CN102701235B

CN102701235B - 一种三热交氨合成反应器

Info

Publication number: CN102701235B
Application number: CN2012102240462A
Authority: CN
Inventors: 谢定中
Original assignee: Hu'nan Anchun High & New Technology Co Ltd
Current assignee: Hu'nan Anchun High & New Technology Co Ltd
Priority date: 2012-07-02
Filing date: 2012-07-02
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2032-07-02
Also published as: CN102701235A

Abstract

本发明公开了一种三热交氨合成反应器，该反应器分为三个径向的绝热反应床，三个反应床中均设有换热器，三层换热器分别称作上热交、中热交和下热交。未反应冷气分为A、B、C三股分别进入反应器下热交、中热交和上热交，经加热后汇集于反应器顶部零米空间然后再依次径向通过第一、第二、第三反应床反应，反应中的同时，混合气体分别被新进的A、B、C三股冷气冷却，然后出反应器，再进蒸汽过热器废锅。本发明反应器合成氨的氨净值高（13.1%～16.3%）；阻力小（0.2～0.4MPa）；出塔温度高，接近400℃，热回收率高；但低于400℃，蒸汽过热器废锅不需特殊贵重材料，装卸催化剂容易，调控温度容易。

Description

一种三热交氨合成反应器

技术领域

本发明属于合成氨生产技术领域，具体涉及一种三热交氨合成反应器。

背景技术

H_2，N₂气合成氨反应是在铁系固体催化剂上进行的可逆放热反应，其反应式为：

铁系固体催化剂主要成分为FeO，Fe₂O₃，它需与H₂反应还原为Fe才有催化活性,其活性温度范围为360℃～520℃；反应往右进行快,生成氨多，反应就好。

反应与多种因素有关：

① 温度: 温度低,没活性, 温度高,会烧坏催化剂.因此反应控制在此温度范围内；

② 催化剂粒度：粒度小，表面积大，对反应有利.但粒度太小，气流阻力大，能耗高；

③ 压力:压力越高，对反应越有利，但压力越高，压缩能耗高，反应容器越厚，越重，要选择压力范围；

④ 原料气惰性气CH₄/Ar含量：CH₄/Ar低，对反应有利，合成系统压力随之降低，压缩能耗降低，CH₄/Ar太低，原料气精制工艺投资大；因为是可逆反应，进入反应器氢/氮气不可能100%变为氨，即部份合成为氨，在分离后，未反应的氢/氮气补入新原料气后，再进入反应器反应、分氨、补气, 如此循环；

⑤ 循环气CH₄/Ar含量：在补气中CH₄/Ar含量一定时，CH₄/Ar含量低，对反应有利，但太低，合成气放空气大，原料气消耗多。

⑥ 循环气NH₃含量：反应器生成的氨不可能全部分离，总有少量气氨不能冷凝，残存在循环气中，循环气NH₃含量越低，对反应越有利，但太低，冷凝气氨需冷冻电耗多；

⑦ 温度控制：随反应进行，不停地放出热，温度连续上升，为维持在催化剂活性温度范围内，需及时降温，升温、降温规律有一条最适宜温度曲线，沿此线控制温度，反应速度最快，或者说，在一定量催化剂反应器,生成氨最多，或者生成一定量氨，催化剂量最少，反应器容积最小。

⑧ 出反应器(塔)气体温度：出塔温度低,反应热在反应器内部循环，塔内换热面积大，循环气量大，才能按最适宜温度曲线反应，但因此反应器结构复杂，耗材多、重，循环机电耗大；出塔温度高，反应热在反应器外被利用产生饱和蒸汽，甚至产生中、高压饱和蒸汽、过热蒸汽，塔内换热面积小，反应器结构简单，耗材少，循环机电耗大，但因此塔底及热回收器材质要求很高，投资高。

