專利名稱:用于進行放熱或吸熱氣相反應的管束反應器的制作方法
技術領域:
本發(fā)明涉及一種用于進行放熱或吸熱氣相反應的管束反應器,它具有包括由催化劑填充的反應管的管束,所述反應管由反應氣體流過并穿過一反應區(qū),在所述反應區(qū)內液態(tài)的載熱介質環(huán)繞流過所述反應管,并且在所述反應區(qū)內圍繞每個反應管布置多個用于改善熱傳遞的流內置件(Strmungseinbaute)。
本發(fā)明還涉及一種用于進行放熱或吸熱氣相反應的管束反應器,它具有一由反應器外殼包圍的包括由催化劑填充的反應管的管束,所述反應管的一端由氣體入口罩覆蓋,其另一端由氣體出口罩覆蓋,并且所述反應管在氣體入口罩附近穿過一預熱區(qū),接著穿過一反應區(qū),其中所述預熱區(qū)和相鄰接的反應區(qū)在管束的區(qū)域由一隔板相互分隔開,并分別都由載熱介質流流過。
在本申請的范圍內,術語“反應氣體”也應理解為包括多種作為組分的反應氣體的反應氣體混合物。
背景技術:
對于管束反應器的設計和運行存在一系列的對經濟性和產品質量起決定性作用的影響因素。重要的影響因素首先包括在具有強烈熱特性(Wrmetnung)的反應中反應管和反應管外側上的載熱介質之間高的熱傳遞,同時與在垂直于反應管縱向穿過管束的每個橫截面中載熱介質中盡可能低的溫度差相結合。由此可在每個橫截面內在反應管內壁上實現(xiàn)均勻的溫度分布,并由此可確保管束內統(tǒng)一的反應進行過程,即一反應管束的所有反應管—現(xiàn)代管束反應器可包含30000個或更多反應管—沿反應管的軸線具有基本上相同的反應氣體溫度分布圖(Temperaturprofil)。由此可實現(xiàn)反應產物的高產出和良好的選擇性。此外特別是對于放熱氧化反應,還要求具有高的載熱介質側的傳熱系數,以在發(fā)生非預期的反應過程(失控(run-away)反應)時確保足夠的冷卻作用,并由此避免造成損害。對于所有的反應管,通過適當的流入性能來實現(xiàn)在每個橫截面內盡可能均勻的溫度分布和盡可能相同的和良好的傳熱值。為此已知多種措施。
如由美國專利Nr.4398595已知,為了改善傳熱,采用帶肋的管作為反應管,并通過垂直于反應管的縱向完全或部分地穿過管束的桿件增強載熱介質中的湍流。所述桿件也可以相互布置成直角。這里不利的是,所述反應管的圖案必須是矩形的,并由此必須忍受比三角形分布小的管密度。此外,通過放置到反應管排之間的巷道中的桿件,向下的管分配(Rohrteilung)受到限制或者管的間距較大。
為了增強湍流,在DE10024348A1中建議,用填充體填充反應管之間的空間。由此,盡管管和管分配的布置不再受到限制,但在這種解決方案中平均流動橫截面變得非常窄。因為一方面通常無法避免載熱介質中污物,另一方面填充體散裝物由于強烈變窄的流動橫截面起過濾器的作用,存在阻塞的危險,阻塞會造成不均勻的通過流、局部過熱或過冷、壓力損失提高并由此垂直于反應管的縱向產生大的溫度差。
在這種已知的管束反應器中,應該—如對于大多數應用場合有利的那樣—通過高的載熱介質循環(huán)量,在反應管的縱向上也保持溫度差盡可能小,即在整個反應器中存在接近相同的、理想情況下是等溫的狀態(tài)。
但是對于一系列放熱和吸熱反應還希望,溫度從反應管氣體入口側端部朝其氣體出口側端部升高或降低,因為這種溫度分布圖對于例如反應速度、轉化(率)和產出量和選擇性起有利的影響。
通過已知的多區(qū)反應器或通過多個前后順序連接的分開的反應器來滿足這種在反應管的氣體出口側端部上較高或較低的溫度要求,其中在每個區(qū)域或在每個反應器內分別在接近等溫的狀態(tài)下進行各反應。這種解決方案的缺點是復雜并且昂貴。
同樣例如由EP0700714A1或EP0700893A1已知,這樣來運行載熱介質通過水平延伸的轉向板曲折形地流過管束的傳統(tǒng)的放熱單區(qū)反應器,即載熱介質的溫度從進入反應器的入口到流出反應器的出口升高2至10℃,優(yōu)選升高3至6℃。這通過相應地確定—即降低—載熱介質的流動速度來實現(xiàn)。其中應該指出,隨著泵功率的降低,在反應器橫截面上的溫度分布圖的不均勻性增加,因此出于穩(wěn)定性的原因溫度差優(yōu)選只為3至6℃。這意味著,在反應管的縱向上希望的較大的溫度差也會在管束的橫截面上出現(xiàn),這是不希望的。
為了降低管束橫截面上的溫度差,已知在反應氣體進入反應區(qū)之前將其預熱到載熱介質進入管束時的溫度,因為所輸入的反應氣體多數情況下明顯比所輸入的載熱介質冷。
為此,在DE10024348A1中建議,在管束反應器前面連接一熱交換器。因為需要單獨的帶有自己的載熱介質循環(huán)和相應的調節(jié)及循環(huán)裝置的裝置,這種解決方案較復雜??蛇x地還已知一種電預熱裝置,但電預熱裝置是昂貴的,并且通常由于爆炸保護的原因是不可能設置的。
由EP0700714A1和EP0700893A1已知一種布置在管束反應器中的預熱區(qū)。這里通過使反應氣體首先流過例如惰性顆粒散裝物,而使預熱在反應管本身內進行。通過附加的裝置,例如中央旁路,可以降低對于載熱介質中的溫度分布的不利影響。
但是當循環(huán)量較小時,所述已知的措施卻不足以避免橫截面內大的溫度差,即消除如上所述EP0700714A1和EP0700893A1中指出的橫向于反應管縱向的溫度分布圖的不均勻性。
發(fā)明內容
與此不同,本發(fā)明的目的是這樣改善所述類型的管束反應器,即可以用較小的載熱介質循環(huán)量運行,即可實現(xiàn)反應管縱向上較大的溫度差,并在同時使熱傳遞保持足夠大,而使管束橫截面上的溫度差保持足夠小。
根據本發(fā)明,所述目的在開頭所述類型的管束反應器中這樣來實現(xiàn),即所述流內置件在反應管的縱向上和/或在其周向上分別以很小的相互間的凈間距布置,所述間距的尺寸最大是使得通過徑向位于外部的反應管形成的圓的直徑與每個間距的比值最小為13。
