CN204247181U - 用于氨氧化反应器的冷却系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及用于氨氧化反应器的冷却系统。发生在氨氧化反应器内部的反应温度的控制是通过响应于所测量的反应温度而控制被容许绕过反应器的冷却系统的过热冷却盘管的过热蒸汽的流速来实现的。在另一方面，反应温度的控制通过控制蒸汽鼓内部的压力来实现，蒸汽鼓用于供应过热蒸汽，其用于冷却目的。

Description

用于氨氧化反应器的冷却系统

技术领域

本实用新型提供了一种用于氨氧化反应器的温度控制的工艺和装置。更具体地说，该工艺包括测量氨氧化反应器中的温度，并调整通向氨氧化反应器中的过热盘管的过热蒸汽的流速。 

背景技术

在丙烯腈的商业制造中，丙烯、氨和氧根据以下反应机制一起起反应： 

CH₂=CH-CH₃ + NH₃ + 3/2 O₂ → CH₂ = CH-CN + 3 H₂O

该工艺通常称为氨氧化，其在存在合适的流化床氨氧化催化剂的情况下以气相在高温(例如350oC至480oC)下执行。

图1显示了用于执行该工艺的典型的丙烯腈反应器。如图所示，反应器10包括反应器外壳12、通气格栅14、进料喷洒器16、总体以标号18表示的冷却系统、以及旋流器20，冷却系统18包括饱和冷却盘管17和过热冷却盘管19。虽然图1显示了饱和冷却盘管17和过热冷却盘管19定位在反应器10的一侧，并且旋流器20定位在另一侧，但是应该懂得，实际上，这些结构均匀地遍及反应器而定位。在正常操作期间，工艺空气通过空气入口22充填到反应器10中，同时从丙烯供应管线13所获得的丙烯以及从氨供应管线15所获得的氨的混合物通过进料喷洒器16充填到反应器10中。这两者的流速都足够高以使反应器中的氨氧化催化剂的床44流化，在此处发生丙烯和氨向丙烯腈的催化氨氧化反应。 

由反应产生的产物气体通过反应器流出物出口26而离开反应器10。在这样做之前，它们经过旋流器20，其移除这些气体可能已夹带的任何氨氧化催化剂，用于通过浸入管25返回催化剂床44。氨氧化是高度放热的，因此冷却系统18用于吸取过量的热量，并从而将反应温度保持在合适的水平。 

如图1中进一步所示，除了饱和冷却盘管17和过热冷却盘管19之外，冷却系统18还包括蒸汽鼓24、再循环泵26、截止阀28和蒸汽控制阀30。蒸汽鼓24的下部用饱和液体冷却水进行填充，其保持在高压和高温下，例如大约4.2mPaG下大约255oC。蒸汽鼓24的上部用饱和蒸汽进行填充，从而与该液体冷却水达成平衡。如本领域中很好理解的那样，在这些高温下，水以液体形式存在，因为其还处于比一个大气压更大的压力下。 

冷却系统18从反应器10内部移除热量的主要方式是通过液体冷却水从蒸汽鼓24的下部通过冷却盘管17进行再循环。出于该目的，再循环泵26布置成从蒸汽鼓24的底部泵送液体冷却水经过截止阀28且然后经过冷却盘管17。在冷却盘管17中，某些液体蒸发成蒸汽和冷却水，且产生的蒸汽返回蒸汽鼓24。因为供给至冷却盘管17的饱和冷却水由100%的液态水组成，所以冷却盘管17通常被称为“饱和”冷却盘管。 

实际上，经过饱和冷却盘管17的冷却水的流速选择成使得该冷却水的预定比例通常大约例如15%被转换成蒸汽。因此，如图1中所示，饱和冷却盘管17中所产生的加热的冷却水返回蒸汽鼓24的上部，使得该冷却水流的蒸汽馏分可保持在蒸汽鼓的上部中，而该冷却水流的液体部分可降落到蒸汽鼓的下部，用于与已经在那里的液体冷却水相混合。蒸汽鼓24可包括补给水导管54。 

