CN1023995C - 两段径向并联换热式氨合成塔 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种氮和氢合成氨的设备。该设备为塔下部气体入口流程，气流以径向通过第一触媒层和第二触媒层；为了控制布气均匀，在第一触媒筐和第二触媒筐设有内控制筒结构；为了防止下部列管式换热器管间冷气体串流，而设置壳套结构，有利于提高换热器的传热效率。本发明适用于大型合成氨装置上使用，也可用于甲醇合成塔及其他可逆放热气固相催化反应装置。

Description

本发明涉及一种氮和氢合成氨的设备。

氨合成塔是合成氨厂生产的关键设备，其性能的优劣直接影响合成氨厂的生产能力，原料及动力的消耗，而氨合成塔的性能主要取决于氨合成塔内件的结构。七十年代以来，由于世界能源紧张，为了降低能耗，不少用于大型氨厂的新型氨合成塔相继问世，例如丹麦Topsφe公司的S-200型氨合成塔，将S-100型氨合成塔的两段层间冷激式改为两段中间间接冷却，成为径向中间间接冷却式氨合成塔，其主要优点是转化率高，氨净值高，压降和能耗低。这是一种效果较好的氨合成塔，已有较多的应用，但是，尚存在如下缺点：1、进中间挡条式换热器的冷气体（原料气，下同），需由塔上部金属软管送入换热器，对于高净值的氨合成塔，需要更多的冷气体流经金属软管，则要求金属软管口径足够大，这就带来制造大口径金属软管的技术难题;2、气流分布设计系由在外分布筒上的喷嘴加以调节，这样气流分布器将占有较大的空间，从而降低了触媒的装填系数，且当触媒床层过高时，用外分布器上的喷嘴加以调节，将难以控制气流分布;3、径向层为防止气体短路，采用隔板密封，造成触媒封内的触媒不能发挥效率，触媒利用率降低;4、由于采用不锈钢丝网支承小颗粒触媒，这种结构在我国引进的三套以渣油为原料的氨合成塔均出现丝网破裂的事故。

本发明的目的在于避免上述现有技术中的不足之处而提供一种节能、低空速、高净值、触媒利用率高，不采用金属软管的两段径向并联换热式氨合成塔。

本发明的任务是这样实现的：冷气体入口在塔底部一侧，下副线冷气体入口、主线冷气体入口、合成气体出口均设在塔底部锻件上。塔内以同轴设置的内件自上而下是这样的-第一触媒筐，在第一触媒筐中设有中间挡条式列管换热器，第二触媒筐，下部列管式换热器;中心升气管上端插入第一触媒筐下部与中间挡条式列管换热器管内相通，且贯穿第二触媒层的第二段床层触 媒封，下端与下部列管式换热器相连接。下副线冷气体入口管自塔下端的锻件以同轴插入下部列管式换热器，穿过下部列管式换热器上部第一块折流板与中心升气管相通。

第一触媒筐由如下几部分（以同轴，由里向外）-中间挡条式列管换热器、第一段触媒筐内控制筒、第一段触媒筐内多孔筒、第一段触媒筐内多孔薄板、第一段触媒层（内有小颗粒触媒）及其上部的第一段床层触媒封、第一段触媒筐外多孔薄板、第一段触媒筐外多孔筒。

第二触媒筐由如下几部分组成（以同轴，由里向外）-中心升气管、第二段触媒筐内多孔薄板、第二段触媒层（内有小颗粒触媒）及其上部的第二段床层触媒封、第二段触媒筐外多孔薄板、第二段触媒筐外多孔筒。中心升气管以同轴穿过第二触媒层上部的第二段床层触媒封。

为了使第一触媒层和第二触媒层中布气均匀，在内控制筒上开孔控制，用以调节控制布气均匀。因为内控制筒周边较短，因此，达到一定的流速时，加以控制较为容易，对获得较高氨净值更为有利。

