CN2067184U - 节能型轴-径向流动非均相催化合成反应器 - Google Patents

Abstract

一种节能型轴-径向流动非均相催化合成反应器，属于化工设备领域，由第I轴向触媒筐、第I层间换热空间、第II轴向触媒筐、第II换热空间、径向触媒筐和底部换热器组成，特征在于第I、第II层间换热空间分别采用或同时采用冷激管，径向触媒筐的内、外分布筒上部为无孔区、下部为开孔区，预部有一开有小孔的密封板。该设备结构简单、反应转化率高和节能显著。

Description

本发明是一种增加非均相合成反应器的合成率，特别是氨合成反应器合成率并回收其大量能量的系统，属于化工设备领域。

非均相催化合成反应器，是在加压下进行催化合成反应的重要设备。反应器结构型式的选择和设计直接影响它的生产能力，操作费用和系统设备投资以及热量回收，也是影响整个工厂经济效益的关键因素。在改造现有催化合成反应器和设计新的催化合成反应器时，不仅要强化单个反应器生产能力，而且还应综合考虑合成系统的动力消耗和能量消耗指标，使生产每吨产品的动力消耗较少和合成反应余热等得以合理回收利用，以降低操作费用。除增加生产能力和降低能耗外，工业上还要求非均相催化合成反应器具有操作稳定、结构简单、装卸触媒方便、触媒使用寿命长的特点。

合成反应器一般由外壳（通常是整体）和内件组成。内件中装有一层或多层不同型式具有不同特性的触媒颗粒（称为触媒层）。在内件中心位置，装有输送新鲜合成气的中心输气管。催化合成反应如为放热反应，为了使得各触媒层保持最佳反应速度，通常在触媒筐之间对流经触媒层的气流进行冷却。冷却方式可以是在床层之间设置床层换热器，让高温反应气与进口冷气进行间接换热，被冷至在下一触媒层进行反应的最佳反应温度；或是在触媒筐之间设置专门设计的气流分布器，从气流分布器出来的新鲜反应气（冷激气）与出上一层触媒的高温反应气进行直接混合，使混合气温度达到最佳反应温度，然后进入下一层触媒进行反应。

在非均相催化合成反应器中进行的合成氨、甲醇的反应是放热反应，充分利用合成反应热，是降低系统能耗的关键。利用出合成反应器的高温气体付产蒸汽，是常用的利用合成反应热的有效方法，其工艺流程如图1所示。图中1为合成反应器，2为循环预热器，3为废热锅炉，4为软水加热器。流体走向为：温度为25～30℃左右的新鲜合成反应气A进入合成反应器1外壳与内件之间的环隙，经过环隙下降，出合成反应器1（一次出），此时温度为50℃左右的一次出气体B进入循环预热器2，被加热后，出循环预热器，从循环预热器出来的温度为160～180℃左右的气体C再次进入合成反应器1（二次进）。在合成反应器1内，经过反应换热后，出合成反应器1（二次出），温度约为300℃左右的高温气体D进入废热锅炉3，用来加热软水E，产生蒸汽F，自废热锅炉出来的合成气G进入循环预热器2，加热气体B，从循环预热器2出来的合成气H，进入软水加热器4，用来加热软水，提高进入废热锅炉软水E的温度，然后出软水加热器，达到充分利用合成反应热的目的。

