CN111556782A - 用于执行放热反应的方法和反应器 - Google Patents

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Abstract

一种用于以并联操作的催化剂模块执行放热反应的方法和反应器，所述催化剂模块以堆叠的顺序布置在压力壳体内，并适于使工艺气体轴向流过一个或多个催化剂层，至少一个催化剂层由床内热交换器冷却。

Description

用于执行放热反应的方法和反应器
背景技术
通过将氨用作肥料生产的原料，使得氨对于养活世界上不断增长的人口具有至关重要的意义。从历史上看，田纳西州流域管理局(TVA)型转化器数十年来一直是用于氨合成的优选反应器类型，并已在1930年代站稳脚跟。其特征在于在单个气体冷却催化剂床中利用轴向流动。催化剂的冷却通过竖直放置在催化剂床中的多个管实现，从而确保反应条件有利于放热反应的转化。尽管有大量关于这种转化器类型的参考文献，但该设计仍经受三个重要限制：I)随着工厂产能的增加，单个转化器的压降逐步升级，从而导致高能耗；II)为了克服高压降的挑战而在分离的压力壳体中建造并联转化器的高构造成本；以及III)通常需要高再循环率(和回路压力)来补偿每个反应器通道(per reactor pass)的氢气和氮气的中等转化。
在第二次世界大战之后，为了顺应建造更大的单线产能工厂的总体趋势，引入了在固定催化剂床中利用绝热径向流动的想法。特别是从1960年代开始，径向流动转化器击败了TVA转化器而获得了越来越多的市场份额。径向流动反应器的共同点是，与通过轴向流过相同催化剂质量而获得的横截面积和气体速度相比，径向流动反应器通常为流动提供更大的横截面积和因而更低的平均气体速度。这种认识有助于单个转化器和压力壳体中显著更高的氨生产率，同时将转化器上的压降保持在3巴以下。此外，为了提高转化率，降低所需的回路再循环率，托普索公司的S-100转化器于1960年代引入了通过新鲜工艺气体对来自第一绝热床的产物气体进行激冷的方法。然后在与第一床串联连接的第二绝热床中将组合的激冷流进一步转化。在两个催化剂床中均应用径向流动。
通过1980年代的S-200转化器和2000年左右的S-300转化器可以看出径向流动转化器的进一步发展。取代激冷，这些反应器分别装配有单个或两个床间热交换器，以在串联操作的两个或三个催化剂床之间提供冷却，每个床都是绝热的，并利用了径向流动原理。类似的设计包括卡萨尔(Casale)的轴向-径向流动转化器，该转化器还依赖于串联操作且具有床间热交换的绝热固定催化剂床。上述床间热交换器的目的在于在每个催化剂床之后产生用于放热反应的额外转化的热力势，同时在进入转化器的新鲜工艺气体到达第一催化剂床之前预热该新鲜工艺气体。
与氨反应器有关的任何改进的性能都必须与具有径向流动和床间热交换的两床或三床绝热转化器进行比较，因为这种转化器类型仍然是大型氨工厂的优选选择。
尽管具有径向流动和床间热交换的串联绝热转化器仍在市场中占主导地位，但是可以采取进一步的改善步骤。众所周知，通过将催化剂冷却到引起操作曲线遵循给定反应的最大反应速率曲线的程度，可以改善用于任何放热反应的催化剂效率。不提供冷却的绝热反应器会经历以下情况：催化剂质量的一部分在比最佳条件更冷的条件下操作，而催化剂床的其他部分在比最佳条件更热的条件下操作。因此，卡萨尔(Casale)进行了自然开发，引入了一种流动转化器，在该流动转化器中通过使用冷却板获得催化剂床的冷却，其中某种冷却流体被加热。由于相对于在绝热床中所获得的改善的催化剂反应条件，这种转化器类型原则上可以提供每催化剂体积更高的转化率。通过多个专利(诸如US 6,946,494和US9,028,766)描述了该概念。所有这些专利都描述了冷却板以径向布局放置在圆柱形转化器壳体中，并在催化剂床中使用径向流动以获得在催化剂上的低压降。
尽管应用径向流动和径向冷却板布局的上述现有技术提供了改善放热反应的催化效率的手段，但是该解决方案经受四个主要缺点；I)径向冷却板布局的性质意味着冷却板之间的不同距离以及因此位于两个相邻的冷却板之间的催化剂层的可变厚度，因此导致通过催化剂床的不期望的冷却分布。
