CN111511463B - 绝热轴向流动转化器 - Google Patents

Abstract

在一种绝热轴向流动转化器中，其中工艺气体从外环面穿过，经由催化剂床到达内中心管道，工艺气体在催化剂床中转化成产物，催化剂床包括至少一个模块，所述模块包括一个或多个催化剂层。供给装置布置为从外环面到一个或多个模块的入口部分提供工艺气体流动，并且收集器装置布置为提供轴向穿过一个或多个模块的催化剂床到达中心管道的已转化的工艺气体的产物流的流动。

Description

绝热轴向流动转化器

本发明涉及一种绝热轴向流动转化器，其中工艺气体从外环面(outer annulus，外周)穿过，经由催化剂床到达内中心管道，工艺气体在催化剂床中转化成产物。

更具体地，本发明涉及等温或拟等温化学反应器的技术。已知等温或拟等温化学反应器设置有内部热交换器，其适于向反应器本身中产生的化学反应提供热量或从该化学反应中清除热量。热交换器通常被插入在反应区内部的催化层中，并且其用于将反应物的温度保持在理想范围内，以补偿反应本身的生热或吸热。在其他用途中，等温反应器通常用在生产甲醇或氨的设备中，其合成反应是放热的。

在化合物(诸如甲醇和氨)的工业生产领域中，众所周知，需要开发具有高的反应物转化产量的非均相合成工艺以及具有大生产能力、低投资成本和低能耗的设备。为此目的，已知用于催化化学反应的反应器包括基本上圆柱形的外壳，其配备有用于反应物和反应产物的合适的入口/出口，并包含催化层，热交换单元嵌入在该催化层中，如果化学反应是放热的，则热交换单元能够从反应气体中带走热量，或反过来，如果化学反应是吸热的，则热交换单元能够供应热量。这样的反应器被认为是“拟等温的”或更简单地“等温的”，因为热交换单元将反应器中的温度维持在预定范围内。

如所述的，由于用氮气和氢气(以近似1:3的比例)合成氨是放热的并且反应是在高温和高压下进行的这个事实，因此氨转化器(Ammonia converter，氨合成塔)是复杂的。因此，在一系列催化剂区之间通常使用级间冷却，以维持适合于最佳转化效率的动力学和平衡条件。还必须为维护催化剂区做好准备，例如，当催化剂丧失其效用时，定期清除和更换催化剂。

因为氨转化器是复杂的，而且是非常重要的装备部件，所以做出许多努力来提高它们的效率。因此，US 2004/0096370A1公开了一种分流竖直式氨转化器，在所述分流竖直式氨转化器中，固定床催化剂区被构造成两个机械分离的催化剂体积部(volumes)，两个气体流(two gas streams)平行地运行(operating)。该设计维持了气流与催化剂体积部的比例，因此没有催化剂效用损失。催化剂床和气流路径被构造为使得气流向下通过每个催化剂体积部。

根据US 2008/0014137 A1，在一转化器中产生氨，在所述转化器中，通过将反应区的至少一部分布置成与诸如废气或预热空气的热气流间接接触而通过所述反应区的对流冷却来接近(approach，近乎达到)拟等温条件。

轴向-径向流动反应器在合成工艺中的使用本身并不新颖。例如其在US 5,427,760中得以公开，该文献公开了具有外部散热器的布劳恩合成器(Braun synloop)中的轴向-径向反应器。在US 4,372,920中，描述了用于非均相合成中的轴向-径向反应器，以及US5,352,428涉及高转化氨合成。后一美国专利的图4是适于用在所述的设备和工艺中的轴向-径向流动反应器的图示。

US 2002/0102192 A1描述了一种催化剂反应器，其中，可以实现轴向-径向流动，伴随的优点是减小的压差，但没有任何“复杂的反应器内部件”。该反应器具有入口端口和出口端口，以及围绕中心区域设置的颗粒催化剂床，该中心区域与端口中之一连通，并且表现出比催化剂颗粒更小的流动阻力。催化剂床内的中心区的高度等于催化剂床的高度的至少大部分，并且催化剂床的外部表面小于反应器的外部表面，因此在催化剂床的外部表面与反应器的内部壁之间留有空间，所述空间填充有具有比催化剂颗粒更小的流动阻力的颗粒材料。

在EP 2 167 226 B1中，公开了一种用于化合物的非均相合成的反应器的催化床的壁系统。所述反应器配备有固定催化剂床，合成气的气体流特别是以轴向-径向流动横越所述固定催化剂床。该设计可能类似于本发明的设计，但是没有设想罐的概念。

