专利名称：多级多管壳管式反应器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于放热或吸热化学反应的具有改进的加热或冷却能力的壳管式 (shell-and-tube)催化反应器。
背景技术：
一般地，壳管式催化反应器是一类用于高效地去除反应热的反应器。在这些反应器的一些应用中，催化剂填充在多个反应管内；反应流体(气体和/或液体)进入反应管以导致发生化学反应以便获得所需产品；传热介质循环通过反应器壳，使得该化学反应可在受控的热条件下发生。壳管式反应器通常包括由一个或多个管板保持在壳内适当位置的多个反应管；壳嘴用于引入和收回该传热介质；管嘴用于将反应物引入反应管内并用于从反应管收回产品；并且适当的分隔器和/或挡板用于分开各个反应器部分以便获得其具体的功能。反应器部分通常由不与反应器内正被处理的材料反应的材料制成。在一些情况下，在使用壳管式催化反应器期间，在反应管中的一个或多个内的局部点上会出现热点。这些热点会导致诸如催化剂退化之类的问题，造成催化剂的寿命减少和/或所需产品的产量降低。因此，用于在壳管式反应器内高效地传热到反应管或从反应管高效地传热的方法是值得期望的目标。现有技术
下列现有技术文件通过引用整体合并于此。美国专禾0 3, 566, 961 的名称为 “tubular reactor for carrying out endothermic and exothermic reactions with forced circulation，，。如其摘要所阐释， 该专利教导了一种管状反应器，带有传热介质的强制循环，该传热介质在轴向上流过反应器管的外侧，该传热介质通过循环管线均勻地供应到反应器壁并且从反应器壁收回，特别是偏转导板装置的构造形状布置成横向于流动方向，并在反应管周围具有环状开口以便朝向管组的所有管均勻流动。美国专禾U 3，792，980 的名称为"reactor for carrying out reactions accompanied by a change in heat”。如其摘要所阐释，该专利教导了一种用于伴随着热变化的反应的壳管式反应器。反应材料流动通过这些管，而换热介质流动通过壳以去除或供应反应热。而且，布置在反应器内位于壳侧上的泵使换热介质在壳内循环。这些管布置成隔开的分区，从而为循环的换热介质提供通路。换热介质被收回并供应到壳，并且其本身在反应器外侧进行换热。通过分别从前述通路收回并向其供应换热介质而改善了壳内的换热介质的分布。美国专利 4，101，287 的名称为"combined heat exchanger reactor，，。如其摘要所阐释，该专利教导了一种包括整体蜂巢结构的单件的、集成的、高强度的、组合的换热器反应器，其中，其通道被分成两组或更多组第一组运送一种流体，第二组运送与第一种在成分和/或温度和/或压强和/或流动方向上不同的另一种流体，该组合的换热器反应器 (CHER)的主要设计特征在于第一组通道平行于通道轴线并垂直于蜂巢剖面朝外延伸，该第一组的每个通道通过共同的壁与第二组的通道热接触，同时第一组的每个通道通过由所存在的第二组的通道形成的中间空隙而与第一组的其它通道分离。从蜂巢一端或两端延伸的第一组通道的延伸端在一端或两端被形成歧管，从而形成延伸的第一组通道的入口和/ 或出口与凹下的第二组通道的分离，由此允许第一组通道中的流体进入和/或退出，同时防止同样的流体进入第二组通道，由此允许不同的流体独立经过不同的通道一和通道二系统，不同组的通道之间存在的共同的壁允许热从一组通道内的流体传导到另一组通道内的流体。以这种方式，可对存在于不同通道组内的流体和/或催化剂保持非常精确的浓度和/ 或温度控制，使得能够在产量大大提高的情况下和/或选择性地由于本发明所实现的精细的温度和/或浓度控制而在反应器内进行自诱导的或催化的复杂反应。US 4, 929, 798 ^^^^"pseudoadiabatic reactor for exothermal catalytic conversions^如其摘要所阐释，该专利教导了一种用于放热催化反应的多管状催化反应器，包括一束平行管，所有管都具有相同的长度，并包括位于管内的催化剂。管束具有入口侧和出口侧。提供了多个装置，用于分离地将反应物引入反应器的管内，以及将冷却剂引入所述束的相邻管之间所限定的通道。冷却剂被与反应物流动方向同向地引入通道内。产品独立于冷却剂被从管收回。