CN115231592B - 氨合成反应器及氨合成反应方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种氨合成反应器及氨合成反应方法，氨合成反应器，包括壳体组件；触媒框，设于壳体组件的内部；以及换热系统，包括至少两组换热组件，每一换热组件的至少部分伸入触媒框内，各换热组件在触媒框内沿径向依次间隔布设，以在触媒框内界定形成多个彼此连通的第一反应区。通过在氨合成反应器的触媒框内，使用多个换热组件界定形成多个第一反应区，能够使得未反应气能够沿径向经过多个第一反应区反应，使得反应段数多，提高了氨净值高，并且，由于多个第一反应区的设置，能够填充更多的催化剂。另外，由于未反应气全径向在触媒框内流动，阻力极少，加快了反应速度。
Description
技术领域
本申请涉及化工设备技术领域，特别是涉及一种氨合成反应器及氨合成反应方法。
背景技术
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，并且合成氨反应还是放热反应，需要在反应器设置换热件，以不断移走反应产生的热量。
但现有的氨合成反应器中，存在氨净值低、催化剂装填量少及催化剂使用率低的问题。
发明内容
基于此，有必要针对现有氨合成反应器存在氨净值低、催化剂装填量少及催化剂使用率低的问题，提供一种能够提高氨净值、催化剂装填量及催化剂使用率的氨合成反应器及氨合成反应方法。
本申请的一方面，提供一种氨合成反应器，包括：
壳体组件；
触媒框，设于壳体组件的内部；以及
换热系统，包括至少两组换热组件，每一换热组件的至少部分伸入触媒框内，各换热组件在触媒框内沿径向依次间隔布设，以在触媒框内界定形成多个彼此连通的第一反应区。
在其中一个实施例中，每一换热组件包括呈环状布设的多个第一换热管束，全部换热组件沿径向依次套设。
在其中一个实施例中，触媒框还包括第二反应区，沿气流流动方向，第二反应区位于第一反应区的下游；
其中，第一反应区用于填装第一触媒，第二反应区用于填装第二触媒，第一触媒与第二触媒相异。
在其中一个实施例中，第二触媒包括钌基催化剂。
在其中一个实施例中，触媒框与壳体组件之间具有第二环隙，触媒框沿其轴向的一侧与壳体组件之间具有零米空间，壳体组件开设有未反应气进口，零米空间连通第二环隙及未反应气进口。
在其中一个实施例中，壳体组件包括外筒和内筒，触媒框设于内筒内，且与内筒之间形成第二环隙；
外筒与内筒之间形成第一环隙，未反应气进口开设于外筒上，第一环隙连通未反应气进口与零米空间。
在其中一个实施例中，壳体组件开设有未反应气进口和反应气出口；
换热系统还包括第一换热器，第一换热器设于壳体组件内，第一换热器具有第一换热通道及与第一换热通道彼此独立设置的第二换热通道，第一换热通道连通未反应气进口与触媒框的进气端，第二换热通道能够连通触媒框的出气端与反应气出口；
第一换热通道与第二换热通道能够热交换。
在其中一个实施例中，氨合成反应器还包括集气管，集气管设于触媒框内，换热组件设于集气管的外侧；
第一换热器设于集气管内，且与集气管之间形成第三环隙，所述集气管开设又连通第三环隙与触媒框内部的第二连通孔，第二换热通道通过第三环隙及第二连通孔与触媒框的出气端连通。
在其中一个实施例中，换热组件能够接收外部的给水。
在其中一个实施例中，壳体组件还开设有蒸汽排气口，换热系统还包括第二换热器，第二换热器设于壳体组件内，第二换热器具有彼此独立设置的第三换热通道和第四换热通道；
第二换热通道通过第三换热通道与触媒框的出气端连通，第四换热通道连通换热组件及蒸汽排气口，第三换热通道与第四换热通道能够热交换。
在其中一个实施例中，第二换热器与第一换热器沿壳体组件的轴向依次布设。
在其中一个实施例中，氨合成反应器还包括连通管，连通管的一端与第一换热通道连通，另一端穿设第三换热通道与触媒框的进气端连通。
上述的氨合成反应器，通过在氨合成反应器的触媒框内，使用多个换热组件界定形成多个第一反应区，能够使得未反应气能够沿径向经过多个第一反应区反应，使得反应段数多，提高了氨净值高，并且，由于多个第一反应区的设置，能够填充更多的催化剂。另外，由于未反应气全径向在触媒框内流动，阻力极少，加快了反应速度。
