專利名稱：多床層軸徑向復(fù)合床間接換熱式節(jié)能型氨合成塔的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種化工生產(chǎn)裝置，特別是涉及一種氨合成塔。
背景技術(shù)：
合成氨工業(yè)是一個高能耗的工業(yè)，氨合成塔是合成氨生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備。
舊式軸向氨合成塔的缺點是壓力高氨凈值低(即合成效率低)而壓力降大(即壓縮機功耗高)。例如，從國外引進的某種大型氨合成塔的氨凈值為～10％，全塔壓降為0.6～1.0Mpa。由于合成氨工業(yè)是高能耗的產(chǎn)業(yè)，為提高生產(chǎn)效率降低成本必須將能耗降下來。新的節(jié)能型工藝的噸氨能耗已從七十年代初的1000萬大卡(41.8GJ)降至現(xiàn)在的700萬大卡(29.3GJ)。提高氨合成塔的氨凈值(即提高效率)、降低合成塔的操作壓力(即減少合成氣壓縮機的功耗)、降低合成塔的進出口壓降(即減少循環(huán)壓縮機功耗)以及提高出塔氣的溫度(即提高出塔氣的熱利用率)便成為現(xiàn)代節(jié)能型合成塔的發(fā)展方向。
為了降低能耗，必須不斷改進氨合成工藝、提高催化劑性能以及改進設(shè)備結(jié)構(gòu)。近年來新型氨合成塔技術(shù)發(fā)展大體在如下幾個方面1.降低合成壓力20世紀60年代以前氨合成壓力通常為25～30Mpa(A)，70年代大型化后氨合成壓力下降至15Mpa(A)、10Mpa(A)以至8.0Mpa(A)，由于壓力的下降，氨合成氣體壓縮功耗下降了許多；2.改進催化劑的成分結(jié)構(gòu)及活性，同時采用小顆粒催化劑，催化劑床的氣流由軸向改為徑向。
小顆粒催化劑比表面積大活性好，但相應(yīng)的氣流的阻力也增大了，為此將催化劑床改為徑向流動，使氣流阻力大大減小，因此既增加了氨合成反應(yīng)的凈值，又達到了減少阻力降低功耗的目的；3.大型氨廠采用離心式壓縮機代替往復(fù)式壓縮機將氣體升壓和打循環(huán).
由于壓縮機的改型基本上消除了帶入催化劑床的潤滑油，以及合成壓力降低，催化劑增加，空速減小，使催化劑的壽命大大延長，許多大型氨合成塔催化劑壽命已達10年以上，這樣減少了更換催化劑的次數(shù)，節(jié)省了催化劑升溫還原時間，大大地提高了氨廠的經(jīng)濟效益；4.氨合成塔結(jié)構(gòu)改造的另一方面是床間反應(yīng)氣體的溫度調(diào)節(jié)由冷氣激冷式改為由換熱器間接換熱式，使催化劑床溫度調(diào)節(jié)緩和并避免了氨的稀釋，從而提高了反應(yīng)器的效率；5.氨合成塔結(jié)構(gòu)改進的第三方面是取消后置換熱器，將末床的高溫反應(yīng)氣不經(jīng)冷卻直接引出塔外，出塔后高溫反應(yīng)氣可以副產(chǎn)10.5Mpa(A)高壓飽和蒸汽或4.0Mpa(A)中壓過熱蒸汽，提高了熱利用效率。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型技術(shù)是提供一種有效降低氣體流動阻力，且具有結(jié)構(gòu)簡單的高效氣體分布器的多床層軸徑向復(fù)合床氨合成塔。
本實用新型的多床層軸徑向復(fù)合床間接換熱式節(jié)能型氨合成塔是這樣實現(xiàn)的本實用新型的多床層軸徑向復(fù)合床間接換熱式節(jié)能型氨合成塔，第I層為軸向流動床，第II、III層為徑向流動床，；在第I、II床層和第II、III床層間裝有間接換熱器；在徑向流動床的進氣側(cè)和出氣側(cè)分別設(shè)有氣體分布器和氣體收集器。
其中第一層軸向流動床也可以為兩個并聯(lián)軸向流動床。
在第III床層后可以再增加第IV層徑向流動床，在第IV層徑向流動床進氣側(cè)和出氣側(cè)分別設(shè)有氣體分布器和氣體收集器，并在第III、IV床層間裝有間接換熱器。
