CN111511464B - 冷却轴向流动转化器 - Google Patents

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Abstract

在一种冷却轴向流动转化器中，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，所述模块包括至少一个催化剂层。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，收集器装置布置为提供已经轴向向下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。所述一个或多个模块中的至少一个包括一个或多个冷却板，所述冷却板布置为由冷却流体冷却。

Description

冷却轴向流动转化器
本发明涉及一种冷却轴向流动转化器，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，工艺气体在催化剂床中转化成产物。
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 2004/0096370 A1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。
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，本发明涉及一种冷却轴向流动转化器，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，所述模块包括至少一个催化剂层，
-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，
-收集器装置布置为提供已经轴向向下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，并且
-所述一个或多个模块中的至少一个包括一个或多个冷却板，所述冷却板布置为由冷却流体冷却。
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。
在各种有利的实施例中，供给装置至少部分地包含在冷却板中，即，工艺气体穿过冷却板，用作用于模块中围绕的催化剂的冷却介质。
这意味着冷却板和供给装置可以布置为允许工艺气体在穿过所述供给装置的同时被预加热，与此同时，反应热量至少部分地从模块中的一个或多个催化剂层中被去除。
优选的是，冷却轴向流动转化器包括两个或更多个模块，并且每个模块的一个或多个冷却板将该模块分成具有总催化剂横截面积Acat的两个或更多个冷却催化剂通道。在多于一个模块的情况下，这些模块可以在转化器中堆叠。
在本发明的冷却轴向流动转化器的优选实施例中，冷却板包括具有宽度W和高度H的至少一个冷却通道，并且模块包括具有高度H的冷却催化剂层。此外，模块的冷却板的总横截面积为Acool。可以基于具体的冷却要求来确定比例Acat/Acool。
为了实现冷却板之间的催化剂的均匀温度，相邻的冷却板之间的距离优选地相对于常数偏离最大±15％。根据设置，相邻的冷却板之间的距离的最大偏差可以为±10％、±5％或2％。优选地，两个相邻的冷却板之间的距离的偏差接近±0％，因为这将给予催化剂床均匀的冷却并且因此获得最佳反应器性能。
为了实现冷却板的等距设计，可以以各种方式布置冷却板，例如，布置为围绕内中心管道的同心环，或布置为阿基米德螺旋，其中心轴线沿着内中心管道。
在冷却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。
如果并联运行的模块的冷却通道和催化剂层的高度H相同(误差在±5％内)，则可以实现并联模块中的工艺气体的流动相同的实施例。
当并联运行的模块的冷却板的总横截面积(Acool)与总催化剂横截面积(Acat)之间的比例相同(误差在±10％内)时，还可以实现工艺气体在并联模块之间的有利分配。
因此，模块可以优选地具有相同或近似相同的冷却通道和催化剂通道高度(误差在+/-5％以内)，冷却通道和催化剂通道宽度之间的相同比例(误差在+/-10％以内)，冷却通道和催化剂通道横截面积之间的相同比例(误差在+/-5％以内)，和/或包含相同类型的催化剂。
在一些实施例中，模块包括位于一个或多个冷却催化剂层的上方和/或下方的绝热层，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绝热催化剂层/多个绝热催化剂层的高度(Hadi)相同(误差在±5％)。
添加在冷却催化剂层下方的绝热层可以至少部分地布置在收集装置中，即，离开冷却催化剂的产物气体在其经由收集装置穿送到中心管道时可以穿过绝热催化剂层。
与冷却催化剂的情况类似，并联运行的模块中的一个/多个绝热催化剂层的高度(Hadi)可以是相同的(误差最大±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。
因此，优选的是，并联运行的模块具有相同的冷却板/催化剂横截面积/高度比例，而串联运行的模块可以具有不同的冷却板和催化剂构造，因为这些模块上的几乎相同的dP的理想要求不适用于串联模块。
当模块具有相同的冷却通道和催化剂通道高度(误差在+/-5％以内)，冷却通道和催化剂通道宽度之间的相同比例(误差在+/-10％以内)，冷却通道和催化剂通道横截面积之间的相同比例(误差在+/-5％以内)，并且包含相同类型的催化剂时，模块在功能上是相同的。功能上相同的模块设计确保通过每个模块的流动/催化剂体积部(空速)是相同的。
