[发明专利]具有平板式热交换单元的化学反应器

说明书

技术领域

在最通常的方面，本发明涉及内部装备有平板热交换单元或平板热交换器的化学反应器技术领域。

作为非限制性示例，本发明适用于装备有浸在催化层中的内部热交换器的等温或伪等温化学反应器(其用于放热或吸热的非均匀反应)，或装备有操作条件下浸在流体中的内部热交换器的反应器。

背景技术

已知的不同类型的化学反应器装备有至少一个内部热交换器，其适合于提供或移除来自于反应器自身内进行的化学反应的热量。

第一个示例描述了所谓的等温或伪等温反应器，通常包括浸在催化层中的热交换器，其目的是，在放热化学反应的情况下用于去除来自试剂的热量，或在吸热反应的情况下用于提供热量，从而在最优效率范围内保持反应温度。在甲醇合成装置中，在其它情况之中使用等温反应器。

所考虑的化学反应器类型的另一个示例是，尿素生产装置中的氨基甲酸酯冷凝器。

进一步的示例描述了所谓的变换炉(shift converter)反应器，其中，处理通过甲烷气体的部分氧化获得的并包含一氧化碳的合成气体，从而将部分一氧化碳转化为二氧化碳。在从天然气获得的氮气和氢气生产氨的过程中，在其它情况之中，使用这种类型的反应器。

在所考虑的化学反应器类型中，已知提供平板式热交换器，其主要包括平行管形的多个箱行扁平体，称作“平板”。所述平板主要由两个矩形壁形成，该两个矩形壁至少沿着周边相互连接，从而限定了热交换流体的内部通路室。间接热交换发生在与平板的外表面接触的外部流体和在平板自身内循环的流体之间。根据需要，前述内部热交换流体可以是与试剂或反应产物(例如，获得预热的试剂)相同的流体，或只被指定为用于热交换而不参与化学反应的流体(诸如，水、蒸汽、溶化的盐等)。

EP-A-1705445公开了化学反应器中使用的特别有利的平板式热交换器，并且其包括被称作“膨胀的”平板，也就是，由两块平的金属板通过周边焊接并可能通过其它焊接点而连接形成，并且“膨胀的”平板遭受高压液压膨胀(例如，400-500巴(bar))的循环，从而获得两个板之间的内部流体通路室。

必须注意的是，在所考虑的类型的化学反应器领域，人们有着使用确保优点的平板式热交换器的强烈动机，该优点诸如关于尺寸的大交换表面、相对有限的成本和易于安装反应器。

然而，具有平板式热交换的化学反应器具有一些技术局限，所以仍需要改进。

首先，需要尽可能地减少交换器内的水头损失(head loss)，这种水头损失，特别是在大容量装置中，会引起辅助设备(循环泵)的相当大的能量消耗。

而且，虽然有很多原因的优点，使用具有“膨胀”式平板的交换器的化学反应器，尽管因诸多原因是有益的，涉及仍没有被克服的一些技术限制。实际上，这种类型的交换器不适合于承受热交换流体循环于其中的平板内部和承受反应器压力的平板自身外部之间的高压力差。

使用膨胀的平板交换器是公知的，例如，在用于在70-80巴操作合成甲醇的反应器中，但对于更高的压力差(例如，大约100巴或超过100巴)，其显得不容易适用。实际上，变平的阻力实质上由平板的厚度和平板自身之间的焊接点的间距确定；然而，厚度增加由于膨胀过程的不可能性不能超过一定的限度，并且，基于同样的原因，不能减小焊接点的间距(即，使它们彼此更近)超过一定限度。必须指出的是：包括上述高压液压膨胀的制造过程的成本相对高。

上述问题阻止并限制了高压力和/或侵蚀性环境中操作的化学反应器中的平板热交换器的广泛使用。

发明内容

本发明解决的问题是设计并提供装备有平板热交换单元的反应器，其适合于解决现有技术的上述缺点和限制。

特别地，本发明的目的是减小反应器的热交换单元内的水头负荷(head load)，并在平板的内部和外部之间的高压力差下和/或腐蚀环境中，允许热交换单元的有效运行。

使用化学反应器解决了问题，该化学反应器包括至少一个平板热交换单元，设置为在流经所述平板的该单元内的流体，和在所述单元外并包含在所述反应器内的流体之间进行热交换，其特征在于，每一个热交换单元的所述平板包括：

-第一平壁和第二平壁，其基本是二维的，所述壁相互平行并相互隔开；

-多个内部隔离物元件，连接所述第一平壁和第二平壁，并获得多个平行通道，限定为所述第一和第二壁之间的所述内部流体的通路。

关于术语基本二维的壁，这意味着所述壁具有分别是长和宽的两个维度的尺寸，明显大于(例如，一个或两个数量级)第三维尺寸或厚度。