该反应器尤其适用于采用结晶铝硅酸盐催化剂将甲醇转化成汽油沸点范围成分的单级转化。美国专利 5, 027, 891 的名称为"method for transferring heat between process liquor streams”。如其摘要所阐释，该专利教导了一种利用换热用的热管装置而在工艺液流之间传热的方法，所述工艺液流例如是由铝矾土制造氧化铝的Bayer工艺中的腐蚀性液流。该工艺液流分别与第一换热壁的一个表面和第二换热壁的一个表面接触，同时与两个壁的第二表面隔离；这些第二壁暴露于容纳传热流体的封闭容积(也与两个工艺流都隔离)，所述传热流体在低于较热的工艺流的温度时蒸发，并在高于较冷的工艺流的温度时冷凝。该传热流体在较热流所接触的壁的暴露表面处蒸发，并在较冷流所接触的壁的暴露表面处冷凝，由此将热(作为蒸发热)从前一流传送到后一流。美国专禾Ij 6, 180, 846 的名称为 “process and apparatus using plate arrangement for combustive reactant heating”。如其摘要所阐释，该专利教导了一种用板式换热装置以高效的方式通过燃烧来自吸热反应的反应物或产品来间接加热吸热反应的工艺和设备。该发明特别适于诸如生产苯乙烯或合成气的工艺。当生产合成气时，次重整步骤中的氧化反应物产生用于主重整步骤的热，并且该工艺用高效的换热步骤改善了选择性和产量，所述换热步骤利用窄通道以便间接地换热。窄通道优选地由波纹板限定。主反应通道将会包含用于促进主反应(例如蒸汽重整或苯乙烷脱氢)的催化剂。次加热步骤可在换热通道外进行，经过换热通道的热流出气体向主反应步骤提供热，或者次反应通道可包含促燃催化剂以在原处产生热。美国专利 6，790，431 的名称为"reactor for temperature moderation，，。如其摘要所阐释，该专利教导了包括多个方法和设备的实施例，所述方法和设备用于配置多个反应区域，使得反应区域之一内的至少一个热点被相邻反应区域内的冷点缓和。US 7，521，0 的名称为“catalytic reactor for Iow-Btu fuels”。如其摘要所阐释，该专利教导了一种改进的催化反应器，其包括外壳和多个导管，外壳具有定位在其内限定出第一区域和第二区域的板，多个导管由导热材料制成并适于从中传导流体。导管定位在外壳内，使得导管外表面和第二区域的外壳内表面限定第一流路，而导管内表面限定通过第二区域且不与第一流路流体连通的第二流路。导管出口限定第二流路出口，导管出口和第一流路出口邻近放置并散布。导管限定接触相邻导管的至少一个延伸区段，从而隔开第二区域内的导管并形成第一流路排出流孔，这些孔的总排出面积大于外壳排出平面面积的所限定的百分比。最后，第一流路的至少一部分限定催化活性表面。对于一些化学反应(包括某些碳氟化合物和氟烯烃的催化氢化和脱氢卤化)的高放热性或高吸热性，需要能够在反应进行时移除或供应热。传统的壳管式反应器不具有足够的传热能力将这些反应系统保持在最优操作条件。本发明通过提供多级和多管，由此获得在同一个壳管式反应器器皿中进行反应并高效地移除或供应热的能力，从而来解决该问题。
发明内容
本发明涉及一种多级多管壳管式反应器，其包含连续布置的反应区域和级间的温度控制(冷却/加热)区域。与包括多个反应管并利用壳作为换热区域的传统壳管式催化反应器不同，本发明提供一个或多个反应区域，每个区域包括多个含催化剂的反应管；并且提供一个或多个温度控制区域，每个区域包括多个不含催化剂但换热介质(用于冷却或加热)可从中通过的管。在优选实施例中，反应区域被反应器壳内的一个或多个温度控制区域彼此隔开。该反应器具有至少两类区域，这两类区域都有助于根据系统需要对系统去除或供应热。反应器将会具有一组反应区域，其包含装有催化剂的管以进行反应并同时去除或供应热。还有多个级间的温度控制(冷却/加热)区域，其设计成向系统供热或从系统去除热。 这些区域的位置、数量和设计将取决于所需的温度控制量以及系统的放热或吸热性质。用于反应区域和温度控制区域的不同的管类型优选地通过管板聚集在一起，以便提供足够的热或热移除，同时还提供用于在最优条件下进行反应的装置。多个这些组可连续地使用以实现任何期望的反应产量。用于反应区域的管优选地直径上较大以为催化剂装填提供空间。级间的冷却/加热区域管优选地直径上较小以提供最高效的传热方案。本发明的一个实施例涉及一种壳管式反应器，包括壳结构和位于所述壳结构内的管板，其中