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，模块布置成通过并联工作的每个模块实现相似的空速。例如，所有模块可以具有相同高度，包含相同的催化剂层。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，只要催化剂在所有的模块中是相同的并且只要催化剂通道和冷却通道的分配/比例是相同的即可。
即，并联运行的模块之间的Dp的小差异是优选的，并且在以下情况下可以确保该小差异，所述情况为：
-并联运行的模块的冷却通道和催化剂层的高度H优选地是相同的(误差在±5％内)。
-并联运行的模块的冷却板之间的差相对于常数偏离最大15％。优选地，偏差接近0％。
-并联运行的模块的冷却板的总横截面积(Acool)与总催化剂横截面积(Acat)之间的比例优选是相同的(误差在±10％内)。
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和顶部。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和冷却通道面积相等的气体分布。
在其他优选的实施例中，取决于催化剂性能和反应热力学，冷却通道中的流动与催化剂通道中的流动为逆向流或并向流(co-current，同向流)。逆向流设计提供最佳的冷却效果和最简单的机械模块设计。然而，在一些情况下逆向流设计可能导致对错误位置的过多冷却，这种现象尤其在低生产能力(例如30％至70％)时可能发生。并向流设计不具有此问题，但是因为所需的额外通道在机械上更加复杂，并且占用了更昂贵的反应器空间。
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。每个模块优选地还具有内中心管道，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，根据本发明的冷却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放热反应工艺结合使用。
在本发明的另一实施例中，冷却轴向流动转化器可以包含额外装置，用于将例如来自内部或外部启动加热器的预热(热的)工艺气体供应到装载于选定的或所有模块中的催化剂，所述模块放置在转化器的一个或多个模块部段中。被称为直接进气系统的这些装置可以用作在催化剂的初始启动/活化期间能够使催化剂还原的重要工具。所述直接进气系统布置为绕过外环面和冷却板，从而允许在还原期间引入热工艺气体，否则将超出压力壳体和/或冷却板的设计温度。如果没有单独的直接进气系统，在许多情况下，催化剂可能的温度水平将受到限制，导致还原时间段延长且效率低下。
在本发明的另一优选实施例中，在转化器的正常运行期间，即，在催化剂的初始还原/活化之后，所述直接进气系统还用于将新鲜(冷的)工艺气体供应到包含在一个或多个模块部段中的一个或多个模块的一个或若干个催化剂层。通过直接进气系统输送的工艺气体的流动可以由位于转化器外部的一个或多个阀控制。该系统能够在正常运行期间控制催化剂的温度水平。例如，在催化剂寿命的初始时间段，其中催化剂活性处于其最大值，或在降低转化器的负荷(供给流)期间，可以增加通过直接进气系统引入的供给气体的比例，以冷却被放热反应加热的催化剂。类似地，随着催化剂的失活和/或转化器负荷的增加，通过所述直接进气系统送入的供给气体的比例可以减少，以允许对在冷却板中被预热的剩余供给气体增强加热。所述直接进气系统在两种情况下的利用(即，在还原时间段期间的加热和在正常运行期间的温度控制)确保了可用的转化器体积部的最佳利用，而不是将转化器设计成具有两个独立的装置/系统来分别供应预热(热的)工艺气体和新鲜(冷的)工艺气体。
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。
以下通过图1-图5中的示例性实施例进一步描述本发明。提供附图作为根据本发明的各种实施例的特征的说明，并且不应解释为对本发明的限制。
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2a和图2b示出在方向II–II上如图2b所示的反应器的剖视图。图2a示出模块具有两个冷却板10的情况，每个冷却板具有冷却通道11。冷却板径向定位并与中心管道8相邻并且将催化剂分成两半，即，两个催化剂部段。在图2b中单个冷却板9围绕中心管道同心定位，从而将模块中的催化剂层分成两个同心的催化剂部段。
图3a和图3b示出具有四个逆向流冷却模块的转化器中的流动和催化剂层。图3a示出简化的转化器和简化的流动，示出了工艺气体4和产物气体9。图3b示出图3a的放大部段A。工艺气体4进入模块2的冷却通道11。当工艺气体穿过冷却通道时，工艺气体被加热并且模块的冷却催化剂层3被冷却。此后，在经加热的工艺气体4b通过收集装置7离开模块并被传送至中心管道(未示出)之前，经加热的工艺气体穿过冷却催化剂层并且随后穿过模块中的非冷却绝热层12。
图4a和图4b示出通过并向流冷却转化器的流动，所述并向流冷却转化器具有四个冷却模块。每个模块具有单个冷却催化剂层3，在所述冷却催化剂层的上方和下方具有绝热催化剂层12。
图5示出具有六个模块2的转化器的示意图，这六个模块被分成串联运行的三个部段13、14、15。这些部段由板或其他分离装置16分离。每个部段中的两个模块并联运行。部段之间是激冷区17，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18在所述激冷区中相遇。

Claims (27)

