一种氨合成反应器及氨合成工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种氨合成反应器及氨合成工艺，所述氨合成反应器包括外筒，内筒；所述内筒在高度方向通过封头隔离成多段区域，各段区域内均对应设置有催化剂筐：在部分区域内的催化剂筐内设有换热装置，通过对未反应气的加热从而冷却反应气，有效地避免了催化剂失活，催化剂使用周期长。

【技术实现步骤摘要】
一种氨合成反应器及氨合成工艺
本专利技术涉及一种氨合成反应器及氨合成工艺，属于氨合成领域。
技术介绍
合成氨的反应方程式如下：3H2+N2→2NH3+Q合成氨反应是可逆反应，是在装有催化剂的反应器中进行的，催化剂活性有一定的温度范围，在340℃～520℃，低于340℃反应速度很慢，需要催化剂量大，导致反应器尺寸大；高于520℃，会使催化剂内晶体长大，活性衰退。一般催化剂的设计运行温度范围在350℃～510℃之间，同时，合成氨反应还是放热反应，因此需要在反应器设置换热器，不断移走热量，使反应气温度≤520℃，同时把未反应气加热到≥340℃，以期使催化剂保持活性，同时提高反应速度。研究表明，在催化剂活性温度范围内，反应速度与反应推动力（即反应温度与平衡温度的距离）有关。平衡温距越大，反应推动力大，反应速度快。因为随着反应进行，平衡温度越来越低，所以到了反应后期，要求降低反应温度。以上论述，可以做出温度（t）--氨含量（x）图，简称t-x图更精确描述，t-x图有二条曲线，平衡温度曲线、最适宜温度曲线，反应时，反应点（t.x）需在平衡曲线以下，如果落于平衡曲线上，反应速度为零。最适宜温度曲线是反应速度最大的工况线，因此反应器的实际工况操作线应该尽可能接近最适宜温度曲线。如图1所示的t-x图，其中连续曲线是平衡线，点画曲线是最适宜曲线，折线是实际运行操作曲线，1-2是绝热反应段，2-3是间接冷却线，3-4是绝热反应段，4-5是边反应放热边冷却，5-6是绝热反应段。最终温度430℃，氨含量19.4%。现有技术中公开了几种氨合成反应器，均包括内外筒，内筒，内筒有三个催化剂层，配置换热器形成三段反应或四段反应。现有的一种氨合成反应器，如图2所示，其中连续曲线是平衡线，点画曲线是最适宜曲线，折线是实际运行操作曲线，内筒有三个催化剂层，第一、第二催化剂层中心均为间冷换热器，第三催径向化剂层没有换热器，形成三段反应，其t-x线如图2所示。其中1-2是绝热反应段，2-3是间接冷却线，3-4是绝热反应段，4-5是间接冷却线，5-6是绝热反应段。最终温度435℃，氨含量17.78%。此外，现有技术还有公开的一种氨合成反应器，如图1所示，其中连续曲线是平衡线，点画曲线是最适宜曲线，折线是实际运行操作曲线，内筒的第一催化剂层中心为间冷换热器，第二催化剂层周边配有内冷换热器，第三催径向化剂层没有换热器，形成三段反应或四段反应。其中1-2是绝热反应段，2-3是间接冷却线，3-4是绝热反应段，4-5内冷段（即边反应放热边冷却），5-6是绝热反应段。最终温度430℃，氨含量19.4%。三层催化剂三段反应，配两个间冷换热器，占用内部大量空间，催化剂装填少，影响生产能力提高，最终氨含量虽达到19.4％，但第一段温度需拉至近500℃，此种工况催化剂易老化。因此，有必要提供一种简单，催化剂装填量多，反应器的转化效率高，反应温度不致太高，催化剂使用周期长的氨合成反应器。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种氨合成反应器及氨合成工艺，该反应器的转化效率高，反应温度不太高，有效地避免了催化剂失活，催化剂使用周期长。