專利名稱:合成反應(yīng)器及其應(yīng)用的制作方法
本發(fā)明是關(guān)于合成反應(yīng)器和用它來(lái)進(jìn)行氣固相催化合成反應(yīng)的工藝過(guò)程，特別是對(duì)氨和甲醇的合成。
在放熱催化合成反應(yīng)中，必須移走合成反應(yīng)器催化床中的反應(yīng)熱，即對(duì)反應(yīng)的溫度要加以控制，避免不利的副反應(yīng)發(fā)生和燒壞觸媒。通常采用下列三種方式之一加以控制(a)在催化床中安裝能連續(xù)換熱的冷管，讓冷的合成氣通過(guò)冷管內(nèi)，帶走催化床的熱量，這種稱之為連續(xù)內(nèi)部換熱式;(b)合成氣在催化床中進(jìn)行絕熱反應(yīng)以后，再通過(guò)兩催化床之間的間接式熱交換器移走反應(yīng)產(chǎn)生的熱量，稱為中間間接換熱式;(c)讓合成氣在催化床中進(jìn)行絕熱反應(yīng)以后，再將冷的合成氣體與熱的反應(yīng)氣體在兩催化床間混合，降低了氣體的溫度，再進(jìn)入下一催化床繼續(xù)進(jìn)行反應(yīng)，稱為直接換熱式。(c)種合成反應(yīng)器由于調(diào)溫方便，並能在較低的壓力下使用，在美國(guó)專利3475136(1969年10月)中對(duì)它有詳細(xì)的描述。
按美國(guó)專利3475136所描述的這種合成反應(yīng)器是應(yīng)用于日產(chǎn)1千噸以上的合成氨廠中，反應(yīng)器為圓柱形，由承壓外筒和內(nèi)件組成，內(nèi)件和外筒內(nèi)壁有一環(huán)隙，內(nèi)件至少有一個(gè)催化床，有一列管熱交換器裝在最上一個(gè)催化床之上，熱交換器可以拆下維修，催化床之間有低溫調(diào)節(jié)氣噴頭，從噴頭噴出的低溫調(diào)節(jié)氣通過(guò)氣體導(dǎo)流板和布?xì)獍迮c熱氣體混合后進(jìn)入下一催化床，導(dǎo)流板與多孔的支承觸媒的凹形篩板一起固定在內(nèi)件壁上，觸媒的裝卸是通過(guò)篩板上安裝的導(dǎo)管和通過(guò)外筒、內(nèi)件、及篩板上的人孔來(lái)進(jìn)行裝卸，不用將內(nèi)件吊出，本反應(yīng)器適于低壓150巴的條件下生產(chǎn)。
該反應(yīng)器的流程為合成氣由下部通入反應(yīng)器向上經(jīng)過(guò)內(nèi)外筒之間的環(huán)隙進(jìn)入列管熱交換器管間間接換熱。預(yù)熱后的合成氣向下通過(guò)一、二、三、四層催化床，反應(yīng)后的熱反應(yīng)氣從中心管向上進(jìn)入列管熱交換器的管內(nèi)，再?gòu)姆磻?yīng)器頂部出口排出。第一催化床上和各催化床間有氣體噴頭，噴出低溫合成氣調(diào)節(jié)反應(yīng)后的熱反應(yīng)氣體溫度。
以上直接換熱式合成反應(yīng)器的技術(shù)目前僅應(yīng)用在1000噸/日以上的合成氨和甲醇的合成反應(yīng)器上，由于它工作壓力低、觸媒體積大，存在有觸媒利用系數(shù)低、氨凈值不夠高，反應(yīng)器對(duì)各種工藝流程的適應(yīng)性不好等缺點(diǎn)。為此，有的廠家開(kāi)始改用中間換熱結(jié)構(gòu)的合成反應(yīng)器即(b)種或(b)種和(c)種合并結(jié)構(gòu)的合成反應(yīng)器。然而在我國(guó)，中、小型合成氨和甲醇生產(chǎn)廠卻均采用(a)種連續(xù)內(nèi)部換熱式合成反應(yīng)器(合成塔通用設(shè)計(jì)(VSH版)Pg320 Dg500～600上?；ぴO(shè)計(jì)院)它只有一個(gè)催化床層、床內(nèi)冷管結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壓降大、在觸媒升溫還原時(shí)容易使觸媒反復(fù)地還原和氧化。使觸媒較快地降低了活性，並且合成反應(yīng)器內(nèi)件焊縫常被內(nèi)應(yīng)力拉裂產(chǎn)生漏氣造成停產(chǎn)。
