專利名稱:減少多相合成的多單元反應(yīng)器及有關(guān)反應(yīng)器中能量損耗的系統(tǒng)的制作方法
本發(fā)明涉及在多相合成的多單元反應(yīng)器中增加合成產(chǎn)量、減少能量損耗的系統(tǒng)，更具體地說(shuō)，涉及合成氨的多單元反應(yīng)器中增加反應(yīng)產(chǎn)量、減少能量損耗的系統(tǒng)。其中，反應(yīng)器的各單元由一個(gè)外殼(P)和一個(gè)直徑為(Dc)、總高度為(Hl)的內(nèi)筒芯(C)構(gòu)成，并包含放置在軸向高度為(Hl)的催化床(K)中的顆粒狀催化劑，催化床(K)位于直徑為(Di)、高度為(Hi)的圓筒形外壁和直徑為(D′i)(小于Di)、高度為(H′i)的圓筒形內(nèi)壁以及一個(gè)錐狀的底(PR)之間，催化床的上部橫向表面是敞開著的，合成氣體可以軸向通過(guò)，圓筒形內(nèi)壁內(nèi)收集反應(yīng)后的氣體。
眾所周知，用于在壓力下催化合成的反應(yīng)器，特別是用于進(jìn)行氨、甲醇、高(分子)醇等催化合成的反應(yīng)器由一個(gè)外殼和單個(gè)單元或幾個(gè)單元組成(根據(jù)C.F.Braun工藝)，各單元有一個(gè)裝有催化劑的內(nèi)筒芯，其中裝有放在一層或多層催化床中的各種不同形狀和不同特性的粒狀催化劑。在C.F.Braun工藝的反應(yīng)器中，各單元有一個(gè)單層催化床。
流過(guò)各種催化床的合成氣體在一個(gè)催化床及其鄰近的床之間通常要被冷卻。因?yàn)檫@些反應(yīng)是放熱反應(yīng)，為使各種催化床達(dá)到最佳的溫度條件，要注入新鮮氣體(急冷反應(yīng)器)或直接與冷的輸入氣體交換。在C.F.Braun工藝中，上述冷卻是在置于反應(yīng)器外部和反應(yīng)器多個(gè)單元之間的熱交換器中進(jìn)行的。
最近，在Lummus、Topsoe、Kellogg的美國(guó)專利No.3918918、No.4181701以及歐洲專利申請(qǐng)No.007743-Al和Ammonia Casale的美國(guó)專利No.4372920、No.4405562中已提出了氣體在催化床中徑向流動(dòng)或軸向-徑向流動(dòng)的反應(yīng)器。這和軸向流動(dòng)反應(yīng)器(包括C.F.Braun反應(yīng)器)相比有明顯的進(jìn)步。特別是軸向反應(yīng)器需要使用大量的催化劑來(lái)降低催化劑中的壓力降和能量損耗。在這些情況下，軸向反應(yīng)器需要很寬的反應(yīng)器(裝置的長(zhǎng)度/直徑比低)，其設(shè)備費(fèi)用高、能量損耗多。
Ammonia Casale的美國(guó)專利No.4372920和No.4405562已使簡(jiǎn)化合成反應(yīng)器中的筒芯的設(shè)計(jì)成為可能，從而得到便于維修保養(yǎng)的內(nèi)部反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，并能在低的壓力降條件下同時(shí)裝入和卸出催化劑。根據(jù)上述專利，各催化床實(shí)際上由一個(gè)穿孔的圓筒形外壁和一個(gè)穿孔的只有一端密封的圓筒形內(nèi)壁構(gòu)成(藍(lán)的上壁實(shí)際上是完全敞開的)，所述圓筒形內(nèi)壁(或兩個(gè)圓筒形壁)的上部未穿孔的部分和位于兩個(gè)圓筒形壁的上端部之間與所述穿孔壁的長(zhǎng)軸近似垂直的方向上的那部分敞開通道一起構(gòu)成了少部分氣體按一般的軸向流動(dòng)流過(guò)催化床的通道，余下的主要部分的氣體徑向流過(guò)催化床的兩個(gè)圓筒形壁穿孔區(qū)構(gòu)成的主要部分。
根據(jù)上述發(fā)明，按一般的軸向流動(dòng)流過(guò)床的那部分氣體是由未穿孔的那部分圓筒形內(nèi)壁(或內(nèi)、外兩個(gè)壁)的高度所控制的。按該發(fā)明的一般特征，這總之是壁總高度的較小部分。按上述發(fā)明，最好使用高度/直徑比大于10(即直徑/高度比小于0.1)的反應(yīng)器進(jìn)行生產(chǎn)。
