專利名稱：分流立式氨轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對于含有氮和氫的氣態(tài)供料流進(jìn)行催化反應(yīng)以便產(chǎn)生氨的氨轉(zhuǎn)換器。
背景技術(shù)：
已經(jīng)開發(fā)出的精心設(shè)計(jì)和先進(jìn)的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)用于在固定催化床中轉(zhuǎn)化氣相的氮 和氫以便形成氨。該結(jié)構(gòu)試圖優(yōu)化氣流與催化劑容積單元的比例以便使得催化劑的效率最 大。即使如此，始終希望降低反應(yīng)器相對于氨產(chǎn)量的尺寸。該反應(yīng)器的尺寸當(dāng)然對于其成 本具有影響。 由于通過氮和氫氣體合成氨是在高的溫度和壓力下進(jìn)行的反應(yīng)，所以氨轉(zhuǎn)換器是 復(fù)雜的。因此，通常在一系列催化區(qū)域之間使用級間冷卻，從而保持適于最佳轉(zhuǎn)化效率的動 態(tài)和平衡的條件。同樣必須提供用于維護(hù)催化區(qū)域的措施，例如催化劑失去其有效性時周 期地去除和更換催化劑。 在氨轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)中使用徑向流動和混合的軸向流動的配置已經(jīng)變成立式氨轉(zhuǎn)換 器的標(biāo)準(zhǔn)。但是這些結(jié)構(gòu)通常需要干舷或不起作用的催化劑容積單元。這些結(jié)構(gòu)同樣可使 得催化劑加載和去除復(fù)雜化，并需要在結(jié)構(gòu)上注意以便避免徑向流動催化劑容積單元的上 端處可能出現(xiàn)的催化劑流化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對立式固定床氨轉(zhuǎn)換器，其中固定床催化劑區(qū)域構(gòu)造成兩個機(jī)械分開的 催化劑容積單元和兩個平行操作的氣流。該結(jié)構(gòu)在整個床上保持所述氣流與催化劑容積單 元的比例，與垂直徑向流動的結(jié)構(gòu)相比，沒有催化劑有效性的損失。由于兩個催化劑容積單 元可最佳地布置在反應(yīng)器外殼內(nèi)，本發(fā)明可以降低反應(yīng)器的尺寸。催化劑床和氣流路徑構(gòu) 造成使得氣流向下流過每個催化劑容積單元，因此消除不起作用的催化劑容積單元和可能 的催化劑的流化。該結(jié)構(gòu)有助于現(xiàn)有技術(shù)的立式徑向固定床氨轉(zhuǎn)換器中常用的熱交換器和 催化劑床進(jìn)行常規(guī)現(xiàn)有技術(shù)的對中。 本發(fā)明的每個固定床催化劑區(qū)域最好將催化劑保持在兩個同心罩之間形成的空 間內(nèi)，該同心罩圍繞管殼式熱交換器布置。與每個區(qū)域相關(guān)聯(lián)的兩個催化劑床沿內(nèi)部熱交 換器的長度上下布置。在優(yōu)選的分流結(jié)構(gòu)中，管道或?qū)Ч懿贾猛ㄟ^該床以便實(shí)現(xiàn)平行的氣 流構(gòu)形。在另一優(yōu)選實(shí)施例中，通過經(jīng)過包括催化劑床的內(nèi)罩的通道形成環(huán)形流動。
在一個實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種立式氨轉(zhuǎn)換器，其包括具有直立圓柱形外殼的 容器和多個在容器中垂直間隔開的固定床催化劑區(qū)域，該多個催化劑區(qū)域包括最上方和最 下方催化劑區(qū)域和至少一中間催化劑區(qū)域。至少該最上方和中間催化劑區(qū)域圍繞各自的管 殼式熱交換器同心布置，以便對于來自催化劑區(qū)域的流出氣體進(jìn)行級間冷卻。磁鐵催化劑 布置在最上方的催化劑區(qū)域內(nèi)，并且高活性催化劑布置在中間和最下方催化劑區(qū)域內(nèi)。至 少中間催化劑區(qū)域包括至少兩個機(jī)械分開的催化劑床，該催化劑床相互垂直布置并構(gòu)造成 在至少兩個催化劑床之間平行向下分流氣流。
