CN117619279A - 一种由内向外扩散式径向流合成氨反应塔 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种由内向外扩散式径向流合成氨反应塔，包括封闭圆筒状的壳体，其顶部设有封头；还包括至少一块隔板，将所述壳体内部分隔为至少两个相互独立的反应腔；还包括催化剂层，置于所述反应腔内，其外侧壁和顶面均与所述反应腔的内壁相隔离；还包括换热槽，置于所述催化剂层内，其上端与所述催化剂层的上端相连，其下端为悬空，侧壁与所述催化剂层的内侧壁之间为隔离；还包括换热管，沿所述壳体的纵向设置于所述换热槽内；还包括出气管，设置于所述换热槽内，其上端与所述出气孔相连通，其下端为悬空；还包括排气管，其下端与所述壳体顶板的出气孔相连通，其上端伸出至所述封头之外。本发明可延长反应气体在催化剂层中停留的时间。

Description

一种由内向外扩散式径向流合成氨反应塔

技术领域

本发明涉及化工设备，尤其是一种氨合成装置，具体的说是一种由内向外扩散式径向流合成氨反应塔。

背景技术

在很多化工生产领域中，氨是不可缺少的原料，以氨合成为中心的合成氨工业在国民经济中具有举足轻重的地位。合成氨作为化学工业的支柱产业，具有产量大、能耗高等特点，其工作原理是将氨合成反应塔处于高压和高温条件下，使氮气和氢气在催化剂作用下发生反应生成氨。

氨合成反应塔在工艺上须满足下述要求：首先氨合成反应尽可能在接近最适宜温度下进行，以获得大生产能力和高氨合成收率；其次降低氨合成反应塔的压力降，以减少循环气体的动力消耗；最后在结构上要求合成氨反应塔应简单可靠，并满足高温和高压的要求。

目前，市场上所应用的径向流合成氨反应塔，主要结构包括外槽道、催化剂层、内槽道和换热器等，如图1所示，反应气体经外槽道进入催化剂层，在催化剂层中发生反应后经内槽道流向换热器。由于内槽道开孔面积小于外槽道，导致反应气体由外向内经过催化剂层时其流速呈递增趋势，使反应气体在催化剂层的停留时间减少，降低了反应塔的反应效率。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种由内向外扩散式径向流合成氨反应塔，可以有效延长反应气体在催化剂层中的停留时间，提高反应效率。

本发明的技术方案是：

一种由内向外扩散式径向流合成氨反应塔，包括壳体，

所述壳体为封闭的圆筒状，其顶部设有封头，其顶板的中心设有出气孔；该封头为倒置的漏斗状，其上设有内外贯通的进气口；

还包括至少一块隔板；该隔板沿所述壳体的径向设置于所述壳体内部，将所述壳体内部分隔为至少两个相互独立的反应腔；该隔板的中心设有出气孔；

还包括催化剂层；该催化剂层为圆柱状，沿其中心线设有轴向的通孔；该催化剂层包括封闭状的外壳，其内部填充催化剂；该催化剂层的内侧壁和外侧壁均为开孔板；所述内侧壁的开孔面积小于所述外侧壁的开孔面积；该催化剂层设置于所述反应腔内，其底部固定于所述隔板上，或壳体的底板上，其外侧壁和顶面均与所述反应腔的内壁相隔离；

还包括换热槽；该换热槽为有底无顶的圆筒形，置于所述催化剂层的通孔内，其上端与所述催化剂层的上端相连，其下端为悬空，并临近所述隔板或壳体底板；该换热槽的侧壁与所述催化剂层的内侧壁之间为隔离；

还包括换热管；该换热管为多根，均为直管状，沿所述壳体的纵向设置于所述换热槽内，并贯穿该换热槽的底板和所述隔板，其上端与所述壳体的顶板相连，并与所述封头相贯通，其下端贯穿位于最下方的所述换热槽的底板，且临近所述壳体的底板；

