專利名稱：具有平板式熱交換單元的化學(xué)反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
在最通常的方面，本發(fā)明涉及內(nèi)部裝備有平板熱交換單元或平板熱交換器的化學(xué) 反應(yīng)器技術(shù)領(lǐng)域。作為非限制性示例，本發(fā)明適用于裝備有浸在催化層中的內(nèi)部熱交換器的等溫或 偽等溫化學(xué)反應(yīng)器(其用于放熱或吸熱的非均勻反應(yīng))，或裝備有操作條件下浸在流體中 的內(nèi)部熱交換器的反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
已知的不同類型的化學(xué)反應(yīng)器裝備有至少一個內(nèi)部熱交換器，其適合于提供或移 除來自于反應(yīng)器自身內(nèi)進行的化學(xué)反應(yīng)的熱量。第一個示例描述了所謂的等溫或偽等溫反應(yīng)器，通常包括浸在催化層中的熱交換 器，其目的是，在放熱化學(xué)反應(yīng)的情況下用于去除來自試劑的熱量，或在吸熱反應(yīng)的情況下 用于提供熱量，從而在最優(yōu)效率范圍內(nèi)保持反應(yīng)溫度。在甲醇合成裝置中，在其它情況之中 使用等溫反應(yīng)器。所考慮的化學(xué)反應(yīng)器類型的另一個示例是，尿素生產(chǎn)裝置中的氨基甲酸酯冷凝
ο進一步的示例描述了所謂的變換爐(shift converter)反應(yīng)器，其中，處理通過甲 烷氣體的部分氧化獲得的并包含一氧化碳的合成氣體，從而將部分一氧化碳轉(zhuǎn)化為二氧化 碳。在從天然氣獲得的氮氣和氫氣生產(chǎn)氨的過程中，在其它情況之中，使用這種類型的反應(yīng)
ο在所考慮的化學(xué)反應(yīng)器類型中，已知提供平板式熱交換器，其主要包括平行管形 的多個箱行扁平體，稱作“平板”。所述平板主要由兩個矩形壁形成，該兩個矩形壁至少沿著 周邊相互連接，從而限定了熱交換流體的內(nèi)部通路室。間接熱交換發(fā)生在與平板的外表面 接觸的外部流體和在平板自身內(nèi)循環(huán)的流體之間。根據(jù)需要，前述內(nèi)部熱交換流體可以是 與試劑或反應(yīng)產(chǎn)物(例如，獲得預(yù)熱的試劑)相同的流體，或只被指定為用于熱交換而不參 與化學(xué)反應(yīng)的流體(諸如，水、蒸汽、溶化的鹽等)。EP-A-1705445公開了化學(xué)反應(yīng)器中使用的特別有利的平板式熱交換器，并且其包 括被稱作“膨脹的”平板，也就是，由兩塊平的金屬板通過周邊焊接并可能通過其它焊接點 而連接形成，并且“膨脹的”平板遭受高壓液壓膨脹(例如，400-500巴(bar))的循環(huán)，從而 獲得兩個板之間的內(nèi)部流體通路室。必須注意的是，在所考慮的類型的化學(xué)反應(yīng)器領(lǐng)域，人們有著使用確保優(yōu)點的平 板式熱交換器的強烈動機，該優(yōu)點諸如關(guān)于尺寸的大交換表面、相對有限的成本和易于安 裝反應(yīng)器。然而，具有平板式熱交換的化學(xué)反應(yīng)器具有一些技術(shù)局限，所以仍需要改進。首先，需要盡可能地減少交換器內(nèi)的水頭損失(head loss)，這種水頭損失，特別 是在大容量裝置中，會引起輔助設(shè)備(循環(huán)泵)的相當(dāng)大的能量消耗。
