CN1045707A - 采用多个催化床和热交换器的放热多相合成的工艺和反应器 - Google Patents

采用多个催化床和热交换器的放热多相合成的工艺和反应器 Download PDF

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Abstract

在一种放热多相合成的工艺中，例如合成氨的工艺中，合成气在多个具有轴-径向或径向气流通道的催化床中反应，反应后的气体汇集在最后的催化床的出口，输送到一位于反应器顶部的热回收系统。
一种改进的反应器包括至少装有两个底部曲面弯曲方向相反的三个催化床，一个第一聚冷系统，该系统的分配器位于第一靠上的催化床，紧靠在该催化床内壁不钻孔的部分，一个至少位于上面的两个催化床之一的中心的气体/气体热交换器，一个在壳体上部瓶颈部内的水预热器或者一个锅炉，以及一个使在第三催化床中收集的反应后的气体输送到顶部的内部中心管路。

Description

本发明涉及一种放热多相合成的工艺，在该工艺中，合成气体流经一组彼此叠置又隔开的催化床，这些催化床装在同一反应空间中，所有反应后的气体汇集到下面的一个催化床的中心区并由此向上流到该空间的顶部，反应过的气体的热量在此处被吸收收并供产生蒸汽用。
本发明还涉及一种完成该工艺的反应器，该反应器包括一个耐压的壳体，全部装在该壳体内部的多个催化床篮筐以及一个热交换器。
在最近的一份专利申请中指出，在生产氨的合成反应N2+3H2中放出相当可观的热量，这些热量一般是通过产生再循环的蒸气，以达到减少能耗的最终目的。
最先进的工艺力求在尽可达到的最高热量水平上实现对该合成热的最大限度地回收。因此，合成设备及其主要组成部分，即反应器的设计应用绕这一目标进行。
在一些新式的设备上所用的反应器都有多个催化床，利用使气体经过热交换器间接地交换实现中等程度的骤冷;此外，可以把部分反应热用外部的冷却流体，例如供给锅炉的水来吸收或者在最后的反应阶段之前利用产生蒸汽的办法来吸取这部分热量，这样做的目的在于能使反应器在可能达到的最高温度（在最高热水平下回收热）下，同时不能降低可能达到的最大效率。
最高温度和最高产量实际上是对照多条相关的曲线而得出的，这些曲线的横座标代表氨的浓度，纵座标代表气体的温度。
大多数的设计者倾向于把合成反应器设计成具有多个催化床的结构，其中，至少有两个不同的部分相串联，以便满足上述的在不影响可能达到的最高产量的条件下实现最优反应热交换（在最高热量水平下）（Fertilizer    Focus    October    1987）。
在采用两个不同部分的设备的结构中，这两个反应组件中的第一个通常包括两个带有内热式交换器的间接中等程度骤冷的催化床，而第二反应组件通常包括一个单一的催化床。
该设备的两部分之间热交换是通过一个能产生蒸汽的锅炉来进行的。在这种情况下采用的是Topsoe    Series250（Series200+Series50）反应器和Uhde反应器，这两种反应器中的反应床都能使气体沿径向流动（Fertilizer    Focus    Oclober    1987.P36    and    39）
还有些反应器是采用三个不同部分结构的，其中每个部分包括一个能使气体沿轴流动的催化床，这种结构可在C.F.Braun的设计（Nitrogen    Conference.Amsterdan    1986）中找到。在这种情况下，一个产生蒸汽的锅炉装在该设备的第二和第三部分之间（Nitrogen    Conference，Amsterdam    1986.Mr.K.C.Wilson，Mr.B.J.Crotz    and    Mr.J.Richez    of    CdF    Chimie）。
按照C.F.Braun的最近的专利申请（英国专利申请2132501A）中的方案，在催化床之间的气体/气体热交换器是装在反应装置的外面，并且直接同只包含有一个催化床的壳体的底部相连;而在常规的方案中，这个热交换器是装在几个反应器的内部，在一个单独安装的反应器中至少有两个反应床。为了减少管道在高温下引起的麻烦，通过向反应器输入新鲜空气骤冷连接上方的水平热交换器和包含催化床壳体的管道。
新鲜的供给气体经予热以后，离开催化床的气体又从热交换器中离开后输送到包含有第二催化床的组件[装有多个反应组件的C.F.Braun反应器，这些反应组件如上述的Wilson.Grotz和Richez的报告中的图5以及Fertilizer    Focus（Ocober    1987）第48页所述]中
C.F.Braun在上述的专利申请中解决防止高温气体和连接壳体和热交换器的管路的接触的技术方案之所以对在单独的一段装置中的装有多个催化床的反应器没有影响，是因为气体/气体热交换器是直接地装在反应器本身的内部，这在上面已经描述过。
C.F.Braun的技术方案虽然解决了最优热交换的问题，但是它是利用装一个锅炉的办法，并且这个锅炉要经复杂的管路系统同反应器本身相连接（参考C.F.Braun所著文章的图5，Nitrogen，86和Fertilizer    Focus，1987.P48）
所有的上述方案尽管解决了热力学问题，但是非常复杂的，因而成本是高的。
