[实用新型]一种放热气－固相催化合成反应器

说明书

本实用新型是一种气-固相催化反应装置，用于流体催化反应和传热过程，属化学工程领域，特别适用于氨合成反应过程。也可用于甲醇、甲烷、甲醚合成过程。

众所周知，对于由氢、氮气加压下合成氨这类气固相放热催化反应，在一定压力和一定反应物组成的条件下，存在着反应速度最大的最佳温度。这一最佳温度又随着合成率的提高逐渐降低，然而随着反应过程的进行，又因不断放出反应热使催化剂层温度提高。为了提高反应器的效率，因此需要把反应热移出以降低反应气体温度。在工业反应器中曾广为使用的一种是多段原料气冷激式反应器，如我国引进的大型氨厂所用的Kellogg公司的四段触媒床，各段间用原料气冷激来降低反应气温度，这种反应器因原料气冷激时在降低反应气温度的同时也降低了反应物浓度影响了合成率。因此出现了改进形式，较好一种是将催化剂分为三个床层，第一、二段间用冷激，第二、三段间用间接换热(见Casale公司申请的CN1030878，89年2月8日公开)，但这种反应器既未完全消除冷激原料气对反应物浓度的影响又在床层中设间接换热器使设备结构复杂，而现有的连续移热冷管反应器除了有某些壁效应外，冷管内气体温度不能自由调节故难于达到理想的要求。

本实用新型的任务是依据气-固相催化放热可逆反应的特点，克服现有技术的缺点，提供一个触媒层温度分布合理、触媒活性高、结构简单可靠、操作性能好的反应器和一种符合最佳温度进行反应的方法。

气-固相催化放热可逆反应和反应热主要集中在反应过程前面阶段，因此本实用新型主要通过以下措施来实现目的：一是反应前阶段用逆流冷管换热，使反应开始可以在接近绝热的工况下进行，以便较快达到最佳温度，而后随着冷管逆流换热，管内外温差加大，触媒温度沿最佳线下降，到冷管层出口可以降到最佳线以下，为后阶段绝热反应创造条件，二是进塔气中分流一部分不经塔内换热器而直接到冷管胆，进冷管胆的管内气体温度低，提高了从触媒层移热的效率，而且使气体温度可以根据触媒层温度需要来调节，以便达到理想的工艺要求。本实用新型的合成反应器主要有外壳P、触媒筐R和换热器E，外壳P承受压力，一般反应压力为14～32MPa，触媒筐R的盖板H，筒体S，触媒筐R底部有花板J支承触媒筐中的触媒层。触媒层由内带逆流冷管胆Cb的冷管触媒层K1和绝热触媒层K2组成，冷管胆Cb由进气管a、冷管b、连接进气管a和冷管b的环管d1组成，冷管胆Cb也可由进气管a、冷管b、出气管c、连接进气管a和冷管b的环管d1、连接冷管b和出气管c的环管d2组成。冷管触媒层K1可有一个或数个同轴套装的冷管胆，每个冷管胆上有按不同圈径排列的同轴心多排冷管b，触媒层中心有连接换热器E的中心管I，原料气由进气管a进入经过环管d1分配到各根冷管b中，管内的原料气流2被管外触媒层K1中的高温反应气逆流加热，升温后或由冷管b直接出口或者经环管d2和出气管c出口与来自经换热器加热由中心管I出口的气流1混合，依次进冷管触媒层K1反应并与冷管b内气体逆流换热再进绝热触媒层K2反应，气体可以在冷管触媒层K1和绝热触媒层K2中均呈轴向流动，也可先在冷管触媒层K1中作轴向流动后在绝热触媒层K2中设有多孔外分布筒X和多孔内分布筒Y供气体径向、轴径向流过绝热层；或在绝热触媒层K2中设有集气室W和Z，管M连通触媒筐底部花板J和上部集气室W，管N连通换热器E和设于绝热层中部的集气室Z，构成反应气在绝热层K2中作对向流动。冷管b可用园形单管或扁平管。冷管b传热面积与触媒体积之比为3-20M²/M³。出冷管气流2的温度与进冷管触媒层混合气温度之比值为0.75～1.25。冷管层的触媒可占触媒总量15-80％，最佳为30-50％，随反应条件而变。

下面结合附图作进一步的说明

图1是轴向逆流冷管层和绝热层组成的反应器示意图。

图2和图3是由轴向逆流冷管层和径向绝热层组成的反应器示意图。

图4是用于现有大型氨合成塔改造为轴向逆流冷管层和径向绝热层组成的反应器示意图。

图5是轴向逆流冷管层和对向并流的轴向绝热层组成的反应器示意图。

图6是反应器与塔外设备管路连接图。

图7和图8是反应器的t-x图，图上横座标为反应温度，纵座标为氨浓度。