最下方催化劑區(qū)域最好具有至少兩個機(jī)械分開的催化劑床，該催化劑床相互垂直 布置并構(gòu)造成在至少兩個催化劑床之間平行向下分流氣流。該容器外殼最好沿催化劑區(qū)域 的長度具有大致一致的直徑以有助于制造。立式氨轉(zhuǎn)換器最好包括多個通過每個各自催化 劑床以便實(shí)現(xiàn)平行氣流分流的導(dǎo)管或圍繞每個催化劑床以便實(shí)現(xiàn)該分流的環(huán)形流動通道。
在另一實(shí)施例中，氨轉(zhuǎn)換器包括直立的圓柱形外殼和至少一個在該外殼內(nèi)布置在 上氣體入口區(qū)域和下氣體出口區(qū)域之間的固定床區(qū)域。該固定床區(qū)域具有上和下催化劑容 積單元，其構(gòu)造用于平行流過每個催化劑容積單元的向下氣流。用于催化劑容積單元的環(huán)
形殼體通過圍繞管殼式熱交換器的內(nèi)和外同心罩形成。環(huán)形殼體內(nèi)的分隔板布置在上催化 劑容積單元和下催化劑容積單元之間。上排出增壓通道形成在分隔板和上催化劑容積單元 之下的催化劑支承件之間。中間入口增壓通道形成在分隔板和下催化劑容積單元之間。氣 體旁路設(shè)置用來將來自氣體入口區(qū)域的向下氣流的一部分通過上催化劑容積單元分流到 下催化劑容積單元之上的中間入口增壓通道。在下催化劑容積單元的下端處有位于催化劑 支承件之下的下排出增壓通道。排出通道與每個上和下排出增壓通道以及通向熱交換器的 外殼側(cè)部流體入口之間流體連通。通向熱交換器的外殼側(cè)部流體出口與氣體出口區(qū)域流體 連通。當(dāng)希望使用氨轉(zhuǎn)換器時，催化劑容積單元填充適當(dāng)?shù)陌鞭D(zhuǎn)化催化劑。
氣體旁路最好包括通過上催化劑容積單元和上排出增壓通道的第一組管。第二組 管可通過中間入口增壓通道和下催化劑容積單元，并在上和下排出增壓通道之間連通。外 罩可從固定在外殼和外罩上端之間的倒轉(zhuǎn)的支承錐體懸置。排出通道可包括在內(nèi)罩和具有 更大直徑的同心中間罩之間的環(huán)形通道。 作為選擇，氣體旁路最好包括外罩和外殼之間的環(huán)形通道和多個位于外罩內(nèi)并進(jìn) 入中間入口的開口。外罩可支承在固定在外殼和外罩下端之間的支承錐體上。排出通道可 包括內(nèi)罩和具有更大直徑的同心中間罩之間的環(huán)形通道。多個開口可形成在上排出增壓通 道和排出通道之間的中間罩內(nèi)。固定床區(qū)域最好構(gòu)造成通過支承錐體連接在外殼上模塊化 的預(yù)制組件。


圖1是按照本發(fā)明一個實(shí)施例的分流固定床立式氨轉(zhuǎn)換器的局部截面示意圖，其 表示在催化劑區(qū)域內(nèi)催化劑容積單元之間分流氣流的管道的使用； 圖2是按照本發(fā)明另一實(shí)施例的分流固定床立式氨轉(zhuǎn)換器的局部截面示意圖，其 表示在催化劑區(qū)域內(nèi)催化劑容積單元之間分流氣流的環(huán)形通道的使用； 圖3是按照本發(fā)明另一實(shí)施例的立式氨轉(zhuǎn)換器的局部截面示意圖，其表示傳統(tǒng)上 部床之下的多個平行分流固定床催化劑區(qū)域。
具體實(shí)施例方式
