CN87100963A

CN87100963A - 合成反应器及其应用

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Publication number: CN87100963A
Application number: CN87100963.3A
Authority: CN
Inventors: 邓万贞; 余远明
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-02-23
Filing date: 1987-02-23
Publication date: 1988-09-07
Also published as: CN1003505B

Abstract

合成反应器及应用。一种直接换热式合成氨或甲醇反应器，结构简单，调温方便，合成率高。它是由承压外筒和内件所组成，而内件又由上部两层以上的催化床，下部为热交换器所组成，催化床由冷热气体混合器支承触媒并隔开两触媒层，混合器可以取出和装入。反应器应用时有外部低温气部分预热和不预热两种流程。本发明最适合于中、小型生产厂使用，可以提高生产能力，降低阻力，并可保留原承压外筒，节约设备开支。

Description

本发明是关于合成反应器和用它来进行气固相催化合成反应的工艺过程，特别是对氨和甲醇的合成。

在放热催化合成反应中，必须移走合成反应器催化床中的反应热，即对反应的温度要加以控制，避免不利的副反应发生和烧坏触媒。通常采用下列三种方式之一加以控制：（a）在催化床中安装能连续换热的冷管，让冷的合成气通过冷管内，带走催化床的热量，这种称之为连续内部换热式;（b）合成气在催化床中进行绝热反应以后，再通过两催化床之间的间接式热交换器移走反应产生的热量，称为中间间接换热式;（c）让合成气在催化床中进行绝热反应以后，再将冷的合成气体与热的反应气体在两催化床间混合，降低了气体的温度，再进入下一催化床继续进行反应，称为直接换热式。（c）种合成反应器由于调温方便，並能在较低的压力下使用，在美国专利3475136（1969年10月）中对它有详细的描述。

按美国专利3475136所描述的这种合成反应器是应用于日产1千吨以上的合成氨厂中，反应器为圆柱形，由承压外筒和内件组成，内件和外筒内壁有一环隙，内件至少有一个催化床，有一列管热交换器装在最上一个催化床之上，热交换器可以拆下维修，催化床之间有低温调节气喷头，从喷头喷出的低温调节气通过气体导流板和布气板与热气体混合后进入下一催化床，导流板与多孔的支承触媒的凹形筛板一起固定在内件壁上，触媒的装卸是通过筛板上安装的导管和通过外筒、内件、及筛板上的人孔来进行装卸，不用将内件吊出，本反应器适于低压150巴的条件下生产。

该反应器的流程为：合成气由下部通入反应器向上经过内外筒之间的环隙进入列管热交换器管间间接换热。预热后的合成气向下通过一、二、三、四层催化床，反应后的热反应气从中心管向上进入列管热交换器的管内，再从反应器顶部出口排出。第一催化床上和各催化床间有气体喷头，喷出低温合成气调节反应后的热反应气体温度。

以上直接换热式合成反应器的技术目前仅应用在1000吨/日以上的合成氨和甲醇的合成反应器上，由于它工作压力低、触媒体积大，存在有触媒利用系数低、氨净值不够高，反应器对各种工艺流程的适应性不好等缺点。为此，有的厂家开始改用中间换热结构的合成反应器即（b）种或（b）种和（c）种合并结构的合成反应器。然而在我国，中、小型合成氨和甲醇生产厂却均采用（a）种连续内部换热式合成反应器（合成塔通用设计（VSH版）Pg320 Dg500～600上海化工设计院）它只有一个催化床层、床内冷管结构复杂、压降大、在触媒升温还原时容易使触媒反复地还原和氧化。使触媒较快地降低了活性，並且合成反应器内件焊缝常被内应力拉裂产生漏气造成停产。

鉴于以上已有技术存在的缺点，本发明的目的是发明一种适合于大、中、小型合成氨和甲醇生产的合成反应器其直径在0.45～5米之间，它的结构简单，压降小、温度易于调节控制、氨净值高，生产工艺参数优于现在的（a）或（c）种合成反应器的新型合成反应器。

本发明的合成反应器是适合于进行氨或甲醇催化合成反应的直接换热式合成反应器，它是由承压外筒和内件所组成，其特征是内件由上部的2层以上的催化床和下部的热交换器两部分所构成，合成反应器直径在0.45～5米之间，在催化床间用冷热气体混合器支承触媒并隔开两催化床，气体混合器可以取出和装入。

气体混合器是由七部分组成的整体组合件，它们是支承触媒的筛板、低温调节气喷头、锥形外挡气环、圆柱形内挡气环、锥形下挡气环、筋板和布气板。它们的相对位置为在低温气喷头的上面是支承触媒的筛板，外面是锥形外挡气环，里面是圆柱形内挡气环，下面是锥形下挡气环，再下面是由筋板支承着的起气体分布作用的布气板，它们被机械地连接为一个整件。它的上面加工有中心管的孔，热电偶套管孔和低温调节气通入管孔，在装卸触媒时各催化床间的气体混合器可以依次取出和装入，在合成反应器运行时，气体混合器被机械固定在内件壁的托圈上，而托圈是直接焊在内件的内壁上。

