專利名稱:合成轉(zhuǎn)化器的制作方法
本發(fā)明是關(guān)于一個(gè)放熱的、催化反應(yīng)轉(zhuǎn)化器，更具體地說，本發(fā)明是關(guān)于在高活性、低溫合成催化劑下合成氨或合成甲醇的轉(zhuǎn)化系統(tǒng)。
一般地說，氨的合成主要是在340℃至530℃和70kg/cm2以內(nèi)的壓力下，在鐵催化劑下進(jìn)行，而甲醇合成主要是在溫度高達(dá)450℃，壓力高達(dá)150kg/cm2，在鋅催化劑存在下進(jìn)行，一般這些合成反應(yīng)是在大型的、單獨(dú)的高壓反應(yīng)器中進(jìn)行，反應(yīng)器中排列有串連和/或并連的2至6個(gè)催化劑床，以及配有用直接熱交換器或直接引入冷卻氣體的方法來冷卻內(nèi)部床上的部分轉(zhuǎn)化的合成反應(yīng)氣的設(shè)備。催化劑床以軸向，徑向，或與氣流反向的方向排列，一般，對于高溫，高壓合成條件要求反應(yīng)器是雙殼層，這是為了使冷卻氣體在殼路中循環(huán)，冷卻外部壓力殼。
上述的典型轉(zhuǎn)化器不適用于范圍為150℃至435℃的低溫下，活性非常高的合成催化劑，也不適用于操作壓力在15kg/cm2和150kg/cm2之間的現(xiàn)代合成回路中，這是由于它的體積龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜和成本昂貴。
按照本發(fā)明的合成轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，提供了至少第一和第二壓力容器，每一個(gè)容器都有頂部曲面封頭和底部曲面封頭，它們是在邊緣或端部處連接在一起的，每一個(gè)容器都有一個(gè)單獨(dú)的水平的，絕熱的，布滿容器中部的催化劑床，頂部設(shè)有氣體入口和底部設(shè)有氣體出口，合成氣體垂直向下流過催化劑床，在第一壓力容器和第二壓力容器之間至少裝有一個(gè)間接的水流式交換器，以冷卻離開第一容器的部分合成氣體，然后再進(jìn)入第二壓力容器。
圖1具體地描述了本發(fā)明的裝置，其中的合成轉(zhuǎn)化器包括和一個(gè)中間的間接熱交換器。
圖2具體地描述了本發(fā)明的裝置，其中的合成轉(zhuǎn)化器有四個(gè)和中間的間接熱交換器。
圖3具體地描述了本發(fā)明的裝置，其中頂部和底部的曲面封頭是半球形的封頭，將它們的邊緣部位焊接在一起。
圖4具體地描述了本發(fā)明的裝置，其中的頂部和底部為半橢圓形的曲面封頭，將它們的邊緣部位焊接在一起。
每個(gè)壓力容器的催化劑床的側(cè)面至少被一個(gè)曲面封頭限定。最為理想的是兩個(gè)曲面封頭的大小，形狀基本相同，而催化劑床是在容器的中部，催化劑床與兩個(gè)封頭邊緣的內(nèi)表面接觸。催化劑床是通過一個(gè)橫貫容器中部的帶有微孔的，水平的，平面板來支撐著。在催化劑床以上或以下的壓力容器內(nèi)要求有足夠的空間，以便使進(jìn)入的氣體進(jìn)行良好的分配。
對于具體的裝置，使用于轉(zhuǎn)化器中的壓力容器數(shù)目，很大程度上取決于催化劑成本和設(shè)備成本的平衡，但是一般是2到4個(gè)壓力容器，在本發(fā)明中，優(yōu)選的數(shù)目目是三個(gè)排列成氣流串連的壓力容器，而且在每個(gè)鄰近的容器之間有一個(gè)熱交換器。因?yàn)榍耙粋€(gè)容器的反應(yīng)速率比下一個(gè)容器的反應(yīng)速率高，因此每一容器內(nèi)的催化劑層逐漸加高。
