本技術(shù)涉及化工設(shè)備領(lǐng)域，具體涉及一種用于合成氨領(lǐng)域的四床五段式氨合成反應(yīng)器。

背景技術(shù)：

1、氨的合成反應(yīng)是3個h2分子與1個n2分子在高溫、高壓和有催化劑的條件下進行，反應(yīng)后生成2個nh3分子。這是一種體積縮小的化學平衡反應(yīng)，是一種“放熱”反應(yīng)，提高反應(yīng)壓力、提高反應(yīng)溫度和提高有效氣體組分濃度有利于氨合成反應(yīng)的進行。由于受催化劑及反應(yīng)效率等的影響，氨合成反應(yīng)工序設(shè)置有氣體“循環(huán)”系統(tǒng)，采用循環(huán)反應(yīng)的方式來逐步提高生成物的濃度。氨合成塔的“單程”反應(yīng)效率按合成塔出口氨含量與入口氣含量的差值％來衡量，稱之為“氨凈值”。氨合成反應(yīng)器設(shè)計的最大優(yōu)化方式是要達到最高的“氨凈值”，相應(yīng)也會達到最小的循環(huán)量，也就是要求系統(tǒng)達到最小的“循環(huán)比”。

2、目前氨合成反應(yīng)器采用了高溫、高壓的“固定床催化劑反”應(yīng)器，反應(yīng)器設(shè)置有“壓力殼體”和裝催化劑和移熱用的“觸媒筐”內(nèi)件，反應(yīng)器內(nèi)件中的移熱和床層設(shè)置對反應(yīng)效率影響很大，一般來說，受結(jié)構(gòu)復雜程度和移熱的基本要求，氨合成反應(yīng)器內(nèi)件催化劑筐設(shè)置為“三床”式反應(yīng)器，每床催化劑溫度升高以后再進行冷卻氣體后再進入下一床層。這種反應(yīng)器的“高徑比”不能太大，一般“高徑比”小于12，太大的“高徑比”會使第三床催化劑徑向長度很長，影響徑向分氣的均衡率。

3、三段式反應(yīng)器的反應(yīng)曲線說明了，每一個催化劑層將溫度“推高”后又通過間接換熱器將溫度降下來，進行第二床反應(yīng)；由此可見，如果反應(yīng)床層還多些兒，也就可以將“反應(yīng)曲線”與“最適宜溫度曲線”“擬合”得更好，使出口“氨含量”達到更高。因此，增加反應(yīng)床層對固定床催化劑反應(yīng)器提高反應(yīng)效率是有好處的。然而，如果由于投資或者其它原因合成塔直徑受到限制，產(chǎn)量又要求較高時，勢必要多裝催化劑，使得合成塔變成“細長型”的較大的“高徑比”反應(yīng)器時，為了使徑向反應(yīng)器的氣體分布效率提高，每一床的高度是會有限制的，因而，采用四床式或更多床的反應(yīng)器設(shè)計方式被提出來了，但如果床層設(shè)置過多時，會使反應(yīng)器結(jié)果變得較復雜，使操作等要求變高，因而，如何優(yōu)化設(shè)計方式，使得多床反應(yīng)器具有相對小的直徑、大的高徑比、多的催化劑裝量，較高的氨凈值是本領(lǐng)域的一個技術(shù)難題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為解決上述問題，本實用新型提出了一種四床五段式氨合成反應(yīng)器，本實用新型的反應(yīng)器氨凈值可達到21％以上，比傳統(tǒng)的“三床三段”式氨合成塔的18％氨凈值提高了近3％。

2、本實用新型采用的技術(shù)方案如下：

3、一種四床五段式氨合成反應(yīng)器，包括外殼和套裝在外殼內(nèi)部的內(nèi)件，外殼包括兩端封閉的外筒體，內(nèi)件包括兩端封閉的內(nèi)筒體，內(nèi)筒體與外筒體之間具有第一氣腔、第二氣腔和主環(huán)隙，第一氣腔和第二氣腔分別位于內(nèi)筒體的頂部和底部，且通過主環(huán)隙連通，

4、外殼上設(shè)有第一合成氣進口、第二合成氣進氣口、第三合成氣進口、第四合成氣進氣口第五合成氣進口及反應(yīng)氣出氣口；第一合成氣進口、第二合成氣進氣口、第三合成氣進口、第四合成氣進氣口、第五合成氣進口內(nèi)分別設(shè)有第一進氣管、第二進氣管、第三進氣管、第四進氣管及第五進氣管；

