CN109850918A - 一种合成氨反应器及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种合成氨反应器，包括壳体、若干换热管、气体分布单元、气体收集单元和催化剂床层，换热管沿壳体的轴向间隔布置其内，催化剂床层填充于壳体内壁与换热管之间和/或相邻换热管之间，催化剂反应热通过与换热管内流动的原料气热交换来实现热量传递，原料气经预热后再进入催化剂层进行反应，提高了热的利用效率，同时有效调节了催化剂床层的温度，使催化剂在反应过程中处于合适的温度，保证了催化剂的长期活性。同时，本发明还提供了相应的反应工艺，通过应用该工艺，可确保催化剂基本保持在等温状态，并显著提高催化剂转化效率，从而减少排放，减少环境污染。

Description

一种合成氨反应器及工艺

技术领域

本发明涉及化工生产工艺及设备技术领域，具体涉及一种合成氨反应器及工艺，特别涉及一种全径向的钌催化等温热壁塔反应器及工艺。

背景技术

氨是最为重要的基础化工产品之一，在国民经济中占有重要地位。氨主要用于农业，合成氨是氮肥工业的基础，氨本身是重要的氮素肥料，其他氮素肥料也大多是利用合成氨加工成尿素或各种铵盐肥料；同时氨也是重要的无机化学和有机化学工业基础原料，用于生产铵、胺、燃料、***、制药、合成纤维、合成树脂的原料。

目前，用于合成氨生产的固定床反应器种类较多。固定床反应器又称填充床反应器，装填有固体催化剂或固体反应物用以实现多相反应过程的一种反应器。固体催化剂通常呈颗粒状，堆积成一定高度(或厚度)的床层，床层静止不动，流体通过床层进行反应。固定床反应器用于实现合成氨这类气固相催化反应时，床层中填装固体催化剂，如铁基催化剂与钌基催化剂。

合成氨是由氮和氢在高温、高压和催化剂下直接合成的，合成氨的反应方程式为:3H₂+N₂→2NH₃+Q，该反应为放热反应。一方面，合成氨催化剂需要一定的催化温度，在反应过程中，需要将反应气体氮和氢加热到相应的温度；另一方面，随着反应的进行，温度不断升高，温度太高会致使催化剂的活性衰退。因此，合成氨的反应既需要对反应气体进行加热，又需要不断移走热量，使温度保持在合适的范围内。

为此，中国专利文献CN105883852A公开了一种氨合成反应***及氨合成反应方法，其氨合成反应***包括氨合成塔、组合式废锅、给水加热器、循环气热交换器、水冷器、组合式氨冷器、二氨冷器、氨分离器、液氨槽、循环机和开工加热炉，该技术方案通过利用开工加热炉加热待反应的气体，并使用组合式废锅对反应后产生的热量进行回收。该技术方案使用了独立的部件对反应前后的气体进行温度调节，且反应过程中每一床层的催化剂处于绝热过程，使床层里催化剂存在较大温度梯度，反应温度温差较大，催化效率不理想，且部分催化剂会处于高温环境，对催化剂的使用寿命有不利影响。

合成氨反应过程中的温度控制对反应至关重要，上述技术通过使用独立的开工加热炉和组合式废锅来实现温度调控，设备复杂，且不能及时调节催化剂的温度，而钌基氨合成催化剂采用石墨化活性炭为载体，超温容易引起载体甲烷化，降低催化剂的寿命，也会使催化剂的效率下降。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于现有合成氨反应器存在反应温度不易控制和设备复杂的缺陷，从而提供一种铁钌连串接力等温合成氨反应器。

本发明要解决的另一个技术问题在于克服现有合成氨反应器存在反应温度不易控制和设备复杂的缺陷，从而提供一种采用铁钌连串接力等温合成氨反应器的合成氨工艺。

为此，本发明提供了一种合成氨反应器，包括壳体，还包括，

若干用于原料气通过的换热管，沿所述壳体的轴向间隔布置于其内，所述换热管的一端设置与其连通的第一原料气进口，相对端设置与其连通的原料气出口；

催化剂床层，填充于所述壳体内壁与换热管之间和/或相邻换热管之间，所述原料气出口与所述催化剂床层的内腔连通，以使经所述换热管预热后的原料气在流经所述催化剂床层时发生合成氨反应。