根據本發(fā)明,所述目的在開頭所述類型的管束反應器中還可以這樣來實現(xiàn),即將反應區(qū)分成至少兩個環(huán)形空間,所述環(huán)形空間通過沿管束的周向延伸的板件限定,并且在所述環(huán)形空間內布置有設計成螺旋形導板的流內置件,所述流內置件導致螺旋形的通過流。
通過根據本發(fā)明的措施可以使管束反應器以這樣的較少的載熱介質循環(huán)量并由此以這樣的較大的沿反應管縱向的溫度差運行,這種循環(huán)量和溫度差在現(xiàn)有技術中由于在這里出現(xiàn)的在管束橫截面上的大溫度差而被認為是無法實現(xiàn)的。利用根據本發(fā)明的流內置件的構型和布置,既可以顯著地改善傳熱系數,也可以使橫向于反應管縱向的溫度分布明顯均勻化。已經證明,流內置件相互之間的凈間距與管束的外部尺寸適當的大比值導致提高通流速度/增強湍流/增大熱傳遞面積中的至少兩種效果的共同作用,并不僅對改善傳熱系數具有顯著的影響,而且還會使熱傳遞均勻化,并由此使反應管內壁上橫向于反應管縱向的溫度分布均勻化。已經證明,從至少13起的大比值,即使在沿反應管縱向溫度差較大時,也可以實現(xiàn)比預先已知的管束反應器明顯均勻的橫向于反應管縱向的溫度分布。
如果管束反應器沿徑向分成其中布置有螺旋形的導流板的環(huán)形空間,所述導流板在每個環(huán)形空間中引導載熱介質流通過位于這里的管束的環(huán)形部分,則可以實現(xiàn)相同的效果。螺旋形的流動獲得橫向流分量,通過所述橫向流分量在載熱介質中產生明顯提高熱傳遞的湍流。同時通過分成環(huán)形空間還實現(xiàn)了,在徑向內部螺旋部上的和徑向外部螺旋部上流動的載熱介質之間的流動路徑的長度差保持足夠小,從而使由于不同的流動路徑的長度造成的溫度差保持盡可能小。
在開頭所述類型的管束反應器中,所述管束反應器的管束由反應器外殼包圍,在所述管束反應器中反應管的一個端部由氣體入口罩覆蓋,而其另一個端部由氣體出口罩覆蓋,所述反應管在氣體入口罩附近穿過預熱區(qū),并接著穿過反應區(qū),其中所述預熱區(qū)和相鄰接的反應區(qū)在管束的區(qū)域內由隔板相互分開,并且所述預熱區(qū)和反應區(qū)分別由載熱介質流流過,作為使橫向于反應管縱向的溫度分布均勻化的輔助措施建議,所述隔板基本上液體密封地與反應管相連,并且基本上是相同的載熱介質流首先流過預熱區(qū)并然后流過鄰接的反應區(qū)。通過根據本發(fā)明的措施,可實現(xiàn)反應氣體和載熱介質的溫度的平衡。溫度的平衡,理想情況下直至溫度的完全相等,可實現(xiàn)反應區(qū)的起始區(qū)域內的載熱介質中非常均勻的溫度分布,因為可使載熱介質的任何再冷卻和由此產生的溫度分布的不均勻性保持盡量小,并在理想情況下完全避免上述情況。通過對于預熱區(qū)和反應區(qū)采用相同的載熱介質流,降低了技術上的花費,因為不需要單獨的具有相應的必要的循環(huán)裝置、加熱裝置和調節(jié)裝置的載熱介質循環(huán)。
在所輸入的反應氣體比所輸入的載熱介質熱的情況下,所述“預熱區(qū)”起冷卻區(qū)的作用。
下面還將結合附圖舉例地對本發(fā)明進行詳細說明。其中圖1示出根據本發(fā)明的管束反應器的第一實施形式的縱向剖視圖;圖2示出根據本發(fā)明的管束反應器的第二實施形式的縱向剖視圖;圖3a、b示出一組反應管的部分側視圖和該組的橫向剖視圖,其中具有根據本發(fā)明的流內置件的第一實施形式;圖4a、b示出一組反應管的部分側視圖和該組的橫向剖視圖,其中具有根據本發(fā)明的流內置件的第二實施形式;圖5a、b示出一組反應管的部分側視圖和該組的橫向剖視圖,其中具有根據本發(fā)明的流內置件的第三實施形式;圖6a、b示出一組反應管的部分側視圖和該組的橫向剖視圖,其中具有根據本發(fā)明的流內置件的第四實施形式;圖7a、b示出一組反應管的部分側視圖和該組的橫向剖視圖,其中具有根據本發(fā)明的流內置件的第五實施形式;
圖8a、b示出一組反應管的部分側視圖和該組的橫向剖視圖,其中具有根據本發(fā)明的流內置件的第六實施形式;圖9a、b示出一組反應管的部分側視圖和該組的橫向剖視圖,其中具有根據本發(fā)明的流內置件的第七實施形式;圖10a、b示出一組反應管的部分側視圖和該組的橫向剖視圖,其中具有根據本發(fā)明的流內置件的第八實施形式;圖10c示出圖10a中線Xc-Xc上的縱向剖面的放大的視圖;圖11a、b示出一組反應管的部分側視圖和該組的橫向剖視圖,其中具有根據本發(fā)明的流內置件的第九實施形式;圖11c左側示出圖11a和11b所示流內置件的半個正視圖,而右側示出其半個縱向剖視圖;圖12a、b示出一組反應管的部分側視圖和該組的橫向剖視圖,其中具有根據本發(fā)明的流內置件的第十實施形式;圖13a、b示出一組反應管的部分側視圖和該組的橫向剖視圖,其中具有根據本發(fā)明的流內置件的第十一實施形式;圖14a示出根據本發(fā)明的管束反應器的第三實施形式的縱向剖視圖;圖14b示出圖14a中的環(huán)形空間I中的螺旋形流內置件的透視圖;圖14c示出圖14a中線XIVc-XIVc上的縱向剖視圖;圖15a、b、c示出圖14a的環(huán)形空間I、II和III的螺旋形流內置件在包繞反應器外殼時的部分側視圖;圖16a示意性示出螺旋形流內置件的另一個實施形式的俯視圖;圖16b示意性示出圖16a的流內置件的部分透視圖;圖17a示出根據本發(fā)明的管束反應器的第四實施形式的圖17b中線XVIIa-XVIIa上的部分縱向剖視圖;圖17b示出圖17a的管束反應器在線XVIIb-XVIIb上的橫向剖視圖;圖18a示出根據本發(fā)明的管束反應器的第五實施形式的圖18b中線XVIIIa-XVIIIa上的部分縱向剖視圖;圖18b示出圖18a的管束反應器在線XVIIIb-XVIIIb上的橫向剖視圖;
