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CN1905934A - 板式热交换器 - Google Patents

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CN1905934A
CN1905934A CNA2005800016121A CN200580001612A CN1905934A CN 1905934 A CN1905934 A CN 1905934A CN A2005800016121 A CNA2005800016121 A CN A2005800016121A CN 200580001612 A CN200580001612 A CN 200580001612A CN 1905934 A CN1905934 A CN 1905934A
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outer tube
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恩里克·里西
米尔科·塔罗齐
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Methanol Casale SA
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Abstract

用于化学反应器(60)的热交换单元(40)的板式热交换器(20，120)有利地具有以异常简单并可靠的方式获得的热绝缘，并且具有大体为盒状的扁平结构(22)，所述扁平结构具有限定内室(24)的大体为平行六面体矩形构造，并且所述板式热交换器包括用于使热交换工作流体进入和离开所述室(24)的入口连接件(28)和出口连接件(29)、以及在所述结构(22)中的长侧(22a)延伸的所述室(24)中的所述工作流体的分配器管(10，110)，所述分配器管(10，110)包括第一管(30，130)和第二管(32，132)，在所述管之间一个在另一内分别设置外管(30，130)和内管(32，132)，限定在一侧上通过设置在所述分配器管(10，110)的外管(30，130)中的多个开口(26)与所述室(24)流体连通和在另一侧上与相同分配器管(10，110)的内管(32，132)流体连通的间隙(30a)，所述内管(32，132)液压地连接至用于所述热交换工作流体的所述入口连接件(28)。

Description

板式热交换器
技术领域
本发明总体上涉及用于化学反应器的热交换单元的热交换器。
具体而言，本发明涉及具有大体为盒状的扁平结构的板式热交换器，所述扁平结构具有限定内室的大体为平行六面体矩形构造，并且所述板式热交换器包括用于使热交换工作流体进入和离开所述室的入口连接件和出口连接件、以及在所述结构中的长侧延伸的所述室中的所述工作流体的分配器管。
本发明也涉及包括多个上述类型的板式热交换器的热交换单元。
背景技术
已知，为了获得例如氨、甲醇、甲醛的合成反应或苯乙烯合成反应等放热或吸热化学反应的最佳完成，必须去除热，或将热供给外部环境，通常供给催化床，以控制在事先计算的理论值的受限范围内的温度。
也已知道，对于此目的，适用包括多个板式热交换器的热交换单元，所述单元布置在所述催化床中；板式热交换器举例来说由热交换器流体在径向上或纵向上从内部传过。
从入口连接件进入的热交换工作流体供给分配器管；接着工作流体由在出口连接管中结束的收集管收集。
已知，为了拥有良好的热交换单元性能，优选的是，使上述分配器管和收集管热绝缘，以防止任何穿过上述管的热交换工作流体和板式热交换器外部的反应物流体之间的所谓的寄生热交换。
这样的寄生热交换举例来说在放热反应中引起流过分配器管的热交换工作流体的不理想的加热，沿板式热交换器的长侧的总长度(此长度有时是相当大的)产生不均匀的温度场，从而在催化床中产生不均匀的温度场。换言之，寄生热交换影响进入板式热交换器的热交换工作流体，使得所述流体在板式热交换器的不同高度处具有不同温度，从而使反应效率变差。
并且，只要涉及寄生热交换，则必须考虑流速影响。在放热反应的情形下，随着分配器管中的热交换工作流体的不断前进，所述热交换工作流体由板式热交换器外部的流体加热。由于穿过正在讨论的管中的流体的流速减小，所以离开分配器管的入口连接件或离开收集管的出口连接件越远，则这种效果就越强。
因此，由于在分配器管和收集管内流动的热交换工作流体的流速减小，所以在围绕这些管的催化床中产生不均匀的热交换，阻止这些区域中的理想的温度控制。
在现有技术中，为了获得这种热绝缘，已经提出用低导热涂层覆盖分配器管和收集管。通常使用陶瓷涂层，同时基体(base)用例如锆、钇、氧化铝、铈、氧化镁及其混合物形成。
