CN102836673A

CN102836673A - 非均相放热合成反应器

Info

Publication number: CN102836673A
Application number: CN2011101721155A
Authority: CN
Inventors: 艾曼诺·菲利普
Original assignee: Ammonia Casale SA
Current assignee: Casale SA
Priority date: 2011-06-24
Filing date: 2011-06-24
Publication date: 2012-12-26

Abstract

一种具有外壳（2）的非均相放热合成反应器（1），所述合成反应器中支承至少一个催化床（15,16,17），所述催化床(15,16,17)通过反应气体出口接管（4）和在所述接管（4）中延伸的导管（29）连接至用于产生高压蒸汽的外部锅炉（21），在所述接管（4）与所述导管（29）之间形成环形空间（30）。有利地，所述空间（30）界定了在所述锅炉（21）中被冷却的气体的流动路径，从而避免所述接管（4）过热。

Description

非均相放热合成反应器

技术领域

从总体上来看，本发明涉及用于实现非均相放热合成的反应器。

特别地，本发明涉及具有外壳的氨或甲醇的合成反应器，该合成反应器中支承至少一个催化床，并且该催化床通过流体与延伸至上述外壳下面的接管相连通，所述接管设置有开口，该开口用于排出离开所述至少一个催化床的反应产物。

在用于非均相合成的反应器中，特别是在非均相合成的放热反应器中，越来越意识到需要在尽可能保持所述反应器的外部结构不变，特别是外壳、盖以及反应气体的气体出口接管不改变的同时，在较高热能级下回收在反应过程中产生的热量。

保持所述反应器的外部结构公认是最重要的，因为对反应器外部结构的任何修改不仅可使反应器本身经济上不可行，而且由于在修改区域可能的反应器结构，会造成潜在的危险。

背景技术

现有技术的反应器，基本上是仅对外壳的内部进行替换，特别是用新的径向或轴向-径向高产率床替换预先存在的催化床。

一方面，尽管这些反应器在保持其外部结构不变的同时，可提高反应器的生产能力和/或转化率，但是另一方面，他们不能实现在较高热能级下回收在合成反应中产生的热量。

在大部分情况下，实际上，所述反应器气体出口接管不能承受离开最下面催化床的反应气体的温度，达到此温度的反应气体在排出之前必须对其进行冷却。

因此，保持所述合成反应器外部结构不变的需要使得已知反应器仅仅在有限的热能级下回收反应产物具有的热量，这种回收仅限于锅炉给水的预热或生产低压蒸汽（少于40巴）。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种非均相放热合成反应器，该反应器使得在保持所述反应器的外部结构基本不变的同时，在较高热能级下回收在所述合成反应器中产生的反应热。

通过上文中所提到的反应器来解决上述问题，该反应器的特征在于，包括：

用于在所述外壳外部生产高压蒸汽的锅炉；

用于在紧靠着所述接管处将所述锅炉连接至所述外壳的装置；

在所述接管内伸展的导管，用于连接所述至少一个催化床与在所述锅炉内的进口集气管，在所述接管与导管间形成环形空间；

所述导管与空间界定了用于所述反应气体进入所述锅炉和从所述锅炉至所述反应器外部相应的流动路径。

本发明的反应器有利于在高热能级下回收反应热，从而使比反应器气体出口接管的设计温度高很多的热气体得到利用。可通过非常有效的方式进行回收，例如通过在置于所述反应器外部的锅炉产生高压蒸汽(80-120巴, 250-350°C)。

为此，所述本发明的反应器提供导管，该导管在所述反应产物的出口接管中延伸，用于将所述催化床或反应器的最下面催化床连接至上述锅炉，所述接管与导管间形成环形空间。

这样，在高温下离开所述最下面催化床的反应产物，直接被送入所述锅炉，而不与所述接管直接接触，这归功于将反应产物与接管隔离的所述空间。流经出口接管的是在锅炉中产生高压蒸汽而被冷却的气体，从而确保在操作中出口接管温度不超过设计值。

