專利名稱：具有一個管狀反應器的反應設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種如獨立權利要求1的前序部分的帶有一管狀反應器的反應設備。
具有管狀反應器的反應設備例如用于液態均質反應，例如發生在維生素合成的前級反應中。對于一種副產品很少的良好的反應來說尤其有意義的是，反應物要在反應器內保留一定的時間，并盡可能理想地混合。而且，在一個規定的區域內保持恒定的反應條件也是重要的，所述反應條件例如意味著，在放熱反應時排走反應熱量，在吸熱反應時送入熱量。
當今，有不同結構的具有管狀反應器的反應設備的方案，用來實現盡可能最佳運行的均質反應。
例如，使用一種帶有雙壁管狀反應器的反應設備，其包括一個第一管，該第一管同軸地設置在一個第二管內。第一(內)管內流過恒定速度的反應物。因此，在理想混合的情況下，一直到流出反應器，反應時間都是一致的。在第一(內)管與第二(外)管之間流過一種熱交換介質，其通過第一管的管壁來冷卻或加熱反應物。在一個反應設備中可以一個接一個地設置多個這樣的雙壁管，這樣，在反應物流速一定的情況下，就可以達到反應物在管狀反應器內所需的反應時間。各雙壁管例如可以通過彎管聯接成管組，這樣就可以在占用空間較小的情況下實現較大的管長。
為了在這樣的雙壁管反應器的整個管長上實現均勻的熱交換，特別是在長的雙壁管熱交換器中，由于熱交換介質在整個反應器的長度上都要均勻并理想地產生湍流，所以對第一和第二管之間的熱交換介質的壓縮比的要求很高。這使得設備復雜，運行耗費大。反應器中不均勻的熱交換將導致不均勻的反應物溫度，從而導致不利的反應，尤其是導致不希望的副產品的形成。
對這種雙壁管熱交換器的另一個要求是在第一(內)管中有湍流，這對于均勻的熱傳導是有益的。因此，反應物或者要以較高的流速流動，或者以適合的手段使其產生渦流。
本發明的任務是建議一種反應設備，其以一種簡單的方式保證在管狀反應器中反應物的溫度均勻。
這一任務是通過以獨立權利要求1的特征部分為特征的反應設備完成的。從從屬權利要求2至10的限定部分得出本發明的有利的實施形式。
特別是，反應設備包括一個反應釜、用于將一種熱交換介質送入該反應釜或從該反應釜中排出的裝置、以及一個反應器，該反應器帶有一根管，反應介質可流過該管。該管具有盤管區域，在該區域內，該管以恒定的卷繞半徑呈線圈狀卷繞。這樣的反應設備的特征在于，反應介質所流過的管具有很大的表面，該表面幾乎完全被熱交換介質圍繞著。這樣，在反應介質與熱交換介質之間的溫度梯度較小的情況下，大部分借助于自由對流實現理想的熱交換。此外，由于盤管區域的形狀，以很低的耗費就可以實現反應介質的均勻的湍流。
管狀反應器的盤管區域的各圈與相鄰的圈之間可以具有恒定的距離。這樣就保證了在盤管區域有足夠的熱交換介質可以環繞著反應器的管流過。
管狀反應器的管可以包括多個同軸設置的盤管區域，這些盤管區域具有不同的卷繞半徑，半徑較小的位于半徑較大的之內。通過這種管的形狀，也可以在管長較大的情況下使反應器占用的場地比較小，這樣可以使反應釜的體積比較小。
管狀反應器的兩相鄰的盤管區域可以具有恒定的相互距離。這樣就保證了可以使足夠量的熱交換介質流過多個盤管區域之間。
管狀反應器的管可以包括多根密封地相互焊接，并且在管的縱向上無縫的管段。這種無縫的管段保證了焊縫長度最小。
在管狀反應器的管上的多個不同的位置上可以設置用于送入或排出反應介質的管接頭。通過選擇適當的用于送入或排出反應介質的管接頭，可以以簡單的方式適應反應物在管中的保留時間。
可以將管狀反應器的管在盤管區域內固定在一個支架上。該支架支撐著該管狀反應器，防止了反應器的管在運行時受到機械負荷的沖擊和損傷(震動)。可以在裝入反應釜中之前先將管裝在支架上，構成一個單獨的單元。這樣使管狀反應器便于裝入反應釜中或從反應釜中卸下。
該支架可以包括一個三叉底座，其腿位于一個平面上，各相鄰的兩腿之間的夾角為大約120°。三叉底座的各腿上帶有一個垂直于三叉底座延伸的支柱，各支柱離三條腿的交匯處的距離等于相應的盤管區域的卷繞半徑。反應器的管在各盤管區域處支撐在各支柱上。這樣的支架使得各盤管區域的各圈都固定在三個支柱上，從而使得管狀反應器很好地以均勻的方式在所有的盤管區域得到支撐。
