冷壁水平氨转化器的制作方法

本申请是2009年5月7日提交的题为“冷壁水平氨转化器”的pct/us2009/002828号发明专利申请的分案申请，原申请进入中国国家阶段获得的国家申请号为200980119755.0。

本发明的实施方案通常涉及放热合成的方法。更具体的，本发明的实施方案涉及使用一种或多种催化剂床来合成氨和其他化学品的方法。

相关领域描述

常规的放热化学合成反应器特征在于具有放热反应室，该反应室具有包含在催化剂容纳篮或者“篮子”(其位于外压力壳中)中的催化剂床。该催化剂床包含在篮子中，以使得外压力壳不直接曝露于放热合成反应固有的高温。该外压力壳典型的是如下来冷却的：使反应器原料气流过在所述篮子外面和外压力壳内面之间所形成的环形空间。在原料气送入到催化剂床之前，从发生在篮子内的放热反应传递到原料气的热量将该原料气预热到所需的反应温度。该预热的原料气然后直接送到催化剂床中或者经由内热交换器送到催化剂床，这里至少一部分的该流体被转化成副产物例如氨或者其他已知的化学化合物。

通过在篮子和外压力壳之间的环形空间中的放热合成所产生的热和压力是显著。该篮子的设计必须通过提高篮子的壁厚和选择篮子耐受放热方法过程中所产生的热所必需的其他冶金参数，来考虑在催化剂床中反应的物理事实。该外压力壳的设计还必须考虑这些物理事实，这是因为在引入到篮子中之前，外壳被曝露于原料气预热过程中显著的热和压力等。该冶金要求会导致在放热反应室设计和建造中大的成本。因此这里需要提供一种新的系统和方法，其能够降低放热反应室的冶金需求，包括在氨或者其他已知的化学品生产中所用的这些反应室。

附图说明

因此在其中能够更详细的理解本发明上述特征的方式，本发明更具体的说明，上述的简要总结可以参考实施方案来进行，该实施方案中的一些表示在附图中。但是，应当注意的是该附图仅仅表示了本发明典型的实施方案，因此不认为是对它范围的限制，因为本发明可以用于其他同等有效的实施方案。

图1表示了根据一种或多种实施方案的一种生产氨和/或其他化学品的示例性的冷壁合成反应器的示意图。

图2表示了根据一种或多种实施方案的一种使用冷壁合成反应器生产氨的示例性系统的示意图。

图3表示了根据一种或多种实施方案的一种使用一种或多种主合成反应器和一种或多种第二合成反应器生产氨的示例性系统的示意图。

具体实施方式

现在将提供详细的说明。每个从属权利要求定义了单独的本发明，从侵权保护的目的，其被认为包括了该权利要求中所述的不同元件或者限制的等价物。根据上下文，全部下面提到的“本发明”在某些情况中可以仅仅指的是某些具体的实施方案。在其他情况中提到“本发明”被认为是在一种或多种，但不必是全部的权利要求中所述的主题。现在在下面将更详细的描述每个本发明，包括具体的实施方案，版本和实施例，但是本发明不限于这些实施方案，版本或者实施例，其被包括来使得当本专利的信息与可利用的信息和工艺相结合时，本领域技术人员能够制造和利用本发明。

提供了用于合成一种或多种化学品，包括氨的系统和方法。在至少一种具体的实施方案中，氮气和氢气可以供给到布置在内壳中的反应区中。该内壳可以布置在外壳中，以使得在其之间形成空间。该反应区可以包括与所述空间间接热交换的至少一种催化剂床。氮气和氢气可以在至少一种催化剂存在下在反应区中反应，来形成含有氨的流出物。该流出物可以从内壳中回收，并且冷却来提供冷却的流出物流。冷却流体可以提供到外壳，来使得该冷却流体流过所述空间的至少一部分，并且与内壳的外部流体连通。至少一部分的该冷却的流出物可以提供至少一部分的冷却流体。该冷却流体然后可以从外壳中作为氨产物进行回收。

在至少一种其他具体的实施方案中，提供了一种合成反应器。该反应器可以包括布置在外壳中的内壳。第一空间可以在内壳中形成。该第一空间可以被称作反应区。第二空间可以在内壳和外壳之间形成。在一种或多种实施方案中，至少一部分的第二空间可以是环形空间。内壳和外壳可以是任何的形状或者尺寸。该合成反应器可以包括一种或多种布置在第一空间中的催化剂床。在一种或多种实施方案中，一种或多种催化剂可以布置在该一种或多种催化剂床中。该催化剂床中的催化剂可以改性来合成一种或多种化学品，例如氨。

