專利名稱：具有板式熱交換器的等溫化學(xué)反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及裝備有內(nèi)部板式熱交換器的等溫化學(xué)反應(yīng)器領(lǐng)域。本發(fā)明適于例如用于放熱或者吸熱多相反應(yīng)的等溫或者擬等溫化學(xué)反應(yīng)器，其中 內(nèi)部熱交換器浸入催化層內(nèi)，或者，本發(fā)明適于在操作時內(nèi)部熱交換器被浸沒在流體中的 反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
等溫或者擬等溫化學(xué)反應(yīng)器是裝備有內(nèi)部熱交換器的反應(yīng)器，通過向反應(yīng)物提供 熱量或者從反應(yīng)物去除熱量，該內(nèi)部熱交換器用于將反應(yīng)溫度保持在最優(yōu)效率范圍內(nèi)。等 溫反應(yīng)器廣泛用于例如甲醇合成廠中，其中反應(yīng)器包括內(nèi)部冷卻熱交換器，以去除由放熱 的甲醇合成反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量。裝備有板式熱交換器的等溫反應(yīng)器已知可提供多個優(yōu)點。在下文的描述中，術(shù)語 “板式反應(yīng)器”用于指至少裝備有內(nèi)部板式熱交換器的等溫(或者擬等溫)化學(xué)反應(yīng)器。例 如在EP-A-1284813中公開了一種板式反應(yīng)器。被稱為“板”的熱交換部件為盒形的扁平體形式，包括兩個大致為矩形的至少沿著 周緣相互連接的壁，以限定內(nèi)腔或者通道，熱交換流體(例如水或者蒸汽)在該內(nèi)腔或者通 道中循環(huán)。所述板通過已知裝置被支撐在反應(yīng)器內(nèi)，且連接至用于饋入和收集熱交換流體 的適當(dāng)裝置。在現(xiàn)有技術(shù)中已知有不同構(gòu)建的板，包括所謂的“膨脹”板，該“膨脹”板由通 過周緣焊縫和其它焊接點結(jié)合的兩個扁平金屬片形成，且受到高液壓膨脹以在這兩個片之 間獲得內(nèi)腔。板式反應(yīng)器因其與總尺寸相比具有大有效熱交換表面、低成本和容易在反應(yīng)器內(nèi) 部安裝而受人歡迎。內(nèi)部板式熱交換器通常被形成為大致環(huán)形的單元，輻板朝向反應(yīng)器的軸線匯聚。 在具有內(nèi)部的、軸向流或者軸向-徑向流熱交換器的立式反應(yīng)器的已知布局中，熱交換器 的板被布置成長邊平行于反應(yīng)器的縱軸線，并且徑向短邊朝向同一軸線匯聚；圓柱形管被 固定至每個板的底部和頂部短邊，以饋入和收集熱交換流體。更通常而言，用于饋入和收集如上限定的環(huán)形熱交換器的熱交換流體的裝置通常 包括與板的短邊、徑向邊對齊的徑向管道或者導(dǎo)管。因此，用于熱交換流體的所述圓柱形管 具有發(fā)散端以及匯聚端，發(fā)散端即位于熱交換器自身的環(huán)形結(jié)構(gòu)的外徑上的外端，匯聚端 即位于熱交換器的環(huán)形結(jié)構(gòu)的內(nèi)徑上的、在化學(xué)反應(yīng)器的軸線附近的相對端。板之間的間距取決于各個設(shè)計參數(shù)，但是，通常板較靠攏，以增大熱交換表面與交 換器的總?cè)莘e之間的比例。因此，所述徑向管道的匯聚端可能彼此干擾，或者不管怎樣收縮 端之間的空隙可變得太小，導(dǎo)致一些實踐中的缺點，例如妨礙卸下或者再裝入催化劑。為解決該問題，現(xiàn)有技術(shù)公開了如在圖5和圖6中示出的解決方案。參考圖6，環(huán)形板式熱交換器的板100具有被固定至其短邊的流體收集器101。