在反應釜中，在卷繞半徑最小的盤管區域內可以設置一個伸入到反應釜的內部空間中的下降管，在該下降管的側面送入反應釜中并繞著管狀反應器流過的熱交換介質，例如冷卻水經過下降管可以從反應釜中排出。這樣的結構使得熱交換介質可以在反應釜中繞流，通過這種繞流，使得熱交換介質的對流與純粹的自由對流相比得到了提高。
反應釜可以與一個冷凝器聯接。這樣，蒸發的液體熱交換介質就可以從反應釜中排走，流過冷凝器，并在冷凝后重新送回反應釜中。這樣的反應設備可以使反應介質充分封閉地循環，從而可以使熱交換介質消耗最少。
本發明的另一方面涉及以獨立權利要求11的特征部分為特征的反應器。本發明的反應器的優選的實施形式如從屬權利要求12至18的限定部分所述。這樣的反應器可以作為已有的反應釜的單獨的單元制造，并可預制造后直接安裝在反應釜中。
特別是，反應介質從其中流過的管狀反應器的管具有一個盤管區域。在該區域內，該管以恒定的卷繞半徑卷繞成線圈狀。這樣的管狀反應器的特征在于具有非常大的表面，該表面例如可以由一種熱交換介質環繞。此外，由于盤管的形狀，以較低的耗費就實現了反應介質的湍流。
盤管的各圈與相鄰的圈之間的距離可以都相同。這樣可以保證管在盤管區域內始終可以有足夠的熱交換介質繞流。
反應器的管可以包括多個卷繞半徑各不相同的同軸盤管區域，卷繞半徑較小的盤管區域位于卷繞半徑較大的盤管區域內。由于這樣的管的形狀，管長很大的管狀反應器也只需很小的場地。
兩相鄰的盤管區域之間的距離可以都相同。這樣就保證了在多個盤管區域之間始終有足夠的熱交換介質流過。
反應器的管可以包括多根密封地相互焊接并在縱向上無縫的管段。這種無縫管段保證了焊縫長度最小。
在反應器的管上多個不同的位置上可以設置用于送入或排出反應介質的管接頭。通過選擇適合于送入或排出熱交換介質的管接頭，可以適應反應物在管狀反應器中的保留時間。
可以在盤管區域內將反應器管固定在一支架上。該支架支撐著管狀反應器，防止其在運行時受到機械負荷的沖擊和損害(震動)。可以將管安裝在支架上，然后再作為一個獨立的單元裝入反應釜中。這樣就簡化了管狀反應器在反應釜中的安裝和卸下。
所述支架可以包括一個三叉底座，該三叉底座的腿位于一個平面上，兩相鄰的腿之間的夾角都為大約120°。三叉底座的各腳上帶有一個垂直于三叉底座的支柱，該支柱離三叉底座的各腿的交匯點的距離等于相應的盤管區域的卷繞半徑。反應器的管在各盤管區域固定在支柱上。這樣的支架使得各盤管區域的各圈都固定在三個支柱上，因此，管狀反應器以很好的和均勻的方式在所有盤管區域內得到支撐。
從下面借助于示意性附圖對本發明的實施例的描述中可以看出其它有利的實施形式。
圖1示出了一個本發明的管狀反應器的實施例。
圖2示出了一個本發明的反應設備的實施例。
圖3為穿過圖1所示的管狀反應器的一個截面圖，其中包括一個支架的實施例，圖中示出的是該支架的三叉底座區域。
圖4示出了圖3所示的管狀反應器的一個俯視圖。
圖5為一截面圖，示出了圖1所示的管狀反應器的管固定在支架上的一個實施例。
圖1中示出了本發明的管狀反應器2的一個實施例。管狀反應器2包括一根管20，其具有四個盤管區域201。在這四個盤管區域201的每一個中，管20繞著一個卷繞軸2010分別以一個恒定的卷繞半徑2011卷繞成線圈狀。卷繞半徑2011為卷繞軸2010與各盤管區域201上的管20的壁上最近一點之間的距離。四個盤管區域201同軸地繞卷繞軸2010設置，一個位于另一個內，并分別經聯管區域200與相鄰的盤管區域201聯接。在管20的不同的高度處設有管接頭21。
反應介質由第一管接頭21中流入反應器的管20，并從下向上流過盤管區域201。經過豎直設置的聯管200，反應介質直接從一個盤管區域201的上端流入相鄰的盤管區域201的下端。通過第二管接頭21，反應介質再從管狀反應器2中排出。通過選擇合適的用于反應介質的送入和排出的管接頭21，可以調節反應介質在反應器2中的保留時間。
