TW201739312A - 用於氨合成轉換器之起動加熱的方法 - Google Patents

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Abstract

在用於氨合成廠房中的轉換反應器之起動加熱的新穎方法，傳統使用的燃氣加熱器是由感應加熱所取代。使用高頻交流電來獲得感應加熱，該交流電通過位在反應器裡(特別是安裝在壓力殼裡)的感應線圈。本方法則有可能以極有效率的方式而在高溫和高壓下來進行反應。

Description

用於氨合成轉換器之起動加熱的方法
本發明關於氨合成轉換器的起動加熱，其中不使用氣流作為載熱媒體而加熱觸媒床。更特定而言，本發明關於氨合成轉換器之起動加熱的方法，其中使用感應加熱來取代傳統使用的燃氣加熱器。
感應加熱是以磁性感應來加熱導電物體(經常是金屬)的過程，其係透過藉由渦電流(也稱為傅科[Foucault]電流，其藉由改變導體中的磁場，因為法拉第之感應定律的緣故，而在導體裡感應出電流迴路)和/或遲滯損失而在物體中所產生的熱來進行。渦電流在垂直於磁場的平面而在導體裡以封閉迴路的方式流動。
感應加熱器由電磁鐵和電子振盪器所構成，後者使高頻交流電(AC)通過電磁鐵。快速交變的磁場穿透物體，藉此在導體裡產生了稱為渦電流的電流。流經材料電阻的渦電流將藉由焦耳加熱而加熱之。渦電流加熱也表示成歐姆加熱。於像是鐵的鐵磁性(以及次鐵磁性和反鐵磁性)材料，熱可以替代選擇而言或附帶而言藉由磁性遲滯損失來產生。這代表鐵磁性加熱。所用的電流頻率取決於物體尺寸、材料類型、(在感應線圈和所要加熱的物體之間的)耦合和穿透深度。包括彎成多個迴圈或繞線形式之導體的感應線圈則是電磁鐵的範例。
感應加熱一般而言使用交流電來進行，該交流電常常為高頻，其通過線圈。要加熱的物體則放置在線圈裡。然而，這程序在能量上不是很有效率，因為線圈產生的磁場也將在線圈外面連續。雖然這缺點可以藉由將線圈塑形成環面而避免，不過仍將由於線圈中的電阻(亦即歐姆熱)而有損失，這過程正常而言將損失歐姆熱。
現在已經變得有可能建立更有能量效率的作法。於該作法，線圈將安裝在反應器裡，並且觸媒將放置在線圈裡。以此方式，這過程將不損失歐姆熱，並且假設壓力殼是基於具有低遲滯的鐵，或者替代選擇而言假設壓力殼內塗佈有此種鐵，則線圈所產生的磁場將不能穿透出反應器。在極高溫度，反應器可經封圍並且藉由將溫度保持在居里(Curie)溫度(其是特定材料喪失其永磁性質而被感應磁性取代的溫度)下加以冷卻來給予保護。典型而言，線圈可由坎氏型(Fe-Cr-Al合金)線所做成，其抵抗還原性氣體。
美國專利第2,519,481號描述化學反應的溫度控制，尤其是採用了感應加熱(特別是高頻感應加熱)以正確控制反應區的溫度。因此，該專利描述吸熱反應的感應加熱，並且也使用感應加熱來起動放熱反應。該專利尤其關於氣體或氣相催化反應，特別是放熱反應。
美國專利第4,536,380號揭示了進行反應的過程，其中使用了循環性、磁性穩定化的床以控制反應溫度剖面圖。更特定而言，這專利描述流體化床中的吸熱和放熱催化反應，譬如氨合成反應。磁場施加到反應器，主要是避免流體化床中形成氣泡。再者，提到鐵或經促進的鐵粒子作為用於氨的觸媒。
英國專利第673.305號描述一種用於電加熱氣流的設備，其中電導體縱向配置在氣流中而接觸流動的氣體。尤其，它描述用於氨合成的設備，其包括電加熱設備。該加熱設備的目的有二重：提供能量給新鮮的還原性觸媒材料，並且在中斷其條件之後起動爐子(亦即氨合成轉換器)。英國文件沒有提到磁性感應加熱。
世界專利公告案第2015/140620號描述使用哈伯-波希作法來合成氨的方法。75莫耳%的氫和25莫耳%的氮之化學計量組成物引入反應室裡，其也包括鐵磁性鐵粉。藉由施加振盪磁場，而維持著400℃的溫度。