而且，雖然有很多原因的優(yōu)點，使用具有“膨脹”式平板的交換器的化學(xué)反應(yīng)器，盡 管因諸多原因是有益的，涉及仍沒有被克服的一些技術(shù)限制。實際上，這種類型的交換器不 適合于承受熱交換流體循環(huán)于其中的平板內(nèi)部和承受反應(yīng)器壓力的平板自身外部之間的 高壓力差。使用膨脹的平板交換器是公知的，例如，在用于在70-80巴操作合成甲醇的反應(yīng) 器中，但對于更高的壓力差(例如，大約100巴或超過100巴)，其顯得不容易適用。實際 上，變平的阻力實質(zhì)上由平板的厚度和平板自身之間的焊接點的間距確定；然而，厚度增加 由于膨脹過程的不可能性不能超過一定的限度，并且，基于同樣的原因，不能減小焊接點的 間距(即，使它們彼此更近)超過一定限度。必須指出的是包括上述高壓液壓膨脹的制造 過程的成本相對高。上述問題阻止并限制了高壓力和/或侵蝕性環(huán)境中操作的化學(xué)反應(yīng)器中的平板 熱交換器的廣泛使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的問題是設(shè)計并提供裝備有平板熱交換單元的反應(yīng)器，其適合于解決 現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點和限制。特別地，本發(fā)明的目的是減小反應(yīng)器的熱交換單元內(nèi)的水頭負(fù)荷(head load)，并 在平板的內(nèi)部和外部之間的高壓力差下和/或腐蝕環(huán)境中，允許熱交換單元的有效運行。使用化學(xué)反應(yīng)器解決了問題，該化學(xué)反應(yīng)器包括至少一個平板熱交換單元，設(shè)置 為在流經(jīng)所述平板的該單元內(nèi)的流體，和在所述單元外并包含在所述反應(yīng)器內(nèi)的流體之間 進行熱交換，其特征在于，每一個熱交換單元的所述平板包括_第一平壁和第二平壁，其基本是二維的，所述壁相互平行并相互隔開；-多個內(nèi)部隔離物元件，連接所述第一平壁和第二平壁，并獲得多個平行通道，限 定為所述第一和第二壁之間的所述內(nèi)部流體的通路。關(guān)于術(shù)語基本二維的壁，這意味著所述壁具有分別是長和寬的兩個維度的尺寸， 明顯大于(例如，一個或兩個數(shù)量級)第三維尺寸或厚度。平壁具有與交換器內(nèi)部連通的外表面，被指定為與外部流體接觸；相對的內(nèi)表面 相互面對，并由所述隔離物元件間隔，并且與在平板自身內(nèi)循環(huán)的內(nèi)部流體接觸。根據(jù)本發(fā)明的第一實施方案，隔離元件在每一塊平板中無間斷地延伸，從而在所 述第一和第二壁之間獲得相互隔開的平行通道。在本發(fā)明的第二實施方案中，平板的隔離物元件具有間斷，在通道之間產(chǎn)生了具 有水流均衡功能(flow equalisation function)的流體通路。根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，前述隔離物元件是縱向的，也就是沿著平板的最大 維度延伸。然而，在其它等同實施方案中，隔離物相對于平板的主要延伸方向可以是橫向 的。根據(jù)優(yōu)選的結(jié)構(gòu)方面，所述第一和第二平壁基本由各個平金屬板形成。隔離物元 件具有實心的橫截面，優(yōu)選矩形，從而獲得矩形截面通道，其具有的高度等于所述隔離物的 厚度，并且寬度等于兩個相鄰的隔離物元件之間的開口。為了側(cè)向密封平板，可以沿著壁的縱向周邊設(shè)置兩個附加的隔離物元件。
優(yōu)選地，隔離物元件可以由鋼板帶制成，其厚度大約等于內(nèi)部流體循環(huán)通道所需 的高度，并且所述隔離物元件采用激光工藝焊接，或借助釬焊(brazing)連接。 本發(fā)明的優(yōu)點如下平板的機械強度很高，并且可以按照需要實際提高。實際上， 可以通過增加平壁的厚度和/或減小隔離物元件之間的距離(間距)獲得更堅固的平板。 因此，平板可以承受內(nèi)部和外部之間的很高的壓力差。而且發(fā)現(xiàn)，根據(jù)本發(fā)明的平板配置的水頭損失低于膨脹平板的水頭損失。進一步的優(yōu)點是，與外部流體接觸的平板的外部表面可以非常光滑。光滑的外部 表面可以方便催化劑的排放并且由于不具有腐蝕的起始點，其也可以是有利的。此外，保持了在等溫反應(yīng)器中使用平板式交換器的所有優(yōu)點，諸如，大交換表面、 低成本和易于安裝。因此，本發(fā)明的一個方面，包括在應(yīng)用中使用上面描述類型的平板式熱交換單元， 替代了傳統(tǒng)的管道式交換器，在該應(yīng)用中，平板式交換器仍有未解決的缺點。參考所附的圖，從下面說明性的和非限制性的實施例示例的描述中，本發(fā)明的特 性和優(yōu)點將更加明顯。


圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方案的平板式等溫化學(xué)反應(yīng)器的剖面。圖2示意性地示出了圖1的反應(yīng)器的交換器的熱交換平板。圖3示出了圖2的平板的橫截面。圖4示意性地示出了圖1的反應(yīng)器的熱交換平板的剖面。圖5是熱交換平板的另一實施方案。
具體實施例方式參考圖1，所示的等溫化學(xué)反應(yīng)器1包括具有垂直軸的圓柱形外殼2，下端3和上 端4，其分別裝備有用于試劑的入口的法蘭5和用于反應(yīng)產(chǎn)物的出口的法蘭6。圖1的示例為催化反應(yīng)器，例如，用于合成甲醇，其包括基本為圓柱狀且環(huán)形結(jié)構(gòu) 的催化架子(rack)7。所述催化架子7主要由外部圓柱形壁8、內(nèi)部圓柱形壁10和環(huán)形底 部7b組成。具有罩2的外壁8限定了減小了寬度的間隙9。架子7被指定包含大量的適合 的催化劑(未示出)。所述外壁8和所述內(nèi)壁10被打孔，從而使試劑氣體的通路從間隙9進入架子7，并 使氣態(tài)反應(yīng)產(chǎn)物的通路從架子7到中心管道11，該中心管道11構(gòu)成所述反應(yīng)產(chǎn)物的收集
ο反應(yīng)器還包括由整體標(biāo)識為12的平板熱交換單元，其被包含在架子7中并被浸在 催化劑中。更特別地，所述熱交換單元12包括多個熱交換平板30，在示例中其被設(shè)置為類似 射線的方式，即，放射狀地。熱交換流體，例如水，可以通過適合的循環(huán)構(gòu)件(在示例中描述為各個流體入口 分配器22和流體出口收集器21)供給到每一個平板30。分配器22和收集器21通過反應(yīng) 器1內(nèi)的適合的管材和入口 /出口法蘭23和24連接。
所述熱交換流體或內(nèi)部流體流經(jīng)限定在平板30內(nèi)的多個通道。參考圖1-4的實施方案，每一個平板30主要包括相互平行的第一平壁31和第二 平壁32，以及連接所述第一壁31和第二平壁32的多個縱向隔離物33，從而獲得用于所述 內(nèi)部流體的通道34。壁31和32基本是二維的，也就是，它們的長度和寬度明顯大于厚度。例如，長度 是幾米；寬度大約是一米；厚度是若干毫米。優(yōu)選地，隔離物33具有實心截面，如圖所示，更優(yōu)選地為矩形，從而獲得具有基本 矩形截面的通道34，其高度等于所述隔離物的厚度，并且寬度等于兩個相鄰的隔離物33之 間的距離(間距)。在所描述的實施方案中，隔離物33無間斷地連接壁31和32，從而獲得由壁31、32 的內(nèi)表面和隔離物33的連續(xù)側(cè)表面限定的、相互平行并分離的通道34。換言之，沿著平板 30的縱向延伸，流入通道34中的一個的流體流不能與流過相鄰的通道的流體混合(圖4)。沿著壁31和32的縱向周邊，設(shè)置了兩個附加的隔離物35，從而側(cè)向密封平板30。 這種隔離物35可以與隔離物33相同。在優(yōu)選實施例中，壁31和32由各個平金屬板形成，并且隔離物33被描述為平板 帶，其適合的厚度等于內(nèi)部流體循環(huán)通道34所需的高度。提供了優(yōu)選的制造過程用于使用激光工藝將隔離物元件33、35焊接到壁31和32。 