專利名稱：一種放熱氣－固相催化合成反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型是一種氣-固相催化反應(yīng)裝置，用于流體催化反應(yīng)和傳熱過程，屬化學工程領(lǐng)域，特別適用于氨合成反應(yīng)過程。也可用于甲醇、甲烷、甲醚合成過程。
眾所周知，對于由氫、氮氣加壓下合成氨這類氣固相放熱催化反應(yīng)，在一定壓力和一定反應(yīng)物組成的條件下，存在著反應(yīng)速度最大的最佳溫度。這一最佳溫度又隨著合成率的提高逐漸降低，然而隨著反應(yīng)過程的進行，又因不斷放出反應(yīng)熱使催化劑層溫度提高。為了提高反應(yīng)器的效率，因此需要把反應(yīng)熱移出以降低反應(yīng)氣體溫度。在工業(yè)反應(yīng)器中曾廣為使用的一種是多段原料氣冷激式反應(yīng)器，如我國引進的大型氨廠所用的Kellogg公司的四段觸媒床，各段間用原料氣冷激來降低反應(yīng)氣溫度，這種反應(yīng)器因原料氣冷激時在降低反應(yīng)氣溫度的同時也降低了反應(yīng)物濃度影響了合成率。因此出現(xiàn)了改進形式，較好一種是將催化劑分為三個床層，第一、二段間用冷激，第二、三段間用間接換熱(見Casale公司申請的CN1030878，89年2月8日公開)，但這種反應(yīng)器既未完全消除冷激原料氣對反應(yīng)物濃度的影響又在床層中設(shè)間接換熱器使設(shè)備結(jié)構(gòu)復雜，而現(xiàn)有的連續(xù)移熱冷管反應(yīng)器除了有某些壁效應(yīng)外，冷管內(nèi)氣體溫度不能自由調(diào)節(jié)故難于達到理想的要求。
本實用新型的任務(wù)是依據(jù)氣-固相催化放熱可逆反應(yīng)的特點，克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供一個觸媒層溫度分布合理、觸媒活性高、結(jié)構(gòu)簡單可靠、操作性能好的反應(yīng)器和一種符合最佳溫度進行反應(yīng)的方法。
氣-固相催化放熱可逆反應(yīng)和反應(yīng)熱主要集中在反應(yīng)過程前面階段，因此本實用新型主要通過以下措施來實現(xiàn)目的一是反應(yīng)前階段用逆流冷管換熱，使反應(yīng)開始可以在接近絕熱的工況下進行，以便較快達到最佳溫度，而后隨著冷管逆流換熱，管內(nèi)外溫差加大，觸媒溫度沿最佳線下降，到冷管層出口可以降到最佳線以下，為后階段絕熱反應(yīng)創(chuàng)造條件，二是進塔氣中分流一部分不經(jīng)塔內(nèi)換熱器而直接到冷管膽，進冷管膽的管內(nèi)氣體溫度低，提高了從觸媒層移熱的效率，而且使氣體溫度可以根據(jù)觸媒層溫度需要來調(diào)節(jié)，以便達到理想的工藝要求。本實用新型的合成反應(yīng)器主要有外殼P、觸媒筐R和換熱器E，外殼P承受壓力，一般反應(yīng)壓力為14～32MPa，觸媒筐R的蓋板H，筒體S，觸媒筐R底部有花板J支承觸媒筐中的觸媒層。觸媒層由內(nèi)帶逆流冷管膽Cb的冷管觸媒層K1和絕熱觸媒層K2組成，冷管膽Cb由進氣管a、冷管b、連接進氣管a和冷管b的環(huán)管d1組成，冷管膽Cb也可由進氣管a、冷管b、出氣管c、連接進氣管a和冷管b的環(huán)管d1、連接冷管b和出氣管c的環(huán)管d2組成。