具有几个催化床层和外部回收反应热的放热非均相合成方法和反应器

摘要

一种放热非均相合成方法，例如合成氨的方法，在该方法中，合成气是在几个催化床层中以气体按轴向-径向或径向流动反应的，该反应气体是在倒数第二个催化床层出口被聚集的，然后被输送到位于反应器外的热回收系统，然后返回最后催化床层。

说明书

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本发明涉及一种放热非均相合成方法，在该方法中，合成气通过装在同一反应空间内，彼此重叠而分开的一连串催化床层，气体离开一个催化床层接着又通过下一个催化床层。

本发明还涉及上述方法的反应器。该反应器由耐压的外壳、几个均装在同一外壳内的催化床层篮、可能有的内筒和交流换热器组成。

在生产氨的过程中，由N₂+3H₂合成反应产生的热量是非常大的，这种热一般是被回收下来，最终用来产生用于生产过程的水蒸汽，以降低能耗。

一些最新的工艺都是针对在合理最高热度的条件下最大量地回收上述合成热量的，并因此设计出了一些适用于此目的合成装置和反应器（装置的主要设备）。在新建的装置中，设有几个催化床层，具有气体的中间冷却，气体的中间冷却是用通过换热器的间接换热方法。此外，在对最大反应产率没有限制的条件下，在最后的反应步骤之前还可用外部冷却剂（例如锅炉用水）或用发生水蒸汽的方法，移走部分反应热量，以便使得能够在可行的最高温度下合理操作（在最高热度的条件下热回收）。

最高的温度和最大的产率这两者实际上是对立的，这可从以氨浓度作横坐标和以气体温度作纵坐标所示的图得到清楚证明。

一般说来，一些最重要的合成反应器设计者一直偏爱在至少二个分开串联的设备单元中具有几个催化床层的反应器，以便在对可达到最大产率无限制情况下满足上述反应热最佳交换的需要（在可行的最大热度的条件下）（Fertilizer    Focus，1987年10月）。

在用两个分开段或设备单元的情况下，其中的第一设备段或设备单元一般装有二个催化床层，具有采用内部换热器的中间间接冷却，同时第二设备段或设备单元一般装有单一的催化床层。

二设备之间的热交换是通过采用产生水蒸汽的锅炉的方法实现的。这是Topsoe    Series    250（Series    200    1    Series    50）反应器和Uhde反应器的情况，二者在催化床层中的气体均是按径向流动的（Fertilizer    Focus，1987年10月，36和39页）。

此外，还有按三个分开部分设计的反应器，按照C.F.Braun的设计（Nitrogen    Conference，Amsterdam，1986），各部分均装有一个气体按轴向流动的催化床层。在这种情况下，在第二和第三反应单元之间用了产生水蒸汽的锅炉（Nitrogen    Conference，Amsterdam，1986，Cd    F    Chimie的K.C.Wilson先生，B.E.Grotz先生和J.Richez先生）。

根据C.F.Braun的最新专利（英国专利申请2132501    A），催化剂床层间的气/气换热器（一般惯例是放在单一单元内具有至少二个床层的反应器的内部）被放在反应单元的外部，直接连接在装有单一催化床层的外壳的底部。

为了将在高温下的管子问题降低到最小，用送入反应器新鲜气的方法冷却上述卧式换热器与装有催化床层的外壳连接的管子。

预热了新鲜原料气之后，离开催化床层的气体离开换热器，进入装有第二催化床层的单元（具有几个反应单元的CFBraun反应器，见上述参考文献中Wilson.Gritz和Richez报告的图5，和Fertilizer    Focus，1987年10月，48页）。

上述CF    Braun专利中解决的问题，即避免高温气体与连接外壳和换热器的管子进行接触的问题，对于在单一单元中具有几个催化床层的反应器是不存在的，因为如上所述，气/气换热器是直接放置在反应器本体内部的。

又根据CF    Braun，最佳的热回收问题是用复杂的方法解决的，这种复杂的方法是采用锅炉，通过复杂管线把锅炉连接到反应器（见CF    Braun    Nitrogen′86    presentation中的图5，和Fertilizer    Focus，1987年10月，48页）。

上述所有的设计，虽然解决了热力学问题，但是是非常复杂的，因此也是非常昂贵的。

氨合成反应器实际上是在高压（一般不低于80巴，比较常见的是130-250巴）和高温（400-500℃）下操作。根据上述方法（正如在上述参考文献中的图所示的），连接各设备段的管子需要在苛刻条件（各反应床层间高的气体温度）下操作，因而必须用特殊材料制造，能长期做到使因热膨胀产生的机械应力减到最小。根据CF    Braun，反应器内的这种情况是非常复杂的，尽管可根据CF    Braun的专利（英国申请2132501    A）采取某些措施。

申请人在对这方面作继续研究时发现，具有几个催化床层的方法和反应器可以避免上述缺点;可将几个催化床层设置在单一的设备内，使得催化床层间（特别是在最后催化床层的前面）能够容易进行热交换，以便在合理最大热度的条件下达到最大量地回收反应热，回收下来的反应热例如可用去预热直接生产水蒸汽的锅炉用水。

本发明提供了一种放热非均相合成方法，在该方法中，合成气流过装在反应空间内、彼此重叠而又分开的一连串催化床层，气体离开一个催化床层接着又通过下一个催化床层，离开倒数第二催化床层的热气体被输送到反应空间的外部，在此回收气体的热量，然后返回反应空间内，在最后一催化床层中反应，然后离开反应空间。