下面的規定對于全部剩余部分的說明書都是有效的。為了圖示的統一性和簡明性，在附圖中包含附圖標記，某些附圖中的個別標記沒有具體解釋，可參考其它附圖中相同標記的解釋說明。
圖2示出了本發明的一反應設備1的實施例。該反應設備包括一個反應釜3，圖1所示的本發明的反應器2豎直地設置在該反應釜內。在卷繞半徑2011最小的盤管區域201內設置了一個伸入到反應釜3內部空間中的下降管4。在一個蓋子30處，反應釜經一蒸汽管路50和一冷凝物管路51與一冷凝器5聯接。在反應釜3的下周邊上下降管4之外處，反應釜與冷卻水入口管路60聯接。同樣在反應釜3的下周邊緣上，在下降管4之內的區域內聯接著冷卻水的排水管路61。冷卻水入口管路60與一冷卻水泵6的一端聯接，而冷卻水排水管路61與該泵的另一端聯接，使得排出的冷卻水可以重新送回反應釜中。冷卻水入口管路60在進入反應釜之前與一個冷卻水供給裝置62聯接。通過該冷卻水供給裝置可以補償在任何情況下的冷卻水損失，例如由于非密封而造成的冷卻水損失。
運行時，反應釜3中充入的冷卻水的液面至少要到管狀反應器2的上端的高度。通過冷卻水包圍著的管狀反應器2(其管20內發生放熱反應)的管壁，運行熱量傳遞給冷卻水。在緊挨著管狀反應器2的邊界區域的冷卻水比其余冷卻水熱，這導致了冷卻水的自由對流，并從而導致了冷卻水在管20中的環流。在管狀反應器2中進行適合的反應時，在溫度和壓力，以及管狀反應器2和反應釜3的適合的尺寸等等條件下，自由對流導致管狀反應器2中產生足以達到適合的冷卻效果的環流。此外，借助于冷卻水泵6可以在反應釜3中形成循環流動，因此，冷卻水經冷卻水入口管路60從下向上繞管狀反應器2流過反應釜3，并經下降管4和冷卻水排出管路61排走。
蒸發的冷卻水經蒸發管路50從反應釜3中流入冷凝器5，并作為冷凝物經冷凝物排出管路51重新以液體冷卻水的形式送回反應釜3。
圖3是圖1所示的管狀反應器2的一個截面圖，示出了一支架22在該支架2的三叉底座221區域的情形。管狀反應器2的管20在同軸的盤管區域201處是這樣構成的，即，不僅各圈與相鄰的圈之間的豎直的距離2013是恒定的，而且各盤管區域201與相鄰的盤管區域201之間的水平距離2012也是如此。距離2012和2013使得裝在反應釜3中的管狀反應器2的管20始終完全并充分地被冷卻水包圍著。此外，這樣還可以防止在可能出現的震動的情況下，管20在盤管區域201不會與相鄰的管20的區域碰撞，從而導致損壞。
支架22包括一個水平的三叉底座221，在離開卷繞軸2010相應于各卷繞半徑2011的地方，從三叉底座上豎直地伸出支柱220。管20在盤管區域201的各圈處固定在各支柱220上。這樣就將管狀反應器2作為一個整體而形成一個穩定的結構，該結構在反應釜之外安裝好，然后很簡單地就可以裝在反應釜內。
圖4示出了圖3所示的管狀反應器2的俯視圖。位于盤管區域201下面的水平的三叉底座221包括三個沿著徑向從一個中心伸出的腿，各腿與相鄰的腿之間的距離相同，因此，各腿與相鄰的腿之間的夾角為120°。各腿在離開中心的距離為相應的卷繞半徑的四個點上與豎直的支柱220固定連接。支柱220具有U形橫截面，并設置在相應的盤管區域201之內。管接頭21也水平地設置在管20的不同的位置上。
圖5示出了穿過圖1所示的管狀反應器2的管20固定在其支架22上的一個實施例的截面。管20在盤管區域201與支柱220挨著，固定在橫截面為U形的固定件2200的中心。固定件2200與支柱220固定連接，例如焊接，并將管20固定在支柱220上，并使兩圈之間總是保持著同樣的豎直距離2013。
權利要求
1.具有管狀反應器(2)的反應設備(1)，該管狀反應器包括一個反應介質從中流過的管(20)，其特征在于反應設備(1)包括一個反應釜(3)和將熱交換介質送入反應釜或將熱交換介質從反應釜中排出的裝置，管狀反應器(2)的管(20)包括盤管區域(201)，在該區域，所述管以恒定的卷繞半徑卷繞成線圈狀。
2.如權利要求1的反應設備(1)，其特征在于管狀反應器(2)的盤管區域(201)的各圈與相鄰的圈之間的距離(2013)是恒定的。