所述管板包括一个或多个反应区域以及一个或多个温度控制区域，其中 每个反应区域包括多个对准的反应管；并且每个温度控制区域包括多个对准的温度控制管。本发明的另一个实施例涉及一种壳管式反应器，包括壳结构和位于所述壳结构内的管板，其中
所述管板包括两个或更多个反应区域以及两个或更多个温度控制区域，其中 每个反应区域与温度控制区域相邻； 每个反应区域包括多个对准的反应管；并且每个温度控制区域包括多个对准的温度控制管。本发明的另一个实施例涉及一种壳管式反应器，包括壳结构和位于所述壳结构内的管板，其中
所述管板包括三个或更多个反应区域以及三个或更多个温度控制区域，其中 每个反应区域内的管直径上大于每个温度控制区域内的管； 每个反应区域与温度控制区域相邻； 每个反应区域包括多个对准的反应管；并且每个温度控制区域包括多个对准的温度控制管。在某些实施例中，每个反应区域与温度控制区域相邻。在某些实施例中，反应区域内的管直径上大于温度控制区域内的管。在某些实施例中，所述壳管式反应器进一步包括至少两个反应区域。在某些实施例中，所述壳管式反应器进一步包括至少三个反应区域。在某些实施例中，所述反应区域管包含催化剂。在某些实施例中，至少30个管被用在一反应区域内。在某些实施例中，所述壳管式反应器进一步包括至少两个温度控制区域。在某些实施例中，所述壳管式反应器进一步包括至少三个温度控制区域。所述温度控制区域管通常没有催化剂，因为不期望在这些管内反生反应。在某些实施例中，至少80个管被用在一温度控制区域内。
图1示出用在本发明的反应器内的一个管板的实施例，其具有由三个温度控制 (加热/冷却)区域分开的三个反应区域。图2示出本发明的多级、多管壳管式反应器的实施例。
具体实施例方式本发明是一种壳管式反应器，其具有两种不同类型的区域，所述两种不同类型的区域可根据系统需要用于进行反应或温度控制(加热/冷却)。详细参照附图1，图1示出用在本发明的反应器内的一个管板的实施例，其具有由三个温度控制(加热/冷却)区域分开的三个反应区域。图2示出一种竖式壳管式反应器，具有与这种装备相关联的部分。工艺流体将通过图顶部示出的管嘴10进入反应器。头部内的分隔器12根据系统需要将流体分配到正确的加热/冷却区域或反应区域。挡板14将会在工艺流体经过头部16并进入管18时使工艺流体变慢并分配该工艺液体。管盖20和催化剂支撑体22将会保持催化剂被限制于该管。 通常，壳管式反应器将会具有由两个或更多个管板M保持就位的多个管。在通过所述管并达系统所需的多个管程之后，工艺流体将会通过流过头部然后流过图底部所示管嘴而排出反应器。加热/冷却介质将会通过壳嘴观之一进入壳沈，并通过其它壳嘴排出。加热/冷却介质流将会在壳内被障板30扰乱以更好地换热。壳管式反应器通常由支撑凸耳32保持就位，所述支撑凸耳32将该装备连接到支撑结构。10-管嘴 12-分隔器 14-挡板 16-头部18-管 20-管盖
22-催化剂支撑体
24-管板
洸-壳
28-壳嘴
30-障板
32-支撑凸耳。可通过传统的壳管制造手段连同下述调整中的一些或全部来进行多级、多管壳管式反应器的构造
1)根据系统需要为了提供正确的多程流动(multi-passflow)而设计和制造壳管式头
部；
2)根据系统需要为了应付不同的区域和不同的管直径而设计和制造反应器管板；
3)在对反应器充填催化剂时，根据系统需要，用屏蔽螺旋插入件或其它传统手段来避免充填不需要催化剂的区域。这可用催化剂充填设备实现，所述催化剂充填设备是一种工具，其可将催化剂导入正确的管内并具有阻挡或遮蔽不需要催化剂的管的结构；
4)为了促进更好地传热，加热/冷却管可填有提供扩展的表面积的传热增强剂，例如常用在化学处理中的金属填料。另外，反应区域和/或加热/冷却区域管可被制造成通过扩展管的表面积或帮助管侧流体的湍流化而促进更好地传热，这通常分别用外翅片或内膛线来实现。反应示例
