CN109071249B - 用于氨合成转化器的启动加热的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一个新的用于启动加热氨合成设备中的转化反应器的方法，其中燃气加热器的常规使用由感应加热代替。该感应加热通过使用交流高频电流获得，该交流高频电流通过位于反应器内，尤其是安装在压力壳内的感应线圈。该方法使得可以以非常有效的方式在高温和高压下运行反应。

Description

用于氨合成转化器的启动加热的方法

本发明涉及氨合成转化器的启动加热，其中催化剂床在不使用气流作为载热介质的情况下被加热。更具体地，本发明涉及一种用于氨合成转化器的启动加热的方法，其中使用感应加热代替燃气加热器的传统使用。

感应加热是通过磁感应通过涡流(也称为傅科电流，这是由于法拉第(Faraday)感应定律，通过导体内的变化磁场在导体内感应的电流回路)和/或磁滞损耗在物体中产生的热量加热导电物体(通常是金属)的过程。涡流在垂直于磁场的平面中在导体内以闭环流动。

感应加热器由电磁铁和电子振荡器组成，其使高频交流电(AC)通过电磁铁。快速交变的磁场穿透物体，由此在导体内部产生称为涡流的电流。流过材料电阻的涡流将通过Joule(焦耳)加热来使其加热。涡流加热也表示为欧姆加热。在诸如铁的铁磁性(和亚铁磁性和反铁磁性)材料中，可替代地或另外地可通过磁滞损耗产生热量。这表示为铁磁加热。所用电流的频率取决于物体尺寸、材料类型、耦合(感应线圈和待加热物体之间)和穿透深度。包括弯曲成多个圆环或绕组形式的导体的感应线圈是电磁铁的一个实例。

感应加热通常使用通过线圈的通常为高频的交流电进行。待加热的目标置于线圈内。然而，该过程不是非常能量有效的，因为线圈产生的磁场也将在线圈外部继续。虽然可通过将线圈成形为环面来避免这个缺点，但是由于线圈中的电阻，即欧姆热(其通常会在该过程中损失)，仍然会有损耗。

现在已经证明，有可能建立一种更加能量有效的方法。在所述方法中，线圈将安装在反应器内，催化剂将置于线圈内。这样，该过程不会损失欧姆热，并且如果压力壳基于具有低磁滞的铁，或者可替代地，压力壳内涂有这种铁类型，由线圈产生的磁场将不能穿透反应器。在非常高的温度下，可封闭反应器，并可能使其冷却以通过使温度保持低于居里(Curie)温度来对其实施保护，该居里温度是这样的温度，其中某些材料在该温度下失去其永久磁性且被感应磁性替代。通常，线圈可以由耐受还原性气体的Kanthal型(Fe-Cr-Al合金)线制成。

US 2,519,481描述了化学反应的温度控制，更具体地说，采用感应加热，尤其是高频感应加热，以精确控制反应区的温度。因此，该专利描述了吸热反应的感应加热以及使用感应加热来启动放热反应。该专利特别涉及蒸汽或气相催化反应，尤其是放热反应。

在US 4,536,380中描述了进行反应的方法，其中使用循环的磁稳定床来控制反应温度曲线。更具体地说，该专利描述了在流化床中进行的吸热和放热催化反应，例如，氨合成反应。向反应器施加磁场，主要是为了防止在流化床中形成气泡。此外，提及了铁或经促进的铁颗粒作为氨的催化剂。

GB 673,305描述了一种用于电加热气流的装置，其中电导体纵向地设置在与流动气体接触的流中。特别地，其描述了一种用于氨合成的装置，该装置包括电加热装置。所述加热装置的目的是双重的：既提供用于还原新鲜催化剂材料的能量又在中断其状态之后启动炉(即氨合成转化器)。该GB文件没有提及磁感应加热。

WO 2015/140620描述了使用Haber-Bosch方法合成氨的方法。将具有75摩尔％的氢和25摩尔％的氮的化学计量组成引入反应室，该反应室还包含铁磁性铁粉。通过施加振荡磁场，保持了400℃的温度。