參考附圖，附圖中相同參考標(biāo)號用來表示類似部件。圖1表示布置在按照本發(fā)明 的一個實(shí)施例的氨轉(zhuǎn)換器的垂直外殼102內(nèi)的催化劑區(qū)域100，設(shè)置人孔104、 106以便在各 自氣體入口區(qū)域108和氣體出口區(qū)域110處操作。 殼體112同心地圍繞管殼式熱交換器114布置，殼體112具有內(nèi)和外同心罩116、 118。中間罩140布置在內(nèi)罩116的外部。罩118、140布置在環(huán)形上和下催化劑容積單元120、 122的任一側(cè)上。如這里所使用的那樣，術(shù)語"催化劑容積單元"指的是用來包括氨轉(zhuǎn)化 催化劑的空間，而不管它實(shí)際包括催化劑還是仍未填充催化劑。環(huán)形分隔板124布置在催 化劑容積單元120、 122之間。每個催化劑容積單元120、 122之下的催化劑支承件126、 127 由金屬網(wǎng)、成形金屬絲網(wǎng)篩(例如商品名稱Johnson Screen)、或本領(lǐng)域公知的支承固定催 化劑床的其他結(jié)構(gòu)制成。類似的網(wǎng)篩128、129布置在每個催化劑床120、122的頂部。每個 催化劑容積單元120U22最好具有大致相同的體積，即大致相同的內(nèi)直徑、外直徑和深度， 以便對于供應(yīng)到每個催化劑床的相同量的氣體進(jìn)行大致相同程度的氨轉(zhuǎn)化處理，將在下面 詳細(xì)說明。 環(huán)形上排出增壓通道130形成在分隔板124和催化劑支承件126之間。環(huán)形下排 出增壓通道132類似地形成在催化劑支承件127和殼體112的環(huán)形底板134之間。環(huán)形中 間入口增壓通道136形成在分隔板124和下催化劑容積單元122的上端之間。
環(huán)形排出通道138形成在內(nèi)罩116和從中向外間隔開的同心中間罩140之間。在 中間罩140的下端和底板134之間有用于氣體的通道。通向熱交換器114上端的外殼側(cè)部 流體入口 142通過在內(nèi)罩116的上端處開孔形成。 第一組管道144布置通過上催化劑容積單元120和分隔板124。第二組管道146 布置通過分隔板124和下催化劑容積單元122。如果需要，管道144、146可以圓形形式均 勻隔開地布置，但每組需要提供大致相同的截面流動區(qū)域和水力半徑，以有助于供應(yīng)到每 個催化劑容積單元的氣體進(jìn)行均勻的50-50分流。如果需要，通過使用適當(dāng)?shù)闹睆揭詼p少 表面面積并獲得適當(dāng)?shù)臒醾鬟f系數(shù)(即壁厚、雙管道構(gòu)造和/或絕緣)，使得可以減少傳遞 到管道144、 146內(nèi)氣體的任何熱量。其中該熱量傳遞顯著到足以加熱通過管道144和/或 146的氣體，上和/或下催化劑容積單元120U22的深度可略微進(jìn)行調(diào)整以便補(bǔ)償。
對于了解現(xiàn)有技術(shù)徑向流動氨轉(zhuǎn)換器中采用的類似級間熱交換器的人們可以了 解熱交換器114。外殼通過內(nèi)罩116形成。管148的任一端支承在各自入口和出口封頭154、 156處的管板150、 152上，并通過傳統(tǒng)擋板157。通常包括供料氣體的冷卻流體通過連接到 入口封頭154上的入口管道158引入。入口封頭154最好具有小于內(nèi)罩116外直徑的外直 徑以便提供環(huán)形通道，使得冷卻的外殼側(cè)部氣體進(jìn)入氣體出口區(qū)域110。出口封頭156最好 具有大致內(nèi)罩116外直徑的外直徑。加熱的冷卻流體從出口封頭156通過出口管道162排 空。 中間罩140通過錐形環(huán)164支承在出口封頭156上。外罩118的上端通過錐形支 承環(huán)166固定在外殼102上。環(huán)164、 166將殼體112密封以便防止氣體從催化劑區(qū)域100 旁通。 催化劑以傳統(tǒng)方式引入上催化劑床120和/或從中去除。催化劑可通過輸入經(jīng)過 管道144的軟管(未示出)引入下催化劑床122和/或從中去除。