專利名稱：用于等溫化學(xué)反應(yīng)器的熱交換單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
在本發(fā)明最一般的方面而言，本發(fā)明涉及用于催化化學(xué)反應(yīng)的等溫反應(yīng)器或擬等 溫反應(yīng)器(pseudo-isothermal reactor)技術(shù)領(lǐng)域，所述催化化學(xué)反應(yīng)是在存在合適催化 劑的情況下進(jìn)行并產(chǎn)生熱量(放熱反應(yīng))或吸收熱量(吸熱反應(yīng))的化學(xué)反應(yīng)。
背景技術(shù)：
已知上述類型的許多催化化學(xué)反應(yīng)要求溫度保持在相當(dāng)窄的最優(yōu)產(chǎn)出范圍內(nèi)，補(bǔ) 償由反應(yīng)本身所引起的熱量產(chǎn)生或吸收。 為此，已知用于催化化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)器包括大體圓柱形的外殼，該外殼配備有針 對反應(yīng)物和反應(yīng)產(chǎn)物的合適的入口 /出口，并且包括嵌入有熱交換單元的催化層，該熱交 換單元能夠在放熱化學(xué)反應(yīng)的情況下從反應(yīng)物氣體中取走熱量，或者反過來在吸熱化學(xué)反 應(yīng)的情況下提供熱量。因為這樣的熱交換單元將反應(yīng)器中的溫度保持在預(yù)定范圍內(nèi)，補(bǔ)償 了化學(xué)反應(yīng)的熱量增加或吸收，所以所述反應(yīng)器被稱為"擬等溫反應(yīng)器"，或者更簡單的說 為"等溫反應(yīng)器"。 熱交換單元由多個適當(dāng)構(gòu)造、支撐并相互連接的交換器構(gòu)成，液體形態(tài)、氣體形態(tài) 或相變期間的形態(tài)的合適的熱交換流體(如導(dǎo)熱油、熔鹽、液態(tài)或沸騰態(tài)的水，乃至反應(yīng)物 氣體本身)被供給所述交換器。例如，存在一種用于放熱反應(yīng)的已知類型的反應(yīng)器，在該反 應(yīng)器中，一部分氣態(tài)反應(yīng)物作為冷卻流體在熱交換器內(nèi)循環(huán)，獲得對反應(yīng)物自身進(jìn)行預(yù)熱 這一額外優(yōu)點。 板式熱交換器被廣泛用于本文所慮及類型的等溫反應(yīng)器中。 例如，EP-A-1306126公開了用于徑向的或軸向_徑向的等溫化學(xué)反應(yīng)器的板式熱 交換單元，該板式熱交換單元包括多個熱交換板，所述熱交換板被大體徑向布置，以長邊平 行于該單元的軸而短邊沿徑向延伸，其中，每個板包括兩個相互并置且平行的壁，所述兩個 壁通過至少一個周邊接縫接合，以限定用于熱交換流體循環(huán)的腔室。 已經(jīng)認(rèn)識到，板式單元盡管具有諸如交換表面大、成本相對低廉以及便于組裝的 優(yōu)點，但是可能對外部氣體流產(chǎn)生一些干擾。特別地，板式單元可能在反應(yīng)區(qū)域內(nèi)、在鄰接 的板之間產(chǎn)生關(guān)于氣體流的優(yōu)選通道，所述優(yōu)選通道彼此相對隔離。該效應(yīng)可能降低所述 流的混合以及反應(yīng)物之間的接觸。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要問題在于設(shè)計和提供一種用于等溫化學(xué)反應(yīng)器的板式熱交換單元，
該板式熱交換單元能夠克服前述缺點，減少所述流在板之間的徑向通道中的分割。 該問題是采用一種用于等溫化學(xué)反應(yīng)器的板式熱交換單元來解決的，該板式熱
交換單元可用于在所述單元中循環(huán)的工作流體與饋送到反應(yīng)器中的反應(yīng)物氣體流之間的
熱交換，所述單元包括多個熱交換板，其中，每個板包括兩個相互并置且平行的壁，所述壁
