CN105883852A - 一种氨合成反应系统及氨合成反应方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氨合成反应系统，包括：氨合成塔、组合式废锅、给水加热器、循环气热交换器、水冷器、组合式氨冷器、二氨冷器、氨分离器、液氨槽、循环机，经过所述循环气热交换器内预热后的气体进入所述氨合成塔，反应后的气体从氨合成塔底部直接进入组合式废锅。新系统流程设备数量减少，占地面积少，系统阻力小，系统投资成本降低。新型氨合成塔容积利用率高，在相同直径下，可以多装催化剂，提高了合成塔的氨净值，有利于提高新系统的产能。新型氨合成塔与组合式废锅，不经过外部管道直接相连，省去了外部管道，并减少了一台设备；组合式氨冷器具有热气降温、一级氨冷降温的组合功能，也省去了一台设备。

Description

一种氨合成反应系统及氨合成反应方法

技术领域

本发明涉及化工技术领域，特别涉及一种应用于氨合成生产中的氨合成反应系统及氨合成反应方法。

背景技术

合成氨的反应方程式如下：

3H₂+N₂→2NH₃+Q

合成氨反应是可逆反应，是在装有催化剂的反应器中进行的，催化剂活性有一定的温度范围，一般在340℃～520℃，低于340℃反应速度很慢，需要催化剂量大，反应器尺寸大；高于340℃，会使催化剂内晶体长大，活性衰退。

合成氨反应还是放热反应，需要在反应器设置换热器，不断移走热量，使反应气温度≤520℃，同时把未反应气加热到≥340℃。

在催化剂活性温度范围内，反应速度与反应推动力(即反应温度与平衡温度的距离)有关。平衡温距越大，反应推动力大，反应速度快。因为随着反应进行，平衡温度越来越低，所以到了反应后期，要求降低反应温度。

对于一定的反应装置，一定的催化剂装载量，换热器配置设计合理，反应速度越快，产能越高，运行能耗越低。

设计时还应兼顾可操作性，即反应器催化剂温度的可调性。

图1是现有的氨合成反应系统的一种具体形式，该系统包括间冷式氨合成塔200，其中，氨合成塔200与废锅202分离，该塔锅分离氨合成反应系统包括氨合成塔200、蒸汽过热器201、废锅202、给水加热器203、循环气热交换器204、水冷器205、冷交换器206、第一氨冷器207、第二氨冷器208、氨分离器209、液氨槽210和循环机211。

该塔锅分离氨合成反应系统流程具体如下：从循环气热交出来的未反应气分成三股，进入氨合成塔200，反应后的热气从氨合成塔200底部出来，进入蒸汽过热器201加热从废锅202出来的饱和蒸汽，然后进入废锅202进行热量回收，同时产生饱和蒸汽送至蒸汽过热器201，从废锅202出来的热气经过给水加热器203进一步降温后依次进入循环气热交换器204、水冷器205、冷交换器206、第一氨冷器207、第二氨冷器208逐级降温后，进入氨分离器209进行液氨分离，分离出来的液氨进入液氨槽210，分离后的冷气进入冷交换器206进行冷量回收，再进入循环机211增压，与补充的新鲜气一同进入循环气热交换器204提升温度，进入下一次的循环。

然而，该系统流程有以下不足：

1、间冷式氨合成塔内件占用了反应器容积，催化剂装填量减少，影响装置产量；

2、流程中设备多，系统阻力大，能耗较大。为了产生过热蒸汽，额外增加一台蒸汽过热器；为了充分降温，冷交换器后接了两台氨冷器。

3、设备多，占地面积较大。

4、氨合成塔催化剂的使用率较低，氨净值不高。

发明内容

为解决上述技术方案中的问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种氨合成反应系统，包括：氨合成塔、组合式废锅、给水加热器、循环气热交换器、水冷器、组合式氨冷器、二氨冷器、氨分离器、液氨槽、循环机，经过所述循环气热交换器的气体进入所述氨合成塔，反应后的热气从所述氨合成塔底部出来，直接进入所述组合式废锅进行热量回收，从所述组合式废锅出来的热气经过所述给水加热器进一步降温后依次进入所述循环气热交换器、所述水冷器、所述组合式氨冷器、所述二氨冷器逐级降温后，进入所述氨分离器进行液氨分离，分离出来的液氨进入所述液氨槽，分离后的冷气进入所述组合式氨冷器，再进入所述循环机增压。