收 集器101的內(nèi)端在區(qū)域112內(nèi)匯聚，靠近反應(yīng)器的中心軸線。如圖所示，為避免收集器101在所述區(qū)域112內(nèi)相互干擾，板100被布置在兩個水平面上，使得收集器101交替位于上一 平面和下一平面。在特別情況下，可使用多于兩個水平面。然而，該解決方案具有更復(fù)雜且 昂貴的結(jié)構(gòu)的缺點。參考圖7，示出另一現(xiàn)有技術(shù)的解決方案，其中板100具有斜切部(或者斜 面)113，以保持收集器101的匯聚端與反應(yīng)器的軸線存在距離(即位于更大的直徑上)，且 因此避免干擾。然而，該解決方案并非總是令人滿意板更難以實現(xiàn)，且內(nèi)部的流體流受斜 切部113干擾；此外，必須在板內(nèi)允許橫向流動，以均衡出口流量且補(bǔ)償所述斜切部113的存在。有時圖6和圖7所示的解決方案結(jié)合使用，然而導(dǎo)致甚至更復(fù)雜和昂貴的熱交換
ο尤其在用于強(qiáng)等溫反應(yīng)的反應(yīng)器中感受到上述問題，其中熱交換流體是至少部分 變成蒸汽的液體，且收集器需要更大的橫截面。這種情況例如存在于從化學(xué)反應(yīng)中取走的 熱量被用于產(chǎn)生蒸汽的反應(yīng)器中，且難以避免大的蒸汽收集器的匯聚端之間的干擾。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的問題在于在安裝于等溫化學(xué)反應(yīng)器內(nèi)的徑向熱交換板的徑向熱交換流 體饋入或收集導(dǎo)管的內(nèi)端之間提供合適的空隙以及避免機(jī)械干擾。該問題通過包括具有大致環(huán)形結(jié)構(gòu)的至少一個板式熱交換器的等溫化學(xué)反應(yīng)器 實現(xiàn)，所述熱交換器包括多個徑向布置的熱交換板，以及至少一組用于向所述板的內(nèi)部通 道饋入熱交換流體或者從所述板的內(nèi)部通道收集熱交換流體的徑向?qū)Ч?，所述徑向?qū)Ч芘c 板的徑向邊對齊，所述徑向?qū)Ч苡捎谄鋸较虿贾枚哂邪l(fā)散端以及相對的匯聚端，所述反 應(yīng)器的特征在于，所述至少一組徑向?qū)Ч艿膹较驅(qū)Ч艿膮R聚端具有相比于相應(yīng)的發(fā)散端減 小的橫截面。本發(fā)明也涉及用在等溫化學(xué)反應(yīng)器中的板式熱交換器，所述熱交換器包括多個軸 向布置的熱交換板，以及至少一組用于向所述板的內(nèi)部通道饋入熱交換流體或者從所述板 的內(nèi)部通道收集熱交換流體的徑向?qū)Ч埽鰪较驅(qū)Ч芘c板的徑向邊對齊，所述徑向?qū)Ч?由于其徑向布置而具有發(fā)散端以及相對的匯聚端，所述反應(yīng)器的特征在于，所述徑向?qū)Ч?的匯聚端具有相比于相應(yīng)發(fā)散端減小的橫截面。徑向?qū)Ч艿南鄬Φ膮R聚端和發(fā)散端分別位于所述環(huán)形結(jié)構(gòu)的第一直徑和第二直 徑上，即匯聚端和發(fā)散端被分布在內(nèi)圓周和外圓周上，分別具有所述第一直徑和第二直徑。根據(jù)本發(fā)明，所述徑向?qū)Ч苁菬峤粨Q流體的饋入導(dǎo)管和/或收集導(dǎo)管。根據(jù)本發(fā) 明的一實施例，用于熱交換流體的徑向?qū)Ч鼙还潭?例如焊接)至板的短邊。在本發(fā)明的一個實施例中，熱交換器具有用于向熱交換板饋入熱交換流體和從熱 交換板收集熱交換流體的徑向?qū)Ч?，例如立式布置的上部?dǎo)管和下部導(dǎo)管，且所有所述相 對的徑向?qū)Ч芫哂袇R聚端，所述匯聚端的橫截面相比于相應(yīng)的發(fā)散端減小。在本發(fā)明的另 一且簡化的實施例中，徑向?qū)Ч鼙恍纬蔀閮H在板的一側(cè)具有橫截面減小的匯聚端，優(yōu)選在 流體出口側(cè)。