參照圖1，對發(fā)明進(jìn)行具體的說明，其中合成轉(zhuǎn)化器包括有三個(gè)完整的壓力容器和一個(gè)中間的間接熱交換器，描述一下有關(guān)氨的合成操作系統(tǒng)。送入轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的氨合成氣從管線3送入轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，從第一壓力容器4A的頂部入口進(jìn)入，然后垂直向下流過催化劑床，其中一部分合成氣被絕熱地轉(zhuǎn)化為氨，通過管線17從容器4A的底部出口排出。
來自第一壓力容器4A，熱的部分轉(zhuǎn)化的氣體進(jìn)入到第一間接熱交換器19的熱側(cè)入口18，并且由熱交換器中管20垂直上流的鍋爐給水進(jìn)行冷卻。
來自第一熱交換器側(cè)出口21的冷卻了的部分轉(zhuǎn)化氣體，通過管線22進(jìn)入第二壓力容器4B的頂部入口，向下流過催化劑床，使另一部分合成氣體絕熱地轉(zhuǎn)化為氨，然后從容器4B底部的出口進(jìn)入管線23。
從第二壓力容器4B來的熱的，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化了的氣體，進(jìn)入第二熱交換器25熱側(cè)入口24，并且用鍋爐給水冷卻，該鍋爐給水是沿著熱交換器內(nèi)管20向上流動。
上述的第一和第二熱交換器是殼體和列管型的結(jié)合式熱交換器。該結(jié)合式熱交換器殼體側(cè)面有一個(gè)流體密封26，它把殼體或合成氣側(cè)分為第一熱交換器和第二熱交換器。流體密封26類似于管板，但是它不必進(jìn)行壓力密封，這是因?yàn)閺牡谝粺峤粨Q器適當(dāng)泄漏到第二熱交換器的量可以忽略不計(jì)。第二間接熱交換器25有一個(gè)引入鍋爐給水的冷側(cè)入口27，當(dāng)鍋爐給水向上通過管20時(shí)，被加熱成蒸汽，然后從第一間接熱交換器19的冷側(cè)出口28排出。
來自第二間接熱交換器25熱側(cè)出口29的冷卻了的，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化了的氣體，通過管線30進(jìn)入第三壓力容器4C的頂部，垂直向下通過催化劑床，此時(shí)，合成氣進(jìn)一步地、絕熱地轉(zhuǎn)化為氨，然后從容器4C底部出口排出，通過管線31進(jìn)入氨回收系統(tǒng)中。
圖1中壓力容器4A，4B和4C是被支撐在裙座結(jié)構(gòu)32上，而裙座又支撐在水平的地基上，與傳統(tǒng)的氨轉(zhuǎn)化器比較，由于單個(gè)壓力容器小而輕，所以便于載運(yùn)，根據(jù)合成氨工廠的建設(shè)計(jì)劃可在任何方便的時(shí)間內(nèi)安裝。
圖2是本發(fā)明的具體實(shí)施，其中的合成轉(zhuǎn)化器是用在大約每天生產(chǎn)能力為1400公噸的大型合成氨工廠，它有4個(gè)壓力容器和中間熱交換器。
圖2中的參考標(biāo)號基本上與圖1中的作用相同，只有以下的附加部分。
氨合成氣首先通過管線1進(jìn)入加料/排出熱交換器2的冷側(cè)，而使氣體予熱到合成溫度。予熱的合成氣進(jìn)入如圖1所描述的轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，而后從壓力容器4C排出的轉(zhuǎn)化氣體在加料/排出交換器2中被冷卻，而后在壓力容器4D中進(jìn)一步轉(zhuǎn)化，最后通過管線33進(jìn)入氨的回收系統(tǒng)。
如圖1一樣，圖2中壓力容器4A-D是被支撐在裙座結(jié)構(gòu)32上，而且是每二個(gè)重疊在一起，以節(jié)約占地面積。
圖3具體地說明本發(fā)明的壓力容器，其中的頂部曲面封頭5和底部曲面封頭6是球型的，在它們的邊緣7處焊接在一起。合成氣入口8和氣體分配器9是安裝在頂部曲面封頭上，并在容器的垂直軸線上。氣體分配器有一系列的空間環(huán)板，以使通過頂部空間流過均勻氣體，該頂部空間是由頂部封頭的內(nèi)側(cè)和催化劑床10的頂表面所確定。氣體分配器可以拆卸以便于使入口8，在檢查或裝填催化劑時(shí)，作為人孔使用。