在运行中，该合成反应器可以是设备或者装置中的主合成单元和/或第二合成单元。在一种或多种实施方案中，供料流可以引入到该反应区中，并且可以在催化剂和供料流之间发生放热反应。在一种或多种实施方案中，冷却流体可以流过该第二空间，来冷却所述内壳和外壳。在一种或多种实施方案中，可以对外壳进行冷却，以使得外壳温度可以保持在比内壳温度低的温度。该合成反应器可以被称作冷壁合成反应器。

图1表示了根据一种或多种实施方案的一种生产氨和/或其他化学品的示例性的冷壁合成反应器的示意图。在一种或多种实施方案中，反应器10可以包括布置在外壳12中的内壳20。反应区24可以在内壳20中形成。空间14可以在内壳20和外壳12之间形成。一种或多种催化剂床25可以布置在内壳20中。反应器10可以包括一种或多种管15，一种或多种内壳入口30，和一种或多种内壳出口35。该一种或多种管15，一种或多种内壳入口30和一种或多种内壳出口35可以与反应区24流体连通。外壳12可以包括一种或多种外壳入口40和一种或多种外壳出口45。该一种或多种外壳入口40和该一种或多种外壳出口45可以与空间14流体连通。在一种或多种实施方案中，内壳20和管15可以在外壳12中形成第一正压室(plenum)。外壳12可以形成包围着内壳20的第二正压室。在一种或多种实施方案中，外壳12、一种或多种外壳入口40和一种或多种外壳出口45可以形成包围着内壳20的第二正压室。

在一种或多种实施方案中，内壳20可以具有任何形状的横截面，包括圆形横截面。在一种或多种实施方案中，内壳20可以包括布置在内壳20内和/或外的翅片(未示出)。该翅片可以提高从反应区24和/或内壳20到空间14的热传递。

在一种或多种实施方案中，内壳20和一种或多种催化剂床25可以通过一种或多种管15来支撑在外壳12中。内壳20可以由连接到内壳20和外壳12上的第二结构(未示出)来支撑。内壳20可以通过任何已知的结构支撑件来支撑在外壳12内部。在一种或多种实施方案中，内壳20可以可取出的布置在外壳12内部。催化剂床25可以通过任何已知的结构支撑件来支撑在内壳20内部。在一种或多种实施方案中，一种或多种隔板(未示出)可以隔开两个或者多个催化剂床25。

在一种或多种实施方案中，一种或多种催化剂床25可以包含能够与氢气和氮气反应来产生氨的催化剂。包含在一种或多种催化剂床25中的催化剂可以是一种或多种铂族金属，碳基催化剂，磁铁矿和/或其组合。

在一种或多种实施方案中，外壳12可以具有任何形状的横截面，包括圆形横截面。在一种或多种实施方案中，外壳12可以包括布置在外壳12内和/或外的翅片(未示出)。该翅片可以提高从外壳12到空间14的热传递。

虽然未示出，但是一种或多种内壳20可以布置在外壳12内部。一种或多种内壳20可以彼此流体连通，并且可以彼此串联和/或平行配置。在一种或多种实施方案中，一种或多种内壳20可以具有一种或多种催化剂床25，该床布置在每个内壳20中来限定出一种或多种反应区24。

在一种或多种实施方案中，内壳20中全部的部件可以使用下面的材料来制成：不锈钢，因科镍铬合金(或称因科洛伊合金(incoloy))，因科镍合金(或称因科耐尔合金(inconel))，钛，其他高合金金属和/或其组合。在一种或多种实施方案中，外壳12可以使用下面的材料制成：碳钢，其他低合金金属和/或其组合。低合金金属会比高金属合金廉价。例如，购买低合金金属会比高合金金属便宜。使用低合金金属制作的部件比使用高合金金属制作的部件便宜。在一种或多种实施方案中，外壳12可以用比内壳20更低的成本来生产。在一种或多种实施方案中，高合金金属定义为含有8重量％或者更高的镍和/或铬的金属。在一种或多种实施方案中，高合金金属定义为含有6重量％或者更高的镍和/或铬的金属。在一种或多种实施方案中，低合金金属定义为含有小于6重量％镍和/或铬的金属。