详细地，在催化剂床的外半径附近化学放热反应被过弱地冷却，这是因为此处冷却板之间的距离高于最佳值，而在催化剂床的内半径附近该反应被过强地冷却，因为此处冷却板之间的距离处于其最小值。相关的流量分布提供了非最佳的操作曲线和有限的特定催化生产率。此外，II)径向流动原理的保留意味着高竖直催化剂床，在转化器的机械部件上产生高的催化剂力，并且有故障的风险，III)在径向流动转化器的每个床中应用的催化剂体积大，这要求在硬件安装之后从转化器内部装载催化剂，这会导致安装时间长，以及IV)由于施加的冷却板长，因此在冷却的径向流动转化器的底部中卸载放置在冷却板之间的催化剂特别成问题。
发明内容
本发明涉及用于执行放热催化反应(诸如但不限于：氨或甲醇合成)的高效方法。本发明公开了为了改善所应用的催化剂的反应条件而采取的创新步骤。另外，本发明提供了用于快速安装的可堆叠概念，易于装载和卸载催化剂，允许以低投资成本和高能量效率在大产能化工厂中实现高转化率，同时仍然克服了现有技术的局限性。根据本发明，通过以下方法解决了现有技术的上述技术问题，所述方法为：
一种用于执行放热催化反应的方法，包括以下步骤：使新鲜工艺气体平行于至少两个圆柱形催化剂模块行进，每个圆柱形催化剂模块均包含容纳催化剂床和床内热交换器的冷却催化剂区域。
当新鲜工艺气体沿着轴向流动方向流过每个催化剂区域中的催化剂床时，使新鲜工艺气体放热转化成为产物气体。
在并联操作(parallel operated，平行操作)的多个圆柱形催化剂模块的每个中，通过使新鲜工艺气体从围绕每个圆柱形催化剂模块形成的外部环形空间行进进入床内热交换器中，并且使新鲜工艺气体穿过床内热交换器，与沿着轴向方向流过冷却催化剂区域的正在反应的工艺气体进行间接热交换，而冷却放热反应。每个模块的冷却催化剂区域可以可选地与位于该冷却催化剂区域上方和/或下方的一个或多个绝热催化剂区域串联连接。
每个模块的床内热交换器由多个竖直对齐的热交换单元制成，所述热交换单元在床内热交换器中形成用于新鲜工艺气体的流动隔室。每个热交换单元包含水平放置的进给装置，所述进给装置布置为将新鲜工艺气体从围绕每个圆柱形模块形成的外部环形空间输送到热交换单元中，其中，当新鲜工艺气体穿过热交换单元时通过从冷却催化剂区域中的放热反应吸收反应热而被加热。预热的新鲜工艺气体在所述进给装置的相对端部离开热交换单元，之后被输送到上部催化剂区域，所述上部催化剂区域为绝热的或冷却的。床内热交换器的每个热交换单元中的流动模式优选地为轴向的，并且与催化剂区域中的流动成逆向流或并向流(co-current，同向流)。
在本发明的实施例中，每个床内热交换器的所述热交换单元由称为冷却板的长形板状结构(例如枕板)组成。冷却板通常由两个间隔的薄钢片制成，冷却板内部的位于两个钢片之间的空间构成新鲜工艺气体在其中流动的通道。催化剂布置在冷却板之间。来自每个圆柱形催化剂模块的产物气体优选地从最下面的催化剂区域行进到当模块堆叠在压力壳体内时在两个或更多个催化剂模块内居中形成的中心空间。
本发明还公开了应用平行冷却板布局的可能性，其中两个相邻的冷却板之间的距离相同(误差在±10％内)，优选地其中，每个冷却板是基本上平坦的且是枕板型。
在本发明的另一实施例中，引入了额外装置以将例如来自内部或外部启动加热器的预热的工艺气体供应到装载于圆柱形催化剂模块中的催化剂。被称为直接进气系统的这些装置可以用作在转化器的初始启动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位于外部压力壳体与圆柱形催化剂模块之间的外部环形空间。这允许在催化剂还原期间引入预热的工艺气体，否则将超过压力壳体的设计温度。如果没有直接进气系统，在许多情况下，催化剂的可能温度水平将由于上述设计温度而受限，从而导致还原时间延长且效率低下。