圖19示出根據本發(fā)明的管束反應器的第六實施形式的縱向剖視圖;圖20示出用于根據本發(fā)明的管束反應器的載熱介質循環(huán)的第一實施例的流程圖;以及圖21示出用于另一個根據本發(fā)明的管束反應器的載熱介質循環(huán)的第二實施例的流程圖。
具體實施例方式
附圖中所示的根據本發(fā)明的管束反應器1的實施例具有一個包括由催化劑填充的反應管3的管束2,所述反應管由一個反應器外殼4包圍。反應管3氣體入口側的端部5穿過第一管底部6并氣體和液體密封地固定在所述管底部中。一個氣體入口罩7覆蓋第一管底部6或反應管3的氣體入口側端部5。反應管3氣體出口側的端部8穿過第二管底部9并氣體和液體密封地固定在所述管底部中。一個氣體出口罩10覆蓋第二管底部9或反應管3的氣體出口側端部8。
反應管3穿過連接在圖中上部的第一管底部6上的預熱區(qū)11,然后穿過連接在預熱區(qū)11上的反應區(qū)12。在反應區(qū)12內,所述反應管3-有時是部分地—用催化劑材料填充,在預熱區(qū)11用惰性材料填充。所述預熱區(qū)11和相鄰接的反應區(qū)12在管束2的區(qū)域由隔板13彼此隔開。所述隔板13與反應管3基本上液體密封地連接。詞語“基本上”應該是指,所述反應管3以其外側密封地貼合在隔板13的通孔的壁部上,但是由于制造工藝上的原因不總是與隔板13焊接,從而不能避免極小的泄漏。與此不同,反應管3與管底部6、9相焊接,以確保絕對的密封,以防止氣體和液體泄漏。
在圖1所示的實施例中,首先借助載熱介質輸入管15將載熱介質流14導入一環(huán)形通道16,所述環(huán)形通道在預熱區(qū)11和相鄰接的反應區(qū)12的起始區(qū)域17的范圍內包圍反應器外殼4。所述環(huán)形通道′16沿反應管的縱向分成三個部分環(huán)形通道18、19、20。
在預熱區(qū)11內設置有一個環(huán)形的轉向板21,所述轉向板固定在反應器外殼4的內壁上。在所述環(huán)形轉向板21中形成有通過開口22,所述通過開口在所示實施例中沿徑向以彼此間規(guī)定的軸線間距布置,并且其直徑徑向向內增加。
所述部分環(huán)形通道18、19、20通過兩個分隔板23、24彼此液體密封地隔開,在環(huán)形通道16的整個徑向寬度上,所述分隔板中的一個23在環(huán)形轉向板21的延長部中延伸,而另一個分隔板在隔板13的延長部中延伸。所述第一、中部的部分環(huán)形通道18一方面與載熱介質輸入管15流動連通,另一方面通過反應器外殼4中第一窗口或開口25與預熱區(qū)11的位于隔板13和轉向板21之間的范圍流動連通。第二部分環(huán)形通道19通過反應器外殼4中的第二開口26與預熱區(qū)11的位于轉向板21和第一管底部6之間的范圍流動連通。第三部分環(huán)形通道20通過反應器外殼4中的第三開口27與反應區(qū)12的直接與隔板13相鄰接的起始區(qū)域17流動連通。第二和第三部分環(huán)形通道19、20通過連接通道28相互流動連通,所述連接通道在環(huán)形通道16內的分隔板23、24之間延伸并且與所述分隔板液體密封地連接。由此所述連接通道28在反應器外殼4的外部穿過第一中部部分環(huán)形通道18延伸。所述第一、第二和第三開口25、26、27以及連接通道28沿周向分別以彼此規(guī)定的間距布置。
載熱介質流14從載熱介質輸入管15流入第一中部的部分環(huán)形通道18中,并在這里越過連接通道28流到反應器外殼4中的第一開口25。在流過第一開口25之后,載熱介質14在轉向板21和隔板13之間徑向向內流,此時載熱介質14的支流14a通過轉向板21中的通過開口22流入轉向板21和第一管底部6之間的范圍。所述支流開口22使得速度分布較均勻,并由此實現(xiàn)盡可能小的壓力損失。載熱介質14剩余的支流14b在轉向板21徑向內部的邊緣21a上轉向到轉向板21和第一管底部6之間的范圍。載熱介質14重新徑向向外流動,并通過反應器外殼4中的第二開口26流入第二部分環(huán)形通道19中。載熱介質14從這里通過連接通道28流入第三部分環(huán)形通道20,并從這里通過反應器外殼4中的第三開口27流入反應區(qū)12的起始區(qū)域17中。由此相同的載熱介質14首先流過預熱區(qū)11,然后流入反應區(qū)12。
根據本發(fā)明,預熱區(qū)11中的載熱介質14與反應區(qū)12內的流動分布(Strmungsführung)無關地按徑向流被引導。由此盡管循環(huán)量較小,也可以以簡單的結構形式實現(xiàn)高的熱傳遞值。
通過用環(huán)形轉向板21分割預熱區(qū)11,并通過載熱介質14的逆流流動分布,可在反應器的半徑上實現(xiàn)對反應氣體29特別均勻的預熱。反應氣體29主要在轉向板21和第一管底部6之間的范圍內進行升溫,其中,由于高的傳遞功率,在載熱介質14中并由此在反應氣體29中出現(xiàn)溫度差。在隔板13和轉向板21之間的范圍內對反應氣體29中的溫度差進行補償,為此只必須再傳遞較小的功率。
即,在預熱區(qū)11內,通過載熱介質14對進入反應管3的反應氣體29進行預熱,其中這樣設計預熱區(qū)11,或者說在所示的實施例中使熱傳遞面這樣與預熱區(qū)11內的反應管長度相匹配,以使在進入反應區(qū)12的入口處反應氣體29的溫度和載熱介質14的溫度基本上相同,并在管束橫截面內存在盡可能小的溫度差。