當(dāng)熱交換流體的出口體積流量明顯大于入口體積流量時，例如流體通過板而 至少部分被蒸發(fā)時，該實施例可能是優(yōu)選的。在這種情況下，可要求更大的出口導(dǎo)管，以容 納增加的體積流量，且匯聚端的物理干擾的上述問題在熱交換器的流體出口側(cè)是關(guān)鍵的。在一些情況下，仍然能夠在流體入口側(cè)使用具有恒定橫截面的傳統(tǒng)導(dǎo)管。在一優(yōu)選實施例中，每個徑向?qū)Ч芑蛘吖芫哂兄辽僖粋€錐形部分，其中橫截面朝 向?qū)Ч艿膬?nèi)端、匯聚端連續(xù)減小。更優(yōu)選地，所述錐形部分是圓錐形的或者截頭圓錐形的。根據(jù)本發(fā)明的實施例，熱交換流體導(dǎo)管包括圓筒形部分的和錐形、優(yōu)選為圓錐形 的部分，該錐形部分具有朝向所述匯聚端不斷減小的橫截面；根據(jù)另一實施例，導(dǎo)管在其整 個徑向長度上(從外發(fā)散端直內(nèi)匯聚端)是錐形或者圓錐形。圓錐形導(dǎo)管的錐角優(yōu)選小于10度，更優(yōu)選地在10’ (十弧分)與5度之間。根據(jù)另一實施例，熱交換板的所述徑向?qū)Ч馨ǘ鄠€具有不同的各自橫截面的部 分，在每個導(dǎo)管的匯聚端附近的部分具有的橫截面小于同一導(dǎo)管的其它部分的橫截面。優(yōu) 選地，每個徑向?qū)Ч鼙粚崿F(xiàn)為外圓筒形部分具有第一直徑，而在匯聚端附近的第二內(nèi)部分 具有小于所述第一內(nèi)徑的第二內(nèi)徑。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，在匯聚端處具有減小的橫截面的所述導(dǎo)管與具有夾層結(jié) 構(gòu)的熱交換板結(jié)合使用，每個板包括兩個壁和內(nèi)間隔部件，所述間隔部件連接所述壁，且在 兩個壁之間限定用于熱交換流體的內(nèi)部通道。本發(fā)明解決了如上所述饋入/收集導(dǎo)管的干擾問題。當(dāng)熱交換器裝備有如上所述的夾層板時，本發(fā)明是特別有利的。所述板具有對內(nèi) 部與外部之間的高壓差(例如100巴且更高)的強(qiáng)抵抗力，且發(fā)現(xiàn)所述板減小內(nèi)部壓力下 降，因此所述板的使用與例如膨脹的枕狀板相比能夠是優(yōu)選的。然而，由于這樣的板的具有 由間隔部件限定的內(nèi)部通道的結(jié)構(gòu)，所述板不允許實現(xiàn)圖7所示的解決方案，因為這樣的 板不可能容易地在反應(yīng)器的軸線附近將內(nèi)通道連接至相應(yīng)的流體導(dǎo)管。通過現(xiàn)有技術(shù)，具 有夾層板的熱交換器可能要求圖6所示的昂貴且復(fù)雜的布置，以避免流體導(dǎo)管的內(nèi)端的干 擾，因此限制了這些交換器的可能的應(yīng)用。然而，本發(fā)明能夠與任何種類的熱交換板一起使用，包括上述的膨脹板，具有在流 體導(dǎo)管的內(nèi)端、匯聚端之間正確的間隔的優(yōu)點，同時具有低成本和容易安裝的優(yōu)點。通過在下文中參考附圖對優(yōu)選的說明性且非限制性的實施例的描述，本發(fā)明的特 征和優(yōu)點將更加清楚。


圖1示意性示出根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的等溫化學(xué)反應(yīng)器的部分剖視圖。圖2示意性示出圖1的一些細(xì)節(jié)。圖3為根據(jù)一優(yōu)選實施例的在圖1所示反應(yīng)器內(nèi)的交換器的板之一的橫截面。圖4示出圖1和圖2所示的板和流體導(dǎo)管的細(xì)節(jié)。圖5涉及本發(fā)明的另一實施例。