在本发明的另一实施例中，在转化器的正常运行期间，即，在催化剂的初始还原之后，直接进气系统还用于将新鲜的未预热的工艺气体供应到包含于圆柱形催化剂模块中的催化剂。通过直接进气系统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来控制。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(降低进料流)期间，可以增加通过直接进气系统引入的进料气体的比例，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进料气体的比例可以减少，以允许对穿过每个催化剂模块的床内热交换器的剩余进料气体增强预热。所述直接进气系统在两种情况下的利用(即，在还原时间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，而不是将转化器内部设计成具有两个独立装置/系统来分别供应预热的工艺气体和新鲜的未预热的工艺气体。
有利地，令人惊讶地发现，与现有技术相反，利用在并联操作的模块的催化剂区域中的轴向流动，本发明允许将冷却板以平行布局的方式放置在冷却催化剂区域内。这种重要的认识确保了位于两个相邻的冷却板之间的催化剂层的固定厚度，如通过平行冷却板的优选选择而获得。相对于通过现有技术获得的反应条件，本发明提供了冷却催化剂区域中的催化剂的均匀冷却，并因此改善反应条件和催化效率。
本发明确保的进一步改进涉及以下事实：所描述的I)并联操作的催化剂模块、II)轴向流动通过催化剂区域和III)通过冷却催化剂区域中的床内热交换获得的进料气体的预热的组合确保了将显著更多的催化剂装载到给定化工厂的压力壳体中的可能性。因此，通过新发明获得了可用的压力壳体体积的更有效的利用。通过平行冷却板得到的恒定的催化剂层厚度所获得的改善的催化剂效率以及更高的催化剂装载量的组合，确保了在固定尺寸的压力壳体内对最大生产率可能性的进一步协同效应。这在专注于产能增加的改造情况中尤为重要，其中在保持原始压力壳体的同时更换转化器。
本发明的另一优点是，尽管轴向流动通过所有催化剂区域，但是总转化器压降可以保持低至1kg/cm2或更小。由于模块的平行流动模式的选择降低了催化剂区域中的气体速度，因此这是可行的。
另外，所描述的使新鲜工艺气体从位于外部压力壳体与圆柱形催化剂模块之间的外部环形空间进入床内热交换器中的方法是确保压力壳体冷却的有效且智能的特征，压力壳体通常具有低设计温度，因此必须免受并联操作的催化剂模块的催化剂区域中发生的放热反应的影响。
本发明的另一重要特征是以下事实：通过简单地调节用于给定化工厂和期望产能的模块数量，并联操作的模块在尺寸方面非常具有灵活性。这允许在压力壳体的外部装载催化剂，并且将具有减轻的重量和预装载的催化剂的模块直接提放到压力壳体中。这归功于与减少的停工时间相关的非凡价值主张，所述减少的停工时间是通过由于催化剂模块真正可堆叠的概念获得的硬件的快速安装时间和快速催化剂装载而实现的。最终，本发明能增加催化剂模块的数量却提供较矮的竖直催化剂床高度，从而显著降低在机械部件上的催化剂力并降低了故障风险。
较矮的催化剂床高度的另一重要优点是更容易卸载催化剂。
总之，本发明的方案和特征是：
1.一种执行放热催化反应的方法，包括以下步骤：
使新鲜工艺气体平行于以堆叠顺序布置的至少两个圆柱形催化剂模块行进，每个圆柱形催化剂模块包含串联的一个或多个催化剂区域，所述催化剂区域中的至少一个通过床内热交换器冷却；
使沿着轴向流动方向流过所有催化剂区域的新鲜工艺气体进行放热反应以成为产物气体；
在每个圆柱形催化剂模块中，通过使新鲜工艺气体从围绕每个圆柱形催化剂模块形成的外部环形空间行进进入床内热交换器中，并且使新鲜工艺气体穿过床内热交换器，与沿着轴向流动方向穿过冷却催化剂区域的正在进行放热反应的预热的工艺气体进行间接热交换，而用新鲜工艺气体来冷却进行放热反应的工艺气体，并且从而预热新鲜工艺气体；以及
在至少两个堆叠的催化剂模块内居中形成的中心空间中，收集从至少两个催化剂模块抽出的产物气体。
2.根据特征1所述的方法，其中，串联连接的催化剂区域中的至少一个是绝热催化剂区域。