沿流動方向直接在反應器外殼4中的第三開口27的后面,并沿流動方向直接在從反應區(qū)12到一環(huán)形通道30和到一載熱介質排出管44的出口孔43的前面分別布置一個分配板31、32,所述分配板具有多個通孔33,在熱介質14通過所述通孔直接在其輸入之后從環(huán)形通道16或直接在其排出之前從反應區(qū)12中流出。
在載熱介質14進入反應區(qū)12的入口處,可以布置溫度測量位置,以測量和調整載熱介質14的溫度。
分配板31、32垂直于反應管的縱向延伸。在該實施例中,所述反應管3只在分配板31、32之間的空間內用催化劑材料填充。
通孔33沿徑向和沿周向以規(guī)定的彼此之間的間距布置。直徑沿徑向從外向內逐漸增加,以在管束2的整個橫截面上實現(xiàn)載熱介質14沿反應管3的均勻的體積流。
如上所述,在預熱區(qū)11內,載熱介質14按徑向流和相對于反應氣體的29逆向流被引導,而在反應區(qū)12內按縱向流和與反應氣體29的同向流被引導。
每個反應管3在其外側上由多個流內置件34包圍,所述流內置件從外側徑向突出。在圖1中示意性示出一喇叭形的局部內的流內置件34。所述流內置件34可以以例如隆起、凸桿或板狀突起(Blechfahnen)的形式設計成點狀的。所述流內置件也可以例如作為肋部設計成線形的,并且它們可以設計成面形的,例如作為轉向板或導流板。在每一種情況下重要的是,所述流內置件以彼此間的凈間距35布置,所述間距的尺寸在相對于一個由徑向外部的反應管3a形成的圓的直徑的比值不會超過一個最大值,所述直徑對于圓形管束2的情況即是管束的外徑。所述直徑與每個凈間距35的比值至少為13,對于面形流內置件34的情況優(yōu)選為15,并且完全特別優(yōu)選地為至少20。對于點狀和線形流內置件34的情況,所述比值優(yōu)選為100,并且特別優(yōu)選為至少200。當流內置件34相同時,在應以較大的循環(huán)量運行的管束反應器1中,凈間距35比應以較小循環(huán)量運行的管束反應器1中大。
在圖3至13中示出點狀和線形流內置件34的實施例,并在下面對其進行說明。
面形的流內置件34橫向于反應管縱向在多個反應管3上延伸。下面借助于圖2說明一個實施例。其它的實施例在下面結合圖14和16詳細說明。
在圖2所示的實施例中,與按圖1的實施例類似,在預熱區(qū)11內布置有環(huán)形的轉向板21,所述轉向板以其徑向的外邊緣固定在反應器外殼4的內壁上。在反應器外殼4中,在轉向板21和隔板13之間的范圍內形成入口孔36,通過所述入口孔來自一連接在載熱介質輸入管上的環(huán)形通道16的載熱介質14進入預熱區(qū)11。連接通道28徑向在管束外部在所述管束和反應器外殼4的內壁之間—即在反應器外殼4的內部—從轉向板21延伸到隔板13,所述連接通道28液體密封地固定在轉向板21和隔板13上,并在位于轉向板21和第一管底部6的預熱區(qū)11的范圍和反應區(qū)12的起始區(qū)域19之間形成流動連通。與按圖1的實施例類似,在轉向板21中形成通過開口22,以使載熱介質14的支流14a可流過。
載熱介質14從環(huán)形通道16通過反應器外殼4中的入口孔36進入隔板13和轉向板21之間的預熱區(qū)11的范圍。在這里載熱介質越過連接通道28徑向向內流,此時支流14a通過轉向板21中的通過開口22流入轉向板21和第一管底部6之間的范圍。剩余的載熱介質支流14b繞過轉向板21徑向內部的邊緣21a流入轉向板21和第一管底部6之間的范圍,在該范圍內載熱介質14重新徑向向外流動。載熱介質14通過連接通道28從預熱區(qū)11流入反應區(qū)12靠近隔板13的起始區(qū)域17。
在反應區(qū)12中,沿反應管縱向交替地設有環(huán)形的轉向板37和盤形的轉向板38,所述環(huán)形的轉向板37在其徑向內部的邊緣上固定在反應器外殼4的內壁上,所述盤形的轉向板38固定在沒有管的內部區(qū)域39中。在所示實施例中,管束外徑與環(huán)形和盤形的轉向板37、38之間的凈間距之間的比值約為15。通過多個轉向板37、38可得到小的流動橫截面,所述流動橫截面即使在循環(huán)量較小時,也能導致較大的通過管束2的流動速度。載熱介質14曲折地沿相互交替的形成順序相連的通流段40的環(huán)形和盤形的轉向板37、38流動,并由此重復地從外向內和從內向外流過管束2。這種橫向流動與高的流動速度相結合導致高的湍流,并由此導致高的熱傳遞。
在該實施例中,所述反應管3可在隔板13和第二管底部9之間的空間內用催化劑材料填充。
在預熱區(qū)11內,載熱介質14沿徑向按相對于反應氣體29的逆向流被引導,而在該實施例中,載熱介質在反應區(qū)12內沿徑向按和反應氣體29同向的流被引導。
在反應區(qū)12的環(huán)形的轉向板37中,與在預熱區(qū)11的環(huán)形的轉向板21相類似地,形成用于下一個通流段40的通過或支流孔41,所述孔沿徑向和沿周向具有規(guī)定的彼此之間的間距布置,并且載熱介質14的支流14c流過所述孔。所述支流孔41具有朝反應器軸線變大的橫截面,以在半徑變小時徑向向內地防止速度過度升高,并保持垂直于管軸線的橫截面內的溫度差較小。
為了使垂直于管軸線的管束橫截面內的溫度分布均勻化,可在徑向位于內部和外部的沒有管的轉向范圍內安裝混合器42,所述混合器也可將載熱介質14導入轉向范圍。
由于所述多個轉向板37、38,為了改善溫度均勻性,在每個橫截面上,在轉向板37、38中通過填充/密封(Eindichten)消除了反應管3和其通過孔之間的泄漏流,最好在盤形的轉向板38中和在環(huán)形的轉向板37的外部范圍內密封反應管3和其通過孔之間的間隙。
在圖3至13中示出點狀和線形流內置件34的幾個實施例。
通過這種流內置件34既可以增強載熱介質14中的湍流,也可以增大傳熱面。此外還可以明顯地減小通流橫截面。