通過至少一個周邊接縫接合，在所述壁之間獲得至少一個用于所述工作流體的循環(huán)的內(nèi)部腔室，其特征在于，每個板具有配備有多個開口的一個壁，并且相對的壁配備有同樣多 的、與面向前述開口的開口 ，并且該板沿著所述開口的邊緣還包括所述壁之間的的接合線 (joining line)，獲得穿過板的貫通開口。 根據(jù)一個優(yōu)選實施例，開口被成形為在板的縱向延伸方向上延伸的如縫隙狀或切 口狀。更優(yōu)選地，所述貫通開口被布置在多個平行的排上。 應(yīng)當(dāng)注意，具有相關(guān)的邊緣接合線的每個開口往往使板內(nèi)循環(huán)的流體偏離，具有 對于熱交換的大體有益的效果。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，沿著每個板，貫通開口布置在許多 平行的排上，并且所述平行的排優(yōu)選是錯開的，獲得在板自身內(nèi)部的流體的大體為蛇形的 路徑，這將在下文中通過非限定的示例性實施例而變得清楚。 在一個優(yōu)選實施例中，熱交換單元的板具有大體模塊化的結(jié)構(gòu)，包括多個部分，每 個部分具有至用于熱交換流體的入口歧管和出口歧管的相應(yīng)的連接。用于饋送和排出流體 的歧管有利地被布置在板的兩側(cè)，使得板的每個部分(或模塊)在其內(nèi)部被流體按照大體 橫向的方向穿過。 優(yōu)選地，板的每個模塊包括被制成為縱向切口或縫隙的多個貫通開口，所述貫通
開口平行并且在縱向上錯開，在兩個壁之間獲得用于熱交換流體的蛇形通道。 優(yōu)選地，板的貫通開口的總面積為同一板的正表面的2%至20%之間(不考慮可
能的波動)，更優(yōu)選為在5%至10%之間。根據(jù)一個示例性的實施例，垂直于板的縱向延伸
方向測量到的開口的寬度為大約15mm。 本發(fā)明的目的還在于一種用于放熱的或吸熱的多相化學(xué)反應(yīng)的等溫反應(yīng)器，該等
溫反應(yīng)器具有如上所述的板式熱交換單元，該板式熱交換單元嵌入在催化層中。 通過所述貫通開口，熱交換板在使用期間在橫向方向上大體可透過反應(yīng)物的氣體
流。其結(jié)果為所述板不妨礙往外的氣體流，并且允許反應(yīng)物的完全混合。通過該混合效果
還可改善與板內(nèi)部的流體之間的熱交換，該混合效果往往使得溫度均勻，避免在氣體流中
形成較熱或次熱的部分。這樣，獲得反應(yīng)器的性能的整體提升。 根據(jù)一個優(yōu)選的方面，板的模塊化結(jié)構(gòu)使得熱交換更加高效，避免沿著板自身的 延伸方向形成"冷"區(qū)域和"熱"區(qū)域。 此外，保持了在等溫反應(yīng)器中使用板式熱交換器而獲得的所有優(yōu)點，諸如大交換 表面積，低成本以及安裝容易。 通過下面對用于說明性而非限定性的目的而給出的結(jié)合附圖的優(yōu)選示例性實施 例的描述，本發(fā)明的特征以及優(yōu)點將變得更加清楚。


圖1示意性示出具有徑向流的等溫反應(yīng)器的剖面，該反應(yīng)器包括根據(jù)本發(fā)明的優(yōu) 選實施例的板式熱交換單元； 圖2示出圖1所示的反應(yīng)器的熱交換單元的板的示意性正視圖；
圖3示出圖2所示的板的一部分的示例性截面；
圖4以正視圖的形式示出圖2所示熱交換板的一部分的細(xì)節(jié)；
圖5示出圖1所示熱交換單元的板的一部分的立體圖。
具體實施例方式
參考圖l，所示的等溫反應(yīng)器1包括具有豎軸的圓柱形殼體2，該殼體2被底基板 3和頂基板4封閉，配備有分別用于饋送反應(yīng)物氣體和排出氣態(tài)反應(yīng)產(chǎn)物的通道5、6。