3.根据特征1所述的方法，其中，使来自单个冷却催化剂区域的工艺气体串联地行进通过单个绝热催化剂区域。
4.根据特征1至3中的任一项所述的方法，其中，所述床内热交换器包括多个冷却板，所述多个冷却板在床内热交换器中形成用于新鲜工艺气体的流动隔室。
5.根据特征4所述的方法，其中，两个相邻的冷却板之间的冷却催化剂层的厚度在±10％内变化。
6.根据特征5所述的方法，其中，两个相邻的冷却板之间的冷却催化剂层的厚度在10mm与300mm之间。
7.根据特征6所述的方法，其中，两个相邻的冷却板之间的冷却催化剂层的厚度在20mm与150mm之间。
8.根据特征5至7中的任一项所述的方法，其中，每个冷却板是基本上平坦的。
9.根据特征5至8中的任一项所述的方法，其中，冷却板在圆柱形催化剂模块中以三个120°部段布置，并且其中，每个120°部段中的所有冷却板是基本上平坦的且平行的。
10.根据特征9所述的方法，其中，三个120°部段任一个中的基本上平坦的冷却板与另一部段中的基本上平坦的冷却板不平行。
11.根据特征1至10中的任一项所述的方法，其中，新鲜工艺气体以与穿过每个圆柱形催化剂模块中的催化剂区域的工艺气体成逆向流或并向流的方式行进穿过床内热交换器。
12.根据特征1至11中的任一项所述的方法，其中，新鲜工艺气体以与穿过每个圆柱形催化剂模块中的催化剂区域的工艺气体成逆向流的方式行进穿过床内热交换器。
13.根据特征1至12中的任一项所述的方法，其中，圆柱形催化剂模块具有相同的尺寸。
14.一种用于执行放热反应的反应器，在圆柱形压力壳体内包括：
以堆叠顺序布置的至少两个并联操作的圆柱形催化剂模块，每个圆柱形催化剂模块包含串联的具有适于轴向流动的催化剂层的一个或多个催化剂区域，至少一个催化剂区域中的催化剂层通过床内热交换器冷却；
外部环形空间，位于圆柱形催化剂模块与圆柱形压力壳体之间，流体地连接到所述至少两个并联的圆柱形催化剂模块；
在至少一个冷却催化剂区域中，用于将新鲜工艺气体供入床内热交换器的入口中的进给装置流体地连接到外部环形空间；
床内热交换器的出口由床内热交换器的位于至少一个冷却催化剂区域中的开口端形成；
盖，关闭所述至少两个并联的圆柱形催化剂模块；以及
所述至少两个并联的圆柱形催化剂模块的出口装置。
15.根据特征14所述的反应器，其中，所述至少两个并联的圆柱形催化剂模块的出口装置布置在居中地形成在所述至少两个堆叠的催化剂模块内的中心空间中。
16.根据特征14或15所述的反应器，其中，串联的催化剂区域中的至少一个是绝热催化剂区域。
17.根据特征14至16中的任一项所述的反应器，具有与单个绝热区域串联连接的单个冷却催化剂区域。
18.根据特征14至17中的任一项所述的反应器，其中，床内热交换器是具有多个冷却板的板式热交换器，所述多个冷却板在床内热交换器中形成用于新鲜工艺气体的流动隔室。
19.根据特征17所述的反应器，其中，两个相邻的冷却板之间的冷却催化剂层的厚度在±10％内变化。
20.根据特征19所述的反应器，其中，两个相邻的冷却板之间的冷却催化剂层的厚度在10mm与300mm之间。
21.根据特征19所述的反应器，其中，两个相邻的冷却板之间的冷却催化剂层的厚度在20mm与150mm之间。
22.根据特征18至21中的任一项所述的反应器，其中，每个冷却板是基本上平坦的。
23.根据特征18至22中的任一项所述的反应器，其中，冷却板在圆柱形催化剂模块中以三个120°部段布置，并且其中，每个120°部段中的所有冷却板是基本上平坦的且平行的。
24.根据特征18至22中的任一项所述的反应器，其中，冷却板在圆柱形催化剂模块中以三个120°部段布置，并且其中，三个120°部段中任一个中的基本上平坦的冷却板与另一部段中的基本上平坦的冷却板不平行。
25.根据特征14至24中的任一项所述的反应器，其中，所述圆柱形催化剂模块具有相同的尺寸。
26.根据特征17至25中的任一项所述的反应器，其中，所述冷却板是枕板的形式。
27.根据特征14至26中的任一项所述的反应器，其中，床内热交换器的入口设置有气体进给装置，所述气体进给装置流体地连接到外部环形空间。
