專利名稱：氨合成塔的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型的內(nèi)容為中小氨廠高效節(jié)能型合成塔。是一種化學(xué)工程單元操作設(shè)備。它應(yīng)用于氨的合成；也可應(yīng)用于甲醇的合成。
傳統(tǒng)的氨合成塔是軸向觸媒層，層內(nèi)埋有冷管，以移去反應(yīng)熱，維持觸媒層溫度在適宜范圍。近代大型氨合成塔發(fā)展的趨向則是多段徑向觸媒層，每層絕熱反應(yīng)，層間以冷激或間接換熱降溫。如丹麥Topsoe公司的徑向氨合成塔，瑞士Casale公司的軸徑向氨合成塔。其優(yōu)點是可以采用小顆粒觸媒，提高觸媒的活性，并同時降低觸媒層的阻力。上列情況如Umberto Zardi,Review these developments inammonia and methanol reactors,Hydrocaron Processing,Vol.61,No.8,P129－133(1982)一文所述。
傳統(tǒng)的軸向氨合成塔由于阻力過大，故限制了其能力的發(fā)揮。近代大型氨合成塔的直徑達(dá)2.0～3.2m，其徑向觸媒層較厚，且可方便地在塔內(nèi)設(shè)置氣體分布器和處理復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。我國中小型氨廠合成塔的直徑通常為600mm、800mm和1000mm；由于塔徑小，采用徑向觸媒層便受到了極大的約束。
本實用新型的目的在從中小型氨合成塔的特點出發(fā)，改進(jìn)其結(jié)構(gòu)，以解決傳統(tǒng)軸向塔阻力過大的缺點；又不套用大型徑向塔，避免在實施中產(chǎn)生的高難度，及由此而產(chǎn)生的相反效果。
本實用新型是軸向觸媒層而不是徑向觸媒層；但不同于傳統(tǒng)的軸向氨合成塔。傳統(tǒng)的軸向氨合成塔觸媒筐頂部為一段絕熱層，其下部為冷管層，冷管層為氣體反應(yīng)的主層，全氣量通過所有觸媒層；觸媒層是全塔阻力主要所在之處。
本實用新型的結(jié)構(gòu)特點是增加塔的流通斷面；減少通過同一斷面氣體的流通量；根據(jù)觸媒所處位置合理選擇其粒度；改善觸媒層的溫度分布狀況；在簡化結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上同時提高其效率。
本實用新型有兩種實施方法。
第一種方法觸媒筐頂部為兩段(或三段)絕熱層，層間采用平鈑式冷激氣分布盒，其下才是冷管層。
兩段絕熱層由于其內(nèi)無冷管，氣體流通斷面相應(yīng)增大；而且第一絕熱層尚不是全氣量通過，故這兩段絕熱層的阻力較低。兩段絕熱層之下才是冷管層；冷管可以是三套管、單管并流或雙套管；由于氣體經(jīng)兩段絕熱層后，到冷管層的反應(yīng)速度已經(jīng)緩慢了，故觸媒粒度對其活性的影響也隨之削弱，從而這一層觸媒的粒度可以適當(dāng)放大，以避免出現(xiàn)過高的阻力。另外，由于這一冷管層已遠(yuǎn)較傳統(tǒng)的軸向塔內(nèi)的冷管層短，這一點也使得這一觸媒層的阻力下降。冷管內(nèi)由于氣體流通量減少，再加上冷管縮短的因素，故阻力也下降得很多。這樣，全塔的阻力便可以保持在較低的范圍。由于第一絕熱層內(nèi)氣體流通量較少，故可使溫度上升得較快；氣體出第一絕熱層經(jīng)冷激后在第二絕熱層溫度又回復(fù)到適宜范圍；在冷管層由于反應(yīng)速度已經(jīng)緩慢，冷管需移出的熱量不多，故可使這一層的溫度由高到低緩緩下降，保持在最適宜范圍。所以，就觸媒層的溫度分布狀況而言，這一方法較之傳統(tǒng)的軸向氨合成塔為好，比近代的徑向氨合成塔更佳；加之冷管層的負(fù)荷較低，故操作彈性很大，在寬廣的操作條件下均能保證具有很高的氨凈值。
