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CN106232222A - 等温管状催化反应器 - Google Patents

等温管状催化反应器 Download PDF

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CN106232222A
CN106232222A CN201580020344.1A CN201580020344A CN106232222A CN 106232222 A CN106232222 A CN 106232222A CN 201580020344 A CN201580020344 A CN 201580020344A CN 106232222 A CN106232222 A CN 106232222A
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埃尔曼诺·菲利皮
恩里科·里奇
卢卡·雷达埃利
古列尔莫·德奥达托
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Casale SA
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Abstract

本发明涉及一种等温催化反应器(1)，包括催化床(2)和浸泡在所述催化床中的管状热交换器，其中，所述交换器通过连接到分配器(6)和连接到集管(7)的直的管而形成，该集管优选由支撑所述管的环形主体而形成，且其中所述催化床是由向内径向流动通过的类型。

Description

等温管状催化反应器
技术领域
本发明涉及含有管状热交换器的等温催化反应器。
背景技术
等温催化反应器被定义成包含催化床和浸泡在催化床中的热交换器的反应器，并且等温催化反应器被设计成提供热或去除热以便将催化剂的温度维持在预定范围内。
本发明具体涉及上述类型的反应器，其中热交换器是管状交换器。出于简洁的目的，所述反应器也称为等温管状反应器。
根据催化剂的定位(催化剂可以在管侧(即在管内)或者在壳侧(即在管的周围))，可以区分等温管状催化反应器。
具有充满催化剂的管的反应器在结构上是简单的且提供了以下优点：它们具有与催化剂的量有关的大的交换面积。然而，它们也具有多个缺点：它们含有的催化剂的量相当小，催化剂的量受到管内体积的限制；它们在管侧具有高的压力损失；它们在热循环期间(例如在瞬态中)遭受管和催化剂的不同膨胀；膨胀上的差异和高的压力损失会导致催化剂的快速变差；催化剂装填和排空操作是费力的；在装填催化剂期间任何均匀性的缺失产生在各个管间的不均匀流动，其对于反应器性能具有负面后果。这些反应器的另一缺点包括管板的成本，如通常发生的，尤其是如果一侧或两侧(管侧和/或壳侧)受到很大压力。
壳侧催化剂反应器部分地克服了这些缺点，例如，它们可包含大体积的催化剂。然而，它们也不是令人满意的。配备有常规管板的壳侧催化剂反应器具有的缺点是难以进行装填和排空催化剂。在尝试解决该问题时，已经提出的反应器中，管板用具有复杂设计的集管(header)(例如以圆的渐开线的形式)代替，其在某些限度内改善了接触催化剂，但是不能承受壳侧和管侧之间的高的压力差。这些反应器的另一缺点是它们以轴向流动操作，出于该原因，它们通过催化剂在壳侧具有压力损失，在任何情况下，该压力损失很高。
另一已知类型的壳侧催化剂管状反应器包括具有穿孔的侧壁的中心气体供给管，以及环状布置在所述管的周围的管束，因此导致基本上径向向外的流动路径。该反应器在催化剂侧具有低的压力损失且可以在壳侧和管侧承受很大的压力差。然而，其还具有大量的缺点：其需要用于提供管和收集流出流体的集管的复杂系统，其具有不完全令人满意的转化效率。
发明内容
本发明涉及克服上述已知的等温管状催化反应器的配置的缺点的问题。
构成本发明的基础的构思是用合适成形的分配器和集管代替管板。并且，反应器提供有向内的(或向心的)径向流动。出于该目的，反应器包括用于壳侧气体的分配器和集管，其被布置成使得确保穿过催化床基本上径向或轴向的径向向内流动。
根据上文，根据所附的权利要求1的等温催化反应器解决了该问题。优选的实施方式在从属权利要求中进行了描述。
分别借助分配器和集管的热交换流体的供给和集中具有的极大优势是简化了反应器的结构设计。如果与现有技术的反应器相比，则用于热交换流体的管道被明显简化；并且，集管和分配器形成支撑管的结构部件，因此管板是不必要的。
