CN109607568B - 一种改进型低压氨合成反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改进型低压氨合成反应器，该反应器包括具有入口和出口的外筒及内件筒体；内件筒体由上而下依次分为多个反应区，各反应区内分别设有绝热床，绝热床内设有具有开孔盖板的径向催化剂筐，径向催化剂筐内设有中下部开有通气孔的多孔径向分布板，径向催化筐外筐体为三层结构，由外向内依次为开孔的薄板、开孔的波纹板、开孔的薄板，径向催化筐内筐体为两层结构，各层都为开孔的薄板，除靠近外筒底部最后一个反应区外的反应区内分别设有换热器。本发明反应器各反应床层设置轴径向段反应，避免了由于催化剂体积收缩引起的气流短路风险；径向催化剂外筐体和内筐体布气方式的独特设计，使气流均匀分布于各反应床层，提高了催化剂的利用率。
Description
技术领域
本发明属于氨合成技术领域，具体涉及一种改进型低压氨合反
应器。
背景技术
合成氨是基础化工原料，在国民经济中承担着十分重要的角色。氨合成反应器是合成氨工业的关键核心设备，合成反应器设计的优劣是氨合成装置成败的关键。
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。如何高效利用催化剂，是合成氨反应研究的热点。
在我国，合成氨工业经过几十年的发展，虽然取得了巨大的成就，但在能耗、经济性、技术性等方面仍然存在着改进的空间，现有的合成氨装置存在着氨净值低、床层阻力大、易产生气流短路现象、催化剂利用率低等缺点。
发明内容
本发明针对上述现有技术中的不足，提供一种改进型低压氨合成反应器，该反应器能避免由于催化剂体积收缩引起的气流短路风险，催化剂利用率高。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种改进型低压氨合成反应器，其不同之处在于：包括具有入口和出口的外筒及设置于外筒内的内件筒体；所述内件筒体由上而下依次分隔为多个反应区，每个所述反应区内分别设置有绝热床，所述绝热床内设置有具有开孔盖板的径向催化剂筐，其中定义最上段的反应区为第一反应区，紧邻最上段区域底端的反应区为第二反应区，最下段的反应区为第三反应区；所述径向催化剂筐内设有中下部开有通气孔的多孔径向分布板，所述径向催化筐靠近内件筒体的外筐体为三层结构，由外向内依次为开有孔的薄板、开有孔的波纹板、开有孔的薄板，所述径向催化筐靠近反应器中轴线的内筐体为两层结构，各层都为开孔的薄板； 在第一反应区内的所述径向催化剂筐与内件筒体顶部之间留有零米层气体混合空间；在第一反应区和第二反应区内的所述径向催化剂筐内分别设置有沿所述内件筒体轴线延伸的换热器；所述换热器与所述径向催化剂筐间、所述绝热床与反应器内件筒体间及所述反应器内件筒体和反应器外筒间分别具有环隙。
在上述技术方案中，所述径向催化筐外筐体的孔径由外向内依次减小。
在上述技术方案中，所述反应器还包括有从所述外筒与内件筒体间的空间进入并贯穿所述第一反应区内换热器且与该换热器下端管箱相连通的循环气进气管。
在上述技术方案中，所述反应器还包括一从外筒顶部进入并贯穿所述第一反应区和第二反应区内的换热器且与第二反应区内的换热器下端管箱相连通的第一中心管。
在上述技术方案中，所述第一反应区内的换热器为固定管壳式折流杆换热器，所述换热器下端设有管箱。
在上述技术方案中，所述第二反应区内的换热器为固定管壳式折流杆换热器，所述第二反应区内的换热器上下端分别设计有管箱。
在上述技术方案中，所述第二反应区内的换热器上端管箱设置有套设在所述第一中心管上的第一中心集气管，所述第一中心集气管上端与所述零米层气体混合空间相连通，所述第一中心集气管下端与第二反应区内的换热器上端相连通，所述第一中心管与所述第一中心集气管间具有环隙。
在上述技术方案中，所述第三反应区内的径向催化筐内沿反应器的中轴线设置有第二中心管，所述第二中心管外套设有第二中心集气管，所述第二中心集气管上端为封闭段，下端设计有通气孔。