近年来，本专利申请者设计了用于生产合成氨的提温型层间间接换热轴－径向流动非均相催化合成反应器（见《化学工程师》No.6，1988），其结构如图2所示。图中5为外壳，6为中心输气管，7为合成反应器与内件之间的环隙，8、9分别为第Ⅰ、Ⅱ轴向触媒筐，10为径向触媒筐，11为第Ⅰ、Ⅱ轴向触媒筐之间的第Ⅰ层间列管式换热器，12为第Ⅱ轴向触媒层和径向触媒层之间的第Ⅱ层间列管式换热器，13为底部列管式换热器，在上述三个换热器中，热气体在换热管内流动，冷气体在管外流动。14为温度约为30℃左右的新鲜气进入第Ⅰ层间换热器的下降管，15为在第Ⅰ层间换热器中被加热后的新鲜气返回到合成反应器顶部混合空间16的上升管。17为25～30℃左右的新鲜气进入第Ⅱ层间换热器的下降管，18为在第Ⅱ层间换热器内被加热后的新鲜气返回到合成反应器顶部混合层间16的上升管。19为用来调节最佳起始反应温度的冷气副线管，合成反应器内流体走向为：由总管线来的温度约为25～30℃的新鲜气体分成四股气流I、J、K、L，气流I为主气流，气流J、K为分别经下降管14、17，进入第Ⅰ、Ⅱ层间换热器的冷气。气流L为用来调节第Ⅰ轴向触媒层起始反应温度的冷气。气流I沿外壳与内件之间的环隙7向下流动，由塔底出来（一次出气体M），进入循环预热器（见图1），被加热至160℃左右后的二次进气体N从塔底进入塔内底部换热器换热管外，被加热后，通过中心管上升到顶部混合空间16。气流J、K分别通过下降管14、17进入第Ⅰ、Ⅱ层间换热器换热管外，被加热后，分别通过上升管15、18返回到顶部混合空间16。气流L由底部付线管19进入底部换热器上部，与换热器换热管外的气体混合后，通过中心管到达顶部混合空间16。在顶部混合空间，三股气流混合后，混合气温度为触媒最佳起始反应温度（通过调节底部付线气体L达到），然后在第Ⅰ轴向触媒筐中轴向流动，进行催化合成反应，反应结束后，通过第Ⅰ轴向触媒筐底部多孔板20，进入第Ⅰ层间换热器中换热管内，与换热管外冷气进行换热，调节冷气Ⅰ的量，使出换热器的反应气温度达到在第Ⅱ轴向触媒筐的触媒进行反应的最佳起始温度。从第Ⅰ层间换热器换热管内出来的反应气，在第Ⅱ轴向触媒筐中轴向流动，进行催化合成反应，反应结束后，通过第Ⅱ轴向触媒筐底部多孔板21，进入第Ⅱ层间换热器中换热管内，与换热管外冷气进行换热，调节冷气K的量，使出换热器的反应气温度达到在径向触媒层进行反应的最佳起始温度。从第Ⅱ层间换热器出来的合成气进入径向触媒筐与中心管之间的环隙22，然后通过径向触媒筐内分布筒上的小孔，进入径向触媒筐，由内向外径向流动，进行合成反应，反应结束后，通过径向触媒筐外分布筒上的小孔，出径向触媒筐，进入径向触媒筐外分布筒与合成反应器内筒之间的环隙23，然后进入底部换热器的换热管内，被换热管外的气体冷却后，出合成反应器（二次出气体）。为了防止径向触媒筐的小颗粒触媒被气流带出，堵塞底部换热器换热管，在径向触媒筐内紧靠内、外分布筒处，都平整的铺着两层金属网，防止触媒颗粒出径向触媒筐。

提温型轴－径向流动非均相催化合成反应器综合吸取了轴向床层气流分布均匀、操作稳定，径向床层阻力小，可应用固有活性较高的小颗粒触媒的优点，并采用层间换热冷却和气流二进二出的方式，以期达到改善床层触媒活性的有效利用，提高氨净值和充分利用合成反应热的效果。其特点是：

（1）设计采用了触媒内部无冷管的绝缘触媒床层及层间换热冷却结构，排除触媒内的冷管对触媒层径向温度分布的影响，提高触媒活性的有效利用率，并具有温度控制的灵活性。

（2）针对轴向流动反应器的阻力大和触媒层下部触媒活性系数低的缺点，设计采用了轴、径向复合结构。在触媒层上中部反应速度快、热效应大的部分采用轴向床层以保证催化合成反应器的操作稳定性；下部采用径向床层，为降低阻力采用固有活性较高的小颗粒触媒创造条件，这时反应速度较慢，热效应较小，即使气流分布稍有不均，也不会造成较大的同温面温差而影响操作的稳定性。