合成氨反应器实际上是在高压下运行的，工作压力通常不低于80巴，大多数情况是130巴至250巴之间，温度为400°-500°的高温。在上述附图中的连接设备各个段所必需的管路（如在上述的参考文件中用图示的那样）是在非常恶劣的条件（在各个反应床之间的气体高温），因此这些管路必须由能够长时间运行的特种材料制造，以便减少由于热膨胀引起的机械应力。尽管采用了C.F.Braun的英国专利申请2132501A中的措施，C.F.Braun的反应器所处的工作环境仍然是极端恶劣的。
在上述的最新的专利申请中，申请人建议一种工艺和一种装有几个催化床的反应器，这种方法和反应器不受上述缺点的损害，并且可以接一个单段的结构来制造，能够容易地把催化剂床之间的反应热传输出去，特别是在最后的反应床之前，从而实现在最高热量水平的条件下达到反应热的最大回收，这些热可以交换给例如予热锅炉的水或者直接产生蒸汽。
在例数第二个催化床中反应的热气经过大体上沿着垂直反应器的轴线方向安装的管路直接输送到热交换器系统（予热器或锅炉），经过一个管道直接返回到反应器中，该管道既可以在上述管道的里面，也可以在外面形成的使气体通过返回反应器的间隙，然后该气体直接输送到最后的催化床中，这个催化床可以是轴-径向或径向允许气流通过，也可以是以向心或离心的方式允许气流通过的，这些气体的最后一个催化应中反应后又一次被输送到该反应器的中心部分或外部，最后以该反应器的底部流出。
这个系统如采用基本上不变直径的圆柱形壳体的反应器运行得很好，但如采用带有一梯度变化直径壳体的反应器会遇到些麻烦。
申请人继续进行试验研究后发现，在使用和改进瓶颈式反应器时，在反应器的颈部的内部装一个予热量或锅炉是有优越性的，将反应后的气体集中在最后一个催化床的中心区、使这些气体沿轴向在中心处输送到回收热的顶部或颈部。
为了便于理解本发明的系统，即本发明的主题，现在通过本发明的最佳实施方案的变换器并参考该变换器的剖面图作为例子来描述本发明。
该反应器包括：壳体（1）和构成多个催化床的筒状体（2）（在这里2即为6.7和13），新鲜气体（3）从反应器的底部进入，沿壳体（1）的内壁和筒状体（2）的外壁之间的间隙从底部到顶部，以使壳体的温度减少到最低温度。
正如申请人在其它的专利申请中所述的那样，从间隙（4）的顶部离开的合成气体以轴向气流的方式流经第一催化床的较短的上部（用高度“h”来限定不钻孔的内壁Pi1的高度），然后又以径向气流方式通过高度“H”限定的钻孔部分。
在第一催化床反应后的气体汇集在环状中心区X1并从这里穿过第二催化床，该催化床允许沿轴向和径向通过。
在第二催化床上反应后的气体汇集到内环中心区X2，由此，在热交换器（5）中同新鲜空气交换热以后流到第三和最后一个催化床，最后催化床允许气体沿轴向和径向流动并汇集在区X3。这种交换热器的工作情况在申请人的最近的一份申请中已经详细描述过，在这里还要提及。
更具体地讲，在图中所示的实施例大体上是于1988年9月12日在瑞士申请的04551/88-8号专利申请中所描述的和所要求保护的那种类型的装置，它除了包括三个催化床（6.7和13）之外，还包括在第一催化床顶部的骤冷组件Q1和一个热交换器（5），该热交换器穿过第一和第二催化床（6和7）的中心部分并且流入新鲜空气Q2。正如在该专利申请中所述，这两个催化床（6和7）底部的曲面形状和第三催化床（13）底部形状是相反的。
本发明的特点在于，在第三催化床中反应过的气体汇集在中心空间X3，并由此经管道T流到壳体（1）和上端（COL），在该上端（COL）处装有一个供该反应气体用的热交换器（RC），RC可以是一个水的予热量（例如从A处通入水）或者是一个产生蒸汽（在高压下）的锅炉，这些蒸汽从（V）处离开。
（RC）的上端（COL）与壳体1构成一个整体，是壳体（1）的延伸，而筒状体（4）在RC的下部的4′处被密封。
从本质上谱，在顶部装有锅炉的反应器的结构被证明是新式高产反应器中能达到最优热回收的理想方案。
在对目前尚在广泛可靠运行的老式反应器，例如Kellogg瓶颈式反应器的在原地进行现代化改造上，该方案被中标。业发现，在原地对高能耗的老式反应器只要稍做些改进就能变为能够使气流轴-径向流动的高产和低能耗的反应器，例如根据申请人的US4755362的专利中的系统对申请人的US4372920和4405562的专利中的反应器在原地进行的现代化改造。
在根据本发明的方案对Kellogg瓶颈式的反应器进行改造时，可以保持该反应器的传统外部结构，在该反应器的内部装入三个催化床6.7和13、骤冷组件Q1和一个热交换器（5）（或者两个交换器），在其颈部（COL）安装一个锅炉（例如插入式或发夹式的），保持老式笨重的Kellogg反应器的横向尺寸（例如内径＝2946mm），并使前面的两个催化床的底部弯曲方向相反，以便获得最大的压力和小粒度催化剂的最大效率。
通过实例已经发现，利用本发明的一个反应器，在平均温差为1000℃，压力为140巴的绝对压力，供给气体为218℃，催化剂（其粒度在1.5-3mm之间）的体积为70m3，在利用水的预热器和锅炉（RC）中回收的热量可以达到634000大卡/吨氨，这个热量等于将锅炉105℃的水生产110绝对大气压的1170Kg/MT蒸汽所需的热量。
正如上面所指出的那样，除了由于回收而带来的优点外，还有由于能够保持瓶颈式的外部结构和布置所带来的优点，这样会使改造设备的工作简化，可靠，高效率和低成本。