本发明的另一优点是容易进入管束和催化床，主要用于催化剂装填和排空操作。
申请人发现，令人惊讶地，向内的径向流动允许改善转化效率。
在现有技术中，使用向外的离心流动，因为在径向流动反应器中，气体的速度靠近反应器的轴线较高(通流表面区域较小)以及因为具有高的气体速度并且因此在催化床入口处高的对流热交换系数被视为是有利的，其中气体(新鲜试剂)是最有活性的。例如，在放热反应中，热的产生在床入口处是最大的，出于该原因，在迄今的现有技术中，在相同区中的气体具有高速度已经被认为是有利的，以便避免催化剂的不需要的局部过热(所谓的“热点”)。
然而，申请人已经发现，离心式流动条件不利于反应器的外围区的转化，因此总的转化效率低。形成本发明的一方面的向心(向内的)流动解决了该问题。
优选地，直的管通过合适成形的短的端连接件被连接到分配器和集管。有利地，管束中的所有管分别具有直接连接到所述分配器和连接到所述集管的它们的端部。
在第一实施方式中，集管和分配器中的至少一者包括具有以球形部分或者椭圆形部分的形式的主体。该实施方式具有的优点是简单的结构设计以及另外球形或椭圆形主体可以实现对于焊接操作允许工人进入的尺寸。
在第二实施方式中，集管和分配器中的至少一者包括多个直的或弯曲的在两端封闭且沿着至少两个同心圆周(即两个直径)分布的圆柱形元件。所述元件可以被视为管部。该实施方式具有的优点是容易构造且允许通过去除一个或多个元件的封闭的端板而进行管焊接。这可以被执行以便进行管和分配器或集管之间的焊接点的修复操作以便分离损坏的和不能修复的管，例如，通过帽的焊接。由于元件沿着不同圆周的分布，故端板的去除是方便的。
在第三实施方式中，集管和分配器中的至少一者包括环形主体。
前述变型可以组合用于分别构造分配器和集管。分配器和集管可具有相同的形式(例如都是环形)或者两种不同形式。
在特别优选的实施方式中，在竖向反应器中，上主体由在不同平面上交替的管部分形成；下主体以球形部分或椭圆形部分的形式构造。
优选地，反应器包括用于管的抗振动支撑和安装的折流板，该折流板布置在与管和反应器的轴线垂直的平面上。在竖向反应器中，例如，所述折流板被布置在水平面上。
在优选实施方式中，折流板包括用于支撑管的元件。所述支撑元件有利地包括在如US 5058664和US 5642778中描述的棒状折流板。
优选地，根据本发明的反应器包括一系列折流板，其中相邻的折流板在不同的方向上支撑管且折流板以预定周期重复。更优选地，折流板包括用于管的支撑元件(例如棒)，该支撑元件平行于管的准线，且其中管的两个相邻的支撑元件以数倍于管的节距且大于管的节距的二倍(即至少管的节距的三倍)的节距隔开。应该注意，这与常规的棒之间的节距是管节距的二倍的棒状折流板技术是不同的。
如所已知的，术语“管节距”应该理解成指相邻管的中心之间的距离。管的准线是将所述管的中心连接到一起的直线，该直线在与管的轴线垂直的平面中。
管有利地以三角形或方形节距布置。管的具有三角形节距的布置可以是优选的，这由于其允许相对于催化剂体积热交换面积具有更大的密度。
以更大节距支撑管的棒具有的优点是，留下更多的可用空间且方便催化剂的装填和排空，以及在最初启动时安装催化剂。事实上，与已知的棒状折流板系统相比，管受到较少的限制，但是存在的突出优点是，对于涉及装填/排空催化剂和对于安装催化剂的操作，具有开放得多的管束结构。
优选地，反应器是竖向的。有利地，根据本发明的反应器用于氨或甲醇合成或者用于所谓的“变换反应”，如所已知的，变换反应将一氧化碳(CO)和水转化成二氧化碳(CO2)和氢气(H2)。根据本发明的反应器可以用来提供根据已知工艺操作的变换反应器，该工艺操作除了包括其他之外还包括：酸变换、高温变换、和中温变换或低温变换。
分配器和集管有利地具有至少一个检修孔，以允许进入内部用于管焊接或维护操作。例如，若有必要，这允许损坏管路关闭和分离或者焊接点得以修复。在一些实施方式中，分配器和集管具有多个检修孔，该检修孔分布成使得允许进入所有管。优选地，分配器和集管中的至少一者具有的尺寸使得允许工人进入内部。上述焊接和维护操作因此是可能的。
向内流动可以通过至少部分穿孔的用于包含催化床的外壁获得。在替选实施方式中，含有床的外壁可包括多个公知的“扇贝”型穿孔网板(例如在US5,366,704中)。
在涉及大量优选实施方式的以下具体描述的辅助下，将呈现本发明的优点。
附图说明