上面所述的的氣體分布器及收集器均為二層結(jié)構(gòu)，其中一層為多孔圓筒，另一層為整體長孔絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)。
在具體實施本實用新型的時候所述的第I層軸向流動床中裝填少量粒徑為3～8mm的催化劑；所述的第II、III層徑向流動床中裝填量粒徑為1-3mm的小顆粒高活性催化劑。
所述的間接換熱器可以為列管式換熱器，并且可以沿合成塔軸心縱向安裝。
所述氨合成塔的工作壓力范圍在7～30Mpa之間，反應(yīng)器的直徑為φ1600～φ4000。
本實用新型由于上述的結(jié)構(gòu)特征，其使用在合成氨生產(chǎn)工藝中的效果是非常突出的1.徑向流動床的關(guān)鍵技術(shù)是氣體分布的均勻性，目前現(xiàn)有技術(shù)普遍采用的方式是3層結(jié)構(gòu)的氣體分布裝置，本實用新型采用的是兩層結(jié)構(gòu)。本實用新型上述的這種結(jié)構(gòu)既能做到氣流分布的均勻又可簡化結(jié)構(gòu)。并且本實用新型的一軸兩徑催化劑床中第I床的催化劑填裝量較少，采用氣體分布均勻的軸向流動，可以獲得接近氨合成總量50％的產(chǎn)量。這一層結(jié)構(gòu)的軸向流動，亦可再作改進設(shè)計成二層并聯(lián)結(jié)構(gòu)的軸向流動，從而可以進一步降低流體的阻力，達到節(jié)能的目的(見附圖2)。
2.由于本實用新型的氣體分布器和集氣器結(jié)構(gòu)簡單氣體分布均勻，降低了全塔壓力降，操作壓力也因此降低。
3.而且由于阻力小可采用小顆粒的高催化活性的催化劑，以及床間間接換熱器的采用，不會稀釋反應(yīng)氣體的濃度，提高了氨凈值，降低了能耗，降低了生產(chǎn)成本。
4.由于床間間接換熱器同軸的布置在塔心位置，使維修更換換熱器更方便快捷。
5.由于本實用新型的上述結(jié)構(gòu)特征，氨合成塔的系統(tǒng)操作壓力較現(xiàn)有技術(shù)大大減低。因此，可以采用離心式壓縮機代替往復(fù)式壓縮機進行氣體升壓和系統(tǒng)循環(huán)操作。而壓縮機的改型基本上消除了帶入催化劑床的潤滑油，由于氨合成塔壓力降低，催化劑增加，空速減小，催化劑的壽命得到大大延長，本氨合成塔催化劑壽命可達10年以上。由于減少了更換催化劑的次數(shù)，可以節(jié)省催化劑升溫還原時間，因而可以進一步提高氨廠的經(jīng)濟效益。
本實用新型與傳統(tǒng)的三套管式(小型廠)以及軸向冷激換熱式氨合成塔(大型廠)三者主要技術(shù)性能比較見下面的表1
表1.按本設(shè)計的1000噸氨/日大型氨合成塔與非節(jié)能型氨合成塔(小型塔與大型塔)的工藝參數(shù)比較及節(jié)能比較


附圖1為本實用新型氨合成塔主視示意圖附圖2為本實用新型第I床軸向流由一層改為二層結(jié)構(gòu)的示意圖
具體實施方式
以下結(jié)合附圖1說明本實用新型節(jié)能型氨合成塔的工作情況本實用新型的多床層軸徑向復(fù)合床氨合成塔，其反應(yīng)器直徑可以為φ1600～φ4000。
第I床為氣體軸向流動，II、III床為具有氣體分布器及集氣器的徑向流動反應(yīng)床。在第I、II床之間及II、III床之間各有一臺列管式換熱器用于反應(yīng)氣體的間接換熱，第I、II床之間的為換熱器I，第II、III床之間的為換熱器II。第I床合成反應(yīng)最為迅速，采用少量顆粒稍大的催化劑即能獲得接近于合成反應(yīng)總量50％的反應(yīng)產(chǎn)物-氨，因此采用有利于氣體均勻分布的軸向流動床，以確保此氨產(chǎn)量的獲得。此外軸向床對氣體中有害物的敏感度較小，能適應(yīng)含雜質(zhì)不同凈化度的反應(yīng)氣；第II、III床內(nèi)氣體的合成反應(yīng)較緩慢，催化劑裝填量較大，采用本實用新型設(shè)計的氣體分布器11及集氣器12，由于所述的氣體分布器11及集氣器12內(nèi)安裝有多孔筒13和絲網(wǎng)14，因此能保證氣體分布均勻，從而大幅度減小氣流阻力。并且徑向床流道面積大，流程短，氣速小，阻力小，可以采用催化活性高、粒徑為1～3mm的小顆粒催化劑，使得升溫還原反應(yīng)容易進行完全，還原后催化劑催化活性系數(shù)高，氨合成反應(yīng)內(nèi)擴散影響小，氨轉(zhuǎn)化率高。另外相鄰兩床之間采用間接換熱使得每床反應(yīng)氣體接近于催化劑反應(yīng)動力學(xué)上最佳反應(yīng)溫度，使能得到高的氨凈值，從而提高了反應(yīng)器的效率。