还包括出气管；该出排气管为直管状，设置于所述换热槽内，其上端与所述出气孔相连通，其下端为悬空且临近所述换热槽的底板；

还包括排气管；该排气管为直管状，其下端与所述壳体顶板的出气孔相连通，其上端伸出至所述封头之外。

进一步的，所述壳体的侧壁为中空，其上端通过连接管与所述进气口相连通，其下端设有进口。

进一步的，所述隔板为两块，相互平行设置，将所述壳体内部分隔为自下而上分布的反应腔I、反应腔II和反应腔III。

进一步的，所述反应腔I的高度≤反应腔II高度≤反应腔III高度。

进一步的，所述催化剂层的外侧壁上设有多个外侧孔；所述催化剂层的内侧壁上设有多个内侧孔；所述外侧孔为顺排布置，其直径为3~10mm，孔间间距为30~80mm；所述内侧孔为顺排布置，其直径为1~5mm，孔间间距为10~50mm。

进一步的，还包括内扰流板和外扰流板；该内扰流板为圆环形平板，横向设置于所述换热槽内，并套接在所述出气管上，其外缘与所述换热槽的侧壁相隔离；该内扰流板为多个，相互间隔且平行设置；所述外扰流板为圆环形平板，横向设置于所述换热槽内，其外缘与所述换热槽的内壁相连，其内缘与所述出气管相隔离；该外扰流板为多个，相互间隔且平行设置；所述内扰流板和外扰流板为交替设置；所述换热管贯穿的与所述内扰流板和外扰流板相连。

本发明的有益效果：

本发明设计合理，使用方便，通过改变反应气体的流向和催化剂层内外侧壁的开孔面积，使反应气体由内向外流经每个催化剂层，并使流速显著降低，从而，可有效延长反应气体在催化剂层中的停留时间，提高反应效率。

附图说明

图1是传统的氨合成塔的结构示意图。

图2是本发明的结构示意图。

图3是本发明的内扰流板的结构示意图。

图4是本发明的外扰流板的结构示意图。

其中，1-排气管；2-封头；3-壳体；4-反应腔III；5-第三催化剂层；6-隔板；7-反应腔II；8-第二催化剂层；9-反应腔I；10-第一催化剂层；11-进口；12-换热槽I；13-换热槽II；14-内扰流板；15-外扰流板；16-换热管；17-换热槽III；18-出气管；19-连接管；20-安装孔。

实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图2至4所示。

一种由内向外扩散式径向流合成氨反应塔，包括壳体3、催化剂层、换热槽、换热管16和扰流板组件等。

所述壳体3为封闭的圆筒状，其顶部设有封头2，其顶板的中心设有出气孔。该封头2为倒置的漏斗状，其上设有内外贯通的进气口。所述壳体3的侧壁为中空，其上端通过连接管19与所述进气口相连通，其下端设有进口11，可供反应气体由该进口11进入所述壳体3的侧壁，再经所述连接管19而进入所述封头3内。所述封头2位于所述壳体3顶面的中心处，并与所述壳体3的顶板密封连接。

所述壳体3内设有两块隔板6。该隔板6为平板状，其形状和大小与所述壳体3的横截面相当，沿所述壳体3的径向设置于所述壳体3内部，将所述壳体3内部分隔为三个相互独立的反应腔，由下而上依次为：反应腔I9、反应腔II7和反应腔III4。且，所述反应腔I9的高度≤反应腔II7高度≤反应腔III4高度，以便满足反应生产的需求。

所述隔板6的中心设有出气孔。同时，各所述反应腔内分别设有出气管18。该出排气管18为直管状，其上端与所述出气孔相连通，其下端为悬空。

所述催化剂层为圆柱状，沿其中心线设有轴向的通孔。该催化剂层包括封闭状的外壳，其内部填充催化剂。所述催化剂层的外侧壁上设有多个外侧孔。该外侧孔为顺排布置，其直径为3~10mm，孔间间距为30~80mm。所述催化剂层的内侧壁上设有多个内侧孔。该内侧孔为顺排布置，其直径为1~5mm，孔间间距为10~50mm。由此，可使所述内侧壁的开孔面积小于所述外侧壁的开孔面积，使反应气体由内向外流过所述催化剂层时减缓其流速。

