CN214456890U - 一种串联式双氨合成塔 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种串联式双氨合成塔，包括一级氨合成系统、二级氨合成系统和氨分离收集系统，一级氨合成塔的进料口与一级油分离器的出料口连通连接，一级氨合成塔的出料口与一级水冷器的管程入口连通连接；一级水冷器的管程出口与二级水冷器的管程入口连通连接；二级水冷器的管程出口与氨分离收集系统的进料口连通连接；氨分离收集系统的气相出口与循环机连通连接；循环机的出口与二级氨合成系统的进料口连通连接；二级氨合成系统的出料口与二级水冷器的管程入口连通连接。有益效果：提高了氨催化剂总体寿命，定期更换资金成本低，减少了生产投入，更换氨催化剂时不需停车，扩大了氨合成效率，降低了装置压力与电能消耗。

Description

一种串联式双氨合成塔

技术领域:

本发明涉及化工领域，具体涉及一种串联式双氨合成塔。

背景技术：

氨合成反应是放热、缩小体积的可逆反应，温度、压力对此反应的化学平衡有影响。当混合气中氢氮摩尔比为3时，氨平衡浓度随着温度降低、压力增加而提高。但在较低温度下，氨合成的反应速度十分缓慢，需采用催化剂来加快反应。由于受到所用催化剂活性的限制，温度不能过低，因此为提高反应后气体中的氨含量，氨合成宜在高压下进行。当工业上用铁催化剂时，压力大多选用15.2～30.4MPa(150～300atm)，即使在这样压力条件下操作，每次也只有一部分氮气和氢气反应为氨，因此氨合成塔出口气体中氨浓度通常为10％～20％ (体积)。决定反应的主要因素是铁催化剂的活性，反应所产生的氨与氮气、氢气的分离以及氮、氢气的循环使用。

而氨催化剂在使用过程中，与杂质气体如CO、CO2、H2O等结合，会出现催化剂中毒现象，不仅造成床层无温升、系统压力高等，而且带来氨产量下降、消耗增大等不利影响。当催化剂中毒严重时，只能选择更换催化剂，而氨催化剂需要更换时，设备需停工停产，大大增加了生产成本。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种提高了氨催化剂总体寿命，定期更换资金成本低，减少了生产投入，更换氨催化剂时不需停车，扩大了氨合成效率，降低了装置压力与电能消耗的串联式双氨合成塔。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明的一种串联式双氨合成塔，包括一级氨合成系统、二级氨合成系统和氨分离收集系统，其中：一级氨合成系统包括一级油分离器、一级氨合成塔、一级废热锅炉和一级塔前换热器；一级氨合成塔的进料口与一级油分离器的出料口连通连接，一级氨合成塔的出料口与一级水冷器的管程入口连通连接；一级水冷器的管程出口与二级水冷器的管程入口连通连接；二级水冷器的管程出口与氨分离收集系统的进料口连通连接；氨分离收集系统的气相出口与循环机连通连接；循环机的出口与二级氨合成系统的进料口连通连接；二级氨合成系统的出料口与二级水冷器的管程入口连通连接。

优选的，氨分离收集系统包括冷交换器、氨冷器、氨分离器、中转罐和排空管道；冷交换器的管程入口为氨分离收集系统的进料口；冷交换器的管程出口分为液相管程出口、气相管程出口，气相管程出口与氨冷器的进料口连通连接，液相管程出口与中转罐连通连接；氨冷器的出料口与氨分离器的进料口连通连接；氨冷器的气相出口为氨分离收集系统的气相出口，与冷交换器的壳程连通连接后与循环机连接；氨冷器的液相出口与中转罐连通连接；冷交换器和氨冷器之间的连接管道上设置有排空管道。

优选的，一级油分离器的进料口与原料输入管道连通连接；一级油分离器的出料口分别与一级塔前换热器的管程、一级氨合成塔的环隙入口连通连接；一级塔前换热器的管程出口与一级氨合成塔的进料口连通连接；一级氨合成塔的环隙出口分别与一级氨合成塔的进料口和一级塔前换热器的管程连通连接；一级氨合成塔的出料口与一级水冷器的管程入口连通连接，且在其两者之间串联连通连接有一级废热锅炉的壳程、一级塔前换热器的壳程。

优选的，二级氨合成系统的进料口为二级油分离器的进料口，与循环机连通连接；二级油分离器的出料口分别与二级塔前换热器的管程、二级氨合成塔的环隙入口连通连接；二级塔前换热器的管程出口与二级氨合成塔的进料口连通连接；二级氨合成塔的环隙出口分别与二级氨合成塔的进料口和二级塔前换热器的管程连通连接；二级氨合成塔的出料口与二级水冷器的管程入口连通连接，且在其两者之间串联连通连接有二级废热锅炉的壳程、二级塔前换热器的壳程。