通入内件内部的低温气是经过顶盖的低温气管进入各催化床间的气体混合器由喷头喷出，与从筛板进入混合器空间的热反应气体相混合，经过布气板均匀分布进入下一催化床进行反应。测量各催化床的热电偶从穿过顶盖固定的热电偶套管中插入，根据塔径的不同，插入热电偶的根数可以是2～4根。

本发明的合成反应器的最佳直径为0.45～1.6米，适宜压力为150巴～500巴，最佳使用压力在200～300巴。

本发明的合成反应器内件的热交换器可以采用列管式、波纹板式或螺旋板式热交换器，也可采用其它种类的热交换器。

本发明的合成反应器适合于大、中、小型的合成氨或甲醇生产厂家使用，特别对于原使用的合成反应器是由承压外筒和内件构成的中小型厂家，如要使用本发明的合成反应器时，可以保留其原合成反应器的承压外筒，仅仅换上适合于该外筒尺寸的本发明内件和相应的顶盖即可改造成为本发明的合成反应器，同时按本发明合成反应器相应的外部管线流程适当稍加改动，即可进行生产，达到本发明的增产效果。

本发明与现在各种中、小型合成反应器相比较有如下优点：

结构简单、操作方便、反应器压降小，提高了触媒利用系数，能把催化床操作温度控制在最佳范围。和同样直径的其它类型合成反应器相比，在生产能力上有较大的提高。例如以合成氨为例直径为0.6米的合成反应器，国内原来的反应器日产合成氨50～60吨，氨净值为8～10%，反应器压力降为5～10巴，而本发明的0.6米的合成反应器，在使用与原反应器相同型号的催化剂的条件下，日产合成氨可达至80吨以上即可将原有生产能力提高30～60%，氨净值可提高到13～17%，反应器压力降在5巴以下。为此本发明尤其适合中、小型合成氨厂的技术改造，除了能较大提高生产能力外，设备投资较省。因为将合成反应器更换为本发明的合成反应器时承压外筒可以保留，同时适用压力范围也和中、小型厂原使用的压力范围相似。工艺流程只变动少许管线，设备管路可以少添置或不添置。

现用图例表示本发明的一个典型结构：

图1为合成反应器的轴向剖视图;

图2为合成反应器的2-2剖视图;

图3为合成反应器及外部低温调节气部分预热流程图;

图4为合成反应器及外部低温调节气不预热流程图。

在图1中，内件10安装在承压外筒11内，内件10包括4个催化床层，其中12A、12B、12C三个催化床层的下部的机械结构相同，而催化床12D的支承触媒的筛板20D是直接焊接在内件10的内壁上，20D上加工有可穿过中心管52的孔和焊有热电偶套管34。

三个冷热气体混合器整体组合件是由支承触媒的筛板20A、20B、20C，锥形外挡气环24A、24B、24C，圆柱形内挡气环23A、23B、23C，锥形下挡气环26A、26B、26C，布气板28A、28B、28C、支承布气板的筋板27A、27B、27C和低温调节气喷头22A、22B、22C七种部件机械地连接为三个气体混合器整体组合件。它们分别放在催化床12A、12B、12C、12D之间的托圈14上，三个托圈14A、14B、14C是直接焊接固定在内件10的内壁上。冷热气体混合器上留有中心管52、热电偶套管34及低温气进气管30的穿孔，38为列管式热交换器，36为热交换器中的折流挡板。

图2为合成反应器的2-2剖视图。从图中可以看到低温调节气进口管30，热电偶套管34和中心进气管52（也是电加热器管）在内件10中的相对位置，11为承压外筒。

从图3、图4可以看到本发明的低温气的两种外部工艺流程部分，但气体在它们合成反应器内部的流程是一致的。现在首先叙述气体在合成反应器内的流程：气体从一次进口42经过内件10与外筒11之间的环隙向下流动从一次出口44流出，流出气体经过反应器外预热换热器62升温之后返回反应器，这时气体分两路，一路作低温调节气用，另一路从二次入口46进入内件下部热交换器38的管间与经过催化床12D后的反应气（走管内）进行换热后，经中心管52上升溢出进入催化床12A，经绝热反应以后的反应气进入第一冷热气体混合器与低温调节气喷头22A喷出的低温气体相混合，混合后的气体通过布气板28A分布均匀地进入第二催化床12B，通过催化剂进行绝热反应，反应后气体穿过筛板20B进入第二混合器，与低温气喷头22B喷出的冷气体混合，通过布气板28B进入第三催化床12C，就这样依次进行反应，从最后一层催化床12D出来的反应气体，进入下部热交换器38的管内，与二次入口46进来的冷气体换热降低温度后从合成反应器的底部二次出口48流出反应器。

