专利名称：一种控制利用氨合成反应热的方法
技术领域：
本发明为控制利用氨合成反应热的方法，应用于合成氨工业中。
背景技术：
氨合成是一个放热可逆减体积反应，反应在催化剂参与下进行。提高压力、降低温度对反应有利，但压力高，压缩气体能耗高。温度高低受催化剂影响，每种催化剂有其自身的活性温度范围，不能低，也不能高，因此在反应过程中，放出反应热，温度升高，必须设法移走热量，使温度保持在一定范围内。现有催化剂使氨合成反应条件必须在8.0MPa-30.3MPa的较高压力下进行，其反应温度为330℃-500℃，也就是说温度必须控制在330℃-500℃内。
现有氨合成反应器在上述条件范围运行，其形式与移走反应热的方式有1、用未反应冷气体在反应器内间接冷却反应热气体，反应一次升温，间接冷却，再反应，再冷却(如图1)；2、用未反应冷气直接与反应热气混合进行冷激，反应一次，升温，冷热气混合，降温，再反应升温，再混合降温(如图2)；3、在装有催化剂的反应器内安装多根管子，管内为未反应冷气，管外为正在进行反应的热气，边反应，边冷却，随着反应进行，反应床内温度逐步降低(如图3)；4、上述三种中二种或三种组合式。四种冷却形式分别称间冷式、冷激式、内冷式、混合式。
上述各种氨反应器的共同点都是用冷的未反应气冷却热反应气，即未反应气依靠反应热加热到催化剂活性温度进行反应。上述氨合成反应器的共同缺点是气气换热，温度变化大，控制难度大。原因是气体比热容小，例如1Kmol的未反应气，温度升高一度，吸收热量只有30KJ左右。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的缺陷，提出一种控制利用氨合成反应热的方法，可有效将反应热移走，且维持反应温度恒定不变；只要控制蒸汽压力，就可以控制反应层温度，还可利用反应热产生的蒸汽做动力或工艺用，节能节水。
本发明的技术方案是，所述利用氨合成反应热的方法为，在氨合成反应器内设置冷却元件，利用饱和蒸汽压力与反应压力相近、沸点温度比反应温度低、汽化热较大的液体作为冷却介质；该冷却介质和催化剂由所述冷却元件分隔，所述液体冷却介质间接吸收H2-N2反应合成氨过程中放出的热量而汽化为蒸汽，汽液分离后，蒸汽外送，液体下降送至氨合成反应器又吸热汽化，形成吸热汽化自然循环，氨合成反应在恒定温度下进行。
以下对本发明做出进一步说明。
如图4所示，本发明在氨合成反应器(本图中为立式氨合成反应器4)内设置冷却元件2，利用饱和蒸汽压力与反应压力相近、沸点温度比反应温度低、汽化热较大的液体作为冷却介质；该冷却介质和催化剂3由所述冷却元件2分隔，所述液体冷却介质间接吸收H2-N2反应合成氨过程中放出的热量而汽化为蒸汽，蒸汽外送，氨合成反应在恒定温度下进行。
本发明中，所述冷却介质和催化剂3由所述冷却元件2分隔是指，当冷却介质放在冷却元件2内时，催化剂放在冷却元件2外(图4所示情形)；当冷却介质放在冷却元件外时，催化剂放在冷却元件内。
所述液体冷却介质为水或甲醇、乙醇等。
本发明中，所述氨合成反应器为立式氨合成反应器4(参见图4)或卧式氨合成反应器6(参见图5)、球形氨合成反应器8(参见图6)等。
本发明中，所述冷却元件2为圆管、或方管、扁管、扁平管、翅片管及其它吸热板片等。
可在氨合成反应器上部设置高位汽包1，冷却介质吸热后形成汽液混合物上升至汽包1内进行汽液分离，蒸汽外送，液体下降送至氨合成反应器又吸热汽化，形成吸热汽化自然循环；即，当冷却介质放在冷却元件2内、催化剂放在冷却元件2外时，则所述液体下降送至氨合成反应器中的冷却元件2内又吸热汽化，形成吸热汽化自然循环；当冷却介质放在冷却元件外，催化剂放在冷却元件内时，所述液体下降送至氨合成反应器中并于冷却元件2外又吸热汽化，形成吸热汽化自然循环。
本发明中，如果受到限制，不能设置高位汽包，则所述冷却介质吸收氨合成过程中放出的热量而被汽化产生的蒸汽输送到汽液分离器中分离外送，液体经泵加压，送至氨合成反应器又吸热汽化，形成吸热汽化强制循环。液体送至氨合成反应器吸热汽化亦有与上述相同的两种情形(冷却介质放在冷却元件内部或外部)。