脱氢氟化反应是本领域已知的。例如参见美国专利公开20080051610A1，其公开内容在此通过引用并入本文中。如该专利所教导的，以蒸汽相完成HFC-M5fa的脱氢氟化，更优选地是以蒸汽相在催化反应器内完成。HFC_M5fa的脱氢氟化是一种可在本发明的多级、多管壳管式反应器内进行的反应类型。在这种情况下，反应器应由能够抵抗氟化氢的腐蚀效果的材料建造，所述材料例如是镍及其合金或者衬有含氟聚合物的器皿，所述镍合金包括哈司特镍合金(Hastelloy)、铬镍铁合金(Inconel )、耐热镍铬铁合金(Incoloy)和蒙乃尔铜-镍合金(Monel )。在适当条件下其它合适的材料可为钢或不锈钢。在反应区域管内使用脱氢氟化催化剂。该催化剂可为一体化形式的或负载型的氟化金属氧化物、一体化形式的或负载型的金属卤化物以及碳负载的过渡金属、金属氧化物和卤化物中的一种或多种。合适的催化剂非排它地包括氟化氧化铬(氟化Cr203)、氟化氧化铝(氟化A1203)、金属氟化物(例如CrF3、AlF3)和碳负载的过渡金属(零氧化态)，例如i^e/C、 Co/C、Ni/C、Pd/C。HFC-245fa以纯态、不纯态导入到反应器内或者与可选的惰性气体稀释剂(如氮、 氩等)一起导入到反应器内。在一些情况下，HFC-M5fa在进入反应器之前被预蒸发或预加热。替代地，HFC-M5fa在反应器内蒸发。反应器部件必须适于执行期望的工艺。例如，在HFC_M5fa的脱氢氟化中，有用的反应温度范围可在大约100°c到大约600°C之间。优选的温度范围可在大约150°C到大约CN 102458638 A说明书6/6 页 450°C之间，更优选的温度范围可在大约200°C到大约350°C之间。必须在大气压、超大气压或在真空下进行反应。真空压可从大约5托到大约760托。HFC-M5fa与催化剂的接触时间可在从大约0. 5秒到大约120秒的范围，不过也可采用更长或更短的时间。工艺流可以以向下或向上的方向通过反应区域内的催化剂床。如果反应区域为了最优反应而需要加热，则温度控制区域中的一个或多个被充填有加热介质，该加热介质向反应区域提供足够热量以提供期望的反应温度。适合于用作加热介质的材料对于本领域普通技术人员来说是公知的，包括例如热水、热油和冷凝蒸汽。类似地，如果反应区域需要冷却以维持最优的反应条件，则温度控制区域中的一个或多个被充填有合适的冷却介质，该冷却介质去除热并且在反应区域内实现或维持期望温度。适合于用作冷却介质的材料对于本领域普通技术人员来说是公知的，包括例如冷却水和沸水。尽管已经参照优选实施例具体示出和说明了本发明，但本领域普通技术人员将易于理解的是，在不背离本发明的精神和范围的情况下可作出各种变化和修改。所意图的是， 权利要求被解释为覆盖所公开的实施例、已在上文讨论的那些替代方案及其所有等同物。
权利要求
1.一种壳管式反应器，包括壳结构和位于所述壳结构内的管板(2)，其中所述管板(2)包括一个或多个反应区域(4)以及一个或多个温度控制区域(6)，其中 每个反应区域(4)包括多个对准的反应管(3)；并且每个温度控制区域(6)包括多个对准的温度控制管(5)。
2.如权利要求1所述的壳管式反应器，其中，每个反应区域(4)与温度控制区域(6)相邻。
3.如权利要求1所述的壳管式反应器，其中，反应区域(4)内的管(3)直径上大于温度控制区域(6)内的管(5)。
4.如权利要求1所述的壳管式反应器，进一步包括至少两个反应区域(4)。
5.如权利要求1所述的壳管式反应器，进一步包括至少两个温度控制区域(6)。
6.如权利要求1所述的壳管式反应器，进一步包括至少三个反应区域(4)。
7.如权利要求6所述的壳管式反应器，其中，每个反应区域(4)包括多个含催化剂的管(3)。
8.如权利要求7所述的壳管式反应器，其中，每个反应区域(4)包括至少30个管(3)。
9.如权利要求1所述的壳管式反应器，进一步包括至少三个温度控制区域(6)。
10.如权利要求9所述的壳管式反应器，其中，每个温度控制区域(6)包括多个没有催化剂的管(5)。
11.如权利要求10所述的壳管式反应器，其中，每个温度控制区域(6)包括至少80个管(5)。
全文摘要
一种多级多管壳管式反应器，其包含连续布置的反应区域和级间的温度控制(冷却/加热)区域。该反应器具有至少两类区域，这两类区域都有助于根据系统需要对系统去除或供应热。反应器将会具有包含充填有催化剂的管的一组反应区域，以进行反应并同时去除或供应热。还有多个级间的温度控制(冷却/加热)区域，其设计成向系统供热或从系统去除热。这些区域的位置、数量和设计将取决于所期望的温度控制量以及将要在反应器内进行的过程的放热或吸热性质。
文档编号B01J8/06GK102458638SQ201080035128
公开日2012年5月16日 申请日期2010年6月3日 优先权日2009年6月9日
发明者科普卡利 H., D. 霍尔沃思 R., A. 科特雷尔 S., 邱 Y. 申请人:霍尼韦尔国际公司