28.根据特征14至27中的任一项所述的反应器，其中，所述至少两个并联操作的圆柱形催化剂模块的每个中的最下面的催化剂区域的出口装置流体地连接到在所述至少两个堆叠的催化剂模块内居中形成的中心空间。
29.根据特征14至28中的任一项所述的反应器，其中，所述反应器包含用于供应另外的预热的工艺气体流的额外入口装置。
30.根据特征29所述的反应器，其中，用于供应另外的预热的工艺气体流的装置布置为绕过外部环形空间和床内热交换器。
31.根据特征14至30中的任一项所述的反应器，其中，所述反应器包含用于供应另外的新鲜工艺气体流的装置。
32.根据特征30所述的反应器，其中，用于供应另外的新鲜工艺气体流的装置布置为绕过外部环形空间和床内热交换器。
通过以下对附图和具体实施例的描述，本发明的特征和优点将更加明显。
附图说明
图1是催化转化器的简化横截面，示出了在公共压力壳体内并联操作的三个堆叠的圆柱形催化剂模块。
图2A至图2C示出了可用于建造床内热交换器的热交换单元的三个示例。
图2D和图2E示出了可用于建造热交换单元的冷却板类型的示例。
图3A示出了圆柱形催化剂模块的横截面的示例，所述圆柱形催化剂模块包含冷却催化剂区域和床内热交换器。在该图中，床内热交换器由放置在冷却催化剂区域内的竖直对齐的平行冷却板组成。
图3B示出了根据图3A中的视图A-A的圆柱形催化剂模块的横截面。类似地，图3C示出根据图3A中的视图B-B的两个圆柱形催化剂模块的横截面。
图4示出了圆柱形催化剂模块的横截面的另一示例，该模块容纳有与单个冷却催化剂区域串联连接的两个绝热催化剂区域。
图5A至图5C示出了圆柱形催化剂模块的可能的冷却板布局的示例，其中，每个模块的床内热交换器由多个冷却板建造。
具体实施方式
本发明描述了一种执行放热催化反应的方法，其中，新鲜工艺气体平行于以堆叠顺序布置的至少两个圆柱形催化剂模块行进。图1通过具有三个堆叠的圆柱形催化剂模块1的催化转化器的横截面示出了该概念的示例，所述催化剂模块在公共压力壳体3内并联操作。在该图中，新鲜工艺气体9在底部进入压力壳体，其沿着向上轴向方向在外部环形空间2中流动，所述外部环形空间位于外部压力壳体3与圆柱形催化剂模块1之间。新鲜工艺气体进入每个圆柱形催化剂模块，在每个模块中穿过床内热交换器(未示出)，新鲜工艺气体在其沿轴向方向向下流过冷却催化剂区域以及可选的一个或多个绝热催化剂区域(未详细示出这些区域)之前在所述床内热交换器中被预热。来自每个圆柱形催化剂模块的最下面催化剂区域的产物气体行进到当模块堆叠在压力壳体内时在两个或更多个催化剂模块内居中形成的中心空间4。在图中，来自转化器10的组合的产物气体从压力壳体的底部抽出。
图2示出可用于建造床内热交换器的热交换单元11的三个示例。图2A是其中每个热交换单元11由进给装置5和冷却板6组成的一个示例。图2B显示了与图2A相同的原理，具有进给装置5，但是在该例中，热交换单元11由多个更窄的冷却板部分12建造。图2C是热交换单元11的第三示例，其中进给装置5连接到冷却管13。在图2A至图2C中描绘的每种情况下，位于每个热交换单元11的底部的进给装置5均提供沿着冷却板6的宽度均匀分布的新鲜工艺气体，在此之后新鲜工艺气体沿轴向向上方向流过热交换单元11。
本发明不限于图2A至图2C中描绘的热交换单元的上述示例。可以使用除了冷却板6、更窄的冷却板部分12或冷却管13之外的其他几何形状，并且为了在每个热交换单元11内提供向下轴向流动的新鲜工艺气体，进给装置5可以替代地放置在所述冷却板、更窄的冷却板部分或冷却管的上方。图2D和图2E示出了可用于建造热交换单元的冷却板类型的示例。图2D和图2E中描绘的冷却板6是枕板类型的。在图2D中指示了对称线19。
图3A示出了包含冷却催化剂区域14的圆柱形催化剂模块1的横截面。外部环形空间2位于外部压力壳体3与圆柱形催化剂模块1之间。由进给装置(未示出)和竖直对齐的平行冷却板6组成的床内热交换器放置在冷却催化剂区域14内。图3A中在冷却板上向内指向的箭头表示新鲜工艺气体从外部环形空间2流入床内热交换器中。
