CN106430241B - 一种氨合成反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氨合成反应器，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，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，内件的下部设置第三反应床层，是一个绝热反应层。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。本发明一种氨合成反应器使得同几何尺寸的高压筒体能多装催化剂，有利提高装置产能，且塔内流程简单，调控温度容易，节约了成本。

Description

一种氨合成反应器
技术领域
本发明涉及一种氨合成反应器。
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。
现有氨合成反应器有下述几种：
1、冷激式：即先进行一次绝热反应，温度升高，再用未反应冷气直接混合，降温后再反应，如此反复换热三至四次。冷激式的缺点是氨净值低。
2、间冷式：即在催化剂床层布置两至三个间接热器，进行一次绝热反应，温度升高，反应热气进入换热器管外、未反应冷气进入换热器管内，进行间接换热，热气降温后再反应，反应床层设置两个或三个间接换热器，可以反复换热三至四次。间冷式的缺点是占用了反应器容积，催化剂装填量减少，影响装置产量。
3、内冷式：换热管布在催化剂层内，即管内是冷气，管外是催化剂，反应放出热随即被管内未反应冷气移走。反应气边反应边降温。内冷式的缺点是冷管周边催化剂不易完全活化，影响催化剂使用效率。
现有技术中公开了一种氨合成反应器，该氨合成反应器包括内外筒，内筒有三段径向催化剂层，第一、二径向催化剂层中有间冷换热器，第三催径向化剂层没有换热器。
内置的两个间冷换热器，占用内部大量空间，催化剂装填率较低，影响了反应器的转化效率。
因此，有必要提供一种可以增加催化剂装填率，又能快速调节床层温度的氨合成反应器。
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：
一种氨合成反应器，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。
本发明一种氨合成反应器使得同几何尺寸的高压筒体能多装催化剂，有利提高装置产能，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，节约成本。
附图说明
图1是本发明一种氨合成反应器结构示意图。
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1所示，本发明一种氨合成反应器，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。
气体在本发明氨合成反应器内流程为：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，经间冷换热器进气管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。
本发明提供的一种氨合成反应器设置有两个冷却器，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。
最后应说明的是：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：说明书中的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 (4)

1.一种氨合成反应器，其特征在于，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。
2.根据权利要求1所述的一种氨合成反应器，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。
3.根据权利要求2所述的一种氨合成反应器，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。
4.根据权利要求3所述的一种氨合成反应器，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。
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