本申请的另一方面，还提供一种氨合成反应方法，包括步骤：
未反应气引入触媒框，使未反应气进入触媒框内；
未反应气反应，包括步骤首次反应，首次反应为使未反应气沿径向依次经过多个第一反应区，并在每经过一个第一反应区后通过对应的换热组件进行换热。
在其中一个实施例中，在未反应气反应步骤中，且在首次反应步骤之后，还包括步骤：
二次反应，使未反应气沿径向经过第二反应区；第一反应区用于填装第一触媒，第二反应区用于填装第二触媒，第一触媒与第二触媒相异。
在其中一个实施例中，氨合成反应方法还包括步骤：
第一热交换，使经未反应气引入触媒框步骤之前的未反应气，与经未反应气反应步骤后得到的反应气进行热交换。
在其中一个实施例中，氨合成反应方法还包括步骤：
第二热交换，使经未反应气反应步骤后得到的反应气，且经第一热交换步骤之前的反应气，与换热组件的换热介质进行热交换；其中，换热组件能够接收外部的给水，换热介质为饱和蒸汽。
上述氨合成反应方法，能够使得未反应气能够沿径向经过多个第一反应区反应，使得反应段数多，提高了氨净值高，并且，由于多个第一反应区的设置，能够填充更多的催化剂。另外，由于未反应气全径向在触媒框内流动，阻力极少，加快了反应速度。
附图说明
图1为本申请一实施例中的氨合成反应器的沿轴向的剖面结构示意图；
图2为图1所示的氨合成反应器的沿径向的剖面结构示意图；
图3为图1所示的氨合成反应器的沿径向的另一处的剖面结构示意图；
图4为本申请一实施例中的氨合成反应方法的流程步骤图。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
附图并不是1：1的比例绘制，并且各元件的相对尺寸在附图中仅以示例地绘制，而不一定按照真实比例绘制。
正如背景技术所言，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，催化剂活性有一定的温度范围，一般在340℃～520℃，低于340℃反应速度很慢，需要的催化剂量大，当温度高于520℃，会使催化剂内晶体长大，活性衰退。
合成氨反应还是放热反应，需要在反应器设置换热器，不断移走热量，使反应气温度≤520℃，同时把未反应气加热到≥340℃。
在催化剂活性温度范围内，反应速度与反应推动力(即反应温度与平衡温度的距离)有关。平衡温距越大，反应推动力大，反应速度快。因为随着反应进行，平衡温度越来越低，所以到了反应后期，要求降低反应温度。
经发明人研究发现，现有氨合成反应器有三种，并均具有对应的技术缺陷，具体如下：
1、冷激式：即先进行一次绝热反应，温度升高，再用未反应冷气直接混合，降温后再反应，如此反复换热三至四次。但冷激式的缺点是氨净值低。
2、间冷式：即在催化剂床层布置两至三个间接热器，进行一次绝热反应，温度升高，反应热气进入换热器管外、未反应冷气进入换热器管内，进行间接换热，热气降温后再反应，反应床层设置两个或三个间接换热器，可以反复换热三至四次。但间冷式的缺点是占用了反应器容积，催化剂装填量减少，影响装置产量。
3、内冷式：换热管布在催化剂层内，即管内是冷气，管外是催化剂，反应放出热随即被管内未反应冷气移走，反应气边反应边降温。但内冷式的缺点是冷管周边催化剂不易完全活化，影响催化剂使用效率。
基于上述考虑，需要提供一种能够提高氨净值、催化剂装填量及催化剂使用率的氨合成反应器。
图1示出了本申请一实施例中的氨合成反应器的剖面结构示意图；图2为图1所示的氨合成反应器的沿径向的剖面结构示意图。为便于描述，附图仅示出了与本申请实施例相关的结构。
参阅附图，氨合成反应器100包括壳体组件10、触媒框20以及换热系统30。本申请的氨合成反应器100主要用于合成氨气。
触媒框20设于壳体组件10的内部，换热系统30包括至少两组换热组件31，每一换热组件31的至少部分伸入触媒框20内，各换热组件31在触媒框20内沿径向依次间隔布设，以在触媒框20内界定形成多个沿径向彼此连通的第一反应区AA。
