CN114307869A - 一种氨合成反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种氨合成反应器，包括氨反应器、汽包、锅炉给水加热器和热水泵，氨反应器设置有氨反应器外筒，氨反应器外筒内设置有氨反应器内件，氨反应器内件包括由上至下依次连接设置的一级绝热催化剂床层、一级层间换热器、二级绝热催化剂床层、二级层间换热器、末级催化剂床层，末级催化剂床层内设置有水移热换热器，锅炉给水管与锅炉给水加热器连通且锅炉给水加热器通过汽包补水管与汽包连通；本发明末级催化剂床层反应热量通过埋在催化剂床层的水移热管束内部水及时移走，并副产12.0MPa饱和蒸汽，确保催化剂床层反应热不聚集不累积，催化剂床层温度始终控制在～340℃，温度远离平衡曲线，床层出口氨含量41.53％。

Description

一种氨合成反应器

技术领域

本发明涉及化工设备技术领域，具体涉及一种氨合成反应器。

背景技术

目前国内外氨合成技术供应商现有的大型低压(15.0MPa)氨合成反应器均为三级绝热催化剂床层，一二级绝热床层之间及二三级绝热床层之间采取层间气气换热器移走绝热段出口热量，确保下一级绝热催化剂床层进口气体温度≤380℃，三级绝热催化剂床层出口高温合成气直接进入直连式废热锅炉，副产3.8MPa饱和蒸汽。

现有的氨合成反应器在最好运行参数的参数运行下，氨净值也仅为20.7％，而完成氨合成反应主要任务是一、二级绝热催化剂床层，而三级(末级)氨净值仅为3.53％，，催化剂装填量占总装填量的50％以上，而只完成合成氨产量的3.53/20.07＝17.59％。三级(末级)之所以合成氨产量低，主要因为三级(末级)是绝热催化剂床层，出口426℃时反应“平衡温距”为10℃，氨合成反应平衡温距太小，抑制氨的合成速率。

现有合成氨反应器采用废热锅炉与氨合成反应器三级床层出口气体直连式的方式，该结构对应绝热催化剂床层无法保证催化剂床层尤其是末级催化剂床层在等温条件下进行合成氨反应。

鉴于所述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。

发明内容

为解决所述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种氨合成反应器，包括氨反应器、汽包、锅炉给水加热器和热水泵，所述氨反应器设置有氨反应器外筒，所述氨反应器外筒内设置有氨反应器内件，所述氨反应器内件包括由上至下依次连接设置的一级绝热催化剂床层、一级层间换热器、二级绝热催化剂床层、二级层间换热器、末级催化剂床层，所述末级催化剂床层内设置有水移热换热器，锅炉给水管与所述锅炉给水加热器连通且所述锅炉给水加热器通过汽包补水管与所述汽包连通，所述汽包通过汽包下降管与所述热水泵连通，所述热水泵通过换热器进水管与所述水移热换热器连通，所述水移热换热器通过换热器出水管与所述汽包连通。

较佳的，所述汽包上还设置有用于控制所述汽包内部压力的蒸汽管。

较佳的，所述氨反应器外筒包括外筒平盖、外筒筒体、外筒下封头，所述氨反应器内件设置在所述外筒筒体内，所述外筒筒体上端设置有可拆卸的所述外筒平盖，所述外筒筒体下端设置有所述外筒下封头。

较佳的，所述氨反应器外筒内设置有内件筒体，所述一级绝热催化剂床层、所述一级层间换热器、所述二级绝热催化剂床层、所述二级层间换热器、所述末级催化剂床层均设置在所述内件筒体内，所述内件筒体上端设置有可拆卸的内件平盖，所述内件筒体下端设置有内件下封头。

