CN103038172A - 用于改进具有局部开口的容器的热壁氨反应器的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于改进具有局部开口的容器(2)的热壁氨反应器的方法，包括：利用模块化元件在容器(2)的内部直接装配催化筒(7)，所述模块化元件的尺寸适合于通过所述容器既有的局部开口(6)而引入至所述容器中，并且每个模块化元件包括至少一个面板(11)；所述模块化元件的面板(11)形成所述催化筒(7)的大致圆柱形外壁(7a)，以及在所述催化筒的所述外壁与所述容器的内壁之间的环形流动空间(8)；所述面板(11)在被引入至所述容器(2)中之前预先布置有相应的热绝缘层(13)。

Description

用于改进具有局部开口的容器的热壁氨反应器的方法

技术领域

本发明涉及用于改进具有局部开口的容器的热壁氨反应器的方法。

在本说明书中，术语“热壁”表示不具有容器的流动(fluxing)***(在催化床与容器之间的冷却流的通路)的反应器，其中，在工作中容器基本上达到床的温度。

术语“具有局部开口的反应器”表示该反应器不具有与容器直径尺寸基本上相同的开口。

背景技术

用于氨合成的已知类型的反应器包括基本上圆柱形的外容器、以及包含催化剂(催化床)的催化筒(cartridge)。实质为氮氢混合物的反应气体的新鲜充量在所述容器与所述催化筒之间的环形空间(通常所说的环状部)循环，以冷却容器壁。该供给被已知为在环状部中流动，并且反应器被认为是冷壁。例如，在US4181701中描述了具有环状部中流动的氨反应器。

由于钢容器暴露在高侵蚀性环境下，所以容器的冷却被认为是适宜的。还有一种已知类型的被称为热壁的反应器，在该反应器中没有上述提及的流动。这通过使用高阻抗钢(例如，包含添加有钒的铬钼的钢)是可能的。这种材料可以(至少名义上)使容器在高温下(例如大约450℃)工作。

由于热壁反应器可比等容量的冷壁反应器更廉价，所以这些热壁反应器引起了一定注意。然而，实践中，已发现用于热壁反应器的钢极难焊接。在相同条件下，焊缝(welds)的强度会比标准钢的强度差。该问题在氨环境的工作状态下更糟，特别是由于被已知为高温氢腐蚀的现象以及引起易碎性并增加形成破裂的风险的氮化现象。由于这些冶金问题和高温高压的结合效应，因此容器的应力状态特别严峻。

实践中，尽管使用了前述的高阻抗钢，但是已发现热壁反应器在相对短的工作期之后在容器中出现了破裂。在这些情况中，容器的替换非常昂贵，并且要花费很长时间；简单的修复也是无法满意的，这是因为不能去除故障的起因。在工作中放任损坏的反应器无疑是危险的，具有灾难性故障的风险。

此外，必须考虑到已知类型的热壁反应器制备有局部开口，这不可能例如通过引入预装配的催化筒并保持现有容器来改进反应器。

还应考虑到已知类型的热壁反应器被实现为具有局部开口，这不允许例如通过***预装配的催化筒并保持现有容器来改进反应器。

前述弊端还承受包括串联的两个反应器(即使用流动冷却的第一反应器、以及没有此类设置的具有更简单构造的第二反应器)的设备的困扰。实践中，第二反应器可包括实际上没有外筒的简单催化床，以使得用于包含催化床的面板在无需冷却流的情况下直接与容器的内壁连接或面对该内壁。在这样的构造中，容器在“热壁”状态下工作，即，在工作中其基本达到与床相同的温度(350℃至500℃之间，一般约450℃)。