需要指出的是，第一反应区AA可以位于相邻的两个换热组件31之间，也可以位于最外侧的换热组件31的外侧，或者是位于最内侧的换热组件31的内侧，这里所指的“外侧”是指换热组件31远离触媒框20的中心轴线的一侧，这里所指的“内侧”是指换热组件31靠近触媒框20的中心轴线的一侧。
通过在氨合成反应器100的触媒框20内，使用多个换热组件31界定形成多个第一反应区AA，能够使得未反应气沿径向经过多个第一反应区AA反应，使得反应段数多，提高了氨净值高，并且，由于多个第一反应区AA的设置，能够填充更多的催化剂。另外，由于未反应气全径向在触媒框20内流动，阻力极少，加快了反应速度。
具体到本申请的实施方式中，触媒框20的侧壁开设有多个第一连通孔，多个第一连通孔沿触媒框20的周向及轴向间隔布设，未反应气从多个第一连通孔进入触媒框20内，以在触媒框20内进行全径向流动。
在一些实施例中，壳体组件10包括外筒11和内筒12，内筒12设于外筒11内，且外周与外筒11之间形成第一环隙13，外筒11上还开设有未反应气进口111，未反应气进口111连通第一环隙13与氨合成反应器100外部。具体地，未反应气能够从未反应气进口111引入，进而流入第一环隙13内。
进一步地，触媒框20设于内筒12内，且与内筒12之间形成第二环隙21，多个第一连通孔连通第二环隙21与触媒框20的内部。未反应气能够沿轴向进入该第二环隙21中，再经第一连通孔沿径向进入触媒框20内。
请继续参阅图1和图2，氨合成反应器100还包括集气管40，集气管40设于触媒框20内，换热组件31设于集气管40的外侧，集气管40开设有连通其内部与触媒框20内部的第二连通孔。经多个第一反应区AA反应后的反应气从第二连通孔进入集气管40的内部聚集。具体地，第二连通孔包括多个，多个第二连通孔沿集气管40的轴向和径向彼此间隔设置。
在其他实施方式中，未反应气也可以从集气管40进入，经第二连通孔进入触媒框20内，沿径向经多个第一反应区AA反应后，反应气从第一连通孔进入第二环隙21中，再沿轴向排出，在此不作限制。
在本申请的实施例中，沿气流流动方向，未反应应当先经过第一反应区AA，进行反应后，产热热量，在经换热组件31进行换热，因此，位于最上游的换热组件31的上游侧设有第一反应区AA，其他第一反应区AA设于相邻的两个换热组件31之间。故，可以理解，第一反应区AA的数量实际与换热组件31的数量相等。
需要指出的是，气流流动方向是指未反应气和反应气在氨合成反应器100内的流动方向。
请继续参阅图2，优选地，本申请的换热组件31包括四个，第一反应区AA包括四个，在其他实施方式中，换热组件31也可以包括两个、三个、五个等，在此不作限制。但经研究发现，较佳地，换热组件31包括至少三个，如此，能够提高氨净值。
在一些实施例中，每一换热组件31呈环状布设，全部换热组件31沿径向依次套设。
进一步地，每一换热组件31包括呈环状布设的多个第一换热管束311，全部换热组件31沿径向依次套设。
通过设置每一换热组件31包括呈环状布设的多个第一换热管束311，使得换热组件31的结构简单，且由于多个第一换热管束311是呈环状布设，因此，第一反应区AA由两个环状布设的换热组件31、换热组件31与触媒框20或者集气管40与换热组件31界定呈柱状，如此，可使得第一反应区AA内反应热换热均匀。
优选地，各换热组件31同心设置，每一换热组件31的全部第一换热管束311呈圆环状布设。可进一步地提高换热的均匀性。
需要指出的是，每一换热组件31的各第一换热管束311之间具有间隙，该间隙能够使未反应气沿径向流动，而经过多个第一反应区AA。
请继续参阅图1，具体到本申请的实施方式中，第一换热管束311为套管。在其他实施例中，也可以为U形管等，在此不作限制。但相较于其他形式的第一换热管束311。套管更有利于节省空间，且一端为自由端，能够吸收温差而自由伸缩，以避免对其固定点的损坏。
请继续参阅图1和图2，在一些实施例中，触媒框20还包括第二反应区BB，沿气流流动方向，第二反应区BB位于第一反应区AA的下游。其中，第一反应区AA用于填装第一触媒，第二反应区BB用于填装第二触媒，第一触媒与第二触媒相异。