EP 2 759 338 A1中公开了一种具有床间热交换器的多床催化转化器，该多床催化转化器包括多个叠置的催化床和共用的热交换器。该转化器的设计与本发明的轴向/径向流动转化器的设计没有多少共同之处。

最后，US 2004/0204507 A1描述了一种冷却的轴向/径向流动转化器，该冷却的轴向/径向流动转化器包括环形催化剂床和多个冷却面板，所述多个冷却面板以径向模式布置在催化剂床内并围绕中心管。转化器的催化剂床和壳体形成外环面，工艺气体穿过该外环面被传送到催化剂床。工艺气体沿轴向-径向方向流动穿过催化剂床，随后被收集在中心管中。本发明的轴向/径向流动转化器与该美国申请的轴向/径向流动转化器不同之处在于，催化剂床被分成彼此上下堆叠的多个相同的模块，并且工艺气体通过冷却面板传送以预热气体。

当在固定床催化转化器中需要低压降时，通常选择径向流动型转化器。然而，在特殊情况下，诸如冷却的催化剂床、催化剂收缩(shrinkage)或与高催化剂床具有低强度结合的催化剂颗粒，该解决方案是不实用的，而是必须替代地选择床间冷却或并联反应器(parallel reactors，并行反应器)。

一种解决方案可以包含用一堆相同的轴向流动罐替换径向流动床。尽管穿过每个单独的罐的流动是轴向的，但是该组件可以具有作为径向流动反应器的流动模式，例如从外环面取得进料流并将反应器流出物设置到内管道。可以调节床高度以满足压降和催化剂强度的要求，而不改变反应器的主布局。

因此，本发明涉及一种绝热轴向流动转化器，其中工艺气体从外环面穿过，经由催化剂床到达内中心管道，在催化剂床中，工艺气体转化成产物，其中，

-催化剂床包括至少一个模块，所述模块包括具有高度hcat的一个或多个催化剂层，

-供给装置布置为提供从外环面到一个或多个模块的入口部分的工艺气体的流动，并且

-收集器装置布置为提供已经轴向穿过一个或多个模块的催化剂床到达中心管道的已转化工艺气体的产物流的流动。

当转化器包括：工艺气体在其中流动的外环面；用于将工艺气体从环面带到包括至少一个催化剂层的至少一个模块的入口的供给装置；以及用于收集产物流(即，已经穿过模块中的催化剂的工艺气体)并且将收集的产物流带到内中心管道的收集器装置时，实现了若干优点，诸如：

-在放热反应的情况下，反应器壳体保持在最低可能温度，

-包括一种或多种催化剂的模块能够使装载/卸载更容易，因为模块可以在转化器外部装载催化剂，

-模块化设计能够实现内部分流，极大地降低整个反应器dP，

-独特的模块设计能够使用具有不同直径的模块，以更好地利用反应器体积。

模块化设计能够实现较低的反应器直径/高度比，从而减少占地面积并简化运输。

在轴向流动转化器的另一优选实施例中，转化器布置成供两个或更多个模块并联和/或串联运行。特别地，并联模块布置能够使反应器设计在轴向流动催化剂床中具有总体低压降。模块可以并联布置，以便降低压降，而模块也可以串联布置，以便提高转化率。

优选地，转化器布置为确保在并联运行的模块上压降Dp(以及因此空速，spv)是相同的(误差在±5％内)。这将确保模块之间每催化剂相等的气体分布，即，以便提供穿过模块的相等或近乎相等的工艺气体的流动。优选地，模块之间的压降差接近0％，因为这将确保模块之间相等的气体分布，从而确保最佳的反应器性能。

每个模块可以包括一个或多个绝热催化剂层，所述绝热层具有直径dadi、横截面积Aadi和高度Hadi，其中，并联运行的模块中的该绝热催化剂层/多个绝热催化剂层的高度Hadi相同(误差±5％，优选地±0％)，以便提供具有通过反应器中的所有模块的最佳流动的转化器。并联运行的每个模块优选地包含相同类型的催化剂。

