专利名称：在拟等温条件下进行化学反应的方法
技术领域：
从广义上讲，本发明涉及在拟等温条件下进行化学反应的方法，也就是说在将反应温度控制在预定最佳值周围很窄的范围内的条件下。
具体而言，本发明涉及一种上述类型用于控制催化反应温度的方法，该方法以使用热交换器为基础，所述热交换器浸没在例如催化床的反应环境中的，所选择的化学反应发生在这种环境中。
更具体而言，尽管不排除其他方法，本发明涉及一种使用板式交换器控制反应温度的方法，所述的板式交换器浸在催化床中，合适的热交换工作流体从其内部通过。
本发明还涉及一种热交换器，这种热交换器具有实现上述方法适合的结构。
背景技术：
已知为了使放热或吸热化学反应，例如甲醇、甲醛或苯乙烯的合成反应满意地进行完全，必须分别从发生反应的环境中移走或向其中提供热量，以将其温度控制在预定理论值附近很窄的范围内。
同样，已知为了上述目的，大多数类型的热交换器被广泛使用，这些热交换器浸没在反应环境中(通常为催化床)，并且合适的热交换工作流体从其内部通过。
反应的拟等温程度，即反应本身进行或完成的程度，依赖于使用这种热交换器的方式、它们的功能性、向反应环境中提供或从其中移走热量的效率(热能产额)。
尽管目前在拟等温条件下进行化学反应所使用的现有技术有一些有利的方面，但仍有已知的缺点，这在工业生产中限制了反应本身进行或完成的程度。
实际上，按照预定的进/出途径流经热交换器的工作流体必然和热交换器所处的环境(例如催化床)有热量交换而使其实际温度发生改变。
工作流体的这种温度变化沿着其路径基本上是连续的，不可避免地造成热交换器工作效率的持续降低。
事实上，沿着热交换器壁的工作流体和反应环境之间的热交换是不均匀的，但是随着内部和外部流体的温差减小而趋向于降低。
因此，现有的方法和交换器所达到的反应条件的拟等温程度的特征在于反应温度总是被控制在与涉及的等温曲线一致的温度附近相对较宽的范围内。这种情况还涉及到有关化学反应完成的限制程度。
发明概述本发明的技术难题是提供一种在所谓的拟等温条件下进行化学反应的方法，这种方法基于使用热交换器，热交换器在进行预定反应的环境中起作用，并适合于将反应温度维持在预定常数值，或者无论如何将所述温度控制在非常窄的范围内，从而与现有方法相比显著地提高反应进行或完成的程度。
解决所述难题的想法是在热交换工作流体流经各个热交换器时将其温度控制在上述的预定值。
按照这种想法，本发明通过如下方法解决上面指出的技术问题在拟等温条件下和预定的反应环境中，例如催化床中连续进行所选择的化学反应的方法，该方法包括向反应环境中提供至少一个热交换器输送处于预定进口温度的第一种热交换工作流体流的步骤，该工作流体沿着相应的进/出路径通过所述的至少一个热交换器；这种方法的特征在于在至少一个热交换器和该路径的一个或多个中间位置处注入具有各自预定进口温度的第二种工作流体流。
通过合适地选择第二种流体的进口温度和中间位置的数量，该中间位置是第二种流体流和第一种流体发生混合的地方，可以使工作流体的温度回到进口温度或至少非常接近于进口温度。因而，在热交换工作流体通过各自的交换器时，如果不能将所说的流体的温度基本上保持恒定，可以将其温度控制在预定值附近很窄的范围内。
此外，本发明涉及一种具有适合实现上述方法的结构和功能特征的热交换器。
参照附图对本发明实施方案的陈述性非限制实例所作的如下描述，将使本发明方法的特征和优势变得更加清晰。
附图简述
图1所示为可用于实现本发明方法的热交换器的轴向示意图。
图2所示为图1交换器细节的分解放大示意图。
图3所示为图1的交换器沿III-III线的放大图。
图4所示为图1的交换器的一个备选实施方案的透视示意图。
图5所示为图4的沿V-V线的剖面图。
附图详述参照上述附图，用于实现本发明方法的热交换器用参考数字1指出了它的全部。
仅为了示意和简化的原因，所述的热交换器1具有扁平的平行六面体结构，其包括两面宽壁2和3，这两面优选用金属板制成，基本上是扁平的和并置的，以预定的间隔关系通过狭缩的周壁4邻接。
在壁2、3和4之间，限定了室5，在室5的一侧用于通过流体进口连接器6与热交换工作流体源(未显示)相通，并且在其另一侧用一个支管(同样未显示)通过流体出口连接器7排放所述的流体。