优选为，还包括开工加热炉，经过所述循环气热交换器的气体在所述开工加热炉内提升温度后进入所述氨合成塔。

优选为，所述氨合成塔包括：具有内腔的高压外壳，所述高压外壳的内腔中设置有内件，所述内件从上至下设置有第一反应床层、第二反应床层、第三反应床层，所述第一反应床层内设置有间冷换热器，所述第二反应床层内设置有内冷换热器，所述间冷换热器上连接有间冷换热器进气管、间冷换热器出气管，所述内冷换热器上连接有内冷换热器进气管、内冷换热器出气管，所述第三反应床层设置为绝热反应层，所述高压外壳的内腔中还设置有触媒筐，所述触媒筐与所述高压外壳形成有间隙。

优选为，所述高压外壳内腔中还设置有第二反应床中心分气管，所述第二反应床中心分气管连通所述第二反应床层与所述第三反应床层。

优选为，所述高压外壳内腔中还设置有中心集气管，所述中心集气管的一端设置在所述高压外壳的内腔中，另一端伸出至高压外壳的外部。

优选为，所述高压外壳的顶部设置有开工加热器连接管，底部设置有卸料管。

优选为，所述组合式氨冷器包括：具有内腔的壳体，所述壳体的顶部设置有上盖，底部设置有下封头，其特征在于，所述壳体内在所述上盖与所述下封头之间设置有冷气出口室、热气进口室、液氨出口区域、液氨进口区域、冷气进口室、热气出口室，所述冷气进口室与所述冷气出口室过内套管连通，所述热气进口室与热气出口室通过外套管连通，所述内套管套设于所述外套管内部，所述内套管与所述外套管彼此隔绝且形成有间隙，所述内套管穿过所述热气进口室，所述冷气进口室设置在所述热气出口室内，所述外套管穿过所述液氨出口区域、液氨进口区域，所述冷气出口室连通有冷气出口，所述热气进口室连通有热气进口，所述液氨出口区域、液氨进口区域上分别设置有液氨出口、液氨进口，所述冷气进口室设置有冷气进口，所述热气出口室设置有热气出口。

优选为，所述内套管两端分别连接内套管上管板与内套管下管板，所述外套管两端分别连接外套管上管板与外套管下管板，所述内套管上管板设置在冷气出口室与热气进口室之间，所述内套管下管板设置在冷气进口室与热气出口室之间，所述外套管上管板设置在热气进口室与液氨出口区域之间，所述外套管下管板设置在所述液氨进口区域与所述热气出口室之间。

本发明还提供氨合成反应系统的氨合成反应方法，包括步骤：

从所述循环气热交换器出来的未反应气进入所述氨合成塔；

反应后的热气从所述氨合成塔出来，不经过外部管道直接进入所述组合式废锅，进行热量回收；

从所述组合式废锅出来的热气经过所述给水加热器进一步降温后依次进入所述循环气热交换器、水冷器、组合式氨冷器、二氨冷器逐级降温后，进入所述氨分离器进行液氨分离，

分离出来的液氨进入所述液氨槽，分离后的冷气进入所述组合式氨冷器进行冷量回收，再进入所述循环机增压，与补充的新鲜气一同进入所述循环气热交换器提升温度，如此，完成一个反应循环过程。

本发明的有益效果为：

1.本发明一种氨合成反应系统中的氨合成塔20设置有两个冷却器，一个为设置在第一反应床层4中的间冷换热器6，另一个为设置在第二反应床层9周边的内冷换热器11，反应床层被这两个冷却器隔开，构成四段反应。使同几何尺寸的高压筒体多装催化剂，有利提高装置产能，同时四段反应更接近最适宜温度曲线(反应速度最快)，使氨净值增长1％左右；且塔内流程简单，调控温度容易；另外，本发明高压筒体与内件之间环隙进气为常温未反应气，因此反应器的内壁不需特别材料衬里，反应器的外筒厚度比热壁塔的外筒厚度要低得多，节约材料成本；本发明一种氨合成反应系统中的组合式氨冷器60，采用内套管和外套管结构，由冷气、热气和液氨三种介质同时换热，省去了一氨冷器，提高了设备的换热效率。

2、塔内流程简单，调控温度容易。

3、下部三通是高温(400℃以上)，高压(12MPa以上)气体通过之重地。本发明设置三通中心套出气管，为高温反应气，环隙为低温未反应气，使三通只受高压，不受高温，保证安全运行。

4、本发明高压筒体与内件之间环隙进气为常温未反应气，冷壁塔，塔体不需特别材料衬里，节约成本。

5、新系统设备数量减少，占地面积少，系统阻力小，系统投资成本降低。新型氨合成塔与组合式废锅，不经过外部管道直接相连，省去了外部管道，并减少了一台设备(原蒸汽加热器)；组合式氨冷器具有热气降温、一级氨冷降温的组合功能，也省去了一台设备(原第一氨冷器)。

6、新型氨合成塔容积利用率高，在相同直径下，可以多装催化剂，提高了合成塔的氨净值，有利于提高新系统的产能。

附图说明

图1是现有技术中一种氨合成反应系统示意图；

图2是本发明一种氨合成反应系统示意图；

图3是本发明氨合成反应系统中氨合成塔的结构示意图

图4是本发明氨合成反应系统中组合式氨冷器结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图2所示，本发明一种氨合成反应系统，包含：氨合成塔20、组合式废锅21、给水加热器22、循环气热交换器23、水冷器24、组合式氨冷器50、二氨冷器26、氨分离器27、液氨槽28、循环机29。

本发明氨合成反应系统流程是：从循环气热交换器23出来的未反应气分成二股进入氨合成塔20，反应后的热气从氨合成塔20底部出来，不经过外部管道直接进入组合式废锅21，进行热量回收，同时副产过热蒸汽；从组合式废锅21出来的热气经过给水加热器22进一步降温后依次进入循环气热交换器23、水冷器24、组合式氨冷器50、二氨冷器26逐级降温后，进入氨分离器27进行液氨分离，分离出来的液氨进入液氨槽28，分离后的冷气进入组合式氨冷器60进行冷量回收，再进入循环机29增压，与补充的新鲜气一同进入循环气热交换器23提升温度，进入下一次的循环。

本发明一种氨合成反应系统还包括开工加热炉25，在系统启动时，经过循环气热交换器23的气体在开工加热炉25内提升温度，从氨合成塔20顶部进入其内，其中，开工加热炉25采用外供燃气加热。

如图3所示，氨合成塔20，包括：具有内腔的高压外壳15，高压外壳15的内部设置有内件，内件从上至下设置有第一反应床层4、第二反应床层9、第三反应床层16，第一反应床层4内设置有间冷换热器6，第二反应床层9内设置有内冷换热器11与第二床层内冷反应段13，内件下部设置的第三反应床层16是一个绝热反应层，其中，间冷换热器6上连接有间冷换热器进气管5、间冷换热器出气管2，内冷换热器11上连接有内冷换热器进气管3、内冷换热器出气管7，高压外壳15内腔还设置有触媒筐12、第二反应床中心分气管8以及中心集气管14，触媒筐12与高压外壳15形成有间隙，第二反应床中心分气管8连通第二反应床层9与第三反应床层16，中心集气管14一端设置在高压外壳15的内腔中，另一端伸出至高压外壳15的外部，高压外壳15顶部设置有开工加热器连接管1，底部设置有卸料管17。

氨合成塔20内的流程是：未反应气分成A/B/C三股，A/B两股在塔外预热到150℃～170℃，小部分(C股)未反应冷气由塔底进入，经高压外壳15与触媒筐12环隙由下而上流动，其自身被加热，在上部与来自反应器外预热未反应气A股混合，经间冷反应器进气管5到间冷换热器6的管程中，由下而上被加热至340℃～380℃经间冷换热器出气管2达第一反应床层4的顶部。少部分(B股)未反应气由反应器顶经内冷换热器进气管3直通内冷换热器11，被管外反应热气至被加热至340℃～380℃经内冷换热器出气管7达第一反应床层4顶部。

A/B两股在第一反应床层4顶部混合后进入第一反应床层4，由外往中心径向流经催化层，反应后温度升高，进入间冷换热器6的壳程，与管内未反应冷气换热降温，向下进入第二反应床中心分气管8；由中心往外圈径向流通，先经第二反应床层9，后进第二床层内冷反应段13，反应后由外往中心径向流经第三反应床层反应16，反应后温度达到420℃～450℃，氨含量18％～20％，汇集于中心集气管14，从反应器中心排出，可直接与废锅或蒸汽过热器连接，也可通过管道连接。当催化剂使用周期满足后，反应系统停车，打开卸料管17的底盖，塔内催化剂自然卸下。

组合式氨冷器60包括具有内腔的壳体38，壳体38的顶部设置有平盖32，底部设置有球形封头46，壳体38内在平盖32与球形封头46之间设置有冷气出口室48、热气进口室49、液氨出口区域50、液氨进口区域51、冷气进口室52、热气出口室53，其中冷气进口室52与冷气出口室48通过内套管40连通，热气进口室49与热气出口室53通过外套管39连通，内套管40设置在外套管39内部，两套管彼此隔绝，两者之间形成有间隙，内套管40穿过热气进口室49，冷气进口室52设置在热气出口室53内，两者之间形成有间隙，外套管39穿过液氨出口区域50、液氨进口区域51，其中冷气出口室48上连通有冷气出口31可排出冷气，热气进口室49上连通有热气进口34，从水冷器过来的气体可从热气进口34进入至热气进口室49，热气进口室49内设置有折流板35，折流板35使得进入热气进口室49的气体在热气进口室49内折返流动，液氨出口区域50、液氨进口区域51上分别设置有液氨出口37与液氨进口41，因此液氨可流入与流出，其中内套管40两端分别连接内套管上管板33与内套管下管板43，外套管39两端分别连接外套管上管板36与外套管下管板42，其中内套管上管板33设置在冷气出口室48与热气进口室49之间，内套管下管板43设置在冷气进口室52与热气出口室53之间，外套管上管板36设置在热气进口室49与液氨出口区域50之间，外套管下管板42设置在液氨进口区域51与热气出口室53之间，各管板可起到隔离两腔室的作用，冷气进口室52底部设置有椭圆封头44且与冷气进口47连通，热气出口室53与热气出口45连通可流出热气。

组合式氨冷器60内介质流动过程如下：从水冷器过来的气体从热气进口34进入，在热气进口室49内折返流动，与内套管40内的冷气进行换热后进入外套管39与内套管40之间的环隙，从上至下流动，同时经过外套管39与外套管39外部的液氨进行换热降温，部分冷凝，然后经过球形封头46与椭圆封头44之间的环隙从热气出口45进入二氨冷器。从氨分离器过来的冷气从冷气进口47进入内套管40，从下往上流动到上部冷气出口31，与外套管39外部的热气换热。液氨从下部液氨进口41进入外套管管外，经过折流板35的折流，从下往上流动，与外套管39内的热气换热后从上部液氨出口37出来。

本发明的有益效果为：

1.本发明一种氨合成反应系统中的氨合成塔20设置有两个冷却器，一个为设置在第一反应床层4中的间冷换热器6，另一个为设置在第二反应床层9周边的内冷换热器11，反应床层被这两个冷却器隔开，构成四段反应。使同几何尺寸的高压筒体多装催化剂，有利提高装置产能，同时四段反应更接近最适宜温度曲线(反应速度最快)，使氨净值增长1％左右；且塔内流程简单，调控温度容易；另外，本发明高压筒体与内件之间环隙进气为常温未反应气，因此反应器的内壁不需特别材料衬里，反应器的外筒厚度比热壁塔的外筒厚度要低得多，节约材料成本；本发明一种氨合成反应系统中的组合式氨冷器60，采用内套管和外套管结构，由冷气、热气和液氨三种介质同时换热，省去了一氨冷器，提高了设备的换热效率。

2、塔内流程简单，调控温度容易。

3、下部三通是高温(400℃以上)，高压(12MPa以上)气体通过之重地。本发明设置三通中心套出气管，为高温反应气，环隙为低温未反应气，使三通只受高压，不受高温，保证安全运行。

4、本发明高压筒体与内件之间环隙进气为常温未反应气，冷壁塔，塔体不需特别材料衬里，节约成本。

5、新系统设备数量减少，占地面积少，系统阻力小，系统投资成本降低。新型氨合成塔与组合式废锅，不经过外部管道直接相连，省去了外部管道，并减少了一台设备(原蒸汽加热器)；组合式氨冷器具有热气降温、一级氨冷降温的组合功能，也省去了一台设备(原第一氨冷器)。

6、新型氨合成塔容积利用率高，在相同直径下，可以多装催化剂，提高了合成塔的氨净值，有利于提高新系统的产能。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种氨合成反应系统，其特征在于，包括：氨合成塔、组合式废锅、给水加热器、循环气热交换器、水冷器、组合式氨冷器、二氨冷器、氨分离器、液氨槽、循环机，经过所述循环气热交换器加热后的气体进入所述氨合成塔，反应后的热气从所述氨合成塔底部出来，直接进入所述组合式废锅进行热量回收，从所述组合式废锅出来的热气经过所述给水加热器进一步降温后依次进入所述循环气热交换器、所述水冷器、所述组合式氨冷器、所述二氨冷器逐级降温后，进入所述氨分离器进行液氨分离，分离出来的液氨进入所述液氨槽，分离后的冷气进入所述组合式氨冷器，再进入所述循环机增压。

2.根据权利要求1所述的一种氨合成反应系统，其特征在于，还包括开工加热炉，经过所述循环气热交换器的气体在所述开工加热炉内提升温度后进入所述氨合成塔。

3.根据权利要求1或2所述的一种氨合成反应系统，其特征在于，所述氨合成塔包括：具有内腔的高压外壳，所述高压外壳的内腔中设置有内件，所述内件从上至下设置有第一反应床层、第二反应床层、第三反应床层，所述第一反应床层内设置有间冷换热器，所述第二反应床层内设置有内冷换热器，所述间冷换热器上连接有间冷换热器进气管、间冷换热器出气管，所述内冷换热器上连接有内冷换热器进气管、内冷换热器出气管，所述第三反应床层设置为绝热反应层，所述高压外壳的内腔中还设置有触媒筐，所述触媒筐与所述高压外壳形成有间隙。

4.根据权利要求3所述的一种氨合成反应系统，其特征在于，所述高压外壳内腔中还设置有第二反应床中心分气管，所述第二反应床中心分气管连通所述第二反应床层与所述第三反应床层。

5.根据权利要求4所述的一种氨合成反应系统，其特征在于，所述高压外壳内腔中还设置有中心集气管，所述中心集气管的一端设置在所述高压外壳的内腔中，另一端伸出至高压外壳的外部。

6.根据权利要求5所述的一种氨合成反应系统，其特征在于，所述高压外壳的顶部设置有开工加热器连接管，底部设置有卸料管。

7.根据权利要求1或2所述的一种氨合成反应系统，其特征在于，所述组合式氨冷器包括：具有内腔的壳体，所述壳体的顶部设置有上盖，底部设置有下封头，其特征在于，所述壳体内在所述上盖与所述下封头之间设置有冷气出口室、热气进口室、液氨出口区域、液氨进口区域、冷气进口室、热气出口室，所述冷气进口室与所述冷气出口室过内套管连通，所述热气进口室与热气出口室通过外套管连通，所述内套管套设于所述外套管内部，所述内套管与所述外套管彼此隔绝且形成有间隙，所述内套管穿过所述热气进口室，所述冷气进口室设置在所述热气出口室内，所述外套管穿过所述液氨出口区域、液氨进口区域，所述冷气出口室连通有冷气出口，所述热气进口室连通有热气进口，所述液氨出口区域、液氨进口区域上分别设置有液氨出口、液氨进口，所述冷气进口室设置有冷气进口，所述热气出口室设置有热气出口。

8.根据权利要求7所述的一种氨合成反应系统，其特征在于，所述内套管两端分别连接内套管上管板与内套管下管板，所述外套管两端分别连接外套管上管板与外套管下管板，所述内套管上管板设置在冷气出口室与热气进口室之间，所述内套管下管板设置在冷气进口室与热气出口室之间，所述外套管上管板设置在热气进口室与液氨出口区域之间，所述外套管下管板设置在所述液氨进口区域与所述热气出口室之间。

9.根据权利要求1-8任一所述的氨合成反应系统的氨合成反应方法，其特征在于，包括步骤：

从所述循环气热交换器出来的未反应气进入所述氨合成塔；

反应后的热气从所述氨合成塔出来，不经过外部管道直接进入所述组合式废锅，进行热量回收；

从所述组合式废锅出来的热气经过所述给水加热器进一步降温后依次进入所述循环气热交换器、水冷器、组合式氨冷器、二氨冷器逐级降温后，进入所述氨分离器进行液氨分离，

分离出来的液氨进入所述液氨槽，分离后的冷气进入所述组合式氨冷器进行冷量回收，再进入所述循环机增压，与补充的新鲜气一同进入所述循环气热交换器提升温度，如此，完成一个反应循环过程。