合成反应器外的工艺流程有两种：

（A）低温调节气部分预热流程由图3表示出，即是由循环机64出口气与预热换热器62出口回合成反应器的热气体混合气作为低温调节气送到低温调节气的进口管30。

具体流程是：从合成反应器二次出口48流出的气体通过废热锅炉60，这时有四种情况：

（a）当48出来的气体大于320℃，则产生大于20巴的蒸汽;

（b）当48出来的气体小于300℃，则产生小于10巴的蒸汽;

（c）当48出来的气体小于230℃，则用于加热软水;

（d）当48出来的气体小于180℃，则可不回收热量。

如用天然气为原料来制取合成氨的合成工艺流程就可以不要废热锅炉60和预热换热器62这两个换热过程。

气体从废热锅炉60出来再经过预热换热器62后去水冷器、氨冷器、分离器（氨分离或甲醇分离）再进入循环机64。由循环机64出来的气体分成三路：

（1）一种经主线去合成反应器一次进口42;

（2）二路经低温气的调节副线66与预热换热器62出来的气体混合后得到温度为40～140℃的混合气体作低温调节气通往低温调节气进口管30;

（3）三路经过副线进口50进到内件下部换热器38与管间出口的气体混合调节第一层催化床气体的进口温度。

（B）低温调节气不预热流程由图4表示出，这个流程除了到低温调节气进口管30的低温气体全部由循环机64出口供给这一点外（这时低温气的温度为5～40℃），其余部份均和流程（A）完全相同。

本发明的合成反应器应用于合成氨时是在铁触媒上，压力为200～300巴，温度为320～520℃的条件下进行。

本发明的合成反应器应用于合成氨的工艺过程具体的例子包括以下步骤：

（1）工艺过程中合成反应的合成气的获得，可采用已知任一适宜的气化过程而得到，例如从煤的非催化部分氧化或用天然气催化蒸汽重整而得含氮、碳的氧化物、氢和少量甲烷的原料气，经过一系列已知的净化过程就得到符合合成反应需要的合成气。

（2）合成气按照图3或图4的工艺流程进行操作，循环机出口64合成气的温度为35℃，压力为290巴，组成在表1中列出以下按低温气部分预热流程，到合成反应器二次出口48处的反应气的温度为285℃，压力为285巴，气体组成如表1所示，这时反应器的压降为5巴。氨净值为14.12%。由于出口合成气温度在285℃进入废热锅炉可以副产部分小于10巴的蒸汽。合成反应器的直径为0.6米，催化床触媒是采用合成氨所常用的铁触媒。

表1

	气量Kmol/hr	组分				P巴	t℃
								H₂%	N₂%	CH₄+Ar%	NH₂%
		循环机出口4	1612.23	57	19.52							21.5	1.98	290	35
二次出口48	1416.15					44.12	15.3	24.48	16.1	285	285

Claims

1、合成反应器，一种适于进行氨和甲醇催化合成反应的直接换热式合成反应器，它是由承压外筒(11)和内件(10)所组成。其特征是内件是由上部的2层以上的催化床部分和下部的热交换器所构成，合成反应器直径在0.45～5米之间，在催化床间用冷热气体混合器支承触媒並隔开两催化床，气体混合器可以取出和装入。

2、根据权利要求1所述的合成反应器，其特征是气体混合器为低温调节气喷头（22）、筛板（20）、锥形外挡气环（24）、圆柱形内挡气环（23）、锥形下挡气环（26）、筋板（27）、和布气板（28）七部分机械地连接在一起的整体组合件，在装卸触媒时可以依次把各层间的气体混合器装入或取出、操作运行时它被机械地固定在托圈（14）上。

3、根据权利要求1所述的合成反应器其特征是最佳内件直径为0.45～1.6米，适用压力为150～500巴，最佳应用压力为200～300巴。

4、根据权利要求1所述的合成反应器，其特征是内件的热交换器可以采用列管式、波纹板式或螺旋板式热交换器，也可采用其它种类的热交换器。

5、根据权利要求1或3所述的合成反应器，其特征是可以将原中、小型合成氨或甲醇厂的合成反应器的承压外筒保留，仅换上本发明的内件（10）和顶盖（33），即可得到本发明的合成反应器。

6、应用在权利要求1至5所述的任一合成反应器进行合成氨的工艺过程，用氢和氮气在压力200～300巴、温度350～520℃下在触媒上进行反应，其特征是通过两催化床间的冷热气体混合器来调节各催化床的最宜温度，通过低温调节器进口管30的低温气的温度的调节有两种流程：

（1）低温调节气部份预热流程，即是由循环机64出口气与预热器62出口回合成反应器的热气体混合气作为低温调节气，低温调节气的温度为40～140℃。

（2）低温调节气不预热流程，即是进入低温调节气的进口管30的低温调节气全部由循环机64出口气而来，低温调节气的温度为5～40℃，其余部分的流程与部分预热流程一致。

7、根据权利要求1至6所述的合成反应器，其特征是顶盖33有1～3个进气管，用法兰与工艺流程中的管道连接。