KR920004132Y1 - 암모니아 합성 변환기 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

암모니아 합성 변환기

제 1 도는 제2및 제3촉매 베드 사이에 단류열교환기를 채택한 횡형 변환기로 된 본 고안의 바람직한 실시예.

제 2 도는 제2및 제3촉매 베드 사이에 U자관 교환기를 채택한 본 고안의 또 다른 실시예.

제 3 도는 제 1 도에 예시된 변환기 A-A 및 B-B선 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 원통형 압력통 2 : 제 1 단부 외부 헤드

3 : 제2단부 외부헤드 4 : 원통형 내부통

5 : 통형 환형부 6, 7 : 밀폐벽

11, 12, 13, 14 : 촉매베드 19, 23 : 열교환기

25, 26 : 종방향 도관

본 고안은 수소와 질소로 부터 암모니아를 발열, 촉매 합성하는 횡형 변환기에 관한 것이다. 이 합성은 널리 공지되어 있고, 전형적으로 약 70 내지 325바아(bar)범위내의 압력 및 약 340℃ 내지 525℃ 범위내의 온도에서 행해진다.

최신식의 대용량의 암모니아 공장에서는 단식 변환기를 주로 채택하고 있다. 일당 1,000미터톤의 공장 설비에서는, 촉매 용적이 40 내지 90㎡에 달하여서, 2 내지 4미터의 직경과 10 내지 35미터의 길이 또는 높이를 갖는 변환기에 수용된다.

변환기 내의 촉매 베드는 횡방향 유동, 반경방향 유동 또는 축방향 유동의 가스에 대하여 장치될 수 있다.

축방향 유동의 변환기는 매우 보편적이며, 외부 압력통에 인접된, 저온 가스의 유로용 통형 환형부를 구성하는 저온 벽, 이중통의 구조를 갖는다. 본 고안의 변환기는 저온 벽, 횡유동 또는 판상유동(slab-flow)변환기이다.

단일 촉매 베드내에 모든 촉매용적을 수용하는 것은 반응 평형 문제 및 촉매의 과열 및 손상의 가능성 때문에 적절하지 않다. 그러므로 촉매를 중간 베드형의 냉각용 설비를 갖는 다단 베드내에 배치하는 것이 일반적인 관행이다. 통상적으로, 이 냉각은 일부의 변환된 가스와 직접 열 교환을 하기 위한 저온 합성 가스를 중간 베드 분사해줌으로서 실행된다(즉, 직접 냉각 변환기, 또는 직접 가스 냉각과 중간부 베드의 원통 다관식 열교환기와의 조합체). 유입된 냉각가스의 용적에 따라서 좀 더 소형의 원통 다관식 교환기를 채택하기 때문에 직접 냉각을 강조하는 변환기 구조가 조합식 구조 보다는 비용이 덜 든다.

그러나, 이런 구조를 채택하는 공장은, 변환기 합성 가스 전체가 변환기 내에서 모든 촉매와 접촉되지 않기 때문에, 더욱 고가의 합성 가스 압축 비용이 소요되는 불리한 조건을 감수해야 한다.

그러므로 소정량의 암모니아 생성물을 획득키 위해서는 더욱 많은 가스를 순환시켜야 한다.

이상으로부터, 암모니아 변환기가 대형의 복잡한 장치 항목이므로 더욱 효율적이며, 저렴한 구조를 지향하는 단계가 요망되는 것이다.

본 고안에 의하면, 2대의 열교환기를 구비한 횡형, 저온벽의 다단 베드형 변환기가 제공된다. 횡유동 촉매 베드가 각각 제1및 제2촉매 베드 사이에 제1열교환기를, 제2및 제3촉매베드 사이에는 제2열교환기를 수직하게 장착한 채로, 변환기의 원통형의 내부통내에 종치로 설치되어 있다. 가스는 변환기의 일단에 있는 가스입구, 통형 환형부, 제2의 저온 관부, 제1열교환기, 변환기의 다른 단에 위치한 제1촉매 베드, 제1열교환기의 고온부, 제2열교환기와의 사이에 설치된 제2촉매 베드, 제2열교환기의 고온부, 제3그리고 일반적으로 제4촉매 베드를 통하여 마침내 최종의 촉매 베드 근처로, 가스 입구와 동일한 변환기의 단에 설치된 가스 출구를 유동한다.

본 고안의 변환기는 촉매 베드 사이에 외부의 냉각 가스를 수용하지 않는다. 즉, 열교환기의 고온 통형부가 각 상승류 및 하강류의 촉매 베드와 연통하는 독점적 유동상태로 있다. 따라서 모든 변환기 출구 가스는 최초로 제1촉매베드를 통과한다.

이하에서, 본 발명의 실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명키로 한다.