进一步地，所述合成氨反应器还包括，

集气管，沿所述催化剂床层的高度方向伸入所述壳体内部，沿所述集气管的轴向在其管壁上开设若干进气口，以使经过所述催化剂床层反应后所得反应气通过所述进气口进入所述集气管内而被收集。

进一步地，所述集气管沿所述壳体的中心线布置于所述壳体内，且所述集气管一端从所述壳体内部延伸至外界，以形成反应气出口端，所述换热管排布于所述集气管与壳体内壁之间。

进一步地，所述集气管管壁上的开孔率为20～40％，所述进气口的孔径为4～20mm，更进一步优选地，所述开孔率为25～40％，所述进气口的孔径为5～15mm，。

进一步地，所述合成氨反应器还包括，

第二原料气进口，与所述原料气出口同侧且靠近所述壳体侧壁设置于所述壳体上，所述第二原料气进口与所述原料气出口连通，以使换热管内的原料气进入催化剂床层并反应。

进一步地，所述合成氨反应器还包括，

气体分布单元，具有锥形或半球形本体，所述锥形或半球形本体的大口端与所述换热管一端连通，相对端设置所述第一原料气进口；

气体收集单元，具有锥形或半球形壳体，所述锥形或半球形壳体的大口端与所述换热管的另一端连通，相对端设置所述原料气出口，以收集换热管内的原料气。

进一步地，所述壳体的高径比为8～20:1。

进一步地，所述壳体为单层，不设置内壳。

进一步地，所述催化剂床层的厚度与所述壳体的高度之比为1:8～20。

进一步地，所述催化剂床层包括若干种催化剂层，相邻催化剂层间设置分割两者的瓷球层。

进一步地，所述催化剂床层由上催化剂层和下催化剂层组成，所述上催化剂层填装铁基氨合成催化剂，所述下催化剂层填装钌基氨合成催化剂，所述铁基氨合成催化剂和所述钌基氨合成催化剂的装填体积之比为1:1～4。

再者，本发明还提供了上述合成氨反应器的合成氨工艺，包括如下步骤:

向所述第一原料气进口中通入原料气，所述原料气进入所述换热管内并与所述催化剂床层间接换热；

预热后的原料气从所述原料气出口出来，进入所述壳体内并径向扩散通过所述催化剂床层，在所述催化剂床层中发生合成氨反应。

进一步地，所述原料气为氢气和氮气，氢气和氮气的质量比为2～4.5:1。

进一步地，所述原料气在所述换热管内的空速为8000～15000h^-1，压力为9～12MPa，更进一步优选地，所述原料气在所述换热管内的空速为10000h^-1，压力为10MPa。

进一步地，所述催化剂床层的温度为400～520℃，压力为9～12MPa，更进一步优选，所述催化剂床层的温度为410～480℃，压力为9～10MPa。

进一步地，所述换热管中的压力与所述催化剂床层中的气体压力相同。

本发明技术方案，具有如下优点:

1、本发明提供的合成氨反应器，可进行高效的热传递，预热原料气，具有节能降耗的优点。换热管穿过催化剂床层，催化剂反应热通过与换热管内流动的原料气热交换，实现了热量传递，原料气经预热后再进入催化剂床层进行反应。原料气在进入催化剂床层时温度可达360℃，利于氨合成反应的进行，具有节能降耗的优点。

2、本发明提供的合成氨反应器，通过热交换，可使催化剂处于合适的温度，保证催化剂的高活性与运行的长期稳定性。氨合成反应为放热反应，而随着热量积累，温度太高会使催化剂失活，本发明的反应器中的换热管穿过催化剂床层，冷的原料气流经换热管时与催化剂反应热发生热交换，使催化剂的温度保持在405～450℃，避免了催化剂因高温而发生失活。使用传统的氨合成反应器，因温度控制不及时或不灵敏，催化剂使用1～2年就开始衰退，而使用本发明提供的合成氨反应器，催化剂使用3～5年才开始衰退

3、本发明提供的合成氨反应器的反应工艺，换热管内气体压力和壳体内腔中的催化剂反应床层的反应压力相同或相差较小，相对于水等常用的液相冷却介质安全性更高。

4、本发明提供的合成氨反应器的反应工艺，可提高催化剂转化效率，转化率为15％～20％，较常规催化效率有显著提高，从而减少排放，减少环境污染，提高经济效益。本发明的反应器及其工艺易于放大，可用于3～18万吨/年氨生产规模。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为合成氨反应器的结构示意图；

附图标记:

1-壳体；2-气体分布单元；21-第一原料气进口；3-换热管；4-气体收集单元；41-原料气出口；5-催化剂床层；51-第二原料气进口；6-集气管；61-进气孔；62-反应气出口端。

具体实施方式

提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。

实施例1

参考图1，本实施例提供了一种合成氨反应器，包括壳体1，其高径比为8～20:1；设有若干换热管3，沿壳体1的轴向间隔布置于其内，用以通过原料气，换热管3的一端经气体分布单元2与第一原料气进口21相通，相对端经气体收集单元4与原料气出口41相通；催化剂床层5，填充于壳体1的内壁与换热管3之间和/或相邻换热管3之间，原料气出口41与催化剂床层5的内腔连通，以使经换热管3预热后的原料气在流经催化剂床层5时发生合成氨反应。

氮气和氢气由第一原料气进口21通入气体分布单元2，接着进入各换热管3，换热管3穿过催化剂床层5，催化剂反应热与换热管3内流动的氮气和氢气发生热交换，氮气和氢气经预热后进入催化剂床层5，进行催化反应。原料气在反应前得到了加热，有利于氨合成反应的进行，具有节能降耗的优点；

进一步地，如图1所示，气体分布单元2，具有锥形或半球形本体，锥形或半球形本体的大口端与换热管3一端连通，相对端设置第一原料气进口21，这样便于原料气及时分布到各个换热管3中；

气体收集单元4，具有锥形或半球形壳体，锥形或半球形壳体的大口端与换热管3的另一端连通，相对端设置原料气出口41；具体地，气体收集单元4可套设于所述壳体内部，且小口端从壳体1内部延伸至外界形成原料气出口41，这样能将预热后的原料气及时收集并引入催化剂床层5中。

实施例2

为了提高热交换效率和催化反应效率，在上述实施例1的基础上，本实施例中原料气出口41经第二原料气进口51与催化剂床层5的内腔连通，且第二原料气进口51设置于壳体1上，与原料气出口41同侧且靠近壳体1的侧壁；反应器还设有集气管6，其沿壳体1的中心线布置于壳体1内，沿集气管3的轴向在其管壁上开设若干进气口61，进气口61的孔径为4～20mm，开孔率为20～40％，以使经过催化剂床层5反应后所得反应气通过进气口61进入集气管6内而被收集，且集气管一端从壳体1内部延伸至外界，以形成反应气出口端62；

换热管3排布于集气管6与壳体1内壁之间。

应用该改进的实施方式，使经换热管3预热后的原料气在流经催化剂床层5时通过轴向扩散进入催化剂层发生合成氨反应，催化效率高。换热管3穿过催化剂床层5时，冷的原料气流经换热管3时与催化剂反应热发生高效热交换，使催化剂的温度保持在405～450℃，避免了催化剂因高温而发生失活，延长了催化剂的使用寿命。

实施例3

在保证催化剂床层不会超温的情况下，为了进一步提高催化效率，在实施例1或2的基础上，本实施例中催化剂床层5包括若干种催化剂层，相邻催化剂层间设置分割两者的瓷球层；具体地，沿壳体1的高度方向，从上至下，催化剂床层5为一层铁基氨合成催化剂和一层钌基氨合成催化剂层，或者一层铁基氨合成催化剂和二层钌基氨合成催化剂层，或者一层铁基氨合成催化剂和三层钌基氨合成催化剂层，或者二层铁基氨合成催化剂和二层钌基氨合成催化剂层，催化剂床层5的厚度与壳体1的高度之比为1：8-20；更具体地，催化剂床层5由上催化剂层和下催化剂层组成，上催化剂层填装铁基氨合成催化剂，下催化剂层填装钌基氨合成催化剂，铁基氨合成催化剂和钌基氨合成催化剂的装填体积之比为1:1-4，催化剂床层5能覆盖集气管3管壁上的进气口61，这样能避免气体不经过催化剂床层5而直接进入集气管3中，提高催化剂的转化效率。

实施例4

本实施例提供了实施例3提供的合成氨反应器的反应工艺。向第一原料气进口21通入氢气和氮气的混合气，氢气和氮气的体积比为2.5:1，温度为175℃，原料气进入换热管3的空速为10000h^-1，压力为10MPa。催化剂床层5内的热点温度为400～480℃，压力为10MPa。经检测，进入第二原料气进口51的原料气的温度为360～390℃；收集催化剂床层反应后的出口端62的气体进行检测，本工艺的合成氨转化率大于17.5％

实施例5

本实施例提供了实施例3提供的合成氨反应器的反应工艺。向第一原料气进口21通入氢气和氮气的混合气，氢气和氮气的体积比为3:1，温度为170℃，原料气进入换热管3的空速为8000h^-1，压力为10MPa。催化剂床层5内的热点温度为410～450℃，压力为10MPa。经检测，进入第二原料气进口51的原料气的温度为380～400℃；收集催化剂床层反应后的出口端62的气体进行检测，本工艺的合成氨转化率大于18％

实施例6

本实施例提供了实施例3提供的合成氨反应器的反应工艺。向第一原料气进口21通入氢气和氮气的混合气，氢气和氮气的体积比为3:1，温度为180℃，原料气进入换热管3的空速为15000h^-1，压力为9MPa。催化剂床层5内的温度为420～440℃，压力为9MPa。经检测，进入第二原料气进口51的原料气的温度为390～400℃；收集催化剂床层反应后的出口端62的气体进行检测，本工艺的合成氨转化率大于17％

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种合成氨反应器，包括壳体，其特征在于，还包括，

若干用于原料气通过的换热管，沿所述壳体的轴向间隔布置于其内，所述换热管的一端设置与其连通的第一原料气进口，相对端设置与其连通的原料气出口；

催化剂床层，填充于所述壳体内壁与换热管之间和/或相邻换热管之间，所述原料气出口与所述催化剂床层的内腔连通，以使经所述换热管预热后的原料气在流经所述催化剂床层时发生合成氨反应。

2.根据权利要求1所述的合成氨反应器，其特征在于，还包括，

集气管，沿所述催化剂床层的高度方向伸入所述壳体内部，沿所述集气管的轴向在其管壁上开设若干进气口，以使经过所述催化剂床层反应后所得反应气通过所述进气口进入所述集气管内而被收集。

3.根据权利要求2所述的合成氨反应器，其特征在于，所述集气管沿所述壳体的中心线布置于所述壳体内，且所述集气管一端从所述壳体内部延伸至外界，以形成反应气出口端，所述换热管排布于所述集气管与壳体内壁之间；和/或，

所述集气管管壁上的开孔率为20～40％，所述进气口的孔径为4～20mm。

4.根据权利要求3所述的合成氨反应器，其特征在于，还包括，

第二原料气进口，与所述原料气出口同侧且靠近所述壳体侧壁设置于所述壳体上，所述第二原料气进口与所述原料气出口连通，以使换热管内的原料气进入催化剂床层并反应。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的合成氨反应器，其特征在于，还包括，

气体分布单元，具有锥形或半球形本体，所述锥形或半球形本体的大口端与所述换热管一端连通，相对端设置所述第一原料气进口；

气体收集单元，具有锥形或半球形壳体，所述锥形或半球形壳体的大口端与所述换热管的另一端连通，相对端设置所述原料气出口，以收集换热管内的原料气。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的合成氨反应器，其特征在于，所述壳体的高径比为8～20：1；

所述催化剂床层的厚度与所述壳体的高度之比为1：8～20。

7.根据权利要求1～6中任一项所述的合成氨反应器，其特征在于，所述催化剂床层包括若干种催化剂层，相邻催化剂层间设置分割两者的瓷球层。

8.根据权利要求7所述的合成氨反应器，其特征在于，所述催化剂床层由上催化剂层和下催化剂层组成，所述上催化剂层填装铁基氨合成催化剂，所述下催化剂层填装钌基氨合成催化剂，所述铁基氨合成催化剂和所述钌基氨合成催化剂的装填体积之比为1:1～4。

9.一种采用权利要求1～8任一项所述的合成氨反应器的合成氨工艺，包括如下步骤：

向所述第一原料气进口中通入原料气，所述原料气进入所述换热管内并与所述催化剂床层间接换热；

预热后的原料气从所述原料气出口出来，进入所述壳体内并径向扩散通过所述催化剂床层，在所述催化剂床层中发生合成氨反应。

10.根据权利要求9所述的合成氨工艺，其特征在于，所述原料气在所述换热管内的空速为8000～15000h^-1，压力为9～12MPa；

所述催化剂床层的温度为400～520℃，压力为9～12MPa。