平鈑式冷激氣分布盒不同于英國ICI公司的菱形式冷激氣分布器。菱型式冷激氣分布器的形狀在滿足大直徑塔對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求；它本身具有足夠空間以迫使反應(yīng)后熱氣體向器內(nèi)集中而加強(qiáng)與冷激氣混勻的效果；它與內(nèi)筒壁和中心管之間留有足夠間隙以便于觸媒的填裝。這樣，菱型式冷激氣分布器便很難應(yīng)用于中小型氨合成塔。平鈑式冷激氣分布盒也不同于丹麥Topsoe公司，瑞士Casale公司和美國Kellogg公司等僅以簡單的盤管分布冷激氣。那樣，在中小型氨合成塔內(nèi)不能保證冷熱氣體的均勻混合。平鈑式冷激氣分布盒為兩塊多孔平鈑組成一個盒子，它延伸于整個塔的斷面，上面的多孔平鈑又是觸媒的托篦，與下面的多孔平鈑連成一體，這樣的結(jié)構(gòu)很宜于加強(qiáng)平鈑的強(qiáng)度；盒內(nèi)置冷激盤管，盤管上開小孔，冷激氣由此噴出，冷熱氣體在盒內(nèi)的混合和分布非常均勻；它所占的空間?。挥|媒則可逐層填裝，也很方便。平鈑式冷激氣分布盒非常適宜于中小型氨合成塔。


圖1為第一種方法的簡圖。
1——外殼2——觸媒筐3——換熱器4——開工電爐5——入氣口6——配氣盒7——冷管8——第一段絕熱層9——冷激氣入口10——平鈑式冷激氣分布盒
11——第二段絕熱層12——冷管層13——出氣口14——副線進(jìn)氣口
圖1所示為一具有高壓外殼(1)、觸媒筐(2)、換熱器(3)和開工電爐(4)組成的氨合成塔。氣體自入氣口(5)進(jìn)入外殼(1)和內(nèi)筒間的環(huán)隙，從下部進(jìn)入換熱器(3)的管間，再經(jīng)配氣盒(6)的下層進(jìn)入冷管(7)的內(nèi)冷管，折入內(nèi)外冷管的環(huán)隙，流入配氣盒的上層，再經(jīng)盛有開工電爐(4)的中心管，然后經(jīng)第一段絕熱層(8)反應(yīng)，溫度隨之升高，冷激氣由冷激氣入口(9)送入平鈑式冷激氣分布盒(10)內(nèi)盤管，由盤管上小孔噴出，與反應(yīng)后的熱氣體在平鈑式冷激氣分布盒(10)內(nèi)均勻混合和分布，使反應(yīng)后的熱氣體溫度下降，再依次經(jīng)第二段絕熱層(11)及冷管層(12)繼續(xù)反應(yīng)，并依靠冷管保持觸媒溫度于最適宜范圍，最終反應(yīng)后的氣體經(jīng)換熱器(3)管內(nèi)從出氣口(13)流出；第一絕熱層入口溫度可籍從副線進(jìn)氣口(14)送入的副線氣調(diào)節(jié)。
第二種方法觸媒筐內(nèi)沒有冷管層，全部系三段(或四段)絕熱層組成。第一、第二段絕熱層為單層，第三段絕熱層為雙層并聯(lián)。兩段絕熱層之間仍采用平鈑式冷激氣分布盒降溫。
在絕熱層內(nèi)無冷管，氣體的流通斷面大；而且第一、第二段絕熱層均不是全氣量通過，故這兩段絕熱層的阻力是很低的；第三段絕熱層雖系全氣量通過，觸媒層也高，由于把它分為了雙層并聯(lián)，阻力大為下降；故即使采用小顆粒觸媒，全塔的阻力也很低；這種單層與雙層并聯(lián)的結(jié)合，又可簡化設(shè)備結(jié)構(gòu)。由于第一絕熱層內(nèi)氣體流通量更少，故可使溫度上升得更快；氣體出第一、第二絕熱層經(jīng)冷激后又可使以后的反應(yīng)溫度回復(fù)到適宜范圍；所以，就觸媒層的溫度分布狀況而言也是合理的。特別是結(jié)構(gòu)更為簡單，觸媒在塔內(nèi)的填充系數(shù)大；這樣，就能補(bǔ)償冷激帶來沖淡已經(jīng)反應(yīng)后氣體氨濃度這一因素，從而保證具有高的氨凈值。
圖2為第二種方法的簡圖。
15——外殼16——觸媒筐17——換熱器18——開工電爐19——入氣口20——第一段絕熱層21——第一段冷激氣入口22——第一段平鈑式冷激氣分布盒23——第二段絕熱層24——第二段冷激氣入口25——第二段平鈑式冷激氣分布盒26——第三段絕熱層上部27——連通管28——第三段絕熱層下部29——集氣管30——出氣口31——副線進(jìn)氣口圖2中所示亦為一具有高壓外殼(15)、觸媒筐(16)、換熱器(17)和開工電爐(18)組成的氨合成塔。