通过设置填装有不同触媒的两个不同的反应区，能够进一步地提高氨合成的效率，进而提高氨净值。
优选地，第一触媒包括铁基催化剂。
优选地，第二触媒包括钌基催化剂。钌基催化剂相较于其他催化剂，能够进一步地提高氨合成的效率，进而提高氨净值。
在本申请的实施例中，第二反应区BB相较第一反应区AA更靠近集气管40设置。
为了避免第二触媒混入第一触媒中，而对各区反应造成相互影响，因此，在第二反应区BB与与其相邻的第一反应区AA之间设有分隔管50，分隔管50套设于集气管40的外侧，且与集气管40之间界定形成第二反应区BB，分隔管50开设有第三连通孔，第三连通孔连通第一反应区AA与第二反应区BB。具体地，第三连通孔包括多个，多个第三连通孔沿分隔管50的径向和轴向彼此间隔设置。
请继续参阅图1，在一些实施例中，壳体组件10开设有未反应气进口111，换热系统30还包括第一换热器32，第一换热器32设于壳体组件10内，第一换热器32具有第一换热通道321，第一换热通道321连通未反应气进口111与触媒框20的进气端。
在本申请的实施方式中，触媒框20的进气端是指第一连通口处。
具体地，第一换热通道321通过第一环隙13与未反应气进口111连通，第一换热通道321通过第二环隙21与触媒框20的进气端连通。
如此，从未反应气进口111进入的未反应气在到达触媒框20的进气端之前，能够先在第一换热器32内进行换热。
进一步地，壳体组件10开设有反应气出口14，第一换热器32还具有与第一换热通道321彼此独立设置的第二换热通道322，第二换热通道322连通触媒框20的出气端和反应气出口14，第一换热通道321与第二换热通道322能够热交换。
在本申请的实施方式中，触媒框20的出气端是指与集气管40的第二连通孔的对应位置处。
具体地，第二换热通道322通过集气管40的内部与触媒框20的出气端连通。
如此，通过第一换热器32将未反应气与反应气进行热交换，能够对未反应气进行升温，充分利用了反应热，且提高了反应效率。
具体地，第一换热器32设于触媒框20内。优选地，第一换热器32设于集气管40的内。如此，能够使整个氨合成反应器100的结构更加紧凑。
具体地，第一换热器32与集气管40之间形成第三环隙41，第二换热通道322通过第三环隙41及第二连通孔与触媒框20的出气端连通。
具体到本申请的实施方式中，第一换热器32包括第一换热壳体323和第二换热管束324，第二换热管束324具有第二换热通道322，第二换热管束324设于第一换热壳体323内，第二换热管束324与第一换热壳体323之间形成第一换热通道321。
进一步地，第二换热管束324包括多个，多个第二换热管束324呈环状彼此间隔设置。优选地，多个第二换热管束324环绕集气管40的中心轴线设置，也即环绕触媒框20的中心轴线设置。如此，能够使未反应气能够充分吸收反应气的热量。
在一些实施方式中，第一换热器32还包括多个第一折流板325，多个第一折流板325沿气流流动方向彼此间隔地设于第一换热通道321内。通过在第一换热通道321内设置多个第一折流板325，能够提高气体流动的范围，使得气体能够在第一换热通道321内充分换热。
在一些实施例中，氨合成反应器100还包括套管60和中心出口管65，套管60穿设内筒12设置，且套设于中心出口管65的外侧，并与中心出口管65之间间隔以形成连通第一换热通道321与第一环隙13的第一连通通道，中心出口管65连通第二换热通道322与反应气出口14。
如此，通过设置套管60和中心出口管65，能够简化第一换热器32的进气和出气结构，并且由于设置了套管60和中心出口管65的形式，能够吸收热膨胀差。
需要指出的是，在另一些实施例中，也可以是第二换热通道322连通未反应气进口111与第二环隙21，第一换热通道321连通集气管40的内部和反应气出口14，其他连通关系可以适应性改变，如此，也能达到对未反应气进行加热的效果。
在一些实施例中，触媒框20沿其轴向的一侧与壳体组件10之间具有零米空间22，壳体组件10开设有未反应气进口111，零米空间22连通第二环隙21及未反应气进口111。