为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种氨合成反应器，包括外筒，设置在外筒内的内筒；所述内筒在高度方向通过封头隔离成多段区域，各段区域内均对应设置有催化剂筐，其中定义最上段的区域为第一区域，紧邻最上段区域底端的区域为第二区域，紧邻第二区域底端的区域为第三区域；其结构特点是：在第一区域内的催化剂筐筐盖与内筒顶部之间形成气体混合空间，在第二区域内的催化剂筐上部无催化剂空间与第一区域底部的封头之间形成第一集气区域，在第三区域内的催化剂筐上部无催化剂空间与第二区域底部的封头之间形成第二集气区域；在第一区域内的催化剂筐内设有第一换热装置，在第二区域内设有第二换热装置；所述第二换热装置的进气端与第一未反应气管连通，该第二换热装置的出气端通过预热出气管与所述气体混合空间连通；所述第一换热装置的进气端与第二未反应气管连通，该第一换热装置的出气端通过管道与所述气体混合空间连通；所述气体混合空间与第一区域内的催化剂筐内连通，且在该第一区域内的催化剂筐的中心位置设有与第一集气区域连通的第一集气管；所述第一集气区域与第二区域内的催化剂筐内连通，所述第二区域内的催化剂筐的中心位置设有与第二集气区域连通的第二集气管，最下一段内的催化剂筐中心设有底端集气管，该底端集气管兼作反应气出管。由此，本专利技术的未反应气,通过两路进气，两路进气分别通过位于第一区域内的第一换热装置和位于第二区域内的第二换热装置换热，在加热未反应气提高反应效率的同时，避免了反应温度过高导致催化剂失活。根据本专利技术的实施例，还可以对本专利技术作进一步的优化，以下为优化后形成的技术方案：优选地，第一路进气从反应器的顶部进气下降后进入第二区域内的第二换热装置中进行换热，所述第一未反应气管穿过外筒的顶盖和第一区域后与所述第二换热装置的进气端连通，优选所述预热出气管套装在所述第一未反应气管上。优选地，第二路未反应气从反应器底部进气后，通过内外筒环隙向上走，在进入第一换热装置中换热，所述外筒与内筒之间形成内外筒环隙，该内外筒环隙与第二未反应气管直接连通，所述第一换热装置的进气端通过管道与内外筒环隙连通。为了保证气体径向穿过催化剂筐进行反应，各催化剂筐的筐壁上开有孔，反应气径向穿过对应的催化剂筐从各集气管流通至下一段。优选地，所述内筒在高度方向通过封头隔离成三段区域，其中第三区域内不设置换热装置。由此，第三区域内可以尽可能地多装催化剂。为了在反应前期尽可能多地将热量换热出去，所述第一换热装置为冷管束换热装置，其包括与第二未反应气管连通的内环管，与所述气体混合空间连通的外环管，连通所述内环管和外环管的冷管束；优选所述冷管束折弯形成U形结构。由此，未反应气通过延长在第一换热装置内的路径，进而提高了换热效果。根据反应的阶段，本专利技术将所述第一区域内的催化剂筐在径向方向上分为oa，ab，bc，cd四圈，其中oa圈为绝热圈，ab圈和cd圈均为内冷反应圈，ab圈和cd圈之间设有形成绝热反应圈的间隙；优选oa圈内装有催化剂，ab圈和cd圈均为多片冷管片组成冷却圈，冷管片的片与片之间装有催化剂.。绝热反应时反应热使反应气升温，内冷反应时反应气边反应边冷却降温。优选地，所述第二换热装置为列管换热器。为了方便调整第一未反应气和第二未反应气的进气比例，所述第一未反应气管设置在外筒顶部，第二未反应气管设置在外筒底部，且在第一未反应气管和/或第二未反应气管上装有阀门。基于同一个专利技术构思，本专利技术还提供了一种利用所述的氨合成反应器进行氨合成的工艺，其包括如下步骤：S1、未反应冷气分成两股，一股通过第一未反应气管进入第二换热装置内换热，换热后折向通过预热出气管进入气体混合空间内，另一股通过第二未反应气管进入第一换热装置内换热，换热后折向进入气体混合空间内，气体混合空间内的反应气温度为340℃-380℃；S2、气体混合空间内的未反应气通过第一区域内的催化剂筐的筐壁径向通过第一区域内的催化剂和第一换热装置，反应后汇集在第一集气管中，反其温度为405℃-415℃；S3、第一集气管的反应气进入第一集气区域内，再通过第二区域内的催化剂筐的筐壁径向通过第二区域内本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