氣體自入氣口(19)進(jìn)入外殼(15)和內(nèi)筒間的環(huán)隙，從下部進(jìn)入換熱器(3)的管間，再經(jīng)盛有開工電爐(18)的中心管，然后經(jīng)第一段絕熱層(20)反應(yīng)，溫度隨之升高，第一段冷激氣由第一段冷激氣入口(21)送入第一段平鈑式冷激氣分布盒(22)內(nèi)盤管，由其上之小孔噴出，使反應(yīng)后之熱氣體溫度下降，再進(jìn)入第二段絕熱層(23)繼續(xù)反應(yīng)，溫度隨之再次升高，第二段冷激氣由第二段冷激氣入口(24)送入第二段平鈑式冷激氣分布盒(25)內(nèi)盤管，以再次降低反應(yīng)后熱氣體的溫度，然后一部分氣體由上而下進(jìn)入第三段絕熱層上部(26)，另一部分氣體經(jīng)連通管(27)由下而上進(jìn)入第三段絕熱層下部(28)，兩部分氣體在第三段絕熱層內(nèi)最終反應(yīng)后于集氣管(29)內(nèi)匯合，由熱交換器(3)管內(nèi)從出氣口(30)流出；第一段絕熱層(20)進(jìn)口溫度可籍從副線進(jìn)氣口(31)送入的副線氣調(diào)節(jié)。
本實用新型的目的在提供一種新的結(jié)構(gòu)，特別適用于直徑600mm、800mm和1000mm等中小型氨合成塔。其突出的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單可靠、維修易、壽命長；操作簡便、彈性大；能力高；按第一種方法實施，觸媒填充系數(shù)約為50～52％，阻力約為0.5～0.6MPa，氨凈值可以達(dá)到14～16％；接第二種方法實施觸媒填充系數(shù)約為56～50％，阻力約為0.2～0.3MPa，氨凈值可以達(dá)到14～15％。
在相當(dāng)?shù)呢?fù)荷和操作條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，氨凈值越高，標(biāo)志著反應(yīng)的效率越高，塔的阻力越低，標(biāo)志著能耗越低；而高的氨凈值將使得在整個氨的合成工序中節(jié)約冷卻水和冷凍量，增加所產(chǎn)蒸汽；并同時減少循環(huán)氣量和系統(tǒng)的阻力；最終均反映在能量的節(jié)約。
本實用新型與傳統(tǒng)的軸向氨合成塔比較，能力約可以提高25～50％；在此基礎(chǔ)上氨凈值約可以增加2～3％，塔阻力約可以降低0.6～1.2MPa；與此相對應(yīng)，每生產(chǎn)1000kg氨約可節(jié)約能耗8～10GJ。
氨合成塔在較高的負(fù)荷下以按本實用新型第一種方法實施較好；氨合成塔在更高的負(fù)荷下以按本實用新型第二種方法實施較好。
權(quán)利要求一種立式軸向流動的氨合成塔，其特征在于觸媒分為三段或四段；除最后一段外，其余各段為絕熱層，最后一段可以為絕熱層，也可以為冷管層；各絕熱段之間為平鈑式冷激氣分布盒，通冷激氣與反應(yīng)后之熱氣體在此混合降溫；前面各絕熱段采用單層，后面各絕熱段采用雙層；平鈑式冷激氣分布盒由兩塊多孔平鈑組成一個盒子，它延伸于整個塔的斷面，上面的多孔平鈑又是觸媒的托篦，與下面的多孔平鈑連成一體；盒內(nèi)置冷激盤管，盤管上開小孔，冷激氣由此噴出；冷熱氣體在盒內(nèi)均勻混合并分布。
專利摘要本實用新型是中小氨廠高效節(jié)能型合成塔；是一種化學(xué)工程單元操作設(shè)備。特別適用于直徑600、800和1000mm的中小型氨合成塔；也可用于甲醇合成塔。本實用新型有兩種實施方法第一種方法觸媒筐頂部為兩段絕熱層，段間采用平鈑式冷激氣分布盒降溫，其下才是冷管層；第二種方法觸媒筐為三段絕熱層，第一、第二段為單層，第三段為雙層并聯(lián)，段間亦采用平鈑式冷激氣分布盒降溫。本實用新型與傳統(tǒng)的軸向塔比較，能力約可提高25～50％，氨凈值約可增加2～3％，塔阻力約可下降0.6～1.2MPa；每生產(chǎn)1000kg氨約可節(jié)約能耗8～10GJ。
文檔編號B01J8/04GK2095710SQ9021440
公開日1992年2月12日 申請日期1990年8月4日 優(yōu)先權(quán)日1990年8月4日
發(fā)明者郭春霞 申請人:郭春霞