專利名稱：制備氨的方法和反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種將含有氮?dú)夂蜌錃獾暮铣蓺馔ㄟ^若干個(gè)催化劑床，同時(shí)對(duì)部分轉(zhuǎn)化的合成氣進(jìn)行中間的間接冷卻而由該合成氣制備氨的方法和用于該方法的反應(yīng)器。具體地說，本發(fā)明涉及一種以上類型的改進(jìn)方法和用于該方法的氨反應(yīng)器，其中合成氣通過與鐵基氨催化劑相接觸而反應(yīng)，這里，催化劑分布在一系列反應(yīng)床內(nèi)，第一和第二反應(yīng)床的體積比大致相等，并且通過與新鮮合成氣的單股氣流進(jìn)行間接熱交換來冷卻部分轉(zhuǎn)化的合成氣。
由氨合成氣生產(chǎn)工業(yè)氨產(chǎn)品，最常規(guī)的是通過將氣體與分布于一系列相互串連的絕熱操作床上的鐵催化劑相接觸而完成。合成氣的壓力、溫度和空速(定義為標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力下，每小時(shí)通過單位體積催化劑的氣體體積)控制產(chǎn)物氣流中氨的濃度。由于通過氫氣和氮?dú)馀c鐵基氨催化劑相接觸而形成氨的特殊的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和熱流體學(xué)，部分反應(yīng)過的合成氣必須在每個(gè)催化劑床之間進(jìn)行冷卻，以獲得合理的反應(yīng)產(chǎn)率。工業(yè)中提高氨產(chǎn)率的更為典型的方法是通過增加后續(xù)反應(yīng)床中的催化劑體積以降低氣體通過一系列催化劑床時(shí)的空速。
本領(lǐng)域中已知有多種類型的氨轉(zhuǎn)化器。經(jīng)常使用的那些反應(yīng)器類型具有多個(gè)催化劑床，催化劑床之間具有用于去除或控制床間反應(yīng)熱的夾層熱交換器。
美國專利US4181701公開了一種具有頂部和底部催化劑床的氨反應(yīng)器，中央熱交換器安裝在其中一個(gè)催化劑床上。合成氣的工藝物流是通過在反應(yīng)器內(nèi)將分開的進(jìn)料流相合并得到的殼體流用來冷卻反應(yīng)器殼體和冷卻產(chǎn)物液，交換流用來冷卻中央熱交換器，以及旁路流用來最終調(diào)節(jié)工藝物流的溫度。
另外，在有兩個(gè)以上的催化劑床的反應(yīng)器中間接冷卻部分轉(zhuǎn)化的氨合成氣在本領(lǐng)域里是已知的，并且常規(guī)應(yīng)用于工業(yè)中。
因此，該合成氣是用新鮮合成氣間接冷卻的，該新鮮合成氣以若干股分開的氣流通入催化劑床之間的熱交換器。這些氣流是通過安裝在反應(yīng)器殼體上的分開的管道連接輸送的。
在若干個(gè)夾層熱交換器中，用分開的氣體流對(duì)部分轉(zhuǎn)化的合成氣進(jìn)行中間冷卻的這種已知的氨制備方法和反應(yīng)器的主要缺點(diǎn)是，在氨反應(yīng)器上需要大量的進(jìn)口裝置和復(fù)雜的導(dǎo)管。
歐洲專利EP-A-873972提到了一種具有簡化的氣體處理和輸送裝置的上述類型的氨生產(chǎn)方法和反應(yīng)器。根據(jù)該專利公開的方法和反應(yīng)器，工藝物流是通過在引入第一催化劑床之前，將在對(duì)部分轉(zhuǎn)化的合成氣進(jìn)行中間冷卻的過程中，通過間接熱交換而預(yù)熱的合成氣第一進(jìn)料流、通過與產(chǎn)物流進(jìn)行間接熱交換而預(yù)熱的合成氣第二進(jìn)料流以及用于調(diào)節(jié)工藝物流溫度的合成氣第三進(jìn)料流相合并而得到的。該第一進(jìn)料流連續(xù)地通過夾層熱交換器，以便冷卻部分轉(zhuǎn)化的合成氣。