通过设置零米空间22，能够调节进入第二环隙21中的未反应气的温度，进而调节塔内零米温度。
具体地，零米空间22通过第一换热通道321与未反应气进口111连通。
如此，使得加热后的未反应气经过零米空间22后再进入第二环隙21中，进而在触媒框20内反应。因此，通过设置零米空间22，能够使得未反应气成功进入第二环隙21，进而径向进入触媒框20内。
在一些实施例中，氨合成反应器100还包括加料管70，加料管70穿设零米空间22伸入触媒框20内。
如图1和图3所示，在本申请的实施例中，换热组件31能够接收外部的给水。如此，通过外部给水进入换热组件31内，从而与第一反应区AA内的反应热进行换热。而换热后的给水能够在换热组件31内形成饱和蒸汽并排出。
具体地，该外部的给水来自汽包200。
具体地，换热系统30还包括进水管33和分水部34，分水部34设于壳体组件10内，且位于触媒框20的一侧，进水管33的一端与壳体组件10的外部连通，用于引入外部的给水，另一端伸入壳体组件10内与分水部34连通，分水部34与全部换热组件31连通，用于向各换热组件31提供外部的给水。
具体到本申请的实施方式中，分水部34包括与进水管33相连的多个进水环341，每一进水环341具有环状进水通道，多个进水环341与多个换热组件31一一对应相连，以使每一环状进水通道连通一换热组件31。如此，能够同时对每一换热组件31提供给水。
进一步地，为了提高给水从进水管33至各进水环341的分水效率，分水部34还包括多个分水管342，每一分水管342的一端与进水管33连通，另一端与对应一进水环341连通。具体地，全部分水管342呈环状间隔布设，每一分水管342沿径向延伸，且具有沿径向延伸的分水通道，分水通道与环状进水通道连通。
进一步地，分水部34还包括分水套343，分水套343具有环状分水通道，分水套343与进水管33相连，全部分水管342环绕分水套343间隔设置，并与分水套343相连，以使全部分水通道与环状分水通道连通。通过设置分水套343能够简化分水管342与进水管33之间的连接关系。
请再次参阅图1，在本申请的实施例中，换热系统30还具有饱和汽水室35，饱和汽水室35与全部换热组件31连通。通过设置饱和汽水室35，能够收集经换热组件31加热给水后的饱和蒸汽。
为了进一步地使氨合成反应器100的结构紧凑，在本申请的实施例中，分水部34设于饱和汽水室35内。
具体地，换热系统30还包括饱和汽水壳体36，饱和汽水壳体36设于壳体组件10内，且具有饱和汽水室35。更具体地，内筒12的一端具有敞口，饱和汽水壳体36的一侧盖合于该敞口处，以与内筒12界定形成容纳触媒框20的容纳空间。触媒框20沿其轴向的一侧与饱和汽水壳体36之间形成零米空间22。
更具体地，换热组件31的一端固定于饱和汽水壳体36，各第一换热管束311的一端固定于饱和汽水壳体36。也即饱和汽水壳体36的一侧壁可为管板，进而方便换热组件31的固定，且简化了整体结构。
在一些实施例中，壳体组件10还开设有蒸汽排气口15，换热系统30还包括第二换热器37，第二换热器37设于壳体组件10内，第二换热器37具有彼此独立设置的第三换热通道371和第四换热通道372，第三换热通道371连通反应气出口14与触媒框20的出气端，第四换热通道372连通换热组件31与蒸汽排气口15，第三换热通道371与第四换热通道372能够热交换。
如此，未反应气从触媒框20内反应后得到反应气，反应气进入第三换热通道371，从换热组件31出来的饱和蒸汽能够进入第四换热通道372内，使得反应气与饱和蒸汽能够在第二换热器37内进行换热，使得饱和蒸汽进一步地升温而形成过热蒸汽，过热蒸汽能够从蒸汽排气口15排出，而该过热蒸汽能够直接作为动力，因此，充分利用了反应热，并降低了合成氨的能耗。
进一步地，第二换热器37设于触媒框20内。优选地，第二换热器37设于集气管40的内。如此，能够使整个氨合成反应器100的结构更加紧凑。
具体地，第三换热通道371通过第三环隙41及第二连通孔连通触媒框20的出气端。