优选的，氨冷器为立式氨冷器或卧式中压氨冷器；氨分离器为多层同心圆式氨分离器或填充套筒式氨分离器；一级水冷器和二级水冷器为套管式水冷器或列管式水冷器。

优选的，中转罐的出料口分为气相出口与液相出口，气相出口与回收管道连通连接，液相出口与成品液氨收集装置连通连接。

优选的，一级水冷器和二级水冷器的壳程分别通入外部循环水。

本发明的有益效果在于：提高了氨催化剂总体寿命，定期更换资金成本低，减少了生产投入，更换氨催化剂时不需停车，扩大了氨合成效率，降低了装置压力与电能消耗。

附图说明：

图1：本发明的结构连接示意图；

图2：本发明一级氨合成系统的结构连接示意图；

图3：本发明二级氨合成系统的结构连接示意图；

图4：本发明氨分离收集系统的结构连接示意图；

图中：1-一级氨合成系统、2-二级氨合成系统、3-氨分离收集系统、4-一级水冷器、5-二级水冷器、6-循环机、11-一级油分离器、12-一级氨合成塔、 13-一级废热锅炉、14-一级塔前换热器、21-二级油分离器、22-二级氨合成塔、 23-二级废热锅炉、24-二级塔前换热器、31-冷交换器、32-氨冷器、33-氨分离器、34-中转罐、35-排空管道。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明：

实施例：如图1-4所示，一种串联式双氨合成塔，包括一级氨合成系统1、二级氨合成系统2和氨分离收集系统3，其中：一级氨合成系统1包括一级油分离器11、一级氨合成塔12、一级废热锅炉13和一级塔前换热器14；一级氨合成塔12的进料口与一级油分离器11的出料口连通连接，一级氨合成塔12的出料口与一级水冷器4的管程入口连通连接；一级水冷器4的管程出口与二级水冷器5的管程入口连通连接；二级水冷器5的管程出口与氨分离收集系统3的进料口连通连接；氨分离收集系统3的气相出口与循环机6连通连接；循环机6 的出口与二级氨合成系统2的进料口连通连接；二级氨合成系统2的出料口与二级水冷器5的管程入口连通连接。

其中：氨分离收集系统3包括冷交换器31、氨冷器32、氨分离器33、中转罐34和排空管道；冷交换器31的管程入口为氨分离收集系统3的进料口；冷交换器31的管程出口分为液相管程出口、气相管程出口，气相管程出口与氨冷器32的进料口连通连接，液相管程出口与中转罐连通连接；氨冷器32的出料口与氨分离器33的进料口连通连接；氨冷器32的气相出口为氨分离收集系统3 的气相出口，与冷交换器31的壳程连通连接后与循环机6连接；氨冷器32的液相出口与中转罐34连通连接；冷交换器31和氨冷器32之间的连接管道上设置有排空管道35。

其中：一级油分离器11的进料口与原料输入管道连通连接；一级油分离器 11的出料口分别与一级塔前换热器14的管程、一级氨合成塔12的环隙入口连通连接；一级塔前换热器14的管程出口与一级氨合成塔12的进料口连通连接；一级氨合成塔12的环隙出口分别与一级氨合成塔12的进料口和一级塔前换热器14的管程连通连接；一级氨合成塔12的出料口与一级水冷器4的管程入口连通连接，且在其两者之间串联连通连接有一级废热锅炉13的壳程、一级塔前换热器14的壳程。

其中：二级氨合成系统2的进料口为二级油分离器21的进料口，与循环机 6连通连接；二级油分离器21的出料口分别与二级塔前换热器24的管程、二级氨合成塔22的环隙入口连通连接；二级塔前换热器24的管程出口与二级氨合成塔22的进料口连通连接；二级氨合成塔22的环隙出口分别与二级氨合成塔 22的进料口和二级塔前换热器24的管程连通连接；二级氨合成塔22的出料口与二级水冷器5的管程入口连通连接，且在其两者之间串联连通连接有二级废热锅炉23的壳程、二级塔前换热器24的壳程。

其中：氨冷器32为立式氨冷器或卧式中压氨冷器；氨分离器33为多层同心圆式氨分离器或填充套筒式氨分离器；一级水冷器4和二级水冷器5为套管式水冷器或列管式水冷器；其中：中转罐34的出料口分为气相出口与液相出口，气相出口与回收管道连通连接，液相出口与成品液氨收集装置连通连接；其中：一级水冷器4和二级水冷器5的壳程分别通入外部循环水。