上述提到的已知氨反應(yīng)器和方法是通過傳統(tǒng)的鐵基催化劑而操作的，其中的主要組分磁鐵礦在操作中被還原為具有催化活性的形式α-Fe。
最近，由石墨載體上的釕組成的活性氨催化劑應(yīng)用于許多工業(yè)氨反應(yīng)器中。與使用傳統(tǒng)的鐵催化劑得到的結(jié)果相比，釕氨催化劑的主要優(yōu)點(diǎn)是具有產(chǎn)品所要求的較高容量活性和較低催化劑體積。在歐洲專利EP-A-931586中公開了一種氨反應(yīng)器，具有承載有傳統(tǒng)的鐵氨催化劑的頂部催化劑床和中間催化劑床，以及體積比頂部催化劑床和中間催化劑床小并承載有碳釕催化劑的底部催化劑床。氨合成氣的工藝物流位于上部的間接冷卻反應(yīng)器內(nèi)，并由頂部催化劑床上游的三股分開的進(jìn)料流相合并得到。
盡管高活性釕基的氨催化劑允許催化劑體積減少，但是釕基氨催化劑的主要缺點(diǎn)是，機(jī)械穩(wěn)定性較低和成本相當(dāng)高，這并不足以補(bǔ)償這些催化劑的應(yīng)用中所需的催化劑體積減少。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)形成工藝物流時(shí)減少各個(gè)的合成氣入口氣流的數(shù)量，以及調(diào)整不同催化劑床中反應(yīng)氣體的空速時(shí)，在多床氨過程和帶工藝物流間接熱交換的反應(yīng)器中，氣體的處理和傳送，和對(duì)常規(guī)鐵氨催化劑進(jìn)行操作，仍然以可比的氨產(chǎn)品產(chǎn)率得以改進(jìn)。
依照上述發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明提供一種在氨反應(yīng)器中于提高的壓力溫度下制備氨的方法，包括將氨合成氣的工藝物流連續(xù)通過至少三個(gè)催化劑床并使該合成氣在床中反應(yīng)；在安裝于各個(gè)催化劑床之間的熱交換器中，通過熱交換對(duì)離開催化劑床的部分反應(yīng)過的合成氣進(jìn)行中間冷卻，并排放出富含氨的產(chǎn)物流。其中該工藝物流是在引入第一催化劑床之前，由部分轉(zhuǎn)化的合成氣在中間冷卻期間，經(jīng)間接熱交換預(yù)熱的合成氣第一進(jìn)料流和用于調(diào)節(jié)工藝物流溫度的合成氣第二進(jìn)料流相合并得到的，第一進(jìn)料流連續(xù)通過夾層熱交換器以便冷卻部分轉(zhuǎn)化的合成氣的，并且其中在第二催化劑床中處理氣的空速為第一催化劑床中空速的0.65到2.00倍之間。
另外，本發(fā)明提供一種用于上述方法的氨反應(yīng)器，它具有用于分配作為冷卻介質(zhì)的新鮮合成氣的簡化進(jìn)口和管道裝置，該冷卻介質(zhì)在各個(gè)催化劑床之間與部分反應(yīng)過的合成氣進(jìn)行間接熱交換。
因此，根據(jù)本發(fā)明的氨反應(yīng)器，包括在圓柱形抗壓殼體內(nèi)，至少有圍繞共同的軸線垂直設(shè)置并且串聯(lián)連接的頂部催化劑床、第二催化劑床和底部催化劑床。
設(shè)置在各催化劑床之間的中間熱交換裝置，通過與新鮮氨合成氣的第一進(jìn)料流進(jìn)行間接熱交換，來中間冷卻來自催化劑床的部分轉(zhuǎn)化的氨合成氣；將第一進(jìn)料流引入反應(yīng)器的進(jìn)口裝置和用于將第二進(jìn)料流引入反應(yīng)器的進(jìn)口裝置；將第一和第二進(jìn)料流送入頂部催化劑床的裝置；和在工藝物流引入頂部催化劑床之前，將進(jìn)料流合并到工藝物流中的裝置，其中輸送第一進(jìn)料流的裝置由串聯(lián)連接中間熱交換器并使將第一進(jìn)料流從進(jìn)口裝置順序通過中間熱交換裝置輸送到進(jìn)料流合并裝置的通道組成，其中第二催化劑床和頂部催化劑床的體積比在0.5和1.5之間。