催化劑床10是用鋼網(wǎng)支撐著，而鋼網(wǎng)又被一個(gè)多孔，水平的支撐板11支撐、該支撐板被一個(gè)固定在底部曲面封頭上的環(huán)12所支撐，催化劑床含有一個(gè)用粗糙的惰性材料而墊襯的高活性合成催化劑層，并且在壓力容器的中部水平地鋪滿一直到曲面封頭相連的內(nèi)表面，被頂環(huán)14支撐的一個(gè)多孔平板氣體分配板13是活動安裝在催化劑床的上方，以均勻分配來自頂部空間而進(jìn)入催化劑床的氣體。離開催化劑層的部分轉(zhuǎn)化氣體通過支撐板11而進(jìn)入下部的空間，該空間是由底部曲面封頭和催化劑床的底表面而確定的，通過出口15離開容器。
圖4是本發(fā)明中的壓力容器的具體說明，其中頂部曲面封頭5和底部曲面封頭6是橢園形的和邊緣式的封頭。除了空間的體積不同之外，圖4容器的部件都與圖3相同。
權(quán)利要求
1.合成轉(zhuǎn)化系統(tǒng)包括有(a)第一和第二壓力容器，每一個(gè)所說的壓力容器有頂部曲面封頭和底部曲面封頭，它們在邊緣處相連接，氣體入口裝在頂部曲面封頭上，一個(gè)含有合成催化劑絕熱的催化劑床水平地安裝在壓力容器的中部而且鋪滿在壓力容器的內(nèi)部橫截面上，所說的催化劑床的底表面被一個(gè)多孔的平板橫向支撐而限定，該支撐擴(kuò)展到壓力容器的橫截面上，而支撐的水平端部至少被一個(gè)曲面封頭限定，所說的催化劑床頂表面與頂部封頭內(nèi)表面和氣體入口，以流體連接和所說的催化劑床的底表面與底部封頭內(nèi)表面和氣體出口以流體連接。(b)第一非直接熱交換器有一個(gè)熱側(cè)入口和一個(gè)熱側(cè)出口，熱側(cè)入口是以流體與第一壓力容器出口連接而熱側(cè)出口是以流體與第二壓力容器氣體入口相連接。
2.權(quán)利要求
1中的轉(zhuǎn)化器，其中頂部和底部曲面封頭是球形封頭。
3.權(quán)利要求
1中的轉(zhuǎn)化器，其中頂部和底部的曲面封頭是橢園形和邊緣形的封頭。
4.權(quán)利要求
2或3中轉(zhuǎn)化器，具有三個(gè)壓力容器，第三個(gè)壓力容器有頂部曲面封頭和底部曲面封頭，它們在邊緣處連接，氣體入口裝在底部曲面封頭上，一個(gè)含有合成催化劑的，絕熱的催化劑床水平地安裝在第三壓力容器的中部，并且鋪滿在第三容器的橫截面上，所說的催化劑床，它的底部表面被多孔的，平面的橫向延伸到第三壓力容器上的支架所固定，它的水平端部至少被一個(gè)曲面封頭固定，所說的催化劑床頂表面是以流體與曲面封頭的內(nèi)表面和氣體入口相連接，所說的催化劑床底表面是以流體與底部曲面封頭的內(nèi)表面和氣體出口相連接，此外，轉(zhuǎn)化器含有第二間接熱交換器，它具有熱側(cè)入口和熱側(cè)出口，第二間接熱交換器的熱側(cè)入口是以流體與第二壓力容器出口相連接;第二熱交換器出口是以流體與第三壓力容器入口相連接。
5.權(quán)利要求
4中的轉(zhuǎn)化器，其中第一和第二間接熱交換器是具有冷側(cè)入口和冷側(cè)出口的單元式熱交換器。
6.權(quán)利要求
5中的轉(zhuǎn)化器，其中結(jié)合式熱交換器的冷側(cè)入口是水的入口而結(jié)合式熱交換器冷側(cè)出口是蒸汽出口。
專利摘要
合成轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，含有球形或橢圓形的熱壁壓力容器和催化劑床，其中在壓力容器中間至少有一個(gè)熱交換器。
文檔編號B01J8/04GK85106751SQ85106751
公開日1987年3月11日 申請日期1985年9月9日
發(fā)明者喬治·鮑斯, 斯蒂芬·A·諾埃, 瓦拉·D·佩特爾 申請人:凱洛格總公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan