RU2608092C2 - Реактор синтеза аммиака с разделенным потоком и трубчатой насадкой - Google Patents
Реактор синтеза аммиака с разделенным потоком и трубчатой насадкой Download PDFInfo
- Publication number
- RU2608092C2 RU2608092C2 RU2015120312A RU2015120312A RU2608092C2 RU 2608092 C2 RU2608092 C2 RU 2608092C2 RU 2015120312 A RU2015120312 A RU 2015120312A RU 2015120312 A RU2015120312 A RU 2015120312A RU 2608092 C2 RU2608092 C2 RU 2608092C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- catalyst
- reaction
- reactor
- ammonia
- gas
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J8/00—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
- B01J8/02—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds
- B01J8/04—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds the fluid passing successively through two or more beds
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01C—AMMONIA; CYANOGEN; COMPOUNDS THEREOF
- C01C1/00—Ammonia; Compounds thereof
- C01C1/02—Preparation, purification or separation of ammonia
- C01C1/04—Preparation of ammonia by synthesis in the gas phase
Landscapes
- Devices And Processes Conducted In The Presence Of Fluids And Solid Particles (AREA)
Abstract
Изобретение относится к получению синтетического аммиака каталитическим взаимодействием газообразного сырьевого потока, содержащего азот и водород. Реактор синтеза аммиака содержит вертикальный цилиндрический корпус, механически изолированные реакционные зоны с катализатором, расположенные друг над другом, газоходы для обхода реакционных зон газами, относящимися к другим реакционным зонам, и теплообменные трубки, находящиеся в слое катализатора для охлаждения реакционных зон. Изобретение обеспечивает повышение концентрации аммиака на выходе реакционной зоны, а также пониженное гидравлическое сопротивление слоев катализатора. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.
Description
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к получению синтетического аммиака каталитическим методом при взаимодействии газообразного сырьевого потока, содержащего азот и водород.
Уровень техники
Из уровня техники известно множество различных конструкций реакторов для синтеза аммиака из азота и водорода в газовой фазе в неподвижном слое катализатора.
Конструкция реактора осложняется тем, что реакция синтеза аммиака является экзотермической и протекает при высоких температурах и давлениях. Потому реактор имеет высокую стоимость.
Кроме того, равновесие в реакции синтеза аммиака из азота и водорода сильно смещено влево. Например, в крупнотоннажных производствах при давлении синтеза 323 атм и средней температуре контактирования 500°С концентрация аммиака на выходе реактора составляет около 18%. Это влечет большие энерго-механические затраты на компримирование свежего синтез-газа на его циркуляцию.
Наиболее важными параметрами для снижения стоимости реактора являются уменьшение его объема и диаметра (относительно производительности), а для снижения энергомеханических потерь - увеличение концентрации аммиака на выходе из реактора и снижение газодинамического сопротивления реактора.
В 70-х годах прошлого века на крупнотоннажных агрегатах производства аммиака широкое распространение получила конструкция аксиального типа, в которой реакционная смесь движется через слои катализатора вдоль оси реактора. Реакторы насчитывали 3-4 катализаторных слоя (полки) перед каждым из которых был устроен подвод газа через «холодный байпас» - для снижения температуры реакционной смеси.
Основной объем газа (65-80%) пропускался последовательно через все слои катализатора (Синтез аммиака, под редакцией КТН Кузнецова Л.Д., М. Химия 1982). Реакция протекала с ступенчатым снижением температуры реакционной смеси и резким снижением концентрации аммиака перед каждым слоем катализатора (см. фиг. 1).
Недостатком такой конструкции являлось высокое гидравлическое сопротивление слоев катализатора и снижение концентрации аммиака на выходе колонны из-за постоянного разбавления реакционной смеси газом с низким содержанием аммиака через «холодные байпасы».
В последнее время наиболее широкое распространение получила конструкция реактора радиально-аксиального типа (RU 2070827, 27.12.1996; US 4372920, 8.02.1983). Реакционный газ последовательно проходит две катализаторных зоны: радиальную (поперечно оси реактора) и аксиальную (вдоль оси реактора). Использование радиальной конструкции позволяет заметно снизить гидравлическое сопротивление.
Охлаждение реакционного газа между слоями катализатора осуществляется с помощью встроенного промежуточного теплообменника. Это позволяет избежать разбавления реакционного газа, снизить температуру в реакционной зоне и, как следствие, увеличить концентрацию аммиака на выходе реактора (фиг. 2).
Наиболее существенными недостатками конструкции радиального типа являются: неравномерное распределение газового потока по слою, влияние усадки катализатора, возможность псевдоразжижения катализатора в верхнем слое, сложность создания оптимального температурного режима (поля температур), усложнение загрузки и выгрузки катализатора.