氨合成反应器设计需综合上述因素。

现有的一种氨合成反应器如图1，反应器有四个床绝热催化床，即，第一反催化38，第二催化床39，第三催化床40，第四催化床41，第一床为轴向，第二、三、四床为径向，第一床内无换热器，第二、三、四床中间分别有第二层瘦长列管换热器35，第三层瘦长列管换热器36，第四层瘦长列管换热器37。气体在塔内流程为：预热后未反应气经底部第四床换热器管内被第四床反应热气加热后，进第三床换热器管内被第三床反应热气加热，然后进入第二床换热器管内被第二床反应热气加热，温度达到370℃～400℃，再经第一床反应后，温升至480℃；热气被从塔外直接加入未反应冷气冷却至410℃～430℃后进入第二床反应, 温升至470℃；反应热气再被第二床换热器管内未反应冷气冷却, 进入第三床反应, 温升至460℃；然后反应热气被第三床换热器管内未反应冷气冷却, 进入第四床反应, 温升至440℃，氨含量12%～14%，反应结束；最后，反应热气被第四床换热器管内未反应冷气冷却290℃～300℃，出塔进废锅管内，加热管外产生蒸汽。

但是，现有的氨合成反应器存在如下不足：

① 此三热交反应器有四层反应气，反复拆向四次，结构复杂；

② 第一床反应后，氨含量已升至8%～9%，被从塔外直接加入未反应冷气冷激，氨含量下降1%～2%，使总氨含量下降1%～2%，氨净值低；

③ 第一床为轴向，使气流阻力增加；

④ 85%未反应气串通三个换热器被加热，使气流阻力增加；

⑤ 第三床换热器顶底充满第三床轴向空间，换热面积较大，出塔气温度较低，经废锅产生蒸汽品位低。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种三热交氨合成反应器。

为了达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

所述三热交氨合成反应器包括反应器筒体，所述反应器筒体由反应器外筒体14和反应器内筒体11套装，反应器内筒体11与反应器外筒体14之间留有环隙；

所述反应器内筒体11内部由下至上被封板9分为第三反应床20，第二反应床15和第一反应床3，第二反应床15和第三反应床20间设有三个均匀分布（120°分布）的连通管16，连通管16的管内径为80mm～100mm，管长约为反应器筒体内径的1/4；第一、第二和第三反应床中分别设有装载催化剂且与反应器内筒体11筒壁之间留有环隙的侧壁分布有若干通气孔的第一床层径向筐6、第二床层径向筐28和第三床层径向筐27，所述三个径向筐上端均设有带多个开孔的径向筐盖10；所述第一床径向筐6与反应器内筒体11顶部之间留有作为第一床零米空间的间隙；其中，径向筐盖10的开孔数由中间往周边渐增多，孔径为10mm左右。

所述第一床层径向筐6、第二床层径向筐28和第三床层径向筐27内部分别设有上下两端均为封头的第一床层换热器4、第二床层换热器13和第三床层换热器21，所述三个换热器均包括换热器内筒体17和换热器外筒体18，所述换热器内筒体17与换热器外筒体18之间留有环隙；所述的第一床层瘦长列管换热器4、第二床层瘦长列管换热器13和第三床层矮胖列管换热器21又分别称为上热交、中热交和下热交。

所述第三床层换热器21的换热器内筒体17上端和换热器外筒体18上设有多个通气孔；第三床层管换热器21设有依次穿过第二床层换热器13和第一床层换热器4且与第一床零米空间连通的中心管7；第三床层换热器21的换热器外筒体18上端连接有套装在中心管7上的中心集气管19，中心管7与中心集气管19之间留有作为集气通道的环隙；中心集气管19管壁上部为封闭端，中心集气管19中、下部管壁设有多个通气孔；

所述第二床层换热器13的换热器外筒体18中、下部筒壁设有多个通气孔；第二床层换热器13上端封头连接有与中心管7套装且穿过第一床层换热器4的中心套管5，中心套管5与中心管7之间有环隙；

