專利名稱：等溫管式反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于等溫或者非等溫化學(xué)反應(yīng)器的管式熱交換器的新結(jié)構(gòu)。本發(fā)明還涉及一種安裝有所述管式熱交換器的化學(xué)反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
等溫或者非等溫化學(xué)反應(yīng)器是安裝有內(nèi)部熱交換器以控制反應(yīng)區(qū)域的溫度的反應(yīng)器。在操作中，熱交換器被供應(yīng)諸如水、蒸汽等等的合適的制冷或者加熱介質(zhì)，且分別補償由放熱化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量或吸熱化學(xué)反應(yīng)吸收的熱量。等溫反應(yīng)器可以安裝有管式熱交換器或者板式熱交換器，且相應(yīng)地稱為管式反應(yīng)器或板式反應(yīng)器。等溫反應(yīng)器是例如用于甲醇合成的反應(yīng)器和處理合成氣體以將一氧化碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳的變換反應(yīng)器。管式反應(yīng)器的常用結(jié)構(gòu)具有基本環(huán)形的熱交換器，該熱交換器帶有由兩個相對的管板(片)支持的軸向管。然而這種結(jié)構(gòu)有很多缺點。該管片昂貴，且維修困難。由于管式熱交換器的整體式結(jié)構(gòu)，使得替換損壞的管和補給催化劑困難；例如為維修而移除管式熱交換器的一部分通常是不可能的，因為所有的管都被緊緊地固定到管片。該反應(yīng)器要求具有大的法蘭，該法蘭具有約與殼體相同的直徑，該法蘭很貴，并且會造成密封性問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的問題是提供一種用于更有效地在化學(xué)等溫反應(yīng)器內(nèi)安置軸向的、環(huán)形的管式熱交換器的管的系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明，提供一種管式等溫化學(xué)反應(yīng)器，包括容器和環(huán)形的管式熱交換器， 所述容器具有中心軸線，所述環(huán)形的管式熱交換器具有平行于所述軸線安置的多個熱交換管，所述熱交換器包括多個管簇形式的熱交換部件，各所述管簇包括一束平行的管、各自的熱交換介質(zhì)供給器和各自的熱交換介質(zhì)收集器，各管簇的管具有與各自的供給器和收集器流體連通的相對的端部，所述管簇被安置成所述環(huán)形的熱交換器的多個同心的排。所述環(huán)形的管式熱交換器通常插入外圓柱形壁和內(nèi)圓柱形壁之間的環(huán)形的催化劑架中。所述管簇優(yōu)選地形成為曲線形的、板狀的部件，且各所述部件在所述環(huán)形的熱交換器的環(huán)的各個扇區(qū)上延伸。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，各所述熱交換介質(zhì)供給器和收集器基本形成為盒形體。所述盒形體由相對的壁限定，且具有內(nèi)部空間，所述內(nèi)部空間用于為連接到所述供給器的管供給介質(zhì)，或自連接到所述收集器的管收集所述介質(zhì)。在本發(fā)明的更優(yōu)選實施方式中，各所述盒形體包括前曲面和后曲面、兩個側(cè)面、頂面和底面，各所述曲面分別對應(yīng)于一條圓柱面，所述頂面和底面形成為環(huán)面的扇區(qū)。優(yōu)選地，單一管簇的所述供應(yīng)器和收集器具有基本上相同的形狀和尺寸，所述供應(yīng)器和收集器位于所述熱交換器的相對的熱交換介質(zhì)入口/出口側(cè)。在本發(fā)明的實施方式中，能夠根據(jù)交換器的環(huán)形結(jié)構(gòu)中的各個管簇的位置區(qū)分所述管簇的供給器和收集器。在一個實施方式中，各管簇的管被安置在以所述反應(yīng)器和環(huán)形熱交換器的軸線為中心的多個曲線形的、同心的管排中。所述管排的管基本分布在以所述軸線為中心的圓弧上。