具体地，第四换热通道372通过饱和汽水室35连通换热组件31。更具体地，第四换热通道372通过分水套343的内环空间与饱和汽水室35连通。
在本申请的实施例中，第一换热器32与第二换热器37彼此连通。具体地，第三换热通道371与第二换热通道322连通。更具体地，第二换热通道322通过第三换热通道371与第三环隙41连通，第三换热通道371通过第二换热通道322与反应气出口14连通。因此，反应气进入第三环隙41内后，先经过第三换热通道371进行换热，再经过第二换热通道322换热，能够确保饱和蒸汽成功转变为过热蒸汽。
具体到本申请的实施方式中，第二换热器37包括第二换热壳体373和第三换热管束374，第三换热管束374具有第四换热通道372，第三换热管束374设于第二换热壳体373内，第三换热管束374与第二换热壳体373之间形成第三换热通道371。具体地，第三换热管束374为套管，在其他实施方式中，第三换热管束374也可以为U形管等，在此不作限制。
进一步地，第三换热管束374包括多个，多个第三换热管束374呈环状彼此间隔设置。优选地，多个第三换热管束374环绕集气管40的中心轴线设置，也即环绕触媒框20的中心轴线设置。如此，能够使未反应气能够充分吸收反应气的热量。
在本申请的实施方式中，氨合成反应器100还包括过热蒸汽集气壳体80，过热蒸汽集气壳体80具有过热蒸汽室81，过热蒸汽室81与全部第三换热管束374连通，用于收集来自第三换热管束374的过热蒸汽，过热蒸汽室81与蒸汽排气口15连通。具体地，第三换热管束374的一端固定于过热蒸汽集气壳体80。也即过热蒸汽集气壳体80可充当管板使用，进而简化了整体结构。具体地，过热蒸汽集气壳体80设于饱和汽水室35内，如此，能够进一步地使氨合成反应器100的结构紧凑。
在本申请的实施方式中，全部第三换热管束374穿设分水套343的内孔与过热蒸汽室81连通。如此，能够使氨合成反应器100的结构更加紧凑。
在一些实施方式中，第二换热器37还包括多个第二折流板375，多个第二折流板375沿气流流动方向彼此间隔地设于第三换热通道371内。通过在第三换热通道371内设置多个第二折流板375，能够提高气体流动的范围，使得气体能够在第三换热通道371内充分换热。
在本申请的实施例中，第一换热器32与第二换热器37沿壳体组件10的轴向依次布设。如此，能够充分利用触媒框20内的空间。
进一步地，氨合成反应器100还包括连通管85，连通管85的一端与第一换热通道321连通，另一端穿设第三换热通道371与第二环隙21连通。
如此，一方面能够进一步地提高氨合成反应器100的结构紧凑型，另一反面，也能进一步地对未反应气进行加热，充分利用了反应热。
优选地，连通管85的中心轴线与集气管40的中心轴线相重合。
在一些实施例中，第二换热壳体373与第一换热壳体323沿周向相连形成一体结构，第一换热通道321与第三换热通道371之间通过一与第二换热壳体373及第一换热壳体323相连的热交管板38分隔。如此，使得第一换热器32和第二换热器37的结构更简单。
如图4所示，基于同样的发明构思，本申请还提供一种氨合成反应方法，包括步骤：
S10：未反应气引入触媒框，使未反应气进入触媒框20内；
具体地，未反应气能够从壳体组件10上开设的未反应气进口111进入，而后进入触媒框20内。
S20：未反应气反应，包括步骤S21首次反应，首次反应为使未反应气沿径向依次经过多个第一反应区AA，并在每经过一个第一反应区AA后通过对应的换热组件31进行换热。
具体地，换热系统30包括至少两组换热组件31，每一换热组件31的至少部分伸入触媒框20内，各换热组件31在触媒框20内沿径向依次间隔布设，以在触媒框20内界定形成多个沿径向彼此连通的第一反应区AA。
如此，能够使得未反应气能够沿径向经过多个第一反应区AA反应，使得反应段数多，提高了氨净值高，并且，由于多个第一反应区AA的设置，能够填充更多的催化剂。另外，由于未反应气全径向在触媒框20内流动，阻力极少，加快了反应速度。