工作中，氨合成塔是合成氨生产的关键设备，作用是使氢氮混合气在塔内催化剂床层中合成为氨。由于氨的合成反应是在高温高压下进行，因此氨合成塔不仅应有较高的机械强度，而且应有在高温下抗蠕变的能力。为了适应氨合成反应的条件，氨合成塔由内件和外筒两部分组成，内件置于外筒之内，内件外面设有保温层，以减少向外筒散热。进入氨合成塔的温度较低的气体先经过内件与外筒之间的环隙，之后再进入内件的换热器和催化剂床层。所以，外筒主要承受高压，即操作压力与大气压之差，但不承受高温。外筒可用普通低合金钢或优质碳钢制成。

水冷器的作用是用水间接冷却合成塔出口的高温气体，使气体温度由 200℃左右降至35℃左右，并有部分气氨冷凝为液氨。水冷器的型式有喷淋式、套管式和列管式。喷淋式水冷器因为水利用率差、废热也无法回收利用等缺点，目前已很少采用。套管式水冷器是由双套管组成，内管为高压管，外管为低压管.高温气体由上部进入高压管内，从下部去氨冷器。水在外管与内管的环隙与气体成逆向流动，冷却内管的气体。由于内外管间的环隙很小，因而水流速度很快，传热效率较高。这种水冷器的优点是传热效率较高，可以回收一部分热量。但缺点是耗用钢材多，清洗比较困难，对水质的要求也比较高。列管式水冷器由筒体、小直径的高压管及高压封头组成。高压气体走管程由列管内流过，冷却水走壳程在管间与气体交错流动,通过列管管壁进行换热。列管式水冷器结构比较紧凑，占用场地少，传热效率高，但结构比较复杂，清洗比较困难。

氨冷器的作用是利用液氨蒸发吸热，将经过水冷后的循环气体进一步冷却，使循环气体中的气氨继续冷凝下来。立式氨冷器外筒是一个钢制的中压圆筒，圆筒内有数层具有同心圆的高压蛇管，其进出口都汇集于总管上。氨冷器上面设有液氨除沫器，用以除去出氨冷器气氨中所夹带的液氨雾滴。操作时循环气由上部进气总管分配至每根蛇管中，盘旋向下流动，液氨在管外蒸发吸热，以冷却管内的气体，使其中的气氨冷凝为液氨，然后汇集于下部出口总管，送往氨分离器。冷却用液氨进入氮冷器之后，因减压和吸收热量而蒸发，其蒸发温度与器内蒸发压力有关。蒸发后的气氨沿上部出口管，自侧面以切线方向进入除沫器，气氨中的液氨液滴借离心力而分离下来，并自除沫器底部回流至氨冷器内。卧式氨冷器为一卧式中压圆筒，内有用高压无缝钢管制成的排管。液氨在管外蒸发，冷却管内的高压气体，使循环气体中的氨冷凝下来，送住氨分离器。管外蒸发后的气氨，经壳体上部的除沫器，除去夹带的尚未蒸发的液氨。而氨分离器的作用是把气体中呈雾状的液氨分离下来。

本发明运行时，原料气体由输送管道加压输送至一级油分离器11，去除加压产生的油滴后，被一级油分离器11分为两股，分别送往一级塔前换热器14 的管程加热和一级氨合成塔12的环隙，走完环隙行程后也分为两股，一股通入一级塔前换热器14的管程加热，另一股直接通入一级氨合成塔12；一级氨合成塔12进行氨合成催化反应后，将混合物依次送入一级废热锅炉13、二级废热锅炉23的壳程，以提供热能，并为自身降温，然后通入一级水冷器4的管程冷却降温，再通入二级水冷器4的管程二次冷却降温；

然后进入冷交换器31的管程第一次冷凝，冷凝出的液氮送入中转罐34，剩余的气体送入氨冷器32二次冷凝，最后送入氨分离器33进行气液分离，氨分离器33分离出的气体经过冷交换器31的壳程提供冷源后，送入循环机6，作为二级氨合成系统2的原料，氨分离器33分离出的液体即为液氨，送入中转罐34；

二级氨合成系统2的构成与一级氨合成系统1的构成除去原料的来源不同，其余部分相同；一级氨合成系统1输出的中间产物经由一级水冷器4和二级水冷器5送入氨分离收集系统3，二级氨合成系统2输出的中间产物经由二级水冷却器5直接送入氨分离收集系统3；而氨分离器33分离出的液氮被收集储存，其余物质则经由循环机6输送至二级氨合成系统2作为原料，上述其余物质来自一级氨合成系统1和二级氨合成系统2，完成物料的循环。