圖3a和3b示出設計成環(huán)形的肋部50,所述肋部分別同心地包圍一個反應管3,并從所述反應管上伸出。沿反應管的縱向,所述環(huán)形肋部50以相同的彼此間的凈間距35布置。相鄰的反應管3的環(huán)形肋部50沿反應管縱向相互錯開,而沿徑向相互重疊。
圖4a和4b示出與圖3a和3b類似的流內置件34的環(huán)形設計。但在該實施例中,所述肋部設計成圓環(huán)形段或片形段51,所述段沿周向以彼此間預定的間距52布置。
肋部的外部輪廓可以任意地形成,例如與管布置的圖案相對應,如圖5a和5b所示。這里所述環(huán)形肋部53具有六角形的外部輪廓54。在該實施例中還示出,所述流內置件不必沿徑向相互重疊。
如果所述肋部不重疊,則可簡化將反應管3裝配成管束的操作,因為可沿軸向移動反應管3以進行裝配。這對于相互重疊的同心的或螺旋形的肋部是不可能的。在這種情況下,可以只是橫向于其縱向地移動所述反應管3以進行組裝。
與此不同,肋部沿流動方向的重疊會導致形成特別好的渦旋或湍流增強效果。
圖6a和6b中示出點狀的流內置件34。這里示出的流內置件設計成桿狀或銷狀的,其中銷56的長度設計成使相鄰的反應管的銷56不會相互重疊,但卻盡可能多地填充反應管的中間空間。
圖7a和7b以及8a和8b示出設計成螺旋形的、連續(xù)的并且分別包圍一個反應管3的肋部57、58。所述肋部57、58的外部輪廓與圖3b和5b中所示的肋部50、54的外部輪廓類似,在俯視圖中是圓形的(圖7b)或六角形的(圖8b)。設計成螺旋形的肋部57、58也可以沿徑向相互重疊(圖7a、7b)或以一定的彼此間距終止(圖8a、8b)。
螺旋形的肋部57、58的螺距大致相當于環(huán)形肋部50、54(圖3a、5b)沿反應管縱向的間距。
作為另一個實施例,在圖9a和9b中示出具有縱向肋部59的反應管3。沿反應管的周向縱向肋部59的外部輪廓總體上設計成六角形。相鄰的反應管3的縱向肋部59終止于規(guī)定的較小的彼此間距處,如圖9b所示,或者所述肋部可以齒輪式地相互接合,即相互重疊。
在圖10至13中示出板狀凸起或舌狀的肋部形式的流內置件34。
圖10a、10b和10c示出舌狀的板狀凸起60,所述板狀凸起相互按規(guī)定的間距在一板帶61中沖裁出來,并從所述板帶平面中彎出。這種板帶繞每個反應管3螺旋形卷繞,從而舌狀部或者說板狀凸起60徑向伸出。板帶61通過焊接部位62固定在反應管3上。
圖11a、11b和11c示出沖裁的板狀凸起63,所述板狀凸起從一沿徑向延伸的中部段64中沿反應管的縱向向相對的方向彎起,從而所述板狀凸起相對于反應管的縱向傾斜地分布。這種舌狀的板狀凸起63按相對于載熱介質14的流動方向規(guī)定的角度延伸,以使所述載熱介質流具有橫向的流分量。所述中部段64本身與一由板帶制成的環(huán)或套管(Muffe)65一體地相連,并從所述套管的周向面沿徑向向外彎出90°。在所示的實施例中,這種套管65具有八個所述板狀凸起63。所述套管或環(huán)形沖裁板件65順序地套裝到反應管3上,并利用焊接部位66固定在其上。
圖12a和12b示出類似的實施例,但其中將一個舌狀的板狀凸起68從一個徑向延伸的段67中沿反應管的縱向只朝一個方向彎出。
在圖13a和13b中示出的根據本發(fā)明的流內置件34的實施形式對應于圖10a和10b中示出的舌狀的板狀凸起60。在該實施例中,在一個半圓柱形的殼體70中沖裁出板狀凸起69,所述殼體的內徑對應于反應管3的外徑。分別將兩個所述半圓柱形殼體70繞反應管3鋪設,并優(yōu)選通過焊接部位72連接成一套管71。在圖13a和13b所示的實施例中,相鄰反應管3的舌狀的板狀凸起60沿徑向相互重疊。
為了防止由于載熱介質14中的污物引起各流動橫截面的局部堵塞,在根據圖3至8和10至13的實施例中,相鄰的流內置件50、51、53、56、57、58、60、63、68、69的凈間距至少為3mm。對于如根據圖9的實施例中那樣的縱向肋部59,相鄰縱向肋部59的凈間距只是沿周向為至少3mm就足夠了。
在圖14至16中示出設計成螺旋形的流內置件34,所述流內置件不是螺旋形地包圍單個的反應管3,而是在多個反應管3上延伸,并由這些反應管穿過。通過螺旋形的流動分布,使得沿軸向進入管束2的載熱介質14具有橫向流動分量,這種流動分量可明顯提高熱傳遞。
管束2由多個同心地相互套裝的隔壁分成環(huán)形空間,在圖14和15所示的實施例中通過三個這種圓柱形的隔壁80、81、82,其中徑向最內側的隔壁82包圍沒有管的內部空間83,反應器外殼4形成徑向位于外部的環(huán)形空間的外壁。這樣,在所示實施例中,形成三個分別具有單獨的螺旋部84、85、86的環(huán)形空間I、II、III。
圖14a以管束反應器1的部分縱向剖視圖示出這樣設計的反應區(qū)12。具有螺旋形流內置件84、85、86的所述環(huán)形空間I、II、III布置在兩個分配板87、88之間,載熱介質14穿過所述分配板進入環(huán)形空間I、II、III或螺旋部84、85、86,或者從其中流出。分配板87、88具有通過開口89,所述通過開口沿周向和沿徑向彼此以一定間距布置,并且其橫截面沿徑向是變化的,與根據圖1的實施例中的情況相類似。
通過開口89的橫截面還附加地在周向上沿環(huán)形空間I、II、III變化,以在其入口區(qū)域和出口區(qū)域中實現(xiàn)均勻的速度分布。
如圖1所示,分配板87、88在載熱介質側分別設置在距隔板13或第二管底部9一定距離處。在隔板13或第二管底部9和分配板87、88之間,在反應器外殼4中形成沿周向均勻分布的開口27、43,載熱介質14穿過所述開口從載熱介質輸入管15和環(huán)形通道16、20進入反應區(qū)12或者從反應區(qū)流出到環(huán)形通道30中和載熱介質排出管44中。