Именно по этим причинам используется комбинированный тип реактора - радиально-аксиальный, частично снижающий влияние недостатков чисто аксиальной и чисто радиальной конструкции, но, в целом, сохраняющий перечисленные недостатки обеих конструкций.
Кроме того, из уровня технического развития известна конструкция реактора синтеза аммиака с трубчатой насадкой (использовалась в агрегатах производства аммиака мощностью 100-300 т/сут). В таких реакторах реакционный газ пропускался через слои катализатора аксиально, катализатор пронизывался теплообменными трубками холодного байпаса или основного потока газа, поступающего в реактор. Таким образом, в слое катализатора одновременно проходило выделение тепла реакции синтеза и его отведение через теплообменные трубки. Один из вариантов такой конструкции описан в RU 2241667, 10.12.2004.
Преимущество конструкции с трубчатой насадкой состоит в приближении температурного режима к оптимальному и высокой устойчивости процесса. Кроме того, такая конструкция была относительно проста и надежна.
Недостатком такой конструкции является высокое гидравлическое сопротивление, в связи с чем она не нашла применение на крупнотоннажных агрегатах производства аммиака.
Кроме того, известны способы, позволяющие снижать гидравлическое сопротивление контактных аппаратов с ограниченной площадью поперечного сечения (RU 2469765, 20.12.2012; US 7081230 В2, 25.07.2006). Аппарат устраивается таким образом, что реакционный поток разделяется на две (или более) части, каждая из которых направляется в свою, изолированную, часть аппарата, где и протекают реакции; причем эти реакционные зоны разделены по высоте аппарата. Затем потоки снова объединяются. Таким образом, искусственно удваивается (или утраивается и т.д. - по количеству потоков) поперечное сечение реакционной зоны, снижается скорость течения реакционной смеси и снижается гидравлическое сопротивление при исходном диаметре аппарата.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является конструкция, описанная в US 7081230. Синтез-газ перед первой полкой разделяется на два потока. Промежуточные катализаторные полки также разделены на две части, расположенные одна над другой и механически изолированные. Таким образом каждый поток пропускается через свои полки, гидравлическое сопротивление снижается. Охлаждение газа производится во встроенном теплообменнике после выхода реакционного газа из полки.
Протекание реакции в такой конструкции соответствует диаграмме фиг. 2.
Таким образом, прототип содержит уже известные ранее недостатки: неоптимальный температурный режим (теплообменник находится между слоями катализатора), усложнение загрузки и выгрузки катализатора.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является реактор синтеза аммиака, в котором реакция протекает при оптимальной температуре (чтобы концентрация аммиака на выходе аппарата была как можно выше), и, в тоже время, чтобы такой реактор обладал пониженным гидравлическим сопротивлением при аналогичном диаметре.
Этого достигают согласно изобретению благодаря тому, что:
a) реакционный газ в ходе реакции непрерывно охлаждается с помощью теплообменных трубок, находящихся в слое катализатора;
b) поток реакционного газа в реакторе разделяется на две или более части, и каждый поток протекает через свой индивидуальный слой (или слои) катализатора.
Структурная схема такого реактора показана на фиг. 4, где условно отображен реактор (101), слои катализатора (102), потоки реакционного газа (103) и охлаждающего вещества (104).
Техническим результатом, по сравнению с прототипом, является более высокая концентрация аммиака на выходе реакционной зоны, достигаемая благодаря непрерывному охлаждению реакционного газа в ходе реакции.
По сравнению со всеми другими известными конструкциями техническим результатом является снижение гидравлического сопротивления реактора.
Описание чертежей
Фиг. 1 - диаграмма протекания реакции в реакторе аксиального типа в координатах температура/концентрация аммиака.
Фиг. 2 - диаграмма протекания реакции в реакторе радиально-аксиального типа и реакторе-прототипе в координатах температура/концентрация аммиака.
Фиг. 3 - диаграмма протекания реакции в изобретенном реакторе в координатах температура/концентрация аммиака.
Фиг. 4 - структурная схема изобретенного реактора.
Фиг. 5 - вариант устройства реактора синтеза в продольном разрезе.
Осуществление изобретения
Рассмотрим пример реализации реактора (см. фиг. 5) на основе раскрытых в изобретении принципов.
Основной поток циркуляционного газа (около 40…50%) вводится в реактор снизу (201) и поднимается вверх по кольцевому зазору между корпусом и внутренней обкладкой (202).
Далее газ пропускают через межтрубное пространство встроенного в головку реактора теплообменника (203) и разделяют на два равных потока, каждый их которых направляется в свою часть аппарата - второй поток свободно проходит по газоходу (204) сквозь верхнюю половину аппарата в нижнюю.
