具有床间冷却的多床层催化转化器的制作方法

本发明涉及具有床间冷却的多床层催化转化器(catalyticconverter)领域。

背景技术：

中冷式多床层催化转化器用于多个领域中，例如，合成甲醇和合成氨。

中冷式多床层转化器包括串联布置的多个催化床以及一个或多个床间换热器，该些换热器用于冷却从一个床层流向另一个床层的部分反应的产物气流。

根据已知的多床层中冷式布局，催化床具有具有径向流的环形形状，中冷换热器(ich)在环形床内同轴布置。例如，ep376000和ep2610001中描述了这种布局。

床层间冷却器通常是管壳式换热器，冷却介质在管程流动，气流在壳程流动。冷却介质可以是新鲜的气态反应物，利用从产物冷却回收的热量进行预热。

已知的具有管壳式换热器的转化器的缺点在于具有多个催化床的设计和构造很复杂且昂贵。例如，每个管壳式换热器都需要各自的带有两个管板的管束；管板是非常昂贵的物品，并且管与管板之间的焊接是一项精细且昂贵的作业。

us2010/0310436公开了另一种多床层中冷式布局，其中的ich是板式换热器。然而，由于反应混合物和冷却介质在板间分布不均导致该布局不能提供有效的热交换。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种克服上述现有技术中的缺点的多床层催化转化器。具体而言，本发明的目的是提供一种具有床间冷却的多床层催化转化器，其易于实现并且能够对反应温度进行准确控制。

该些目的通过权利要求1所述的多床层圆柱形催化转化器实现。所述转化器的优选特征陈述于从属权利要求中。

所述转化器至少包括：

第一催化床、第二催化床和布置在所述第一催化床和所述第二催化床之间的换热器；

所述换热器用于将热量从第一介质传递至第二介质，其中，所述第一介质是进入所述第二催化床前的所述第一催化床的热流出物，所述第二介质是冷却介质；

所述转化器的特征在于：

所述换热器包括多个堆叠的圆板，所述板是全圆式板或环形板，并且，相邻板之间限定间隙；并且

所述第一催化床的流出物和所述冷却介质分别通过所述换热器板之间的交替间隙。

所述第一催化床的流出物进入第一间隙，所述冷却介质进入第二间隙，所述第一间隙与所述第二间隙交替。

优选地，所述间隙的宽度为1mm～10mm，更优选为2mm～6mm。

优选地，所述板式换热器被分布器或收集器包围，例如，金属丝网或多孔壁形式的分布器或收集器。因此，所述板式换热器不与催化床上负载的催化剂接触。这样就导致所述间隙的宽度不受催化剂尺寸的限制，因此可自由进行板设计。

优选地，所述板是通过钣金冲压(metalsheetpressing)以机械方式获得的冲压板(stampedplates)。所述钣金冲压优选包括在具有所需表面波纹的压制工具模具上的冷成型。优选地，所述板由不锈钢、钛、或钯稳定的钛制成。

所述板的设计可不同，以承受两侧之间的高压降(数十巴)或低压降(几巴)。

有利地，所述换热器包括用于分布所述第一催化床的热流出物和所述冷却介质使其交替通过所述第一间隙和第二间隙的装置。优选地，相邻板彼此焊接，以避免或基本上避免所述热流出物与所述冷却介质一起绕入所述第二间隙，同时避免或基本上避免所述冷却介质与所述热流出物一起绕入所述第一间隙。优选地，所述热流出物绕入所述第二间隙和所述冷却介质绕入所述第一间隙不超过1％，更优选不超过0.1％。

根据本发明的一实施例，所述第一催化床和所述第二催化床是绝热的。因此，所述催化床不包括直接冷却催化剂的装置(即，浸入催化剂中的换热器)，这就意味着化学反应产生的热量全部转移至所述气态流出物。

根据另一实施例，所述第一催化床和所述第二催化床中的至少一个是等温的，这意味着其包括浸入催化剂中的换热器，以直接从催化剂移除热量。

根据一特定实施例，所述第一催化床是等温的，且所述第二催化床是绝热的。

优选地，所述第一催化床是包括空腔的中空圆柱体，所述换热器在所述空腔内与所述第一催化床同轴布置。优选地，所述换热器由圆柱壳体界定。

所述转化器可包括多个串联的催化床和多个床间换热器，其中，所述换热器是圆板式换热器。优选地，所述多个催化床是中空圆柱体，所述多个换热器在所述中空圆柱体的相应空腔内同轴布置。所述催化床可以是绝热或等温的。