较佳的，第一进气管经所述一级层间换热器与所述一级绝热催化剂床层的上端连通，所述第一进气管内的冷气在所述一级层间换热器与所述一级绝热催化剂床层反应后的反应气换热。

较佳的，第二进气管经所述二级层间换热器与所述一级绝热催化剂床层的上端连通，所述第二进气管内的冷气在所述二级层间换热器与所述二级绝热催化剂床层反应后的反应气换热。

较佳的，副线管与所述一级绝热催化剂床层的上端连通，所述副线管内通有冷气。

较佳的，所述第一进气管设置有初步换热段，所述初步换热段设置在所述氨反应器外筒和所述氨反应器内件之间且由所述内件下封头向所述内件平盖延伸设置。

较佳的，所述末级催化剂床层通过出气管与所述锅炉给水加热器连通，所述末级催化剂床层内反应后的气体通过所述锅炉给水加热器与由所述锅炉给水管进入的换热液进行换热。

较佳的，所述一级绝热催化剂床层、所述二级绝热催化剂床层、所述末级催化剂床层内均填充有催化剂，所述催化剂设置为氨合成铁系催化剂或钌系催化剂或钴系催化剂。

较佳的，在所述水移热换热器和所述汽包内循环的换热介质为吸热后由液相转换为气相的液体冷介质。

与现有技术比较本发明的有益效果在于：1，本发明末级催化剂床层反应热量通过埋在催化剂床层的水移热管束内部水及时移走，并副产12.0MPa饱和蒸汽，确保催化剂床层反应热不聚集不累积，催化剂床层温度始终控制在～340℃，温度远离平衡曲线，床层出口氨含量41.53％，入塔循环气降至4698.82Nm³/tNH₃、压缩及循环机电耗(仅以压机低压段及高压段+循环段)降至165.02KWh/tNH₃、冷量消耗降至73262.6Kcal/tNH₃，副产12MPa蒸汽1689.2kg/tNH₃；2，本发明在末级水移热催化剂床层之前选择两级绝热催化剂床层可以有效保护末级水移热催化剂床层的贵金属催化剂，有效延长整台反应器长周期运行；3，本发明在末级水移热催化剂床层之前选择两级绝热催化剂床层可以有利于维持反应器及氨合成系统热平衡，有效减少系统波动；4，本发明末级催化剂床层反应热量通过埋在催化剂床层的水移热管束内部水及时移走，床层出口温度始终控制在～340℃，氨合成反应器出口气体管线直接连接锅炉给水加热器回收合成气余热，避免使用直连式废热锅炉，杜绝设备泄漏，有效提高装置运行安全性。

附图说明

图1为所述氨合成反应器的结构视图。

图中数字表示：

1-外筒平盖；2-内件平盖；3-外筒筒体；4-一级绝热催化剂床层；5-一级层间换热器；6-内件筒体；7-二级绝热催化剂床层；8-二级层间换热器；9-末级催化剂床层；10-水移热换热器；11-内件下封头；12-外筒下封头；13-氨反应器外筒；14-氨反应器内件；15-氨反应器；16-汽包；17-锅炉给水加热器；18-热水泵；19-第一进气管；20-第二进气管；21-副线管；22-出气管；23-锅炉给水管；24-汽包补水管；25-汽包下降管；26-换热器进水管；27-换热器出水管；28-蒸汽管。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明所述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

如图1所示，图1为所述氨合成反应器的结构视图。本发明所述氨合成反应器包括氨反应器15、汽包16、锅炉给水加热器17和热水泵18，所述氨反应器15设置有氨反应器外筒13，所述氨反应器外筒13内设置有氨反应器内件14，所述氨反应器内件14包括由上至下依次连接设置的一级绝热催化剂床层4、一级层间换热器5、二级绝热催化剂床层7、二级层间换热器8、末级催化剂床层9，所述末级催化剂床层9内设置有水移热换热器10，锅炉给水管23与所述锅炉给水加热器17连通且所述锅炉给水加热器17通过汽包补水管24与所述汽包16连通，所述汽包16通过汽包下降管25与所述热水泵18连通，所述热水泵18通过换热器进水管26与所述水移热换热器10连通，所述水移热换热器10通过换热器出水管27与所述汽包16连通。

末级床层移热水的闭路循环为锅炉给水加热器的水回收合成气余热后通过汽包补水管补入汽包，通过汽包下降管进入热水泵加压，加压后进入埋在末级催化剂床层中的水移热换热器中，通过水移热换热器换热移走末级催化剂床层反应热，由换热器出水管进入汽包，并在汽包内部闪蒸出蒸汽，末级催化剂床层反应热是通过副产蒸汽方式移出催化剂床层的。

较佳的，所述汽包16上还设置有用于控制所述汽包16内部压力的蒸汽管28。

较佳的，所述氨反应器外筒13包括外筒平盖1、外筒筒体3、外筒下封头12，所述氨反应器内件14设置在所述外筒筒体3内，所述外筒筒体3上端设置有可拆卸的所述外筒平盖1，用于实现对所述外筒筒体3内的检测维修。所述外筒筒体3下端设置有所述外筒下封头12。

