CN101143729A - 多床层轴径向合成塔 - Google Patents

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Abstract

一种用于氨或甲醇合成的多床层轴径向合成塔，有外筒和内筒，内筒由上至下分为三层，第三层设有下热交换器，第二层设有上热交换器且其外周设有冷管束换热器，该上热交换器同下热交换器串连，上热交换器的筒壁有连通孔，上热交换器的上端经集气器同第一层连通，中心管的下端口位于上热交换器中且其上端口位于第一层上部，内筒筒壁有径向筐环隙且其分别同第二层和第三层连通；冷管束换热器一侧同外筒的环隙上部连通而其另一侧的上升管上端口位于第一层上部；内筒中催化床为三层四段：第一层为轴向绝热反应段，第二层包括径向绝热反应段和径向内冷段，第三层为径向绝热反应段。它结构简单，产氨或甲醇净值高，能源利用率高，循环耗电小，节能显著。

Description

多床层轴径向合成塔
技术领域
本发明涉及一种应用于氨合成、甲醇合成生产中的多床层轴、径向气固相反应器。
背景技术
氨合成反应是H2和N2气在催化床进行反应生成氨，甲醇合成反应是CO、CO2和H2在催化床进行反应生成甲醇。两个反应都是放热可逆反应，都需要催化剂，只是催化剂不同，前者是铁系固体催化剂，后者是铜系固体催化剂。
在氨合成、甲醇合成生产中采用的已有气固化学反应器结构不尽合理，反应气流阻力较大，热能利用率低，循环耗电较多，有待改进。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的缺陷，提出一种多床层轴径向合成塔，它结构简单，所产氨或甲醇净值高，能源利用率高，循环耗电小，节能效果显著。
本发明的技术方案是，所述多床层轴径向合成塔有外筒和内筒，该外筒和内筒之间有环隙，所述外筒底部设有与该环隙连通的冷态未反应气进口，内筒内腔由上至下分为三层，第一层与第二层之间由集气器分隔，第二层与第三层之间由隔板分隔，所述第三层中设有下热交换器且外筒底部有预热未反应气进口同该下热交换器的冷侧连通，所述外筒底部有反应气出口同下热交换器的热侧连通，该下热交换器的筒壁设有连通其热侧腔体与筒外腔体的若干径向通气孔，本装置的结构特点是，所述第二层中设有上热交换器且其外周设有冷管束换热器，该上热交换器下端的冷侧进气口同所述下热交换器上端的冷侧出气口连通，该上热交换器的筒壁设有连通筒内热侧腔体与筒外腔体的若干径向连通孔，所述上热交换器的上端有热侧进气口经集气器上的若干通气孔同第一层连通，中心管的下端口位于上热交换器中且同其冷侧连通，该中心管的上端口位于第一层的上部，所述内筒筒壁设有径向筐环隙且其经内壁上的若干通气孔分别同第二层和第三层连通；所述冷管束换热器一侧的下降管经连通管同外筒的环隙上部连通，该冷管束换热器另一侧的上升管的上端口位于所述第一层的上部，所述内筒的第一层、第二层、第三层装入固体催化剂后成为相应的第一层催化床、第二层催化床、第三层催化床。
以下对本发明做出进一步说明。
参见图1，本发明的所述多床层轴径向合成塔有外筒1和内筒2，该外筒1和内筒2之间有环隙12，所述外筒1底部设有与该环隙12连通的冷态未反应气进口13，内筒内腔由上至下分为三层，第一层4与第二层8之间由集气器5分隔，第二层8与第三层14之间由隔板15分隔，所述第三层14中设有下热交换器10且外筒1底部有预热未反应气进口16同该下热交换器10的冷侧连通，所述外筒1底部有反应气出口17同下热交换器10的热侧连通，该下热交换器10的筒壁设有连通其热侧腔体与筒外腔体的若干径向通气孔18，本装置的结构特点是，所述第二层8中设有上热交换器6且其外周设有冷管束换热器7，该上热交换器6下端的冷侧进气口同所述下热交换器上端的冷侧出气口连通，且该上热交换器6的筒壁设有连通筒内热侧腔体与筒外腔体的若干径向连通孔19，所述上热交换器6的上端有热侧进气口经集气器5上的若干通气孔同第一层4连通，中心管3的下端口位于上热交换器6中且同其冷侧连通，该中心管3的上端口位于第一层4的上部，所述内筒2筒壁设有径向筐环隙9且其经内壁上的若干通气孔21分别同第二层8和第三层14连通；所述冷管束换热器7一侧的下降管22经连通管同外筒1的环隙12上部连通，该冷管束换热器7另一侧的上升管20的上端口位于所述第一层4的上部，所述内筒的第一层4、第二层8、第三层14装入固体催化剂后成为相应的第一层催化床、第二层催化床、第三层催化床。
本发明合成塔的催化床为三层四段：第一层催化床为轴向段，即轴向绝热反应段(第一段)；第二层催化床为径向段，包括径向绝热反应段(第二段)和径向内冷段(第三段)；第三层催化床为径向绝热反应段(第四段)。
本发明中，经预热的未反应气，由合成塔下部的预热未反应气进口16进入第三层14中间的下热交换器10的冷侧而被其热侧的反应热气加热，上升至第二层8中间的上热交换器6的冷侧而被其热侧反应热气继续加热，至反应温度(如氨合成催化剂反应需要的起始温度，再如有一种氨催化剂最佳起始温度为350℃～380℃)，然后进入中心管3，由下而上到中心管3顶端，折向，再由上而下，进入第一层催化床，轴向绝热反应后，氨含量增加温度升高；然后进入层间集气器5，反应热气由此进入上热交换器6的热侧，被冷侧的未反应气冷却后，由通气孔19进入第二层8而径向扫过第二层催化床，进行进一步反应后，进入第二层8外圈催化剂，继续进行并放出反应热，反应被冷管束内的冷气带走(冷却)；第二层8出来的反应气经位于该层的通气孔21进入径向筐环隙9，由上而下，经第三层的通气孔21进入第三层催化床，进行径向段绝热反应；温度升高其氨含量达到一定目标值后，进入第三层14中的下热交换器10的热侧，被其冷侧的未反应冷气冷却至270℃～350℃出塔，即从反应气出口17送出。另一股未反应冷气由冷态未反应气进口13进入外筒1的环隙12，如图1和图2所示，再依次进入冷管束换热器7的下降管22、管束的分气环(内环)23，经分气环23将冷气均匀分配进入各冷管，被冷管外的反应气加热后，进入管束集气环(外环)24，然后由集气环24上的上升管20由下而上导入第一层催化床的顶部，与由中心管3出来的已加热的未反应气混合，进入第一层催化床反应。