氨合成反应器，包括外筒（21），设置在外筒（21）内的内筒（11）；所述内筒（11）在高度方向通过封头隔离成多段区域，各段区域内均对应设置有催化剂筐，其中定义最上段的区域为第一区域，紧邻最上段区域底端的区域为第二区域，紧邻第二区域底端的区域为第三区域；其特征在于，在第一区域内的催化剂筐筐盖与内筒（11）顶部之间形成气体混合空间，在第二区域内的催化剂筐上部无催化剂空间与第一区域底部的封头之间形成第一集气区域，在第三区域内的催化剂筐上部无催化剂空间与第二区域底部的封头之间形成第二集气区域；在第一区域内的催化剂筐内设有第一换热装置，在第二区域内设有第二换热装置；所述第二换热装置的进气端与第一未反应气管（1）连通，该第二换热装置的出气端通过预热出气管（14）与所述气体混合空间连通；所述第一换热装置的进气端与第二未反应气管连通，该第一换热装置的出气端通过管道与所述气体混合空间连通；所述气体混合空间与第一区域内的催化剂筐内连通，且在该第一区域内的催化剂筐的中心位置设有与第一集气区域连通的第一集气管（12）；所述第一集气区域与第二区域内的催化剂筐内连通，所述第二区域内的催化剂筐的中心位置设有与第二集气区域连通的第二集气管（16），最下一段内的催化剂筐中心设有底端集气管（20），该底端集气管（20）兼作反应气出管。...

【技术特征摘要】
1.一种氨合成反应器，包括外筒（21），设置在外筒（21）内的内筒（11）；所述内筒（11）在高度方向通过封头隔离成多段区域，各段区域内均对应设置有催化剂筐，其中定义最上段的区域为第一区域，紧邻最上段区域底端的区域为第二区域，紧邻第二区域底端的区域为第三区域；其特征在于，在第一区域内的催化剂筐筐盖与内筒（11）顶部之间形成气体混合空间，在第二区域内的催化剂筐上部无催化剂空间与第一区域底部的封头之间形成第一集气区域，在第三区域内的催化剂筐上部无催化剂空间与第二区域底部的封头之间形成第二集气区域；在第一区域内的催化剂筐内设有第一换热装置，在第二区域内设有第二换热装置；所述第二换热装置的进气端与第一未反应气管（1）连通，该第二换热装置的出气端通过预热出气管（14）与所述气体混合空间连通；所述第一换热装置的进气端与第二未反应气管连通，该第一换热装置的出气端通过管道与所述气体混合空间连通；所述气体混合空间与第一区域内的催化剂筐内连通，且在该第一区域内的催化剂筐的中心位置设有与第一集气区域连通的第一集气管（12）；所述第一集气区域与第二区域内的催化剂筐内连通，所述第二区域内的催化剂筐的中心位置设有与第二集气区域连通的第二集气管（16），最下一段内的催化剂筐中心设有底端集气管（20），该底端集气管（20）兼作反应气出管。2.根据权利要求1所述的氨合成反应器，其特征在于，所述第一未反应气管（1）穿过外筒（1）的顶盖和第一区域后与所述第二换热装置的进气端连通，优选所述预热出气管（14）套装在所述第一未反应气管（1）上。3.根据权利要求1所述的氨合成反应器，其特征在于，所述外筒（21）与内筒（11）之间形成内外筒环隙，该内外筒环隙与第二未反应气管直接连通，所述第一换热装置的进气端通过管道与内外筒环隙连通。4.根据权利要求1所述的氨合成反应器，其特征在于，各催化剂筐的筐壁上开有孔，反应气径向穿过对应的催化剂筐从各集气管流通至下一段。5.根据权利要求1所述的氨合成反应器，其特征在于，所述内筒（11）在高度方向通过封头隔离成三段区域，其中第三区域内不设置换热装置。6.根据权利要求1-5中任一项所述的氨合成反应器，其特征在于，所述第一换热装置为冷管束换热装置，其包括与第二未反应气管连通的内环管（...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢定中，
申请(专利权)人：湖南安淳高新技术有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43