根據(jù)本發(fā)明的不同的實施方式，在整個所述交換器內(nèi)每簇所述管排的數(shù)量可以是不變的或變化的。然而，所述管簇內(nèi)的管可以具有不同的結(jié)構(gòu)；例如，在其它實施方式中，各管簇的管以正方形排列或三角形排列分布。在同一熱交換器中可以提供具有不同管布置的管簇。例如，相對于所述反應(yīng)器的中心軸線的內(nèi)管簇和外管簇，可以具有各自的和具體的管布置，和/或不同的供給器以及收集器。在優(yōu)選的實施方式中，管簇在軸向方向上交錯成使得所述供給器和收集器在熱交換器的流體入口 /出口側(cè)在軸向坐標的不同高度上交錯。更優(yōu)選地，所述部件交錯成使得所述供應(yīng)器和收集器至少交替地位于第一高度和第二高度，且位于一個高度內(nèi)的各供給器或收集器緊鄰著位于另一高度的其它供給器或收集器。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，所述管簇以等于或大于所述盒式供給器和收集器的高度的間距交錯。各管簇形成環(huán)形的熱交換器的環(huán)的扇區(qū)，在相對中心軸線的特定角度上延伸。在本發(fā)明的第一實施方式中，所有的管簇占據(jù)相同的角度，使得環(huán)形的熱交換器的扇區(qū)包括相同數(shù)量的管簇。在又一實施方式中，所述角度改變；優(yōu)選地，更接近所述中心軸線的內(nèi)管簇比所述外管簇延伸更大的角度，以便減少部件的總數(shù)量。因此，在優(yōu)選實施方式中，所述熱交換器的曲線形的管簇至少包括外管簇和第二內(nèi)管簇，所述外管簇延伸為對應(yīng)于以所述反應(yīng)器的中心軸線為中心的第一角度的扇區(qū)環(huán)，所述第二內(nèi)管簇延伸為對應(yīng)于以同一軸線為中心的第二角度的扇區(qū)環(huán)，所述第二角度大于所述第一角度。本發(fā)明的另一目的是一種用于根據(jù)上述的化學(xué)反應(yīng)器的熱交換器。本發(fā)明的目的是管式熱交換器，所述管式熱交換器用于在等溫反應(yīng)器中，所述熱交換器具有環(huán)形的結(jié)構(gòu)， 所述環(huán)形的結(jié)構(gòu)具有中心軸線和平行于所述軸線的管，其特征在于，所述管式熱交換器包括多個管簇形式的熱交換部件，各所述管簇包括一束平行的管、熱交換介質(zhì)供給器和相對的熱交換介質(zhì)收集器，各管簇的管具有與各自的供給器和收集器流體連通的相對的端部， 所述管簇被安置成多個同心的排。另一目的是用于制造根據(jù)本發(fā)明的模塊化的熱交換器的管簇。具體地，本發(fā)明的目的是用于制造環(huán)形的管式熱交換器的板狀的熱交換器部件，所述部件包括一束平行的管、熱交換介質(zhì)供給器和相對的熱交換介質(zhì)收集器，各所述平行的管具有第一端部和相對的第二端部，所述第一端部與所述供給器流體連通，所述相對的第二端部與所述收集器流體連通，所述部件基本形成為圓環(huán)的扇區(qū)。因此，多個這樣的部件能夠形成具有給定軸線的環(huán)形的管式交換器的環(huán)形部分。在一個實施方式中，所述部件的管被安置成一排或更多排， 且各排的管包括分布在同心圓弧上的管。優(yōu)選地，所述弧以環(huán)形的管式交換器的所述軸線為中心。在可替選實施方式中，所述部件的管例如以正方形排列或三角形排列安置。該具有創(chuàng)造性的管簇基本用作模塊化的、板狀的部件。各管簇大體作為在圓周方向上稍彎曲的板操作，占據(jù)環(huán)形的反應(yīng)空間內(nèi)的環(huán)的給定的扇區(qū)。因此，根據(jù)本發(fā)明的所述管式熱交換器具有類似于板式熱交換器的結(jié)構(gòu)的模塊化結(jié)構(gòu)，而不需要大的以及昂貴的管片。例如，損壞的管的維修以及替換比傳統(tǒng)的管組件更簡單。各管簇能夠如熱交換板一樣容易地被抽取、維修或替換。能夠通過相對小的法蘭抽取和插入所述管簇，即不再需要如傳統(tǒng)的管片組件中的大的上法蘭和下法蘭。