模块可以优选地具有相同或近乎相同的催化剂高度和/或包含相同类型的催化剂。

因此，优选的是并联运行的模块具有相同的催化剂构造，而串联运行的模块可以具有不同的催化剂构造，因为在所有模块上的几乎相同的dP的理想要求不适用于串联模块。

通常，可以期望具有通过至少一些模块(优选地是全部模块)的相似空速(spacevelocity，空间速度)，以便确保当工艺气体穿过模块时工艺气体具有相等的转化率。

因此，优选地，模块布置成实现通过并联工作的每个模块的相似空速。例如，所有模块可以具有相同高度，包含相同催化剂层。例如为了物理地装配到转化器的不同区域中，模块的直径可以不同，只要所有模块催化剂中的催化剂构造相同即可。

反应器壳体通常具有直径减小的、球形或椭圆形部段的底部，有时还具有这样的顶部。本发明的一个重要特征是，当并联运行时，也允许模块的直径是不同的，这可以在满足上述模块要求时实现，同时仍然会实现每催化剂面积相等的气体分布。

每个模块或一些模块可以设置有能够从反应器去除模块和/或将模块插入到反应器以允许在反应器外部进行装载/卸载/维护的装置。

模块优选地具有小于转化器/反应器容器的内径的直径，留有外环面，进入的原料气体可在外环面中分配到相关模块。

每个模块优选地还设置有内中心管道，产物气体在离开模块之前被收集在所述内中心管道中。

反应器可以布置有两个或更多个模块部段，每个模块部段包含一个或多个模块。部段可以是分开的，以便能够在部段中具有不同的流动和压力条件。

激冷区可以布置为对来自至少一个模块部段的产物气体激冷，从而获得激冷产物流，在这种情况下，转化器还可以包括将激冷产物流的至少一部分提供为一个或多个随后部段的供料的装置。

新鲜工艺气体和/或部分转化的、可选冷却的工艺气体可以用作激冷气体。使用激冷是降低气体的反应性并从放热反应中去除热量的方法。

不同模块部段中的模块可以彼此不同，包含不同的催化剂并且不同地布置。例如，接收反应性非常强的新鲜未混合工艺气体的第一部段中的模块可以与随后部段中的模块相比在更低的温度下运行并且包含反应性更低的催化剂，所述随后部段接收来自第一部段的产物气体(可选地，与例如冷却的工艺气体混合)，所述产物气体的反应性比由第一部段中的模块接收的未混合的未反应的工艺气体的反应性低。

至少两个或更多个部段可以布置为并联运行以实现总体低压降。一个示例可以是并联部段，每个部段包含串联运行的两个模块。这样的设计将提供用于双倍空速相当低的压降。

替代地，两个或更多个模块部段布置为串联运行，在第一模块部段与第二模块部段之间具有激冷区。在这种情况下，每个部段中的模块布置可以变化。

如果反应工艺需要，并联部段和串联部段运行的组合也是可行的。一些模块部段可以并联布置以便减小压降，而其他模块部段可以串联布置以便增加转化率。

不限于此，根据本发明的轴向流动转化器可以用作氨反应器、甲醇反应器、甲烷化反应器或变换反应器，并且其还可以与其他反应工艺结合使用。

因此，通过本发明，提供了一种包括模块化催化剂床的转化器，其提供了非常高的灵活性。模块化结构允许高度专业化的转化器/反应器和催化剂床，特别适合满足各种工艺和反应器限制的需求。可以改变并优化模块的物理性质，例如在反应器的顶部和/或底部容纳具有较小半径的模块，并允许在转化器容器最宽的位置容纳全直径(full diameter，大直径)模块。模块化结构还能够实现高度专业化的催化剂床，在转化器的不同部段中使用不同的催化剂，以及在部段之间在期望位置提供激冷区。取决于用途，诸如氨反应器、甲醇反应器、甲烷化反应器、变换反应器和其他放热反应工艺，但不限于此，可以改变和优化转化器的不同参数。例如，转化器中模块的数量可以变化，并且转化器可以包括一个、两个、三个或更多个部段，并且在所有部段或一些部段之间可以具有激冷区。

模块中的催化剂也可以变化，因为每个模块可以布置为包含单个催化剂层或者若干个相同或不同的催化剂层。在一些实施例中，所有模块包含相同构造的相同类型的催化剂，而在其他实施例中，至少一些模块包括不同的催化剂或不同的催化剂构造，即，不同层数、不同催化剂层高度等。