在许多设计中，与能够进行流体流速的精确控制的控制阀相反，截止阀28是简单的开关阀。这是因为其它措施通常用于丙烯腈反应器内部的反应温度的精确控制，因此更复杂且更昂贵的控制阀不是必须的。在冷却盘管的内部也不需要将太多的液态水转换成蒸汽，因为这可能导致负面后果，例如冷却盘管管道内部的侵蚀或结垢。 

各个单独的盘管上的各个单独的截止阀28是控制冷却水是否流过特定的饱和冷却盘管17的唯一阀门。也就是说，饱和冷却盘管17构造成没有任何附加阀门或其它流量控制装置用于控制经过饱和冷却盘管17的冷却水的流量。这是因为按照这里所述的方式，这种附加阀门对于实现冷却盘管的所需操作和控制不是必须的。另外，消除出口处的阀门也消除了对于安全阀的需求，否则如果使用这种出口阀，则其将是必须的。因而，通过来自泵26的排出流速来设定经过工作中的所有冷却盘管的总的流量(即用于饱和冷却盘管17，其使它们的阀门打开)。 

除了饱和冷却盘管17之外，冷却系统18还使用过热冷却盘管19，用于从丙烯腈反应器10的内部移除热量。过热冷却盘管19不同于饱和冷却盘管17之处在于，过热冷却盘管19通过蒸汽入口集管32连接到蒸汽鼓24的上部，使得这些冷却盘管的进料是过热蒸汽，而非饱和蒸汽。进入过热冷却盘管19的蒸汽处于与蒸汽鼓压力相对应的饱和温度下。蒸汽鼓压力随着其流过过热冷却盘管19而提高，并因而变得过热。因此，冷却盘管19通常被称为“过热冷却盘管”。 

过热冷却盘管19的一个重要功能是升高盘管19中所产生的蒸汽的温度，从而提供过热蒸汽，用于驱动丙烯腈设备的其它部分所使用的蒸汽涡轮，因为湿的蒸汽中的液滴可能损害涡轮内部部件。出于该目的，从过热冷却盘管19传出的过热蒸汽通常通过蒸汽出口集管34排出到蒸汽供应导管35中，用于直接传送至这些蒸汽涡轮。 

虽然供给至这些蒸汽涡轮的过热蒸汽的温度不是关键性的，然而仍然需要将该温度保持在某个相对广泛的限制内，用于保持丙烯腈设备的平滑整体操作。例如，在大多数商业丙烯腈设备中，需要将供给至这些蒸汽涡轮的过热蒸汽的温度保持在大约300至大约400oC的温度范围内。 

许多丙烯腈设备中的通常实践包括将蒸汽入口集管32和蒸汽出口集管34与旁路管线33连接起来，使得传送到蒸汽供应导管35中的蒸汽温度可通过调整直接从蒸汽鼓24供应到该导管的蒸汽的量而进行控制。因为蒸汽鼓24中的蒸汽温度必定低于从过热冷却盘管19传出的过热蒸汽的温度，所以提高经过旁路管线33的蒸汽的流速必定降低了到达蒸汽供应导管35的蒸汽的温度。所以，在大多数商业丙烯腈设备还通常在旁路通道33中包括蒸汽控制阀30，其操作响应于蒸汽供应导管35中的蒸汽的测量温度T₁而受控制器39控制。然后操作控制阀30以保持蒸汽供应导管35中的蒸汽的测量温度T₁处于大约340至385oC之间的恒定温度。 

为了保持丙烯腈反应器在峰值情况下操作，当使用现代的钼基氨氧化催化剂时，需要保持其操作温度处于大约200至大约240oC的温度范围内，另一方面，大约215至大约230oC。在这方面，更需要保持反应器温度尽可能地接近单个控制点温度，而非容许操作温度在温度范围内上下漂移。虽然反应温度的控制可通过添加或减去处于活动工作的冷却盘管的数量来执行，但是该方法不提供精确的温度控制。相反，仅仅添加和减去冷却盘管不必实现精确的反应器操作温度。 