世界專利公告案第2016/010974號揭示了製造氨的方法，其中將氮和水引入包括超順磁性觸媒的反應容器裡。提供變動起伏磁場的線圈則位在反應容器的附近。
Kim Hoe Tshai等人的使用應答表面方法學而以磁性感應方法來優化氨的綠合成(在2014年美國物理會議系列，第1621期，第223~230頁)描述了製造氨的方法，其將N2和H2供應到包括α-Fe2O3奈米線的反應器，該奈米線在750℃下經18M的H2SO4處理過。高頻振盪磁場則藉由圍繞反應器的亥姆霍茲(Helmholtz)線圈來施加。
最後，美國專利公開案第2006/0124445號有關用於氣相重組的電加熱反應器。更特定而言，電加熱是將電流通過反應器襯裡所獲得的歐姆加熱。這美國文件既未描述為了放熱反應而預先加熱反應器，也未描述反應器的磁性感應加熱。
先前技術的文件都未提及或建議線圈在反應器裡的位置，並且先前技術也未揭示線圈的形狀(亦即環面)。
因此，本發明關於在氨合成廠房中的轉換反應器之起動加熱的方法，其中傳統使用的燃氣加熱器乃使用高頻交流電所獲得的感應加熱而取代，該交流電通過感應線圈。
較佳而言，感應線圈位在反應器裡。進一步偏好的是感應線圈安裝在壓力殼裡，並且氨觸媒放置在線圈裡。
線圈較佳而言是未隔離的，藉此電接觸觸媒。
觸媒可以是鐵磁性、反鐵磁性或非磁性的。如果它是非磁性的，則它較佳而言與鐵磁性材料混合。
根據方程式N2+3H2 2NH3(△H=-92.4kJ/mol)而從氫和氮來催化合成氨是在1908年左右所發展，並且稍後幾年便改良到工業規模。從那時起，這方法(哈伯-波希法)便已經是主流的工業規模製氨方法。合成是在通常已知為氨合成迴路的循環系統中進行。每一迴程僅轉換一部分的合成氣體，如在轉換器出口條件下由NH3的平衡濃度所限制。製氨的反應器設計包括至少一氨轉換器，其包含氨合成觸媒。
氨轉換器是反應器單元，其安排成容納觸媒材料，該材料包括容易受到感應加熱的一或更多個鐵磁性巨觀支持物，其中一或更多個鐵磁性巨觀支持物在高達給定溫度範圍T的上限的溫度下是鐵磁性的。該一或更多個鐵磁性巨觀支持物皆塗佈有氧化物，其中氧化物浸滲了催化性活 性粒子。氨轉換器進一步包括感應線圈，其安排成由供應交流電的電源所供電，並且定位成以致在由電源供能之時於轉換器裡產生交變磁場，藉此觸媒材料藉由交變磁場而加熱到給定溫度範圍裡的溫度T。
觸媒本身可以是鐵磁性、反鐵磁性或非磁性的。於後者的情形，觸媒可混合有鐵磁性材料，舉例而言為鐵珠、或者是用於在極高溫度下進行反應而為金屬鈷。
一或更多個鐵磁性巨觀支持物在高達給定溫度範圍T之至少上限的溫度(亦即也在高於給定溫度範圍T的上限的溫度)是鐵磁性的。「高達給定溫度範圍T的上限」一詞意謂表示高達這上限的適當溫度，例如在標準周遭溫度和給定溫度範圍T的上限之間的任何溫度。
當氨轉換器裡的觸媒材料包括一或更多個鐵磁性巨觀支持物，其包括催化性活性粒子，則這些活性粒子是由鐵磁性巨觀支持物的加熱而加熱。催化性活性粒子因此可以是任何適合的順磁性或鐵磁性元素，或順磁性或鐵磁性元素的適當組合。感應加熱過程的重要特色在於熱是在物體本身裡面產生，而非由藉由外部熱源以經由熱傳導進行加熱。這意謂物體可被極快速加熱。
然而，如果催化性活性粒子本身是鐵磁性的，則它們將被巨觀支持物的感應加熱所間接加熱以及被磁場所直接加熱。因而，也可以直接在催化性活性粒子中達成極快加熱速率。再者，在受到交變磁場之時，在相關操作條件下(例如在高達溫度範圍T的上限和可能在其上的任何相關溫度)而為鐵磁性的觸媒材料則是有利的，如以下所將解釋。