在上述技术方案中，所述内件筒体外设计有保温层。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：具有开孔盖板的径向催化剂筐内设有中下部开有通气孔的多孔径向分布板，使得各反应床层大部分截面采用径向流，局部采用轴向流，轴径向段反应的设计，避免了由于催化剂体积收缩引起的气流短路风险；径向催化剂筐外筐体为三层结构，由外向内依次为开有孔的薄板、开有孔的波纹板、开有孔的薄板，径向催化筐内筐体为两层结构，各层都为开孔的薄板，这种布气方式的设计，使得气流均匀分布于各反应区催化剂床层，提高了催化剂的利用率。
附图说明
图1为本发明一个优选实施例的改进型低压氨合成反应器的结构示意图；
其中：1-外筒（101-第一盖板，102-反应器出口， 103-未反应气进口，104-卸料管），2-内件筒体（201-第二盖板），3-隔板，4-第一绝热床（401-第一径向催化剂筐（401a-第一外筐体，4011-第一换热器，401b-第一内筐体）），4a-零米层气体混合空间， 5-第二绝热床（501-第二径向催化剂筐（501a-第二外筐体，5011-第二换热器，501b-第二内筐体）），6-第三绝热床（601-第三径向催化剂筐（601a-第三外筐体， 601b-第三内筐体）），7-循环气进气管，8-第一中心管（801-第一中心集气管），9-开工加热炉进气管，10-第二中心管（1001-第二中心集气管）。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用于限定本发明的范围。
如图1所示，一种改进型低压氨合成反应器，包括外筒1及设置于所述外筒1内的内件筒体2；所述外筒1与所述内件筒体2间具有环隙。
所述内件筒体2由上而下被隔板3依次分隔为三个反应区，其中定义最上段的反应区为第一反应区，紧邻最上段区域底端的反应区为第二反应区，最下段的反应区为第三反应区；每个所述反应区内分别设置有绝热床，所述绝热床内设置有具有开孔盖板的径向催化剂筐，所述绝热床与反应器内件筒体2间具有环隙。
第一反应区内的绝热床为第一绝热床4，所述第一绝热床4内的径向催化筐为第一径向催化剂筐401；第二反应区内的绝热床为第二绝热床5，所述第二绝热床5内的径向催化筐为第二径向催化剂筐501；第三反应区内的绝热床为第三绝热床6，所述第三绝热床内的径向催化筐为第三径向催化剂筐601。
所述第一径向催化剂筐401、第二径向催化剂筐501及第三径向催化剂筐601内分别设有多孔径向分布板，该径向分布板上部不设通气孔，中下部设有多孔通气孔。
所述第一径向催化剂筐401、第二径向催化剂筐501及第三径向催化剂筐601靠近内件筒体2的第一外筐体401a、第二外筐体501a、第三外筐体601a为三层结构，由外向内依次为开有孔的薄板、开有孔的波纹板、开有孔的薄板，其孔径由外向内依次减小；所述第一径向催化剂筐401、第二径向催化剂筐501及第三径向催化剂筐601靠近反应器中轴线的第一内筐体401b、第二内筐体501b、第三内筐体601b为两层结构，各层都为开孔的薄板，两层薄板件通过筋板连接，形成气流再次分布空间。第一外筐体401a、第二外筐体501a、第三外筐体601a分别采用“开孔薄板+波纹开孔板+开孔薄板”的布气方式，第一内筐体401b、第二内筐体501b、第三内筐体601b分别采用“开孔薄板+开孔薄板”的布气方式，使得布气更合理，气流均匀分布于各绝热床床层，提高了催化剂的利用率。
所述第一径向催化剂筐401与内件筒体2顶部之间留有零米层气体混合空间4a。
所述第一径向催化剂筐401、第二径向催化剂筐501内分别设置有沿所述内件筒体中轴线延伸的第一换热器4011和第二换热器5011。所述第一换热器4011和第二换热器5011内置于绝热床内，不设冷气激冷，不会因为激冷而降低氨浓度，提高了氨净值，减少了循环量，从而降低了循环气压缩功耗。同时，通过调节进入所述第一换热器4011和第二换热器5011入口气体的流量，可方便控制所述所述第一绝热床4、第二绝热床5及第三绝热床6床层反应温度。
所述第一换热器4011为固定管壳式折流杆换热器，该换热器上端不设管箱，直接与所述零米层气体混合空间4a相连通，所述第一换热器4011下端设有管箱；所述第一换热器4011与所述第一内筐体401b间具有环隙，这样从第一绝热床4反应床内产生的反应热气能沿着该环隙从所述第一换热器4011上端开口处进入所述第一换热器4011。