冷管觸媒層K1可有一個或數(shù)個同軸套裝的冷管膽，每個冷管膽上有按不同圈徑排列的同軸心多排冷管b，觸媒層中心有連接換熱器E的中心管I，原料氣由進氣管a進入經(jīng)過環(huán)管d1分配到各根冷管b中，管內(nèi)的原料氣流2被管外觸媒層K1中的高溫反應(yīng)氣逆流加熱，升溫后或由冷管b直接出口或者經(jīng)環(huán)管d2和出氣管c出口與來自經(jīng)換熱器加熱由中心管I出口的氣流1混合，依次進冷管觸媒層K1反應(yīng)并與冷管b內(nèi)氣體逆流換熱再進絕熱觸媒層K2反應(yīng)，氣體可以在冷管觸媒層K1和絕熱觸媒層K2中均呈軸向流動，也可先在冷管觸媒層K1中作軸向流動后在絕熱觸媒層K2中設(shè)有多孔外分布筒X和多孔內(nèi)分布筒Y供氣體徑向、軸徑向流過絕熱層；或在絕熱觸媒層K2中設(shè)有集氣室W和Z，管M連通觸媒筐底部花板J和上部集氣室W，管N連通換熱器E和設(shè)于絕熱層中部的集氣室Z，構(gòu)成反應(yīng)氣在絕熱層K2中作對向流動。冷管b可用園形單管或扁平管。冷管b傳熱面積與觸媒體積之比為3-20M2/M3。出冷管氣流2的溫度與進冷管觸媒層混合氣溫度之比值為0.75～1.25。冷管層的觸媒可占觸媒總量15-80％，最佳為30-50％，隨反應(yīng)條件而變。
以下結(jié)合附圖作進一步的說明


圖1是軸向逆流冷管層和絕熱層組成的反應(yīng)器示意圖。
圖2和圖3是由軸向逆流冷管層和徑向絕熱層組成的反應(yīng)器示意圖。
圖4是用于現(xiàn)有大型氨合成塔改造為軸向逆流冷管層和徑向絕熱層組成的反應(yīng)器示意圖。
圖5是軸向逆流冷管層和對向并流的軸向絕熱層組成的反應(yīng)器示意圖。
圖6是反應(yīng)器與塔外設(shè)備管路連接圖。
圖7和圖8是反應(yīng)器的t-x圖，圖上橫座標為反應(yīng)溫度，縱座標為氨濃度。
圖1表示本實用新型中適用反應(yīng)器高徑比不大的一種反應(yīng)器，例如氨合成塔。在承壓外筒P中安裝內(nèi)件，外筒和內(nèi)筒器壁S之間有環(huán)形空隙，內(nèi)件上部是觸媒筐R，中間有中心管I，觸媒筐內(nèi)裝有觸媒，在上部觸媒層K1中裝有冷管膽Cb，冷管膽有多根冷管b，分成同軸心的2到4排，連通下環(huán)管d1和上環(huán)管d2，下環(huán)管d1連通進氣管a，上環(huán)管d2連通出氣管c，進氣管a穿過觸媒蓋板H并用填料函活動密封或用波形軟管連接，環(huán)管d2位于還原后觸媒層上方空間，在使用中冷管膽受熱可自由伸縮，冷管膽由支承架L支承并與觸媒一起支承在多孔花板J上，圖中內(nèi)件下部是列管式換熱器E，亦可以是螺旋板換熱器。通過筒體和底封頭U將進塔氣1和2隔開，換熱器底蓋V將進塔氣1與出塔氣4隔開。在觸媒升溫還原時，冷氣進塔后經(jīng)內(nèi)件換熱器底封頭U和底蓋V之間進入換熱器E與出觸媒層熱氣換熱，又經(jīng)中心管I中的電加熱器加熱，再入觸媒層進行觸媒升溫還原。在正常生產(chǎn)時，進塔氣主要分為氣流1和氣流2二股，氣流1經(jīng)換熱器E與反應(yīng)氣換熱后由中心管I出口，氣流2進塔后經(jīng)外筒P和內(nèi)件之間環(huán)隙，由進氣管a進入冷管膽Cb，由下環(huán)管d1均勻分配到各冷管b中由下到上流動，并與管外反應(yīng)氣逆流換熱升高溫度，直到上環(huán)管d2匯集后經(jīng)出氣管c出口，再與來自中心管I的原料氣1混合。