鑒于以上已有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的是發(fā)明一種適合于大、中、小型合成氨和甲醇生產(chǎn)的合成反應(yīng)器其直徑在0.45～5米之間，它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，壓降小、溫度易于調(diào)節(jié)控制、氨凈值高，生產(chǎn)工藝參數(shù)優(yōu)于現(xiàn)在的(a)或(c)種合成反應(yīng)器的新型合成反應(yīng)器。
本發(fā)明的合成反應(yīng)器是適合于進(jìn)行氨或甲醇催化合成反應(yīng)的直接換熱式合成反應(yīng)器，它是由承壓外筒和內(nèi)件所組成，其特征是內(nèi)件由上部的2層以上的催化床和下部的熱交換器兩部分所構(gòu)成，合成反應(yīng)器直徑在0.45～5米之間，在催化床間用冷熱氣體混合器支承觸媒并隔開(kāi)兩催化床，氣體混合器可以取出和裝入。
氣體混合器是由七部分組成的整體組合件，它們是支承觸媒的篩板、低溫調(diào)節(jié)氣噴頭、錐形外擋氣環(huán)、圓柱形內(nèi)擋氣環(huán)、錐形下?lián)鯕猸h(huán)、筋板和布?xì)獍?。它們的相?duì)位置為在低溫氣噴頭的上面是支承觸媒的篩板，外面是錐形外擋氣環(huán)，里面是圓柱形內(nèi)擋氣環(huán)，下面是錐形下?lián)鯕猸h(huán)，再下面是由筋板支承著的起氣體分布作用的布?xì)獍澹鼈儽粰C(jī)械地連接為一個(gè)整件。它的上面加工有中心管的孔，熱電偶套管孔和低溫調(diào)節(jié)氣通入管孔，在裝卸觸媒時(shí)各催化床間的氣體混合器可以依次取出和裝入，在合成反應(yīng)器運(yùn)行時(shí)，氣體混合器被機(jī)械固定在內(nèi)件壁的托圈上，而托圈是直接焊在內(nèi)件的內(nèi)壁上。
通入內(nèi)件內(nèi)部的低溫氣是經(jīng)過(guò)頂蓋的低溫氣管進(jìn)入各催化床間的氣體混合器由噴頭噴出，與從篩板進(jìn)入混合器空間的熱反應(yīng)氣體相混合，經(jīng)過(guò)布?xì)獍寰鶆蚍植歼M(jìn)入下一催化床進(jìn)行反應(yīng)。測(cè)量各催化床的熱電偶從穿過(guò)頂蓋固定的熱電偶套管中插入，根據(jù)塔徑的不同，插入熱電偶的根數(shù)可以是2～4根。
本發(fā)明的合成反應(yīng)器的最佳直徑為0.45～1.6米，適宜壓力為150巴～500巴，最佳使用壓力在200～300巴。
本發(fā)明的合成反應(yīng)器內(nèi)件的熱交換器可以采用列管式、波紋板式或螺旋板式熱交換器，也可采用其它種類(lèi)的熱交換器。
本發(fā)明的合成反應(yīng)器適合于大、中、小型的合成氨或甲醇生產(chǎn)廠家使用，特別對(duì)于原使用的合成反應(yīng)器是由承壓外筒和內(nèi)件構(gòu)成的中小型廠家，如要使用本發(fā)明的合成反應(yīng)器時(shí)，可以保留其原合成反應(yīng)器的承壓外筒，僅僅換上適合于該外筒尺寸的本發(fā)明內(nèi)件和相應(yīng)的頂蓋即可改造成為本發(fā)明的合成反應(yīng)器，同時(shí)按本發(fā)明合成反應(yīng)器相應(yīng)的外部管線流程適當(dāng)稍加改動(dòng)，即可進(jìn)行生產(chǎn)，達(dá)到本發(fā)明的增產(chǎn)效果。
本發(fā)明與現(xiàn)在各種中、小型合成反應(yīng)器相比較有如下優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、反應(yīng)器壓降小，提高了觸媒利用系數(shù)，能把催化床操作溫度控制在最佳范圍。和同樣直徑的其它類(lèi)型合成反應(yīng)器相比，在生產(chǎn)能力上有較大的提高。