所述第二换热器5011为固定管壳式折流杆换热器，该换热器上下端分别设计有管箱，所述第二换热器5011与所述第二内筐体501b间具有环隙， 这样从第二绝热床5反应床内排出的反应热气能沿着该环隙从所述第二换热器5011上端开口处进入所述第二换热器5011。
所述第一换热器4011和第二换热器分别采用折流杆换热器，传热效率高，阻力损失小。
所述反应器还包括两根对称设置的从所述外筒1与内件筒体2间的空间进入并贯穿所述第一换热器4011且与该换热器下端管箱相连通的循环气进气管7。
所述外筒1顶部设计有第一盖板101，所述反应器还包括穿过所述盖板101的第一中心管8和开工加热炉进气管9，所述第一中心管8贯穿所述第一换热器4011和第二换热器5011且与所述第二换热器5011下端管箱相连通，所述开工加热炉进气管9末端与所述零米层气体混合空间4a相连通。
在所述第一中心管8上套设有第一中心集气管801，所述第一中心集气管801上端与所述零米层气体混合空间4a相连通，所述第一中心集气管801下端与所述第二换热器5011上端管箱相连通。所述第一中心管8与所述第一中心集气管801间留有间隙，使得所述第二换热器5011管内的气体能进入所述零米层气体混合空间4a。
所述第三径向催化筐601内沿反应器的中轴线设置有第二中心管10，所述第二中心管10与所述第三内筐体601b间留有环隙。所述第二中心管10外套设有第二中心集气管1001，所述第二中心管10与所述第二中心集气管1001间留有环隙，所述第二中心集气管1001上端为封闭段，下端设计有通气孔，目的是引导所述第三绝热床6排出的反应气进入该环隙后沿着该环隙进入所述第二中心集气管1001。
所述内件筒体2外设计有保温层，所述内件筒体2顶部设计有第二盖板201，所述盖板201下设计有保温层，通过保温层的设计，有效地减少了热量的损失，同时也能避免反应器外筒超温。
所述外筒1下端设有反应器出口102、未反应气进口103和卸料管104，所述第一中心管8和开工加热炉进气管9进气管端分别设计有保温管，所述反应器出口102出气管端设计有保温管，设置气体进、出口保温管，能有效避免热量损失，提高热量的利用效率。
本发明改进型低压氨合成反应器正常生产工作时，未反应气分成两股，其中一股从反应器所述外筒底部未反应气进口103进入反应器底部，该股气体沿着所述内件筒体底部多个气体分布孔进入所述外筒1和内件筒体2之间的环隙，经该环隙后，进入所述外筒1与内件筒体2的上部空间，然后经所述循环气进气管7进入第一换热器4011下端管箱，气流经该管箱从下到上进入该换热器管内，被来自第一绝热床4的反应气加热至350-380℃后进入所述零米层气体混合空间4a。
另一股气体经所述第一中心管8从上至下进入所述第二换热器5011的下端管箱，气流经管箱从下至上进入该换热管内，被来自所述第二绝热床5的反应气加热至350-380℃后，经该换热器上部管箱，再经所述第一中心集气管801进入所述零米层气体混合空间4a，与第一股来自所述第一换热器4011管内的气体在所述零米层气体混合空间4a混合。混合后的气体进入所述内件筒体2与第一绝热床4间的环隙，绝大部分混合气经该环隙，再经所述第一外筐体401a径向进入第一绝热床4床层，少量气体经所述第一绝热床4床层顶部的开孔盖板轴向进入该床层，该床层内装有催化剂颗粒，气流轴径向进入该床层后进行氨合成反应，产生氨，放出大量的热，反应气温度升高约500℃左右后出所述第一绝热床4床层，经所述第一内筐体401b进入该筐与所述第一换热器间4011的环隙，在该环隙的引导下，反应气从下至上进入所述第一换热器间4011上段，从上段开口处进入换热器壳体，加热管内的循环气，自身被冷却至390-400℃后从该换热器下端开口处离开第一反应区，进入第二反应区。
离开第一反应区的反应气进入所述内件筒体2与所述第二绝热床5间的环隙，绝大部分反应气经该环隙，再经所述第二外筐体501a径向进入所述第二绝热床5床层，少量气体经第二绝热床5床层顶部的开孔盖板轴向进入该床层，该床层内装有催化剂颗粒，气流轴径向进入该床层后进行氨合成反应，产生氨，放出大量的热，反应气温度升高约460℃左右后出所述第二绝热床5床层，经所述第二径内筐体501b进入该筐与所述第二换热器5011间的环隙，在该环隙的引导下，反应气从下至上进入所述第二换热器5011上段，从上段开口处进入换热器壳体，加热管内的循环气，自身被冷却至390-400℃后从该换热器下端开口处离开第二反应区，进入第三反应区。
