[发明专利]一种合成氨反应器及工艺

说明书

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。

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、炸药、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系统及氨合成反应方法，其氨合成反应系统包括氨合成塔、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，