1.一种冷却轴向流动转化器，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，所述模块包括至少一个催化剂层，
-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，
-收集器装置布置为提供已经轴向向下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，并且
所述一个或多个模块中的至少一个包括一个或多个冷却板，所述冷却板布置为由冷却流体冷却。
2.根据权利要求1所述的冷却轴向流动转化器，其中，所述供给装置至少部分地包含在所述冷却板中，其中，所述冷却板和供给装置布置为允许所述工艺气体在穿过所述供给装置时被预加热，同时反应热量被至少部分地从所述模块中的所述一个或多个催化剂层中去除。
3.根据权利要求1或2所述的冷却轴向流动转化器，包括两个或更多个模块。
4.根据权利要求3所述的冷却轴向流动转化器，其中，每个模块的所述一个或多个冷却板将该模块分成具有总催化剂横截面积Acat的两个或更多个冷却催化剂通道。
5.根据权利要求4所述的冷却轴向流动转化器，其中，所述冷却板包括具有宽度W和高度H的至少一个冷却通道，并且其中，所述模块包括具有高度H的冷却催化剂层。
6.根据前述权利要求1-2，或4-5中的任一项所述的冷却轴向流动转化器，其中，模块的所述冷却板的总横截面积为Acool。
7.根据前述权利要求1-2，或4-5中的任一项所述的冷却轴向流动转化器，其中，相邻的冷却板之间的距离相对于常数最大偏离±15％。
8.根据权利要求3所述的冷却轴向流动转化器，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。
9.根据权利要求8所述的冷却轴向流动转化器，其中，在并联运行的模块上，压降Dp是相同的，误差在±5％内。
10.根据权利要求8所述的冷却轴向流动转化器，其中，并联运行的模块的冷却通道和催化剂层的高度H是相同的，误差在±5％内。
11.根据权利要求4所述的冷却轴向流动转化器，其中，并联运行的模块的所述冷却板的总横截面积Acool与所述总催化剂横截面积Acat之间的比例是相同的，误差在±10％内。
12.根据权利要求5所述的冷却轴向流动转化器，其中，所述模块包括位于一个或多个所述冷却催化剂层的上方和/或下方的绝热催化剂层，所述绝热催化剂层具有直径dadi、横截面积Aadi和高度Hadi。
13.根据权利要求12所述的冷却轴向流动转化器，其中，在并联运行的模块中，一个或多个所述绝热催化剂层的高度Hadi是相同的，误差在±5％内。
14.根据权利要求5所述的冷却轴向流动转化器，其中，所述冷却通道中的流动与所述催化剂通道中的流动是逆向流或并向流。
15.根据前述权利要求1-2，或4-5，或8-11中的任一项所述的冷却轴向流动转化器，其中，所述转化器布置有两个或更多个模块部段，每个模块部段包含一个或多个模块。
16.根据权利要求15所述的冷却轴向流动转化器，包括激冷区，所述激冷区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。
17.根据权利要求16所述的冷却轴向流动转化器，包括将所述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给的装置。
18.根据权利要求16或17所述的冷却轴向流动转化器，其中，新鲜工艺气体和/或部分转化的、可选地冷却的工艺气体用作激冷气体。
19.根据权利要求16或17所述的冷却轴向流动转化器，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布置。
20.根据权利要求16或17所述的冷却轴向流动转化器，其中，至少两个或更多个部段布置为并联运行。
21.根据权利要求16或17所述的冷却轴向流动转化器，其中，两个或更多个部段布置为串联运行。
22.根据前述权利要求1-2，或4-5，或8-11，或13-14中的任一项所述的冷却轴向流动转化器，所述冷却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。
23.根据前述权利要求1-2，或4-5，或8-11，或13-14中的任一项所述的冷却轴向流动转化器，其中，所述模块具有：相同的冷却通道和催化剂通道高度，误差在+/-5％以内；相同的冷却通道和催化剂通道宽度的比例，误差在+/-10％以内；相同的冷却通道和催化剂通道横截面积的比例，误差在+/-5％以内；并且包含相同类型的催化剂。
24.根据前述权利要求1-2，或4-5，或8-11，或13-14中的任一项所述的冷却轴向流动转化器，其中，所述转化器包含用于供应预热工艺气体的额外装置。
25.根据权利要求24所述的冷却轴向流动转化器，其中，所述用于供应预热工艺气体的装置布置为绕过所述外环面和所述冷却板。
26.根据前述权利要求1-2，或4-5，或8-11，或13-14中的任一项所述的冷却轴向流动转化器，其中，所述转化器包含用于供应新鲜工艺气体的装置。
27.根据权利要求26所述的冷却轴向流动转化器，其中，所述用于供应新鲜工艺气体的装置连接到包括至少一个催化剂层的所述至少一个模块。
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