例如以合成氨為例直徑為0.6米的合成反應(yīng)器，國(guó)內(nèi)原來(lái)的反應(yīng)器日產(chǎn)合成氨50～60噸，氨凈值為8～10%，反應(yīng)器壓力降為5～10巴，而本發(fā)明的0.6米的合成反應(yīng)器，在使用與原反應(yīng)器相同型號(hào)的催化劑的條件下，日產(chǎn)合成氨可達(dá)至80噸以上即可將原有生產(chǎn)能力提高30～60%，氨凈值可提高到13～17%，反應(yīng)器壓力降在5巴以下。為此本發(fā)明尤其適合中、小型合成氨廠的技術(shù)改造，除了能較大提高生產(chǎn)能力外，設(shè)備投資較省。因?yàn)閷⒑铣煞磻?yīng)器更換為本發(fā)明的合成反應(yīng)器時(shí)承壓外筒可以保留，同時(shí)適用壓力范圍也和中、小型廠原使用的壓力范圍相似。工藝流程只變動(dòng)少許管線，設(shè)備管路可以少添置或不添置。
現(xiàn)用圖例表示本發(fā)明的一個(gè)典型結(jié)構(gòu)圖1為合成反應(yīng)器的軸向剖視圖;
圖2為合成反應(yīng)器的2-2剖視圖;
圖3為合成反應(yīng)器及外部低溫調(diào)節(jié)氣部分預(yù)熱流程圖;
圖4為合成反應(yīng)器及外部低溫調(diào)節(jié)氣不預(yù)熱流程圖。
在圖1中，內(nèi)件10安裝在承壓外筒11內(nèi)，內(nèi)件10包括4個(gè)催化床層，其中12A、12B、12C三個(gè)催化床層的下部的機(jī)械結(jié)構(gòu)相同，而催化床12D的支承觸媒的篩板20D是直接焊接在內(nèi)件10的內(nèi)壁上，20D上加工有可穿過(guò)中心管52的孔和焊有熱電偶套管34。
三個(gè)冷熱氣體混合器整體組合件是由支承觸媒的篩板20A、20B、20C，錐形外擋氣環(huán)24A、24B、24C，圓柱形內(nèi)擋氣環(huán)23A、23B、23C，錐形下?lián)鯕猸h(huán)26A、26B、26C，布?xì)獍?8A、28B、28C、支承布?xì)獍宓慕畎?7A、27B、27C和低溫調(diào)節(jié)氣噴頭22A、22B、22C七種部件機(jī)械地連接為三個(gè)氣體混合器整體組合件。它們分別放在催化床12A、12B、12C、12D之間的托圈14上，三個(gè)托圈14A、14B、14C是直接焊接固定在內(nèi)件10的內(nèi)壁上。冷熱氣體混合器上留有中心管52、熱電偶套管34及低溫氣進(jìn)氣管30的穿孔，38為列管式熱交換器，36為熱交換器中的折流擋板。
圖2為合成反應(yīng)器的2-2剖視圖。從圖中可以看到低溫調(diào)節(jié)氣進(jìn)口管30，熱電偶套管34和中心進(jìn)氣管52(也是電加熱器管)在內(nèi)件10中的相對(duì)位置，11為承壓外筒。
從圖3、圖4可以看到本發(fā)明的低溫氣的兩種外部工藝流程部分，但氣體在它們合成反應(yīng)器內(nèi)部的流程是一致的?，F(xiàn)在首先敘述氣體在合成反應(yīng)器內(nèi)的流程氣體從一次進(jìn)口42經(jīng)過(guò)內(nèi)件10與外筒11之間的環(huán)隙向下流動(dòng)從一次出口44流出，流出氣體經(jīng)過(guò)反應(yīng)器外預(yù)熱換熱器62升溫之后返回反應(yīng)器，這時(shí)氣體分兩路，一路作低溫調(diào)節(jié)氣用，另一路從二次入口46進(jìn)入內(nèi)件下部熱交換器38的管間與經(jīng)過(guò)催化床12D后的反應(yīng)氣(走管內(nèi))進(jìn)行換熱后，經(jīng)中心管52上升溢出進(jìn)入催化床12A，經(jīng)絕熱反應(yīng)以后的反應(yīng)氣進(jìn)入第一冷熱氣體混合器與低溫調(diào)節(jié)氣噴頭22A噴出的低溫氣體相混合，混合后的氣體通過(guò)布?xì)獍?8A分布均勻地進(jìn)入第二催化床12B，通過(guò)催化劑進(jìn)行絕熱反應(yīng)，反應(yīng)后氣體穿過(guò)篩板20B進(jìn)入第二混合器，與低溫氣噴頭22B噴出的冷氣體混合，通過(guò)布?xì)獍?8B進(jìn)入第三催化床12C，就這樣依次進(jìn)行反應(yīng)，從最后一層催化床12D出來(lái)的反應(yīng)氣體，進(jìn)入下部熱交換器38的管內(nèi)，與二次入口46進(jìn)來(lái)的冷氣體換熱降低溫度后從合成反應(yīng)器的底部二次出口48流出反應(yīng)器。