在以下的描述中將合并附圖
更詳細(xì)地解釋本發(fā)明，其中唯一的附圖以純粹示意的方式表示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)特定實(shí)施例的氨反應(yīng)器的截面圖。
當(dāng)實(shí)施本發(fā)明時(shí)，將新鮮的氨合成氣2引入到根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)特定實(shí)施例構(gòu)成的氨反應(yīng)器4內(nèi)。該合成氣以兩股分開的進(jìn)料流6和10通過設(shè)置在殼體12上的進(jìn)口16和20引入。反應(yīng)器4包括位于殼體內(nèi)部的頁部催化劑床24、第二催化劑床26和底部催化劑床28。在床24和26之間以及在床26和28之間設(shè)置有熱交換器30和32，用于冷卻離開床24和26的部分轉(zhuǎn)化的工藝物流37。新鮮的合成氣通過工藝物流36輸送到床24，并在床24中部分轉(zhuǎn)化。然后，該部分轉(zhuǎn)化的合成氣通過工藝物流37連續(xù)通過床26和28。由于通過了這些床，氣流中的氮?dú)夂蜌錃馔ㄟ^放熱反應(yīng)生成氨。富氨的產(chǎn)物流38經(jīng)出口40從反應(yīng)器中排出。
如前文所述，氫氣和氮?dú)庵g的反應(yīng)在催化劑床內(nèi)以放熱方式進(jìn)行，因而工藝物流的溫度升高。由于熱力學(xué)的原因，在引入床26和28之前，工藝物流37的溫度必須降低。因此該氣流在熱交換器32和30內(nèi)，通過與順序通過熱交換器30和32的進(jìn)料流6進(jìn)行間接熱交換而得到冷卻。
正如以上所述，由于經(jīng)過熱交換器，進(jìn)料流6通過間接熱交換而被預(yù)熱。然后，該預(yù)熱的進(jìn)料流則在頂部催化劑床24的上游與新鮮的合成氣流10合并到工藝物流36中。工藝物流36的溫度通過添加冷氣流10而得到調(diào)節(jié)。
在上述反應(yīng)器中，第一和第二催化劑床24和26內(nèi)的反應(yīng)溫度，分別取決于進(jìn)料流6和10之間的流量比。在氣流2中新鮮合成氣的溫度控制著通到底部催化劑床的進(jìn)口溫度。
在具有兩個(gè)以上催化劑床的氨反應(yīng)器中，不可能利用上述兩股氣流將第二催化劑床的進(jìn)口溫度控制在最佳的溫度。
然而，根據(jù)本發(fā)明的方法和反應(yīng)器，由于如上所述以及下面的實(shí)施例中進(jìn)一步描述的第一和第二催化劑床之間的體積比或空速，在第二催化劑床中即使與最佳溫度存在偏差，也只能對(duì)氨產(chǎn)率造成輕微的影響。
為了將每個(gè)體積比下溫度偏差對(duì)產(chǎn)率的影響與最佳溫度下的產(chǎn)率進(jìn)行比較，將最佳溫度下的產(chǎn)率設(shè)為100％。
表
由上述結(jié)果明顯看出，與本領(lǐng)域公知的且氨工業(yè)中通常采用的、相應(yīng)催化劑體積比在2.0和3.0之間的反應(yīng)器和方法相比，根據(jù)本發(fā)明的反應(yīng)器和方法，其第二和第一催化劑床之間的催化劑體積分布為0.5到1.5，在偏離了第二催化劑床內(nèi)的最佳溫度時(shí)導(dǎo)致的產(chǎn)率下降不太嚴(yán)重。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)為，當(dāng)根據(jù)本發(fā)明上述的體積比在0.5到1.5之間調(diào)整第一和第二催化劑床的大小時(shí)，可以提高產(chǎn)率。在體積比為1.0到1.5之間時(shí)，在最佳溫度條件下，每天產(chǎn)品的噸產(chǎn)率比一般所用的催化劑體積比為3.0時(shí)得到的最佳產(chǎn)率，大約高2％。