因此，丙烯腈反应器10的精确的温度控制通常通过响应于发生在反应器内部的氨氧化反应的测量温度T_R而提高和降低供应至丙烯腈反应器的丙烯的流速来实现。出于该目的，如图1中所示，提供了丙烯供应管线13中的丙烯控制阀37和控制器41，以响应于所测量的氨氧化反应温度T_R来控制进入丙烯腈反应器10的丙烯的流量。因此，使一定数量的冷却盘管投入使用，以在所需的温度范围内提供反应器温度控制，并且上下调整丙烯供给速率，以实现更精确的温度调整。 

虽然该方法在实现氨氧化反应温度的精确控制方面做得很好，但是，其的确需要供给至反应器的丙烯的流速以及氨-空气共反应物的流速也以相同的方式进行调整，从而保持这些成分之间的固定的摩尔比。另外，降低供给至反应器的丙烯的流速内在地减小了反应器产生产物丙烯腈的容量。 

因此，将需要提供用于精确地控制氨氧化反应的温度、同时保持恒定的所需丙烯供给速率和恒定的所需丙烯腈产量的另一种措施。 

实用新型内容

一种用于控制氨氧化反应器的温度的工艺，包括向设置在氨氧化反应器中的过热冷却盘管提供过热蒸汽；测量氨氧化反应器中的温度；以及调整通向过热冷却盘管的过热蒸汽的流速，从而提供氨氧化反应器中的温度的提高或降低。 

一种用于控制发生在氨氧化反应器内部的反应的温度的工艺，包括通过由氨氧化反应所产生的热气体和经过饱和冷却盘管的饱和蒸汽之间的间接热交换而从氨氧化反应器中移除过量热量的第一部分，通过由氨氧化反应所产生的热气体和经过过热冷却盘管的过热蒸汽之间的间接热交换而从氨氧化反应器中移除过量热量的第二部分，测量氨氧化反应器中的温度；以及调整通向过热冷却盘管的过热蒸汽的流速，从而提供氨氧化反应器中的温度的提高或降低。 

一种用于氨氧化反应器的冷却系统，包括：设置在氨氧化反应器中的过热冷却盘管和饱和冷却盘管，过热冷却盘管配置成接收来自蒸汽鼓的过热蒸汽，并且饱和冷却盘管配置成接收来自蒸汽鼓的饱和蒸汽；旁通阀，配置成容许过热蒸汽绕过反应器；反应器温度传感器；以及控制器，配置成接收来自反应器温度传感器的信号，并控制旁通阀的操作。 

附图说明

通过参考以下附图可更容易地理解本实用新型，其中： 

图1是示意图，其显示了用于实现精确控制发生在商业丙烯腈反应器内部的反应温度的常规方式，其中通向反应器的丙烯的流量响应于测量的反应温度而进行控制；

图2是与图1相似的示意图，其显示了用于实现精确控制发生在商业丙烯腈反应器内部的反应温度的一个方面，其中经过丙烯腈反应器的过热冷却盘管的过热蒸汽的流速响应于所测量的氨氧化反应温度T_R而被调整；以及

图3是与图1和图2相似的示意图，其显示了用于实现精确控制发生在商业丙烯腈反应器内部的反应温度的另一方面，其中蒸汽鼓内部的压力响应于所测量的氨氧化反应温度T_R而被调整。

遍及附图的若干视图，相对应的标号表示相对应的构件。熟练的技术人员应该懂得，图中的元件是出于简单和清晰起见而显示的，并且不必按比例绘制。例如，图中的某些元件的尺寸可相对于其它元件进行放大，以便有助于改善各个方面的理解。另外，在商业可行性方面有用或必须的常见但很好理解的元件时常没有描绘出来，以有利于这些各个方面的较少阻碍的视图。 