应当理解虽然图1中的合成反应器10通常被表示为具有串联的催化剂床25的水平构造，但是这对于此处所述的一种或多种实施方案中的定向和/或催化剂床构造没有限制。例如，合成反应器10可以安装在常规的垂直构造中。在该垂直构造中，一种或多种催化剂床25可以在反应区24中上下叠置。流体可以从该垂直定向的合成反应器10顶部向该垂直定向的合成反应器10底部来流过反应区24。

在一种或多种实施方案中，在合成反应器10运行过程中，供料流32可以包含氮气和氢气，并且可以供给到内壳入口30。供料流32可以流过反应区24。供料流32可以从每个催化剂床25的顶部向底部流动。供料流32可以直接或者经由布置在内壳20内部的热交换器(未示出)，流过一种或多种催化剂床25。在催化剂床25的催化剂和供料流32之间发生的反应能够产生流出物37，其会具有比供料流32高的氨含量。流出物37可以从内壳出口35回收，用于进一步加工。对于上述供料流32的流动方向没有限制，并且在一种或多种实施方案中，供料流32可以从每个催化剂床25的底部流向顶部。

冷却介质，例如冷却流体22，可以用于除去供料流32与催化剂床25的催化剂之间的反应所产生的热量。在一种或多种实施方案中，冷却流体22可以供给到外壳入口40。空间14可以引导冷却流体22流过至少一部分的内壳20，并且可以与反应区24间接热交换。冷却流体22可以除去在供料流32与一种或多种催化剂床25的催化剂之间的反应所产生的至少一部分的反应热。该冷却流体然后可以导入外壳出口45和可以从该出口回收，用于下述的或者本领域已知的另外的用途。应当理解虽然内壳20和外壳12都仅仅示意了一个入口30，40和一个出口35，45，但是这里对于入口30，40和出口35，45的数目没有限制。

在一种或多种实施方案中，冷却流体22可以以与供料流32相反的方向流过空间14。在一种或多种实施方案中，冷却流体22可以以与供料流32相同的方向流过空间14。

在一种或多种实施方案中，冷却流体22可以是任何流体。在一种或多种实施方案中，冷却流体22可以传递来自内壳20和来自外壳12的热。在一种或多种实施方案中，外壳12可以冷却，以使得外壳12的温度可以保持在比内壳20的温度更低的温度，并且合成反应器10可以被称作冷壁合成反应器10。在一种或多种实施方案中，反应区24的平均温度可以保持在大约600°f-大约950°f的温度，并且外壳12的平均温度可以保持在大约100°f-大约600°f的温度。

反应区24和外壳12的平均温度可以通过引入冷却流体22来保持，该冷却流体的温度可以是大约95°f-大约600°f。在一种或多种实施方案中，反应区24和外壳12的平均温度可以通过引入冷却流体22来保持，该冷却流体的温度为大约95°f-大约400°f，并且其的质量流量是所述供料流的质量流量的大约10％-大约100％。

在一种或多种实施方案中，该一种或多种冷壁合成反应器10可以在设备或者装置中运行。该一种或多种冷壁合成反应器10可以彼此平行和/或串联的配置在设备中。该一种或多种冷壁合成反应器10可以是所述设备中的主和/或第二合成单元。

图2表示了根据一种或多种实施方案的一种使用冷壁合成反应器生产氨的示例性系统的示意图。在一种或多种实施方案中，氨设备100可以包括冷壁合成反应器10。该冷壁合成反应器10可以是作为主合成回路一部分的氨设备100的主氨反应器。该主合成回路可以包括一种或多种冷壁合成反应器10，一种或多种重整器50；一种或多种调整单元51；一种或多种冷却器或者冷凝/净化单元52；一种或多种氨回收单元55；和一种或多种氢气回收单元65。冷壁合成反应器10可以包括外壳12，内壳20，在该内壳20和外壳12之间形成的空间14，和在内壳20中形成的反应区24。

在运行中，重整器50可以将合成气或者供料流32供给到处于合适的压力和温度的冷壁合成反应器10中，用于氨合成。在一种或多种实施方案中，在供给到冷壁合成反应器10之前，供料流32可以在调整单元51中进行热调整和/或压缩。在一种或多种实施方案中，供料流32可以包括氮气和氢气，并且纯度为大约90-100vol％。供料流32可以包括氮气和氢气，并且纯度是大约97.5-99.5vol％。在一种或多种实施方案中，该供料流32可以包括大约50-大约75vol％的氢气和大约25-大约40vol％的氮气。