在當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)世界里，現(xiàn)有工廠的現(xiàn)代化正變得愈來(lái)愈重量大多數(shù)這類進(jìn)行合成工藝生產(chǎn)的工廠(例如合成氨)都使用氣體軸向流過(guò)催化床的反應(yīng)器(軸向反應(yīng)器)，其特征是具有低的高度/直徑比，這是因上面提到的在反應(yīng)器中具有壓力降所需要的。對(duì)于C.F.Braun反應(yīng)器來(lái)說(shuō)，它由幾個(gè)具有低的高度/直徑比的單元組成，各單元包含單個(gè)的催化床。和上面所述的同樣的特征不僅適用于現(xiàn)有的反應(yīng)器，而且也適用于由C.F.Braun設(shè)計(jì)的具有兩個(gè)或兩個(gè)以上單元的新的反應(yīng)器。
在以前的專利申請(qǐng)中，特別是在歐洲專利申請(qǐng)No.86104911.2中，申請(qǐng)人已描述了一種降低在壓力下進(jìn)行多相催化合成的反應(yīng)器中的能量損耗的系統(tǒng)，更具體地是一種高度/直徑比(小于10)低的反應(yīng)器中的能量損耗的系統(tǒng)。這是一種特別適合于改進(jìn)現(xiàn)有的氣體軸向流動(dòng)反應(yīng)器(更具體地說(shuō)，就是在大多數(shù)于七十年代末建成的高容量工廠(800÷1500t/d)中所用Kellogg反應(yīng)器)的系統(tǒng)。
在另一項(xiàng)專利申請(qǐng)中描述了用于改造“Chemico”軸向反應(yīng)器的系統(tǒng)。
上述所有使用軸向反應(yīng)器的工廠的特點(diǎn)是在能達(dá)到低成本的那些年中沒(méi)有顧及到高的能量損耗，因?yàn)檫@種軸向型反應(yīng)器是引起高能量損耗的原因之一。
在繼續(xù)對(duì)此進(jìn)行研究的過(guò)程中，申請(qǐng)人發(fā)現(xiàn)了一種目前能易于實(shí)現(xiàn)其它軸向反應(yīng)器，特別是C.F.Braun反應(yīng)器的現(xiàn)代化的系統(tǒng)，不管該反應(yīng)器是現(xiàn)存的還是新建的。
因此，本發(fā)明涉及一種本說(shuō)明書和主權(quán)利要求
開始部分所述的系統(tǒng)，其特征在于它的催化床是由下列條件限定的a).在形成筒芯(C)的所述外壁內(nèi)部及其附近，有一個(gè)直徑為(Di)、且其高度(Hi)至少大部分可由氣體滲透的圓筒形外壁(FE)，(Di)僅略小于筒芯(C)的直徑;
b).有一個(gè)直徑為(D′i)(遠(yuǎn)小于上面提到的(FE)的(Di)，但與排出反應(yīng)后氣體的中心管(T)的直徑(Dt)具有相同數(shù)量級(jí))、且其高度(H′i)中至少大部分可由氣體滲透的圓筒形內(nèi)壁(FI)，(FI)的頂部(SO)由罩子(CO)封住，罩子(CO)盡可能至少部分可由氣體滲透，其離外壁(FE)的頂端(SE)的距離為(D);
c).有一個(gè)高度為(H″i)的底壁(PR)，其直徑(D″)沿其高度從筒芯的直徑(Dc)開始向底部逐漸減小到圓筒形內(nèi)壁的直徑(D′i);
因此，催化床由三個(gè)區(qū)域組成第一區(qū)域是直徑為(Di)、高度為(D)的實(shí)心上部圓筒形區(qū)域;第二區(qū)域是直徑為(Di-D′i)、高度為(Hi-D)的環(huán)形區(qū)域;第三區(qū)域是高度為(H″i＝Hl-Hi)、直徑由(Di)減小至(D′i)的錐形區(qū)域。
氣體部分的比率(一般的軸向流動(dòng)和徑向流動(dòng)之比)在具有可變高度(籃的高度/直徑比可變)的不同單元的催化床中將是不同的。因此，本發(fā)明的申請(qǐng)改進(jìn)了上面所述的C.F.Braun反應(yīng)器，其中內(nèi)筒芯的催化床的高度(Hi)在級(jí)聯(lián)排列的多個(gè)床(2～3個(gè)各自具有外殼的床)的情況下可以增加。