在反應(yīng)器l內(nèi)部限定反應(yīng)區(qū)域(或環(huán)境)，大體為圓柱形且具有環(huán)形橫截面的催化 筐7被支撐在反應(yīng)區(qū)域。所述催化筐7基本上由外圓柱形壁8、內(nèi)圓柱形壁10以及環(huán)形基 板7b構(gòu)成，外圓柱形壁8與殼體2 —起限定窄寬度的間隙9。 內(nèi)壁IO在中心區(qū)限定軸向通道，導(dǎo)管11被大體支撐在該中心區(qū)，該導(dǎo)管11構(gòu)成 反應(yīng)的氣態(tài)產(chǎn)物的歧管。所述導(dǎo)管11具有封閉的頂端lla和開放的底端llb，與底基板3 的排出通道6直接流體連通。 外壁8與內(nèi)壁10是帶有穿孔的，以允許反應(yīng)物氣體從間隙9進(jìn)入筐7內(nèi)部，并且 允許反應(yīng)的氣態(tài)產(chǎn)物從筐7進(jìn)入中心導(dǎo)管11。 筐7用于容納大量合適的催化劑(未示出)，圖1中示意性示出的熱交換單元12 浸入催化劑且以本身已知的方式支撐。 所述熱交換單元12具有整體圓柱形的環(huán)形結(jié)構(gòu)，類似于所述筐7的結(jié)構(gòu)。單元12 具有的外徑(outer diameter)大體上等于筐7的外徑，并且單元12被直徑大體上等于同 一筐的內(nèi)徑的通道軸向穿過。 特別地，根據(jù)在圖1中示意性示出的優(yōu)選的、但非限制性的實施例，熱交換單元12 包括多個熱交換板13，所述熱交換板13以三個同軸且同心的行的方式規(guī)則地分布。所述 板13被大體徑向布置，以長邊平行于單元12的軸，從而平行于圓柱形殼體2的軸、而短邊 沿徑向延伸，并且所述板13以構(gòu)成多個徑向組(三個一組)的方式組織。當(dāng)然，根據(jù)不同 的技術(shù)應(yīng)用要求，每個三板13 —組的徑向組可由一對板或單個板代替，所述一對板或單個 板的尺寸被設(shè)計成占據(jù)筐7的整個徑向范圍。 工作熱交換流體被饋送到板13的內(nèi)部，以加熱或冷卻(取決于是吸熱反應(yīng)還是放 熱反應(yīng))反應(yīng)物。為此，單元12連接到用于使所述工作流體循環(huán)的合適的裝置，在示例中， 由供給導(dǎo)管23a、24a、25a以及環(huán)形分配器23、24、25表示。這些分配器通過一系列的連接 器21將流體輸入和輸出被縱向布置在所述板13的兩側(cè)的歧管。出于非限制性的目的，在 圖1涉及的反應(yīng)器中，在板13內(nèi)部循環(huán)的熱交換流體由反應(yīng)物自身構(gòu)成。反應(yīng)物氣體被饋 送給交換單元12，在交換單元12，反應(yīng)物氣體被反應(yīng)熱量預(yù)加熱，然后從布置在最里面的 板13的頂部的開放導(dǎo)管22出來進(jìn)入到反應(yīng)區(qū)域中。 熱交換板13具有多個貫通的開口，使得這些熱交換板13在橫向方向上實質(zhì)上可 透過反應(yīng)物氣體，為了簡明，所述貫通的開口未在圖1中示出。 在圖2至圖5中更詳細(xì)地示出熱交換單元12的板13。 一般來說，所述板13大體 上由兩個相面對的壁14和15構(gòu)成，壁14和15例如由適當(dāng)呈波浪狀的金屬板形成，通過周 邊焊接16連接在一起，獲得在一個壁與另一個壁之間用于熱交換流體的腔室(或多個腔 室)17。板13還被連接到用于工作熱交換流體的入口歧管和用于同一流體的出口歧管，入 口歧管和出口歧管在板的兩側(cè)縱向延伸。這樣的歧管102和103也可以直接"形成"在板 內(nèi)，如在EP-A-1306126中所描述的那樣。 參考圖3的示例性截面，壁14具有多個開口 14s，而壁15具有多個相應(yīng)的且并置 的開口 15s。沿著所述開口 14s和15s的邊緣形成有接合線105例如焊接，從而獲得所述貫通開口 104之一。應(yīng)理解，開口 14s和15s以及相應(yīng)的焊接105限定穿過板13的所述貫通 開口 104，但不會干擾內(nèi)部腔室17的流體密封。 板13配備有多個這樣的開口 104，優(yōu)選如圖中所示被布置在一些平行的排或串 上。在所示示例中，開口 104被布置在三個平行的排上，中心排相對于側(cè)排錯開。