螺旋形的流動分布在每個環(huán)形空間I、II、III中多頭/線地分布,即在每個環(huán)形空間中以相同的間距設有兩個或更多螺旋形的導流板84、85、86。如圖14b所示,例如在環(huán)形空間I中布置有三個螺旋形流內置件84。圖14c示出圖14a的管束反應器的所述環(huán)形空間I的縱向剖視圖。螺旋形的流內置件不僅在一個環(huán)形空間內部,而且從環(huán)形空間到環(huán)形空間也具有相同的導程(Steigung),如圖15a、15b和15c對于環(huán)形空間I、II和III所示出的那樣。利用所述措施,在一個環(huán)形空間內部以及從環(huán)形空間到環(huán)形空間,對于每個流動路徑都形成基本上相同長度。
在圖16a和16b中示出螺旋形流內置件的一個實施例,其中隔壁90、91、92、93按多邊形(Polygonzug)的形式跟隨反應管3的分隔圖案。這是圖14的一種變型,其中具有按60°重復的直邊單元94、94’、95、95’、96、96’,由此形成六角形的同心地相互套置的隔壁90、91、92、93。在這種實施形式中可保留對管束2的均勻的三角分隔(Dreiecksteilung),其中所述多邊形形狀的環(huán)形空間的角部區(qū)域94’、95’、96’保持沒有管。
圖17a示出圖1中所示預熱區(qū)11以及相鄰接的向反應區(qū)12的載熱介質14的輸入部的一種改變方案。在根據圖17a的實施例中,在預熱區(qū)11中沒有示出環(huán)形轉向板21中的通過開口22。在連接通道28’中分別布置一個靜態(tài)的混合裝置100,所述混合裝置在載熱介質14流過時對其進行充分混合,從而具有均勻的溫度的載熱介質進入反應區(qū)12。
圖17b中示出圖17a的預熱區(qū)11的橫向剖視圖。該橫向剖視圖也適用于圖1中所示的預熱區(qū)11。
在圖18a和18b中示出環(huán)形通道的一個可選的實施形式,其中預熱區(qū)11的設計對應于根據圖17a的實施形式。在圖18a和18b中所示的實施例中,包圍反應器外殼4的外側的環(huán)形通道101兩件式地設計成一外部環(huán)形通道102和一內部環(huán)形通道103。
載熱介質輸入管104通入外部環(huán)形通道102。所述外部環(huán)形通道通過連接通道105與隔板13和轉向板21’之間的預熱區(qū)11的區(qū)域流動連通。所述連接通道105穿過內部環(huán)形通道103延伸,并相對于所述內部環(huán)形通道液體密封地被密封。載熱介質14在外部環(huán)形通道102中沿周向流動,并通過所述連接通道105流入預熱區(qū)11。
內部環(huán)形通道103通過反應器外殼4中的第一開口106與位于轉向板21’和第一管底部6之間的預熱區(qū)11的區(qū)域流動連通。通過反應器外殼4中的第二開口107內部環(huán)形通道103在隔板13附近與反應區(qū)12的起始區(qū)域17流動連通。
載熱介質14通過反應器外殼4中的第一開口106從預熱區(qū)11流出進入內部環(huán)形通道103,在內部環(huán)形通道中沿反應管縱向流過到反應器外殼4中的第二開口107的一段,并穿過所述第二開口進入反應區(qū)12。
圖19示出與圖2所示類似的預熱區(qū)11和載熱介質14輸送部的設計,但具有與圖17a對應的改動,即在連接通道28’中設有靜態(tài)混合裝置100。
通過一個在反應器外殼4的外側上沿周向延伸的環(huán)形通道108,反應器外殼4中的中部開口36在隔板13和轉向板21之間的區(qū)域與預熱區(qū)11流動連通,并將載熱介質14輸送給預熱區(qū)11。與圖2所示實施例中的情況相同,連接通道28’布置在管束2的外部反應管3a和反應器外殼4的內部之間的沒有管的空間中。
圖20和21示出可能的用于本發(fā)明的管束反應器1的載熱介質循環(huán)的流程圖。
圖20中示出的載熱介質循環(huán)110在主流中流過一循環(huán)泵111、管束反應器1、熱交換器112和靜態(tài)混合裝置113。在所述主流上連接一個載熱介質補償容器114。載熱介質14只在一個載熱介質循環(huán)中流動。
循環(huán)泵111直接設置在載熱介質14進入管束反應器1的入口前面,并連接在一驅動馬達115上。為了對載熱介質14的循環(huán)量進行調整,沿流動方向在循環(huán)泵的前面和后面分別設置一個節(jié)流閥116、117。此外,還與循環(huán)泵111并聯(lián)地設置一個旁通閥118,同樣也可以通過所述旁通閥調整載熱介質14的循環(huán)量。
為了調整載熱介質14進入管束反應器1具有的溫度,在載熱介質循環(huán)110的主流中直接在載熱介質14離開管束反應器1的出口的后面設置一個具有冷卻和/或加熱裝置的熱交換器112。在管束反應器1和熱交換器112之間連接一個三通閥119,所述三通閥的入口120與管束反應器的出口相連,而所述三通閥的第一出口121與熱交換器的入口相連。在所述三通閥119的第二出口122上連接一個通往熱交換器112的旁路123。
這樣調整所述三通閥119的節(jié)流橫截面積,即入口120和位置128之間的壓力差與流過熱交換器112的通過流無關地保持恒定。與此反應器的負荷無關地實現(xiàn)恒定的流過反應器1的載熱介質流14。
在冷卻和加熱裝置的進口(Zulauf)之后,在進入管束反應器1的入口之前,在所示情況下在循環(huán)泵111之前,設置一個靜態(tài)混合裝置113,所述混合裝置使載熱介質的入口溫度均勻化。
反應氣體可以只在管束反應器1中的預熱區(qū)11內被預熱。不需要布設在反應器1外部的附加的預熱裝置。