對于氨合成例如溫度為350～430℃的混合氣先在冷管層氨觸媒K1中反應(yīng)，產(chǎn)物濃度提高，反應(yīng)中放出熱量使氣體溫度升高，同時與冷管b內(nèi)冷氣逆流換熱，反應(yīng)氣溫度升高到熱點溫度450～510℃后又開始降低溫度到380～430℃左右，然后在下部絕熱觸媒層K2中絕熱反應(yīng)，再升高到溫度460℃左右，產(chǎn)物濃度進一步提高，如氨合成為15～20％，氣體在上述冷管層K1和絕熱層K2中均為軸向流動，反應(yīng)氣出觸媒層再到換熱器E中與進塔氣1換熱即為出塔氣4出塔。圖中氣體3為調(diào)節(jié)觸媒零米溫度用的冷付線氣。
圖2為適用于高徑比較大的一種反應(yīng)器，氣體在冷管觸媒層中也為軸向流動，與
圖1不同的是觸媒筐R中的下部為徑向流動絕熱層，觸媒支承板J不開孔通氣，在觸媒筐筒體S內(nèi)側(cè)有多孔外分布筒X，在中心管I外側(cè)有同心多孔內(nèi)分布筒Y，經(jīng)過上部冷管觸媒層K1之大部分反應(yīng)氣先進入外分布筒X和筒壁S的環(huán)形空間，然后穿過外分布筒X進入絕熱層K2由外向內(nèi)成徑向流動反應(yīng)直到由內(nèi)分布筒Y進入內(nèi)分布筒Y和中心管I的環(huán)形空間，與小部分由冷管層軸向流動進入這里的反應(yīng)氣體會合，去下部換熱器E(圖中為列管式換熱器)與進塔氣1換熱后即為出塔氣4，圖2冷管膽由支承架L支承于內(nèi)筒壁S上，冷管膽Cb有二個，圖2中其它圖示和符號與
圖1相同，當然，下部絕熱層中也可設(shè)計成氣體由內(nèi)向外徑向流動。圖中分布筒有金屬絲網(wǎng)，并可設(shè)有加強支撐、隔條、噴嘴，此屬已知技術(shù)而未畫出。
圖3是一種與圖2反應(yīng)和換熱流動方式一樣的反應(yīng)器，與圖2不同的是冷管膽Cb主要由進氣管a、冷管b、連接進氣管a和冷管b的環(huán)管d1組成，由冷管b直接伸出觸媒層而出氣，故結(jié)構(gòu)簡單，加工制造方便，但圖2的冷管用環(huán)管d2連接出氣管c方便了組裝和冷管膽試壓查漏。圖3中其它圖示和符號與圖2相同。
圖4是用于改造現(xiàn)有大型氨廠的反應(yīng)器，例如Kellogg 瓶式大型氨合成塔改造為本實用新型的反應(yīng)器，圖4與圖2一樣，觸媒層上部是軸向流動逆流冷管層K1，冷管層中有多個同軸套裝的冷管膽Cb1，Cb2……(圖中只畫二個)，每個冷管膽分別由進氣管a、出氣管c、冷管b和環(huán)管d1、d2組成，進氣管a穿過內(nèi)件殼體蓋板H時可用波紋管連接，下部是軸徑向流動絕熱層K2。換熱器E安裝在反應(yīng)器上部，觸媒可由下底孔Q打開孔蓋后卸出，由底部進塔的氣流2經(jīng)外筒P和內(nèi)件之間環(huán)隙到頂部進入冷管膽內(nèi)。氣流1通過換熱器封頭U和V之間進入換熱器E的殼程間與管內(nèi)反應(yīng)氣4換熱后出換熱器與冷管膽Cb加熱后的氣體2混合，先在上部冷管觸媒層k1中反應(yīng)并與冷管b中的氣體逆流換熱，出冷管層氣體由外分布筒X進絕熱觸媒層中徑向流動反應(yīng)，再匯集在內(nèi)分布筒Y中再經(jīng)中心管I到上部換熱器E管內(nèi)與進塔氣1換熱后即為出塔氣4出塔，冷氣3進塔用于調(diào)節(jié)觸媒層零米溫度。軸徑向反應(yīng)器阻力比軸向的小，故操作空速(即入塔氣總量與觸媒體積之比)可取較大值。
