一种氨合成反应器的制作方法

本实用新型涉及一种氨合成反应器，属于氨合成领域。

背景技术：

合成氨的反应方程式如下：

3H2+N2→2NH3+Q

合成氨反应是可逆反应，是在装有催化剂的反应器中进行的，催化剂活性有一定的温度范围，在340℃～520℃，低于340℃反应速度很慢，需要催化剂量大，导致反应器尺寸大；高于520℃，会使催化剂内晶体长大，活性衰退。一般催化剂的设计运行温度范围在350℃～510℃之间，

同时，合成氨反应还是放热反应，因此需要在反应器设置换热器，不断移走热量，使反应气温度≤520℃，同时把未反应气加热到≥340℃，以期使催化剂保持活性，同时提高反应速度。

研究表明，在催化剂活性温度范围内，反应速度与反应推动力（即反应温度与平衡温度的距离）有关。平衡温距越大，反应推动力大，反应速度快。因为随着反应进行，平衡温度越来越低，所以到了反应后期，要求降低反应温度。

以上论述，可以做出温度（t）--氨含量（x）图，简称t-x图更精确描述，

t-x图有二条曲线，平衡温度曲线、最适宜温度曲线，反应时，反应点（t.x）需在平衡曲线以下，如果落于平衡曲线上，反应速度为零。最适宜温度曲线是反应速度最大的工况线，因此反应器的实际工况操作线应该尽可能接近最适宜温度曲线。

如图1所示的t-x图，其中连续曲线是平衡线，点画曲线是最适宜曲线，折线是实际运行操作曲线，1-2是绝热反应段，2-3是间接冷却线，3-4是绝热反应段，4-5是边反应放热边冷却，5-6是绝热反应段。最终温度430℃，氨含量19.4%。

现有技术中公开了几种氨合成反应器，均包括内外筒，内筒，内筒有三个催化剂层，配置换热器形成三段反应或四段反应。

现有的一种氨合成反应器，如图2所示，其中连续曲线是平衡线，点画曲线是最适宜曲线，折线是实际运行操作曲线，内筒有三个催化剂层，第一、第二催化剂层中心均为间冷换热器，第三催径向化剂层没有换热器，形成三段反应，其t-x线如图2所示。其中1-2是绝热反应段，2-3是间接冷却线，3-4是绝热反应段，4-5是间接冷却线，5-6是绝热反应段。最终温度435℃，氨含量17.78%。

此外，现有技术还有公开的一种氨合成反应器，如图1所示，其中连续曲线是平衡线，点画曲线是最适宜曲线，折线是实际运行操作曲线，内筒的第一催化剂层中心为间冷换热器，第二催化剂层周边配有内冷换热器，第三催径向化剂层没有换热器，形成三段反应或四段反应。其中1-2是绝热反应段，2-3是间接冷却线，3-4是绝热反应段，4-5内冷段（即边反应放热边冷却），5-6是绝热反应段。最终温度430℃，氨含量19.4%。

三层催化剂三段反应，配两个间冷换热器，占用内部大量空间，催化剂装填少，影响生产能力提高，最终氨含量虽达到19.4％，但第一段温度需拉至近500℃，此种工况催化剂易老化。

因此，有必要提供一种简单，催化剂装填量多，反应器的转化效率高，反应温度不致太高，催化剂使用周期长的氨合成反应器。

技术实现要素：

本实用新型旨在提供一种氨合成反应器，该反应器的转化效率高，反应温度不太高，有效地避免了催化剂失活，催化剂使用周期长。

为了实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：

一种氨合成反应器，包括外筒，设置在外筒内的内筒；所述内筒在高度方向通过封头隔离成多段区域，各段区域内均对应设置有催化剂筐，其中定义最上段的区域为第一区域，紧邻最上段区域底端的区域为第二区域，紧邻第二区域底端的区域为第三区域；其结构特点是：