載熱介質14-通常是鹽浴—通過循環(huán)泵111循環(huán),并根據反應過程的不同由熱交換器112冷卻或加熱。載熱介質在第一管底部6的附近進入反應器外殼4,并在第二管底部9附近離開反應器外殼4。
載熱介質14離開反應區(qū)12的出口處的平均溫度比其進入反應區(qū)12的入口處的平均溫度高至少2℃,優(yōu)選高5℃,更優(yōu)選地高10℃。
可通過調整載熱介質14的循環(huán)量來調整所述溫度差。
載熱介質14從循環(huán)泵111首先進入反應器入口上的環(huán)形通道,在這里載熱介質按已知的方式通過相應地設計的設置在反應器外殼4中的窗口均勻地在反應器1的周向上分布。
在通向反應區(qū)的旁路124中布置第二冷卻或加熱裝置125。所述冷卻或加熱裝置只在用于啟動或關閉管束反應器1時是必要的,并且在正常運行時用閥126、127關閉,以防止流過。
圖21中示出的載熱介質循環(huán)130設計得較簡單。所述載熱介質循環(huán)也具有主流,所述主流通過循環(huán)泵111、管束反應器1、具有冷卻或加熱裝置的熱交換器122和靜態(tài)混合裝置113。這里在反應器1和冷卻或加熱裝置112之間也連接一三通閥119,所述三通閥的入口120與管束反應器的出口相連,而所述三通閥的第一出口121與熱交換器的入口相連。在第二出口122上也連接一個通往熱交換器112的旁路123。同樣,在所述主流上也連接一個載熱介質補償容器114。在該實施例中,通過循環(huán)泵111的驅動馬達115的轉速控制(裝置)來實現(xiàn)對載熱介質量的調整。
通過根據本發(fā)明的措施,可以根據負荷、催化劑使用壽命或其它處理條件來最優(yōu)地調整反應器入口和反應器出口之間的溫度差,并在同時確保橫向于反應管縱向具有足夠均勻的溫度分布。
盡管循環(huán)量小,也可以在載熱介質側實現(xiàn)良好的熱傳遞。根據本發(fā)明的措施可在載熱介質側實現(xiàn)提高流動速度和/或增強湍流和/或增大傳熱面。
與反應管3的內表面相關的載熱介質側傳熱系數可由此調整到至少1000W/(m2K),優(yōu)選調整到至少1500W/(m2K),特別優(yōu)選地調整到2000W/(m2K)。
利用根據本發(fā)明的管束反應器1,可以在額定負荷下在載熱介質14進入反應區(qū)12的入口和離開反應區(qū)的出口之間實現(xiàn)這樣的溫度差,所述溫度差優(yōu)選大于10℃,特別優(yōu)選地大于15℃,而不會在同時橫向于反應管的縱向在管束2的橫截面上出現(xiàn)大于目前為止在現(xiàn)有技術中認為是可接受的溫度差,特別優(yōu)選不大于10℃。
在根據本發(fā)明的管束反應器1的反應區(qū)12內,在每個垂直于反應管3的縱向的平面內部,載熱介質14中的溫度差優(yōu)選最高為8℃,更優(yōu)選地最高為5℃,特別優(yōu)選地最高為2℃。
利用根據本發(fā)明的措施,只利用一個載熱介質循環(huán)就可獲得對于反應有利的沿反應管3的溫度分布,由此可以實現(xiàn)高的轉化(率)和產出量。由于載熱介質循環(huán)量低,還可獲得其它優(yōu)點,如較小的泵、較小的用于載熱介質循環(huán)的能量需求以及較小的用于輸入和排出的橫截面。
由于只需要一個載熱介質循環(huán),因此也只需要為一個載熱介質循環(huán)設置相應的用于加熱、冷卻和調整的裝置。
根據本發(fā)明的管束反應器特別適用于進行氧化反應,特別是用于制造鄰苯二甲酸酐、馬來酸酐、乙二醛、(甲基)丙烯醛和(甲基)丙烯酸。
權利要求
1.一種進行放熱或吸熱氣相反應的管束反應器,具有包括由催化劑填充的反應管的管束,所述反應管由反應氣體流過并穿過一反應區(qū),在所述反應區(qū)內液態(tài)的載熱介質環(huán)繞流過所述反應管,并且在所述反應區(qū)內圍繞反應管分別布置多個用于改善熱傳遞的流內置件,其特征在于,所述流內置件(34)在反應管(3)的縱向上和/或在其周向上分別以一定的相互間的凈間距(35)布置,所述凈間距的尺寸最大是使得由徑向位于外部的反應管(3a)形成的圓的直徑與每個凈間距(35)的比值最小為13。
2.根據權利要求1所述的管束反應器,其特征在于所述流內置件(34)設計成多個環(huán)形和盤形的轉向板(37、38),所述轉向板具有孔,反應管(3)穿過所述孔延伸。
3.根據權利要求2所述的管束反應器,其特征在于在所述盤形的轉向板(38)中密封反應管(3)和孔之間的間隙的至少一部分。
4.根據權利要求2或3所述的管束反應器,其特征在于在沒有管的轉向區(qū)域安裝有內部和/或外部混合構件(42)。
5.根據權利要求1所述的管束反應器,其特征在于所述反應區(qū)(12)分成至少兩個環(huán)形空間(I、II),所述環(huán)形空間由沿管束(2)的周向延伸的板(80、81;90、91、92)限定,在所述環(huán)形空間中設置有設計成螺旋形導板(84、85;94、95)的流內置件(34),所述流內置件導致形成螺旋形通過流,其中由徑向位于外部的反應管形成的圓的直徑與前后順序排列的螺旋螺紋之間的每個凈間距的比值至少為13。
6.根據權利要求5所述的管束反應器,其特征在于包括這樣的管束(2),所述管束的沒有管的內部區(qū)域(39)和環(huán)形空間(I、II)設計成同心的或多邊形的,并且所述螺旋形的導板(84、85;94、95)分別具有相同的導程。
7.根據權利要求6所述的管束反應器,其特征在于所述多邊形環(huán)形空間的角部區(qū)域(94’、95’)沒有管。
8.根據權利要求5至7中任一項所述的管束反應器,其特征在于按多頭螺旋形式設置所述導板(84、85;94、95)。
9.根據權利要求5至8中任一項所述的管束反應器,其特征在于在所述環(huán)形空間的入口和出口橫截面上設置有帶有通過開口的節(jié)流板,所述通過開口的流動橫截面設計成使得在所述環(huán)形空間中存在均勻的速度分布。