所述第一床层换热器4的外筒体18中、下部筒壁设有多个通气孔，第一床层换热器4上端封头与第一床零米空间连通；

所述反应器筒体设有从反应器筒体顶部进入并穿过第一反应床且与第一床层换热器4下端封头连通的冷气进入管C 8，从反应器筒体顶部进入并穿过第一、第二反应床且与第二床层换热器13下端封头连通的冷气进入管B 12；所述反应器筒体上端设有高压盲板1和装料管2；

所述反应器外筒体14上部设有未反应气出口B 31，未反应气出口B 31与设有阀门甲32的冷气出口管33连通，在阀门甲32与未反应气出口B 31之间的管道位置引出设有阀门乙34的分支弯管24，分支弯管 24与冷气进入管B 12的入口端连接；

反应器下端设有未反应气进口B 29，卸料管22和三通23；所述三通23上设有未反应气进口A 30，热反应气出口26和备用热反应气出口25；所述未反应气进口B 29与反应器内筒体11和反应器外筒体14之间的环隙连通；所述未反应气进口A 30与第三床层换热器21的换热器内筒体17和换热器外筒体18之间的环隙连通；所述热反应气出口26和备用热反应气出口25与第三床层换热器21下端封头内侧空腔连通。

另外，所述中心集气管19上部管壁未设通气孔的区域装载有小颗粒催化剂以增加流动阻力；所述第二床层换热器13的换热器外筒体18上部筒壁未设通气孔的区域装载有小颗粒催化剂以增加流动阻力；所述第一床层换热器4的外筒体18上部筒壁未设通气孔的区域装载有小颗粒催化剂以增加流动阻力。三层径向筐侧壁上的通气孔为喇叭形，通气孔近径向筐催化剂一端为小口；所述热反应气出口26为直连式出口；所述备用热反应气出口25为非直连式出口。

其中，所述第一床层换热器4和第二床层换热器13为瘦长列管换热器；所述第三床层换热器21为矮胖列管换热器。

下面结合工作原理对本发明做进一步说明。

反应器工作时，未反应气冷气分成A、B、C三股分别进入反应器下热交、中热交和上热交内，被反应热气加热至360℃～400℃后汇集于第一床零米空间，然后经过上热交、中热交和下热交反应并出反应器。具体过程如下：

未反应冷气分为三股A、B、C三股：C股约50%未反应冷气经外热交加热至190℃～230℃然后从反应器顶部由冷气进入管C 8进入到第一床层换热器4下端，由下而上折流被加热至360℃～400℃后进入第一床零米空间；B股约30%未反应气从未反应气进口B 29进入反应器内筒体11和反应器外筒体14之间的环隙，由下至上在该环隙中被加热到约226℃，然后从反应器顶部由冷气进入管B 12进入第二床层换热器13下端，由下而上被加热至360℃～400℃后经中心套管5进入第一床零米空间；A股约20%约107℃的未反应冷气由未反应气进口A 30进入第三床层换热器21下端，由下而上被加热至360℃～400℃并经过中心管7进入第一床零米空间；在此，三股未反应冷气混合于第一床零米空间。然后约5%～7%的混合冷气经第一床层径向筐6上端的径向筐盖板10斜向通过第一反应床3上层催化剂反应，而约93%～95%的混合冷气经第一床层径向筐6与反应器内筒体11筒壁之间的环隙均匀通过第一床层径向筐6侧壁上通气孔，由外往内径向流经第一反应床3中的催化剂进行反应，反应后热气均匀通过第一床层换热器4的换热器外筒体18上的通气孔，汇集于第一床层换热器4的换热器内筒体17与换热器外筒体18之间的环隙，然后经过第一床层换热器4列管间折流而下，被上升的C股冷气冷却至约420℃后从第一反应床3出口出来，准备进入第二反应床15反应；同样，约5%～7%冷却后的混合气体经第二床层径向筐28上端的径向筐盖板10斜向通过第二反应床15上层催化剂反应，而约93%～95%的混合气体经第二床层径向筐28与反应器内筒体11筒壁之间的环隙均匀通过第二床层径向筐28侧壁上通气孔，由外往内径向流经第二反应床15中的催化剂进行反应，反应后热气均匀通过第二床层换热器13的换热器外筒体18上的通气孔，汇集于第二床层换热器13的换热器内筒体17与换热器外筒体18之间的环隙，然后经过第二床层换热器13列管间折流而下，被上升的B股冷气冷却至约410℃后从第一反应床15出口出来，准备进入第三反应床20反应；同样，约5%～7%冷却后的混合气体经第三床层径向筐27上端的径向筐盖板10斜向通过第三反应床20上层催化剂反应，而约93%～95%的混合气体经第三床层径向筐27与反应器内筒体11筒壁之间的环隙均匀通过第三床层径向筐27侧壁上通气孔，由外往内径向流经第三反应床20中的催化剂进行反应，然后通过中心集气管19中、下部管壁上的通气孔进入中心管7与中心集气管19之间集气通道，由上而下进入第三床层换热器21，然后经过第三床层换热器21列管间折流而下，被上升的A股冷气冷却至390℃以下后从反应器下端反应气出口流出氨合成反应器，经过蒸汽过热器废锅产生2.5MPa～3.9Mpa饱和蒸汽或过热蒸汽。