（3）采用二进二出的方法，通过提高二次进气体的温度，使二次出合成反应器的温度达到较高的值，产生高品位的蒸气，有效地利用合成反应热，降低系统能耗。另一方面，由于二次进气体温度提高至160～180℃左右，即底部换热器冷流入口温度提高至160～180℃左右，与不采用二进二出的合成反应器相比，为了达到同样的冷流出口温度，底部换热器面积可减少，即底部换热器所占的空间可减少，因此可增加触媒装量，提高单个反应器的生产能力。

提温型轴－径向流动非均相催化反应器的缺点是：

1.由于第Ⅰ轴向触媒筐与第Ⅱ轴向触媒筐以及第Ⅱ轴向触媒层与径向触媒筐之间都采用层间换热器对从触媒筐出来的高温气体进行层间冷却，因此不仅结构复杂，制造困难，设备成本高，而且装卸触媒不便。另一方面，由于二个层间换热器需占较大的空间，减小了触媒装量，不利于提高单塔生产能力。

2.径向段触媒筐结构如图3所示，其中24为档环。25为开有孔的径向触媒筐内分布筒，26为开有孔的径向触媒筐的外分布筒，27为不开孔的径向触媒筐的顶部密封板，28为中心输气管。档环的作用是：当触媒下沉时，防止气流短路，即不经过触媒层，从径向触媒筐流出。这种结构存在以下问题：在合成反应器使用初期，由于存在挡环，阻力较大，进入挡环区间的气流成为“死气流”，因此挡环区间的触媒不能充分利用。随着使用时间的增加，触媒逐渐下沉，在挡环周围会产生气流死角区，不得于提高触媒活性。因此这种结构对充分利用径向触媒筐中固有活性高的小颗粒触媒很不利。

Ammonia Casale公司设计了轴向－径向混流型反应器（美国专利437290），其结构如图4，该反应器由多个触媒床组成，每层触媒床都有多孔外壁29、多孔内壁30和一个封底31组成，触媒床上部是完全敞开的。在上述内外两个筒壁中至少有一个筒壁上部32不开孔。筒壁的不开孔区和位于上述两个筒壁上端的敞开截面形成一个区域33，使得流经触媒的小部分气体仍基本上是沿轴向流动而大部分气体则是沿径向流经位于筒壁开孔区的大部分触媒床。

这种反应器的优点是：

（1）由于全部采用径向流动触媒筐，所以阻力低，可降低系统能耗。

（2）在触媒床上部采用轴向－径向混流方式，可充分利用触媒床上部触媒。

这种反应器的缺点是：

（1）对于中、小型合成反应器，由于径向流动路径较短，不宜全部采用径向流动触媒床，因此这种塔型不适于具有我国特色的中、小型合成反应器。

（2）由于径向触媒筐顶部是敞开的，因此要使流经触媒的小部分气体仍基本上是沿轴向流动而大部分气体则是沿径向流经大部分触媒床，对气流分布的设计要求很高。如果气流分布设计不良，就会影响触媒活性的有效利用和操作稳定性。

本发明的目的是要设计一种非均相催化合成反应器，使之兼有提温型层间间接换热轴－径向流动非均相催化合成反应器和轴向－径向混流型反应器的特点，而且结构简单、装卸触媒方便，特别适合于我国的中、小型合成氨厂。

现在对本发明进行概述。本发明为一种提温型轴——径向流动，在径向触媒筐中轴向——径向混流的非均相催化合成反应器。它自上而下地由第Ⅰ轴向触媒筐、第Ⅰ层间换热空间、第Ⅱ轴向触媒筐、第Ⅱ层间换热空间、径向触媒筐以及底部换热器组成，其特征在于：

（1）第Ⅰ层间换热空间采用第Ⅰ层间冷激管，第Ⅱ层间换热空间采用第Ⅱ层间列管式换热器；或者第Ⅰ层间换热空间采用第Ⅰ层间列管式换热器，第Ⅱ层间换热空间采用第Ⅱ层间冷激管；或者第Ⅰ层间换热空间采用第Ⅰ层间冷激管，第Ⅱ层间换热空间采用第Ⅱ层间冷激管；