简言之，经预热的未反应气进入第三层14的下热交换器10被加热，上升至第二层8中间的上热交换器6被继续加热，至反应温度，然后进入中心管3，由下而上到中心管3顶端，折向，再由上而下，进入第一层催化床，轴向绝热反应；然后反应热气进入层间集气器5，进入上热交换器6的热侧，被冷却后，径向扫过第二层催化床而进行进一步反应，再进入第二层8外圈催化剂，继续进行并放出反应热，反应热被冷管束内的冷气带走；第二层8出来的反应气进入径向筐环隙9，由上而下，在第三层催化床进行径向段绝热反应；温度升高其氨含量达到一定目标值后，进入第三层14中的下热交换器10的热侧，被冷却后出塔；另一股未反应冷气经外筒1的环隙12，再进入冷管束换热器7，被冷管外的反应气加热后，导入第一层催化床的顶部，与由中心管3出来的已加热的未反应气混合，进入第一层催化床反应。
如图3所示，当合成塔高径比较大时，将第一层催化床分成上、下两段(即上段26和下段25)，中间设置混合器27，上段反应热气与引入的冷态未反应气混合，达到适合下段反应温度后，进入第一层的下段反应。
本发明与现有技术相比，具有以下特点：
1、催化床为三层，第二层设有两个间接换热器，分别冷却第一层来的反应热气和第二层中间反应段来的反应热气；
2、第二层出来的反应热气到达第三层之前，利用反应内外筒环隙的未反应冷气冷却，没有布置换热装置；
3、在塔底设置了一个冷气副线(冷未反应气导入辅管)，此副线内来的冷气未经下热交加热直接进入上热交，调节“0”米温度和第二层温度；
4、第一层设置冷气混合装置，当催化剂刚还原时，活性高，反应剧烈，用以调节第一层温度；
5、第一层催化剂床层较高，“0”米温度设计较低，在350℃左右，而热点温度设计较高，达到490～500℃，可使第一层反应量达到总塔的40～50％。
由以上可知，本发明为一种多床层轴径向合成塔，它结构简单，所产氨或甲醇净值高，能源利用率高，循环耗电小，节能效果显著。
附图说明
图1是本发明一种实施例结构示意图，图中箭头为反应气流向；
图2是冷管束换热器的一种实施例结构示意图，图中箭头为反应气流向；
图3是将第一层催化床分为两段的实施例结构示意图，图中箭头为反应气流向。
在图中：
1—外筒，             2—内筒，                3—中心管，
4—第一层，           5—集气管，              6—上热交换器，
7—冷管束换热器，     8—第二层，              9—径向筐环隙，
10—下热交换器，      11—冷未反应气导入辅管， 12—环隙，
13—冷态未反应气进口，14—第三层，             15—隔板，
16—预热未反应气进口，17—反应气出口，         18、19—通气孔，
20—上升管，         21—通气孔，         22—下降管，
23—分气环,          24—集气环，         25—下段，
26—上段，           27—混合器。
具体实施方式
如图1所示，本发明的多床层轴径向合成塔有外筒1和内筒2，该外筒1和内筒2之间有环隙12，所述外筒1底部设有与该环隙12连通的冷态未反应气进口，内筒内腔由上至下分为三层，第一层4与第二层8之间由集气器5分隔，第二层8与第三层14之间由隔板15分隔，所述第三层14中设有下热交换器10且外筒1底部有预热未反应气进口16同该下热交换器10的冷侧连通，所述外筒1底部有反应气出口17同下热交换器10的热侧连通，该下热交换器10的筒壁设有连通其热侧腔体与筒外腔体的若干径向通气孔18，本装置的结构特点是，所述第二层8中设有上热交换器6且其外周设有冷管束换热器7，该上热交换器6下端的冷侧进气口同所述下热交换器上端的冷侧出气口连通，且该上热交换器6的筒壁设有连通筒内热侧腔体与筒外腔体的若干径向连通孔19，所述上热交换器6的上端有热侧进气口经集气器5上的若干通气孔同第一层4连通，中心管3的下端口位于上热交换器6中且同其冷侧连通，该中心管3的上端口位于第一层4的上部，所述内筒2筒壁设有径向筐环隙9且其经内壁上的若干通气孔21分别同第二层8和第三层14连通；所述冷管束换热器7一侧的下降管22经连通管同外筒1的环隙12上部连通，该冷管束换热器7另一侧的上升管20的上端口位于所述第一层4的上部，所述内筒的第一层4、第二层8、第三层14装入固体催化剂后成为相应的第一层催化床、第二层催化床、第三层催化床。
还可在下热交换器10中设置冷未反应气导入辅管11，其上端口位于该热交换器的顶部，用于在必要时导入冷未反应气，以调节反应气温度。
所述冷管束换热器7可采用冷管束内冷式或列管间冷式换热器。所述上热交换器6和下热交换器10可采用细长型列管式或螺旋板式换热器。