在所述反应器的一个具体的和优选的实施例中，通过所述外壳与锅炉气体出口接管的相互连接将上述锅炉与合成反应器连接起来。

优选地，用于将反应产物送入锅炉的所述导管同轴地在所述气体出口接管中延伸，从而使得管壁能均匀冷却。

因此，本发明的反应器提供了反应产物拥有热量的最佳回收方法，而无需更换或改变气体出口接管。

优选地，通过反应器中已存在的气体收集和输送装置，将所述催化床或所述反应器最下面的催化床连接至锅炉给料导管。

根据本发明的另一个目的，提供一种用于实现在高热能级下热回收的非均相放热合成的方法，该方法包括以下步骤：

将气态反应物送入支承在合成反应器内的至少一个催化床；

所述气态反应物在所述至少一个催化床上发生反应；

通过延伸到所述反应器下面的接管和设置的相应气体出口，将离开所述至少一个催化床的反应产物从反应器中排出，

其特征在于，该方法还包括以下步骤：

通过在所述接管中延伸的导管，将离开所述至少一个催化床的反应产物送入所述反应器外的锅炉，所述导管与接管间形成环形空间；

通过同时产生高压蒸汽来冷却所述锅炉中的反应产物；

通过所述环形空间和所述气体出口将离开所述锅炉的冷却反应产物排出。

在上述反应器中，这样获得的方法使得可利用离开多个催化床中的一个的产物的热量，最好产生高压蒸汽。

优选地，将反应产物在最终从反应器排出之前，经过最下面的催化床送入锅炉。

参照幅图，通过对下面旨在解释而非限制的本发明反应器的实施例描述，本发明的特点和优点便显而易见了。

附图说明

图1展示了现有技术用于非均相放热合成反应器的纵向剖面图；

图2展示了通过修改图1所示反应器得到的本发明反应器的纵向剖面图；

图3展示了如图2所述反应器的一些细节的放大后的纵向剖面图。

具体实施方式

参考图1，数字1表示已知的非均相放热反应器，如用于生产氨或甲醇的反应器。

所述反应器1包括管式套筒或外壳2，紧接上端的气封盖3以及设置在下端的用于排出反应产物的出口接管4。

所述接管4依次设置有用于所述反应产物的出口7，以及用于将第一部分气态反应物送入所述反应器的开口8。

在靠近所述盖3的位置的透过所述外壳2设置有第一开口5和多个间隔开的开口6（图1中仅展示出一个），第一开口5用于将第二部分气态反应物送入所述反应器，所述开口6用于将第三部分气态反应物或“急冷”气体送入所述反应器。

芯子9包括在其上部的反应段10和在其下部的换热器11，该换热器通常支撑在所述外壳2内部。在这种情况下，所述反应段10由两个催化床12和13构成，粒状或球形催化剂装载在催化床上，所述催化床通过导管集气管14，流体将催化床12与接管4连通起来。

在图1中，展示了穿过所述催化床12和13以及所述换热器11的气体流动路径，该气体流动路径用于在所述反应产物通过接管4离开所述反应器前对其进行冷却。

在这方面应该提到，由于这种冷却，所述接管4能够承受的最高温度比从所述反应段离开的产物的温度低得多。

图2展示了通过修改图1所示反应器得到的用于非均相放热合成的本发明反应器。

在图中，反应器1中结构与功能同图1所述部分相同者，将使用与图1中相同的参考数字，并不再做进一步描述。

在图2中，箭头表示流入和流出所述反应器1的的各种气体流动路径。

根据本发明特别优选的实施例，按照本领域已知的技术技巧，首先将图1中所示所述反应器的所述芯子9的内件拆除，然后装上轴向-径向流动式催化床15,16,17，使用介质急冷式冷却装置（通过与冷合成气体混合）和间接式冷却（通过换热器）装置。

为此，急冷气分布器18a，18b设置在所述第一和第二催化床15,16的上游，而气/气换热器23设置在所述第三催化床17的上游。

通过穿过所述盖3的导管20作为所述急冷气分布器18a的入口。

以上述方式修改所述反应器1之后，锅炉21设置在所述反应器的外部，这样，该类型的锅炉适合生产高压蒸汽。

所述锅炉21，如图2所示的例子为管壳式，包括外壳22，通常支撑多个管23，所述管的相反自由端通向管程入口和出口集气管24和25。

所述锅炉21也包括多个入口接管26和多个出口接管27，用于使合适冷却液，如水在壳程中流动。

28表示用于排出锅炉21管程中流动气体的接管。

然后以本领域已知的方式，通过连接装置将所述锅炉21连接至所述反应器1，该连接装置将所述接管4和28相互连接，例如通过多个常规的螺栓，未在图中示出。

随后通过在所述接管4中延伸的导管29将所述最下面催化床17连接至所述锅炉21管程的进气集气管24，导管29和接管4间形成环形空间30。

将于导管29结合在一起的气体收集室31被气密地固定至导管14，避免任何可能的液体从空间30泄露到所述反应器1的内部。

因此，在所述操作完成时，所述导管29与所述空间30界定了相应的气体流动路径，这使得热反应产物离开最下面催化床17，被送入所述锅炉21，在锅炉中被冷却之后被排出所述反应器。