本發(fā)明的各種不同的方面和優(yōu)點(diǎn)將由下列對(duì)圖2所示實(shí)施例的說(shuō)明而顯得愈加清楚，圖1是與圖2相對(duì)的已有技術(shù)。這兩個(gè)附圖是縱截面的示意圖。更具體地說(shuō)，下面對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的說(shuō)明(軸向流動(dòng)C.F.Braun反應(yīng)器的改進(jìn))將更好地說(shuō)明本發(fā)明的特征。
所描述的實(shí)施例涉及(優(yōu)選但不是限定)具有幾個(gè)催化床(例如3個(gè))的C.F.Braun氨反應(yīng)器的改型，未改型的反應(yīng)器中氣體軸向流過(guò)催化床并在床外進(jìn)行冷卻，作為例子的反應(yīng)器示于1986年4月在阿姆斯特丹召開的英國(guó)硫黃會(huì)議上提交的論文”新的共環(huán)低氨生產(chǎn)成本”(Wilson、Grotz和Richez)中的圖1(63～79頁(yè))。
由圖1可知，反應(yīng)氣體從反應(yīng)器的底部進(jìn)入1，并在外殼(P)和筒芯(C)之間的空隙(I)中上升，流經(jīng)2后軸向地從催化劑(K)的頂部流向底部。反應(yīng)后的氣體到達(dá)排出管(T)，排出管把氣體輸送給外殼(P)外面的熱交換器(HEX)。
圖2示出本發(fā)明的系統(tǒng)，其中，催化床由下列條件所限制a).在形成筒芯(C)的所述外壁內(nèi)部及其附近，有一個(gè)直徑為(Di)、且其高度(Hi)中至少大部分可由氣體滲透的圓筒形外壁(FE)，(Di)僅略小于筒芯(C)的直徑;
b)。有一個(gè)直徑為(D′i)(遠(yuǎn)小于上面提到的(FE)的(Di)，但與排出反應(yīng)后氣體的中心管(T)的直徑(Dt)具有相同數(shù)量級(jí))、且其高度(H′i)中至少大部分可由氣體滲透的圓筒形內(nèi)壁(FI)，(FI)的頂部(SO)由罩子(CO)封住，罩子(CO)盡可能至少部分可由氣體滲透，其離外壁(FE)的頂端(SE)的距離為(D);
c)。有一個(gè)高度為(H″i)的底壁(PR)，其直徑(D″)沿其高度從筒芯的直徑(DC)開始向底部逐漸減小到圓筒形內(nèi)壁的直徑(D′i);
因此，催化床由三個(gè)區(qū)域組成第一區(qū)域是直徑為(Di)、高度為(D)的實(shí)心上部圓筒形區(qū)域;第二區(qū)域是直徑為(Di-D′i)、高度為(Hi-D)的環(huán)形區(qū)域;第二區(qū)域是高度為(H″i＝Hl-Hi)、直徑由(Di)減小至(D′i)的錐形區(qū)域。
下列對(duì)比例較好地說(shuō)明了本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。
對(duì)比例C.F.Braun的基本合成數(shù)據(jù)容量 1360MTD氨反應(yīng)器進(jìn)氣口的壓力210巴反應(yīng)器進(jìn)氣口的氣體成分H269.00%(克分子)N223.00%(克分子)Ar+CH45.00%(克分子)NH33.00%(克分子)C.F.Braun的兩床反應(yīng)器第一床直徑約3000毫米第二床直徑約3300毫米催化劑體積(6÷10毫米)
第一床20立方米第二床53立方米用本發(fā)明的軸向-徑向床改進(jìn)了的C.F.Braun兩床反應(yīng)器第一床直徑約3000毫米第二床直徑約3300毫米催化劑體積(1.5÷3毫米)第一床17.4立方米第二床50.2立方米這些數(shù)值是對(duì)已有的反應(yīng)器進(jìn)行改進(jìn)時(shí)用的。對(duì)于新的反應(yīng)器，應(yīng)考慮一個(gè)優(yōu)選的L/D比值。
反應(yīng)器性能C.F.Braun的 具有軸向-徑向內(nèi)件常規(guī)反應(yīng)器 的C.F.Braun反應(yīng)器反應(yīng)器排氣口處的NH3含量 17.0%(克分子) 20.6%(克分子)反應(yīng)器的△P 降低2巴由軸向-徑向內(nèi)件所能達(dá)到的改進(jìn)可總結(jié)如下提高反應(yīng)器排氣口處NH3的濃度;
降低循環(huán)流動(dòng)(約20%);
降低環(huán)路的壓力降(約35%);