图3B示出根据图3A中的视图A-A的圆柱形催化剂模块的横截面。该视图示出了模块由冷却催化剂区域14和放置在冷却催化剂区域下方的绝热催化剂区域15组成，冷却催化剂区域与绝热催化剂区域串联连接。新鲜工艺气体通过进给装置5被送入床内热交换器中。在本发明的该示例中，新鲜工艺气体沿着向上轴向方向流过冷却板，该流相对于冷却催化剂区域14中的轴向向下流呈逆向流。催化剂区域14通过与穿过冷却板6的新鲜工艺气体进行热交换而被冷却。来自于冷却催化剂区域的部分转化的工艺气体串联地流到催化剂模块1的绝热催化剂区域15，在绝热催化剂区域处该工艺气体进一步转化成产物气体。
图3C示出根据图3A中的视图B-B的两个圆柱形催化剂模块的横截面。新鲜工艺气体从外部环形空间2被引入热交换单元11中，每个热交换单元由进给装置5和一个冷却板6组成。在新鲜工艺气体流过进给装置5时，新鲜工艺气体沿着冷却板6的宽度均匀地分布。然后新鲜工艺气体沿着向上轴向方向流过冷却板，在此期间，新鲜工艺气体通过吸收部分反应热而被预热，所述反应热是由位于冷却板6之间的冷却催化剂区域14中发生的放热反应产生的。在本示例中，预热的新鲜工艺气体在顶部离开冷却板、转向并轴向向下首先流过气体冷却区域14，随后流过绝热催化剂区域15，然后其行进到中心空间4，从中心空间流到转化器出口(未示出)。还描绘了直接进气系统7，其用于在催化剂还原期间将预热的工艺气体供应到装载在催化剂模块1中的催化剂，和/或用于将新鲜的未预热的工艺气体送到上部催化剂区域(此处为14)，从而能够在正常运行期间控制催化剂的温度水平。该直接进气系统7布置为绕过外部环形空间2，从而避免在催化剂还原期间超过压力壳体3的设计温度。
图4示出本发明覆盖的另一布置。此处，催化剂模块1放置在压力壳体3内，该催化剂模块包含上部绝热催化剂区域16，所述上部绝热催化剂区域与冷却催化剂区域17串联连接，该冷却催化剂区域随后与另一下部绝热催化剂区域18串联。新鲜工艺气体从外部环形空间2流到进给装置5中，在该进给装置中，新鲜工艺气体沿着冷却板6的宽度分布。与图3相反，图4中的新鲜工艺气体在其沿着向下轴向方向流过冷却板6时被加热。为了被引导到催化剂，输送装置8布置为使预热的新鲜工艺气体从冷却板的出口行进到上部绝热催化剂区域16。在本示例中，冷却板6内的新鲜工艺气体流与冷却催化剂区域17中的工艺气体流是并向流。
最后，图5A至图5C示出了本发明的具体实施例。每幅图均示出包含冷却催化剂区域和床内热交换器的圆柱形催化剂模块1，床内热交换器由进给装置(此处未示出)和竖直对齐的平行冷却板6组成。外部环形空间2位于外部压力壳体3与圆柱形催化剂模块1之间。详细地，图5A示出了具有圆柱形布局的冷却板，在相邻的板之间具有恒定的距离。在图5B中，冷却板在圆柱形催化剂模块1中以四个90°部段布置，其中，每个90°部段中的所有冷却板是平坦的且平行的。在图5C中，冷却板在圆柱形催化剂模块1中以三个120°部段布置，其中，每个120°部段中的所有冷却板是平坦的且平行的。在所有这三种情况下，位于两个相邻的冷却板之间的催化剂层的厚度是恒定的，这是通过平行冷却板的优选选择获得的。这确保了在冷却催化剂区域中催化剂的更均匀的冷却，并因此相对于通过现有技术获得的反应条件改善了反应条件和催化效率。
示例
参照目前作为径向流动转化器(因为它目前是大型氨工厂的优选选择)的“现有技术”，对氨合成应用进行了本发明提出的概念的研究。详细地，将本发明的方法与三床径向流动转化器进行比较，所述三床径向流动转化器具有两个床间热交换器，用于新鲜工艺气体的预热以及用于在催化剂床之间进行冷却。
根据本发明的转化器装配有多个并联操作的圆柱形催化剂模块，所述多个并联操作的圆柱形催化剂模块被调节以使总转化器压降在1kg/cm2以下。每个催化剂模块由容纳有床内热交换器且与绝热催化剂区域串联连接的冷却催化剂区域组成。利用了通过每个催化剂模块的两个催化剂区域的轴向流动。每个催化剂模块的床内热交换器由平行的冷却板组成，平行的冷却板保证了冷却催化剂区域中的恒定催化剂层厚度。两种转化器类型所应用的压力壳体的尺寸相同。此外，施加的回路压力是相等的，并且在两种情况下都考虑相同的氨催化剂。