根据上述示意性描述形成的化学反应器热交换单元的板式热交换器提供了很好地满足此目的的优良的热绝缘。相反，在许多情形下，已经证明，甚至对于热交换的正确工作的工作需要来说太完美了。
发明内容
构成本发明的基础的问题是提供一种能满足上述要求的用于化学反应器的热交换单元的板式热交换器，所述板式热交换器同时能简化工作方式和避免关于现有技术描述的上述缺陷。
根据本发明，通过上述类型的热交换器解决此问题，所述热交换器的特征在于，所述分配器管包括一个在另一内设置的第一管和第二管，在所述管之间，分别设置外管和内管，限定在一侧上通过设置在所述分配器管的外管中的多个开口与所述室流体连通和在另一侧上与相同分配器管的内管流体连通的间隙，所述内管液压地连接至用于所述热交换工作流体的所述入口连接件。
根据对下面参看附图描述的作为象征性的而非限制性的实例的本发明的实施例的描述，根据本发明的化学反应器的热交换单元的板式热交换器的进一步的特征和优点将变得显然。
附图说明
图1示意性地表示装配有热交换单元的化学反应器的纵截面图，所述热交换单元包括根据本发明的板式热交换器。
图2示意性地表示图1的热交换单元的板式热交换器的放大的透视图。
图3示意性地表示图2的细节的截面图。
图4示意性地表示可能获得根据本发明的板式热交换器的变化实施例的元件的截面图。
图5示意性地表示图4的板式热交换器的部件的截面图。
图6示意性地表示在装配步骤期间包含在热交换器的变化实施例中的分配器管的截面图，图5的部件用在所述分配器管中。
图7示意性地表示工作位置中的图6的分配器管的截面图。
具体实施方式
参看附图，示出根据本发明的板式热交换器，所述板式热交换器整体用20表示，用于化学反应器60的热交换单元40。
化学反应器60包括柱形壳62，所述柱形壳在相对的端用分别为下底部63和上底部64的底部封闭。在壳62内设置反应环境69，所述反应环境包括本质上已知的顶部开口的环形催化床50，并且侧壁上具有用于使反应物流体在径向上或轴向-径向上穿过其的孔。
在反应环境69中，更准确地在催化床50内，热交换单元40以本质上传统的方式被支撑，预定浸入图中未示出的适当的大量催化剂中。所述热交换单元40具有大体为柱形的构造，并且包括在径向上彼此并排放置的多个板式热交换器20。
每个板式热交换器20都包括：大体为盒状的扁平件22，所述扁平件具有限定内室24的大体为平行六面体的矩形构造；用于使热交换工作流体进入和离开所述室24的入口连接件28和出口连接件29。
分配器管10和导管11设置在在所述元件22的长侧22a和22b处，从一侧分别通过多个入口开口26和出口开口27与所述室24流体连通，在另一侧上分别通过所述入口连接件28和所述出口连接件29与板式热交换器20的外部连通。
应指出，作为可选方案，也可仅设置上述分配器管10和收集管的其中之一。
元件22的短侧用22c和22d表示。更具体地，每个板式热交换器优选由一对金属板20a和20b构成，这对金属板通过周缘焊接件20c形成并列、相互结合、预建立的隔开关系，从而将所述室24限定在这对金属板之间。
所述热交换工作流体的入口连接件28和出口连接件29反过来分别与设置在反应器60的上底部64上的开口66和67连接。
根据本发明的一方面，所述分配器管10和所述收集管11的每个都包括一个设置在另一个内的第一管30、31和第二管32、33。具体而言，分配器管10和收集管11包括分别通过所述多个相应的入口开关26和出口开口27以及内管32和33与所述室24流体连通的外管30和31。
内管32和33以分别用一间隙(内管32和外管30之间的间隙在图中用30a表示)限定它的方式设置在外管30和31内。内管32和33通过分别分布在所述内管32和33上的多个另外的开口34和35与相应间隙流体连通，并且它通过用于所述热交换工作流体的所述相应的入口连接件28和出口连接件29与板式热交换器20的外部流体连通。
优选地，外管30和31及内管32和33大体为直线形。
在图3中所示的实例中，举例来说具有光滑壁的内管32在入口连接件28下面的部分中具有大体为椭圆形的截面，并且它被插入外管30中，所述外管通常大体为纺锤形，换言之，具有类似于两个具有相同直径并且中心之间具有小于所述直径的距离的圆相交的形式。例如，可通过压圆形管或通过使用市场上可买到的具有椭圆形截面的管形成椭圆形内管32。应指出，可选地，也可将简单的圆形截面管作为内管32，因此没有使其变成椭圆形。
设置在内管32上的开口34通常为圆形，并且具有确保热交换工作流体的良好分布的直径。有利地，开口34的直径可沿内管32的长度变化，以平衡在内管32中流动的流体的压力损失。
内管32的外部尺寸稍小于外管30包围的空间的尺寸。换言之，间隙30a在所述纺锤形外管30和所述椭圆形内管32之间形成。更准确地，大体布置在共轴的位置中的内管32和外管30在与轴交叉的方向上被相互限制。