本发明的技术原理是，选用饱和蒸汽压力与反应压力相近、沸点温度比反应温度低、汽化热较大的液体作为冷却介质；利用该液体汽化热大、汽化时温度恒定的特点，使反应热用以被移走且维持反应温度恒定不变，只要控制蒸汽压力，就可以控制反应层温度；利用反应热产生蒸汽可做动力或工艺用，例如用水做冷却介质，生产一吨氨可产生1000公斤左右蒸汽，同时还可减少反应气降温至40℃的冷却水耗，节能节水。
由以上可知，本发明为一种控制利用氨合成反应热的方法，可有效移走反应热且维持反应温度恒定不变，还可以控制反应层温度，利用反应热产生的蒸汽做动力或工艺用，节能节水效果显著。
图1是现有技术气体间冷式换热工艺示意图；图2是现有技术气体冷激式换热工艺示意图；图3是现有技术气体内冷式换热工艺示意图；图4是本发明一种实施例的所述氨合成反应器为立式结构的控制利用反应热工艺示意图；图5是本发明一种实施例的所述氨合成反应器为卧式结构的控制利用反应热工艺示意图；图6是本发明一种实施例的所述氨合成反应器为球形结构的控制利用反应热工艺示意图。
在附图中1-高位汽包， 2-冷却元件，3-催化剂，4-立式氨合成反应器， 5-泵， 6-卧式氨合成反应器，7-汽液分离器，8-球形氨合成反应器，11-底部换热器，12-层间换热器，13-冷激气喷口，14-内冷管。
具体实施例方式
实施例1如图4所示，氨合成反应器采用立式氨合成反应器4，用水做冷却介质，在氨合成反应器内设置冷却元件2，催化剂3放在冷却元件2外部，水放在冷却元件2内，H2-N2反应生成氨过程中放出的热量间接被水吸收而将其汽化为蒸汽，汽液混合物上升至高位汽包1内进行汽液分离，蒸汽外送，液体下降至冷却元件2中又吸热汽化，形成吸热汽化自然循环。泵5是在装置开停车时启动。汽化是沸腾液体变为饱和蒸汽的过程，汽化压力恒定，其温度必然恒定，因而催化床层温度随之恒定。
实施例2如图5所示，氨合成反应器采用卧式氨合成反应器6，用水做冷却介质，在卧式氨合成反应器6内设置冷却元件2，催化剂3放在冷却元件2外部，水放在冷却元件2内，H2-N2反应生成氨过程中放出的热量间接被水吸收而将其汽化为蒸汽，汽液混合物上升至汽液分离器7内进行汽液分离，蒸汽外送，液体经泵5送至冷却元件2中又吸热汽化，形成吸热汽化强制循环。氨合成反应在恒定温度下进行。
权利要求
1.一种控制利用氨合成反应热的方法，其特征是，该方法为，在氨合成反应器内设置冷却元件，利用饱和蒸汽压力与反应压力相近、沸点温度比反应温度低、汽化热较大的液体作为冷却介质；该冷却介质和催化剂由所述冷却元件分隔，所述液体冷却介质间接吸收H2-N2反应合成氨过程中放出的热量而汽化为蒸汽，汽液分离后，蒸汽外送，液体下降送至氨合成反应器又吸热汽化，形成吸热汽化自然循环，氨合成反应在恒定温度下进行。
2.根据权利要求1所述控制利用氨合成反应热的方法，其特征是，所述冷却介质和催化剂由所述冷却元件分隔是指，当冷却介质放在冷却元件内时，催化剂放在冷却元件外；当冷却介质放在冷却元件外时，催化剂放在冷却元件内。
3.根据权利要求1所述控制利用氨合成反应热的方法，其特征是，在氨合成反应器上部设置高位汽包，冷却介质吸热后形成汽液混合物上升至汽包内进行汽液分离，蒸汽外送，液体下降送至氨合成反应器又吸热汽化，形成吸热汽化自然循环。
4.根据权利要求1所述控制利用氨合成反应热的方法，其特征是，如果受到限制，不能设置高位汽包，所述冷却介质吸收氨合成过程中放出的热量而被汽化产生的蒸汽输送到汽液分离器中分离外送，液体经泵加压，送至氨合成反应器又吸热汽化，形成吸热汽化强制循环。
5.根据权利要求1或2、3、4所述控制利用氨合成反应热的方法，其特征是，所述液体冷却介质为水或甲醇、乙醇。
6.根据权利要求1或2、3、4所述控制利用氨合成反应热的方法，其特征是，所述氨合成反应器为立式或卧式或球形。
全文摘要
一种控制利用氨合成反应热的方法，应用于合成氨工业中，该方法为，在氨合成反应器内设置冷却元件，利用饱和蒸汽压力与反应压力相近、沸点温度比反应温度低、汽化热较大的液体作为冷却介质；该冷却介质和催化剂由所述冷却元件分隔，所述液体冷却介质间接吸收H
文档编号C01C1/00GK101020578SQ20061013693
公开日2007年8月22日 申请日期2006年12月25日 优先权日2006年12月25日
发明者谢定中 申请人:湖南安淳高新技术有限公司