（2）所说径向触媒筐的内分布筒和外分布筒上部为无孔区，下部为开孔区，顶部有一开有小孔的密封板；

（3）所说第Ⅰ轴向触媒筐、第Ⅱ轴向触媒筐内装有大颗粒触媒、径向触媒筐内装有小颗粒触媒。

其特征还在于所说的第Ⅰ层间冷激管为双环管冷激管，其中心线上部有孔并与吊勾连接，靠吊勾吊在第Ⅰ轴向触媒筐底部托板上，与第Ⅰ轴向触媒筐成为一个整体组合件。所说的第Ⅱ层间冷激管为单环管冷激管，其中心线上部有孔，吊勾与单环冷激管连接并吊在第Ⅱ轴向触媒筐底部托板上，与第Ⅱ轴向触媒筐一起成为一个整体组合件。

其特征还在于所说列管式换热器的气体下降管与气体上升管和换热器上管板焊在一起，成为一整体组合体。第Ⅰ层间列管式换热器上管板外圈与内筒接触处用压环靠第Ⅰ轴向触媒筐中触媒的重量压紧密封。第Ⅱ层间列管式换热器上管板外圈与内筒接触处用压环靠第Ⅰ轴向触媒筐和第Ⅱ轴向触媒筐中触媒的重量压紧密封。所说列管式换热器的换热管内都装有麻花铁。

现在结合附图对本发明进行详细描述。

图5、图6和图7分别为本发明的三种不同结构型式的合成反应器的结构图，图5中34为第Ⅰ轴向触媒筐，35为第Ⅰ层间列管式换热器，36为第Ⅱ轴向触媒筐，37为第Ⅱ层间冷激管，38为径向触媒筐，39为底部换热器，40为第一层间列管式换热器的气体下降管，41为气体上升管，42为第Ⅱ层间冷激管的气体下降管，43为中心输气管，44为底部付线管，45为径向触媒筐内分布筒与中心输气管之间的环隙，46为中心输气管与外分布筒之间的环隙，47为顶部混合空间。图6中47为第Ⅰ轴向触媒筐，48为第Ⅰ层间冷激管，49为第Ⅱ轴向触媒筐，50为第Ⅱ层间冷激管，51为径向触媒筐，52为底部换热器，53为第Ⅰ层间冷激管气体下降管，54是第Ⅱ层间冷激管气体下降管。图7中55为第Ⅰ轴向触媒筐，56为第Ⅰ层间冷激管，57为第Ⅱ轴向触媒筐，58为第Ⅱ层间列管式换热器，59为径向触媒筐，60为底部换热器，61为第Ⅰ层间冷激管气体下降管，62为第Ⅱ层间列管式换热器气体下降管，63是气体上升管。

图8（a）、图8（b）为双环管冷激管结构图，其中图8（a）为正视图，图8（b）为俯视图，64为下降管，65为双环管，66为吊勾，67为第Ⅰ轴向触媒筐的底部托盘。

图9（a）、图9（b）为单环管结构图，其中图9（a）为正视图，图9（b）为单环管的俯视图，图9（a）中，68为气体下降管，69为单环管，70为吊勾，71为支撑第Ⅱ轴向触媒筐盖板的支杆，72为第Ⅱ轴向触媒筐的底板。

图10为径向触媒筐结构图，73为密封板，密封板上开有小孔，74为内分布筒，75为外分布筒，76为内分布筒上无孔区，77为外分布筒上无孔区，78为径向触媒筐底部托盘，79为径向触媒筐内分布筒与中心输气管之间的环隙，80为径向触媒筐外分布筒与合成反应器内筒之间的环隙。