采用可拆卸的頂部保持 網(wǎng)篩128有助于催化劑加載，并且提供通過上部床支承網(wǎng)格126和分隔板124的人員通道 (未示出)。這使得可以加載下部床，并且安裝保持網(wǎng)格129，隨后安裝人員通道開口內(nèi)的艙 口，加載上部床，并且安裝保持網(wǎng)格128。 在圖1實(shí)施例的一個實(shí)例中，外殼102可具有12英尺的內(nèi)直徑，外罩118具有11. 5 英尺的直徑，中間罩140具有5英尺的直徑并且內(nèi)罩116具有4英尺的直徑。入口和出口管 道158、 162可具有12英尺的公稱直徑，并且管148的長度為12英尺。增壓通道130、 132、136具有1英尺的高度，并且催化劑支承件126、 127和網(wǎng)篩128、 129具有大約3英寸的厚 度。在此實(shí)例中，四個10英寸管道144、 146用來通過每個具有3. 5英尺深度的床120、 122。 總的催化劑容積單元是567立方英尺，并且壓力降(不包括熱交換器)是大約6. 7psi。
圖2表示與圖1實(shí)施例類似的催化劑區(qū)域200，但它使用外部旁路而不是通過圖1 的內(nèi)旁路管道，從而將供料氣體供應(yīng)到下催化劑床122上。外殼102和外罩118之間的環(huán) 形通道201具有與氣體入口區(qū)域108流體連通的開口上端部。將殼體112的下端固定在外 殼102上的支承錐體202在環(huán)形通道201的下端處貼靠氣體出口區(qū)域110以形成液密密封。 多個穿孔204形成在外罩118中以便在環(huán)形通道201和中間入口增壓通道136之間形成流 體連通。多個穿孔206類似地形成在中間罩140中以便形成從出口增壓通道130到排出通 道138的流體連通。穿孔204、206應(yīng)該設(shè)定尺寸和數(shù)量以便與各自流體流動阻力匹配，從 而在上和下催化劑床120、 122之間提供大致均勻的50-50的分流。 在圖2實(shí)施例的一個實(shí)例中，外殼102可具有12英尺的內(nèi)直徑，外罩118具有11 英尺的直徑，中間罩140具有5英尺的直徑并且內(nèi)罩116具有4英尺的直徑。入口和出口 管道158、 162可具有12英尺的公稱直徑，并且管148的長度為12英尺。增壓通道130、 136 具有15英寸的高度，增壓通道132具有12英寸的高度，并且催化劑支承件126、 137和網(wǎng)篩 128、129具有大約3英寸的厚度。每個床120、122具有3.75英尺深度。總的催化劑容積單 元是565立方英尺，并且壓力降(不包括熱交換器)是大約7.6psi。 本發(fā)明具有減少主要受限于軸向尺寸的徑向熱應(yīng)力的附加優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明還可以進(jìn) 行模塊化構(gòu)造。在圖2實(shí)施例中，例如，可以接近支承錐體202使得可以采用區(qū)域200的機(jī) 械部件的模塊化結(jié)構(gòu)，使得其中沒有催化劑的組裝后的模塊可下降到外殼102內(nèi)并通過焊 接支承錐體202的周邊來固定。圖1實(shí)施例支承在頂部，所以包括罩和交換器管的部件的 軸向熱彭脹向下進(jìn)行，并且熱彭脹中的任何微小差別在底部得到解決。另外，圖1實(shí)施例在 頂部沒有開口空間，該空間在加載或卸載時使得工具、部件、碎片或類似物落入其中。圖2 結(jié)構(gòu)在容器外殼附近布置環(huán)形氣流，其結(jié)果是反應(yīng)器的長度減小。 圖3表示根據(jù)本發(fā)明的原理的集成多區(qū)域立式氨轉(zhuǎn)換器的實(shí)施例。該容器具有 直徑一致的垂直圓柱形外殼302和傳統(tǒng)的拱形頂部和底部封頭304、306。第一、第二、第三 和第四催化劑區(qū)域308、310、312、314在容器內(nèi)部從頂部到底部垂直間隔開。