反应气体按轴向-径向或径向流动的方向，由外到内通过第一个到倒数第二个催化床层，按向外流动的方向通过最后一个催化床层。

本发明还提供实现上述方法的反应器，该反应器由耐压外壳，在同一外壳内部的几个催化床层篮、可能有的内筒和交流换热器构成，其特征在于包括：

-收集按向心径向流动的方向通过了第一个到倒数第二个催化床层之后的，在倒数第二个催化床层中反应过的热反应气体，并将其输送到位于该外壳外的交流换热器的装置;

-将在外部的交流换热器中回收热之后的气体返回外壳内，并使其按离心经向流动的方向在最后一个催化床层中反应的装置;

-将聚集在上述最后催化床层四周的气体从反应器底部排出的装置。

来自于倒数第二个催化床层的热气体聚集在位于反应器轴线的第一中心导管，然后被直接送到位于反应器下并与反应器成直角的交流换热器的管子内部，离开该管的气体通过位于上述第一导管之外并与之同心的第二导管进入最后一个催化床层。

最后一个催化床层的双底形成空隙，在反应器底的中心部位收集和排出最后一个催化床层四周的气体。

所述反应器可通过将轴向反应器改变为大体上的径向反应器获得，使从最后床层来的气体通过内筒壁和附加壁之间的空隙进入外部换热器，这一附加壁是接着气体分布壁（在气流向心通过的最后催化床层中）插入的。

在一个有利的实施方案中，在倒数第二个催化层中反应得到的热气体通过一导管（在立式反应器中一般是轴向放置的），直接被输送到热回收系统（预热器或锅炉），然后通过上述输送导管的内部或外部的导管直接返回到反应器，形成一个气体返回空间，然后该气体接轴向-径向流动的方向或按向心的或者离心的径向流动的方向进入最后一个催化床层。该气体在最后一个催化床层中反应之后，再被输送到反应器的中心部分或外部，最后从反应器底部离开。

为了对本发明有一个清楚的了解，下面参照图1对本发明进行说明。图1表示本发明优选实施方案的反应器的剖面图。

该反应器由外壳（1）和形成催化床层（这里有三个，即6、7和13）的内筒（2）组成。送入反应器的新鲜气（3）是从反应器底部进入的，然后沿着外壳（1）内壁与内筒（2）外壁之间空隙（4）由底部流向顶部，从而达到将外壳的温度降到最低的目的。

离开上述空隙的气体（3′），在装有上述三个催化床层的内筒的顶部进入位于第一催化床层（6）中心部分的气/气换热器（5）的管子，在这里它被来自第一催化床层的热气体（3″）带的热预热。气体按向心流动的方向（箭头F1）通过上述床层。

热气体沿换热器（5）管子外表面流走之后，仍然按向内流动的方向（箭头F2）进入第二催化床层（7）。

具有间接换热器（5）的催化床层的操作，在本申请人的美国专利第4，405，562中有较详细的说明。

第二催化床层（7）中的热反应气聚集于（15），通过位于反应器轴线的中心导管（8），输送到导管（8′），直接到传热系统（SAC）。SAC最好是装有U形管（10）的管套（9），在这里部分反应热通过发生水蒸汽（11）而被移去。气体（20′）在反应热被移去之后，通过在上述输送导管（8）外侧的导管（12）直接返回反应器。上述气体（20′）直接进入最后催化床层（13），按向外流动的方向（箭头F3）通过床层。

接着，离开床层（13）的热反应气聚集于该床层的外围区（30），和通过由最后催化床层双底形成的空隙（14）又被输送到反应器的中心部分，然后通过导管（15）由反应器底部离去（箭头U）。

在图2所示的方案中，正如申请人以前的专利（例如瑞士专利第643752号）所述的那样，气体按轴向-径向流动的方向通过催化床层。

本发明的热回收系统也可适用于气体完全是径向流动的装有催化床的反应器。

本发明的系统也可用于较低压力下操作的反应器。这种反应器没有如图1所示的空隙（4），催化床层直接与反应器外壳（1）的内壁接触。在这种情况下，离开床层（13）的热反应气是通过最后催化床层的底部与外壳之间形成的空隙（14）然后再送到反应器的中心部分的。

本发明系统还可用于使反应器现代化，例如根据申请人的欧洲专利公开号0202454的反应器。

按照上述的实施方案（图2），来自第3床层（7）的气体，通过内筒壁（2）和新加园筒壁（17）[在气体分布壁（18）附近插入的]之间形成的空隙（16）进入换热系统（SAC）（外换热器），按向心流动的方向进入最后催化床层（13）。

气体通过空隙（16）之后，再通过空隙（19）进入（箭头F6）换热器（9）的U形管（10）。

气体离开换热器（9）（箭头F7）后，通过形成空隙（19）的导管（20），再进入反应器（箭头F8）。，通过空隙（21）进入催化床层（13）。空隙（21）是由催化床层（22）的密封底（35）和与壁（17）连接的底（23）形成的。

壁（17）的顶部还有盖（24），其用于防止来自催化床层（7）的气体与进入催化层（13）的气体混合。

由催化床层（13）的气体通过输送管（8）大体如图1所示离开反应器。