Далее каждый из потоков смешивается с газами холодных байпасов (205), поступающими через теплообменные катализаторные трубки (206, 207), и с температурой начала реакции (390…420°С) подают на верхний слой катализатора (208, 209).
Реакционный газ начинает бурно реагировать с выделением тепла, разогревается до температуры максимальной скорости реакции (480…500°С) и, продвигаясь дальше через слой катализатора, непрерывно охлаждается до температур, близких к температуре начала реакции (410…430°С), при которых равновесная концентрация аммиака максимальна (37…33% об. для давления синтеза 24 МПа и содержания инертных газов 9%).
Замечу, что равновесная концентрация аммиака в реакторах с теплообменником между слоями, например, как в реакторе-прототипе, составляет 20% об. (для температуры газа на выходе из слоя катализатора 460°С), измеренная концентрация аммиака на выходе реактора составляет 18.5…19% об.
Учитывая, что снижение температуры газа на выходе из катализаторной зоны с 460°С до 420°С уменьшит скорость реакции всего на 3%, а время нахождения газа в зоне реакции увеличится практически вдвое, можно ожидать, что концентрация аммиака на выходе катализаторной зоны изобретенного реактора будет близка к равновесной и составит 34…31% об.
Далее прореагировавший поток из нижней части аппарата по центральному газоходу (210) поднимается вверх - по пути смешиваясь с прореагировавшим газом верхней половины аппарата. Общий поток из центрального газохода пропускают через трубное пространство встроенного в головку реактора теплообменника (203), охлаждают основной поток газа, поступающего в реактор, и выводят (214) из реактора.
Подача газа холодных байпасов (205) в теплообменные трубки (206, 207) осуществляется таким образом, чтобы создать возможность регулирования температурного поля при изменяющихся условиях реакции. Например, на фиг. 4 одна часть газа холодных байпасов охлаждает катализаторный слой по всей высоте, а вторая часть охлаждает верхний, наиболее нагруженный слой.
Для экономии сечения реактора в показанном примере в качестве теплообменных катализаторных трубок предложены трубки Пито. Кроме того, как показала практика использования трубчатых реакторов, такая конструкция (т.н. насадка с двойными прямоточными трубками) обеспечивает наиболее благоприятный температурный режим (Синтез аммиака, под редакцией КТН Кузнецова Л.Д., М.: Химия, 1982).
Выходя из охлаждающих трубок, газ «холодных байпасов» смешивают с газом основного потока и направляют на верхний слой катализатора. В дальнейшем смешение реакционного газа с газом «холодных байпасов» исключается и, таким образом, не происходит разбавление реакционного газа, что позволяет получить максимальную концентрацию аммиака на выходе из реактора.
Загрузка и выгрузка катализатора может осуществляться через верхние (211) и нижние люки (212) без необходимости снятия крышки реактора и демонтажа насадки. На фиг. 5 показан способ устройства загрузочных и выгрузочных труб, в которых разделение катализатора двух реакционных зон осуществляется с помощью продольной перегородки (213, 214), проходящей внутри трубы и доходящей до общего люка.
Для аварийной разгрузки катализатора предусматривается возможность демонтажа теплообменных труб через демонтированную крышку реактора.
Показанный в примере реактор можно получить в результате реконструкции действующих реакторов крупнотоннажных производств аммиака.
Claims (8)
1. Реактор синтеза аммиака, содержащий, по крайней мере:
вертикальный цилиндрический корпус,
две или более расположенные друг над другом механически изолированные реакционные зоны с катализатором для работы с двумя или более нисходящими параллельными потоками,
газоходы для свободного обхода реакционных зон газами, относящимися к другим реакционным зонам,
теплообменные трубки, находящиеся в слое катализатора для охлаждения реакционных зон.
2. Реактор по п. 1, в котором в каждой реакционной зоне может присутствовать два или более слоя катализатора.
3. Реактор по п. 2, в котором по крайней мере один слой катализатора снабжен теплоотводящими трубками.