主要结果列在下表中。
表
Figure BDA0002547707120000131
研究表明，与现有技术相比，本发明的方法提供了许多价值主张：
·获得了可用压力壳体的体积的更好利用，并且相同的压力壳体可以多装载24％的催化剂。
·通过在圆柱形模块中平行放置的冷却板，提供恒定的催化剂层厚度和对于冷却催化剂区域的催化剂改善的反应条件，而实现了将特定催化剂生产率(以每催化剂体积每天生产的氨的公吨为单位)提高了4.5％。
·以上两点的协同效应确保了在固定压力壳体内多生产30％氨的能力。无论是在改造方案中还是对于基层工厂，这都是价值的显著实现。随之而来的是压力壳体方面的投资成本节省。
·在本研究中，转化器上的压降降低了不少于64％，从而降低了操作成本并提高了能源效率。
·最大催化剂区域高度降低了75％，从而显著降低了机械部件上的催化剂力并降低了故障风险。
·通过并联操作的催化剂模块的概念实现了催化剂床重量降低53％。这易化了在地面上装载催化剂的可能性，并且通过将预装载的模块直接提升到压力壳体中并且同时安装催化剂和硬件(模块)来减少安装时间。

Claims (32)

1.执行放热催化反应的方法，包括以下步骤：
使新鲜工艺气体平行于以堆叠顺序布置的至少两个圆柱形催化剂模块行进，每个圆柱形催化剂模块包含串联的一个或多个催化剂区域，所述催化剂区域中的至少一个通过床内热交换器冷却；
使沿着轴向流动方向流过所有所述催化剂区域的所述新鲜工艺气体进行放热反应以成为产物气体；
在每个圆柱形催化剂模块中，通过使新鲜工艺气体从围绕每个圆柱形催化剂模块形成的外部环形空间行进进入所述床内热交换器中，并且使新鲜工艺气体穿过所述床内热交换器，与沿着轴向流动方向穿过冷却催化剂区域的正在进行放热反应的预热的工艺气体进行间接热交换，而用新鲜工艺气体来冷却进行放热反应的工艺气体，并且从而预热新鲜工艺气体；以及
在所述至少两个堆叠的催化剂模块内居中形成的中心空间中，收集从所述至少两个催化剂模块抽出的所述产物气体。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，串联连接的催化剂区域中的至少一个是绝热催化剂区域。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，使来自单个冷却催化剂区域的所述工艺气体串联地行进通过单个绝热催化剂区域。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中，所述床内热交换器包括多个冷却板，所述多个冷却板在所述床内热交换器中形成用于所述新鲜工艺气体的流动隔室。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，两个相邻的冷却板之间的所述冷却催化剂层的厚度在±10％内变化。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，两个相邻的冷却板之间的所述冷却催化剂层的厚度在10mm与300mm之间。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，两个相邻的冷却板之间的所述冷却催化剂层的厚度在20mm与150mm之间。
8.根据权利要求5至7中的任一项所述的方法，其中，每个冷却板是基本上平坦的。
9.根据权利要求5至8中的任一项所述的方法，其中，所述冷却板在所述圆柱形催化剂模块中以三个120°部段布置，其中，每个120°部段中的所有冷却板是基本上平坦的且平行的。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，三个120°部段中的任一个中的基本上平坦的冷却板与另一部段中的基本上平坦的冷却板不平行。
11.根据权利要求1至10中的任一项所述的方法，其中，所述新鲜工艺气体以与穿过每个圆柱形催化剂模块中的所述催化剂区域的所述工艺气体成逆向流或并向流的方式行进穿过所述床内热交换器。