所述外筒筒体3内设置有内件筒体6，所述一级绝热催化剂床层4、所述一级层间换热器5、所述二级绝热催化剂床层7、所述二级层间换热器8、所述末级催化剂床层9、所述水移热换热器10均设置在所述内件筒体6内，所述内件筒体6上端设置有可拆卸的内件平盖2，用于实现对所述内件筒体6内的检测维修。所述内件筒体6下端设置有内件下封头11。

较佳的，第一进气管19经所述一级层间换热器5与所述一级绝热催化剂床层4的上端连通，第二进气管20经所述二级层间换热器8与所述一级绝热催化剂床层4的上端连通，副线管21与所述一级绝热催化剂床层4的上端连通。

较佳的，所述第一进气管19设置有初步换热段，所述初步换热段设置在所述氨反应器外筒13和所述氨反应器内件14之间且由所述内件下封头11向所述内件平盖2延伸设置，从而便于实现对所述一级绝热催化剂床层4、所述二级绝热催化剂床层7、所述末级催化剂床层9的辅助散热。

具体的，所述第一进气管19内部冷气进入所述一级层间换热器5，移走所述一级绝热催化剂床层4的反应热；所述第二进气管20内部冷气进入所述二级层间换热器8，移走所述二级绝热催化剂床层7的反应热；所述第一进气管19、所述第二进气管20、所述副线管21三股气体分别汇集到所述一级绝热催化剂床层4的顶端，从而实现对进入所述一级绝热催化剂床层4前待处理气体的散热。

所述末级催化剂床层9通过出气管22与所述锅炉给水加热器17连通，所述末级催化剂床层9内反应后的气体通过所述锅炉给水加热器17与由所述锅炉给水管23进入的换热液进行换热。

具体的，由所述外筒平盖1、所述外筒筒体3及所述外筒下封头12组成一个可以装填氨反应器内件的耐压外筒。

所述内件平盖2、所述一级绝热催化剂床层4、所述一级层间换热器5、所述内件筒体6、所述二级绝热催化剂床层7、所述二级层间换热器8、所述末级催化剂床层9、所述水移热换热器10、所述内件下封头11、所述第一进气管19、所述第二进气管20、所述副线管21、所述出气管22、所述锅炉给水管23、所述换热器进水管26、所述换热器出水管27组成一个三级催化剂床层的氨合成反应器内件。

所述末级催化剂床层9、所述水移热换热器10、所述汽包16、所述锅炉给水加热器17、所述热水泵18、所述锅炉给水管23、所述汽包补水管24、所述汽包下降管25、所述换热器进水管26、所述换热器出水管27、所述蒸汽管28等共同组建一个末级为水移热的氨合成反应催化剂床层。

所述氨合成反应器绝热床层可以为“零”段，也可以为若干段，氨合成反应器绝热床层及末级水移热催化剂床层可以为轴向、径向及轴径向结构。

催化剂可以为氨合成铁系催化剂、钌系催化剂、钴系催化剂及其它类型催化剂；

催化剂分别装填在一级绝热催化剂床层、二级绝热催化剂床层及末级水移热催化剂床层。

所述末级催化剂床层装填的催化剂可以选择低温活性好的催化剂，也可以选择与一级绝热催化剂床层及二级绝热催化剂床层耐高温的宽温区催化剂。

所述水移热换热器10内的换热介质可设置为所有吸热后由液相转换为气相的所有液体冷介质的一种或几种的混合。

所述氨合成反应器包含所有有机、无机合成反应。

第一进气管内部冷气进入一级层间换热器，移走一级绝热催化剂床层反应热；第二进气管内部冷气进入二级层间换热器，移走二级绝热催化剂床层反应热；第一进气管、第二进气管、及副线管三股气体分别汇集到一级绝热催化剂床层顶端；一级绝热催化剂床层进出口温度控制在360℃/490℃，二级绝热催化剂床层进出口温度控制在380℃/465℃，出口氨含量分别为12.10％、18.64％。

末级催化剂床层反应热量通过埋在催化剂床层的水移热管束内部水及时移走，并副产12.0MPa饱和蒸汽，确保催化剂床层反应热不聚集不累积，催化剂床层温度始终控制在340℃，温度远离平衡曲线，床层出口氨含量41.53％，蒸汽副产量高达1689.2kg/tNH₃。