所述催化剂层为三组，分别为：第一催化剂层10、第二催化剂层8和第三催化剂层5，其大小与反应腔I9、反应腔II7和反应腔III4相适应，并分别设置于各所述反应腔内。其中，所述第一催化剂层10的底部固定于所述壳体3的底板上。其他所述催化剂层的底部固定在所述隔板上。同时，各所述催化剂层的外侧壁以及顶部均与所述反应腔的内壁相隔离，形成气体通道。由此，所述第一催化剂层10占催化剂总填充高度的10~20%，其温度控制为460~470℃左右。所述第二催化剂层8占催化剂总填充高度的20~40%，其温度控制为440~450℃。所述第三催化剂层5占催化剂总填充高度的40~70%，其温度控制为420~430℃。

所述换热槽包括换热槽I12、换热槽II13和 换热槽III17，均为有底无顶的圆筒形，分别置于所述第一催化剂层10、第二催化剂层8和第三催化剂层5的通孔内。该换热槽的上端与所述催化剂层的上端相连，其下端为悬空，并临近所述隔板或壳体底板。该换热槽的侧壁与所述催化剂层的内侧壁之间为隔离，形成气体通道。同时，各所述反应腔内的出气管分别置于相应的所述换热槽内，并使其下端临近该换热槽的底板。

所述换热管16为多根，均为不锈钢材质的直管，沿所述壳体3的纵向设置于所述换热槽内，并贯穿该换热槽的底板和所述隔板，其上端与所述壳体的顶板相连，并与所述封头2相贯通，其下端贯穿所述换热槽I12的底板，且临近所述壳体的底板。该换热管16以所述壳体3的中心轴线环形均匀分布。优选的，所述换热管16的内径为10~40mm。各所述换热管之间呈等间距布置。任意相邻的所述换热管之间的间距为50~200mm。

所述扰流板组件包括内扰流板14和外扰流板15。该内扰流板14为圆环形平板，横向设置于所述换热槽内，并采用焊接的方式使其内缘紧密的套接在所述出气管18上。同时，该内扰流板14的外缘与所述换热槽的侧壁相隔离。该内扰流板14为多个，相互间隔且平行设置。所述外扰流板15为圆环形平板，横向设置于所述换热槽内，其外缘采用焊接的方式所述换热槽的内壁紧密相连。同时，所述出气管置于该外扰流板15之内，并与该外扰流板15的内缘相隔离。该外扰流板15为多个，相互间隔且平行设置。同时，所述内扰流板14和外扰流板15为交替设置，使所述换热槽内的气体流路呈迷宫状。

所述内扰流板14和外扰流板15分别设有安装孔20，便于所述换热管16贯穿该安装孔20，并与所述内扰流板14和外扰流板15紧密相连。

进一步的，还包括排气管1。该排气管1为直管状，置于所述封头2内，其下端与所述壳体3顶板的出气孔相连通，其上端伸出至所述封头2之外，以便将反应后的气体排出所述壳体。

本发明的运行过程为：

反应气体经壳体上的进口进入壳体中空的侧壁内，再经连接管流入封头内。期间，反应气体可带走壳体内反应过程中产生的热量，并同时使自身得到加热。

封头内的反应气体经换热管流至第一催化剂层的通孔的底部，并在换热管内与换热管外的高温气体进行换热，提升其温度。然后，流入第一催化剂层通孔的反应气体通过第一催化剂层侧壁上的内侧孔和外侧孔，由内向外的流过第一催化剂层，完成第一次催化反应。

随后，反应气体沿第一催化剂层与反应腔I之间的缝隙流入换热槽I中，并在内扰流板和外扰流板的作用下，呈S形流动至该换热槽I中的底部，再经该换热槽I中的出气管流入上方的反应腔II。