供料流32可以在反应区24中反应，并且所形成的流出物37可以导入到一种或多种冷却器52中用于冷却和/或用于氨冷却的热调整。在至少一些冷却之后，至少一部分的该冷却的流出物37可以作为至少一部分的冷却流体22导入到空间14中，用于冷却或者传递来自冷壁合成反应器10的热。在冷却流体22离开冷壁合成反应器10之后，冷却流体22可以导入一种或多种冷却器52中，用于氨的冷凝和净化，并且会以本领域已知的方式产生净化的氨93。

在一种或多种实施方案中，部分净化的氨的滑流84可以转移到氨回收单元55中，用作氨蒸馏的补充流体。闪蒸的制冷剂滑流54(其包含低压氨加上不可冷凝的气体和来自冷却器52中的制冷的其他蒸气)可以转移到氨回收单元55中，来分离水蒸气和不可冷凝的气体。氨回收单元55可以将改质的、低压氨蒸气82返回到冷却器52。氨回收单元55能够产生低压废气62，典型的是处于供料流32的质量流量的大约0.1-0.5％的低质量流量。

高压吹扫气体56可以取自氨回收单元55，来除去惰性气体例如氩气，二氧化碳和甲烷，该惰性气体会积聚在主合成回路中。吹扫气体56的至少一部分58可以送到氢气回收单元65。作为低压氢气68和高压氢气73回收的氢气可以用原料气32再循环到重整器50和冷壁氨合成单元10中。废气64(其包含主要的氮气加上较少比例的氩气，二氧化碳和甲烷)可以与废气62一起流向66。吹扫气体56的另一部分可以作为供料60供给到第二合成回路或者单元，其未示出。该第二合成单元可以是本领域已知的一种或多种第二合成单元，和/或一种或多种冷壁合成反应器10。

在一种或多种实施方案中，在初始氨设备100启动过程中，至少一部分的供料流32可以导入到空间14中，并且可以充当空间14中的初始冷却流体32添加料。在一种或多种实施方案中，在作为空间14中的初始添加料供给到空间14之前，至少一部分的供料流32可以导入一种或多种冷却器52中。

冷却流体22能够除去来自冷壁合成反应器10的热，以使得外壳12的平均温度能够保持为大约100°f-大约600°f。在一种或多种实施方案中，冷却流体22的平均温度可以保持在大约200°f-500°f。冷却流体22的平均温度可以保持为大约400°f-500°f。在一种或多种实施方案中，冷却流体22的质量流量可以保持为供料流32的大约10％-大约100％。在一种或多种实施方案中，冷却流体22的质量流量可以保持为供料流32的大约90％-大约100％。在一种或多种实施方案中，冷却流体22可以在主合成回路中这样的位置点上导入冷壁合成反应器10中，在该位置点上，冷却流体22能够保持为大约200°f-500°f。

在一种或多种实施方案中，冷却流体22能够除去来自冷壁合成反应器10的热，以使得反应区24的平均温度能够保持为大约600°f-大约950°f。冷却流体22能够除去来自冷壁合成反应器10的热，以使得反应区24的平均温度能够保持为大约570°f-大约1200°f。

图3表示了根据一种或多种实施方案的一种使用一种或多种主合成反应器和一种或多种第二合成反应器生产氨的示例性系统的示意图。在一种或多种实施方案中，氨设备200可以带有冷壁合成反应器10作为与主氨合成回路110整合的第二反应器。在一种或多种实施方案中，一种或多种冷壁合成反应器10可以作为第二反应器在原位并入到初始的氨设备主氨回路110中。主氨回路110可以包括重整器50，主氨合成单元121，氨冷凝和净化或者冷却器单元52，氨回收单元55，和氢气回收单元65，它们全部都是本领域已知的。

在运行中，氮气和氢气的供料流32可以具有大约95-100vol％的纯度。在一种或多种实施方案中，供料流32的纯度可以是大约97.5-大约99.5vol％。重整器50可以供给合适压力的供料流32用于氨合成。该供料流32可以导入主氨合成单元121中，富氨的产物气体111可以流向冷却器单元52中，用于制冷和冷凝。贫氨供料113可以再流通到重整器50中，并且贫氨供料蒸气的滑流84可以转移到氨回收单元55中，来分离水蒸气和不可冷凝的气体。在与再流通113的平衡中所形成的冷凝物能够用作冷却器单元52中的补充制冷剂。该补充的制冷剂和富氨产物气体111可以在冷却器单元52中通过多个未示出的阶段来循环冷凝和闪蒸，并且能够以本领域已知的方式产生净化的氨93。