제 1 도 및 제 2 도를 참조로 하면, 횡형 변환기는 도면의 우측부에 도시된 제1단부 외부 헤드(2)와 도면의 좌측부에 도시된 제2단부 외부 헤드(3)에 취부된 원통형 압력통(1)내에 포함되어 있다. 원통형 내부통(4)이 압력통내에서 그의 거의 전장을 통해 평행하게 신장되어서 통형 환형부(5)를 형성한다.

제1단부 밀폐벽(6)과 제2단부 밀폐벽(7)이 내부통의 단부에 착부되어, 각각 제1가스 충만부 및 제2가스 충만부를 형성한다. 가스 입구(10)가 제2단부 외부 헤드(3)에 장착되며, 그 결과 입구로 유입하는 비교적 저온의 암모니아 합성가스는 제2가스 충만부(9), 통형 환형부(5) 및 제1가스 충만부(8)로 자유 유동한다.

제1, 제2, 제3 및 제4단열 촉매베드(11, 12, 13 및 14)는 내부통의 양단부가 베드의 측면 선단을 규정하도록 내부 통내에 설치된다. 베드는 도면에 표시된 바와 같이 가스 유동구가 구비된 횡격판(15)에 의해 종방향으로 경계가 정해진다.

양 밀폐벽(6 및 7)이 편의상 촉매 베드(11 및 14)의 선단격판으로 채택된다. 가각의 촉매 베드는 상단 입구부(16)와 하단 출구부(17)를 구비하며, 촉매 입자는 격자 (18)및 도시되지 않은 스크린에 의해 지지된다. 그러므로, 촉매베드는 변환기의 축에 거의 수직하는 통로에서 가스의 하강유동, 즉 일반적으로 판상유동으로 지칭되는 유동이 되도록 장착된다.

제1관형 열교환기(19)가 관 입구부(20)와 관 출구부(21)를 구비하여서, 제1촉매베드(11) 및 제2촉매베드(12)사이에 위치한다. 제1촉매베드로 유입하는 합성가스는 암모니아를 거의 함유하고 있지 않기때문에, 가스온도 상승을 수반하는 암모니아 변환은 어떤 하강류의 촉매베드에서보다 이곳에서 대량이 된다. 제1베드를 통과한 가스를, 제2베드로 유입되기 전에 냉각시키기 위해 요구되는 큰 열교환기를 제공키 위해, 제1열교환기(19)는 높은 내부관 가스 속도와 높은 열전달율을 제공하며 그로 인해 이 교환기의 크기를 최소화하는 수직의 U자관을 채택하고 있다.

제2관형 열교환기(22)는 과 입구부(23)와 관 출구부(24)를 구비하여서, 제2촉매 베드(12) 및 제3촉매베드(13)사이에 위치한다, 이 교환기 또한 제 2 도에 도시된 바와 같이 수직의 U자관 교환기 일수 있으나, 요구되는 열전달량이 적기 때문에, 가급적이면 제 1 도에 도시된 바와 같이 단류의 수직관의 교환기를 적용한다. 단류 교환기를 사용하게 되면 압력 강하를 극소화 할 수 있다.

제1및 제2촉매 베드와 제1 및 제2열교환기를 관통하는 유로는 원통형 내부통(4)내의 촉매 베드의 상하에 위치한 종방향 도관에 의해 제공된다. 제1종방향도관 (25)은 양 베드(11 및 12)의 하부에 위치되어, 열교환기의 관부에서 최초의 합성가스의 예열이 발생되는 제 2 열교환기(22)의 관 입구부(23)와 제1가스 충만부(8)를 연결한다. 최초로 예열된 가스는 그후 최종 예열을 위해 제2베드(12) 상부에 위치한 제2종방향도관(26)을 관통하여 제1열교환기(19)로 유동한다.

최종 예열된 가스는 그후 제1열교환기의 관 출구부(21)로부터 제1촉매 베드 (11)의 상부 입구부로 유동한다.

도면으로 부터 알 수 있는 바와 같이, 촉매 베드와 중간 교환기가 번갈아 배치된 배열은 27로 지적된 적절한 차폐판을 통하여 낮은 압력 강하로 특징되는 가스 유동으로 매우 용이하게 적응된다. 이 차폐판과 촉매베드의 격판은 가스를 제1열교환기의 관의 출구부(21)로부터 하방으로 제1촉매베드(11)를 관통하고, 제1열교환기의 관 외부를 가로 질러서 하방으로 제2촉매베드(12)를 통한 후, 제2열교환기(22)의 관의 외부에 연속적으로 유도하는 수단을 제공한다. 제 1 도에서, 열교환기(22)의 관 외부를 가로 질러 흐르는 가스는 중앙 격판(28)의 개구부를 관통한 후 인접한 횡격판(15)에 의해 형성된 통로를 상방 관통하여 촉매 베드(13)의 상부 입구부로 유동한다.