3.如前述任一權利要求的反應設備(1)，其特征在于管狀反應器(2)的管(20)包括多個同軸的但卷繞半徑(2011)各不相同的盤管區域(201)，卷繞半徑(2011)較小的盤管區域(201)位于卷繞半徑(2011)較大的盤管區域(201)之內。
4.如權利要求3的反應設備(1)，其特征在于管狀反應器(2)的兩相鄰的盤管區域(201)之間的距離(2012)總是相同的。
5.如前述任一權利要求的反應設備(1)，其特征在于管狀反應器(2)的管(20)包括多根密封地相互焊接并在管(2)的縱向上無縫的管段。
6.如前述任一權利要求的反應設備(1)，管狀反應器(2)的管(20)上的多個不同的位置上設有用于引入或排出反應介質的管接頭(21)。
7.如前述任一權利要求的反應設備(1)，其特征在于管狀反應器(2)的管(20)在盤管區域(201)內固定在一支架(22)上。
8.如權利要求7的反應設備(1)，其特征在于支架(22)包括一個三叉底座(221)，其腿位于一個平面上，兩相鄰的腿之間的夾角為120°，在三叉底座(221)的各腿上離開三腿交匯處的距離為各盤管區域(201)的卷繞半徑(2011)的各處帶有垂直于三叉底座(221)的支柱(220)，管(20)在各盤管區域(201)處固定在各支柱上。
9.如前述任一權利要求的反應設備(1)，其特征在于在反應釜(3)中，在卷繞半徑(2011)最小的盤管區域(201)內設置一個伸入反應釜(3)內的空間中的下降管(4)，在下降管(4)的側面送入反應釜(3)并環繞管狀反應器(2)流過的熱交換介質，例如冷卻水，經下降管排出反應釜(3)。
10.如前述任一權利要求的反應設備(1)，其特征在于反應釜(3)與一冷凝器(5)聯接，使得蒸發的液體熱交換介質從反應釜(3)中排出，導向冷凝器(5)，而冷凝物又作為液體熱交換介質重新返回反應釜(3)。
11.具有一個反應介質從中流過的管(20)的管狀反應器(2)，其特征在于管(20)具有一個盤管區域(201)，在該區域，管以恒定的卷繞半徑(2011)卷繞成線圈狀。
12.如權利要求11的管狀反應器(2)，其特征在于盤管區域(201)的各圈與相鄰的圈之間的距離(2013)是恒定的。
13.如權利要求11或12的管狀反應器(2)，其特征在于管(20)包括多個同軸設置的盤管區域(201)，各盤管區域的卷繞半徑(2011)各不相同，卷繞半徑(2011)較小的盤管區域(201)位于卷繞半徑(2011)較大的盤管區域(201)內。
14.如權利要求13的管狀反應器(2)，其特征在于兩個相鄰的盤管區域(201)之間的距離(2012)是恒定的。
15.如權利要求11至14中任一項的管狀反應器(2)，其特征在于管(20)包括多個密封地相互連接的并且在管(20)的縱向上無縫的管段。
16.如權利要求11至15中任一項的管狀反應器(2)，其特征在于在管(20)的多個不同的位置上設置用于引入或排出反應介質的管接頭(21)。
17.如權利要求11至16中任一項的管狀反應器(2)，其特征在于管(20)在盤管區域(201)內固定在一支架(22)上。
18.如權利要求17的管狀反應器(2)，其特征在于支架(22)包括一個三叉底座(221)，其腿位于一個平面上，每兩個相鄰的腿之間的夾角為120°，在該三叉底座(221)的各腿上，離開三腿的交匯點的距離為相應的盤管區域(201)的卷繞半徑(2011)的位置上，設有垂直于三叉底座的支柱(220)，管(20)在各盤管區域(201)處固定在各支柱上。
全文摘要
本發明涉及一種反應設備(1)，其包括一個管狀反應器(2)，該管狀反應器帶有一個反應介質從中流過的管(20)。所述反應設備還包括一個反應釜(3)以及用于將熱交換介質引入反應釜(3)或從其中排出的裝置。管狀反應器(2)的管(20)具有盤管區域(201)，在該區域，管以恒定的卷繞半徑(2011)卷繞成線圈狀。
文檔編號B01J19/24GK1835796SQ200480023434
公開日2006年9月20日 申請日期2004年8月7日 優先權日2003年8月15日
發明者托馬斯·克拉萬 申請人:帝斯曼知識產權資產管理有限公司