当催化剂还原时，关阀阀门乙，开阀阀门甲，使反应器内筒体11与反应器外筒体14之间的环隙有冷气通过，以使高压筒体不过热，但冷气不进中热交，从而又可使催化床层不降温.

反应器下端三通23上不仅设有反应热气出口26，还设有一备用反应热气出口25，若配置的废锅为非直连式，则从此备用出口配一高温抗氢管与旁置废锅连接。

实验表明，本发明具有很好的效果：

利用国产一种催化剂和第一种运行工况:压力15MPa,进塔气中惰性气(CH4+Ar)2%（液氮洗精制原料气）：

未反应气进零米温度370℃，氨含量2.2%；经第一床反应后，温度上升至500℃，氨含量增加为11.00%；进上热交间接冷却至410℃, 经第二床反应后,温度上升至466℃，氨含量增加为14.80%；进中热交间接冷却至385℃, 经第三床反应后，温度上升至440℃，氨含量增加为18.5%；进下热交间接冷至390℃，反应热气经三通23的热反应气出口26进入与之直连的废锅或蒸汽过热器。

利用国产一种催化剂和第二种运行工况:压力15MPa,进塔气中惰性气(CH4+Ar)14%（非液氮洗精制原料气）：

未反应气进零米温度370℃，氨含量2.2%；经第一床反应后，温度上升至482℃，氨含量增加为9.80%；进上热交间接冷却至420℃，经第二床反应后，温度上升至464℃，氨含量增加为12.80%；进中热交间接冷却至410℃，经第三床反应后，温度上升至445℃，氨含量增加为15.2%；进下热交间接冷至380℃，反应热气经三通23的热反应气出口

26进入与之直连的废锅或蒸汽过热器。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明的氨合成反应器设有三个径向的反应床，未反应气分A、B、C三股进入三个反应床中的换热器，气流阻力≤0.3mpa。

2、本发明中，进入各层的未反应气先经过内筒与径向筐环隙由上而下与内外筒环由下而上未反应冷气换热，利用内筒体做换热面积，减少各层换热面积，提高容积利用系数。

3、本发明的氨合成反应器上端大盖上设有装料管。传统技术中，当新的氧化催化剂还原后催化剂体积缩小，催化剂床层上部出现自由空间，未反应气没有任何反应从此直通出口，降低了全套装置能力，这是历史难题, 而本发明利用装料管，可补加予先还原催化剂，使之充满第一反应床而不要打开笨重的大盖，解决了历史难题。另外，催化剂使用时间加长。气体带来有害物质，污染或毒害催化剂，其中第一床是首当其冲的受害者，很快老化失活，但其下的第一、二床催化剂活性仍很好,此时可利用装料管将被毒害第一床催化剂抽吸出来，加入予先还原催化剂，不需更换整塔催化剂，提高了整塔催化剂效率，节省费用，且不要打开笨重大盖，减少了停产时间。