所述管均勻地分布在整個可用的反應(yīng)空間中，提供精確的溫度控制且避免例如溫度的局部峰值。能夠彼此鄰近地安裝管，獲得非常均勻的熱交換，且在整個反應(yīng)空間中管的間距基本保持不變。但作為本發(fā)明的另一優(yōu)點，由于管間的空隙，板狀的模塊化的部件能使氣流穿過。由于此特征，通過反應(yīng)空間形成的反應(yīng)物/產(chǎn)物混合物更均勻。具有分布在兩個或更多高度上的流體入口 /出口供給器和連接器的管簇的交錯結(jié)構(gòu)的另一優(yōu)點在于能夠更容易地排出和再填充催化劑。因此，本發(fā)明將管式反應(yīng)器的優(yōu)點與板式反應(yīng)器的優(yōu)點結(jié)合。通過對作為非限制性示例的優(yōu)選實施方式的如下詳細的描述，這些和其它優(yōu)點將更明顯。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的反應(yīng)器的橫截面示意圖；圖2是圖1的反應(yīng)器的熱交換器管簇的示意圖；圖3是圖2的管簇的俯視圖；圖4是在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，示出多個管簇的、圖1的反應(yīng)器的熱交換器的部分圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式的反應(yīng)器的橫截面示意圖；圖6和圖7示出根據(jù)本發(fā)明的管簇的又一實施方式的橫截面。
具體實施例方式等溫化學(xué)反應(yīng)器1包括具有縱軸線A-A的圓柱殼體2。反應(yīng)器1包含催化劑架，該催化劑架由外圓柱壁4和內(nèi)管或內(nèi)導(dǎo)管3限定，該催化劑架上充滿合適的催化劑。然后，在反應(yīng)器1內(nèi)的壁3和4之間限定環(huán)形的反應(yīng)空間R。管式熱交換器40被嵌入催化劑架，以向所述空間R提供熱量，或從所述空間R移除熱量。管式熱交換器40具有大體環(huán)形的結(jié)構(gòu)，包括平行于軸線A-A、且均勻分布在空間R 內(nèi)的軸管。這些管從熱交換器40的入口側(cè)延伸到相對的出口側(cè)。例如，介質(zhì)在反應(yīng)器的底部進入，并在頂部出去。熱交換介質(zhì)可以是任何合適的介質(zhì)。通常的選擇是水或者蒸汽。如果反應(yīng)器1被用于放熱反應(yīng)，介質(zhì)可以是在管中至少部分蒸發(fā)的液體。在剩下的描述中，術(shù)語流體被用于指代任何合適的熱交換介質(zhì)。熱交換器40包括多個模塊化部件，該多個模塊化部件基本形成為彎曲的板狀的管簇，并在環(huán)形的熱交換器40的各自環(huán)的扇區(qū)內(nèi)以及在環(huán)形的空間R延伸。管簇安置成多個同中心的排，每一排占據(jù)環(huán)形的空間R的一環(huán)。圖1中示出了兩排10和11。同心的排的數(shù)目可以根據(jù)尺寸變化，且可以是例如10到15個。圖2示出了一個管簇IOa的優(yōu)選實施方式，并且管簇IOa主要包括管30，管30具有與管簇IOa的熱交換流體供給器20和流體收集器21對應(yīng)流體連通的相對的端部。圖2 還示出了環(huán)形的熱交換器40和反應(yīng)空間R的坐標r、θ和ζ。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，供給器20和收集器21基本上形成為稍彎曲的平行六面體盒，該平行六面體盒具有內(nèi)曲面22和外曲面23、平行于徑向方向r的兩個側(cè)面對和 25以及兩個頂面和底面沈、27，頂面和底面沈、27大體形成環(huán)表面的扇區(qū)。
如圖2和3呈現(xiàn)的各曲面22和23基本是一條圓柱面，對應(yīng)于管簇IOa所在的排 10的內(nèi)/外邊界。側(cè)面M、25和頂/底面沈、27優(yōu)選地是平坦的。各管簇以中心軸線A-A為中心延伸給定角度θε(圖3)。因此，一個供給器20或者收集器21的橫截面具有如圖3所示的梯形形狀，兩條曲線側(cè)對應(yīng)于所述的曲面22、23。管簇優(yōu)選地沿軸向方向ζ (平行于A-A)交錯，因此分布在兩個或更多的高度。在示例中，分別位于同心的排10和11中的管簇IOa和管簇Ila位于第一高度，而管簇IOb和 lib位于第二高度，使得第一高度的管簇和第二高度的管簇同時在圓周方向以及徑向方向上交替。位于第一高度的各供給器20或收集器21在坐標r和θ中緊鄰位于第二高度的其他供給器或收集器。在又一實施方式中，管簇可以在三個或更多的高度上交錯。