在第一区域内的催化剂筐筐盖与内筒顶部之间形成气体混合空间，在第二区域内的催化剂筐上部无催化剂空间与第一区域底部的封头之间形成第一集气区域，在第三区域内的催化剂筐上部无催化剂空间与第二区域底部的封头之间形成第二集气区域；在第一区域内的催化剂筐内设有第一换热装置，在第二区域内设有第二换热装置；

所述第二换热装置的进气端与第一未反应气管连通，该第二换热装置的出气端通过预热出气管与所述气体混合空间连通；所述第一换热装置的进气端与第二未反应气管连通，该第一换热装置的出气端通过管道与所述气体混合空间连通；

所述气体混合空间与第一区域内的催化剂筐内连通，且在该第一区域内的催化剂筐的中心位置设有与第一集气区域连通的第一集气管；所述第一集气区域与第二区域内的催化剂筐内连通，所述第二区域内的催化剂筐的中心位置设有与第二集气区域连通的第二集气管，最下一段内的催化剂筐中心设有底端集气管，该底端集气管兼作反应气出管。

由此，本实用新型的未反应气,通过两路进气，两路进气分别通过位于第一区域内的第一换热装置和位于第二区域内的第二换热装置换热，在加热未反应气提高反应效率的同时，避免了反应温度过高导致催化剂失活。

根据本实用新型的实施例，还可以对本实用新型作进一步的优化，以下为优化后形成的技术方案：

优选地，第一路进气从反应器的顶部进气下降后进入第二区域内的第二换热装置中进行换热，所述第一未反应气管穿过外筒的顶盖和第一区域后与所述第二换热装置的进气端连通。

所述预热出气管套装在所述第一未反应气管上。

优选地，第二路未反应气从反应器底部进气后，通过内外筒环隙向上走，在进入第一换热装置中换热，所述外筒与内筒之间形成内外筒环隙，该内外筒环隙与第二未反应气管直接连通，所述第一换热装置的进气端通过管道与内外筒环隙连通。

为了保证气体径向穿过催化剂筐进行反应，各催化剂筐的筐壁上开有孔，反应气径向穿过对应的催化剂筐从各集气管流通至下一段。

优选地，所述内筒在高度方向通过封头隔离成三段区域，其中第三区域内不设置换热装置。由此，第三区域内可以尽可能地多装催化剂。

为了在反应前期尽可能多地将热量换热出去，所述第一换热装置为冷管束换热装置，其包括与第二未反应气管连通的内环管，与所述气体混合空间连通的外环管，连通所述内环管和外环管的冷管束。由此，未反应气通过延长在第一换热装置内的路径，进而提高了换热效果。优选所述冷管束折弯形成U形结构。

根据反应的阶段，本实用新型将所述第一区域内的催化剂筐在径向方向上分为oa，ab，bc，cd四圈，其中oa圈为绝热圈，ab圈和cd圈均为内冷反应圈，ab圈和cd圈之间设有形成绝热反应圈的间隙；所述oa圈内装有催化剂，ab圈和cd圈均为多片冷管片组成冷却圈，冷管片的片与片之间装有催化剂.。绝热反应时反应热使反应气升温，内冷反应时反应气边反应边冷却降温。

优选地，所述第二换热装置为列管换热器。

为了方便调整第一未反应气和第二未反应气的进气比例，所述第一未反应气管和/或第二未反应气管上装有阀门。

优选地，所述第一未反应气管设置在外筒顶部，第二未反应气管设置在外筒底部。

由此，进行氨合成反应时，利用所述的氨合成反应器进行氨合成的工艺包括如下步骤：

S1、未反应冷气分成两股，一股通过第一未反应气管进入第二换热装置内换热，换热后折向通过预热出气管进入气体混合空间内，另一股通过第二未反应气管进入第一换热装置内换热，换热后折向进入气体混合空间内，气体混合空间内的反应气温度为340℃-380℃；