交叉带(cross-wise tie)由举例来说通过用从外部向着外管30移动的压印器(punch)压印(emboss)外管30自身形成的外管30的内表面上的相对脊部36构成。脊部36的数量优选为四，举例来说全都在外管30的相同高度处，优选在椭圆形内管32和纺锤形外管30之间的四个最小距离带处。应指出，这四个脊部36优选在外管30的不同高度处重复，例如外管30的每米处。可选地，脊部36设置在外管30的不同高度处，大致交错成大体为螺旋形布置。
自然地，有利地是，收集管结构11完全类似于分配器管10的上述结构。
图4、5、6、和7示出根据本发明的变化实施例的板式热交换器120，特别示出所述板式热交换器120的分配器管110。
必须指出，在所述变化中，结构或功能类似于板式热交换器120的元件用相同的参考标号表示，并且为了简洁起见不重复对其进行详细的描述。
板式热交换器120包括分配器管110，所述分配器管包括通过所述多个入口开关26与所述室24流体连通的外管130和设置在所述外管130内通过用于所述热交换工作流体的所述入口连接件28与板式热交换器120的外部流体连通的内管132，在所述内管132上分布有多个通常为圆形的开口34。
同样在此情形下，内管132具有大体为椭圆形的外部尺寸，并且被插入具有大体为纺锤形截面的外管30内。
然而，在此变化中，使得内管132从有筋条加强(finning)138(图4)的圆形管开始，例如通过产生两个平坦的相对并平行的面132a和132b的铣削步骤从所述圆形管的两个相对侧至少部分地去除筋条加强138。
在其余描述和所附权利要求书中，术语“筋条加强”通常是指从所述圆形管的外表面沿其周缘凸出的凸起部，所述凸起部优选为环形盘状。
内管132的外部尺寸稍小于外管130包围的空间的尺寸。换言之，间隙30a在所述纺锤形外管130和所述椭圆形内管132之间形成；更准确地，通过使椭圆形内管132与纺锤形外管130共轴设置，内管132和外管130之间的距离约为几毫米。
内管132和外管130在与轴交叉的方向上被相互限制。
交叉带由受限制的接头(restrained joint)构成。更准确地，内管132插入外管130内，同时两个平坦面132a和132b大体平行于外管130(图6)的纺锤的较宽尺寸的方向设置，或换言之，平行于由形成纺锤的两个圆弧的两个交叉点限定的弦。在所述插入后，内管132优选旋转约90°(图7)，直到仍完全有筋条加强的内管132的相对区132c和132d优选在纺锤的上述较宽尺寸的正交方向上阻挡外管130的内壁。
自然地，有利地是，可在热交换器120中使用的收集管结构完全类似于分配器管110的上述结构。
下而描述根据本发明的化学反应器的热交换单元的板式热交换器的操作。
反应物流体通过上底部64中的开口70进入化学反应器并到达催化床50。这里，多个板式热交换器20分别根据吸热或放热反应供热或吸热，这有助于催化床50中化学反应的进行。反应产物通过下底部63的开口71从反应器离开。
热交换工作流体从入口开口66通过入口连接件28供给每个板式热交换器20，直到它到达分配器管10。
热交换工作流体在穿过热交换室24内部后由收集管11收集，并且通过出口连接件29，到达用于热交换工作流体的出口开口67。
由于在所述分配器管和收集管的内管(32，33)和外管(30，31)之间形成的间隙，使得实现本发明的板式热交换器的分配器管10和收集管11的热绝缘。
如前所述，内管插入外管内，并且在交叉位置中限制在外管中：这种执行首先是为了防止内管在外管的内壁上的振动造成的任何损坏。
值得重复的是内管必须自由进入外管，因为，由于这两种元件通常由奥氏体钢制成，所以如果得不到一定间隙，则在将内管插入外管内期间容易发生在这两个管之间出现卡住的情况。
也应强调，将椭圆形截面管作为内管，以最优方式利用外管的纺锤形。
根据本发明的化学反应器的热交换单元的板式热交换器获得的主要优点是以异常简单而可靠的方式获得热绝缘。
另一重要的优点是，将分配器管和收集管的外管的外表面完全用作在板式热交换器中流动的热交换工作流体和催化剂的反应流体之间的热交换区域。事实上，通过向着板式热交换器的外边缘指引设置在内管中的开口，热交换工作流体为了向着所述板式热交换器的内部流动，必须流经围绕内管的间隙，这样，与板式热交换器外部的反应流体正确交换热，并且同时保护内管内的热交换工作流体。
显然，为了满足具体和偶然的需要，本领域的技术人员可将改变和修改应用于上述板式热交换器，然而，这些改变和修改全都落在如所附权利要求书所限定的本发明的保护范围内。

Claims (22)

1.一种用于化学反应器(60)的热交换单元(40)的板式热交换器(20，120)，具有大体为盒状的扁平结构(22)，所述扁平结构具有限定内室(24)的大体为平行六面体矩形构造，并且所述板式热交换器包括用于使热交换工作流体进入和离开所述室(24)的入口连接件(28)和出口连接件(29)、以及在所述结构(22)中的长侧(22a)延伸的所述室(24)中的所述工作流体的分配器管(10，110)，其特征在于，所述分配器管(10，110)包括第一管(30，130)和第二管(32，132)，在所述管之间一个在另一内分别设置外管(30，130)和内管(32，132)，限定在一侧上通过设置在所述分配器管(10，110)的外管(30，130)中的多个开口(26)与所述室(24)流体连通和在另一侧上与相同分配器管(10，110)的内管(32，132)流体连通的间隙(30a)，所述内管(32，132)液压地连接至用于所述热交换工作流体的所述入口连接件(28)。