權(quán)利要求
1．一種在氨反應(yīng)器中在提高的壓力和溫度下制備氨的方法，包括將氨合成氣的工藝物流連續(xù)通過至少三個(gè)裝有鐵基氨形成催化劑的床，并使該合成氣在該床中反應(yīng)；將離開催化劑床的部分反應(yīng)的合成氣，在位于每個(gè)催化劑床之間的熱交換器內(nèi)，通過熱交換進(jìn)行中間冷卻，并將富含氨的產(chǎn)物流排放，其中該工藝物流是在引入第一催化劑床之前，將在對(duì)部分轉(zhuǎn)化的合成氣進(jìn)行中間冷卻期間通過間接熱交換而已預(yù)熱的合成氣第一進(jìn)料流和用于調(diào)節(jié)工藝物流溫度的合成氣第二進(jìn)料流相合并而得到的，該第一進(jìn)料流連續(xù)通過夾層熱交換器，以便冷卻部分轉(zhuǎn)化的合成氣，其中第二催化劑床內(nèi)的反應(yīng)氣體的空速是第一催化劑床內(nèi)的空速的0.65到2.00倍之間。
2．一種氨反應(yīng)器包括在圓柱形抗壓殼體內(nèi)的圍繞共同的軸線垂直安裝并且串聯(lián)連接的至少一個(gè)頂部催化劑床、一個(gè)第二催化劑床和一個(gè)底部催化劑床，床內(nèi)裝有鐵基氨形成催化劑；安裝在每個(gè)催化劑床之間的中間熱交換裝置，用于通過與新鮮氨合成氣的第一進(jìn)料流進(jìn)行間接熱交換，中間冷卻來自催化劑床的部分轉(zhuǎn)化的氨合成氣；向反應(yīng)器引入第一進(jìn)料流的進(jìn)口裝置和引入第二進(jìn)料流的進(jìn)口裝置；將第一和第二進(jìn)料流送入頂部催化劑床的裝置；和在工藝物流進(jìn)入頂部催化劑床之前，將進(jìn)料流合并到工藝物流中的裝置，其中輸送第一進(jìn)料流的裝置由串聯(lián)連接中間熱交換器并且使第一進(jìn)料流從進(jìn)口裝置順序通過中間熱交換裝置而輸送到進(jìn)料流的合并裝置的通道組成，其中第二催化劑床和頂部催化劑床之間的體積比在0.5和1.5之間。
3．如權(quán)利要求2的氨反應(yīng)器，其中該抗壓殼體是一種現(xiàn)有的氨反應(yīng)器的殼體。
全文摘要
在氨反應(yīng)器中于高溫高壓下制備氨的方法和反應(yīng)器,其中氨合成氣的工藝物流連續(xù)通過至少三個(gè)催化劑床,同時(shí),離開催化劑床的部分反應(yīng)過的合成氣在每個(gè)催化劑床之間設(shè)置的熱交換器內(nèi)通過熱交換而進(jìn)行中間冷卻。該工藝物流是在進(jìn)入第一催化劑床之前,由部分轉(zhuǎn)化的合成氣在中間冷卻期間經(jīng)間接熱交換預(yù)熱的第—進(jìn)料流和用來調(diào)節(jié)工藝物流溫度的第二進(jìn)料流合并而成。該第一進(jìn)料流連續(xù)通過夾層熱交換器,以冷卻部分轉(zhuǎn)化的合成氣,在所有催化劑床中,合成氣的空速調(diào)節(jié)在大致相同的范圍內(nèi)。
文檔編號(hào)C01C1/00GK1309083SQ01111670
公開日2001年8月22日 申請(qǐng)日期2001年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2000年2月10日
發(fā)明者E·A·加姆 申請(qǐng)人:赫多特普索化工設(shè)備公司