其中，排空管道35的设置，是因为要使氢氮气催化合成氨的反应有效地进行，需保待合成循环气中惰性气(例如甲烷、氢等，它们随新鲜补充气带入氨合成系统)的含量在一定的范围内,因此要从氨合成圈中排出一定数量的循环合成气，此部分气体被称作合成弛放气。由于合成弛放气中含有大量有经济价值的氢气，所以将排空管道35与回收管道连通连接。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种串联式双氨合成塔，包括一级氨合成系统(1)、二级氨合成系统(2)和氨分离收集系统(3)，其特征在于：所述一级氨合成系统(1)包括一级油分离器(11)、一级氨合成塔(12)、一级废热锅炉(13)和一级塔前换热器(14)；所述一级氨合成塔(12)的进料口与一级油分离器(11)的出料口连通连接，一级氨合成塔(12)的出料口与一级水冷器(4)的管程入口连通连接；所述一级水冷器(4)的管程出口与二级水冷器(5)的管程入口连通连接；所述二级水冷器(5)的管程出口与氨分离收集系统(3)的进料口连通连接；所述氨分离收集系统(3)的气相出口与循环机(6)连通连接；所述循环机(6)的出口与二级氨合成系统(2)的进料口连通连接；所述二级氨合成系统(2)的出料口与二级水冷器(5)的管程入口连通连接。

2.如权利要求1所述的串联式双氨合成塔，其特征在于：所述氨分离收集系统(3)包括冷交换器(31)、氨冷器(32)、氨分离器(33)、中转罐(34)和排空管道；所述冷交换器(31)的管程入口为氨分离收集系统(3)的进料口；所述冷交换器(31)的管程出口分为液相管程出口、气相管程出口，气相管程出口与氨冷器(32)的进料口连通连接，液相管程出口与中转罐连通连接；所述氨冷器(32)的出料口与氨分离器(33)的进料口连通连接；所述氨冷器(32)的气相出口为氨分离收集系统(3)的气相出口，与冷交换器(31)的壳程连通连接后与循环机(6)连接；所述氨冷器(32)的液相出口与中转罐(34)连通连接；所述冷交换器(31)和氨冷器(32)之间的连接管道上设置有排空管道(35)。

3.如权利要求2所述的串联式双氨合成塔，其特征在于：所述一级油分离器(11)的进料口与原料输入管道连通连接；所述一级油分离器(11)的出料口分别与一级塔前换热器(14)的管程、一级氨合成塔(12)的环隙入口连通连接；所述一级塔前换热器(14)的管程出口与一级氨合成塔(12)的进料口连通连接；所述一级氨合成塔(12)的环隙出口分别与一级氨合成塔(12)的进料口和一级塔前换热器(14)的管程连通连接；所述一级氨合成塔(12)的出料口与一级水冷器(4)的管程入口连通连接，且在其两者之间串联连通连接有一级废热锅炉(13)的壳程、一级塔前换热器(14)的壳程。

4.如权利要求2所述的串联式双氨合成塔，其特征在于：所述二级氨合成系统(2)的进料口为二级油分离器(21)的进料口，与循环机(6)连通连接；所述二级油分离器(21)的出料口分别与二级塔前换热器(24)的管程、二级氨合成塔(22)的环隙入口连通连接；所述二级塔前换热器(24)的管程出口与二级氨合成塔(22)的进料口连通连接；所述二级氨合成塔(22)的环隙出口分别与二级氨合成塔(22)的进料口和二级塔前换热器(24)的管程连通连接；所述二级氨合成塔(22)的出料口与二级水冷器(5)的管程入口连通连接，且在其两者之间串联连通连接有二级废热锅炉(23)的壳程、二级塔前换热器(24)的壳程。

5.如权利要求2所述的串联式双氨合成塔，其特征在于：所述氨冷器(32)为立式氨冷器或卧式中压氨冷器；所述氨分离器(33)为多层同心圆式氨分离器或填充套筒式氨分离器；所述一级水冷器(4)和二级水冷器(5)为套管式水冷器或列管式水冷器。

6.如权利要求2所述的串联式双氨合成塔，其特征在于：所述中转罐(34)的出料口分为气相出口与液相出口，气相出口与回收管道连通连接，液相出口与成品液氨收集装置连通连接。

7.如权利要求3或4任一项所述的串联式双氨合成塔，其特征在于：所述一级水冷器(4)和二级水冷器(5)的壳程分别通入外部循环水。

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