2.根据权利要求1所述的板式热交换器(20，120)，其特征在于，所述间隙(30a)通过设置在其中的多个另外的开口(34)与所述分配器管(10，110)的内管(32，132)连通。
3.根据权利要求2所述的板式热交换器(20，120)，其特征在于，设置在所述内管(32，132)上的所述另外的开口(34)为圆形。
4.根据权利要求3所述的板式热交换器(20，120)，其特征在于，所述另外的开口(34)的直径沿所述内管(32，132)的长度改变。
5.根据权利要求2所述的板式热交换器(20，120)，其特征在于，所述开口(26)和所述另外的开口(34)沿所述相应的外管(30，130)和内管(32，132)的全部长度分布。
6.根据权利要求1所述的板式热交换器(20，120)，其特征在于，所述外管(30，130)和所述内管(32，132)大体为直线形。
7.根据权利要求1所述的板式热交换器(20，120)，其特征在于，所述内管(32，132)具有大体为椭圆形的截面。
8.根据权利要求1所述的板式热交换器(20，120)，其特征在于，所述外管(30，130)具有大体为纺锤形的截面。
9.根据权利要求1所述的板式热交换器(20，120)，其特征在于，所述内管(32，132)具有圆形截面。
10.根据权利要求1所述的板式热交换器(20，120)，其特征在于，它装配有用于所述工作流体的收集管(11)，所述收集管在所述结构(22)的另一长侧(22b)延伸，并且包括第一管(31)和第二管(33)，在所述管之间一个在另一个内分别设置外管(31)和内管(33)，限定在一侧上通过设置在所述收集管(11)的外管(31)中的多个开口(27)与所述室(24)流体连通和在另一侧上与相同收集管(11)的内管(33)流体连通的间隙，所述内管(33)液压地连接至用于所述热交换工作流体出口连接件(29)。
11.一种用于执行根据权利要求1所述的板式热交换器(20，120)的方法，其特征在于，大体共轴设置的所述内管(32，132)和所述外管(30，130)相互在交叉方向上限制到所述轴。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，从装配有筋条加强(138)的圆形管开始形成所述内管(132)，所述筋条加强(138)在两个相对侧至少部分地去除。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，通过铣削步骤产生两个相对并平行的平面(132a，132b)，执行所述筋条加强去除。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述内管(132)插入外管(130)内，同时两个平面(132a，132b)设置为大体平行于外管(130)的纺锤的较宽尺寸的方向，所述内管(132)接着旋转大约90°，直到仍完全有筋条加强的内管(132)的相对侧(132c，132d)阻挡外管(30)的内壁。
15.执行根据权利要求11所述的方法的板式热交换器(20)，其特征在于，交叉带由外管(30)的内表面的相对脊部(36)构成。
16.根据权利要求15所述的板式热交换器(20)，其特征在于，所述脊部(36)数量为四个，并且全都设置在外管(30)的相同高度处。
17.根据权利要求16所述的板式热交换器(20)，其特征在于，这四个脊部(36)在外管(30)的不同高度处重复。
18.根据权利要求15所述的板式热交换器(20)，其特征在于，所述脊部(36)布置在外管(30)的不同高度处，大致交错成大体为螺旋形布置。
19.执行根据权利要求12所述的方法的板式热交换器(120)，其特征在于，所述交叉带由受限制的接头构成。
20.一种化学反应器(60)的热交换单元(40)，其特征在于，它包括根据权利要求1所述的多个板式热交换器(20，120)。
21.一种化学反应器(60)，包括柱形壳(62)，所述柱形壳在相对端用分别为下底部(63)和上底部(64)的底部封闭，在壳(62)内设置反应环境(69)，所述反应环境包括其中设置热交换单元(40)的催化床(50)，其特征在于，所述热交换单元(40)包括根据权利要求1所述的多个板式热交换器(20，120)。
22.根据权利要求22所述的化学反应器(60)，其特征在于，所述热交换单元(40)具有大体为柱形的构造，并且包括以径向布置彼此并排放置的多个所述板式热交换器(20，120)。
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