對於鐵磁性材料來說，感應加熱同時藉由鐵磁性/遲滯加熱 和歐姆/渦電流加熱而發生。遲滯加熱的估算是由以下公式所給出：P=∮ BdH*f，其中P表示轉移到材料的加熱功率，B表示磁通量密度，dH表示磁場強度的改變，f表示交變磁場的頻率。因此，由遲滯加熱而轉移到材料的加熱功率是遲滯曲線的面積乘以交變磁場的頻率。歐姆/渦電流加熱的估算是由以下公式所給出P=π/20‧B m 2‧l2‧σ‧f 2，其中P表示轉移到材料的加熱功率，Bm是材料中所感應的磁通量密度，l是材料的特徵長度，σ是材料的傳導率，而f是交變磁場的頻率。因此，由渦電流加熱而轉移到材料的加熱功率是與磁通量密度的平方以及交變磁場頻率的平方成正比。當受到交變磁場時，順磁性材料相較於鐵磁性材料而言具有極小的磁通量密度B。因而，鐵磁性材料要比非鐵磁性材料更容易受到感應加熱；並且較低頻率的交變磁場相較於非鐵磁性材料而言可用於鐵磁性材料，或者可使用較低頻率的交變磁場。因為產生高頻磁場在能量上比較昂貴，所以使用較低頻率的磁場提供了較便宜的材料加熱。在此，高頻磁場意謂頻率在百萬赫茲(MHz)範圍的場，可能從0.1或0.5百萬赫茲到更高。
鐵磁性材料提供進一步的優點，例如以下：
鐵磁性材料吸收高比例的磁場，藉此讓屏蔽的需求較不重要或甚至是多餘的。
鐵磁性材料的加熱要比非鐵磁性材料的加熱來得更快和更便宜。鐵磁性材料具有固有的或本質的最大加熱溫度，亦即居里溫度。因而，使用鐵磁性的觸媒材料則確保吸熱化學反應不被加熱超過特定的溫度，亦即居里溫度。因此，確保化學反應將不失控的運作。
線圈可以放置成使得它直接電接觸觸媒。在此情形，觸媒將 發生額外的歐姆加熱。附帶而言，線圈將不需要電隔離。
如在此所用，「巨觀支持物」一詞意謂表示呈提供高表面之任何適當形式的巨觀支持物材料。非限制性範例為金屬或陶瓷元件、單件或微小件(minilith)。巨觀支持物可以具有許多槽道；在此情形，它可以是直線槽道型或交錯皺褶型元件。巨觀支持物的材料可以是多孔性的，或者巨觀支持物可以是實心的。「巨觀支持物」中的「巨觀」一詞意謂說明支持物是夠大而能以肉眼所見，而不用放大裝置。
「鐵磁性加熱」(ferromagnetic heating)一詞意謂表示材料受到交變磁場之時裡面的磁性遲滯損失所實質產生的加熱。「鐵磁性加熱」一詞與「遲滯加熱」(hysteresis heating)一詞同義。「渦電流加熱」(eddy current heating)、「歐姆加熱」(ohmic heating)、「電阻性加熱」(resistive heating)、「焦耳加熱」(Joule heating)等詞是同義的。渦電流加熱是電流通過導體而釋放熱的過程。
鐵磁性材料的巨觀支持物的實例是金屬或陶瓷材料。鐵磁性材料包括鐵、鎳、鈷及其合金。
根據本發明的方法使用安裝在壓力殼裡的感應線圈，則有可能以極有效率的方式而在高溫和高壓下來運作反應。
於本發明，起動加熱器將由圍繞觸媒床的感應線圈所取代。以400℃加熱100公噸氨觸媒所需的熱量是10百萬瓦時，其對應於200小時有50千瓦(5千伏特和10安培)的電效應。

Claims (7)

  1. 一種在氨合成廠房中的轉換反應器之起動加熱的方法，其中傳統使用的燃氣加熱器是由使用高頻交流電所獲得的感應加熱來取代，該高頻交流電通過感應線圈。
  2. 根據申請專利範圍第1項的方法，其中該感應線圈位在該轉換反應器裡。
  3. 根據申請專利範圍第1項的方法，其中該感應線圈安裝在壓力殼裡。
  4. 根據申請專利範圍第1、2或3項的方法，其中的氨觸媒放置在該感應線圈裡。
  5. 根據申請專利範圍第4項的方法，其中該感應線圈是未隔離的，藉此與該氨觸媒進行電接觸。
  6. 根據申請專利範圍第5項的方法，其中該氨觸媒是鐵磁性、反鐵磁性或非磁性的。
  7. 根據申請專利範圍第6項的方法，其中該非磁性的氨觸媒混合有鐵磁性材料。
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