优选地，所述转化器包括不超过五个串联布置的催化床，更优选不超过三个催化床，例如，两个催化床。

所述板式换热器包括两个侧面，即，由第一催化床的热流出物进入第二催化床之前(即，所述第一介质)穿过的第一侧面和由冷却介质(即，所述第二介质)穿过的第二侧面。所述第一侧面和第二侧面分别包括热流出物和冷却介质的流入端和流出端。

在本发明的一实施例中，所述板为全圆式板。

在本发明的另一实施例中，所述板为环形板。根据该实施例，所述板式换热器优选包括用于在热传递之后收集所述热流出物(即，第一介质)或所述冷却介质(即，第一介质)的中心歧管。优选地，所述中心歧管用于收集通过所述间隙后(即冷却后)的热流出物。所述中心歧管优选呈环形。

根据一些实施例，所述第一催化床的流出物和/或所述冷却介质以径向流穿过所述间隙。优选地，所述第一催化床的流出物以径向向内流穿过所述间隙。

根据其它实施例，所述第一催化床的流出物和/或所述冷却介质以基本上平行于通过方向的流穿过所述间隙。

根据本发明的一实施例，所述第一介质和第二介质中至少一者的所述流入端和所述流出端中至少一个包括多个喷嘴，所述多个喷嘴位于围绕所述板式换热器的圆柱壳体上。

优选地，所述圆柱壳体包括多个供所述第一催化床的热流出物使用的喷嘴。所述第一催化床的流出物通过流入喷嘴分布到所述第一间隙中并在通过所述间隙后由流出喷嘴收集。优选地，所述流入喷嘴与所述流出喷嘴沿直径相对，使得所述流出物以基本平行于自所述流入喷嘴至所述流出喷嘴的通过方向的流动穿过所述板之间的间隙。

根据一实施例，所述第一介质和所述第二介质中至少一者的所述流入端和所述流出端中至少一个包括形成在所述换热器的顶盖或底板上的通道，所述顶盖或底板分别位于堆叠的换热板的上方或下方。优选地，所述通道具有圆形的扇形形状或环形的扇形形状，优选在60°～300°的角度上延伸，更优选90°～240°，最优选180°或约180°。

优选地，所述顶盖和底板其中一个具有用于分布所述第一介质的第一通道，所述顶盖和底板中另一个具有用于收集冷却后所述第一介质的第二通道。优选地，所述第一通道和所述第二通道沿直径相对，使得所述流出物以基本平行于第一方向(其为通过方向)的流动流过所述间隙，并且，所述流出物以沿第二方向的流动进入和离开所述板式换热器，其中，所述第二方向基本垂直于所述第一方向。

优选地，所述第一通道包括用于所述第一介质的第一流入喷嘴组，且，所述第二通道包括用于收集冷却后所述第一介质的第二流出喷嘴组。

根据一实施例，所述板包括供所述第一介质和所述第二介质中至少一者流入和/或流出的一个或多个端口。

在第一实施例中，所述板包括用于使所述冷却介质通过所述第二间隙的多个流入端口和多个流出端口。所述流出端口比所述流入端口布置在更外围的位置上。

优选地，所述流入端口沿内行布置，所述流出端口沿外行布置。优选地，所述内行和所述外行呈圆形，所述内行具有第一半径，所述外行具有第二半径，所述第一半径小于所述第二半径。

优选地，所述流入端口与相应的流出端口沿径向对齐，这样就意味着所述流入端口的数量优选与所述流出端口的数量相同。

由于所述流入端口和所述流出端口的上述布置方式，导致所述冷却介质以径向向外流穿过所述第二间隙。因此，当所述第一催化床的流出物以径向向内流穿过所述换热器时，所述第一实施例提供逆流流体间的热交换。

在第二实施例中，所述板中的每一个都包括供所述冷却介质通过的一个流入端口和一个流出端口。有利地，所述流入端口和所述流出端口沿直径相对。

这样就致使所述冷却介质以基本平行于给定方向(即，自所述流入端口至所述流出端口)的流动穿过所述第二间隙。当所述第一催化床的流出物以基本平行于给定方向的流动穿过所述第一间隙时，所述第二实施例优选提供平行逆流流体间的热交换。