在WO 2016/010974中，公开了一种生产氨的方法，其中将氮和水引入包含超顺磁性催化剂的反应容器中。提供波动磁场的线圈位于反应容器附近。

Tshai,Kim Hoe等人在“American Institute of Physics Conference Series(2014,vol.1621,pp 223-230)”上发表的题为“Optimization of green synthesis ofammonia by magnetic induction method using response surface methodology”描述了通过向包含α-Fe₂O₃纳米线的反应器供应N₂和H₂来生产氨的方法，该α-Fe₂O₃纳米线在750℃下用18M的H₂SO₄处理。通过围绕反应器的Helmholtz线圈施加高频振荡磁场。

最后，US 2006/0124445涉及用于气相重整的电加热反应器。更具体地，电加热是通过使电流通过反应器的衬里而获得的欧姆加热。该美国文献既未描述反应器为了放热反应而预热，也未描述反应器的磁性感应加热。

在现有技术文献中，没有提及或暗示线圈在反应器内的位置，并且在现有技术中也没有公开线圈的形状，即环面。

因此，本发明涉及一种用于启动加热氨合成设备中的转化反应器的方法，其中燃气加热器的常规使用由使用交流高频电流获得的感应加热代替，该交流高频电流通过感应线圈。

优选地，感应线圈位于反应器内部。进一步优选地，感应线圈安装在压力壳内，并且氨催化剂置于线圈内。

线圈优选是非绝缘的，由此与催化剂电接触。

催化剂可以是铁磁性、反铁磁性或非磁性的。如果它是非磁性的，则其优选与铁磁性材料混合。

在1908年左右开发根据下式从氢和氮催化合成氨的方法：

N₂+3H₂<->2NH₃(ΔH＝-92.4kJ/mol)

并在几年后改进到工业规模。从那时起，这种方法(Haber-Bosch方法)一直是氨生产的主要工业规模方法。合成在通常称为氨合成回路的循环系统中进行。每次通过仅转化一部分合成气，其受到NH₃在转化器的出口条件下平衡浓度的限制。用于氨生产的反应器设计包括至少一个含有氨合成催化剂的氨转化器。

氨转化器是反应器单元，其布置成容纳催化剂材料，该催化剂材料包含一个或多个易于感应加热的铁磁性宏观载体，其中一个或多个铁磁性宏观载体在至多给定温度范围T的上限的温度下是铁磁性的。一个或多个铁磁性宏观载体各自涂有氧化物，其中氧化物用催化活性颗粒浸渍。氨转化器还包括感应线圈，该感应线圈被布置成由供应交流电的电源供电并且被设置以在电源通电时在转化器内产生交变磁场，由此催化剂材料通过交变磁场被加热到给定温度范围T内的温度。

催化剂本身可以是铁磁性、反铁磁性或非磁性的。在后一种情况下，催化剂可以与铁磁性材料例如铁珠混合，或者，在非常高的温度下的反应时，与金属钴混合。

一个或多个铁磁性宏观载体在最高到至少给定温度范围T的上限的温度(即也可高于给定温度范围T的上限的温度)下是铁磁性的。术语“至多给定温度范围T的上限”意指至多该上限的适当温度，例如标准环境温度和给定温度范围T的上限之间的任何温度。

当氨转化器内的催化剂材料包含一个或多个包含催化活性颗粒的铁磁性宏观载体时，这些活性颗粒从铁磁性宏观载体的加热中被加热。因此，催化活性颗粒可以是任何合适的顺磁性或铁磁性元素或合适的顺磁性或铁磁性元素的组合。感应加热过程的一个重要特征是在物体内部产生热量，而不是由外部热源通过热传导加热。这意味着可以非常快速地加热物体。