제 2 도의 변환기는 수직, U자형의 교환기를 채택하기 때문에, 제1종방향 도관 (25)은 그후 수직도관(29)으로 신장되어 가스를 제2열교환기의 관입구부(23), 이 경우 현형(chord-shaped)의 차폐판(30)과 그 인접 차폐판(27)에 의해 형성된 가스 충만부로 이송한다. 제 2 도에서 기타의 모든 참조 부호는 제 1 도와 동일하다.

촉매 베드들(13 및 14)사이를 유동하는 가스는 냉각되어 있지 않기 때문에, 공정의 관점에서 이들이 변환기 전체의 압력 강하 및 변환량과 같은 관련 공정의 설계변수에 따라서 1, 2 또는 3개의 베드로 물리적으로 구현될 수 있는 단식의 단일 변환역(a single adiabatic conversion zone)을 구성하는 것은 명료하다. 도면에 도시된 본 발명의 실시예에서 가스를 제3촉매베드(13)의 하단 출구부로부터 제2외부 헤드(3)에 위치한 가스의 출구(31)로 이송하는 장치는 변환기의 제2단에 있는 제4촉메베드(14) 를 구성한다. 제 3 및 제 4 베드는 이 베드들의 인접한 횡격판들(15)에 의해 형성되는 가스 통로(32)에 의하여 간격을 갖고 분리되어 있다. 기 지적된 바와같이, 본 고안의 변환기는 일부가 변환된 가스를 냉각시키기 위한 중간 베드 냉각(quenching)을 채택하지 않는다.

그러나, 저온 합성 가스가 각 바이패스관(33 및 34)에 의해 관의 입구부 및 출구부(20 및 21)로 선택적으로 도입되어서, 제1 및 제2촉매 베드로 유입되는 가스에 대하여 정밀한 온도제어를 실행할 수 있다.

Claims (3)

1. 제1단부 및 제2단부를 갖는 횡형 암모니아 변환기에 있어서, a)상기 제1단부 및 제2단부에 접하는 외부 헤드를 갖는 원통형 압력통, b)압력통의 거의 전장에 걸쳐 설치되며, 그와 함께 통형 환형부를 형성하며, 그에 취부된 제1 및 제2단부 밀폐벽과, 제1단부 밀폐벽과 함께 제1가스 충만부를 형성하는 제1단부 외부 헤드 및 제2단부 밀폐판과 함께 제2가스 충만부를 형성하는 제2단부 외부 헤드로 구성된 원통형 내부통, c)제2단부 외부 헤드내에 설치되어, 제2가스 충만부, 통형 환형부 및 제1가스 충만부와 일련의 유체교환을 하도록 된 가스의 입구 장치, d)가스 출구장치, e)내부통과 내부통의 양측면부 내의 횡격판에 의해 경계가 정해지며, 제1촉매 베드는 변환기의 제1단부의 근처에 있으며, 제2촉매 베드는 제1 및 제3촉매베드 사이에 배치되며, 각각의 촉매베드가 상단 입구부와 하단 출구부로 구성된 제1, 제2 및 제3의 판상 유동의 촉매 베드, f)교환기의 상단에 입구 및 출구부를 갖는 수직의 U자관을 구성하며, 제1 및 제2촉매 베드사이에 배치된 제1열교환기, g)입구 및 출구부를 갖는 수직관을 구성하며, 제2 및 제3촉매 베드사이에 배치된 제2열교환기 h)제1가스 충만부와 제2열교환기의 입구부 사이의 유체교환을 제공하며, 원통형 내부통 내에서 제1 및 제2촉매 베드에 하부 및 외측으로 설치된 제1종방향 도관장치, i)제2열교환기의 출구부와 제1열교환기의 입구부 사이의 유체교환을 제공하며, 원통형 내부통 내에서 오직 제2촉매베드에 상부 및 외측으로 설치된 제2종방향 도관 장치, j)가스가 연속적으로, 제1열교환기의 출구부로 부터 하방으로 제1촉매 베드를 관통하며, 제1열교환기의 출구부로부터 하방으로 제1촉매베드를 관통하며, 제1열교환기의 관 외부를 가로 질러서, 하방으로 제2촉매 베드를 관통하여, 제2열교환기의 관 외부를 가로질러서, 하방으로 제3촉매 베드를 관통하도록 유도하는 차폐장치, k)제3촉매 베드의 하단 출구부로부터 가스 출구 장치로 가스를 유도하는 장치로 구성되는 것을 특징으로 하는 횡형 암모니아 변환기.
2. 제 1 항에 있어서, 제3촉매 베드의 하단의 출구부로 부터 가스를 유도하기 위한 수단은 제4 판상 유동의 촉매 베드를 포함하는 것을 특징으로 하는 횡형 암모니아 변환기.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 제2열교환기가 단류관으로 형성된 것을 특징으로 하는 횡형 암모니아 변환기.