第一區(qū)域308 最好包括磁鐵催化劑，而其他區(qū)域310、312、314最好包括本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的高活性氨 轉(zhuǎn)化催化劑，如美國專利4， 055， 628 ;4， 122， 040和4， 163， 775所述，這些專利結(jié)合于此作 參考。與其中外殼內(nèi)第一催化劑區(qū)域周圍具有大直徑的許多現(xiàn)有技術(shù)徑向流動氨轉(zhuǎn)換器相 比，通過使用直徑一致的外殼302便于本發(fā)明的制造。 供料氣體通過入口噴嘴316引入轉(zhuǎn)換器300的頂部。第一磁鐵催化劑區(qū)域308最 好是傳統(tǒng)的徑向流動結(jié)構(gòu)并包括第一級間熱交換器318和相關(guān)的冷卻流體入口和出口管 道320、322，該管道分別通過外殼302和頂部封頭304。第一催化劑床308可通過人孔324 維護(hù)。 第二、第三和第四催化劑區(qū)域310、312和314包括高活性催化劑并通常按照圖1 所述的結(jié)構(gòu)構(gòu)造。技術(shù)人員將便于理解的是圖2的結(jié)構(gòu)可以用作選擇。第二和第三催化劑 區(qū)域310、312與各自級間熱交換器326、328，冷卻流體入口管道330、332和冷卻流體出口 管道334、336相關(guān)聯(lián)。由于是終端催化劑區(qū)域并不需要在反應(yīng)器內(nèi)冷卻，第四催化劑區(qū)域314最好不與級間冷卻器相關(guān)聯(lián)，但如果需要可以與同心熱交換器(未示出)相關(guān)聯(lián)。人 孔338、340、342設(shè)置在每個催化劑區(qū)域310、312、314之上以便催化劑的添加和/或去除， 以及其他的維護(hù)。 本發(fā)明通過以上說明書和實(shí)例進(jìn)行說明。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將在所述實(shí)施例的 啟發(fā)下進(jìn)行不同的變型和改型。所有的這些變型和改型將包括在所附權(quán)利要求限定的范圍 和精神內(nèi)。
權(quán)利要求
一種立式氨轉(zhuǎn)換器，其包括具有直立圓柱形外殼的容器；多個固定床催化劑區(qū)域在該容器內(nèi)垂直間隔開，并包括最上方和最下方催化劑區(qū)域和至少一中間催化劑區(qū)域；至少該最上方和中間催化劑區(qū)域圍繞各自的管殼式熱交換器同心布置，以便對于來自催化劑區(qū)域的流出氣體進(jìn)行級間冷卻；磁鐵催化劑布置在最上方的催化劑區(qū)域內(nèi)，并且高活性催化劑布置在中間和最下方催化劑區(qū)域內(nèi)；其中至少中間催化劑區(qū)域包括至少兩個機(jī)械分開的催化劑床，該催化劑床相互垂直布置并構(gòu)造成在至少兩個催化劑床之間平行向下分流氣流。
2. 如權(quán)利要求1所述的立式氨轉(zhuǎn)換器，其特征在于，最下方催化劑區(qū)域包括至少兩個 機(jī)械分開的催化劑床，該催化劑床相互垂直布置并構(gòu)造成在至少兩個催化劑床之間平行向 下分流氣流。
3. 如權(quán)利要求1所述的立式氨轉(zhuǎn)換器，其特征在于，該外殼沿催化劑區(qū)域的長度具有 大致一致的直徑。
4. 如權(quán)利要求1所述的立式氨轉(zhuǎn)換器，其特征在于，其還包括多個通過每個各自催化 劑床以便實(shí)現(xiàn)平行氣流分流的導(dǎo)管。
5. 如權(quán)利要求1所述的立式氨轉(zhuǎn)換器，其特征在于，其還包括圍繞每個催化劑床以便 實(shí)現(xiàn)該分流的環(huán)形流動通道。