在特別的情況下，諸如在反應(yīng)器中存在腐蝕環(huán)境，即，在平板外面，然而，可以使用焊接金屬 手動執(zhí)行平板體30的外部焊接，從而可以避免會引發(fā)腐蝕的空隙形成。如圖所示，分別被表示為31a和32a的壁31和32的外部表面，是平板30自身的 外部表面，并且被指定為與包含在反應(yīng)器1內(nèi)的外部流體直接接觸。平板的相對的內(nèi)部表 面相互面對，并且與在通道34內(nèi)循環(huán)的內(nèi)部流體相互接觸。因此，熱交換間接發(fā)生，兩中流 體之間不發(fā)生直接接觸。表面31a和32a優(yōu)選是平滑的。在催化反應(yīng)器中，該特征特別有利，但不是唯一有 利的。參考圖1的示例，具有平滑外部表面的平板30方便了排放并替換包含在床7中的催 化劑。為了在高壓力差和/或潛在的腐蝕環(huán)境中操作，所描述的單元12由不銹鋼或雙煉 鋼的平板30的壁31、32和隔離物33制作。作為示例，壁31、32可以具有的厚度為幾個毫 米，并且隔離物33的厚度為大約5mm。可理解的是，根據(jù)本發(fā)明的熱交換單元獲得了上述狀態(tài)的物體，并特別地提供了 內(nèi)部和外部之間的壓力差的高阻力。還發(fā)現(xiàn)了，相對于上面限定的膨脹式平板，負(fù)載損失減 小了。在一些情況下，負(fù)載損失的減小可以從1/3至1/10。在進一步的實施方案(未說明)中，隔離物33沿著其縱向延伸被間斷，從而獲得 通道34之間的各個流體通路。隔離物元件的間斷和通道之間的流體通路，可以有利于通道 34中的流動均衡效果。通過在通道34上裝備有開口或槽25的分配器22和收集器21，熱交換流體，例如 水，流入平板或從平板被收集(圖4)。圖5為進一步的實施方案，其中，平板30的間隔物33相對于平板30橫向地設(shè)置， 從而獲得徑向通道34，其它的技術(shù)特性基本等同于上面所描述的。使用裝備有上面描述的開口 25的縱向分配器22’和收集器21’，獲得熱交換流體的供給。圖5的實施方案是有益的，例如，在平板上的熱負(fù)載(反應(yīng)產(chǎn)生或吸收的熱量)沿著半徑明顯變化的徑向反應(yīng)器中。再次參考圖1，操作如下。試劑通過法蘭5進入反應(yīng)器1，并從間隙9到收集器11 徑向地穿過催化反應(yīng)區(qū)。熱交換流體，例如水，分別經(jīng)法蘭23和24流進和流出，提供給平 板30。單元12操作的熱交換(指例如放熱的反應(yīng))，冷卻了催化床和反應(yīng)產(chǎn)物，在最優(yōu)效 率范圍內(nèi)保持了反應(yīng)溫度。對本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯而易見的是，本發(fā)明不限于上面描述的等溫催化發(fā)生器的 情況，其同樣適用于不同化學(xué)反應(yīng)器類型，包括轉(zhuǎn)化器，尿素裝置反應(yīng)器等等。在等同實施例中，單元12的平板30可以具有不同于徑向設(shè)置的設(shè)置；例如，單元 12可以是具有基本平行的平板的類型。內(nèi)部流體和外部流體也可以是相同的流體(例如，使用反應(yīng)熱預(yù)熱試劑)，雖然上 面描述的反應(yīng)器類型優(yōu)選用于高壓力反應(yīng)器，其中，平板內(nèi)的流體只指定用于熱交換，并且 不同于外部(過程)流體。最后，應(yīng)注意的是，本發(fā)明的應(yīng)用不限于徑向或徑向-軸向反應(yīng)器，而是在其它類 型的等溫化學(xué)反應(yīng)器中也具有相同的優(yōu)點。
權(quán)利要求
一種等溫化學(xué)反應(yīng)器(1)包括至少一個內(nèi)部平板(30)熱交換單元(12)，設(shè)置為在所述單元(12)內(nèi)的流經(jīng)所述平板(30)的流體和在所述單元(12)外并包含在所述反應(yīng)器(1)中的流體之間，提供熱交換，其特征在于，所述熱交換單元(12)的每一個所述平板(30)包括-基本為二維的第一平壁(31)和第二平壁(32)，所述壁(31，32)相互平行并隔開；-多個內(nèi)部隔離物元件(33)，連接所述第一平壁(31)和所述第二平壁(32)，從而獲得限定于所述壁(31，32)之間用于所述內(nèi)部流體通路的平行通道(34)。