具體實施例方式參考圖1，示出徑向流的等溫化學(xué)反應(yīng)器1，該等溫化學(xué)反應(yīng)器1基本包括豎軸式 圓筒形殼體2、分別具有用于新補(bǔ)充反應(yīng)物的入口法蘭5和用于化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物的出口法蘭6 的下部端3和上部端4。反應(yīng)器1包括本身已知且未詳細(xì)描述的環(huán)形催化架，該環(huán)形催化架包括合適的催化劑且由圓筒形穿孔壁7從外部限定。反應(yīng)物在徑向方向上從壁7與殼體2之間的空隙流 動至與出口法蘭6連通的中心收集器8。由催化架限定的環(huán)形空間基本上是反應(yīng)空間，在其 中反應(yīng)物被轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物。軸向流板式熱交換器10被安裝在反應(yīng)器1內(nèi)，被浸入催化劑中。熱交換器10大 致具有環(huán)形結(jié)構(gòu)，具有大致是矩形盒形的扁平體形式的徑向板11，所述徑向板11具有平行 于反應(yīng)器的軸線的長邊12i、12e以及徑向的短邊13s、13i。板11被連接至熱交換流體例如冷卻水的合適的分配裝置。在該示例中，熱交換流 體從底邊13i進(jìn)入，在板11內(nèi)軸向流動，且從上邊13s處流出。流體通過連接至板11的徑 向?qū)Ч芤院线m的方式分配；在該示例中，流體通過一組固定至熱交換板11的底邊13i的徑 向管14分配，且通過一組固定至上邊13s的徑向管15被收集。每個板11裝備有各自的分 配器管14和各自的收集器管15。通過包括入口法蘭20，管21以及向分配器管14饋送的另一環(huán)形管22的管道系 統(tǒng)饋入流體。流體例如通過本身已知的管14的孔或者縫隙從每個分配器管14流經(jīng)至相應(yīng) 的板11的內(nèi)部。收集器管15接收來自板11的流體，且被連接至環(huán)形管23以及出口法蘭 24。管14和15由于其在反應(yīng)器1內(nèi)的徑向布置而具有被布置在第一圓周上的發(fā)散端 14d和15d，該第一圓周具有略小于壁7的直徑的第一直徑，且管14和15具有被布置在第 二圓周上的相對的匯聚端14c和15c，該第二圓周具有略大于中心導(dǎo)管8的直徑的第二直 徑。所述第一直徑大致等于環(huán)形熱交換器10的外徑，所述第二直徑大致為同一環(huán)形結(jié)構(gòu)的 內(nèi)徑。分配器管14和/或收集器管15至少在匯聚端14c、15c附近具有減小的橫截面， 以避免干擾和保持管端之間的合適的間隔。為此目的，管14和/或管15優(yōu)選是如圖所示 的圓錐形管。參考圖2所示的詳細(xì)視圖，圓錐形收集器管15被固定在板11的上部短邊13s上， 因此具有在反應(yīng)器軸線附近的、具有小于對端15的橫截面的匯聚端15c，且在管端之間留 下了合適的空隙S。所述圓錐形管15(圖2)具有從端15d至端15c均勻減小的橫截面。優(yōu)選地，環(huán)形 管22和23圍繞發(fā)散端15d放置，在這里有更多空間可用。根據(jù)一實施例(圖3至圖4)，每個板11基本包括相互平行的兩個壁31和32，所 述壁通過限定用于熱交換流體的通道34的內(nèi)間隔部33連接。能夠沿著壁31和32的縱向 周邊提供額外的間隔部，用于橫向密封板30。在優(yōu)選實施例中，壁31和32由相應(yīng)的扁平金 屬片形成，且由板條代表間隔部33，具有等于通道34高度的合適厚度。圓錐形管15包括開 口或者縫隙40，每個縫隙40與至少一個所述通道34流體連通。優(yōu)選地，每個通道34具有 一個縫隙40。