图1是根据本发明的第一实施方式的等温反应器的示意性纵向剖视图；
图2是根据本发明的第二实施方式的等温反应器的示意性纵向剖视图；
图3是根据本发明的第三实施方式的等温反应器的示意性纵向剖视图；
图4是通过根据图3的反应器的横截面；
图5是示出根据现有技术的具有方形节距的管束和支撑棒的示意图；
图6是示出根据本发明的实施方式的具有方形节距的管束和支撑棒的布置的示意图；
图7是类似于图3的对于具有三角形节距的管的示意图。
具体实施方式
图1示出竖向反应器1，包括催化床2和浸泡在所述催化床中的管状热交换器。
催化床2包含在圆柱形壁3和与所述壁3同轴的中心管4之间的基本上环形的空间中。圆柱形壁3和中心管4都具有至少部分穿孔的表面以允许试剂和气态产物的通过。催化床通过根据现有技术已知的篮(未示出)支撑。直线18和直线19指示在正常使用条件期间装填催化剂的体积；直线18下方通常是惰性材料。
管状热交换器主要包括直的管束5。管5被容纳在壁3和中心管4之间的环形空间内。
管的端部被连接到两个主体6和7，主体6和主体7充当用于热交换流体的分配器和集管。各个管5通过合适成形的端接头8连接到分配器6和集管7。应该注意，由此形成的管状交换器没有管板。分配器6和集管7除了供给和集中热交换流体之外实际上还在结构上支撑管5。
反应器1的主要的入口和出口包括：试剂入口9、用于反应产物的出口10；用于热交换流体的入口11和出口12。反应器也设置有用于排空(“放完”)催化剂的至少一个开口14。
壁3和中心管4分别形成用于壳侧气体的分配器和集管，其确保穿过催化床的向内径向流动。更具体地，通过入口9进入的试剂流入穿孔壁3周围的空间13(在壁3和外壳15之间)以及以基本上径向流动穿过催化床2；在床2内侧，发生所需的化学转化以及反应产物收集在中心管4内，该中心管4又与出口10连通。
根据反应类型(即吸热或放热)，热交换流体可提供热或去除热，且可经历相变。图1例如是指用于放热反应的反应器配置(例如，氨或甲醇合成)，其中反应热用来产生蒸汽。供给到入口11的流体是在管5内至少部分蒸发的水。
图1示出一个实施方式，其中分配器6和集管7由环形主体60、环形主体70形成。
图2示出一个实施方式，其中分配器和集管中的一者(在该示例中为分配器6)由椭圆形主体61形成。
图3和图4示出一个实施例，其中分配器和集管中的一者(在该示例中为集管7)由多个直的或弯曲的圆柱形元件71形成，该圆柱形元件通过端板72在两端封闭。所述圆柱形元件71沿着具有半径r1和r2的两个同心圆周交替分布(图4)以便最大化利用可用空间，特别是反应器1的壳的横截面。
元件71优选具有不大于1米的长度，使得在去除一个或两个端板72之后，可以到达中心管的焊接点而不进入它们内部。这构成了这样的优点：在集管的尺寸(直径)方面以及在焊接操作需要对材料预热而工人不可以进入的情况下。
对于分配器6和集管7，在图1、图2、图3和图4中所示的实施方式可以彼此组合。
如上所述，管束5没有管板，由于管的端部仅连接到分配器6和集管7。为了确保管的稳定性以及特别是防止振动，反应器1有利地包括多个用于支撑管的折流板，其沿着管束以合适的间隔分布。
图6中示意性地示出所述折流板的优选实施方式。折流板通过支撑元件(例如，棒16)形成，该支撑元件平行于管的准线17。所述准线17是与所述管的中心连接到一起的直线。棒16的端部可以被固定到合适的支撑框架或外壳。
有利地，出于对比的目的，棒16以比在图5中示出的现有技术的棒状折流板更大的节距隔开。根据现有技术，棒状折流板具有的距离是管的节距的二倍。该图示出了管5之间的节距p和棒16之间的节距2p的常规实施方式。
图6反而示出根据本发明的扩大节距的条，例如，具有节距3p。棒以更大距离的布置已经证实是有利的，因为其允许管被方便地支撑，但同时其增大了用于装填或排空催化剂以及用于安装催化剂的床2中的可用空间。
折流板的周期因此等于六个折流板，即棒的具有不同定向的六个折流板的组沿着反应器轴线交替布置，并且六个折流板的次序周期性地重复，如果必要的话，直到占据整个管束的长度。
图7是指具有三角形节距的管。棒16沿着以0°、120°、240°倾斜的准线布置且形成平行四边形状网格。折流板的周期等于6。棒16以节距3p且以通过字母A-F所指出的六个折流板的周期隔开。更具体地，第一折流板包括棒A、第二折流板包括棒B等，直到包括棒F的第六折流板。在该图中，可以看出，在折流板的两个棒之间(例如在两个棒A之间)的节距是管的节距的三倍。