5、內(nèi)筒體內(nèi)由自上而下依次設(shè)置的第一內(nèi)封頭、第二內(nèi)封頭和第三內(nèi)封頭分隔為第一反應(yīng)床、第二反應(yīng)床、第三反應(yīng)床和第四反應(yīng)床，第一反應(yīng)床、第二反應(yīng)床、第三反應(yīng)床和第四反應(yīng)床內(nèi)分別設(shè)有第一觸媒筐、第二觸媒筐、第三觸媒筐和第四觸媒筐；

6、第一觸媒筐包括上觸媒筐和下觸媒筐，上觸媒筐內(nèi)設(shè)有軸向催化劑床層，上觸媒筐的頂面與內(nèi)筒體之間具有連通軸向催化劑床層的布氣腔，下觸媒筐內(nèi)設(shè)有第一徑向催化劑床層；第二觸媒筐、第三觸媒筐和第四觸媒筐內(nèi)分別設(shè)有第二徑向催化劑床層、第三徑向催化劑床層和第四徑向催化劑床層，軸向催化劑床層和第一徑向催化劑床層通過軸徑向轉(zhuǎn)換器連通，第一徑向催化劑床層、第二徑向催化劑床層、第三徑向催化劑床層內(nèi)分別設(shè)有上部換熱器、中部換熱器、下部換熱器，上部換熱器的上封頭的上端通過設(shè)置在上觸媒筐中心部的連接管與布氣腔連通，下端通過設(shè)置在上部換熱器中心部的上部換熱器中心管與中部換熱器的上封頭連通，中部換熱器的下封頭與下部換熱器的上封頭連通；

7、第一徑向催化劑床層與第二徑向催化劑床層通過上部換熱器的殼程連通，第二徑向催化劑床層與第三徑向催化劑床層通過中部換熱器的殼程連通，第三徑向催化劑床層與第四徑向催化劑床層通過下部換熱器的殼程連通；

8、第四徑向催化劑床層內(nèi)設(shè)有反應(yīng)氣集氣管，反應(yīng)氣集氣管與反應(yīng)氣出氣口連接，且其管壁開設(shè)連通第四徑向催化劑床層的通氣孔；

9、上觸媒筐內(nèi)設(shè)有中部冷激管，中部冷激管的上端與第一氣腔連通，下端與上部換熱器的下封頭連通；第一進氣管與布氣腔連通；第二進氣管與軸徑向轉(zhuǎn)換器的進口連接；第三進氣管與第二氣腔連通；第四進氣管與中部換熱器的下封頭連通，第五進氣管與下部換熱器的下封頭連通。

10、進一步地，軸向催化劑床層內(nèi)設(shè)有氣體分布器，氣體分布器設(shè)有進氣腔，進氣腔與連接管密封連接；氣體分布器的出氣口上端與布氣腔連通，下端與進氣腔連通，第一進氣管與氣體分布器的進氣腔的進氣口連通。

11、氣體分布器的設(shè)置能夠使第一、三、四、五股氣體充分混合均勻后進入“零米”層進行反應(yīng)，從而提高反應(yīng)效率。

12、進一步地，上部換熱器、中部換熱器、下部換熱器，均具有沿內(nèi)筒體軸向延伸的換熱器外殼、用于封閉換熱器外殼的上封頭、軸向套裝在換熱器外殼內(nèi)的換熱器內(nèi)殼、通過環(huán)隙連接換熱器內(nèi)殼的下封頭，以及連通上封頭和下封頭的列管；換熱器內(nèi)殼與列管之間設(shè)置有折流桿，換熱器外殼上開設(shè)有連通殼體內(nèi)外的過氣孔，換熱器內(nèi)殼與換熱器外殼之間僅通過換熱器內(nèi)殼頂部的氣體流通道連通，換熱器內(nèi)殼的上下端敞口；上部換熱器的換熱器內(nèi)殼的下端穿過第一內(nèi)封頭通過環(huán)隙a與第二反應(yīng)床連通，中部換熱器的換熱器內(nèi)殼的下端穿過第二內(nèi)封頭通過環(huán)隙b與第三反應(yīng)床連通，下部換熱器的換熱器內(nèi)殼的下端穿過第三內(nèi)封頭通過環(huán)隙c與第四反應(yīng)床連通。

13、通過采用上述技術(shù)方案，使得換熱器的換熱效率高，且使除第一反應(yīng)床層外，其它反應(yīng)床層均可以通過床間的多次“間接”換熱，提高反應(yīng)效率，提高反應(yīng)器出口的氨凈值。

14、進一步地，上部換熱器中心管設(shè)置在換熱器內(nèi)殼的中心部，上部換熱器中心管的上端與上部換熱器的上封頭連通，其下端密閉連接套管a的外套管，外套管的下端密封穿過上部換熱器的下封頭與內(nèi)套管密封套接，內(nèi)套管與中部換熱器的上封頭密閉連接。