優(yōu)選地， ζ形交錯的相鄰管簇至少等于或大于供給器20和收集器21的高度h(圖2)。圖4公開了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，其中的熱交換器管簇在兩個高度上成ζ形交錯。管簇IOla在第一高度，管簇IOlb在第二高度。在此示例中，環(huán)形的反應(yīng)器空間R的扇區(qū)100被13個交替分布在第一和第二 ζ形高度上的管簇占據(jù)。圖4示出了熱交換器40的上端的扇區(qū)。交換器40的另一底端以類似的方式實現(xiàn)。對所有的管簇來說，管簇占據(jù)的角度θ e可以是相同的，或者在其他實施方式中不同的管簇可以具有不同的角度θ e。在圖1和圖4中，所有的管簇具有相同的角度，并且環(huán)形的交換器40的每一排具有相同數(shù)目的管簇。作為示例，各管簇10a、10b、lla、llb延伸 22. 5度的角度，使得交換器40的排10、11以及其他同心排各包括16個管簇，占據(jù)空間R的相應(yīng)環(huán)部分的整個360度角。在角度θ e是可變的實施方式中，優(yōu)選地，靠近軸線A-A的內(nèi)管簇占據(jù)的角度大于外管簇占據(jù)的角度。圖5是實施方式的示意圖，其中外排10的管簇IOc占據(jù)第一角度θε, ”靠近中心軸線A-A的內(nèi)排12的管簇IOd占據(jù)大于所述第一角度的第二角度θ e,2。優(yōu)選地，所述第二角度是第一角度的兩倍。例如，圖4的實施方式的變型可以以下列方式實現(xiàn) 第一組的外排的管簇具有θ ea = 22. 5度以及第二組的內(nèi)排的管簇具有θ e,2 = 45度。各管簇的管30可以以許多以軸線A-A為中心的曲線形且同心的排的形式布置。 在圖2的示例中，管簇IOa具有3排管，管301是第一排的管中的一個，管302在第二排且管303在第三排。應(yīng)理解，整個空間R內(nèi)的管的間距能夠保持基本不變，或者保持在諸如 +/-Imm的小容許間隙內(nèi)。在圖6和圖7中示出管簇內(nèi)的管30的備選布置。圖6中，管簇IOa具有以三角形排列布置的管310，如虛線所示。圖7中，管簇IOa具有以正方形排列布置的管320。供給器20和收集器21與用于分配和收集熱交換介質(zhì)的裝置連接，這本身是已知的且不詳細描述。作為示例，各盒形供給器20和收集器21可以通過各自的管道連接到環(huán)形的供給管或收集管。將通過殼體2提供合適的流體入口/出口法蘭或連接器。本發(fā)明的優(yōu)選的應(yīng)用是甲醇合成塔，其中管式熱交換器40用于移除甲醇合成反應(yīng)的熱。冷卻水供給底部的供給器20，且通過管簇的管30蒸發(fā)，因此移除由甲醇合成反應(yīng)產(chǎn)生的熱，且在整個空間R內(nèi)為產(chǎn)品和反應(yīng)物提供精確的溫度控制。在收集器21收集水/ 蒸氣混合物，收集器21還擔(dān)當(dāng)平衡裝置。本發(fā)明同樣有利于軸向流動、徑向流動、或者軸向/徑向流動的等溫化學(xué)反應(yīng)器， 且同樣適用于具有內(nèi)部熱交換器的任何反應(yīng)器，該熱交換器浸入在流體中工作。
權(quán)利要求
1.一種管式等溫化學(xué)反應(yīng)器(1)，包括容器( 和環(huán)形的管式熱交換器(40)，所述容器(2)具有中心軸線(A-A)，所述環(huán)形的管式熱交換器00)具有平行于所述軸線安置的多個熱交換管，所述熱交換器包括多個管簇形式的熱交換部件(10a，10b，10c, 10d)，各所述管簇包括一束平行的管(30)、熱交換介質(zhì)供給器00)和熱交換介質(zhì)收集器(21)，各管簇的管具有與相應(yīng)的供給器00)和收集器流體連通的相對的端部，所述管簇被安置在所述環(huán)形的熱交換器的多個同心排(10，11)中。
2.如權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其中所述管簇是曲線形的板狀部件，且各管簇在所述環(huán)形的熱交換器的環(huán)的扇區(qū)上延伸。
3.如權(quán)利要求1或2所述的反應(yīng)器，其中所述熱交換介質(zhì)供給器00)和熱交換介質(zhì)收集器基本形成為盒形體。