部分净化的氨制冷剂的滑流117可以转移到氨回收单元55中，用作氨蒸馏的补充液体。闪蒸的制冷剂滑流54(其包含低压氨加上不可冷凝的气体和来自制冷的其他蒸气)可以转移到氨回收单元55中，来分离水蒸气和不可冷凝的气体。氨回收单元55可以将改质的、低压氨蒸气82返回到制冷次系统中。氨回收单元55能够产生低压废气62。

高压吹扫气体56可以取自氨回收单元55，来除去惰性气体例如氩气，二氧化碳和甲烷，该惰性气体会积聚在主氨合成回路110中。吹扫气体56的一部分58可以送到氢气回收单元65。作为低压氢气68和高压氢气73回收的氢气可以再循环到重整器50和主氨合成单元121中。废气64(其包含主要的氮气加上较少比例的氩气，二氧化碳和甲烷)可以与废气62一起流向流体66。

吹扫气体56的另一部分可以作为第二氨产物或者供料60供给到第二氨合成回路中，该回路包括冷壁合成反应器10，该反应器具有内壳20、外壳12、反应区24和空间14。在一种或多种实施方案中，冷壁合成反应器10可以与冷却器单元52流体连通，来冷却流出物37。在一种或多种实施方案中，在供料60通过反应区24之后，冷壁合成反应器10会产生富氨的流出物37，其可以导入到冷却器单元52中用于进行一些冷却。在一些冷却之后，该冷却的流出物或者冷却流体22可以返回通过冷壁合成反应器10，用于冷却，和供给到氨回收单元145。在一种或多种实施方案中，离开冷壁合成反应器10的冷却流体22可以导入氨回收单元55中。氨回收单元145可以引入来自冷却器52的部分净化的氨制冷剂123，作为用于氨蒸馏的补充液体，并且可以将高浓度氨蒸气136返回到流82。贫氨流体148可以包括氮气和氢气和其他处于高压的气体，并且如果期望，可以再循环到重整器50和主合成单元121中。在运行中，该第二合成能够将供料60的设备生产率提高了大约5-50％，例如10-25％。

冷却流体22能够除去来自冷壁合成反应器10的热，以使得外壳12的平均温度能够保持为大约100°f-大约600°f。在一种或多种实施方案中，冷却流体22的平均温度能够保持为大约200°f-500°f。在一种或多种实施方案中，冷却流体22的质量流量可以保持为供料流32的大约50％-大约90％，而冷却流体蒸气22的温度可以保持为大约100°f-大约600°f。冷却流体22能够除去来自冷壁合成反应器10的热，以使得反应区24的平均温度能够保持为大约570°f-大约1200°f。冷却流体22能够除去来自冷壁合成反应器10的热，以使得反应区24的平均温度能够保持为大约600°f-大约950°f。

已经使用一组数值上限和一组数值下限描述了某些实施方案和特征。应当理解除非另有指示，否则从任何下限到任何上限之间的范围都是可以预期的。某些下限，上限和范围出现在下面的一个或多个权利要求中。全部的数值是“大约”或者“大致”的所示值，并且考虑了本领域技术人员能够预想到的试验误差和偏差。

已经使用一组数值上限和一组数值下限描述了某些实施方案和特征。除非另有指示，否则从任何下限到任何上限之间的范围都是可以预期的。某些下限，上限和范围出现在下面的一个或多个权利要求中。全部的数值是“大约”或者“大致”的所示值，并且考虑了本领域技术人员能够预想到的试验误差和偏差。

已经在上面定义了不同的术语。在权利要求所用的术语没有在上面定义的情况中，它应当被赋予相关领域技术人员能够给出的、在至少一个印刷的出版物或者公开的专利中涉及该术语的最宽的含义。此外，本申请中所引用的全部的专利，测试方法和其他文献完全引入作为参考和用于允许这样的引入的全部权限中，所述的参考到这样的程度，即，这样的公开内容与本申请不矛盾。

虽然前面涉及到本发明的实施方案，但是本发明的其他和另外的实施方案也可以设计，而不脱离其基本的范围，并且其范围是通过随后的权利要求来确定的。