圖5是本實用新型軸向塔的另一種型式，在觸媒層上部有一個軸向冷管型觸媒層K1，逆流冷管膽Cb由支承架L支承于內(nèi)件筒壁S上，緊接冷管膽Cb下部有一個集氣室W，集氣室W有管M連通到觸媒筐底部花板J，絕熱觸媒層K2的中部有一個集氣室Z，集氣室W和Z器壁上有只供氣體進入不會讓觸媒進入的許多小孔，集氣室Z經(jīng)套管N連通到換熱器E(圖中為列管式換熱器)，在觸媒筐多孔花板J和換熱器E之間有隔板G。經(jīng)換熱器E加熱的進塔氣1和經(jīng)冷管膽加熱的氣體2混合后先經(jīng)上部冷管觸媒層K1反應(yīng)，并與冷管b內(nèi)氣體逆流換熱，出冷管觸媒層的氣體一半繼續(xù)自上而下在觸媒層K2上部反應(yīng)，另一半氣體進入集氣室W中并經(jīng)連通管M到觸媒筐花板J下面空間，然后由下而上在絕熱觸媒層K2下部反應(yīng)，這二股反應(yīng)氣在絕熱層K2中對向流動到中部進入集氣室Z會合，再通過套管N和中心管I之間的環(huán)形空間向下流到隔板G下面空間，經(jīng)換熱器E管內(nèi)與管外進塔氣1換熱成出塔氣4出塔，底部進塔氣3用作調(diào)節(jié)觸媒層溫度的付線。
圖6為反應(yīng)器與塔外設(shè)備管路連接圖，其中R1為反應(yīng)器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)見
圖1-5，E2為塔外冷熱氣換熱器，E3為付產(chǎn)蒸汽鍋爐，E4為冷卻冷凝器，V1為產(chǎn)品分離器例如氨分，T1為循環(huán)機。由循環(huán)機送來的進塔氣分為三股，其中氣流1經(jīng)塔外換熱器E2加熱后進反應(yīng)器內(nèi)的換熱器再進一步加熱，氣流2進反應(yīng)器內(nèi)冷管膽吸收冷管層觸媒反應(yīng)熱，氣流1和氣流2的氣量可調(diào)節(jié)，進冷管膽的氣流2的氣量為總氣量的30～70％。氣流2的溫度可用經(jīng)過和不經(jīng)過換熱器E2的氣量比來調(diào)節(jié)，以用于根據(jù)不同觸媒使用時期調(diào)整觸媒層溫度；氣流3為調(diào)節(jié)觸媒層零米溫度用的冷付線氣，氣流4為出塔反應(yīng)氣，經(jīng)鍋爐E3回收熱量后去換熱器E2加熱入塔原料氣。圖中5為分離的產(chǎn)品如液氨或甲醇，6為弛放氣，7為補充原料氣。圖中循環(huán)機位于氨分V1與換熱器E2之間，在大型氨廠中循環(huán)機多在換熱器E2和E4之間。
在
圖1-5中的塔內(nèi)換熱器亦可設(shè)在塔外，這時圖6中經(jīng)塔外換熱器E2加熱的氣流1進反應(yīng)器R1后直接與經(jīng)冷管膽加熱的氣流2混合進觸媒層反應(yīng)。圖中氣流2亦可由外筒上部進塔，沿環(huán)隙到底部，這時冷管膽的進氣管a由底部向上。當反應(yīng)器用熱壁容器，不單獨設(shè)外筒時，進氣管a由反應(yīng)器底部或中部進口均可。