在一特定实施例中，围绕所述换热器的圆柱壳体包括供所述第一催化床的流出物进入所述第一间隙的流入开口，并且所述换热器包括用于收集通过所述间隙后的所述第一催化床的流出物的孔口。优选地，所述收集孔口与所述流入开口沿直径相对；该相对位置决定了流出气体的流动方向，其基本平行于自所述流入开口至所述收集孔口的给定方向。优选地，所述流入开口在所述圆柱壳体的圆柱表面的一部分上延伸。该部分优选具有相对小的宽度。该部分优选在包括在10°～45°范围内的角度上延伸，例如，约30°的角度。

根据一优选实施例，所述转化器包括密封条，用于密封围绕堆叠的板的所述第一介质或所述第二介质的可能的旁路路径，所述密封条(24)优选具有v形截面。

根据一优选实施例，本发明的转化器为用于合成氨或合成甲醇的合成塔。

本发明的另一方面涉及一种改造多床层催化转化器的方法，所述催化转化器至少包括：

第一催化床、第二催化床和位于所述第一催化床和所述第二催化床之间的换热器；

所述换热器用于在所述第一催化床的热流出物进入所述第二催化床之前将热量从所述热流出物传递至冷却介质；

所述换热器为管束式换热器；

所述方法的特征在于：

用另一包括多个堆叠的圆板的换热器替换所述管束式换热器，其中，相邻板之间限定间隙，并且所述第一催化床的流出物和所述冷却介质分别进入交替的间隙。

在一优选实施例，所述第一催化床是包括空腔的中空圆柱体，所述换热器在所述空腔内与所述第一催化床同轴布置。因此，新安装的包括所述多个堆叠的圆板的换热器在所述空腔内与所述第一催化床同轴布置。

本发明的转化器具有若干优点。

与传统管式换热器相比，其主要优点是由于流体在板上扩散而使流体暴露于更大的表面积，从而促进了热传递。

此外，与典型的管壳式换热器相比，热流出物侧和冷却介质侧的压降均大大降低。

并且，由于圆板式换热器的紧凑型设计，本发明提供了对转化器内容积的最佳利用。具体地，在包括中空催化床的实施例中，所述床层内的圆柱腔室被最大程度地利用。由此，可以提供更大的体积来容纳催化剂。

另一个优点是由于圆板式换热器的紧凑型设计而使转化器的容量得以增大。因此，所述转化器还会使氨或甲醇的产量增加。

通过下文中的具体实施方式部分本发明的这些优点将变得更加清楚。

附图简要说明

图1为本发明多床层中冷式转化器的简化示意图；

图2示出了根据本发明一实施例的图1中转化器的第一催化床和第一床层间冷却器；

图3为图2中床层间冷却器的俯视图；

图4示出了图2的一种变形；

图5示出了本发明另一实施例的具有径向流配置的板式换热器；

图6示出了在图5中换热器板之间循环的流体的逆流流动；

图7示出了图5中板式换热器的替代方案；

图8示出了图7的一种变形；

图9示出了图8的一种变形。

具体实施方式

图1示出了多床层转化器(converter)1，例如，氨或甲醇合成塔，包括容器2和催化箱3，催化箱3包括三个串联布置的绝热催化床4,5,6、两个床层间板式换热器7,8及任选地底部换热器9。

每个床层4、5、6由径向向内或轴-径向混合的流体穿过，并且具有带有中心轴向腔室10a、10b、10c的环形圆柱形状。板式换热器7、8、9分别布置在所述中心腔室10a、10b、10c内，以提供从一个催化床到另一个催化床的气态产物的床间冷却。

新鲜的补充气体(mug)通过气体进口11进入合成塔1，进入第一床层4；第一床层4的流出物在流过第一床层间换热器7的各板的同时被冷却；冷却后的流出物进入第二床层5。类似地，第二床层5的流出物在第二床层间换热器8中被冷却，然后进入第三床层6；第三床层6的流出物在底部换热器9被冷却，然后通过出口12离开转化器1。

根据图1中示例，催化床4、5、6是绝热的，因为它们不包含任何冷却装置。在其它实施例中，一个或多个所述催化床4、5、6可以是等温的，即，包含浸在其中的热交换体(例如，管或板)。

