在于在形成所述交換器(13)的同時所述導管(19，20)直接形成在所述長邊(13a)處。
6.根據(jù)權利要求4和5所述的熱交換單元，其特征在于所述導管(19，20)通過放置在所述交換器的相同短邊(13b)上并朝著所述單元(12)的各個管狀配件(21，22)與所述交換器(13)的外部流體連通。
7.根據(jù)權利要求4和5所述的熱交換單元，其特征在于所述導管(19，20)通過沿其母線在所述導管(19，20)中形成的各自的多個開口(19a，20a)與所述室(17)流體連通。
8.根據(jù)權利要求1所述的熱交換單元，其特征在于在所述徑向設置中和在熱交換器(13)的每個徑向排列中，每個交換器(13)具有用于所述工作流體的出口的所述各個配件(22)，所述配件(22)通過基本上頭尾相接的液壓連接與用于在所述相同的徑向排列中臨近的用于所述交換器(13)的流體出口流體的配件(21)連通。
9.根據(jù)權利要求1所述的熱交換單元，其特征在于所述室(17)被再分成彼此不直接連通的多個室(117)，其中所述每個室(1 17)都通過在其中形成的各個開口(19a，20a)與所述分配管(19)流體連通和與所述收集器管(20)流體連通。
10.根據(jù)權利要求9所述的熱交換單元，其特征在于所述室(117)通過垂直于所述導管(19，20)延伸的所述金屬片(14，15)的焊縫(117a)而獲得。
11.根據(jù)權利要求10所述的熱交換單元，其特征在于所述室(117)中的每個都在內(nèi)部安裝有平行于所述導管(19，20)延伸的多個折流板(118)，所述折流板(118)限定了用于所述工作流體的大體上的螺旋狀通道。
12.根據(jù)權利要求11所述的熱交換單元，其特征在于所述室具有相同寬度。
13.根據(jù)權利要求7所述的熱交換單元，其特征在于所述分配管(19)的所述開口(19a)具有不同寬度。
14.根據(jù)權利要求12所述的熱交換單元，其特征在于所述開口(19a)在所述分配管(19)內(nèi)部的所述工作流體流動的方向上具有逐漸增加的寬度或光。
15.根據(jù)權利要求12所述的熱交換單元，其特征在于為了在所述分配管(19)與所述室(117)的每個之間獲得具有預定尺寸的流道截面，在所述開口(19a)的每個中安裝了校準套筒。
16.根據(jù)權利要求1所述的熱交換單元，其特征在于其包括用于所述工作流體的總體分配的環(huán)狀導管(23)，所述環(huán)狀導管(23)在一側(cè)上與所述單元(12)的最外的交換器(13)的分配管(19)連通，在另一側(cè)上與用于將所述工作流體供給所述反應器(1)中的相應導管(23a)連通。
17.根據(jù)權利要求8，16所述的熱交換單元，其特征在于其包括用于工作流體的入口的至少另一環(huán)形導管(24，25)，所述導管(24，25)在一側(cè)上與交換器(13)的每個徑向排列的頭尾相接的液壓連接連通，在另一側(cè)上與用于將所述工作流體供給所述反應器(1)中的各自的導管(24a，25a)連通。
18.根據(jù)權利要求17所述的熱交換單元，其特征在于所述單元(12)的最內(nèi)的熱交換器(13)的所述收集管(20)單獨向所述單元的外部敞開并位于其相同側(cè)。
19.根據(jù)權利要求18所述的熱交換單元，其特征在于其包括用于從所述單元(12)排放的所述工作流體的總體收集的另一環(huán)形管(26)，所述環(huán)形管(26)連接到所述單元(12)的最內(nèi)的熱交換器(13)的全部收集管(20)。
20.一種等溫化學反應器，包括圓柱形殼體(2)和催化容器(7)，其中所述催化容器(7)支撐在所述殼體(2)中，并分別具有圓柱形和同軸外壁和內(nèi)壁(8，10)和下盤(7b，28)，其特征在于其包括支撐在所述容器(7)中的根據(jù)權利要求15至20中任一所述的熱交換單元(12)。
21.根據(jù)權利要求22所述的反應器，其特征在于所述底部(28)朝所述容器(7)內(nèi)部凸出。
22.根據(jù)權利要求23所述的反應器，其特征在于所述凸出的底部(28)安裝有用于排放催化劑的至少一個開口(29)，所述開口(29)在所述容器(7)的外壁(8)的附近形成，并與所述反應器(1)的外部連通。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于等溫徑向或軸向－徑向等溫化學反應器(1)的熱交換單元，其結(jié)構(gòu)為近似環(huán)形和圓柱形，帶有軸向穿過其的預定直徑的通道(11)，特征在于其包括多個近似矩形的扁平盒狀熱交換器(13)，熱交換器(13)以同軸和同心排列分布，在單元(12)中限定了多個具有大致徑向排列的徑向隊列，其中交換器(13)具有平行于所述單元(12)的軸的長邊(13a)和徑向延伸的短邊(13b)，交換器(13)的每個都包括意在使工作的換熱流體通過的內(nèi)室(17)、工作流體的至少一個分配器管(19)和至少一個收集器管(20)，分配器管(19)和收集器管(20)與交換器(13)的兩個各自的相對側(cè)(13a)連接并沿其延伸，導管(19，20)在一側(cè)上通過在其中形成的至少一個開口(19a，20a)與室(17)流體連通，在另一側(cè)上通過各個用于工作流體的入口配件和出口配件(21，22)與所述交換器(13)的外部流體連通。
文檔編號B01J19/24GK1571697SQ02820795
公開日2005年1月26日 申請日期2002年10月2日 優(yōu)先權日2001年10月19日
發(fā)明者埃爾曼諾·菲利皮, 恩里科·里齊, 米爾科·塔羅齊 申請人:卡薩爾甲醇公司