能夠以與上述收集器15相同的方式實現(xiàn)分配器14。根據(jù)本發(fā)明，至少所述熱交換 流體分配器或者熱交換流體收集器在匯聚端處具有減小的橫截面。根據(jù)其它實施例，分配器管14和/或收集器管15包括具有各自不同的橫截面的 部分。參考圖5所示的示例，每個管15包括具有第一直徑的外圓筒形部分15e以及內(nèi)圓筒 部分15f，在導(dǎo)管15的匯聚端15c附近，所述內(nèi)圓筒形部分15f具有的第二直徑小于第一部分15e的直徑。根據(jù)另一(未示出的)實施例。徑向管14和/或管15包括多個兩個的部 分，橫截面從管道自身的外端至內(nèi)端減小。操作若下所述。反應(yīng)物通過法蘭5被饋入反應(yīng)器1，且徑向流過安裝有交換器10 的催化反應(yīng)區(qū)域。熱交換流體例如水被饋入板11，通過法蘭20、24以及下相關(guān)的管道流入 和流出。如圖1所示，管14、15的、橫截面減小的匯聚端14c、15c避免了管道之間的干擾且 在管道之間留下了合適的自由空間S(圖2)，例如用于卸下/重新饋入催化劑。例如關(guān)于放熱反應(yīng)，交換器10冷卻催化床和反應(yīng)產(chǎn)物，將反應(yīng)溫度保持在最優(yōu)的 效率范圍內(nèi)。為了該目的，熱交換流體可以是水，水至少部分地在板11內(nèi)被蒸發(fā)。在該情 況下，因為蒸汽需要更大的管，所以設(shè)置在匯聚端處具有減小的橫截面的水/蒸汽收集器 是特別有利的。如本領(lǐng)域技術(shù)人員明顯知道，本發(fā)明可用于包括板式熱交換器的任何類型的化學(xué) 反應(yīng)器，特別可用于徑向流、軸向流或者橫向流反應(yīng)器。
權(quán)利要求
一種等溫化學(xué)反應(yīng)器(1)，包括至少一個具有大體環(huán)形結(jié)構(gòu)的板式熱交換器(10)，所述熱交換器(10)包括多個被徑向布置的熱交換板(11)，以及至少一組徑向?qū)Ч?14、15)，所述至少一組徑向?qū)Ч?14、15)用于將熱交換流體饋入所述板(11)的內(nèi)部通道(34)或者從所述板(11)的內(nèi)通道(34)收集熱交換流體，所述徑向?qū)Ч芘c所述板(11)的徑向邊(13i、13s)對齊，所述徑向?qū)Ч?14、15)由于其徑向布置而具有發(fā)散端(14d、15d)以及相對的匯聚端(14c、15c)，所述反應(yīng)器(1)的特征在于，所述至少一組徑向?qū)Ч艿膹较驅(qū)Ч?14、15)的匯聚端(14c、15c)具有相比于相應(yīng)的發(fā)散端(14d、15d)減小的橫截面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其中，每個所述徑向?qū)Ч艿闹辽僖徊糠譃殄F形部分， 具有朝向該導(dǎo)管的匯聚端連續(xù)減小的橫截面。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的反應(yīng)器，所述徑向?qū)Ч艿腻F形部分為圓錐形或者截頭圓錐形。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的反應(yīng)器，其中，所述錐形部分具有小于10度的錐角。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的反應(yīng)器，所述徑向?qū)Ч?14、15)被固定至所述板 (11)的相應(yīng)邊。