在第III床層后不設(shè)換熱器，能提高出塔氣溫度，出塔氣溫度可達400-450℃可以產(chǎn)生高壓飽和蒸汽或中壓過熱蒸汽，從而提高了熱利用效率。
這種多床層軸徑向復(fù)合床氨合成塔也可以在第一床層設(shè)計成兩個軸向床并聯(lián)結(jié)構(gòu)(見附圖2)，這樣可以進一步減小氣體流動阻力，動力消耗更低。
為了進一步提高氨合成塔的氨凈值，提高生產(chǎn)效率，可以將本實用新型擴展至四床層結(jié)構(gòu)即一軸-三徑三個床層間間接換熱器結(jié)構(gòu)。
優(yōu)選的，床層間的兩臺間接換熱器同軸布置在塔中心的上中部，這樣當(dāng)需要維修換熱器時不必將整個內(nèi)件取出，可以只取出需要維修的換熱器，從而方便了檢修工作。
本實用新型在合成氨生產(chǎn)工藝中的流程是這樣的如圖1所示，整個合成塔內(nèi)件1放入合成塔高壓外殼2內(nèi)，合成原料氣從塔底入口(A)進入，通過內(nèi)件1底部裙座開孔進入內(nèi)件與高壓殼體之間的環(huán)隙3，入塔氣經(jīng)環(huán)隙3到達塔上部從中心管4向下進入換熱器II管程，用以冷卻第II床反應(yīng)后的氣體(在殼程流動)，其氣體本身被加熱。
經(jīng)過一次加熱后的原料氣向上再進入換熱器I的管程用以冷卻第I床反應(yīng)后的氣體(在殼程流動)，同時其本身被二次加熱到第I床催化劑反應(yīng)所需溫度后進入第I床，在第I床氣體作軸向向下流動，原料氣經(jīng)絕熱反應(yīng)生成氨。
溫度升高后的反應(yīng)氣體出第I床進入環(huán)隙5、再進入換熱器I的殼程被管程入塔氣冷卻到第II床入口溫度后，進入環(huán)隙6，氣體從環(huán)隙6通過第II床的氣體分布器11均勻地進入第II床，在第II床中氣體徑向流過催化劑床，繼續(xù)作絕熱反應(yīng)生成氨。然后，反應(yīng)氣進入第II床集氣器12，均勻地流出進入環(huán)隙7。
反應(yīng)氣通過環(huán)隙7后進入換熱器II殼程，被換熱器II管程的入塔氣冷卻后進入環(huán)隙8，氣體從環(huán)隙8通過第III床的氣體分布器11均勻地進入第III床作徑向流動并絕熱反應(yīng)進一步合成生成氨。溫度升高后從第III床集氣器12均勻地流出進入環(huán)隙9后，流入出氣管10，在高溫下經(jīng)出口(B)出塔。
管口C為調(diào)節(jié)I床催化劑反應(yīng)溫度的副線接口，管口D為調(diào)節(jié)第二床催化劑反應(yīng)溫度的副線接口。
附圖2為第I床軸向流由一層改為二層并聯(lián)軸向流的結(jié)構(gòu)示意圖。
這種結(jié)構(gòu)的氣體流向與附圖1比較，僅I層床略有不同，即入塔氣體在換熱器I的管內(nèi)被加熱，并從其上部管板上的管口出來后，分別進入催化劑Ia床及Ib床。進入Ia床的入塔氣體即向下軸向流動，經(jīng)床層下部篦子板集氣后流入內(nèi)側(cè)環(huán)隙5；進入Ib床的入塔氣體首先進入內(nèi)件外殼與Ia催化劑床外壁的環(huán)隙15，然后流向Ib催化劑床層的頂部空間，均勻地自上而下流經(jīng)Ib催化劑床層，經(jīng)底部篦子板后亦流入環(huán)隙5，兩部分氣體在環(huán)隙5內(nèi)匯合后向上流動進入換熱器I的殼程，其后的氣體流動同附圖1。