然而，如果催化活性颗粒本身是铁磁性的，它们将通过宏观载体的感应加热被间接加热并通过磁场被直接加热。因此，也可以直接在催化活性颗粒中实现非常快的加热速率。此外，催化剂材料在经受交变磁场时在相关的操作条件(例如在至多并且可能高于温度范围T的上限的任何相关温度下)具有铁磁性是有利的，如将在下文中解释的。

对于铁磁性材料，感应加热通过铁磁/磁滞加热和欧姆/涡流加热进行。磁滞加热的估计由下式给出：P＝∮BdH*f，其中P表示传递至材料的加热功率，B表示磁通量密度，dH表示磁场强度的变化，以及f表示交变磁场的频率。因此，通过磁滞加热传递到材料的加热功率是磁滞曲线的面积乘以交变磁场的频率。欧姆/涡流加热的估计由下式给出：P＝π/20·B_m ²·l²·σ·f²，其中P表示传递至材料的加热功率，B_m是材料中感应的磁通量密度，l是材料的特征长度，σ是材料的导电率，f是交变磁场的频率。因此，通过涡流加热传递至材料的加热功率与磁通量密度的平方以及交变磁场的频率的平方成比例。与铁磁性材料相比，顺磁性材料在经受交变磁场时具有非常小的磁通量密度B。因此，铁磁性材料比非铁磁性材料更容易受到感应加热，并且与非铁磁性材料相比，铁磁性材料可使用更低频率的交变磁场或者可使用交变磁场的更低频率。产生高频磁场在能量上是相对昂贵的，因此使用更低频率的磁场可以更便宜地加热材料。这里，高频磁场指具有可能0.1至0.5MHz以及更高MHz范围的频率的场。

铁磁性材料提供了进一步的优点，例如：

铁磁性材料吸收大部分磁场，由此使得对于屏蔽的需求不那么重要甚至是多余的。

加热铁磁性材料比加热非铁磁性材料相对更快和更便宜。铁磁性材料具有固有或本征最高加热温度，即居里温度。因此，使用铁磁性催化剂材料确保吸热化学反应不会被加热超过特定温度，即居里温度。因此，确保了化学反应不会失控。

可以放置线圈使得其与催化剂直接电接触。在这种情况下，将发生催化剂的额外欧姆加热。此外，将不需要线圈的电绝缘。

如本文所用，术语“宏观载体”是指以任何适当形式提供高表面的宏观载体材料。非限制性实例是金属或陶瓷元件、整料或碎料(miniliths)。宏观载体可具有多个通道；在这种情况下，其可以是直通道或者是交叉波纹元件。宏观载体的材料可以是多孔的，或者宏观载体可以是固体。“宏观载体”中的词语“宏观”意在说明载体足够大，以致用肉眼可见，无需放大装置。

术语“铁磁加热”意指材料经受交变磁场时基本上由材料内的磁滞损耗产生的热量。术语“铁磁加热”与术语“磁滞加热”同义。术语“涡流加热”、“欧姆加热”、“电阻加热”和“焦耳加热”同义。涡流加热是电流通过导体释放热量的过程。

铁磁性宏观载体的材料例如是金属或陶瓷材料。铁磁性材料包括铁、镍、钴及其合金。

根据本发明的方法，使用安装在压力壳内的感应线圈使得可以以非常有效的方式在高温和高压下进行反应。

在本发明中，启动加热器将由围绕催化剂床的感应线圈代替。将100t氨催化剂加热400℃所需的热量为10MWh，相当于200小时内50kW(5kV和10A)的电效应。

Claims (3)

1.一种用于通过感应加热启动加热氨合成设备中的转化反应器的方法，其包括使交流高频电流通过感应线圈，其中所述感应线圈位于所述反应器的压力壳内，将氨催化剂置于所述线圈内，并且所述线圈是非绝缘的，由此所述线圈与所述催化剂电接触。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述催化剂具有铁磁性、反铁磁性或非磁性。

3.根据权利要求2所述的方法，其中非磁性催化剂与铁磁性材料混合。