以附图5为例，对合成反应器内以及热回收流程中的气体走向进行详细描述：

由总管线来的温度约为25～30℃的新鲜气体分成四股气流P、Q、R、S，气流P为主气流；气流Q、R为分别经下降管40、42，进入第Ⅰ换热空间列管式换热器35换热管内的冷气和第Ⅱ换热空间冷激管37的冷气，气流S为用来调节第Ⅰ轴向触媒筐中的触媒层起始反应温度的冷气。气流P沿外壳与内件之间的环隙向下流动，由塔底出来（一次出气体T），进入循环预热器（见图1），被加热至160℃左右后（二次进气体U），从塔底进入塔内底部换热器换热管外，被加热后，通过中心输气管43上升到顶部混合空间47。气流Q通过下降管40，进入第Ⅰ换热空间的列管式换热器35换热管外，被加热后，通过上升管41返回到顶部混合空间47。气流S由底部付线管44进入底部换热器39上部，与换热器换热管外的气体混合后，通过中心管到达顶部混合空间47。在顶部混合空间，二股气流混合后，混合气温度为触媒最佳起始反应温度，然后进入第Ⅰ轴向触媒筐34，进行催化合成反应，反应结束后，进入第Ⅰ换热空间中的列管式换热器35换热管内，与换热管外冷气进行换热，调节冷气Q的量，使出换热器的反应气温度达到第Ⅱ轴向触媒筐36中触媒进行反应的最佳起始温度，从换热管内出来的反应气，在第Ⅱ轴向触媒筐36中轴向流动，进行催化合成反应，反应结束后，进入第Ⅱ换热空间，与由冷激管37出来的冷气进行直接换热，调节冷气R的量，使混合后气体温度在达到径向触媒筐38的中触媒进行反应的最佳起始温度后，一部分气体从径向触媒筐密封板上的小孔进入径向触媒筐，另一部分气体进入径向触媒筐内分布筒与中心输气管之间的环隙45，然后通过径向触媒筐内分布筒上的小孔，进入径向触媒筐，由内向外流动，进行合成反应。反应结束后，通过径向触媒筐外分布筒上的小孔，出径向触媒筐，进入径向触媒筐与合成反应器内筒之间的环隙46，然后进入底部换热器39的换热管内，与换热管外冷气体换热后，出合成反应器（二次出气体V）。

本发明达到了予期的目的，主要特点如下：

（1）反应器阻力低。由于采用径向段，反应器床层阻力仅为轴向内冷式反应器床层阻力的一半。由于反应器阻力低，明显降低了系统的电耗和提高反应气体量并强化了生产强度，因此具有比较高的生产能力和较好的系统技术经济指标，可以减少动力消耗，节约操作费用，降低生产成本。

（2）合成反应转化率高。由于采用了触媒筐内无冷管的绝热式触媒筐，消除冷管对触媒活性的影响及由于阻力低可多装活性高的小颗粒触媒，这两者为提高触媒活性创造了有利条件，因此合成反应转化率高。

（3）触媒使用寿命长。由于采用绝热式触媒筐，消除冷管对触媒活性的影响，触媒可分层失活，中、后期运行过程底层触媒活性逐渐代替上面触媒活性，整个反应器触媒活性总是处在良好状态，延长触媒使用寿命。

（4）采用多层绝热式触媒层，改善单层绝热式触媒层温度分布，提高触媒活性。

（5）采用双进双出流程，提高反应器出口反应气体温度，可付产蒸汽，回收反应热，降低系统能耗。

（6）由于采用轴－轴－径绝热床层混合式，整个反应器操作稳定，易于控制。

（7）由于第Ⅰ、Ⅱ换热空间不全部采用换热器间接换热方式，简化了反应器结构，设备成本降低。

（8）在径向段顶部采用轴向、径向混合流动方式，可改善径向段上半部气－固相接触，提高径向段触媒活性，延长触媒寿命。

由于上述优良的技术性能，使用本发明，可降低反应器阻力，强化生产能力，延长触媒使用寿命，提高出反应器气体温度，付产蒸汽，从而不仅使产量提高，而且操作费用、设备投资、系统能耗都下降。使用本发明的反应器，操作稳定、结构简单、装卸触媒方便。因此，使用本发明有显著的经济效益和社会效益。

Claims (10)