2.如權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述內(nèi)部隔離物元件(33)無間斷地連接 所述平壁(31，32)，所述平行通道(34)相互隔開。
3.如權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述內(nèi)部隔離物元件(33)具有間斷，從而 獲得所述平行通道(34)之間的流體通路。
4.如前面任一項權(quán)利要求所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述隔離物元件(33)相對于所 述平板(30)是縱向的。
5.如權(quán)利要求1-4中任一項所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述隔離物元件(33)相對于 所述平板(30)是橫向的。
6.如前面任一項權(quán)利要求所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述熱交換單元(12)的平板 (30)的所述隔離物元件(33)具有實心橫截面。
7.如權(quán)利要求6所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述隔離物元件(33)具有矩形截面，從而 獲得矩形截面通道(34)，其高度等于所述隔離物的厚度，并且寬度等于兩個連續(xù)的隔離物 元件(33)之間的距離。
8.如前面權(quán)利要求中任一項所述的反應(yīng)器，其特征在于，沿著每一個平板(30)的所 述壁(31，32)的縱向周長邊緣，設(shè)置有另外兩個隔離物元件(35)，從而側(cè)向密封所述平板 (30)自身。
9.如前面權(quán)利要求中任一項所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述平板(30)的所述壁(31， 32)具有基本平滑的外部表面(31a，32a)，被指定為與所述外部流體接觸。
10.如前面權(quán)利要求中任一項所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述熱交換單元(12)的平 板(30)的所述壁(31，32)和所述隔離物元件(33，35)，通過使用激光工藝的焊接或通過釬 焊而連接。
11.如前面權(quán)利要求中任一項所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述反應(yīng)器為等溫或偽等溫 催化反應(yīng)器，包括催化床(7)，所述熱交換單元(12)浸入所述催化床(7)。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種等溫化學(xué)反應(yīng)器(1)，包括平板(30)熱交換單元(12)，浸在催化床(7)中并被指定為加熱或冷卻試劑，從而在預(yù)定范圍內(nèi)保持反應(yīng)溫度；所述平板(30)由兩個平壁(31，32)和縱向隔離物(33)形成，從而獲得用于熱交換流體循環(huán)的平行通道(34)。
文檔編號B01J8/02GK101873889SQ200880117835
公開日2010年10月27日 申請日期2008年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月26日
發(fā)明者埃曼諾·菲利浦, 恩里科·力茲, 米克羅·塔羅齊 申請人:卡薩爾甲醇公司