6. —種立式氨轉(zhuǎn)換器，其包括 直立圓柱形外殼；至少一個在該外殼內(nèi)布置在上氣體入口區(qū)域和下氣體出口區(qū)域之間的固定床區(qū)域并 包括上和下催化劑容積單元，該催化劑容積單元構(gòu)造成用于平行流過每個催化劑容積單元 的向下氣流；通過圍繞管殼式熱交換器的內(nèi)和外同心罩形成并用于催化劑容積單元的環(huán)形殼體； 位于環(huán)形殼體內(nèi)并布置在上催化劑容積單元和下催化劑容積單元之間的分隔板； 形成在分隔板和上催化劑容積單元之下的催化劑支承件之間的上排出增壓通道； 形成在分隔板和下催化劑容積單元之間的中間入口增壓通道；設(shè)置用來將來自氣體入口區(qū)域的向下氣流的一部分通過上催化劑容積單元分流到下催化劑容積單元之上的中間入口增壓通道的氣體旁路；在下催化劑容積單元的下端處并位于催化劑支承件之下的下排出增壓通道； 與每個上和下排出增壓通道以及通向熱交換器的外殼側(cè)部流體入口之間流體連通的排出通道；與氣體出口區(qū)域流體連通的通向熱交換器的外殼側(cè)部流體出口 。
7. 如權(quán)利要求6所述的氨轉(zhuǎn)換器，其特征在于，氣體旁路包括通過上催化劑容積單元 和上排出增壓通道的第一組管。
8. 如權(quán)利要求7所述的氨轉(zhuǎn)換器，其特征在于，其還包括通過中間入口增壓通道和下 催化劑容積單元并在上和下排出增壓通道之間連通的第二組管。
9. 如權(quán)利要求8所述的氨轉(zhuǎn)換器，其特征在于，外罩從固定在外殼和外罩上端之間的倒轉(zhuǎn)的支承錐體懸置。
10. 如權(quán)利要求8所述的氨轉(zhuǎn)換器，其特征在于，排出通道包括在內(nèi)罩和具有更大直徑 的同心中間罩之間的環(huán)形通道。
11. 如權(quán)利要求6所述的氨轉(zhuǎn)換器，其特征在于，氣體旁路包括外罩和外殼之間的環(huán)形 通道和多個位于外罩內(nèi)并進(jìn)入中間入口的開口。
12. 如權(quán)利要求11所述的氨轉(zhuǎn)換器，其特征在于，外罩支承在固定在外殼和外罩下端 之間的支承錐體上。
13. 如權(quán)利要求12所述的氨轉(zhuǎn)換器，其特征在于，排出通道包括內(nèi)罩和具有更大直徑 的同心中間罩之間的環(huán)形通道。
14. 如權(quán)利要求13所述的氨轉(zhuǎn)換器，其特征在于，其還包括形成在上排出增壓通道和 排出通道之間的中間罩內(nèi)的多個開口 。
15. 如權(quán)利要求12所述的氨轉(zhuǎn)換器，其特征在于，固定床區(qū)域包括通過支承錐體連接 在外殼上模塊化的預(yù)制組件。
16. 如權(quán)利要求6所述的氨轉(zhuǎn)換器，其特征在于，催化劑容積單元填充催化劑。
全文摘要
一種立式固定床氨轉(zhuǎn)換器，其中固定床催化劑區(qū)域構(gòu)造成兩個機(jī)械分開的催化劑容積單元和兩個平行操作的氣流。該結(jié)構(gòu)在整個床上保持氣流與催化劑容積單元的比例，而沒有催化劑有效性的損失。催化劑床和氣流路徑構(gòu)造成使得氣流向下流過每個催化劑容積單元。本發(fā)明的每個固定床催化劑區(qū)域可在兩個圍繞管殼式熱交換器布置的同心罩之間形成的空間內(nèi)保持催化劑。與每個區(qū)域相關(guān)聯(lián)的兩個催化劑床沿級間熱交換器的長度疊置。管道或?qū)Ч芡ㄟ^床布置以便實(shí)現(xiàn)平行的氣流構(gòu)形，或者通過經(jīng)過包括催化劑床的內(nèi)罩的通道形成環(huán)形流動。
文檔編號F28F9/26GK101773809SQ20101012621
公開日2010年7月14日 申請日期2003年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月15日
發(fā)明者K·L·布蘭查德 申請人:凱洛格.布朗及魯特有限公司