1、一种提温型轴-径向流动、在径向触媒筐中轴向-径向混流的非均相催化合成反应器，自上而下地由第Ⅰ轴向触媒筐、第Ⅰ层间换热空间、第Ⅱ轴向触媒筐、第Ⅱ层间换热空间、径向触媒筐以及底部换热器组成，其特征在于：

第Ⅰ层间换热空间采用第Ⅰ层间冷激管，第Ⅱ层间换热空间采用第Ⅱ层间列管式换热器；

所说径向触媒筐的内分布筒和外分布筒上部为无孔区，下部为开孔区，顶部有一开有小孔的密封板。

2、按照权利要求1所说的非均相催化合成反应器，其特征在于第Ⅱ层间列管式换热器上管板外圈与内筒接触处用压环靠第Ⅰ轴向触媒筐和第Ⅱ轴向触媒筐中触媒的重量压紧密封。

3、一种提温型轴－径向流动、在径向触媒筐中轴向－径向混流的非均相催化合成反应器，自上而下地由第Ⅰ轴向触媒筐、第Ⅰ层间换热空间、第Ⅱ轴向触媒筐、第Ⅱ层间换热空间、径向触媒筐以及底部换热器组成，其特征在于：

第Ⅰ层间换热空间采用第Ⅰ层间列管式换热器，第Ⅱ层间换热空间采用第Ⅱ层间冷激管。

所说径向触媒筐的内分布筒和外分布筒上部为无孔区，下部为开孔区，顶部有一开有小孔的密封板。

4、按照权利要求3所说的非均相催化合成反应器，其特征在于第Ⅰ层间列管式换热器上管板外圈与内筒接触处用压环靠第Ⅰ轴向触媒筐中触媒的重量压紧密封。

5、一种提温型轴－径向流动、在径向触媒筐中轴向－径向混流的非均相催化合成反应器，自上而下地由第Ⅰ轴向触媒筐、第Ⅰ层间换热空间、第Ⅱ轴向触媒筐、第Ⅱ层间换热空间、径向触媒筐以及底部换热器组成，其特征在于：

第Ⅰ层间换热空间采用第Ⅰ层间冷激管，第Ⅱ层间换热空间采用第Ⅱ层间冷激管；

所说径向触媒筐的内分布筒和外分布筒上部为无孔区，下部为开孔区，顶部有一开有小孔的密封板。

6、按照权利要求1、2、3、4和5所说的非均相催化合成反应器，其特征在于所说第Ⅰ轴向触媒筐、第Ⅱ轴向触媒筐内装有大颗粒触媒，径向触媒筐内装有小颗粒触媒。

7、按照权利要求1、2和5所说的非均相催化合成反应器，其特征在于所说第Ⅰ层间冷激管为双环管冷激管，其中心线上部有孔并与吊勾连接，靠吊勾吊在Ⅰ轴向触媒筐底部托板上，与第Ⅰ轴向触媒筐成为一个整体组合件。

8、按照权利要求3、4和5所说的非均相催化合成反应器，其特征在于所说第Ⅱ层向冷激管为单环管冷激管，其中心线上部有孔，吊勾与单环冷激管孔连接并吊在第Ⅱ轴向触媒筐底部托板上，与第Ⅱ轴向触媒筐一起成为一个整体部件。

9、按照权利要求5所说的非均相催化合成反应器，其特征在于所说第Ⅰ层间冷激管为双环管冷激管，其中心线上部有孔并与吊勾连接，靠吊勾吊在第Ⅰ轴各触筐底部托板上，与第Ⅰ轴向触媒成为一个整体组合件，所说第Ⅱ层间冷激管为单环管冷激管，其中心线上部有孔，吊勾与单环冷激管孔连接并吊在第Ⅱ轴向触媒筐底部托板上，与第Ⅱ轴向触媒筐一起成为一个整体部件。

10、按照权利要求1、2、3、和4所说的非均相催化合成反应器，其特征在于所说列管式换热器的主体下降管与气体上升管和换热器上管板焊在一起，成为一个整体组合体，换热管内部装有麻花铁。

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