通过如作为常规方法未显示的挡板，分割壁等手段，在室5中限定了工作流体的路径。该路径在连接器6，7间延伸并以这样的方式设计与所述的热交换器1的两面完全相对的壁2，3相接触。
两个(或更多)同样的分配器8，9固定到热交换器1其中一面壁上，例如固定到壁3上，并且固定在所述路径的预定的中间位置。所述的分配器8，9以距离流体进口和出口连接器6和7预定的距离互相平行地延伸。
相互间隔的分配器8和9，是在其一侧与热交换器1的室5流体相通的，并且在其另一侧分别通过连接器11和12与输送管10流体相通，该输送管10是用于供给工作流体的。
具体而言，根据一个优选的实施方案(图2)，每个分配器8，9包括在壁3上形成的多个透孔13，并且透孔13是有规律地至少按直线排列的，其纵向延伸至分配器(8，9)本身并至外壳14。外壳14基本上是槽道形状，其固定在壁3上以盖住大多数透孔13，与它一起形成工作流体分配室15，从下面的描述中将会很清楚。
根据本发明的方法，为了控制化学反应的温度，例如甲醇的强放热合成，多个上述类型的热交换器1合适地安排在反应连续进行的环境中，如在所选择的催化床中。
每个所述的交换器1在其一侧通过各自的流体进口连接器6与热交换工作流体源(未显示)相接，并且在另一侧通过各自的流体出口连接器7与共同的排放支管(未显示)相接。
每个热交换器的分配器8，9通过输送管10依次与所述的工作流体源相通。
一旦完成了此预备步骤，就可以开始所选择的化学反应了。
反应中，通过多个交换器1，从反应环境中至少部分移走产生的热量或向反应环境中至少部分提供吸收的热量。交换器1使所述环境和通过各个进口分配器6输入到每个所述交换器的第一种工作流体流产生热交换关系。
所述第一种流体的流速以及所述工作流体的温度是用按照本身已知的方法，根据特定反应的化学和动力学特性，考虑到热交换“率”(及由此的反应进行度)也是反应环境和工作流体之间存在的温差的函数，事先计算出来的。
在交换器1的区域，该区域接近各自的进口分配器6，此处是温差达到最大的区域，我们可以得到最大热交换率。但是，正是由于这种热交换，当工作流体从进口连接器流走，在流经交换器的路径中其温度发生变化，从而趋向于和反应环境温度一致。
为了避免由于上述变化使工作流体的温度“超出”预定值范围，即所希望的在预先计算值附近很窄的区间内，本发明将第二种工作流体流分别通过进料管10和多个分配器8，9输送到每个交换器中。
当然，第二种流体流的温度是这样选择的当交换器中的两种流体在分配器的位置处混合时，同样尽可能接近第一种流体的进口温度。
使用本发明的方法，适当地选择第二种流体的温度和在每个交换器中分配器8，9的数量与位置，就可以在热交换工作流体通过热交换器的路径中将其温度控制在预定值范围内。
假设反应环境温度和在这种环境中工作的热交换流体温度之间紧密相关，同样还可以控制基本上和反应温度一致的反应环境的温度。
本发明的另一个有利之处在于提供了控制热交换器中流动的工作流体和反应环境中流动的反应流体之间的热交换系数的可能性。
事实上，通过多次分流，将工作流体注入热交换器的方法，可以以独立的方式改变这种流体的流量和流速，从而适当地控制热交换器内部工作流体的流量和流速。
由于这些参数直接影响热交换系数，即工作流体的流量和流速越高，热交换系数越大，反之亦然，由于本发明，因此可以沿着整个热交换器获得所需的热交换，从而能够最佳化地控制化学反应的进程。
参考图4和根据本发明的热交换器的优选和有利的实施方案，第二种工作流体流的进料管由热交换器的结构本身所限定。
具体而言，热交换器20包括两块减薄的金属板21，22以便可以被塑性形变，用圆周焊接23的手段以互相基本上毗邻的方式相接。
已经考虑实现焊接23，在所述板的相对侧20a，20b，分别存在工作流体的进口和出口连接器24和25。
通过基本上L-型的焊线27的方法，板21，22还互相连接，平行地延伸至热交换器20的侧面20c，侧面20c没有流体进口或出口连接器，并且在此缩小了距离。在热交换器20的侧面20a上，和在所述的焊线27上，提供了第三连接器28，该连接器28用作第二种工作流体流的进口，从下面的描述将变得更清晰。