合成反應(yīng)器外的工藝流程有兩種(A)低溫調(diào)節(jié)氣部分預(yù)熱流程由圖3表示出，即是由循環(huán)機(jī)64出口氣與預(yù)熱換熱器62出口回合成反應(yīng)器的熱氣體混合氣作為低溫調(diào)節(jié)氣送到低溫調(diào)節(jié)氣的進(jìn)口管30。
具體流程是從合成反應(yīng)器二次出口48流出的氣體通過(guò)廢熱鍋爐60，這時(shí)有四種情況(a)當(dāng)48出來(lái)的氣體大于320℃，則產(chǎn)生大于20巴的蒸汽;
(b)當(dāng)48出來(lái)的氣體小于300℃，則產(chǎn)生小于10巴的蒸汽;
(c)當(dāng)48出來(lái)的氣體小于230℃，則用于加熱軟水;
(d)當(dāng)48出來(lái)的氣體小于180℃，則可不回收熱量。
如用天然氣為原料來(lái)制取合成氨的合成工藝流程就可以不要廢熱鍋爐60和預(yù)熱換熱器62這兩個(gè)換熱過(guò)程。
氣體從廢熱鍋爐60出來(lái)再經(jīng)過(guò)預(yù)熱換熱器62后去水冷器、氨冷器、分離器(氨分離或甲醇分離)再進(jìn)入循環(huán)機(jī)64。由循環(huán)機(jī)64出來(lái)的氣體分成三路(1)一種經(jīng)主線去合成反應(yīng)器一次進(jìn)口42;
(2)二路經(jīng)低溫氣的調(diào)節(jié)副線66與預(yù)熱換熱器62出來(lái)的氣體混合后得到溫度為40～140℃的混合氣體作低溫調(diào)節(jié)氣通往低溫調(diào)節(jié)氣進(jìn)口管30;
(3)三路經(jīng)過(guò)副線進(jìn)口50進(jìn)到內(nèi)件下部換熱器38與管間出口的氣體混合調(diào)節(jié)第一層催化床氣體的進(jìn)口溫度。
(B)低溫調(diào)節(jié)氣不預(yù)熱流程由圖4表示出，這個(gè)流程除了到低溫調(diào)節(jié)氣進(jìn)口管30的低溫氣體全部由循環(huán)機(jī)64出口供給這一點(diǎn)外(這時(shí)低溫氣的溫度為5～40℃)，其余部份均和流程(A)完全相同。
本發(fā)明的合成反應(yīng)器應(yīng)用于合成氨時(shí)是在鐵觸媒上，壓力為200～300巴，溫度為320～520℃的條件下進(jìn)行。
本發(fā)明的合成反應(yīng)器應(yīng)用于合成氨的工藝過(guò)程具體的例子包括以下步驟(1)工藝過(guò)程中合成反應(yīng)的合成氣的獲得，可采用已知任一適宜的氣化過(guò)程而得到，例如從煤的非催化部分氧化或用天然氣催化蒸汽重整而得含氮、碳的氧化物、氫和少量甲烷的原料氣，經(jīng)過(guò)一系列已知的凈化過(guò)程就得到符合合成反應(yīng)需要的合成氣。
(2)合成氣按照?qǐng)D3或圖4的工藝流程進(jìn)行操作，循環(huán)機(jī)出口64合成氣的溫度為35℃，壓力為290巴，組成在表1中列出以下按低溫氣部分預(yù)熱流程，到合成反應(yīng)器二次出口48處的反應(yīng)氣的溫度為285℃，壓力為285巴，氣體組成如表1所示，這時(shí)反應(yīng)器的壓降為5巴。氨凈值為14.12%。由于出口合成氣溫度在285℃進(jìn)入廢熱鍋爐可以副產(chǎn)部分小于10巴的蒸汽。合成反應(yīng)器的直徑為0.6米，催化床觸媒是采用合成氨所常用的鐵觸媒。
表權(quán)利要求