末级床层热量通过水移热换热器、汽包、锅炉给水加热器、热水泵、锅炉给水管、汽包补水管、汽包下降管、换热器进水管、换热器出水管、蒸汽管等组建的一个水路闭路循环系统及时移走末级催化剂床层反应热。

在一具体实施例中：

一级绝热催化剂床层装填铁钴系催化剂装填15.3m³；

二级绝热催化剂床层装填铁钴系催化剂装填24.0m³；

末级水移热催化剂床层装填钌系催化剂装填37.5m³；

氨合成反应器规格为

一级层间换热器

二级层间换热器

水移热换热器

汽包

锅炉给水加热器

热水泵三台，两开一备规格1600m³/h

合成氨产量：42.25t/h

主要运行参数一览表

最主要运行经济指标一览表

参数名称	电耗	冷量消耗	副产蒸汽	入塔气量
					单位	KWh/tNH<sub>3</sub>	KCal/tNH<sub>3</sub>	kg/tNH<sub>3</sub>	Nm<sup>3</sup>/tNH<sub>3</sub>
经济指标	165.02	73262.60	1689.20	4698.82

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种氨合成反应器，其特征在于，包括氨反应器、汽包、锅炉给水加热器和热水泵，所述氨反应器设置有氨反应器外筒，所述氨反应器外筒内设置有氨反应器内件，所述氨反应器内件包括由上至下依次连接设置的一级绝热催化剂床层、一级层间换热器、二级绝热催化剂床层、二级层间换热器、末级催化剂床层，所述末级催化剂床层内设置有水移热换热器，锅炉给水管与所述锅炉给水加热器连通且所述锅炉给水加热器通过汽包补水管与所述汽包连通，所述汽包通过汽包下降管与所述热水泵连通，所述热水泵通过换热器进水管与所述水移热换热器连通，所述水移热换热器通过换热器出水管与所述汽包连通。

2.如权利要求1所述的氨合成反应器，其特征在于，所述汽包上还设置有用于控制所述汽包内部压力的蒸汽管。

3.如权利要求1所述的氨合成反应器，其特征在于，所述氨反应器外筒包括外筒平盖、外筒筒体、外筒下封头，所述氨反应器内件设置在所述外筒筒体内，所述外筒筒体上端设置有可拆卸的所述外筒平盖，所述外筒筒体下端设置有所述外筒下封头。

4.如权利要求3所述的氨合成反应器，其特征在于，所述氨反应器外筒内设置有内件筒体，所述一级绝热催化剂床层、所述一级层间换热器、所述二级绝热催化剂床层、所述二级层间换热器、所述末级催化剂床层均设置在所述内件筒体内，所述内件筒体上端设置有可拆卸的内件平盖，所述内件筒体下端设置有内件下封头。

5.如权利要求4所述的氨合成反应器，其特征在于，第一进气管经所述一级层间换热器与所述一级绝热催化剂床层的上端连通，所述第一进气管内的冷气在所述一级层间换热器与所述一级绝热催化剂床层反应后的反应气换热。

6.如权利要求5所述的氨合成反应器，其特征在于，第二进气管经所述二级层间换热器与所述一级绝热催化剂床层的上端连通，所述第二进气管内的冷气在所述二级层间换热器与所述二级绝热催化剂床层反应后的反应气换热。

7.如权利要求6所述的氨合成反应器，其特征在于，副线管与所述一级绝热催化剂床层的上端连通，所述副线管内通有冷气。

8.如权利要求5所述的氨合成反应器，其特征在于，所述第一进气管设置有初步换热段，所述初步换热段设置在所述氨反应器外筒和所述氨反应器内件之间且由所述内件下封头向所述内件平盖延伸设置。

9.如权利要求1所述的氨合成反应器，其特征在于，所述末级催化剂床层通过出气管与所述锅炉给水加热器连通，所述末级催化剂床层内反应后的气体通过所述锅炉给水加热器与由所述锅炉给水管进入的换热液进行换热。

10.如权利要求1所述的氨合成反应器，其特征在于，所述一级绝热催化剂床层、所述二级绝热催化剂床层、所述末级催化剂床层内均填充有催化剂，所述催化剂设置为氨合成铁系催化剂或钌系催化剂或钴系催化剂。

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