Claims (5)

1.一种多床层轴径向合成塔，有外筒(1)和内筒(2)，该外筒(1)和内筒(2)之间有环隙(12)，所述外筒(1)底部设有与该环隙(12)连通的冷态未反应气进口，内筒内腔由上至下分为三层，第一层(4)与第二层(8)之间由集气器(5)分隔，第二层(8)与第三层(14)之间由隔板(15)分隔，所述第三层(14)中设有下热交换器(10)且外筒(1)底部有预热未反应气进口(16)同该下热交换器(10)的冷侧连通，所述外筒(1)底部有反应气出口(17)同下热交换器(10)的热侧连通，该下热交换器(10)的筒壁设有连通其热侧腔体与筒外腔体的若干径向通气孔(18)，其特征是，所述第二层(8)中设有上热交换器(6)且其外周设有冷管束换热器(7)，该上热交换器(6)下端的冷侧进气口同所述下热交换器上端的冷侧出气口连通，且该上热交换器(6)的筒壁设有连通筒内热侧腔体与筒外腔体的若干径向连通孔(19)，所述上热交换器(6)的上端有热侧进气口经集气器(5)上的若干通气孔同第一层(4)连通，中心管(3)的下端口位于上热交换器(6)中且同其冷侧连通，该中心管(3)的上端口位于第一层(4)的上部，所述内筒(2)筒壁设有径向筐环隙(9)且其经内壁上的若干通气孔(21)分别同第二层(8)和第三层(14)连通；所述冷管束换热器(7)一侧的下降管(22)经连通管同外筒(1)的环隙(12)上部连通，该冷管束换热器(7)另一侧的上升管(20)的上端口位于所述第一层(4)的上部，所述内筒的第一层(4)、第二层(8)、第三层(14)装入固体催化剂后成为相应的第一层催化床、第二层催化床、第三层催化床。
2.根据权利要求1所述多床层轴径向合成塔，其特征是，所述催化床为三层四段：第一层催化床为轴向绝热反应段，第二层催化床包括径向绝热反应段和径向内冷段，第三层催化床为径向绝热反应段。
3.根据权利要求1所述多床层轴径向合成塔，其特征是，经预热的未反应气进入第三层(14)的下热交换器(10)被加热，上升至第二层(8)中间的上热交换器(6)被继续加热，至反应温度，然后进入中心管(3)，由下而上到中心管(3)顶端，折向，再由上而下，进入第一层催化床，轴向绝热反应；然后反应热气进入层间集气器(5)，进入上热交换器(6)的热侧，被冷却后，径向扫过第二层催化床而进行进一步反应，再进入第二层(8)外圈催化剂，继续进行并放出反应热，反应被冷管束内的冷气带走；第二层(8)出来的反应气进入径向筐环隙(9)，由上而下，在第三层催化床进行径向段绝热反应；温度升高其氨含量达到一定目标值后，进入第三层(14)中的下热交换器(10)的热侧，被冷却后出塔；另一股未反应冷气经外筒(1)的环隙(12)，再进入冷管束换热器(7)，被冷管外的反应气加热后，导入第一层催化床的顶部，与由中心管(3)出来的已加热的未反应气混合，进入第一层催化床反应。
4.根据权利要求1所述多床层轴径向合成塔，其特征是，将第一层催化床分成上、下两段，中间设置混合器(27)，上段(26)反应热气与引入的冷态未反应气混合，达到适合下段反应温度后，进入第一层的下段25反应。
5.根据权利要求1所述多床层轴径向合成塔，其特征是，在下热交换器(10)中设置冷未反应气导入辅管(11)，其上端口位于该热交换器的顶部。
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