12.根据权利要求1至11中的任一项所述的方法，其中，所述新鲜工艺气体以与穿过每个圆柱形催化剂模块中的所述催化剂区域的所述工艺气体成逆向流的方式穿过所述床内热交换器。
13.根据权利要求1至12中的任一项所述的方法，其中，所述圆柱形催化剂模块具有相同的尺寸。
14.一种用于执行放热反应的反应器，在圆柱形压力壳体内包括：
以堆叠顺序布置的至少两个并联操作的圆柱形催化剂模块，每个圆柱形催化剂模块包含串联的具有适于轴向流动的催化剂层的一个或多个催化剂区域，至少一个催化剂区域中的所述催化剂层通过床内热交换器冷却；
外部环形空间，位于所述圆柱形催化剂模块与所述圆柱形压力壳体之间，流体地连接到所述至少两个并联的圆柱形催化剂模块；
在至少一个冷却催化剂区域中，用于将新鲜工艺气体供入所述床内热交换器的入口中的进给装置流体地连接到所述外部环形空间；
所述床内热交换器的出口由所述床内热交换器的位于所述至少一个冷却催化剂区域中的开口端形成；
盖，关闭所述至少两个并联的圆柱形催化剂模块；以及
所述至少两个并联的圆柱形催化剂模块的出口装置。
15.根据权利要求14所述的反应器，其中，所述至少两个并联的圆柱形催化剂模块的出口装置布置在居中地形成在所述至少两个堆叠的催化剂模块内的中心空间中。
16.根据权利要求14或15所述的反应器，其中，串联的催化剂区域中的至少一个是绝热催化剂区域。
17.根据权利要求14至16中的任一项所述的反应器，具有与单个绝热区域串联连接的单个冷却催化剂区域。
18.根据权利要求14至17中的任一项所述的反应器，其中，所述床内热交换器是具有多个冷却板的板式热交换器，所述多个冷却板在所述床内热交换器中形成用于所述新鲜工艺气体的流动隔室。
19.根据权利要求17所述的反应器，其中，两个相邻的冷却板之间的所述冷却催化剂层的厚度在±10％内变化。
20.根据权利要求19所述的反应器，其中，两个相邻的冷却板之间的所述冷却催化剂层的厚度在10mm与300mm之间。
21.根据权利要求19所述的反应器，其中，两个相邻的冷却板之间的所述冷却催化剂层的厚度在20mm与150mm之间。
22.根据权利要求18至21中的任一项所述的反应器，其中，每个冷却板是基本上平坦的。
23.根据权利要求18至22中的任一项所述的反应器，其中，所述冷却板在所述圆柱形催化剂模块中以三个120°部段布置，并且其中，每个120°部段中的所有冷却板是基本上平坦的且平行的。
24.根据权利要求18至22中的任一项所述的反应器，其中，所述冷却板在所述圆柱形催化剂模块中以三个120°部段布置，并且其中，三个120°部段中的任一个中的基本上平坦的冷却板与另一部段中的基本上平坦的冷却板不平行。
25.根据权利要求14至24中的任一项所述的反应器，其中，所述圆柱形催化剂模块具有相同的尺寸。
26.根据权利要求17至25中的任一项所述的反应器，其中，所述冷却板是枕板的形式。
27.根据权利要求14至26中的任一项所述的反应器，其中，所述床内热交换器的所述入口设置有气体进给装置，所述气体进给装置流体地连接到所述外部环形空间。
28.根据权利要求14至27中的任一项所述的反应器，其中，所述至少两个并联操作的圆柱形催化剂模块的每个中的最下面的催化剂区域的所述出口装置流体地连接到在所述至少两个堆叠的催化剂模块内居中形成的空间。
29.根据权利要求14至28中的任一项所述的反应器，其中，所述反应器包含用于供应另外的预热的工艺气体流的额外入口装置。
30.根据权利要求29所述的反应器，其中，用于供应另外的预热的工艺气体流的所述装置布置为绕过所述外部环形空间和所述床内热交换器。
31.根据权利要求14至30中的任一项所述的反应器，其中，所述反应器包含用于供应另外的新鲜工艺气体流的装置。
32.根据权利要求30所述的反应器，其中，用于供应另外的新鲜工艺气体流的所述装置布置为绕过所述外部环形空间和所述床内热交换器。
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