4. Реактор по п. 1, в котором катализатор располагается внутри трубок, а охлаждающее вещество подается в межтрубное пространство.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015120312A RU2608092C2 (ru) | 2015-05-29 | 2015-05-29 | Реактор синтеза аммиака с разделенным потоком и трубчатой насадкой |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015120312A RU2608092C2 (ru) | 2015-05-29 | 2015-05-29 | Реактор синтеза аммиака с разделенным потоком и трубчатой насадкой |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2015120312A RU2015120312A (ru) | 2016-12-20 |
RU2608092C2 true RU2608092C2 (ru) | 2017-01-13 |
Family
ID=57759183
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015120312A RU2608092C2 (ru) | 2015-05-29 | 2015-05-29 | Реактор синтеза аммиака с разделенным потоком и трубчатой насадкой |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2608092C2 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US11065591B2 (en) | 2017-12-20 | 2021-07-20 | Haldor Topsoe A/S | Method and reactor for performing exothermic reactions |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN107055570B (zh) * | 2017-03-21 | 2023-07-25 | 武汉金中石化工程有限公司 | 低压合成氨设备及低压合成氨方法 |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4372920A (en) * | 1979-07-13 | 1983-02-08 | Ammonia Casale S.A. | Axial-radial reactor for heterogeneous synthesis |
RU2241667C1 (ru) * | 2001-03-31 | 2004-12-10 | Герт УНГАР | Каталитический способ производства аммиака из синтез-газа |
RU2344077C2 (ru) * | 2002-11-15 | 2009-01-20 | КЕЛЛОГГ БРАУН ЭНД РУТ ЭлЭлСи | Вертикальный аммиачный конвертер с раздельным потоком |
RU2469765C2 (ru) * | 2008-02-27 | 2012-12-20 | КЕЛЛОГГ БРАУН ЭНД РУТ ЭлЭлСи | Контактор с разделенным потоком |
-
2015
- 2015-05-29 RU RU2015120312A patent/RU2608092C2/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4372920A (en) * | 1979-07-13 | 1983-02-08 | Ammonia Casale S.A. | Axial-radial reactor for heterogeneous synthesis |
RU2241667C1 (ru) * | 2001-03-31 | 2004-12-10 | Герт УНГАР | Каталитический способ производства аммиака из синтез-газа |
RU2344077C2 (ru) * | 2002-11-15 | 2009-01-20 | КЕЛЛОГГ БРАУН ЭНД РУТ ЭлЭлСи | Вертикальный аммиачный конвертер с раздельным потоком |
RU2469765C2 (ru) * | 2008-02-27 | 2012-12-20 | КЕЛЛОГГ БРАУН ЭНД РУТ ЭлЭлСи | Контактор с разделенным потоком |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US11065591B2 (en) | 2017-12-20 | 2021-07-20 | Haldor Topsoe A/S | Method and reactor for performing exothermic reactions |
US11161084B2 (en) | 2017-12-20 | 2021-11-02 | Haldor Topsoe A/S | Cooled axial flow converter |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2015120312A (ru) | 2016-12-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2398733C2 (ru) | Конвертерная система с максимальной скоростью реакции для экзотермических реакций | |
US20220289583A1 (en) | Chemical Reactor with Integrated Heat Exchanger, Heater, and High Conductance Catalyst Holder | |
US5520891A (en) | Cross-flow, fixed-bed catalytic reactor | |
CA2337824C (en) | Radial flow reactor | |
RU2753027C2 (ru) | Реактор для проведения экзотермических равновесных реакций | |
KR20200096929A (ko) | 냉각 축 유동 변환기 | |
EP2610001A1 (en) | Adiabatic multi-bed catalytic converter with inter-bed cooling and a related process | |
KR20190070990A (ko) | 피셔-트롭쉬 공정에서 촉매 활성화 방법, 반응기 및 탄화수소를 얻는 방법 | |
RU2608092C2 (ru) | Реактор синтеза аммиака с разделенным потоком и трубчатой насадкой | |
CN108554321A (zh) | 一种适用于强放热体积减小的催化反应器 | |
US3372988A (en) | Process and apparatus for performing reactions in the gaseous phase | |
RU2150995C1 (ru) | Способ и реактор для гетерогенного экзотермического синтеза формальдегида | |
JP2010013422A (ja) | メタノール合成反応器およびメタノール合成方法 | |
EP0550525A1 (en) | HIGH CONVERSION AMMONIA SYNTHESIS. | |
JP5046437B2 (ja) | アンモニアを製造するための方法及び装置 | |
JP2008537507A (ja) | 気体反応物からの液体生成物および任意に気体生成物の生成 | |
RU2020133934A (ru) | Способ многоступенчатого получения метанола | |
KR20020070645A (ko) | 내부 열교환기를 구비한 얇은 멀티 스테이지형 촉매리액터 및 그 사용 | |
JP6732972B2 (ja) | 不均一系触媒気相反応を行うための装置および方法 | |
JPH10310423A (ja) | アンモニアを製造する方法および装置 | |
KR20200096928A (ko) | 단열 축 유동 변환기 | |
KR101672601B1 (ko) | 탈수소화 반응기 | |
RU2539984C1 (ru) | Реактор со стационарным слоем катализатора | |
RU2588617C1 (ru) | Способ проведения экзотермических и эндотермических каталитических процессов частичного превращения углеводородов и реакторная группа для его осуществления | |
RU2020133944A (ru) | Способ получения метанола посредством многоступенчатого синтеза |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170530 |