本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)比較有以下顯著優(yōu)點(1)工藝性能優(yōu)良，合成率高。圖7是由氫氮氣合成氨的反應(yīng)氣中的氨含量和相應(yīng)溫度曲線圖。圖中Te為氨合成的平衡溫度線，Tm為最佳溫度線，二者都隨反應(yīng)物濃度的提高而降低，前述Casale公司的一、二段間用冷激，二、三段間用間接換熱的反應(yīng)器操作線見實線ABCDEF，圖中虛線為Kellogg段間都用冷激的四床層氨合成塔操作曲線圖，由圖可見用冷激氣加入后反應(yīng)氣體降溫的同時氨濃也降低。這二種反應(yīng)器大部分反應(yīng)在離最佳溫度線Tm較遠工況下進行。圖8中操作線ALMN表示本實用新型氨合成反應(yīng)器情況，因反應(yīng)開始在冷管觸媒層，故隨反應(yīng)進行傳遞出部分熱量，因此達到同樣氨濃時對應(yīng)的熱點溫度L要比上述絕熱反應(yīng)線上B點低，這有利于防止觸媒過熱失活。又因逆流換熱，在經(jīng)過熱點后繼續(xù)反應(yīng)時傳給冷氣的熱量大于其間產(chǎn)生的反應(yīng)熱，故反應(yīng)溫度沿最適線下降，直到冷管層出口時的M點，這一溫度下降為下一步在絕熱層反應(yīng)創(chuàng)造了條件，又由于進冷管膽的氣流2與經(jīng)換熱器的氣流1分流，二者比例可以調(diào)節(jié)，氣流2的進口溫度可以在30～190℃范圍內(nèi)調(diào)，為控制觸媒層各點溫度提供了方便，例如在觸媒使用前期為防止熱點溫度過高可降低氣流2溫度，使出冷管氣溫低于進冷管觸媒層混合氣溫度。絕熱反應(yīng)出口達N點，由圖可見逆流冷管觸媒層和絕熱觸媒層組成的反應(yīng)器操作線更接近最佳溫度線Tm，故結(jié)果所得到的氨合成率比已有技術(shù)高，生產(chǎn)能力大，出塔氣氨含量由12-14％提高到15-20％。(2)結(jié)構(gòu)簡單可靠，安裝使用方便。現(xiàn)有一些合成反應(yīng)器多具有3個或更多個觸媒床，床層間又被分隔，或裝有換熱器，結(jié)構(gòu)復雜。本實用新型反應(yīng)器中觸媒層從冷管層到絕熱層為連在一起的單個床層，未加分隔，既顯著增加了觸媒裝量又使裝卸觸媒十分方便。每個冷管膽只有進氣管a穿過觸媒筐蓋板，可用填料函密封，或用波紋管連接，進氣管a一般設(shè)中心對稱二根，減少了密封點，結(jié)構(gòu)簡單可靠。對于大直徑反應(yīng)器可用軸向、徑向、軸徑向結(jié)合或?qū)ο蛄鞯牧鲃臃绞?，可使阻力有效降低，?jié)約電耗。
實施例下面以圖4的反應(yīng)器為例說明應(yīng)用方案。
用1000噸/日的氨合成塔外筒，內(nèi)徑2.87M，總高25M，合成壓力24MPa，應(yīng)用本實用新型改造內(nèi)件，總觸媒裝量58M3，其中上部軸向逆流冷管層用Φ4.7-6.7mm氨觸媒，裝量20M3，下部徑向絕熱層用Φ1.5-3mm氨觸媒，裝量38M3，進合成塔氣流1流量261000 NM3/h，去換熱器加熱。氣流2流量319000 NM3/h，去逆流冷管膽加熱后與氣流1混合溫度達390℃，進冷管觸媒層合成氨，熱點492℃，出冷管層溫度415℃，反應(yīng)氣氨含量由1.78％提高到15.2％，然后進徑向絕熱層進一步合成氨，出絕熱層反應(yīng)氣4溫度448℃，氨含量19.5％，進塔氣總量580000 NM3/h出塔氣總量493974 NM3/h，具體見圖8中操作線ALMN。氣體再經(jīng)塔內(nèi)換熱器與氣流1換熱，然后出塔去鍋爐回收反應(yīng)熱。反應(yīng)器壓力降0.2MPa，進出塔氣組成如下進塔氣％ 出塔氣％H265.8351.17N221.9417.06CH17.39 8.68Ar 3.06 3.59NH31.7819.50由上可見，該反應(yīng)器改造后產(chǎn)量達1567噸/日，比已有技術(shù)提高56％，氨凈值由已有技術(shù)的11.1％提高到17.72％。
