[发明专利]用于放热或吸热非均相反应的等温反应器

说明书

应用领域

本发明涉及一种用于放热或吸热非均相反应的等温反应器，包括：

—优选基本上为圆筒形的直立外壳；

—外壳内至少一个含有两个相对的多孔侧壁的催化床，所述侧壁分别用于含反应剂的流体进入和含反应后物质的流体流出；和

—至少一个通过所述至少一个催化床用于使冷却或加热的流体通过的管。

在下面的描述和后附权利要求中，术语“等温反应器”是指其中进行反应的催化床的温度基本上保持恒定的反应器，所述反应可以是放热的也可以是吸热的。

举例说明，这种反应器可以用于合成化合物例如甲醇或甲醛(剧烈的放热反应)或苯乙烯(剧烈的吸热反应)。

众所周知，在放热或吸热非均相反应中，越来越需要实现大容量的等温反应器，一方面容易制备，安全可靠，投资和维修费用低，另一方面，能够在小的压降。低的能耗下操作，并且反应剂和冷却或加热流体之间具有高的热交换效率。

现有技术

为了满足上述需求，本技术领域曾有人提议了等温反应器，它具有径向型的催化床，包括大量内部用于排热或供热的垂直直管。

例如，DE-A-3318098公开了一种用于放热或吸热非均相合成反应的等温反应器，其中气体反应剂径向通过催化床并与排列在所述催化床内的大量垂直管接触。

根据一个未示出的实施方式，也可以预见，排热或供热的管沿着排出来自反应器的反应后气体的中心收集器螺旋延伸。

特别是，盘管束在相对的上管板和下管板之间垂直延伸，其中这些管是相互扭结在一起的。

应当注意的是，排热或供热的管的螺旋排列在具有轴向催化床的等温反应器中也是公知的。例如参见US-A-4339413和US-A-4636365。

尽管有某些方面的优点(例如，催化床的径向排列比轴向催化床，可以在更小的压降和更低的能耗下以简单有效的方式得到更高的产量)，但是DE-A-3318098中公开的具有盘管束的等温反应器具有许多缺点，下文将进行描述。

首先，尽管管排列成盘管束比排列成垂直直管好，但是不能有效地匹配通过径向移动的催化床的气体反应物流体的温度曲线。

事实上，与直立延伸的盘管垂直流过的气体流，通过催化床，与不同温度下的不同管接触，这造成气体反应器和冷却或加热流体之间热交换效率低。

换句话说，对于气体反应剂向心地径向流过催化床的放热反应，外部盘管通过的是刚刚开始反应的气体，因此温度相对低，而更靠近中心的盘管通过的是越来越高温度的气体，越来越大量的热与它们交换直到达到一个点，在此反应气体的温度为最高点。从这开始，温度降低，因此邻近催化床气体出口壁排列的盘管吸收的热量逐渐减小(参见DE-A-3318098，图3)。

因此，每个盘管吸收的热量是不同的，必需承担的热载荷也是不同的。这引起催化床内温度分布不好，降低了热交换效率。

例如，只要热水作为冷却方式流入管，并转化为蒸汽时，很清楚，如DE-A-3318098所示，盘管束中的每根管就产生不同量的蒸汽。

这暗示了与控制和加入/排出管板上的冷却流体相关的问题，以及进入所述管的水和蒸汽的分布差。

鉴于此，值得关注，DE-A-3318098中公开的等温反应器中的所有管彼此平行会怎样？也就是说，它们从同一来源进入并从同一点排出。由此每个盘管得到的压降是相同的。

在DE-A-3318098中，与低温气体反应剂接触的盘管的热载荷小，这意味着低的水蒸发量，随着而来的是低的排出速度和高的水流速(以质量流速计算)。相反，与高温气体反应剂接触的盘管的热载荷大，这意味着水的高蒸发量，随着而来的是高的排出速度和低的水流速(以质量流速计算)。

因此，当反应器工作时，发生的情形是，最大热载荷的盘管是那些供给的水更少和易于具有更大蒸发量和更小排热能力的管。当轻微放热反应例如甲醇合成时，这远远偏离于催化床内温度的最佳分布，而当快速和剧烈放热反应例如甲醛合成时，这甚至引起温度的陡升。

此外，过量蒸汽促进了管内水中存在的残留物的沉淀，破坏管本身的热交换效率。

所有这些缺点与下述事实无关，即管是根据催化床内气体反应剂的温度分布图以不同间距排列的。

现有技术反应器的其它缺点是由管束螺旋排列产生的高的结构复杂性产生的，这需要高的投资和维修费用。

此外，只要考虑到可以安装的管的数量，管板的结构就是一个约束，即由于气体反应剂和冷却或加热流体之间的压力差，该管板通常需要非常厚，因此就贵，并由此进一步破坏反应器的热交换效率。