离开第二反应区的反应气进入所述内件筒体2与第三绝热床6间的环隙，绝大部分反应气经该环隙，再经所述第三外筐体601a径向进入所述第三绝热床6床层，少量气体经所述第三绝热床6床层顶部的开孔盖板轴向进入该床层，该床层内装有催化剂颗粒，气流轴径向进入该床层后进行氨合成反应，产生氨，放出大量的热，反应气温度升高约430℃左右后出所述第三绝热床6床层，经所述第三内筐体601b进入该筐与所述第二中心管10间的环隙，在该环隙的引导下，反应后的气体经该环隙从下至上折流至所述第二中心管10，然后经所述第二中心管10、反应器出口102出氨合成反应器。
所述第一绝热床4、第二绝热床5和第三绝热床6床层大部分截面采用径向流，局部采用轴向流，未反应气分成两股分别进入所述第一换热器4011和第二换热器5011，进一步降低了换热器的阻力损失，降低了床层阻力；轴径向段反应的设计，能避免由于催化剂体积收缩引起的气流短路风险。
最后需要说明的是，以上实施例仅用于说明本发明而非限制本发明的保护范围。另外，在阅读了本发明的技术内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动、修改或变型，所有的这些等价形式同样属于本申请所要求限定的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种改进型低压氨合成反应器，其特征在于：包括具有入口和出口的外筒及设置于外筒内的内件筒体；
所述内件筒体由上而下依次分隔为多个反应区，每个所述反应区内分别设置有绝热床，所述绝热床内设置有具有开孔盖板的径向催化剂筐，其中定义最上段的反应区为第一反应区，紧邻最上段区域底端的反应区为第二反应区，最下段的反应区为第三反应区；
所述径向催化剂筐内设有中下部开有通气孔的多孔径向分布板，所述径向催化筐靠近内件筒体的外筐体为三层结构，由外向内依次为开有孔的薄板、开有孔的波纹板、开有孔的薄板，所述径向催化筐靠近反应器中轴线的内筐体为两层结构，各层都为开孔的薄板；
第一反应区内的所述径向催化剂筐与内件筒体顶部之间留有零米层气体混合空间；
第一反应区和第二反应区内的所述径向催化剂筐内分别设置有沿所述内件筒体轴线延伸的换热器；
所述换热器与所述径向催化剂筐间、所述绝热床与反应器内件筒体间及所述反应器内件筒体和反应器外筒间分别具有环隙。
2.根据权利要求1所述的改进型低压氨合成反应器，其特征在于：所述径向催化筐外筐体的孔径由外向内依次减小。
3.根据权利要求1所述的改进型低压氨合成反应器，其特征在于：所述反应器还包括有从所述外筒与内件筒体间的空间进入并贯穿所述第一反应区内换热器且与该换热器下端管箱相连通的循环气进气管。
4.根据权利要求1所述的改进型低压氨合成反应器，其特征在于：所述反应器还包括一从外筒顶部进入并贯穿所述第一反应区和第二反应区内的换热器且与第二反应区内的换热器下端管箱相连通的第一中心管。
5.根据权利要求1所述的改进型低压氨合成反应器，其特征在于：所述第一反应区内的换热器为固定管壳式折流杆换热器，所述换热器下端设有管箱。
6.根据权利要求1所述的改进型低压氨合成反应器，其特征在于：所述第二反应区内的换热器为固定管壳式折流杆换热器，所述第二反应区内的换热器上下端分别设计有管箱。
7.根据权利要求4所述的改进型低压氨合成反应器，其特征在于：所述第二反应区内的换热器上端管箱设置有套设在所述第一中心管上的第一中心集气管，所述第一中心集气管上端与所述零米层气体混合空间相连通，所述第一中心集气管下端与第二反应区内的换热器上端相连通，所述第一中心管与所述第一中心集气管间具有环隙。
8.根据权利要求1所述的改进型低压氨合成反应器，其特征在于：所述第三反应区内的径向催化筐内沿反应器的轴线方向设置有第二中心管，所述第二中心管外套设有第二中心集气管，所述第二中心集气管上端为封闭段，下端设计有通气孔。
9.根据权利要求1所述的改进型低压氨合成反应器，其特征在于：所述内件筒体外设计有保温层。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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