權(quán)利要求1.一種用于氣固相催化放熱可逆反應(yīng)的合成反應(yīng)器，主要有外殼(P)、觸媒筐(R)和換熱器(E)，觸媒筐(R)有蓋板(H)，筒體(S)，觸媒筐(R)的底部有花板(J)支承觸媒筐中的觸媒層，其特征是觸媒層由內(nèi)帶逆流冷管膽(Cb)的冷管觸媒層(K1)和絕熱觸媒層(K2)組成，冷管膽(Cb)由進氣管(a)、冷管(b)、連接進氣管(a)和冷管(b)的環(huán)管(d1)組成，或者由進氣管(a)、冷管(b)、出氣管(c)、連接進氣管(a)和冷管(b)的環(huán)管(d1)、連接冷管(b)和出氣管(c)的環(huán)管(d2)組成，使在冷管膽(Cb)中被加熱的氣流(2)出冷管與經(jīng)換熱器(E)加熱的氣流(1)混合后在冷管(b)管外的觸媒層(K1)中反應(yīng)并與冷管(b)內(nèi)氣體逆流換熱，再進觸媒層(K2)絕熱反應(yīng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的反應(yīng)器，其特征是冷管觸媒層(K1)和絕熱觸媒層(K2)中氣體均為軸向流動。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的反應(yīng)器，其特征是冷管層(K1)中氣體為軸向流動，絕熱層(K2)中設(shè)有多孔外分布筒(X)和多孔內(nèi)分布筒(Y)供氣體徑向、軸徑向流過絕熱層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的反應(yīng)器，其特征是絕熱層(K2)中有集氣室(W)和(Z)，管(M)連通觸媒筐底部花板(J)和上部集氣室(W)，管(N)連通換熱器(E)和設(shè)于絕熱層中部的集氣室(Z)，構(gòu)成反應(yīng)氣在絕熱層(K2)中作對向流動。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其特征是觸媒筐(R)的冷管層(k1)中有一個或成同軸心套裝的數(shù)個冷管膽(Cb)，每個冷管膽具有分成不同圈徑的同軸心的多排冷管(b)。
專利摘要一種用于氣固相催化放熱可逆反應(yīng)的反應(yīng)器,其觸媒層由冷管層和絕熱層組成,冷氣在冷管內(nèi)與管外觸媒層的反應(yīng)氣逆流換熱后與來自換熱器的氣體混合先后經(jīng)冷管層和絕熱層反應(yīng),氣體在觸媒層中呈軸向、徑向或?qū)ο蛄鲃?。該反?yīng)器用于氨合成具有工藝性能優(yōu)良、氨凈值高、生產(chǎn)能力大、結(jié)構(gòu)簡單可靠的優(yōu)點。
文檔編號C01C1/04GK2288770SQ9622133
公開日1998年8月26日 申請日期1996年8月21日 優(yōu)先權(quán)日1996年8月21日
發(fā)明者樓韌, 樓壽林 申請人:樓壽林, 盧慕書, 樓韌