4、本发明中，催化剂还原后体积收缩, 第二反应床上部形成小自由空间，因中热交外筒体上部未设通气孔，即小自由空间以下有一定厚度催化剂，阻止气体短路未经反应直通换热器至第三层，保证总氨净值不会降低。

5、本发明的第二、三床间层三个连通管有一定长度，管内充满小粒催化剂，第三床上部不会形成小自由空间，当催化剂使用多年，老化失活，打开卸料管，第三层催化剂首先卸下，第二层催化剂通过三个连通管随后卸下，在较短时间内(24h左右)完成，无需任何动力，将催化剂全部卸下，而不要打开笨重大盖，将百吨重的内筒及失活催化剂从外筒中吊出而把催化剂倾倒清除。三个连通管既方便自卸催化剂,使经三个连通管直下第三层的气体因阻力大，气量少(1%左右)，又不会不经催化剂反应直接经下热交出塔，即保证了反应较高氨净值。

6、本发明反应器下端的三通设有两个反应热气出口，适用于不同连接型式（直连式/非直连式）废锅。

7、本发明优点径向筒通气孔为啦叭口,气体以高速度喷入,床层气体分布均匀。

8、本发明在压力底、惰性气含量高等不利工况下，操作线十分接近最适温度线，出口氨高达15.3%，如果原料气(CH4+Ar)＜0.5%，进塔未反应气(CH4+Ar)3%～5%，则出口氨高达18.5%.以上。本发明优点控制出塔反应气的温度＜400℃，进入废锅产生较高压力过热蒸汽，但不要求特殊耐高温抗氢材料。

附图说明

图1为现有技术中氨合成反应器的结构示意图；

图2为本发明的结构示意图。

图中：1、高压盲板；2、装料管；3、第一反应床；4、第一床层换热器；5、中心套管；6、第一床层径向筐；7、中心管；8、冷气进入管C；9、底封板；10、径向筐盖；11、反应器内筒体；12、冷气进入管B；13、第二床层换热器；14、反应器外筒体；15、第二反应床；16、连通管；17、换热器内筒体；18、换热器外筒体；19、中心集气管；20、第三反应床；21、第三床层换热器；22、卸料管；23、三通；24、分支弯管；25、备用备用热反应气出口；26、热反应器出口；27、第三床层径向筐；28、第二床层径向筐；29、未反应气进口B；30、未反应气进口A；31、未反应气出口B；32、阀门甲；33、冷气出口管；34、阀门乙；35、第二层瘦长列管换热器；36、第三层瘦长列管换热器；37、第四层瘦长列管换热器；38、第一催化床；39、第二催化床；40、第三催化床；41、第四催化床。

具体实施方式

如图2所示，所述三热交氨合成反应器包括反应器筒体，所述反应器筒体由反应器外筒体14和反应器内筒体11套装，反应器内筒体11与反应器外筒体14之间留有环隙；

另外，所述中心集气管19上部管壁未设通气孔的区域装载有小颗粒催化剂以增加流动阻力；所述第二床层换热器13的换热器外筒体18上部筒壁未设通气孔的区域装载有小颗粒催化剂以增加流动阻力；所述第一床层换热器4的外筒体18上部筒壁未设通气孔的区域装载有小颗粒催化剂以增加流动阻力。三层径向筐侧壁上的通气孔为喇叭形，近径向筐催化剂一端为小口；所述热反应气出口26为直连式出口；所述备用热反应气出口25为非直连式出口。

Claims

1.一种三热交氨合成反应器，包括反应器筒体，其特征在于，所述反应器筒体由反应器外筒体（14）和反应器内筒体（11）套装，反应器内筒体（11）与反应器外筒体（14）之间留有环隙；

所述反应器内筒体（11）内部由下至上分为第三反应床（20），第二反应床（15）和第一反应床（3）；所述第二反应床（15）和第三反应床（20）间设有三个均匀分布的连通管（16）；所述第一、第二和第三反应床中分别设有装载催化剂且与反应器内筒体（11）筒壁之间留有环隙的侧壁分布有若干通气孔的第一床层径向筐（6）、第二床层径向筐（28）和第三床层径向筐（27），所述三个径向筐上端均设有带多个开孔的径向筐盖（10）；第一床径向筐（6）与反应器内筒体（11）顶部之间留有作为第一床零米空间的间隙；

所述第一床层径向筐（6）、第二床层径向筐（28）和第三床层径向筐（27）内部分别设有上下两端均为封头的第一床层换热器（4）、第二床层换热器（13）和第三床层换热器（21），所述三个换热器均包括换热器内筒体（17）和换热器外筒体（18），所述换热器内筒体（17）与换热器外筒体（18）之间留有环隙；

所述第三床层换热器（21）的换热器内筒体（17）上端和换热器外筒体（18）上设有多个通气孔；第三床层换热器（21）设有依次穿过第二床层换热器（13）和第一床层换热器（4）且与第一床零米空间连通的中心管（7）；第三床层换热器（21）的换热器外筒体（18）上端连接有套装在中心管（7）上的中心集气管（19），中心管（7）与中心集气管（19）之间留有作为集气通道的环隙；中心集气管（19）管壁上部为封闭端，中心集气管（19）中、下部管壁设有多个通气孔；

所述第二床层换热器（13）的换热器外筒体（18）中、下部筒壁设有多个通气孔；第二床层换热器（13）上端封头连接有与中心管（7）套装且穿过第一床层换热器（4）的中心套管（5），中心套管（5）与中心管（7）之间有环隙；

所述第一床层换热器（4）的外筒体（18）中、下部筒壁设有多个通气孔，第一床层换热器（4）上端封头与第一床零米空间连通；

所述反应器筒体设有从反应器筒体顶部进入并穿过第一反应床且与第一床层换热器（4）下端封头连通的冷气进入管C（8），从反应器筒体顶部进入并穿过第一、第二反应床且与第二床层换热器（13）下端封头连通的冷气进入管B（12）；

所述反应器筒体上端设有高压盲板（1）和装料管（2）；所述反应器外筒体（14）上部设有未反应气出口B（31），所述未反应气出口B（31）与设有阀门甲（32）的冷气出口管（33）连通，在阀门甲（32）与未反应气出口B（31）之间的管道位置引出设有阀门乙（34）的分支弯管（24），分支弯管（24）与冷气进入管B（12）的入口端连通；

反应器下端设有未反应气进口B（29），卸料管（22）和三通（23）；所述三通（23）上设有未反应气进口A（30），热反应气出口（26）和备用热反应气出口（25）；所述未反应气进口B（29）与反应器内筒体（11）和反应器外筒体（14）之间的环隙连通；所述未反应气进口A（30）与第三床层换热器（21）的换热器内筒体（17）和换热器外筒体（18）之间的环隙连通；所述热反应气出口（26）和备用热反应气出口（25）与第三床层换热器（21）下端封头内侧空腔连通；所述中心集气管（19）上部管壁未设通气孔的区域装载有小颗粒催化剂；所述第二床层换热器（13）的换热器外筒体（18）上部筒壁未设通气孔的区域装载有小颗粒催化剂；所述第一床层换热器（4）的外筒体（18）上部筒壁未设通气孔的区域装载有小颗粒催化剂。

2. 如权利要求1所述的三热交氨合成反应器，其特征在于，所述第一床层径向筐（6）、第二床层径向筐（28）和第三床层径向筐（27）侧壁上的通气孔为喇叭形，通气孔近径向筐催化剂一边为小口。

3. 如权利要求1所述的三热交氨合成反应器，其特征在于，所述热反应气出口（26）为直连式出口；所述备用热反应气出口（25）为非直连式出口。

4. 如权利要求1至3任一项所述的三热交氨合成反应器，其特征在于，所述第一床层换热器（4）和第二床层换热器（13）为瘦长列管换热器；所述第三床层换热器（21）为矮胖列管换热器。