在现有技术中，在具有串联的两个反应器的上述类型的设备中，反应气体被完全馈送至第一反应器，并且从第一反应器排出的产物和反应物的混合物完全馈送至第二反应器，其中通常具有中间冷却。第二反应器一般具有极长的圆柱形容器(例如大约为20米)、以及位于下部的用于进气口和出气口的两个开口。上底盘和下底盘被焊接到圆柱形容器，即没有完整直径的开口是可用的。如上所述，直到现在为止，这种状态已经使制作内催化筒似乎基本上是不切实际的。

发明内容

本发明提议以解决上述问题。特别是，本发明旨在提供一种有利的方法，以恢复由于高工作温度以及诸如由高侵蚀环境引起的氢腐蚀和/或氮化现象而引起的破裂造成损坏的、具有局部开口的热壁氨反应器的工作。本发明还旨在使氨反应器的工作状态或这里考虑的此类型的设备更加安全。

形成本发明的基础的想法是，通过使用催化筒床替代既有的催化床，使得反应器类似于冷壁反应器(即局域冷却容器的流动)工作，以改进反应器。

以如下所述的方法来实现上述目的，所述方法用于改进具有局部开口的容器的热壁氨反应器，所述方法包括至少以下操作：

-利用模块化元件直接在容器的内部装配催化筒，所述模块化元件的尺寸适合于通过容器既有的局部开口而引入至容器中，并且每个模块化元件包括至少一个面板；

-所述模块化元件的面板形成所述催化筒的基本上圆柱形外壁、以及在催化筒的所述外壁与容器的内壁之间的环形流动空间；

-所述面板在被引入至容器中之前被预先布置有相应的热绝缘层。

本发明提供了对现有催化床进行去除并且将其替换为被预先装配在多个模块化元件中的前述催化筒；所述元件使用可用的局部开口而被引入至容器中并且装配在合适的位置，即装配在容器自身内部中。优选地，通过在两个相邻面板的边缘之间的重叠区域中形成有角度的(angle)纵向焊缝来装配所述模块化元件。

提供热绝缘是有利的，这是因为由于催化筒被装配在容器内部而不能达到使外部绝缘。本发明通过为面板在其背部预先布置相关绝缘部分而解决了该问题。有利地，制作接合点以使热桥最小化，并且仍然可以在无需反向接入的情况下装配该面板。必须注意到，热绝缘的完整性是重要的，这是因为绝缘的损坏既会引起反应器内部的问题也会引起加压容器的问题，例如，绝缘的损坏可能引起：气体通道部分阻塞以及随之而来的反应器的负荷损耗的增加；容器方向上的催化筒的辐射，这在没有流动时的停工期间尤其危险。

优选地，模块化元件预制有用于通向催化筒中的进气口的相应的带孔壁以及相应的支管，以获得被已知为“扇贝”型的支管。因此，预制的模块化元件包括三个功能：外部绝缘，承重催化筒和进气口支管，使现场焊缝的数量和规模最小化。面板基本上代表催化筒模块的承重部分。

优选地，改进反应器的方法针对容器流动提供了淬火气体的使用。因此，根据优选实施例，淬火气体流被馈送至所述催化筒与所述容器之间的所述环形流动空间中。优点包括催化筒在工作中必须承受的压力差减小，因此面板的厚度较薄，这允许更容易实现面板本身之间的必要的纵向焊缝。

本发明的另一方面如下。在包括至少一个具有通过流动而得以冷却的容器的第一反应器、以及与第一反应器串联的第二反应器的氨设备中，所述第二反应器为热壁型并具有局部开口的容器，可通过如上所述的内部装配催化筒来有利地改进第二反应器。以这种方式，制成由于没有冷却而热应力更大的第二反应器以用作冷壁反应器。

优选地，本发明还预见提供用于取自于最初被引向第一反应器的给料的气流偏移至第二反应器的线路，并且将所述气流馈送至第二反应器中获得的环形流动空间中。这种供应基本上企图将至第一反应器的馈送气体的一部分用作第二反应器的流动气体。相对于初始工作构造，该气流旁路第一反应器。从工艺角度来看，这意味着轻微的缺陷，但是已经发现使第二反应器的容器(非常昂贵)恢复工作并且/或者使其更可靠的优点已经过度补偿了这种影响。

优选计算流动气体的流速以使得两个反应器的整体转换在合成回路中不增加气体的循环，从而有利地并不非要减少产量或增加消耗。通常，这可以通过采用第二反应器的某些保险设计(overdesign)来实现。

本发明允许在已经修理了在存在氢(氢腐蚀)和氨(氮化)时由高温工作而损坏的容器之后恢复容器，并且以较低并且因此较小危险的温度运行反应器。相比安装新的反应器而言，具有减小投资成本和将反应器投入工作的时间的优点，因而减小了停产的时间或由于容器破裂或已经被修复但仍然在高温下工作而处于危险状态下工作的时间。

本发明也可以应用到尚未被损坏(破裂)的反应器中(如果为了预防目的而期望将其引至不太恶劣的工作条件中，即降低突然失效的风险的话)。

应当注意到，在现有技术中，通常对冷壁反应器进行现场改进干预并且改进现有催化筒。另一方面，在本发明的情况中，在设计不具有催化筒的反应器中现场制作催化筒。

附图说明

图1示出根据本发明实施例改进的氨反应器的横截面。

图2示意性示出根据由图1中的线II指示的平面的反应器的截面。

图3示出在形成图1的反应器的催化筒壁的两个面板之间的接合点的细节。

图4示出针对具有串联的两个氨反应器的设备的本发明的可能应用的图。

具体实施方式

图1示出根据本发明改进的、被最初安装在热壁状态下工作的氨反应器1。反应器1包括容纳器或容器2以及进气口2和出气口3的开口。底盘4和5被焊接至容器2；半球形上底盘4配备有开口或检查孔6。不存在可用的与所述直径同宽的开口并且因此反应器1被命名为局部开口。例如，在已知类型的氨反应器中，容器2的直径约为3000mm，而所述开口6具有小于一米的直径，例如800mm。

最初，反应器1包含与容器2实质接触的催化床，并且不提供所述容器2的冷却。去除最初床层以进行下文中描述的改进。

通过在容器2的内部直接装配催化筒7来改进反应器1。催化筒7由预制的并通过可用开口6引入的模块化元件形成。催化筒7保留其外壁与所述容器2之间的环形流动空间8。例如，如果容器的直径为3000mm，则催化筒的直径可以为2950mm，以获得25mm的流动空间。

使用中，流动气体的流速优选通过所述开口6馈送。在示例中，在盖板17中制造用于流动气体的进口开口16，该盖板17被提供用于关闭开口6。流动气体通入至空间(环状部)8中，以冷却容器2；通过一个或多个径向进口9，该气体在中央管道10中与从开口2进入的主馈送气流混合。管道10中的混合将反应气体引至最佳温度，从开口2进入的气体一般处于比最佳值更高的温度下。

该气流随后以轴径向气流的形式式横跨催化筒7的床并且产物聚集在出口开口3处。气体进入催化床部分地通过上部的支管发生并且部分地通过带孔壁14发生。

更详细的参照图2和3，催化筒7具有大致圆柱形外壁(示为7a)，该外壁由前述模块化元件的曲形面板11形成；通过在两个相邻面板11之间的重叠区域中有角度的纵向焊缝12，面板11(在***容器之后)在适当的位置中接合。

每个面板11被准备有相应的热绝缘层13，以使得当催化筒7的装配完成后，外壁7a由绝缘外层13包围而没有连续性的中断。在图3的细节中，还可以看到在容器2的内壁2a与催化筒和相关绝缘层13的外表面之间的流动空间或环状部8。该图还示出例如“槽”型的可透气壁14，其优选配备有孔或缝隙。

图3还示出“扇贝”型的进气支管15中的一个，其使得进气口从催化筒7的顶部处于大致轴向方向上。

本发明的优选方面对于如此改进的反应器1内的流动提供淬火气体的流速的使用。

已知利用预先加热至反应温度以上的气体的一部分(主进口)以及没有被加热并并且因此处于较低温度下的气体(实际上被称为淬火气体)的少部分来馈送给反应器；所述两部分之间的混合将反应物引至正确的反应温度。本发明的一个方面包括使用所述淬火气体流作为改进的反应器的流动气体。

淬火气体的使用具有实质减少催化筒外部的压力差(ΔP)的优点，该压力差例如被减少至大致低于1巴的值(例如仅0.3巴)，而不是一般大于1巴的值。因此，面板11和相关焊缝12在工作中所受到的机械应力减小。为了经受住2巴或3巴的ΔP，一般需要面板11的厚度在20mm至25mm之间；淬火气体的流动允许厚度减少至约10mm以使焊缝12的形成更加容易。

图4示出使用流动(冷壁)进行冷却的反应器20以及与反应器20串联的不被冷却(热壁)的反应器21的设备的示例。根据初始设计，反应气体22的进气被完全馈送至第一反应器20，并且反应物/产物的气流24在热交换器25中冷却后进入到串联工作的后续反应器21中。

在本发明的一个实施例中，大致如图1中那样，由催化筒的内部装配并在催化筒与容器之间制造环状部来改进反应器21。此外，气流23从气流22分出并作为流动气体和容器冷却剂而馈送至反应器21，更具体地，馈送至反应器21中得到的所述环状部。应当注意的是，所述气流23基本旁路反应器20。然而，在反应器20处可用的反应物的减少由恢复反应器21和/或使其更加可靠的优点来补偿。

Claims (7)

1.一种用于改进具有局部开口的容器(2)的热壁氨反应器的方法，包括：

-利用模块化元件在容器(2)的内部直接装配催化筒(7)，所述模块化元件的尺寸适合于通过所述容器既有的局部开口(6)而引入至所述容器中，并且每个模块化元件包括至少一个面板(11)；

-所述模块化元件的面板(11)形成所述催化筒(7)的大致圆柱形外壁(7a)，以及在所述催化筒的所述外壁与所述容器的内壁之间的环形流动空间(8)；

-所述面板(11)在被引入至所述容器(2)中之前预先布置有相应的热绝缘层(13)。

2.根据权利要求1所述的用于改进氨反应器的方法，通过在两个相邻面板(11)的边缘之间的重叠区域中形成有角度的纵向焊缝(12)来在所述容器(2)的内部装配所述模块化元件。

3.根据权利要求1所述的用于改进氨反应器的方法，所述模块化元件包括用于通向催化筒(7)的进气口的相应的带孔壁(14)以及相应的支管。

4.根据权利要求1所述的用于改进氨反应器的方法，所述反应器最初被馈送以主加热气体流以及较低温度的淬火气流，所述方法提供了将所述淬火气流的至少一部分馈送至在装配所述催化筒(7)之后获得的所述环形流动空间(8)中，淬火气体的所述部分在工作中用作所述容器的流动和冷却气体。

5.一种用于改进氨设备的方法，所述氨设备包括至少一个具有通过流动而得以冷却的容器的第一反应器(20)，以及与所述第一反应器串联的第二反应器(21)，所述第二反应器(21)为热壁类型，其中容器具有局部开口，所述方法包括根据权利要求1在所述第二反应器(21)的容器中装配催化筒(7)。

6.根据权利要求5所述的用于改进氨设备的方法，包括：提供用于将取自于最初被引向第一反应器的给料(22)的气流(23)偏移至所述第二反应器(21)的线路，所述气流在工作中被馈送至在所述第二反应器(21)中获得的环形流动空间(8)中。

7.根据权利要求6所述的用于改进氨设备的方法，其中在工作中，流动气体(23)的流速不会增加在合成回路中气体循环的总流速。

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