在第一触媒层中和第二触媒层中，采用密冲小孔不锈钢薄板，作为小颗粒触媒的支承构件。

第一触媒筐和第二触媒筐中的外多孔筒的开孔区延长至顶部，而将内多孔筒和内控制筒限定在一定的高度之下，两者顶部之高度差，则构成触媒上部的触媒封，它既可防止气体短路，还可使气体形成轴径向流动，使合成反应充分进行，提高了触媒的利用率。

第一触媒筐与第二触媒筐之间留有一定的空间，供气体流通之用，第二触媒筐与下部列管式换热器之间留有一定的空间，供气体流到下部列管式换热器的管内之用。

下部列管式换热器设有偶数块折流板-其中一半为圆形折流板，另一半为环形折流板。为了防止冷气体沿折流板与下部列管式换热器外壳之间的间隙串流，而设置壳套构件，壳套与环形折流板相密合，这样可显著提高下部列管式换热器的传热效率。下部列管式换热器设有管间下部封头和管内下部封头，其作用是使主线冷气体入口的气体进入管间，使冷气体入口的气体进入外筒与内筒的环隙。

本发明附图说明如下：

图1为本发明的结构与气体流向示意图。图中：a冷气体入口，b下副线冷气体入口，c合成气出口，d主线冷气体入口。1顶盖，2外筒，3内筒，4中间挡条式列管换热器，5外筒与内筒的环隙，6管内下部封头，7管间下部封头，8锻件，9下副线冷气体入口管，10下部列管式换热器，11中心升气管，12第二触媒层，13第一触媒层。

图2为本发明内件的结构示意图。图中：3内筒，4中间挡条式列管换热器，6管内下部封头，7管间下部封头，9下副线冷气体入口管，10下部列管式换热器，11中心升气管，12第二触媒层，13第一触媒层，14第一段触媒筐内控制筒，15第一段触媒筐内多孔筒，16第一段触媒筐外多孔筒，17第一段触媒筐，18第一段床层触媒封，19第二触媒层通道，20空间，21第二段床层触媒封，22第二段触媒筐，23第二段触媒筐外多孔筒，24第二段触媒筐内多孔筒，25第二段触媒筐内控制筒，26空间。

图3为本发明下部列管式换热器10的结构示意图。图中：6管内下部封头，7管间下部封头，9下副线冷气体入口管，27上管板，28折流板，29下管板，30下部列管式换热器外壳，31壳套，32列管。

图4为本发明第一段触媒筐17的结构示意图。图中：4中间挡条式列管换热器，11中心升气管，14第一段触媒筐内控制筒，15第一段触媒筐内多孔筒，16第一段触媒筐外多孔筒，33中间挡条式列管换热器外筒，34第一段触媒筐外多孔薄板，35第一段触媒筐底板，36支撑，37第一段触媒筐内多孔薄板。

图5为本发明第二段触媒筐22的结构示意图。图中：11中心升气管，23第二段触媒筐外多孔筒，24第二段触媒筐内多孔筒，25第二段触媒筐内控制筒，38密封填料函，39第二段触媒筐外多孔薄板，40第二段触媒筐底板，41第二段触媒筐内多孔薄板，42支撑。

本发明下面结合附图作进一步详述：

冷气体入口a在塔底部一侧，下副线冷气体入口b、主线冷气体入口d、合成气体出口c均设在塔底部锻件8上。

塔内以同轴设置的内件自上而下是这样的-第一段触媒筐17，在第一段触媒筐17中设有中间挡条式列管换热器4，第二段触媒筐22，下部列管式换 热器10;中心升气管11上端插入第一段触媒筐17下部与中间挡条式列管换热器4管内相通，且贯穿第二触媒层12的第二段床层触媒封21，下端与下部列管式换热器10相连接。下副线冷气体入口管9自塔下端的锻件8以同轴插入下部列管式换热器10，穿过下部列管式换热器10上部第一块折流板26与中心升气管11相通。