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，所述熱交換板的徑向?qū)Ч馨ǘ鄠€具有各自的不同 橫截面的部分(15e、15f)，每個導(dǎo)管(15)具有在所述匯聚端附近的、橫截面小于同一導(dǎo)管 (15)的其他部分的(15e)的橫截面的部分(15f)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的反應(yīng)器，每個所述徑向?qū)Ч芫哂型鈭A筒形部分(15e)和內(nèi)圓 筒形部分(15f)，所述外圓筒形部分具有第一直徑，內(nèi)圓筒形部分在所述導(dǎo)管(15)的匯聚 端(15)附近，所述內(nèi)圓筒形部分(15f)具有的直徑小于所述第一部分(15e)的直徑。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的反應(yīng)器，所述板(11)具有包括第一壁(31)和第 二壁(32)以及內(nèi)間隔部件(33)的結(jié)構(gòu)，所述內(nèi)間隔部件(33)將所述第一壁連接至所述第 二壁，在所述第一壁和第二壁(31、32)之間限定用于熱交換流體的通道。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的反應(yīng)器，其中，所述徑向?qū)Ч?14、15)具有與被形成在所述板 (11)中用于熱交換流體的所述通道(34)流體連通的開口(40)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述熱交換器(10)包括 用于向所述板(11)饋入熱交換流體和從所述板(11)收集熱交換流體的一組流體饋入徑向 導(dǎo)管(14)和一組流體收集徑向?qū)Ч?15)，所述流體饋入徑向?qū)Ч?14)和流體收集徑向?qū)?管(15)具有匯聚端，所述匯聚端的橫截面相比于相應(yīng)的發(fā)散端減小。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述熱交換器(10)針對每一個所述 被徑向布置的板(11)包括流體饋入徑向?qū)Ч?14)以及相對的流體收集徑向?qū)Ч?15)，所 述相對的流體饋入徑向?qū)Ч?14)和流體收集徑向?qū)Ч?15)具有匯聚端，所述匯聚端的橫 截面相比于相應(yīng)的發(fā)散端減小。
12.一種用于在等溫化學(xué)反應(yīng)器中使用的板式熱交換器(10)，所述熱交換器包括多個 被徑向布置的熱交換板(11)，以及至少一組用于向所述板(11)的內(nèi)通道(34)饋入熱交換 流體或者從所述板(11)的內(nèi)通道(34)收集熱交換流體的徑向?qū)Ч?14、15)，所述徑向?qū)Ч?與所述板(11)的徑向邊(13i、13s)對齊，所述徑向?qū)Ч?14、15)由于其徑向布置而具有發(fā) 散端(14d、15d)和相對的匯聚端(14c、15c)，所述反應(yīng)器(1)的特征在于，所述至少一組徑 向?qū)Ч艿膹较驅(qū)Ч?14,15)的匯聚端(14c、15c)具有相比于相應(yīng)的發(fā)散端(14d、15d)減小的橫截面。
全文摘要
具有內(nèi)部板式熱交換器(10)的等溫化學(xué)反應(yīng)器，具有熱交換輻板(11)以及平行于板(11)的邊(13i，13)的用于分配和收集熱交換流體的徑向管(14，15)，所述徑向?qū)Ч芫哂性趦?nèi)匯聚端(14c，15c)附近具有更小的橫截面的部分。
文檔編號F28D9/00GK101952022SQ200980105341
公開日2011年1月19日 申請日期2009年2月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月18日
發(fā)明者埃爾曼諾·菲利皮, 恩里科·里奇, 米爾科·塔里齊 申請人:卡薩爾甲醛公司