權(quán)利要求1.一種多床層軸徑向復(fù)合床間接換熱式節(jié)能型氨合成塔，其特征在于所述的氨合成塔的第I層為軸向流動床，第II、III層為徑向流動床；在第I、II床層和第II、III床層間裝有間接換熱器；在徑向流動床的進氣側(cè)和出氣側(cè)分別設(shè)有氣體分布器和氣體收集器。
2.如權(quán)利要求1所述的多床層軸徑向復(fù)合床間接換熱式節(jié)能型氨合成塔，其特征在于第I層的軸向流動床為壹個軸向流動或兩個并聯(lián)軸向流動床。
3.如權(quán)利要求1所述的多床層軸徑向復(fù)合床間接換熱式節(jié)能型氨合成塔，其特征在于在第III床層后再增加第IV層徑向流動床，在第IV層徑向流動床進氣側(cè)和出氣側(cè)分別設(shè)有氣體分布器和氣體收集器，并在第III、IV床層間裝有間接換熱器。
4.如權(quán)利要求1所述的多床層軸徑向復(fù)合床間接換熱式節(jié)能型氨合成塔，其特征在于所述的第I層軸向流動床中裝填少量粒徑為3～8mm的催化劑；所述的第II、III層徑向流動床中裝填粒徑為1～3mm的小顆粒高活性催化劑。
5.如權(quán)利要求1所述的多床層軸徑向復(fù)合床間接換熱式節(jié)能型氨合成塔，其特征在于所述的間接換熱器為列管式換熱器。
6.如權(quán)利要求1所述的多床層軸徑向復(fù)合床間接換熱式節(jié)能型氨合成塔，其特征在于所述的間接換熱器沿合成塔軸心縱向安裝。
7.如權(quán)利要求1所述的多床層軸徑向復(fù)合床間接換熱式節(jié)能型氨合成塔，其特征在于所述的氨合成塔的工作壓力范圍在7～30Mpa之間，反應(yīng)器的直徑為φ1600～φ4000。
8.如權(quán)利要求1～7之一所述的多床層軸徑向復(fù)合床間接換熱式節(jié)能型氨合成塔，其特征在于所述的氣體分布器及收集器均為二層結(jié)構(gòu)，其中一層為多孔圓筒，另一層為整體長孔絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)。
9.如權(quán)利要求8所述的多床層軸徑向復(fù)合床間接換熱式節(jié)能型氨合成塔，其特征在于第一層為軸向流動床也可為兩個并聯(lián)軸向流動床；在第III床層后再增加第IV層徑向流動床，在第IV層徑向流動床進氣側(cè)和出氣側(cè)分別設(shè)有氣體分布器和氣體收集器，并在第III、IV床層間裝有間接換熱器；所述的間接換熱器為列管式換熱器，并且同軸布置在沿合成塔軸心縱向安裝；所述的第I層軸向流動床中裝填少量粒徑為3～8mm的催化劑；所述的第II、III層徑向流動床中裝填粒徑為1～3mm的小顆粒高活性催化劑；所述氨合成塔的工作壓力范圍在7～30Mpa之間，反應(yīng)器的直徑為1600～4000。
專利摘要本實用新型屬于化工設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，是一種多床層軸徑向復(fù)合床間接換熱式節(jié)能型氨合成塔。本實用新型綜合了軸向床氣流分布均勻及徑向床氣體流動阻力小的特點，采用有利于使用小顆粒催化劑的一軸二徑結(jié)構(gòu)。第Ⅰ床可為一個軸向流動床，也可為二個并聯(lián)的軸向流動床以減小流體阻力。在Ⅱ、Ⅲ(徑向)床中采用二層結(jié)構(gòu)的氣體分布器及氣體收集器使氣體均勻流過催化劑床，阻力很小，全塔壓力降和操作壓力較現(xiàn)有技術(shù)都大大降低。上述每相鄰兩床之間采用間接換熱使得每床反應(yīng)氣體接近于催化劑反應(yīng)動力學(xué)上最佳反應(yīng)溫度，使能得到高的氨凈值，從而提高了反應(yīng)器的效率。本實用新型可以廣泛應(yīng)用于合成氨工藝中。
文檔編號C01C1/00GK2751016SQ20042005832
公開日2006年1月11日 申請日期2004年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月9日
發(fā)明者伍宏業(yè), 邱文炳 申請人:中國寰球工程公司