S2、气体混合空间内的未反应气通过第一区域内的催化剂筐的筐壁径向通过第一区域内的催化剂和第一换热装置，反应后汇集在第一集气管中，反其温度为405℃-415℃；

S3、第一集气管的反应气进入第一集气区域内，再通过第二区域内的催化剂筐的筐壁径向通过第二区域内的催化剂和第二换热装置，反应后汇集在第二集气管中，其温度为380℃-385℃；

S4、第二集气管的反应气进入第二集气区域内，再进入以下各段反应，直到从底端集气管排出。

所述内筒在高度方向通过封头隔离成三段区域，步骤S4中，第二集气区域内的反应气通过第三区域内的催化剂筐的筐壁径向通过第三区域内的催化剂，反应后汇集在底端集气管中，反应后的温度为420℃-430℃；

未反应气中惰性气含量为小于0.2%,氨含量为2.3%～2.5%；

所述底端集气管将反应气送入热回收器中。

由此，反应后氨含量约为20.5%。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、根据本实用新型的一个实施例，内筒结构简单，三层只有二个冷热交换器。

2、本实用新型采用六段反应工艺，十分接近最适宜温度反应，同样多催化剂反应速度快，低压（≤15mpa），进塔惰性气0.1%，氨含量2.3%～2.5%，出塔氨含量约为20.5%。

3、本实用新型的反应热点温度较低480℃～485℃，催化剂寿命长。

4、本实用新型的冷管束置于上层，与常规的冷管束置于中层比较，没有管子通过上、中层隔离封头，隔离封头无开孔，免除气体短路、根除催化剂漏落至中层小孔套筒之中，堵塞通气孔的问题。

5、本实用新型的冷管束置于上层，组装容易。

6、本实用新型的一个冷管束、一个间冷热交换器，与常规的二个间冷热交换器比较，可以多装催化剂，产能更高。

7、本实用新型的下段无换热器，出塔反应热气温度≧400℃，用于加热水，可产生中压过热蒸汽，做动力用，或加热高压高温锅炉给水，提高反应热利用品位。

附图说明

图1是现有一种氨合成温度曲线图；

图2是现有另一种氨合成温度曲线图；

图3是本实用新型一个实施例的氨合成温度曲线图；

图4是本实用新型一个实施例的结构原理图；

图5是图4中上层催化剂筐的横剖面图。

具体实施方式

以下将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。

一种氨合成反应器，如图4所示，包括外筒和内筒。外筒为受压容器，包括顶盖2、厚壁外筒21，下封头的下部设有三通22。内筒11置于外筒中，与外筒为同心筒体，上部有平盖29，下部为封头，中心设有出气管23，套在外筒下部三通22中。

在图4中，开工蒸汽加热管道4仅在开车时升温使用，正常工况不使用。

在一种实施例中，所述内筒在高度方向通过封头隔离成三段区域，对应简称上、中、下三层，其中上层内设有冷管束换热装置，中层内设有列管换热器17，下层内不设置换热装置，这样，下层内可以尽可能地多装催化剂。具体地讲，内筒11分为上、中、下三层（或称三个筐），上层布有冷管束，中层布有列管间冷换热器17，间冷换热器17外套装有第二集气管16，该第二集气管16。用于将经过中层反应后的反应气汇集后送入下层，下层内无冷却装置。三层间分别用碟形封头13/18隔开。三层内装填催化剂。

上层催化剂筐包括筐盖6和冷管束8-1，8-2。如图5所示，筐体分为四圈（a/b/c/d），外圈a无冷管，全部装载催化剂，为绝热圈，b圈有由许多冷管片组成冷却圈，片与片之间装有催化剂，c圈有由许多冷管片组成冷却圈，冷管片中间由环管9相连。片与片之间装有催化剂，组成两个内冷反应圈。两圈之间有一定距离，形成绝热反应圈。d圈有冷管束。冷管片中间有环管10相连。冷管束8-1，冷管束8-2的上下两端由连接管相连。