第一触媒筐17由如下几部分组成（以同轴，由里向外）-中间挡条式列管换热器4、中间挡条式列管换热器外筒33、第一段触媒筐内控制筒14、第一段媒筐内多孔筒15、第一段触媒筐内多孔薄板37、第一段触媒层13（内有小颗粒触媒）及其上部的第一段床层触媒封18、第一段触媒筐外多孔薄板34、第一段触媒筐外多孔筒16。

第二触媒筐22由如下几部分组成（以同轴，由里向外）-中心升气管11、第二段触媒筐内控制筒25、第二段触媒筐内多孔筒24、第二段触媒筐内多孔薄板41、第二段触媒层12（内有小颗粒触媒）及其上部的第二段床层触媒封21、第二段触媒筐外多孔薄板39、第二段触媒筐外多孔筒23。中心升气管11以同轴穿过第二触媒层12上部的第二段床层触媒封21。

为了使第一触媒层13和第二触媒层12中布气均匀，在内控制筒14、25上开孔控制，用以调节控制布气均匀。因为内控制筒14、25周边较短，所以，达到一定的流速时，加以控制较为容易，对获得较高氨净值更为有效。

在第一触媒层13中和第二触媒层12中，采用密冲小孔不锈钢薄板，作为小颗粒触媒的支承物构件。

第一段触媒筐17和第二段触媒筐22中的外多孔筒16、23的开孔区延长至顶部，而使内多孔筒15、24和内控制筒14、25限定在一定的高度之下，其高度差，则构成触媒层上部的触媒封18、21，它既可防止气体短路，还可使气体形成轴径向流动，使合成反应充分进行，提高了触媒的利用率。

第一段触媒筐17和第二段触媒筐22之间留有一定的空间20，供气体流通之用，第二段触媒筐22与下部列管式换热器10之间留有一定的空间26，供气体流到下部列管式换热器10的管内之用。

下部列管式换热器10设有偶数块折流板28，其中一半为圆形折流板，另一 半为环形折流板。为了防止冷气体沿折流板28与下部列管式换热器外壳30之间间隙串流，而设置壳套31，壳套31与环形折流板相密合，这样可显著提高下部列管式换热器10的传热效率。下部列管式换热器10设有管间下部封头7和管内下部封头6，其作用是使主线冷气体入口d的气体进入管间，使冷气体入口a的气体进入外筒与内筒的环隙5。

本发明的工作情况是这样的：进入中间档条式换热器4的冷气体量约占进塔总冷气体量的50～67%，是由塔底部一侧的冷气体入口a进入，气体由外筒与内筒的间隙5顺流而上，作为保护塔外壁的气流，以防塔壁超温，再由上部进入中间挡条式换热器4管内。而进入下部列管式换热器10管间约占总冷气体量33～50%的气体，由塔下部主线冷气体入口d进入，经中心升气管11流入第一触媒层13和第二触媒层12之间的空间20，然后上升经第一段触媒筐外多孔筒16径向进入第一触媒层13（内有小颗粒触媒），穿过第一段触媒筐内多孔筒15和第一段触媒筐内控制筒14，气体沿第一段触媒筐内控制筒14内侧下降流经中间挡条式换热器4管间后翻入第二触媒层通道19，然后径向进入第二段触媒筐外多孔筒23、第二段触媒筐外多孔薄板39，进入第二触媒层12（内有小颗粒触媒），气体穿过第二触媒筐内多孔薄板41、第二段触媒筐内控制筒25，然后进入第二触媒层12和下部列管式换热器10之间的空间24后进入下部列管式换热器10管内，出管内的气体经塔底下部合成气出口c流出。根据工艺操作需要，一部分气体经下副线气体入口管9顺流上升与下部列管式换热器10管间的气体汇合进入中心升气管11。