在一些实施例中，在步骤S20步骤中，且在步骤S21之后，还包括步骤：
S22：二次反应，使未反应气沿径向经过第二反应区BB；第一反应区AA用于填装第一触媒，第二反应区BB用于填装第二触媒，第一触媒与第二触媒相异。
通过设置填装有不同触媒的两个不同的反应区，能够进一步地提高氨合成的效率，进而提高氨净值。
具体地，第一触媒包括铁基催化剂，第二触媒包括钌基催化剂。钌基催化剂相较于其他催化剂，能够进一步地提高氨合成的效率，进而提高氨净值。
在一些实施例中，氨合成反应方法还包括步骤：
S30：第一热交换，使经步骤S10之前的未反应气，与经步骤S20后得到的反应气进行热交换。
具体地，壳体组件10开设有未反应气进口111，换热系统30还包括第一换热器32，第一换热器32设于壳体组件10内，第一换热器32具有第一换热通道321，第一换热通道321连通所述未反应气进口111与触媒框20的进气端。壳体组件10开设有反应气出口14，第一换热器32还具有与第一换热通道321彼此独立设置的第二换热通道322，第二换热通道322连通触媒框20的出气端和反应气出口14，第一换热通道321与第二换热通道322能够热交换，具体地，第二换热通道322连通集气管40的内部与反应气出口14。
如此，通过将未反应气与反应气进行热交换，能够对未反应气进行升温，充分利用了反应热，且提高了反应效率。
在一些实施例中，氨合成反应方法还包括步骤：
S40：第二热交换，使经步骤S20后得到的反应气，且经步骤S30之前的反应气，与换热组件31的换热介质进行热交换；其中，换热组件31能够接收外部的给水，换热介质为饱和蒸汽。
具体地，壳体组件10还开设有蒸汽排气口15，换热系统30还包括第二换热器37，第二换热器37设于触媒框20内，第二换热器37具有彼此独立设置的第三换热通道371和第四换热通道372，第三换热通道371连通反应气出口14与触媒框20的出气端，第四换热通道372连通换热组件31与蒸汽排气口15，第三换热通道371与第四换热通道372能够热交换。
如此，通过第二热交换，能够使得饱和蒸汽进一步地升温而形成过热蒸汽，而该过热蒸汽能够直接作为动力，因此，充分利用了反应热，并降低了合成氨的能耗。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (14)
1.一种氨合成反应器(100)，其特征在于，包括：
壳体组件(10)，开设有未反应气进口(111)和反应气出口(14)；
整体式触媒框(20)，设于所述壳体组件(10)的内部；以及
换热系统(30)，包括至少两组换热组件(31)，每一所述换热组件(31)的至少部分伸入所述触媒框(20)内，各所述换热组件(31)在所述触媒框(20)内沿径向依次间隔布设，以在所述触媒框(20)内界定形成多个彼此连通的第一反应区(AA)；
所述换热系统(30)还包括第一换热器(32)，所述第一换热器(32)具有第一换热通道(321)和与所述第一换热通道(321)彼此独立设置的第二换热通道(322)；
所述第一换热通道(321)与所述第二换热通道(322)能够热交换；
集气管(40)，设于所述触媒框(20)内，所述换热组件(31)环绕设于所述集气管(40)的外侧；
所述第一换热器(32)设于所述集气管(40)内，且与所述集气管(40)之间形成第三环隙(41)，所述集气管(40)开设有连通第三环隙(41)与所述触媒框(20)内部的第二连通孔，所述第一换热通道(321)连通所述未反应气进口(111)与所述触媒框(20)的进气端，所述第二换热通道(322)能够连通所述触媒框(20)的出气端与反应气出口(14)，且所述第二换热通道(322)通过所述第三环隙(41)及所述第二连通孔与所述触媒框(20)的出气端连通。
2.根据权利要求1所述的氨合成反应器(100)，其特征在于，每一所述换热组件(31)包括呈环状布设的多个第一换热管束(311)，全部所述换热组件(31)沿径向依次套设。
3.根据权利要求1所述的氨合成反应器(100)，其特征在于，所述触媒框(20)还包括第二反应区(BB)，沿气流流动方向，所述第二反应区(BB)位于所述第一反应区(AA)的下游；
其中，所述第一反应区(AA)用于填装第一触媒，所述第二反应区(BB)用于填装第二触媒，所述第一触媒与所述第二触媒相异。
4.根据权利要求3所述的氨合成反应器(100)，其特征在于，所述第二触媒包括钌基催化剂。
5.根据权利要求1所述的氨合成反应器(100)，其特征在于，所述触媒框(20)与所述壳体组件(10)之间具有第二环隙(21)，所述触媒框(20)沿其轴向的一侧与所述壳体组件(10)之间具有零米空间(22)，所述壳体组件(10)开设有未反应气进口(111)，所述零米空间(22)连通所述第二环隙(21)及所述未反应气进口(111)。
6.根据权利要求5所述的氨合成反应器(100)，其特征在于，所述壳体组件(10)包括外筒(11)和内筒(12)，所述触媒框(20)设于所述内筒(12)内，且与所述内筒(12)之间形成所述第二环隙(21)；
所述外筒(11)与所述内筒(12)之间形成第一环隙(13)，所述未反应气进口(111)开设于所述外筒(11)上，所述第一环隙(13)连通所述未反应气进口(111)与所述零米空间(22)。
7.根据权利要求1所述的氨合成反应器(100)，其特征在于，所述换热组件(31)能够接收外部的给水。
8.根据权利要求7所述的氨合成反应器(100)，其特征在于，所述壳体组件(10)还开设有蒸汽排气口(15)，所述换热系统(30)还包括第二换热器(37)，所述第二换热器(37)设于所述壳体组件(10)内，所述第二换热器(37)具有彼此独立设置的第三换热通道(371)和第四换热通道(372)；
所述第二换热通道(322)通过所述第三换热通道(371)与所述触媒框(20)的出气端连通，所述第四换热通道(372)连通所述换热组件(31)及蒸汽排气口(15)，所述第三换热通道(371)与所述第四换热通道(372)能够热交换。
9.根据权利要求8所述的氨合成反应器(100)，其特征在于，所述第二换热器(37)与所述第一换热器(32)沿所述壳体组件(10)的轴向依次布设。
10.根据权利要求9所述的氨合成反应器(100)，其特征在于，所述氨合成反应器(100)还包括连通管(85)，所述连通管(85)的一端与所述第一换热通道(321)连通，另一端穿设所述第三换热通道(371)与所述触媒框(20)的进气端连通。
11.一种氨合成反应方法，其特征在于，应用于如权利要求1～10任一项所述的氨合成反应器(100)，所述方法包括步骤：
未反应气引入触媒框(20)，使未反应气进入触媒框(20)内；
未反应气反应，包括步骤首次反应，所述首次反应为使所述未反应气沿径向依次经过多个第一反应区(AA)，并在每经过一个所述第一反应区(AA)后通过对应的换热组件(31)进行换热。
12.根据权利要求10所述的氨合成反应方法，其特征在于，在所述未反应气反应步骤中，且在所述首次反应步骤之后，还包括步骤：
二次反应，使所述未反应气沿径向经过第二反应区(BB)；所述第一反应区(AA)用于填装第一触媒，所述第二反应区(BB)用于填装第二触媒，所述第一触媒与所述第二触媒相异。
13.根据权利要求12所述的氨合成反应方法，其特征在于，所述氨合成反应方法还包括步骤：
第一热交换，使经所述未反应气引入触媒框步骤之前的所述未反应气，与经所述未反应气反应步骤后得到的反应气进行热交换。
14.根据权利要求13所述的氨合成反应方法，其特征在于，所述氨合成反应方法还包括步骤：
第二热交换，使经所述未反应气反应步骤后得到的反应气，且经所述第一热交换步骤之前的反应气，与所述换热组件(31)的换热介质进行热交换；其中，所述换热组件(31)能够接收外部的给水，所述换热介质为饱和蒸汽。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| 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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