上层中心有三根套管，本实施例的氨合成塔的中层换热器的未反应气进气和出气为双套管，由里及外分别为中换热器的未反应冷进气管1、预热后出气管14、上段反应气集气管12，双套管通过上层中心。冷管束套于中圈的心集气管12之外。

冷管束有两根下降管3，多根（优选为4根）上升管7。其中，下降管3布于内圈，作为进气管，上升管7布于外圈，作为出气管。

中段包括催化剂筐15和列管换热器17，下段包括催化剂筐19和底端集气管20。

上、中、下三层分别套有催化剂筐11-1,11-2,11-3，催化剂筐为有封底的圆筒，筒体上钻有许多小孔，与内筒筒体外圈形成环隙通道，中段列管换热器17外圈空腔装满催化剂，列管换热器17管内外均无催化剂。下段除底端集气管20外，全部装填催化剂。

本实施例中，上段装催化剂约占总量约～31%，中段装催化剂约占总量约27%，下段装催化剂约占总量42%。

本实施例的氨合成塔有两个反应热冷却换热器，内冷冷管束和间接换热器，其中冷管束布于上层中间，间接换热器布于中层中间。

利用上述的氨合成反应器进行氨合成反应的工艺如下：

未反应冷气中惰性气含量为0.1%，氨含量为2.3%～2.5%， 未反应冷气分成两股，一股经塔外换热器加热经管线从塔顶经第一未反应气管1由上而下进入中间热交下端，折向进换热器列管，由下而上被加热至360℃左右，经预热后出气管14由下而上进入内筒平顶盖和催化剂筐盖之间空间（称零米空间）。另一股未反应冷气未经换热器热加热，而补入一定量已预热未反应气混合升温，从塔底三通22进入内外筒环隙，由下而上被加热，到内筒11顶部，经下降管3（优选对称设置两根），进入冷管束内环管9，均分至到各冷却片，分成两股，一股由下而上、一股由上而下，再通过各连通短管进入冷却片，将管外的反应热气冷却，管束内未反应气被加热至～360℃，集于外环管10，通过上升管7（四根或多根），进入内筒平顶盖5和催化剂筐盖6之间空间（称零米空间）两股未反应气在零米空间汇合，进入催化剂筐的外圈环隙，通过外圈小孔径向再依次通过外圈oa催化剂进行绝热反应，反应后温度约480℃～490℃，氨含量10.5%～11.5%，穿过冷管圈ab边反应边冷却，反应后温度约430℃～440℃，氨含量12.5～13.5%，穿过bc圈绝热反应，反应后温度约455℃～465℃，氨含量13.5～14.5%。穿过冷管圈cd边反应边冷却，反应后温度约405℃～415℃，氨含量15～16%。反应后体集于集气管12，再由上而下进入碟形封头13与中层催化剂筐15上部无催化剂空间，由此进入小孔径向筒环隙，穿过小孔进而穿过催化剂层进行绝热反应，反应后温度约445℃～455℃，氨含量17%～17.8%。反应后热气进入中间热交管间被冷却至380℃～385℃。然后进入碟形封头18与下层催化剂筐19上部无催化剂空间，由此进入小孔径向筒环隙，穿过小孔进而穿过催化剂层进行绝热反应，反应后温度约420℃～430℃，氨含量约为20.5%，进入底端集气管20由上而下进入热回收器24，降温后，依次经过给水加热器、塔外热交换器（未反应冷气、反应热气热交换器）、反应气温度降至70℃～80℃。

参见图3所示，本实用新型的氨合成塔的化学t-x平衡曲线和最适宜温度t-x曲线，其中连续曲线是平衡线，点画曲线是最适宜曲线，折线是实际运行操作曲线，图3中“1-2”；“3-4””5-6”“7-8”等四个段为绝热反应（反应热使反应气升温），“2-3”,”4-5”两个段为内冷反应（边反应边冷却降温）。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本实用新型，而不用于限制本实用新型的范围，在阅读了本实用新型之后，本领域技术人员对本实用新型的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。