具体实施方式

根据第一方面，发生在氨氧化反应器内部的反应温度的精确控制通过响应于所测量的氨氧化反应温度T_R而调整经过反应器的过热冷却盘管的蒸汽的流速来实现。 

在图2中显示了该方面，其是与图1相似的示意图，除了其显示了旁路33中的蒸汽控制阀30的操作主要响应于所测量的氨氧化反应温度T_R而进行控制。 

如上面解释的那样，在正常操作期间通过在经过过热冷却盘管19的过热蒸汽和反应器内部的热气体之间的间接热交换，从而从反应器中移除由发生在丙烯腈反应器10内部的氨氧化反应所产生的过量热量中至少一些。因此，应该懂得提高经过过热冷却盘管19的过热蒸汽的流速将导致氨氧化反应温度T_R的降低。 

因此，一方面利用了该现象，即通过调整蒸汽控制阀30以响应于所测量的氨氧化反应温度T_R来控制经过旁路33的蒸汽的流速。因为过热冷却盘管19内部的流动阻力，蒸汽出口集管34中的蒸汽压力必定低于蒸汽鼓24中的蒸汽压力。因此，打开蒸汽控制阀30内在地提高了经过旁路33的饱和蒸汽的流速，其继而内在地降低了经过过热冷却盘管19的过热蒸汽的流速。这继而降低了从反应器10内部移除的热量，其继而引起相对应的氨氧化反应温度T_R的提高。按照相同的方式，关闭蒸汽控制阀30内在地降低了经过旁路33的饱和蒸汽的流速，其继而内在地提高了经过过热冷却盘管19的过热蒸汽的流速。这继而导致从反应器10内部移除的热量的提高，并因而引起相对应的氨氧化反应温度T_R的降低。 

因此，通过控制蒸汽控制阀30以响应于所测量的氨氧化反应温度T_R来调整经过旁路33的饱和蒸汽的流速，从而能够对从丙烯腈反应器中吸取的热量和因此响应于该所测量的氨氧化反应温度而对发生在该反应器内部的氨氧化反应的温度实现精确控制。 

如上面指示的那样，为了确保丙烯腈设备中的蒸汽涡轮的良好操作，通常的实践是将供给至这些蒸汽涡轮的过热的产物蒸汽的温度保持在大约300至大约400oC的广泛的温度范围内的恒定温度下。从这些涡轮可接受该温度的相当广泛的变化并仍然恰当操作的意义上来说，供给至典型丙烯腈设备的蒸汽涡轮的蒸汽并不是关键的。因此，容许蒸汽供应导管35中的蒸汽温度T₁略微变化并不会对这些蒸汽涡轮或它们的操作引起任何负面影响。 

另一方面，如果供给至蒸汽涡轮的过热的产物蒸汽的温度脱离其目标太大的量时，那么这些涡轮的操作可能受到负面影响。因此，为了防止该情况的发生，还对控制器39编制程序，以确保所测量的蒸汽供应导管35中的蒸汽温度T₁保持在可接受的范围内，例如大约300至400oC。也就是说，该控制器进行编程，以响应于所测量的氨氧化反应温度T_R来调整蒸汽控制阀30的操作，并带有某种约束，即所测量的蒸汽供应导管35中的蒸汽温度T₁不应超过最大限制，例如大约400oC，或者降低至其最小限制以下，例如大约300oC。当超过限制时，蒸汽控制阀30的控制模式改变，使得在蒸汽控制阀30的控制返回到基于所测量的氨氧化反应温度T_R之前，所测量的蒸汽供应导管35中的蒸汽温度T₁返回到其可接受的限制内。实际上，例如这可通过添加或移除盘管17来实现。 

因此，可以看出，根据本实用新型的该第一方面仅通过蒸汽控制阀30的简单调整就可实现氨氧化反应温度T_R的精确控制，而不改变供给至系统的丙烯和其它反应物的流速。这不仅稳定了反应器的操作，而且可使丙烯腈反应器10连续以最大容量操作，这利用用于精确温度控制的大多数早期技术是不可能的。在该方面，该工艺对于保持大约200至大约400oC的反应器温度是有效的，在另一方面，为大约220至大约380oC，在另一方面，为大约250至大约350oC，并且在另一方面，为大约275至大约325oC。 