通过本发明的反应器1（图2中的反应器1），可通过下面方式实现具有高热能级的热回收的非均相放热合成。

通过开口5送入反应器1的气态反应物在所述换热器19中预热，并送到第一催化床15，该气态反应物与由分布器18a送入的第一部分急冷气混合后以离心式的轴向-径向流动方式通过此催化床。

离开所述第一催化床15的反应产物/反应物的混合物在与由分布器18b提供的第二部分急冷气混合之后，被送入所述第二催化床16。

以轴向-径向向心式通过所述第二催化床16的混合气先在换热器19中部分冷却，然后再进入第三而且也是最后一个催化床17，并仍以轴向-径向向心式流过此催化床。

通过所述导管29，将离开所述最下面催化床17、温度约为450°C的反应产物送入所述锅炉21，在锅炉中，通过同时产生高压蒸汽的方式将所述反应产物温度冷却至约330-350°C。通过空间30和设置在接管4的开口7将离开锅炉21的反应气体从反应器1排出。

由于在所述空间30内流动的反应产物从接管4带走了热量，因此所述本发明的反应器可使所述接管保持在设计温度下。

很明显，所述反应气体的热量还可用于加热另一种流体或在设置在所述锅炉21下游的其他换热器中预热新鲜合成气体。

为了满足特定的或偶然的应用需求，本发明合成反应器还可包括其他实施例，都包含在由下面权利要求所限定的范围内。

因此，例如，所述反应器1的换热器11可便利地安装于所述反应器的下游，以便于用离开锅炉21的反应气体的余热预热新鲜合成气体。

作为一个可供选择的方法，可通过提供允许最下面催化床和导管29间流体交换的合适方法，即旁路换热器11，从而避免更换图1所示反应器1的催化床12和13以及换热器11。

Claims

1.一种具有外壳（2）的非均相放热合成反应器，所述合成反应器中支承至少一个催化床（15,16,17），该催化床通过流体与延伸至所述外壳（2）下面的接管（4）相连通，所述接管设置有开口（7），该开口（7）用于排出离开所述至少一个催化床（15,16,17）的反应产物，其特征在于，所述反应器还包括：

用于在所述外壳（2）外部产生高压蒸汽的锅炉（21）；

用于将所述锅炉(21) 在紧靠所述接管(4)处连接至所述外壳(2)的装置；

在所述接管(4)内延伸的导管(29)，用于将所述至少一个催化床(15, 16, 17)与在所述锅炉(21)内的进口集气管(24)相连，所述导管（29）和所述接管（4）间形成环形空间(30)；

所述导管(29)与所述空间(30)界定了用于所述反应气体进入所述锅炉(21)和从所述锅炉(21)至所述反应器外部的相应的流动路径。

2.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述锅炉（21）通过连接锅炉21的气体出口接管（28）与所述接管（4），从而连接至所述外壳（2）。

3.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述导管（29）在所述接管（4）中同轴延伸。

4.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述至少一个催化床（15,16,17）通过气体输送装置连接至所述导管（29）。

5.根据权利要求4所述的反应器，其特征在于，所述气体输送装置包括离开所述至少一个催化床（15,16,17）的反应产物的导管集气管（14）。

6.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述锅炉（21）为管壳式的。

7.一种实现在高热能级下热回收的非均相放热合成的方法，该方法包括以下步骤：

将气态反应物送入支承在合成反应器内的至少一个催化床（15,16,17）；

所述气态反应物在所述至少一个催化床上（15,16,17）发生反应；

通过延伸到所述反应器下面的接管（4）和设置的相应气体出口（7），将离开所述至少一个催化床（15,16,17）的反应产物从反应器中排出，

其特征在于，该方法还包括以下步骤：

通过在所述接管（4）中延伸的导管（29），将离开所述至少一个催化床的反应产物送入所述反应器外的锅炉（21），所述导管（29）与所述接管（4）间形成环形空间（30）；

以同时产生高压蒸汽的方式在所述锅炉（21）中冷却所述反应产物；

通过所述空间（30）和所述气体出口（7）将离开所述锅炉（21）的所述冷却反应产物排出。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于将从支承在反应器中的多个催化床(15, 16, 17)的最下面催化床离开的反应产物送入所述锅炉（21）。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括通过安装在所述合成反应器中的换热器（11）对离开所述锅炉（21）的反应产物进行冷却的步骤，所述换热器（11）位于所述出口（7）的下游。