15、上部換熱器的下封頭與中部換熱器的上封頭通過套管a可拆卸式連接但不連通，便于單獨拆卸換熱器及觸媒框，方便其單獨吊出反應(yīng)器，單獨維修。

16、進一步地，中部換熱器的下封頭與下部換熱器的上封頭通過套管b連通；套管b包括密封套裝的外套管和內(nèi)套管，外套管與中部換熱器的下封頭密閉連接，內(nèi)套管與下部換熱器的上封頭密閉連接。便于單獨拆卸換熱器及觸媒框，方便其單獨吊出反應(yīng)器，單獨維修。

17、進一步地，外筒體的上端由外筒體上封頭封閉，下端由外筒體下封頭封閉，第一合成氣進口設(shè)于和第二合成氣進氣口分別設(shè)于外筒體上端側(cè)壁的兩側(cè)，第三合成氣進口設(shè)于外筒體下封頭上，第四合成氣進氣口設(shè)于外筒體上封頭的中心部，第四進氣管豎直向下依次穿過上觸媒筐中心部的連接管、上部換熱器中心部的上部換熱器中心管、中部換熱器，與中部換熱器的下封頭連通；第五合成氣進口設(shè)于外筒體下封頭上；反應(yīng)氣出氣口設(shè)于外筒體下封頭的底部中心。

18、進一步地，內(nèi)筒體通過支撐圈可拆卸地支撐在外筒體上，支撐圈上設(shè)有連通主環(huán)隙和第二氣腔的通氣孔。方便內(nèi)件的安裝及吊出反應(yīng)器進行維修。

19、進一步地，第一觸媒筐通過卡環(huán)a密封支撐在第一內(nèi)封頭上，第一觸媒筐的下觸媒筐與內(nèi)筒體之間形成第一次環(huán)隙，下觸媒筐的側(cè)壁設(shè)有過氣孔；第二觸媒筐通過卡環(huán)b密封支撐在第二內(nèi)封頭上，第二觸媒筐與內(nèi)筒體之間形成第二次環(huán)隙，第二觸媒筐的側(cè)壁設(shè)有過氣孔；第三觸媒筐通過卡環(huán)c密封支撐在第三內(nèi)封頭上，第三觸媒筐與內(nèi)筒體之間形成第三次環(huán)隙，第三觸媒筐的側(cè)壁設(shè)有過氣孔；第四觸媒筐通過卡環(huán)d密封支撐在內(nèi)筒體下封頭上，第四觸媒筐與內(nèi)筒體之間形成第四次環(huán)隙，第四觸媒筐的側(cè)壁設(shè)有過氣孔。

20、每個催化劑床層與總件結(jié)合均不設(shè)置焊接，采用“卡環(huán)”式自密封方式結(jié)合，從而使得每一個催化劑床均為“分體”方式可獨立于設(shè)備之外，單獨維修和單獨吊出反應(yīng)器。

21、進一步地，第一內(nèi)封頭、第二內(nèi)封頭和第三內(nèi)封頭均為橢圓封頭，且分別通過卡環(huán)與內(nèi)筒體可拆卸式密封連接。從而使得每一個催化劑床均為“分體”方式可獨立于設(shè)備之外，單獨維修和單獨吊出反應(yīng)器。

22、進一步地，反應(yīng)器的高徑比在12以上。

23、本實用新型的有益效果：

24、1、反應(yīng)器可以達到“高徑比”12以上，氨凈值高達21％以上，比傳統(tǒng)的“三床三段”式氨合成塔的約18％氨凈值提高了近3％的氨含量數(shù)值，提高了反應(yīng)效率，節(jié)約了設(shè)備投資。

25、2、每個催化劑床層與總件結(jié)合均不設(shè)置焊接，采用“卡環(huán)”式自密封方式結(jié)合，從而使得每一個催化劑床均為“分體”方式可獨立于設(shè)備之外，單獨維修和單獨吊出反應(yīng)器。

26、3、各催化劑床“中部換熱器”均采用“高效”換熱器、低阻力型“碰桿”式“折流”元件。

27、4、除第一反應(yīng)床中部有調(diào)溫冷激外，其它床層均通過床間的多次“間接”換熱，且第四催化劑反應(yīng)床的低“入口”溫度和較低的“出口”溫度，“平衡溫距”較大，從而維持了高的氨出口凈值。

28、5、本實用新型的“四床五段”反應(yīng)器最適宜于入口氨含量較低、反應(yīng)激烈的氣體成分，這樣可得到催化劑效率最大的反應(yīng)曲線。