另一方面，该工艺对于最大限度地减小反应器中的温度变化是有效的。在该方面，由饱和冷却盘管提供的温度控制对于将反应器温度保持在大约10°C且在另一方面大约5°C的所需反应器温度内是有效的。在相关的方面，由过热冷却盘管提供的温度控制对于将反应器温度保持在大约5°C且在另一方面大约1°C的所需反应器温度内是有效的。 

该方面的另一优点是采用该技术不需要附加设备。在这点上，不需要添加附加的“硬件”设备，例如附加的辅助蒸汽鼓、附加的控制阀等等。执行该工艺所需要的设备例如用于感测温度T_R和T₁的温度传感器、蒸汽控制阀30和用于控制蒸汽阀30的控制器39是已经存在的。采用该技术所需要的对设备仅有的物理修改是将感测温度T_R的温度传感器与用于控制蒸汽控制阀30的控制器39电连接起来，并对该控制器重新编程，以按照上面指示的方式来控制蒸汽阀30。 

该工艺的该方面的附加特征和优点是未使用控制阀直接控制经过饱和冷却盘管的过热的冷却水流的流速，也未使用控制阀直接控制流过过热冷却盘管的蒸汽的流速就控制丙烯腈反应器的温度。在该情况下，“未使用控制阀直接控制流过特定管线或导管的流体的流速”将理解为意味着，控制阀没有安装在那个特定的管线或导管中，或者另一管线或导管中，其仅从那个管线或导管供给或接收流体。它不包括另一控制阀安装在不同管线或导管中的情况，虽然该另一控制阀的操作对于流过那个特定管线或导管的流体可能具有一些影响。所以，例如，在本公开的意义内，未使用蒸汽控制阀30直接控制该流速就控制经过过热冷却盘管19的蒸汽的流速，因为蒸汽控制阀30没有安装在过热冷却盘管30或两个管线中，其从该过热冷却盘管即蒸汽入口集管32和蒸汽出口集管34中供给和吸取蒸汽。在一个方面，过热盘管19代表多个单独的过热盘管，而旁路管线33和控制阀30是单个管线和阀门。因此，可使用单个旁路管线和/或控制阀，而没有针对各个单独的过热盘管的附加阀门的需求。 

因而应该懂得，该工艺的该方面不仅提供了一种简单且简练的方式实现氨氧化反应温度T_R的精确控制，而不依赖于丙烯流速的改变，而且在需要用于该目的的任何附加硬件设备的情况下实现该精确控制。在该方面，通向氨氧化反应器的丙烯的流速对于提供大约9至大约9.5的空气-丙烯比率以及大约1至大约1.5的氨-丙烯比率是有效的。 

根据本实用新型的第二方面，发生在商业丙烯腈反应器内部的反应温度的精确控制通过响应于所测量的氨氧化反应温度T_R而调整蒸汽鼓24的内部的压力来实现。 

在图3中显示了该方面，其是与图1和图2相似的示意图，除了其显示了旁路33中的蒸汽控制阀30的操作主要是响应于所测量的蒸汽鼓24中的压力P₁而进行控制的。 

如上面指示的那样，蒸汽鼓24是一种封闭容器，其包含处于高温和高压下的彼此达成平衡的过热的液体冷却水和过热的饱和蒸汽两者。如本领域中很好理解的那样，这意味着，如果蒸汽鼓24的内部压力升高，那么其内容物的温度将经历相对应的温度提高，并且反之亦然。 