通過這些穿貫通開口 104，板13實質(zhì)上可透過流出的氣態(tài)反應(yīng)物流，即，在反應(yīng)器 1內(nèi)部，沿徑向流動的反應(yīng)物本身也可以以上述方式橫向穿過板13。 在一個優(yōu)選實施例中，板13具有大體上模塊化的結(jié)構(gòu)，包括多個部分(或模塊)， 每個模塊具有至流體入口歧管和出口歧管的相應(yīng)的連接，所述連接利用本身已知的技術(shù)制造。 參考圖4至圖5，板13的這些模塊中之一由110表示。通過壁14、15之間的焊縫 111U12限定所述模塊110并且使所述模塊110與鄰接的模塊隔開，并且所述模塊110限 定用于流體循環(huán)的、與歧管103和102適當(dāng)連通的腔室或管。熱交換流體以例如圖4和圖 5中的箭頭所示的蛇形路徑橫向穿過模塊110。 更詳細(xì)而言，板模塊110具有三個貫通開口或切口 104a、104b和104c，它們按照上 述方式制成并且沿縱向延伸。這些切口大體平行且在縱向上錯開，限定出大體為蛇形的橫 向通道117。每個切口 104a至104c被相應(yīng)的邊緣焊縫105a至105c包圍，這保持板13的 壁14與壁15之間的通道117的流體密封性。 可替選地，邊緣焊縫105a至105c與用于封閉模塊110的頂部焊縫111或底部焊
縫112相連。在示例中，焊縫105a和105c與在底部限定模塊110的底部焊縫112連接，而
焊縫105b與相對的頂部焊縫111連接，以致使開口 104a至104c錯開布置。 應(yīng)注意，與圖4所示的模塊110類似，板13的每個模塊具有用于工作流體的相應(yīng)
通道或管，與大體為橫向且為蛇形的通道117類似，與鄰接的模塊的通道分離。然而，在等
效的實施例中，在不同的板模塊中限定的通道也可以是相互流體連通的。 歧管103、102之間的流體通道以及所述板的通道由本身已知的技術(shù)制造，例如中
斷所述板的壁之間的焊縫或合適的套筒。 操作方式如下。參考圖l，通過所述導(dǎo)管和環(huán)形分配器將反應(yīng)物氣體饋送給板13。 這些氣體在頂基板4所限定的空間中從最里面的板的導(dǎo)管22中出來，從而在徑向上從間隙 9穿過反應(yīng)區(qū)域到達(dá)歧管11。參考放熱反應(yīng)而言，單元12中的熱交換使催化床及反應(yīng)產(chǎn)物 冷卻，并且使反應(yīng)物的流預(yù)熱。由于在板13中存在開口 104，沿著反應(yīng)器1中的徑向路徑、 通過板自身，獲得反應(yīng)物氣體的橫向混合流，得到在化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)量和單元12的熱交換的總 量方面的益處，而且保持了所期望的溫度曲線。 最后應(yīng)注意，本發(fā)明的應(yīng)用不應(yīng)被理解為限于徑向的或軸向-徑向的反應(yīng)器，而 是在其他類型的等溫化學(xué)反應(yīng)器中同樣是有利的。
權(quán)利要求
一種用于等溫化學(xué)反應(yīng)器(1)的板式熱交換單元(12)，可用于在所述單元(12)中循環(huán)的工作流體與饋送到反應(yīng)器(1)中的反應(yīng)物氣體流之間的熱交換，所述單元(12)包括多個熱交換板(13)，其中，每個板(13)包括兩個相互并置且平行的壁(14、15)，所述壁通過至少一個周邊接縫(16)接合，在所述壁(14、15)之間獲得至少一個用于所述工作流體的循環(huán)的內(nèi)部腔室(17)，其特征在于，每個板(13)具有配備有多個開口(14s)的壁(14)以及配備有同樣多的面向所述開口(14s)的開口(15s)的相對的壁(15)，并且所述板還包括在所述壁之間的、沿著所述開口(14s、15s)的邊緣的接合線(105)，獲得穿過所述板(13)的貫通開口(104)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的熱交換單元，其特征在于，穿過所述板(13)的所述貫通開口 (104)在所述板(13)自身的縱向延伸方向上延伸。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的熱交換單元，其特征在于，所述貫通開口 (104)被布置在 多個平行的排上。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的熱交換單元，其特征在于，每個板(13)的貫通開口 (104)的 平行的排被錯開，在板(13)內(nèi)部的腔室(17)中獲得所述流體的大體為蛇形的路徑。
5. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一權(quán)利要求所述的熱交換單元，其特征在于，每個熱交換 板(13)具有大體模塊化的結(jié)構(gòu)，包括多個部分或模塊(110)，每個模塊(110)具有針對工作 熱交換流體的相應(yīng)入口和出口連接。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的熱交換單元，其特征在于，每個板模塊(110)包括多個所述貫 通開口 (104a至104c)，貫通開口 (104a至104c)被布置成限定用于板模塊(110)內(nèi)部的熱 交換流體的、大體為蛇形的通道(117)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的熱交換單元，其特征在于，每個板模塊(110)由板(13) 的壁之間的頂部接合線(111)和相對的底部接合線(112)限定，并且可替選地，所述貫通開 口 (104a至104c)由與所述頂部接合線(111)和所述底部接合線(112)連接的接合線(105a 至105c)包圍。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的熱交換單元，其特征在于，每個模塊(110)具有邊側(cè)貫通 開口 (104a、104c)以及中央開口 (104b)，中央開口 (104b)相對于所述邊側(cè)開口錯開，使得 整個板(13)具有三排或三串貫通開口，中央的排相對于邊側(cè)的排錯開。
9. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一權(quán)利要求所述的熱交換單元，其特征在于，每個板(13) 的貫通開口 (104)的總面積為板自身的正表面的2%至20%。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的熱交換單元，其特征在于，每個板(13)的貫通開口 (104)的 總面積為板自身的正表面的5%至10%。
11. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一權(quán)利要求所述的熱交換單元，其特征在于，板(13)的 貫通開口 (104)具有大約15mm的寬度。
12. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一權(quán)利要求所述的熱交換單元，其特征在于，所述板 (13)的壁(14、15)由金屬制成，并且在所述壁之間的所述接合線(105)通過壁的焊接線制 成。
13. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一權(quán)利要求所述的熱交換單元，其特征在于，所述單元 (12)具有大體為環(huán)形且為圓柱形的結(jié)構(gòu)，具有沿徑向布置的熱交換板(13)。
14. 一種等溫化學(xué)反應(yīng)器，包括外殼體(2)以及熱交換單元(12)，熱交換單元(12)被嵌入到支撐在所述殼體自身中的催化層中，其特征在于，所述熱交換單元(12)是根據(jù)任一 前述權(quán)利要求構(gòu)造。
全文摘要
用于等溫的或擬等溫的化學(xué)反應(yīng)器的板式熱交換單元(12)，用于在板內(nèi)部循環(huán)的流體與反應(yīng)物氣體的往外的流之間的熱交換，其中，板(13)的壁(14、15)具有被合適的接合線(105)包圍的切口(14s、15s)，獲得穿過板(13)自身的貫通開口(104)，致使所述板在橫向方向上實質(zhì)上可透過反應(yīng)物氣體。
文檔編號B01J8/02GK101754802SQ200880025329
公開日2010年6月23日 申請日期2008年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月19日
發(fā)明者尼可拉·索里尼, 阿戈斯蒂諾·巴比耶里 申請人:卡薩爾甲醛公司