本发明的工艺指标为：

入口气体温度≤140℃

床层热点温度≤520℃

气体出塔温度＜400℃

操作压力≤22MPa

内件最大压差0.3MPa

氨净值15～17.9%

塔内介质H₂，N₂，NH₃，CH₄，Ar。

本发明相比现有技术有如下优点：

1、本发明的气体流向使进入中间挡条式列管换热器的50～67%冷气体由塔底的冷气体入口进入。冷气体由外筒和内筒的间隙顺流而上，再由上部进入中间挡条式列管换热器管内。而进入下部列管式换热器管间的冷气体（占总冷气量的33～50%通过塔下部主线冷气体入口进入。上述这种气体流向，可以保证在高净值的条件下保护塔外壁不超温（保证塔外筒内壁温度低于200℃），又可不采用金属软管。

2、采用内控制筒开孔控制布气。丹麦Topsφe公司S-200型氨合成塔，采用外分布筒及喷咀布气的方法，这种结构不仅较为复杂，而且，因外分布筒周边很长，为了控制气流均匀分布，喷咀布置必然很稀，为不使触媒层造成局部沟流，以上这种结构将占有较大的空间。本发明采用内控制筒开孔控制布气的方法，由于内控制筒周边较短，达到一定流速加以控制较为容易，这种结构所占的空间较少，对获得较高氨净值更为有效。

3、采用冲孔不锈钢薄板作为支承构件支承触媒。我国引进三套以渣油为原料的氨合成塔以丝网结构支承触媒，出现不锈钢丝网破裂的事故。因此，丝网结构作支承构件不可靠。为了确保支承可靠，本发明采用0.8～1mm不锈钢薄板密冲φ1～1.5毫米孔作为支承触媒的构件，比丝网在焊接性能和强度上均显示出优越性。

4、采用触媒自封结构。因气体流向为轴径向流动，所以，将外多孔筒的开孔区延长至顶部，而使内控制筒上的开孔限定在一定的高度，从而造成顶部轴径向流动结构。这样可提高触媒封处的触媒使用效率。而丹麦Topsφe公司S-200型氨合成塔采用隔板密封，以防止气体短路，故触媒封内的触媒不能发挥作用，触媒利用率较低。

5、采用带有壳套的下部换热器。丹麦Topsφe公司S-200型氨合成塔，以及国内外各种氨合成塔，下部换热器由于制造公差关系，管间冷流体会沿环形折流板与换热器壳体内壁之间的间隙串流。本发明采用壳套结构，可防止气体串流，从而显著提高换热器的传热效率。

本发明适用于大型合成氨装置上使用，也可用于甲醇合成塔及其他可逆放热气固相催化反应装置。

Claims (1)

1、一种两段径向并联换热式氨合成塔，内件由第一段触媒筐17，中间挡条式列管换热器4，第二段触媒筐22，中心升气管11，下部列管式换热器10，下副线气体入口管9组成，其特征在于：

(1)在塔底部一侧设有冷气体入口a，在塔底部锻件8上，设有下副线冷气体入口b，合成气出口c，主线冷气体入口d；

(2)第一段触媒筐外多孔筒16内壁贴衬第一段触媒筐外多孔薄板34，第一段触媒筐内多孔筒15外壁贴衬第一段触媒筐内多孔薄板37；第二段触媒筐外多孔筒23内壁贴衬第二段触媒筐外多孔薄板39，第二段触媒筐内多孔筒24外壁贴衬第二段触媒筐内多孔薄板41；

(3)下部列管式换热器10内设置壳套31；

(4)第一段触媒筐17内设置第一段触媒筐内控制筒14，第二段触媒筐22内设置第二段触媒筐内控制筒25；

(5)中心升气管11贯穿第二触媒层12的第二段床层触媒封21，上部与中间挡条式列管换热器4管内相通，下部与下部列管式换热器10管间相连接；

(6)下部列管式换热器10设有管间下部封头7和管内下部封头6。

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