Claims (7)

1、一种放热多相合成的工艺，在该工艺中合成气体流径多个彼此重叠而又隔开的催化床，这些催化床装在同一反应空间。在该反应空间中该合成气体流过一个催化床后又流径下一个催化床，其特征在于，反应后的热气在最后的催化床中汇集在该空间的下端，并沿中心部位输送到空间的上端，即第一催化床的上方，在这里气体被输送，它的热量被回收。
2、如权利要求1所术的工艺，其特征在于该反应气体以一种轴-径向气流的方式从催化床的外部流径内部
3、如前述权利要求所述的工艺，其特征在于该气体在第一催化床的顶部被骤冷并至少在前面的两个催化床之一中进行热交换。
4、一种完成前述权利要求工艺的反应器，包括一个耐压的壳体，全部装在同一壳体内的催化床的篮筐，一个适用的筒状体和一个热交换器，其特征在于还包括一个使反应后的热气体汇集到从第一到最后一个催化床上的组件，这些热气基本上以向心径向流动的方式汇集到下面的催化床的内部;
使该热气体沿中心方向输送到壳体的上端，以便汇集该热气的组件
一个在该上端的热交换器，以及
一个用于排放该气体的组件，它与交换器搭接并装在包围住交换器的那部分壳体上。
5、如权利要求4所述的反应器，其特征在于还包括：三个叠置且隔开的催化床，其中有两个的底部表面弯曲的方向是相反的，一个第一骤冷系统，该系统带有位于第一催化床内部、紧接在该有关篮筐内壁不钻孔部分下面的分配器;至少位于上面两个催化床之一的中心部位气体/气体交换器;一个在壳体上端的热回收系统，以及一个把在第三个催化床内收集到的反应后的气体向上输送到该壳体上端即顶部的内中心管
6、如权利要求5所述的反应器，其特征在于，这些催化床装在该壳体的具有恒定直径的圆筒状的主体部分中，顶部的交换器位于该壳体的较细部分，其直径比该主体部分要小。
7、如权利要求6所述的反应器，其特征在于该较细部分呈瓶颈状。
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C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
C15 Extension of patent right duration from 15 to 20 years for appl. with date before 31.12.1992 and still valid on 11.12.2001 (patent law change 1993)
OR01 Other related matters