4.如權(quán)利要求3所述的反應(yīng)器，其中所述盒形體包括前曲面02)和后曲面(23)，所述前曲面0 和后曲面分別對應(yīng)于圓柱面的條；兩個側(cè)面04，25)；以及頂面和底面 06，27)，所述頂面和底面(沈，27)形成為環(huán)面的扇區(qū)。
5.如前述任一項權(quán)利要求所述的反應(yīng)器，其中所述管簇沿軸向方向(A-A)交錯，使得所述熱交換介質(zhì)供給器00)和收集器在所述熱交換器的流體入口側(cè)/流體出口側(cè)根據(jù)所述反應(yīng)器(1)的軸向坐標(Z)也在不同的高度交錯。
6.如權(quán)利要求5所述的反應(yīng)器，其中所述管簇交錯為使得所述供給器00)和收集器 (21)至少交替地位于第一高度和第二高度，使得位于一個高度的各供給器00)或收集器 (21)緊鄰著位于另一高度的其它供給器或收集器。
7.如權(quán)利要求6所述的反應(yīng)器，其中所述管簇以等于或大于所述供給器00)和收集器 (21)的高度(h)的間距交錯。
8.如前述任一項權(quán)利要求所述的反應(yīng)器，其中所述熱交換器GO)的曲線形的管簇至少包括外管簇(IOc)和第二內(nèi)管簇(IOd)，所述外管簇(IOc)在對應(yīng)于以所述反應(yīng)器的中心軸線(A-A)為中心的第一角度的扇區(qū)環(huán)上延伸，所述第二內(nèi)管簇(IOd)在對應(yīng)于以所述軸線為中心的第二角度的扇區(qū)環(huán)上延伸，所述第二角度大于所述第一角度。
9.如前述任一項權(quán)利要求所述的反應(yīng)器，其中各管簇(IOa)包括熱交換管(301，302， 303)，所述熱交換管(301，302，303)安置成以所述反應(yīng)器(1)的中心軸線(A-A)為中心的多個曲線形的且同心的排。
10.如權(quán)利要求1至8中任一項所述的反應(yīng)器，其中各管簇(IOa)包括安置成三角形排列(310)或正方形排列(320)的管。
11.一種管式熱交換器，所述管式熱交換器用在等溫反應(yīng)器中，所述熱交換器具有環(huán)形的結(jié)構(gòu)，所述環(huán)形的結(jié)構(gòu)具有中心軸線和平行于所述軸線的管，其特征在于，所述管式熱交換器包括多個管簇形式的熱交換部件(10a，10b, 10c, IOd)，各所述管簇包括一束平行的管、 熱交換介質(zhì)供給器00)和相對的熱交換介質(zhì)收集器(21)，各管簇的管具有與相應(yīng)的供給器00)和收集器流體連通的相對的端部，所述管簇被安置成所述交換器的所述環(huán)形結(jié)構(gòu)的多個同心的排(10，11)。
12.一種板狀的熱交換部件(10a)，所述熱交換部件用于制造環(huán)形的管式熱交換器，所述部件包括一束平行的管(301，302，303)、熱交換介質(zhì)供給器QO)和相對的熱交換介質(zhì)收集器(21)，各所述平行的管具有第一端部和相對的第二端部，所述第一端部與所述供給器00)流體連通，所述相對的第二端部與所述收集器流體連通，所述部件(IOa)基本形成為圓環(huán)的扇區(qū)。
13.如權(quán)利要求12所述的熱交換部件，其中所述部件的管安置成一排或多排，其中各排包括分布在同心圓弧上的管(301-303)。
14.如權(quán)利要求12所述的熱交換部件，其中所述部件的管(310，320)以正方形排列或三角形排列安置。
全文摘要
管式等溫化學(xué)反應(yīng)器(1)，包括具有中心軸線(A-A)的容器(2)，和環(huán)形的管式熱交換器(40)，環(huán)形的管式熱交換器插入催化劑反應(yīng)空間，所述交換器(40)包括管簇(10a)的多個同心排(10、11)，各所述管簇包括平行的管(30)、各自的熱交換流體供給器(20)和各自的熱交換流體收集器(21)。
文檔編號F28D7/16GK102413916SQ201080019055
公開日2012年4月11日 申請日期2010年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月29日
發(fā)明者埃爾曼諾·菲利皮, 恩里科·里奇, 法比亞諾·蒙蒂尼, 米爾科·塔里齊 申請人:卡薩爾甲醛公司