通过所述板21，22的弹性变形，例如通过在它们间鼓入加压气体，得到由热交换工作流体通过的室26和形成了用于注入第二种工作流体流的输送管29。输送管29在包括L焊线27和热交换器本身的侧面20c间的区域延伸。
应当注意的是，形成在热交换器20的壁21，22间的进料管29通过同一焊线27与室26完全分开，焊线27也保证不透液体的密封。
在一块板上，例如热交换器20的板22，固定有两个或多个分配器30，31，其结构和功能与上述的分配器相似，参考图1-3。分配器31，30通过形成在相应板上的多个孔32与室26流体相通，并通过各自开孔33与进料管29相通，该开孔33是在进料管29的合适的位置提供的。
可以对这样构思的发明进行改变和变更，所有这些都落入如下权利要求所限定的保护范围。
例如，根据本发明未显示的备选实施方案，分配器8-9和30-31可以对称地分别固定到热交换器的壁2，3和21，22。
这样，在将第二种工作流体加入到热交换器期间，它的压降减小。相对于上述实例，它可以使第二种流体在低进料流速下操作，并因此使其进入热交换器更容易。此外，这种压降的降低有利地意思是热交换器更低的总压降。
用可以降低分配器的厚度的事实，给出了从这个实施方案得到另外的好处。这促使可能存在于反应环境中的催化剂均匀地沉淀，热交换器是处于改反应环境中的，并且利于进出反应环境的催化剂的加载和卸载操作。
权利要求
1.在所谓的拟等温条件下和预定的反应环境中，例如催化床中，连续进行所选择的化学反应的方法，其包括向所述反应环境中提供至少一个热交换器输送处于各自预定进口温度下的第一种热交换工作流体流的步骤，该工作流体沿着各自的进/出路径通过所述的至少一个热交换器，这种方法的特征在于在所述至少一个热交换器和该路径的一个或多个中间位置处，注入具有各自预定进口温度的第二种工作流体流。
2.用于权利要求1所述方法的热交换器，该热交换器包括两面宽壁(2，3；21，22)、由所述的壁(2，3；21，22)间所限定的用于通过热交换工作流体的室(5，26)、分别进出所述室(5；26)的流体进口连接器(6，24)和流体出口连接器(7，25)、至少一个工作流体分配器(8，9；30，31)，该流体分配器以离所述的连接器(6，7；24，25)预定的距离固定在至少一面壁(2，3；21，22)上并与所述的室(5，26)流体相通、至少一个用于注入所述工作流体的输送管(10，28-29)，该输送管与所述的至少一个分配器(8，9；30，31)相通。
3.权利要求2的热交换器，其特征在于所述的分配器(8，9；30，31)包括在壁(3，22)上形成的多个透孔(3，22)和外壳(14)，所述的外壳从外面固定到所述的壁(3，22)上以盖住所述的孔(3，22)，并与它一起限定流体分配室(15)。
4.权利要求3的热交换器，其特征在于所述的透孔(3，22)至少按直线排列的形式进行安排。
5.权利要求2的热交换器，其特征在于所述的进料管(10)从外部与所述的交换器(1)相接并且通过各自的连接器(11，12)与所述的至少一个分配器(8，9)流体相通。
6.权利要求2的热交换器，其特征在于所述的进料管(29)在所述的大壁(21，22)之间形成，以不透液体的方式与所述的室(26)隔离并且通过至少一个透孔(33)与所述的至少一个分配器(30，31)流体相通，所述的透孔形成在进料管(29)中。
全文摘要
在所谓拟等温条件下和预定的反应环境中，例如催化床中，连续进行所选择的化学反应的方法，包括向反应环境中提供至少一个热交换器输送处于各自预定进口温度下的第一种热交换工作流体流的步骤，该工作流体沿着各自的进/出路径通过至少一个热交换器，这种方法还提供在至少一个热交换器和该路径的一个或多个中间位置处，注入具有各自预定进口温度的第二种工作流体流的步骤。
文档编号F28F27/02GK1492778SQ02805489
公开日2004年4月28日 申请日期2002年2月25日 优先权日2001年2月27日
发明者埃尔曼诺·菲利皮, 恩里科·里奇, 米尔科·塔罗左, 塔罗左, 里奇, 埃尔曼诺 菲利皮 申请人:卡萨尔甲醇公司