Claims (15)

1.一种等温催化反应器(1)，包括：至少一个催化床(2)和浸泡在所述催化床中的热交换管束，所述热交换管束包括基本上直的且供热交换流体在内部通过的管(5)，
其特征在于：
所述反应器包括用于所述热交换流体的分配器(6)和集管(7)，以及所述管(5)中的每一者具有分别连接到所述分配器和连接到所述集管的相对的端部，所述反应器因此没有管板；
所述反应器还包括用于壳侧气体的分配器(3)和集管(4)，用于壳侧气体的所述分配器(3)和所述集管(4)布置成确保基本上径向向内流动穿过所述催化床(2)。
2.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述分配器和所述集管之间的至少一者包括基本上环形的主体(60)。
3.根据权利要求1所述的反应器，其中，所述分配器和所述集管之间的至少一者包括具有球形部分或者椭圆形部分形状的主体(61)。
4.根据权利要求1所述的反应器，其中，所述分配器和所述集管之间的至少一者包括多个直的或弯曲的在两端封闭的圆柱形元件(71)，所述元件(71)沿着至少两个同心圆周分布。
5.根据权利要求3和4所述的反应器，其中，所述反应器是竖向的，并且所述分配器(6)和所述集管(7)由分别处于所述管(5)的上端和下端的上主体和下主体形成，以及所述上主体(7)包括所述多个圆柱形元件(71)，以及所述下主体(6)包括具有球形或椭圆形形式的所述主体(60)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的反应器，其中，所述气体分配器包括至少部分穿孔的圆柱形壁(3)，以及所述气体集管包括至少部分穿孔且与所述圆柱形壁(3)同轴的中心管(4)，以及所述催化床(2)和所述热交换管(5)被容纳在所述壁(3)和所述中心管(4)之间的环形空间内。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的反应器，其中，所述气体分配器包括扇贝状元件，所述扇贝状元件确保所述催化床的外部密闭。
8.根据前述权利要求中任一项所述的反应器，其中，所述管(5)通过成形的端接头(8)连接到所述分配器和所述集管。
9.根据前述权利要求中任一项所述的反应器，包括用于所述管的抗振动支撑和安装的折流板，所述折流板布置在与所述管的轴线垂直的平面上，并且所述反应器包括一系列折流板，在所述折流板处，相邻的所述折流板沿着不同的方向支撑所述管，以及所述折流板具有预定的重复周期。
10.根据权利要求9所述的反应器，其中，所述折流板包括与所述管的准线平行的所述管的支撑元件，且其中所述管的两个相邻的支撑元件通过数倍于所述管(5)的节距(p)且大于所述管的节距的二倍的节距隔开。
11.根据权利要求10所述的反应器，其中，在所述支撑元件之间的节距是所述管的节距的三倍，且所述折流板以等于六个折流板的周期而布置。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的反应器，其中，所述管的所述支撑元件由棒形成。
13.根据前述权利要求中任一项所述的反应器，其中，所述分配器和所述集管之间的至少一者包括检修孔。
14.根据权利要求2或3所述的反应器，其中，所述分配器和所述集管中的至少一者具有的尺寸使得允许工人进入以执行焊接或维护操作。
15.根据前述权利要求中任一项所述的反应器，用作用于氨或甲醇合成或者用于变换反应的催化反应器。
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EP14165317.0A EP2933016A1 (en) 2014-04-18 2014-04-18 Isothermal tubular catalytic reactor
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