在另一方面，该现象通过在蒸汽供应导管35下游提供蒸汽出口控制阀38并使用该控制阀以响应于所测量的氨氧化反应温度T_R来调整经过蒸汽供应导管35的蒸汽的流速而获得充分利用。降低经过蒸汽供应导管35的过热蒸汽的流速引起相对应的该蒸汽供应导管中的过热蒸汽的压力提高，在蒸汽鼓24中也实现了该压力提高，因为这两者彼此直接连接在一起。蒸汽鼓24中的该压力提高然后引起相对应的该蒸汽鼓中的过热的液体冷却水和过热的饱和蒸汽的温度提高。结果，由这些冷却流体提供的冷却功能降低，因为它们开始与处于较高温度的反应器10内部的热的反应气体进行间接的热交换。结果，反应器10的内部温度提高，因为更少热量被冷却系统18吸取。 

按照相同的方式，调整蒸汽出口控制阀38以提高经过蒸汽供应导管35的过热蒸汽的流速最终实现了相对应的反应器10内部的温度降低。 

因此应该懂得，发生在丙烯腈反应器10内部的氨氧化反应的温度的精确控制还可以很容易地根据本实用新型的第二特征通过响应于所测量的氨氧化反应温度T_R而调整蒸汽鼓24的内容物的压力来实现。如果这样做，蒸汽控制阀30可以按照例如上面结合图1所述的常规方式进行操作，即，通过响应于所测量的蒸汽供应导管35中的过热蒸汽的温度T₁而调整该控制阀，以实现恒定的预定温度，例如650oF(343oC)。另外，出于安全原因和确保良好操作，还需要监测蒸汽鼓24中的压力P₁，并对控制蒸汽出口控制阀38的控制器43编程，以确保该压力不会变化到预定限制之外。 

在一个方面，每单位反应器横截面积可得到的总的过热盘管面积(ft²/ft²)是大约1至大约7，在另一方面是大约2至大约6，并且在另一方面是大约3至大约5。产生每公吨丙烯腈时通过过热盘管移除的每单位热量(千卡)的过热盘管面积(ft²)是大约275,000至大约475,000，在另一方面是大约300,000至大约400,000，并且在另一方面是325,000至大约375,000。 

在另一方面，每单位反应器横截面积可得到的总的饱和盘管面积(ft²/ft²)是大约8至大约18，在另一方面是大约8至大约15，并且在另一方面是大约10至大约13。产生每公吨丙烯腈时通过饱和盘管移除的每单位热量(千卡)的饱和盘管面积(ft²)是大约2,375,000至大约2,900,000，在另一方面是大约2,400,000至大约2,800,000，并且在另一方面是大约2,500,00至大约2,700,000。 

虽然上面描述了本实用新型的仅一些实施例，但是应该明白，在不脱离本实用新型的精神和范围内可做出许多修改。所有这种修改都意图包含在本实用新型的范围内，其仅受所附权利要求限制。 

Claims (8)

1.一种用于氨氧化反应器的冷却系统，包括：

过热冷却盘管，其设置在所述氨氧化反应器中，所述过热冷却盘管配置成接收来自蒸汽鼓的过热蒸汽；

旁通阀，其配置成容许过热蒸汽绕过所述反应器；

反应器温度传感器；以及

控制器，其配置成接收来自所述反应器温度传感器的信号并控制所述旁通阀的操作。

2.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，还包括设置在所述氨氧化反应器中的饱和冷却盘管，所述饱和冷却盘管配置成接收来自所述蒸汽鼓的饱和蒸汽。

3.根据权利要求2所述的冷却系统，其特征在于，使用相同的蒸汽鼓作为用于饱和蒸汽和过热蒸汽的来源。

4.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，还包括涡轮蒸汽供应导管。

5.根据权利要求4所述的冷却系统，其特征在于，还包括涡轮蒸汽供应导管温度传感器。

6.根据权利要求5所述的冷却系统，其特征在于，所述涡轮蒸汽供应导管温度传感器配置成将信号提供至所述控制器并控制所述旁通阀的操作。

7.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，每单位反应器横截面积可得到的总的过热盘管面积(ft²/ft²)是1至7。

8.根据权利要求2所述的冷却系统，其特征在于，每单位反应器横截面积可得到的总的饱和盘管面积(ft²/ft²)是8至18。