图2更详细地示出了本发明一实施例中图1中转化器1的第一催化床4和第一床层间板式换热器7。

所述催化床4由气体分布器13和气体收集器14界定，其分别由外圆柱壁和内圆柱壁表示。所述外圆柱壁和内圆柱壁可使气体透过并且能够保持催化剂，包括例如合适尺寸的槽。

所述气体收集器14在内部限定上述中心腔室10a，其容纳所述第一板式换热器7。

如图2所示，所述换热器7包括多个堆叠的全圆式板15。相邻的板之间限定间隙16，供离开第一催化床4的热气体hg以及冷却介质(未示出)通过。具体地，相邻板15焊接起来使得热气体hg通过第一间隙16，且冷却介质通过第二间隙16，所述第一间隙和第二间隙交替。

板式换热器7具有圆柱壳体17，其包括开口18，供热气体hg进入换热器。所述开口18在所述圆柱壳体17的圆柱表面的一部分上延伸。根据图3所示的示例，该部分的延伸角度α为30°。

板式换热器7还包括孔口19，用于收集通过各板之间相应间隙16(即，上文提到的第一间隙)之后的冷却气体cg。有利地，所述孔口19与所述开口18相对。

由于流入开口18和收集孔口19的相对位置(如图2和图3所示)，导致热气体hg通过所述第一间隙的流动基本上沿着直径方向从流入开口18朝着收集孔口19被引导。

更具体而言，热气体hg穿过气体收集器14后，扩散到中心腔室10a中，并通过流入端口18进入板式换热器7。热气体hg被供应到板15之间的交替间隙，然后产生的冷却气体cg汇聚到孔口19，冷却气体cg从孔口19被引导至下一个催化床。

当管20必须容置在中心腔室10a中时，图4所示实施例是优选的。相应地，板15呈环形。

图5示出了一实施例中由径向热气体流出物流hg穿过的板式换热器7。

根据该实施例，板式换热器7包括堆叠的环形板15和用于收集通过相应间隙16后的冷却气体cg的中心环形歧管21。热气体hg沿着换热器7的整个周向表面被送入换热器7，并被中心歧管21收集，由此产生径向向内流动。

各板15包括供冷却介质cm通过的多个流入端口22和多个流出端口23。所述流入端口22沿着具有第一半径的第一圆形行布置，所述流出端口23沿着具有第二半径的第二圆形行布置，其中，所述第一半径小于所述第二半径。优选地，所述流入端口22与相应的流出端口23沿径向对齐。

由于所述流入端口22和所述流出端口23的上述位置，导致冷却介质cm以径向向外流穿过交替间隙16，由此形成相对于热气体hg的逆流。

因此，图5所示实施例提供了逆流流体之间的热交换，如图6进一步所示。

图7示出了板式换热器7的一种变形，其中，板15包括供冷却介质cm通过的一个流入端口22a和一个流出端口23b。所述端口22a和23a沿直径相对。由此导致，冷却介质cm以基本平行于给定方向(即，自流入端口22a至流出端口23a)的流动穿过板15之间的交替间隙16，如图7所示(虚线箭头)。热气体hg具有类似于图5和图6所示实施例的径向向内流动。

图8示出了图7的一种变形，其中，热气体hg和冷却介质cm以逆流平行流动穿过板15之间的交替间隙16。

冷却介质cm通过流入端口22b被送入板式换热器7，并通过流出端口23b离开换热器7。在另一实施例(未示出)中，冷却介质cm分别通过一个或多个流入喷嘴和一个或多个流出喷嘴进入和离开换热器7。

热气体hg通过设置在圆柱壳体17(参见图2)上的第一壳体喷嘴组(流入喷嘴)被送入板式换热器7。优选地，所述流入喷嘴与流入端口22b沿直径相对。

冷却气体cg通过壳体17的第二喷嘴(流出喷嘴)组离开换热器7。优选地，所述流出喷嘴与流出端口23b沿直径相对。图8所示实施例还包括密封条24，用于密封板周围热气体hg可能的旁路路径。可以理解，图8所示实施例及其变形提供了热气体和冷却介质的逆流平行流动模式。

环形板15的中心腔室容置由另一介质(第三介质)穿过的管20，该介质不参与所述板式换热器7的热交换过程。

图8所示的板式换热器7的构造可使换热器在转化器内部更好地布置。

图9为图8的一种变形，其中，热气体hg通过相应的流入喷嘴和流出喷嘴(未示出)以基本垂直于进入间隙16的热空气hg流的流动进入和离开板式换热器7。这种布置方式可使板式换热器7具有更紧凑型设计。所述流入喷嘴分布在换热器7顶盖的流入区域25上。所述流出喷嘴分布在底盖的流出区域26上。优选地，所述流入区域25和所述流出区域26具有180°或180°左右的角开口。