反应气体在反应腔II和反应腔III中的流动轨迹与反应腔I的相同，分别实现反应气体与第二催化剂层和第三催化剂层的反应过程。

最后，完成反应的反应气体从排气管排出壳体，进入下一阶段的处理流程。

本发明通过改变反应气体的流向和催化剂层内外侧壁的开孔面积，使反应气体由内向外流经每个催化剂层，并使流速显著降低，从而，可有效延长反应气体在催化剂层中的停留时间，提高反应效率。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种由内向外扩散式径向流合成氨反应塔，包括壳体，其特征是，

所述壳体为封闭的圆筒状，其顶部设有封头，其顶板的中心设有出气孔；该封头为倒置的漏斗状，其上设有内外贯通的进气口；

还包括至少一块隔板；该隔板沿所述壳体的径向设置于所述壳体内部，将所述壳体内部分隔为至少两个相互独立的反应腔；该隔板的中心设有出气孔；

还包括催化剂层；该催化剂层为圆柱状，沿其中心线设有轴向的通孔；该催化剂层包括封闭状的外壳，其内部填充催化剂；该催化剂层的内侧壁和外侧壁均为开孔板；所述内侧壁的开孔面积小于所述外侧壁的开孔面积；该催化剂层设置于所述反应腔内，其底部固定于所述隔板上，或壳体的底板上，其外侧壁和顶面均与所述反应腔的内壁相隔离；

还包括换热槽；该换热槽为有底无顶的圆筒形，置于所述催化剂层的通孔内，其上端与所述催化剂层的上端相连，其下端为悬空，并临近所述隔板或壳体底板；该换热槽的侧壁与所述催化剂层的内侧壁之间为隔离；

还包括换热管；该换热管为多根，均为直管状，沿所述壳体的纵向设置于所述换热槽内，并贯穿该换热槽的底板和所述隔板，其上端与所述壳体的顶板相连，并与所述封头相贯通，其下端贯穿位于最下方的所述换热槽的底板，且临近所述壳体的底板；

还包括出气管；该出排气管为直管状，设置于所述换热槽内，其上端与所述出气孔相连通，其下端为悬空且临近所述换热槽的底板；

还包括排气管；该排气管为直管状，其下端与所述壳体顶板的出气孔相连通，其上端伸出至所述封头之外。

2.根据权利要求1所述的由内向外扩散式径向流合成氨反应塔，其特征是，所述壳体的侧壁为中空，其上端通过连接管与所述进气口相连通，其下端设有进口。

3.根据权利要求1所述的由内向外扩散式径向流合成氨反应塔，其特征是，所述隔板为两块，相互平行设置，将所述壳体内部分隔为自下而上分布的反应腔I、反应腔II和反应腔III。

4.根据权利要求3所述的由内向外扩散式径向流合成氨反应塔，其特征是，所述反应腔I的高度≤反应腔II高度≤反应腔III高度。

5.根据权利要求1所述的由内向外扩散式径向流合成氨反应塔，其特征是，所述催化剂层的外侧壁上设有多个外侧孔；所述催化剂层的内侧壁上设有多个内侧孔；所述外侧孔为顺排布置，其直径为3~10mm，孔间间距为30~80mm；所述内侧孔为顺排布置，其直径为1~5mm，孔间间距为10~50mm。

6.根据权利要求1所述的由内向外扩散式径向流合成氨反应塔，其特征是，还包括内扰流板和外扰流板；该内扰流板为圆环形平板，横向设置于所述换热槽内，并套接在所述出气管上，其外缘与所述换热槽的侧壁相隔离；该内扰流板为多个，相互间隔且平行设置；所述外扰流板为圆环形平板，横向设置于所述换热槽内，其外缘与所述换热槽的内壁相连，其内缘与所述出气管相隔离；该外扰流板为多个，相互间隔且平行设置；所述内扰流板和外扰流板为交替设置；所述换热管贯穿的与所述内扰流板和外扰流板相连。