減小致冷單元(約20%)上述效果適用于改進(jìn)后的現(xiàn)有反應(yīng)器。對(duì)于新的反應(yīng)器，可對(duì)催化劑體積(帶有兩或三層床)和反應(yīng)器的尺寸(L/D比)進(jìn)行優(yōu)選，以得到最大的產(chǎn)量和最小的投資，從而達(dá)到更好的效果。
權(quán)利要求
1.一種在多相合成的多單元反應(yīng)器中，更具體地說(shuō)，在合成氨的多單元反應(yīng)器中增加反應(yīng)產(chǎn)量、減少能量損耗的系統(tǒng)，反應(yīng)器的各反應(yīng)單元由一個(gè)外殼(P)和一個(gè)筒芯(C)構(gòu)成，該筒芯(C)裝有放置在軸向高度為(Hl)的催化床(K)上的顆粒狀催化劑，催化床(K)位于直徑為(Di)、高度為(Hi)的圓筒形外壁和直徑為(D′i)(小于Di)、高度為(H′i)的圓筒形內(nèi)壁以及一個(gè)錐狀的底(PR)之間，圓筒形內(nèi)壁內(nèi)收集反應(yīng)后的氣體，所述催化床的上部橫向表面是敞開著的，可由合成氣體軸向穿透，該系統(tǒng)的特征在于它的催化床是由下列條件限定的a).在形成筒芯(C)的所述外壁內(nèi)部及其附近，有一個(gè)直徑為(Di)、且其高度(Hi)至少大部分可由氣體滲透的圓筒形外壁(FE)，(Di)僅略小于筒芯的直徑；b).有一個(gè)直徑為(D′i)(遠(yuǎn)小于上面提到的(FE)的(Di)，但與排出反應(yīng)后氣體的中心管(T)的直徑(Dt)具有相同數(shù)量級(jí))、且其高度(H′i)中至少大部分可由氣體滲透的圓筒形內(nèi)壁(FI)，(FI)的頂部(SO)由罩子(CO)封住，罩子(CO)盡可能至少部分可由氣體滲透，其離外壁(FE)的頂端(SE)的距離為(D)；c).有一個(gè)高度為(H″i)的底壁(PR)，其直徑(D″)沿其高度從筒芯的直徑(Dc)開始向底部逐漸減小到圓筒形內(nèi)壁的直徑(D′i)；催化床由直徑為(Di)、高度為(D)的實(shí)心上部圓筒形第一區(qū)域、直徑為(Di-D′i)、高度為(Hi-D)的環(huán)形第二區(qū)域和高度為(H″i=Hl-Hi)、直徑由(Di)減小至(D′i)的錐形第三區(qū)域組成。
2.如權(quán)利要求
1的系統(tǒng)，其特征在于反應(yīng)氣體按一般的軸向流動(dòng)方式流過(guò)第一區(qū)域，按一般的徑向流動(dòng)方式流過(guò)第二區(qū)域，按混合的方式流過(guò)第三區(qū)域。
3.如權(quán)利要求
1和2所述的系統(tǒng)，其特征在于在同一反應(yīng)器中流動(dòng)的所述氣流可由改變高度Hi、H′i、H″i和Di的比例而加以調(diào)節(jié)。
4.如以上權(quán)利要求
所述的系統(tǒng)，其特征在于在同一排中的若干反應(yīng)器的Hl/Di比不斷增大。
5.基本如說(shuō)明書和附圖所示、舉例和描述的系統(tǒng)。
6.帶有上述權(quán)利要求
所述系統(tǒng)的多相合成反應(yīng)器。
7.基本如說(shuō)明書和附圖所示及描述的反應(yīng)器。
專利摘要
減少多相合成，特別是合成氨的多單元反應(yīng)器中能量損耗的系統(tǒng)，其各反應(yīng)單元的單個(gè)催化床由兩個(gè)至少部分穿孔的圓筒形壁構(gòu)成。外壁(FE)的直徑(Di)略小于筒芯(C)的直徑(Dc)，其高度為(Hi)。圓筒形內(nèi)壁(FI)的高度為(H′i)，其直徑(D′i)遠(yuǎn)小于(Di)并約等于中心管(T)反應(yīng)后氣體的排氣管的直徑(Dt)。內(nèi)壁(FI)的頂部蓋有一個(gè)罩子(CO)，它與籃外壁上緣的距離為(D)，籃的底部由錐形壁(PR)封住。
文檔編號(hào)C01C1/04GK87107596SQ87107596
公開日1988年6月8日 申請(qǐng)日期1987年11月3日
發(fā)明者尤姆伯托·薩迪, 吉奧吉奧·帕加尼 申請(qǐng)人:阿莫尼·卡薩爾公司, 尤姆伯托·薩迪導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan