專利名稱：在擬等溫條件下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
從廣義上講，本發(fā)明涉及在擬等溫條件下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的方法，也就是說在將反應(yīng)溫度控制在預(yù)定最佳值周圍很窄的范圍內(nèi)的條件下。
具體而言，本發(fā)明涉及一種上述類型用于控制催化反應(yīng)溫度的方法，該方法以使用熱交換器為基礎(chǔ)，所述熱交換器浸沒在例如催化床的反應(yīng)環(huán)境中的，所選擇的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在這種環(huán)境中。
更具體而言，盡管不排除其他方法，本發(fā)明涉及一種使用板式交換器控制反應(yīng)溫度的方法，所述的板式交換器浸在催化床中，合適的熱交換工作流體從其內(nèi)部通過。
本發(fā)明還涉及一種熱交換器，這種熱交換器具有實現(xiàn)上述方法適合的結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
已知為了使放熱或吸熱化學(xué)反應(yīng)，例如甲醇、甲醛或苯乙烯的合成反應(yīng)滿意地進(jìn)行完全，必須分別從發(fā)生反應(yīng)的環(huán)境中移走或向其中提供熱量，以將其溫度控制在預(yù)定理論值附近很窄的范圍內(nèi)。
同樣，已知為了上述目的，大多數(shù)類型的熱交換器被廣泛使用，這些熱交換器浸沒在反應(yīng)環(huán)境中(通常為催化床)，并且合適的熱交換工作流體從其內(nèi)部通過。
反應(yīng)的擬等溫程度，即反應(yīng)本身進(jìn)行或完成的程度，依賴于使用這種熱交換器的方式、它們的功能性、向反應(yīng)環(huán)境中提供或從其中移走熱量的效率(熱能產(chǎn)額)。
盡管目前在擬等溫條件下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)所使用的現(xiàn)有技術(shù)有一些有利的方面，但仍有已知的缺點，這在工業(yè)生產(chǎn)中限制了反應(yīng)本身進(jìn)行或完成的程度。
實際上，按照預(yù)定的進(jìn)/出途徑流經(jīng)熱交換器的工作流體必然和熱交換器所處的環(huán)境(例如催化床)有熱量交換而使其實際溫度發(fā)生改變。
工作流體的這種溫度變化沿著其路徑基本上是連續(xù)的，不可避免地造成熱交換器工作效率的持續(xù)降低。
事實上，沿著熱交換器壁的工作流體和反應(yīng)環(huán)境之間的熱交換是不均勻的，但是隨著內(nèi)部和外部流體的溫差減小而趨向于降低。
因此，現(xiàn)有的方法和交換器所達(dá)到的反應(yīng)條件的擬等溫程度的特征在于反應(yīng)溫度總是被控制在與涉及的等溫曲線一致的溫度附近相對較寬的范圍內(nèi)。這種情況還涉及到有關(guān)化學(xué)反應(yīng)完成的限制程度。
發(fā)明概述本發(fā)明的技術(shù)難題是提供一種在所謂的擬等溫條件下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的方法，這種方法基于使用熱交換器，熱交換器在進(jìn)行預(yù)定反應(yīng)的環(huán)境中起作用，并適合于將反應(yīng)溫度維持在預(yù)定常數(shù)值，或者無論如何將所述溫度控制在非常窄的范圍內(nèi)，從而與現(xiàn)有方法相比顯著地提高反應(yīng)進(jìn)行或完成的程度。
解決所述難題的想法是在熱交換工作流體流經(jīng)各個熱交換器時將其溫度控制在上述的預(yù)定值。
按照這種想法，本發(fā)明通過如下方法解決上面指出的技術(shù)問題在擬等溫條件下和預(yù)定的反應(yīng)環(huán)境中，例如催化床中連續(xù)進(jìn)行所選擇的化學(xué)反應(yīng)的方法，該方法包括向反應(yīng)環(huán)境中提供至少一個熱交換器輸送處于預(yù)定進(jìn)口溫度的第一種熱交換工作流體流的步驟，該工作流體沿著相應(yīng)的進(jìn)/出路徑通過所述的至少一個熱交換器；這種方法的特征在于在至少一個熱交換器和該路徑的一個或多個中間位置處注入具有各自預(yù)定進(jìn)口溫度的第二種工作流體流。
通過合適地選擇第二種流體的進(jìn)口溫度和中間位置的數(shù)量，該中間位置是第二種流體流和第一種流體發(fā)生混合的地方，可以使工作流體的溫度回到進(jìn)口溫度或至少非常接近于進(jìn)口溫度。因而，在熱交換工作流體通過各自的交換器時，如果不能將所說的流體的溫度基本上保持恒定，可以將其溫度控制在預(yù)定值附近很窄的范圍內(nèi)。
此外，本發(fā)明涉及一種具有適合實現(xiàn)上述方法的結(jié)構(gòu)和功能特征的熱交換器。
參照附圖對本發(fā)明實施方案的陳述性非限制實例所作的如下描述，將使本發(fā)明方法的特征和優(yōu)勢變得更加清晰。
附圖簡述

圖1所示為可用于實現(xiàn)本發(fā)明方法的熱交換器的軸向示意圖。
圖2所示為圖1交換器細(xì)節(jié)的分解放大示意圖。
圖3所示為圖1的交換器沿III-III線的放大圖。
圖4所示為圖1的交換器的一個備選實施方案的透視示意圖。
圖5所示為圖4的沿V-V線的剖面圖。
附圖詳述參照上述附圖，用于實現(xiàn)本發(fā)明方法的熱交換器用參考數(shù)字1指出了它的全部。
僅為了示意和簡化的原因，所述的熱交換器1具有扁平的平行六面體結(jié)構(gòu)，其包括兩面寬壁2和3，這兩面優(yōu)選用金屬板制成，基本上是扁平的和并置的，以預(yù)定的間隔關(guān)系通過狹縮的周壁4鄰接。
在壁2、3和4之間，限定了室5，在室5的一側(cè)用于通過流體進(jìn)口連接器6與熱交換工作流體源(未顯示)相通，并且在其另一側(cè)用一個支管(同樣未顯示)通過流體出口連接器7排放所述的流體。
通過如作為常規(guī)方法未顯示的擋板，分割壁等手段，在室5中限定了工作流體的路徑。該路徑在連接器6，7間延伸并以這樣的方式設(shè)計與所述的熱交換器1的兩面完全相對的壁2，3相接觸。
兩個(或更多)同樣的分配器8，9固定到熱交換器1其中一面壁上，例如固定到壁3上，并且固定在所述路徑的預(yù)定的中間位置。所述的分配器8，9以距離流體進(jìn)口和出口連接器6和7預(yù)定的距離互相平行地延伸。
相互間隔的分配器8和9，是在其一側(cè)與熱交換器1的室5流體相通的，并且在其另一側(cè)分別通過連接器11和12與輸送管10流體相通，該輸送管10是用于供給工作流體的。
具體而言，根據(jù)一個優(yōu)選的實施方案(圖2)，每個分配器8，9包括在壁3上形成的多個透孔13，并且透孔13是有規(guī)律地至少按直線排列的，其縱向延伸至分配器(8，9)本身并至外殼14。外殼14基本上是槽道形狀，其固定在壁3上以蓋住大多數(shù)透孔13，與它一起形成工作流體分配室15，從下面的描述中將會很清楚。
根據(jù)本發(fā)明的方法，為了控制化學(xué)反應(yīng)的溫度，例如甲醇的強(qiáng)放熱合成，多個上述類型的熱交換器1合適地安排在反應(yīng)連續(xù)進(jìn)行的環(huán)境中，如在所選擇的催化床中。
每個所述的交換器1在其一側(cè)通過各自的流體進(jìn)口連接器6與熱交換工作流體源(未顯示)相接，并且在另一側(cè)通過各自的流體出口連接器7與共同的排放支管(未顯示)相接。
每個熱交換器的分配器8，9通過輸送管10依次與所述的工作流體源相通。
一旦完成了此預(yù)備步驟，就可以開始所選擇的化學(xué)反應(yīng)了。
反應(yīng)中，通過多個交換器1，從反應(yīng)環(huán)境中至少部分移走產(chǎn)生的熱量或向反應(yīng)環(huán)境中至少部分提供吸收的熱量。交換器1使所述環(huán)境和通過各個進(jìn)口分配器6輸入到每個所述交換器的第一種工作流體流產(chǎn)生熱交換關(guān)系。
所述第一種流體的流速以及所述工作流體的溫度是用按照本身已知的方法，根據(jù)特定反應(yīng)的化學(xué)和動力學(xué)特性，考慮到熱交換“率”(及由此的反應(yīng)進(jìn)行度)也是反應(yīng)環(huán)境和工作流體之間存在的溫差的函數(shù)，事先計算出來的。
在交換器1的區(qū)域，該區(qū)域接近各自的進(jìn)口分配器6，此處是溫差達(dá)到最大的區(qū)域，我們可以得到最大熱交換率。但是，正是由于這種熱交換，當(dāng)工作流體從進(jìn)口連接器流走，在流經(jīng)交換器的路徑中其溫度發(fā)生變化，從而趨向于和反應(yīng)環(huán)境溫度一致。
為了避免由于上述變化使工作流體的溫度“超出”預(yù)定值范圍，即所希望的在預(yù)先計算值附近很窄的區(qū)間內(nèi)，本發(fā)明將第二種工作流體流分別通過進(jìn)料管10和多個分配器8，9輸送到每個交換器中。
當(dāng)然，第二種流體流的溫度是這樣選擇的當(dāng)交換器中的兩種流體在分配器的位置處混合時，同樣盡可能接近第一種流體的進(jìn)口溫度。
使用本發(fā)明的方法，適當(dāng)?shù)剡x擇第二種流體的溫度和在每個交換器中分配器8，9的數(shù)量與位置，就可以在熱交換工作流體通過熱交換器的路徑中將其溫度控制在預(yù)定值范圍內(nèi)。
假設(shè)反應(yīng)環(huán)境溫度和在這種環(huán)境中工作的熱交換流體溫度之間緊密相關(guān)，同樣還可以控制基本上和反應(yīng)溫度一致的反應(yīng)環(huán)境的溫度。
本發(fā)明的另一個有利之處在于提供了控制熱交換器中流動的工作流體和反應(yīng)環(huán)境中流動的反應(yīng)流體之間的熱交換系數(shù)的可能性。
事實上，通過多次分流，將工作流體注入熱交換器的方法，可以以獨立的方式改變這種流體的流量和流速，從而適當(dāng)?shù)乜刂茻峤粨Q器內(nèi)部工作流體的流量和流速。
由于這些參數(shù)直接影響熱交換系數(shù)，即工作流體的流量和流速越高，熱交換系數(shù)越大，反之亦然，由于本發(fā)明，因此可以沿著整個熱交換器獲得所需的熱交換，從而能夠最佳化地控制化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)程。
參考圖4和根據(jù)本發(fā)明的熱交換器的優(yōu)選和有利的實施方案，第二種工作流體流的進(jìn)料管由熱交換器的結(jié)構(gòu)本身所限定。
具體而言，熱交換器20包括兩塊減薄的金屬板21，22以便可以被塑性形變，用圓周焊接23的手段以互相基本上毗鄰的方式相接。
已經(jīng)考慮實現(xiàn)焊接23，在所述板的相對側(cè)20a，20b，分別存在工作流體的進(jìn)口和出口連接器24和25。
通過基本上L-型的焊線27的方法，板21，22還互相連接，平行地延伸至熱交換器20的側(cè)面20c，側(cè)面20c沒有流體進(jìn)口或出口連接器，并且在此縮小了距離。在熱交換器20的側(cè)面20a上，和在所述的焊線27上，提供了第三連接器28，該連接器28用作第二種工作流體流的進(jìn)口，從下面的描述將變得更清晰。
通過所述板21，22的彈性變形，例如通過在它們間鼓入加壓氣體，得到由熱交換工作流體通過的室26和形成了用于注入第二種工作流體流的輸送管29。輸送管29在包括L焊線27和熱交換器本身的側(cè)面20c間的區(qū)域延伸。
應(yīng)當(dāng)注意的是，形成在熱交換器20的壁21，22間的進(jìn)料管29通過同一焊線27與室26完全分開，焊線27也保證不透液體的密封。
在一塊板上，例如熱交換器20的板22，固定有兩個或多個分配器30，31，其結(jié)構(gòu)和功能與上述的分配器相似，參考圖1-3。分配器31，30通過形成在相應(yīng)板上的多個孔32與室26流體相通，并通過各自開孔33與進(jìn)料管29相通，該開孔33是在進(jìn)料管29的合適的位置提供的。
可以對這樣構(gòu)思的發(fā)明進(jìn)行改變和變更，所有這些都落入如下權(quán)利要求所限定的保護(hù)范圍。
例如，根據(jù)本發(fā)明未顯示的備選實施方案，分配器8-9和30-31可以對稱地分別固定到熱交換器的壁2，3和21，22。
這樣，在將第二種工作流體加入到熱交換器期間，它的壓降減小。相對于上述實例，它可以使第二種流體在低進(jìn)料流速下操作，并因此使其進(jìn)入熱交換器更容易。此外，這種壓降的降低有利地意思是熱交換器更低的總壓降。
用可以降低分配器的厚度的事實，給出了從這個實施方案得到另外的好處。這促使可能存在于反應(yīng)環(huán)境中的催化劑均勻地沉淀，熱交換器是處于改反應(yīng)環(huán)境中的，并且利于進(jìn)出反應(yīng)環(huán)境的催化劑的加載和卸載操作。
權(quán)利要求
1.在所謂的擬等溫條件下和預(yù)定的反應(yīng)環(huán)境中，例如催化床中，連續(xù)進(jìn)行所選擇的化學(xué)反應(yīng)的方法，其包括向所述反應(yīng)環(huán)境中提供至少一個熱交換器輸送處于各自預(yù)定進(jìn)口溫度下的第一種熱交換工作流體流的步驟，該工作流體沿著各自的進(jìn)/出路徑通過所述的至少一個熱交換器，這種方法的特征在于在所述至少一個熱交換器和該路徑的一個或多個中間位置處，注入具有各自預(yù)定進(jìn)口溫度的第二種工作流體流。
2.用于權(quán)利要求1所述方法的熱交換器，該熱交換器包括兩面寬壁(2，3；21，22)、由所述的壁(2，3；21，22)間所限定的用于通過熱交換工作流體的室(5，26)、分別進(jìn)出所述室(5；26)的流體進(jìn)口連接器(6，24)和流體出口連接器(7，25)、至少一個工作流體分配器(8，9；30，31)，該流體分配器以離所述的連接器(6，7；24，25)預(yù)定的距離固定在至少一面壁(2，3；21，22)上并與所述的室(5，26)流體相通、至少一個用于注入所述工作流體的輸送管(10，28-29)，該輸送管與所述的至少一個分配器(8，9；30，31)相通。
3.權(quán)利要求2的熱交換器，其特征在于所述的分配器(8，9；30，31)包括在壁(3，22)上形成的多個透孔(3，22)和外殼(14)，所述的外殼從外面固定到所述的壁(3，22)上以蓋住所述的孔(3，22)，并與它一起限定流體分配室(15)。
4.權(quán)利要求3的熱交換器，其特征在于所述的透孔(3，22)至少按直線排列的形式進(jìn)行安排。
5.權(quán)利要求2的熱交換器，其特征在于所述的進(jìn)料管(10)從外部與所述的交換器(1)相接并且通過各自的連接器(11，12)與所述的至少一個分配器(8，9)流體相通。
6.權(quán)利要求2的熱交換器，其特征在于所述的進(jìn)料管(29)在所述的大壁(21，22)之間形成，以不透液體的方式與所述的室(26)隔離并且通過至少一個透孔(33)與所述的至少一個分配器(30，31)流體相通，所述的透孔形成在進(jìn)料管(29)中。
全文摘要
在所謂擬等溫條件下和預(yù)定的反應(yīng)環(huán)境中，例如催化床中，連續(xù)進(jìn)行所選擇的化學(xué)反應(yīng)的方法，包括向反應(yīng)環(huán)境中提供至少一個熱交換器輸送處于各自預(yù)定進(jìn)口溫度下的第一種熱交換工作流體流的步驟，該工作流體沿著各自的進(jìn)/出路徑通過至少一個熱交換器，這種方法還提供在至少一個熱交換器和該路徑的一個或多個中間位置處，注入具有各自預(yù)定進(jìn)口溫度的第二種工作流體流的步驟。
文檔編號F28F27/02GK1492778SQ02805489
公開日2004年4月28日 申請日期2002年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2001年2月27日
發(fā)明者埃爾曼諾·菲利皮, 恩里科·里奇, 米爾科·塔羅左, 塔羅左, 里奇, 埃爾曼諾 菲利皮 申請人:卡薩爾甲醇公司