10.根據前述權利要求中任一項所述的管束反應器,其特征在于所述流內置件(34)的至少一部分安裝在反應管的外側并從反應管的外側伸出。
11.根據權利要求10所述的管束反應器,其特征在于所述流內置件設計成隆起、銷(56)、板狀凸起(60、63、68、69)等形式的單個的構件。
12.根據權利要求10所述的管束反應器,其特征在于所述流內置件設計成肋部。
13.根據權利要求12所述的管束反應器,其特征在于所述肋部(50、51、53)分別相對于反應管(3)同心地分布。
14.根據權利要求12所述的管束反應器,其特征在于肋部(57、58)分別相對于反應管(3)螺旋形地分布。
15.根據權利要求12所述的管束反應器,其特征在于肋部(59)沿反應管(3)的縱向分布。
16.根據權利要求11至14中任一項所述的管束反應器,其特征在于相鄰的流內置件(34)之間的每個凈間距至少為3mm。
17.根據權利要求15所述的管束反應器,其特征在于凈間距至少為3mm。
18.根據權利要求10至17中任一項所述的管束反應器,其特征在于相鄰的反應管(3)的流內置件(34)沿徑向相互重疊。
19.根據權利要求10至18中任一項所述的管束反應器,其特征在于相鄰的反應管(3)的流內置件(34)沿徑向不相互重疊。
20.根據權利要求1至19中任一項所述的管束反應器,其特征在于載熱介質流(14)基本上沿管軸線流過反應區(qū)(12)。
21.根據權利要求1至20中的任一項所述的管束反應器,其特征在于載熱介質流(14)按與反應氣體(29)的同向流流過反應區(qū)(12)。
22.根據權利要求1至21中的任一項所述的管束反應器,其特征在于將與反應管(3)內表面相關的載熱介質側的傳熱系數調整到至少1000W/(m2K),優(yōu)選調整到至少1500W/(m2K),特別優(yōu)選調整到至少2000W/(m2K)。
23.根據權利要求1至22中任一項所述的管束反應器,其特征在于在反應區(qū)(12)中,載熱介質(14)中的溫度差在每個垂直于反應管(3)的縱向分布的平面中最高為8℃,優(yōu)選最高位5℃,并且特別優(yōu)選最高位2℃。
24.根據權利要求1至23中任一項所述的管束反應器,其特征在于在反應器(1)的額定負荷下,載熱介質(14)的平均溫度在離開反應區(qū)(12)的出口處比其進入反應區(qū)(12)的入口處高至少10℃。
25.根據權利要求24所述的管束反應器,其特征在于可通過調整載熱介質(14)的循環(huán)量調整所述溫度差。
26.用于進行放熱或吸熱氣相反應的、特別是根據權利要求1至23中任一項所述的管束反應器,具有一由反應器外殼包圍的包括由催化劑填充的反應管的管束,所述反應管的一端由氣體入口罩覆蓋,而其另一端由氣體出口罩覆蓋,并且所述反應管在氣體入口罩附近穿過一預熱區(qū),接著穿過一反應區(qū),其中所述預熱區(qū)和相鄰接的反應區(qū)在管束的區(qū)域由一隔板相互分隔開,并分別都由載熱介質流流過,其特征在于所述隔板(13)與所述反應管(3)基本上液體密封地相連,并且基本上相同的載熱介質(14)首先流過預熱區(qū)(11),然后流過相鄰接的反應區(qū)(12)。
27.根據權利要求26所述的管束反應器,其特征在于載熱介質(14)沿徑向按相對于反應氣體(29)的逆流流過預熱區(qū)(11)。
28.根據權利要求26或27所述的管束反應器,其特征在于反應氣體(29)和載熱介質(14)在進入反應區(qū)(12)的入口處具有基本上相同的溫度。
29.根據權利要求26至28中任一項所述的管束反應器,其特征在于反應管(3)在預熱區(qū)(11)的范圍內填充有惰性顆粒散裝物。
30.根據權利要求26至28中任一項所述的管束反應器,其特征在于在載熱介質(14)從預熱區(qū)(11)到反應區(qū)(12)的流動路徑中,沿徑向在管束(2)的外部安裝有混合構件(100)。
31.根據權利要求26至28中任一項所述的管束反應器,其特征在于在載熱介質(14)進入反應區(qū)的入口處設有用于測量和調節(jié)載熱介質(14)的溫度的溫度測量位置。
32.具有根據權利要求1至31中任一項所述的管束反應器的裝置,其特征在于在冷卻和加熱裝置(112)的進口后面和管束反應器(1)的入口前面設置有靜態(tài)混合裝置(113),所述混合裝置使載熱介質的溫度均勻化。
33.具有根據權利要求1至31中任一項所述的管束反應器的裝置,其特征在于在正常運行中,可關閉設置在通往管束反應器(1)的旁路(124)中的只在管束反應器(1)的啟動或停止時才需要的冷卻和加熱裝置(125),以防止通過流。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種進行放熱或吸熱氣相反應的管束反應器,它具有包括由催化劑填充的反應管的管束,所述反應管由反應氣體流過并穿過一反應區(qū),在所述反應區(qū)內液態(tài)的載熱介質環(huán)繞流過所述反應管,并且在所述反應區(qū)內圍繞每個反應管布置多個用于改善熱傳遞的流內置件,其中,建議了流內置件的設計和布置,利用所述設計和布置,在載熱介質循環(huán)量較小或反應管縱向上的溫度差較大時,使熱傳遞保持足夠大和管束橫截面上的溫度差保持足夠小。為了進一步使載熱介質中的溫度均勻化,還建議在管束反應器中在反應區(qū)前面連接預熱區(qū),在管束的范圍內,所述反應區(qū)和預熱區(qū)液體密封地相互隔開,并且由相同的載熱介質流過這兩個區(qū)。
文檔編號B01J8/06GK1817435SQ200610002110
公開日2006年8月16日 申請日期2006年1月16日 優(yōu)先權日2005年1月14日
發(fā)明者M·萊爾 申請人:曼德韋有限公司