此外，转化器中的催化剂床的模块化建造允许一些或所有模块在转化器容器的外部被装载，随后被装载到转化器容器中。催化剂布置在模块中的事实还可以简化催化剂从转化器的卸载，因为可以将模块一个接一个地吊起。能够去除所有或一些模块不仅在需要更换催化剂床时是一个优点，而且在转化器维护期间也可以是非常有利的，允许去除全部或部分催化剂床，随后即使重新使用现有的催化剂，也可以将模块逐一装回催化剂床。

轴向-径向流动的基本概念是：工艺气体轴向流过催化剂床，并经由收集器装置径向流到中心管道，该基本概念允许即使只有单个模块，也实现具有低压降的转化器。此外，外环面中的工艺气体的流动导致对转化器壳体的较低的温度影响，从而也导致较低的外部反应器壁温度。

所提供的较低的压降与具有若干个堆叠的模块的可能性结合，允许具有大的催化剂体积部和小直径的细高转化器。

以下参照附图进一步描述本发明。提供附图作为本发明的一些方面的说明，并且不应被解释为限制本发明。

图1示出根据本发明的转化器1的横截面的示意图。转化器包括四个模块2，每个模块具有单个催化剂层3。因为工艺气体4从外环面5穿过到达每个模块的入口部分6，因此四个模块并联运行。工艺气体轴向穿过每个催化剂床并且被收集在与每个模块相关的收集装置7中，工艺气体从收集装置流到中心管道8并且作为产物气体9离开转化器。模块且因此催化剂层的直径不同，即，三个模块具有相同的直径，而位于转化器底部中的第四模块具有更小的直径，以便与转化器的底部匹配。模块中的催化剂层具有相同的高度H，这意味着如果四个模块每一者中的催化剂是相同类型的，则在每个模块上的压降将是相同的。

图2示出具有四个模块2的转化器的示意图，这四个模块被分成串联运行的两个部段。这些部段由板或其他分离装置分离。每个部段中的两个模块并联运行。部段之间是激冷区，在产物气体与激冷气体的混合物进入随后的部段及其中的两个模块之前，热的产物气体9与冷的激冷气体在所述激冷区中相遇。

Claims (14)

1.绝热轴向流动转化器，其中工艺气体从外环面穿过，经由催化剂床到达内中心管道，所述工艺气体在所述催化剂床中转化成产物，其中

-所述催化剂床包括至少一个模块，所述模块包括具有高度的一个或多个催化剂层，

-供给装置布置为提供从所述外环面到一个或多个模块的入口部分的工艺气体的流动，并且

-收集器装置布置为提供已经轴向穿过一个或多个模块的所述催化剂床到达所述中心管道的已转化工艺气体的产物流的流动。

2.根据权利要求1所述的绝热轴向流动转化器，包括两个或更多个模块。

3.根据权利要求1所述的绝热轴向流动转化器，其中，所述转化器布置成供两个或更多个模块并联和/或串联运行。

4.根据权利要求1所述的绝热轴向流动转化器，其中，在并联运行的模块上压降是相同的，误差在±5％内。

5.根据权利要求1所述的绝热轴向流动转化器，其中，并联运行的模块中的所述一个或多个催化剂层包括相同的催化剂。

6.根据权利要求1所述的绝热轴向流动转化器，其中，并联运行的模块中的所述一个或多个催化剂层的高度相同。

7.根据权利要求1所述的绝热轴向流动转化器，其中，所述收集器装置是至少一个模块的一部分。

8.根据权利要求1所述的绝热轴向流动转化器，其中，所述转化器布置有两个或更多个模块部段，每个模块部段包括一个或多个模块。

9.根据前权利要求1所述的绝热轴向流动转化器，包括激冷区，来自一部段的产物气体在所述激冷区中被激冷，获得激冷产物流，并且

其中，所述转化器包括将已被激冷的工艺流的至少一部分提供为一个或多个随后部段的供料的装置。

10.根据权利要求9所述的绝热轴向流动转化器，其中，新鲜工艺气体或部分转化的、可选地冷却的工艺气体用作激冷气体。

11.根据权利要求9或10所述的绝热轴向流动转化器，其中，不同部段中的所述模块能彼此不同，包含不同的催化剂并且不同地被布置。

12.根据权利要求9或10所述的绝热轴向流动转化器，其中，至少两个或更多个部段布置为并联运行。

13.根据权利要求9或10所述的绝热轴向流动转化器，其中，两个或更多个部段布置为串联运行。

14.根据权利要求1所述的绝热轴向流动转化器，所述绝热轴向流动转化器用作氨反应器、甲醇反应器、甲烷化反应器、变换反应器和其他放热反应工艺。

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