1.合成反應(yīng)器，一種適于進(jìn)行氨和甲醇催化合成反應(yīng)的直接換熱式合成反應(yīng)器，它是由承壓外筒(11)和內(nèi)件(10)所組成。其特征是內(nèi)件是由上部的2層以上的催化床部分和下部的熱交換器所構(gòu)成，合成反應(yīng)器直徑在0.45～5米之間，在催化床間用冷熱氣體混合器支承觸媒並隔開(kāi)兩催化床，氣體混合器可以取出和裝入。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的合成反應(yīng)器，其特征是氣體混合器為低溫調(diào)節(jié)氣噴頭(22)、篩板(20)、錐形外擋氣環(huán)(24)、圓柱形內(nèi)擋氣環(huán)(23)、錐形下?lián)鯕猸h(huán)(26)、筋板(27)、和布?xì)獍?28)七部分機(jī)械地連接在一起的整體組合件，在裝卸觸媒時(shí)可以依次把各層間的氣體混合器裝入或取出、操作運(yùn)行時(shí)它被機(jī)械地固定在托圈(14)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的合成反應(yīng)器其特征是最佳內(nèi)件直徑為0.45～1.6米，適用壓力為150～500巴，最佳應(yīng)用壓力為200～300巴。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的合成反應(yīng)器，其特征是內(nèi)件的熱交換器可以采用列管式、波紋板式或螺旋板式熱交換器，也可采用其它種類(lèi)的熱交換器。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1或3所述的合成反應(yīng)器，其特征是可以將原中、小型合成氨或甲醇廠的合成反應(yīng)器的承壓外筒保留，僅換上本發(fā)明的內(nèi)件(10)和頂蓋(33)，即可得到本發(fā)明的合成反應(yīng)器。
6.應(yīng)用在權(quán)利要求
1至5所述的任一合成反應(yīng)器進(jìn)行合成氨的工藝過(guò)程，用氫和氮?dú)庠趬毫?00～300巴、溫度350～520℃下在觸媒上進(jìn)行反應(yīng)，其特征是通過(guò)兩催化床間的冷熱氣體混合器來(lái)調(diào)節(jié)各催化床的最宜溫度，通過(guò)低溫調(diào)節(jié)器進(jìn)口管30的低溫氣的溫度的調(diào)節(jié)有兩種流程(1)低溫調(diào)節(jié)氣部份預(yù)熱流程，即是由循環(huán)機(jī)64出口氣與預(yù)熱器62出口回合成反應(yīng)器的熱氣體混合氣作為低溫調(diào)節(jié)氣，低溫調(diào)節(jié)氣的溫度為40～140℃。(2)低溫調(diào)節(jié)氣不預(yù)熱流程，即是進(jìn)入低溫調(diào)節(jié)氣的進(jìn)口管30的低溫調(diào)節(jié)氣全部由循環(huán)機(jī)64出口氣而來(lái)，低溫調(diào)節(jié)氣的溫度為5～40℃，其余部分的流程與部分預(yù)熱流程一致。
7.根據(jù)權(quán)利要求
1至6所述的合成反應(yīng)器，其特征是頂蓋33有1～3個(gè)進(jìn)氣管，用法蘭與工藝流程中的管道連接。
專利摘要
合成反應(yīng)器及應(yīng)用。一種直接換熱式合成氨或甲醇反應(yīng)器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)溫方便，合成率高。它是由承壓外筒和內(nèi)件所組成，而內(nèi)件又由上部?jī)蓪右陨系拇呋玻虏繛闊峤粨Q器所組成，催化床由冷熱氣體混合器支承觸媒并隔開(kāi)兩觸媒層，混合器可以取出和裝入。反應(yīng)器應(yīng)用時(shí)有外部低溫氣部分預(yù)熱和不預(yù)熱兩種流程。本發(fā)明最適合于中、小型生產(chǎn)廠使用，可以提高生產(chǎn)能力，降低阻力，并可保留原承壓外筒，節(jié)約設(shè)備開(kāi)支。
文檔編號(hào)B01J8/04GK87100963SQ87100963
公開(kāi)日1988年9月7日 申請(qǐng)日期1987年2月23日
發(fā)明者鄧萬(wàn)貞, 余遠(yuǎn)明 申請(qǐng)人:鄧萬(wàn)貞導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan