Вертикальный аммиачный конвертер с раздельным потоком - RU2344077C2
Код документа: RU2344077C2
Чертежи
Описание
Настоящее изобретение относится к аммиачным конвертерам для каталитического взаимодействия подаваемого газообразного потока, содержащего азот и водород для получения аммиака.
Сложные и усложненные конструкции реакторов были разработаны для конвертирования азота и водорода в газовой фазе в неподвижном слое катализатора с образованием аммиака. Конструкции пытаются оптимизировать отношение газового потока к объему катализатора для максимальной эффективности катализатора. Даже в таком случае желательно уменьшить размер реактора по отношению к объему производства аммиака. Размер реактора, конечно, влияет на его стоимость.
Аммиачные конвертеры усложнены тем, что синтез аммиака из газообразных азота и водорода является экзотермическим, и реакции имеют место при высоких температурах и давлениях. Таким образом, межстадийное охлаждение обычно используется между рядами каталитических зон для поддержания кинетических и равновесных условий, подходящих для оптимальной эффективности конверсии. Также должно быть предусмотрено обслуживание каталитических зон, например периодическое удаление и замена катализатора, когда он теряет свою эффективность.
Применение схем радиального потока или смешанного осевого-радиального потока в конструкциях аммиачных конвертеров стало стандартом для вертикальных аммиачных конвертеров. Однако такие конструкции обычно требуют превышающего или другого объема катализатора, что является неэффективным. Кроме того, конструкции могут также усложнять загрузку и выгрузку катализатора и требовать принятия мер в конструкции, чтобы избежать возможности псевдоожижения катализатора на верхнем конце объема катализатора с радиальным потоком. Краткое описание изобретения
Настоящее изобретение относится к вертикальному аммиачному конвертеру с неподвижным слоем, в котором каталитическая зона неподвижного слоя расположена в двух механически разделенных объемах катализатора и двух газовых потоках, которые работают параллельно. Конструкция поддерживает отношение газового потока к объему катализатора через слой, так что отсутствует потеря эффективности катализатора по сравнению с вертикальными конструкциями с радиальным потоком. Изобретение предусматривает уменьшение размера реактора, так как два объема могут быть оптимально размещены в корпусе реактора. Слои катализатора и пути газового потока размещены так, что газовый поток идет вниз через каждый объем катализатора, таким образом исключая как неэффективный объем катализатора, так и возможность псевдоожижения катализатора. Конструкция облегчает обычное традиционное согласование теплообменников и каталитических слоев, распространенное в существующих вертикальных аммиачных конвертерах с неподвижным слоем и радиальным потоком.
Каждая каталитическая зона неподвижного слоя в настоящем изобретении содержит катализатор в кольцевом пространстве, образованном между двумя концентрическими кожухами, расположенными вокруг кожухотрубного теплообменника. Два каталитических слоя, соединенных с каждой зоной, расположены один выше другого по длине внутреннего теплообменника. В одном предпочтительном варианте конструкции с раздельным потоком трубы или трубопроводы расположены через слои с осуществлением параллельной схемы газового потока. В другом предпочтительном варианте кольцевые потоки создаются через проходы внутренних кожухов, которые содержат каталитические слои.
В одном варианте настоящее изобретение предусматривает вертикальный аммиачный конвертер, включающий сосуд, имеющий вертикальный цилиндрический корпус, и множество каталитических зон неподвижного слоя, вертикально отстоящих друг от друга в сосуде, включающих самую верхнюю и самую нижнюю каталитические зоны и, по меньшей мере, одну промежуточную каталитическую зону. По меньшей мере, самая верхняя и промежуточная каталитические зоны концентрически расположены около соответствующего кожухотрубного теплообменника для межстадийного охлаждения газа, выходящего из каталитических зон. Магнетитный катализатор помещают в самую верхнюю каталитическую зону, а катализатор с высокой активностью - в промежуточную и самую низкую каталитические зоны. По меньшей мере, промежуточные каталитические зоны включают, по меньшей мере, два механически разделенных слоя катализатора, расположенных вертикально по отношению друг к другу, и множество трубопроводов, проходящих через слой катализатора, или кольцевых каналов для потока газа вокруг каждого слоя катализатора, предназначенных для параллельного разделения идущего вниз газового потока между, по меньшей мере, двумя слоями катализатора.
Самая нижняя каталитическая зона предпочтительно имеет, по меньшей мере, два механически разделенных слоя катализатора, расположенных вертикально по отношению друг к другу, и множество трубопроводов, проходящих через слой катализатора, или кольцевых каналов для потока газа вокруг каждого слоя катализатора, предназначенных для параллельного разделения идущего вниз газового потока между, по меньшей мере, двумя каталитическими слоями. Корпус сосуда предпочтительно имеет по существу равномерный диаметр по длине каталитических зон для облегчения изготовления. Вертикальный аммиачный конвертер предпочтительно включает соответствующие множества трубопроводов, проходящих через каждый соответствующий слой катализатора для осуществления параллельного разделения газового потока, или соответствующие кольцевые проходы потоков вокруг каждого слоя катализатора для осуществления разделения.
В другом варианте вертикальный аммиачный конвертер включает вертикальный цилиндрический корпус и, по меньшей мере, одну зону неподвижного слоя, расположенную в корпусе между верхней зоной впуска газа и нижней зоной выпуска газа. Зона неподвижного слоя имеет верхний и нижний объемы катализатора, расположенные для прохождения вниз потока газа параллельно через каждый объем. Кольцевое гнездо объемов катализатора образуется внутренним и наружным концентрическими кожухами вокруг кожухотрубного теплообменника. Перегородка в кольцевом гнезде расположена между верхним объемом катализатора и нижним объемом катализатора. Верхняя разгрузочная камера образована между перегородкой и подложкой катализатора ниже верхнего объема катализатора. Промежуточная впускная камера образована между перегородкой и нижним объемом катализатора. Множество трубопроводов, проходящих через слой катализатора, или кольцевых каналов для потока газа вокруг каждого слоя катализатора предусмотрены для отвода части идущего вниз газового потока из газовой впускной зоны после верхнего объема катализатора в промежуточную впускную камеру выше нижнего объема катализатора. Имеется нижняя разгрузочная камера ниже подложки катализатора на нижнем конце нижнего объема катализатора. Разгрузочный канал находится в сообщении по текучей среде с каждой из верхней и нижней разгрузочных камер и корпусным впуском текучей среды в теплообменник. Корпусной выпуск текучей среды из теплообменника находится в сообщении по текучей среде с газовой выпускной зоной. Когда требуется использовать аммиачный конвертер, объемы катализатора заполняют подходящим катализатором аммиачной конверсии.
Множество трубопроводов, проходящих через слой катализатора, или кольцевых каналов для потока газа вокруг каждого слоя катализатора предпочтительно включают первое множество труб, проходящих через верхний объем катализатора и верхнюю разгрузочную камеру. Второе множество труб может проходить через промежуточную впускную камеру и нижний объем катализатора и соединять верхнюю и нижнюю разгрузочные камеры. Наружный кожух может опираться на обратный опорный конус, предусмотренный между корпусом и верхним концом наружного кожуха. Разгрузочный канал может включать кольцевое пространство между внутренним кожухом и концентрическим промежуточным кожухом, имеющим больший диаметр.
Альтернативно, множество трубопроводов, проходящих через слой катализатора, или кольцевых каналов для потока газа вокруг каждого слоя катализатора предпочтительно включают кольцевое пространство между наружным кожухом и корпусом и множество отверстий в наружном кожухе в промежуточный впуск. Наружный кожух может быть укреплен на опорном конусе, предусмотренном между корпусом и нижним концом наружного кожуха. Разгрузочный канал может включать кольцевое пространство между внутренним кожухом и концентрическим промежуточным кожухом, имеющим больший диаметр. Множество отверстий может быть образовано в промежуточном кожухе между верхней разгрузочной камерой и разгрузочным каналом. Зону неподвижного слоя предпочтительно конструируют как модульный предварительно собранный блок, присоединенный к корпусу с помощью опорного конуса.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 схематически показан вертикальный разрез части вертикального аммиачного конвертера с неподвижным слоем и раздельным потоком согласно одному варианту изобретения, показывающему использование труб для разделения газового потока между объемами катализатора в каталитической зоне.
На фиг.2 схематически показан вертикальный разрез части вертикального аммиачного конвертера с неподвижным слоем и раздельным потоком согласно другому варианту изобретения, показывающему использование кольцевого канала для разделения газового потока между объемами катализатора в каталитической зоне.
На фиг.3 схематически показан вертикальный разрез части вертикального аммиачного конвертера с неподвижным слоем и раздельным потоком согласно другому варианту изобретения, показывающему множество каталитических зон неподвижного слоя с параллельным раздельным потоком между традиционным верхним слоем.
Подробное описание изобретения
Что касается чертежей, на которых одинаковые ссылочные номера используются для обозначения одинаковых частей, на фиг.1 показана каталитическая зона 100, расположенная в вертикальном корпусе 102 аммиачного конвертера согласно одному варианту изобретения. Люки 104, 106 предусмотрены для доступа в соответствующие газовую впускную зону 108 и газовую выпускную зону 110. Корпус 112 расположен концентрически вокруг кожухотрубного теплообменника 114. Корпус 112 имеет внутренний и наружный концентрические кожухи 116, 118. Промежуточный кожух 140 расположен снаружи внутреннего кожуха 116. Кожухи 118, 140 расположены на любой стороне кольцевых верхнего и нижнего объемов катализатора 120, 122. Как использовано здесь, выражение "объем катализатора" относится к пространству, предназначенному для содержания катализатора аммиачной конверсии, когда он по существу содержит катализатор или еще не заполнен катализатором. Кольцевая перегородка 124 расположена между объемами катализатора 120, 122. Подложки катализатора 126, 127 ниже каждого объема катализатора 120, 122 выполняют из проволочной сетки, профильного проволочного экрана (например, торговой марки Johnson Screen) или другой конструкции, хорошо известной в технике для поддержания неподвижных слоев катализатора. Подобный экран 128, 129 расположен наверху каждого каталитического слоя 120, 122. Каждый объем катализатора 120, 122 предпочтительно имеет по существу одинаковый объем, т.е. по существу одинаковый внутренний диаметр, наружный диаметр и глубину, для облегчения обеспечения одинаковой степени аммиачной конверсии по существу одинакового объема газа, подаваемого к каждому каталитическому слою, как описано более подробно ниже.
Кольцевая верхняя разгрузочная камера 130 образована между перегородкой 124 и подложкой катализатора 126. Кольцевая нижняя разгрузочная камера 132 аналогично образована между каталитической подложкой 127 и кольцевой нижней стенкой 134 корпуса 112. Кольцевая промежуточная впускная камера 136 образована между перегородкой 124 и верхним концом нижнего объема катализатора 122.
Кольцевой разгрузочный канал 138 образован между внутренним кожухом 116 и концентрическим промежуточным кожухом 140, расположенным снаружи от него. Имеется проход для газа между нижним концом промежуточного кожуха 140 и нижней стенкой 134. Впуск жидкости со стороны корпуса 142 к верхнему концу теплообменника 114 снабжен отверстиями на верхнем конце внутреннего кожуха 116.
Первое множество труб 144 расположено для прохода через верхний объем катализатора 120 и перегородку 124. Второе множество труб 146 расположено для прохода через перегородку 124 и нижний объем катализатора 122. Если требуется, трубы 144, 146 могут равномерно отстоять в круговой конфигурации, но каждое множество желательно имеет по существу одинаковые площадь поперечного сечения потока и гидравлический радиус для облегчения разделения 50:50 газа, подаваемого в каждый объем катализатора. Если требуется, любая теплопередача к газу в трубах 144, 146 может быть минимизирована использованием соответствующего диаметра для минимизации площади поверхности и для получения подходящего коэффициента теплопередачи (т.е. толщины стенки, конструкции труба в трубе и/или изоляции). Когда теплопередача является достаточно значительной для нагрева газа, проходящего через трубы 144 и/или 146, глубина верхнего и/или нижнего объемов катализатора 120, 122 может слегка корректироваться для компенсации.
Теплообменник 114 является обычным, подобным известным межстадийным теплообменникам, используемым в существующих аммиачных конвертерах с радиальным потоком. Корпус образован внутренним кожухом 116. Трубы 148 поддерживаются на любом конце трубными решетками 150, 152 в соответствующих впускной и выпускной головках 154, 156 и проходят через традиционные отражательные перегородки 157. Охлаждающую жидкость, которая обычно содержит подаваемый газ, вводят через впускную трубу 158, соединенную с впускной головкой 154. Впускная головка 154 предпочтительно имеет наружный диаметр, который меньше диаметра внутреннего кожуха 116, с обеспечением кольцевого прохода для охлажденного газа со стороны корпуса для входа в газовую выпускную зону 110. Выпускная головка 156 предпочтительно имеет наружный диаметр, примерно равный диаметру внутреннего кожуха 116. Нагретая охлаждающая жидкость выходит из выпускной головки 156 через выпускную трубу 162.
Промежуточный кожух 140 крепится к выпускной головке 156 с помощью конического кольца 164. Наружный кожух 118 крепится на его верхнем конце к корпусу 102 с помощью конического опорного кольца 166. Кольца 164, 166 герметизируют корпус 112 с предотвращением обхода газом каталитической зоны 100.
Катализатор вводится и/или удаляется из верхнего каталитического слоя 120 обычным образом. Катализатор может быть введен в и/или удален из нижнего каталитического слоя 122 при введении рукава (рукавов) (не показано) через трубы 144. Загрузка катализатора также может быть облегчена использованием экранов 128, 129, поддерживающих съемную крышку и обеспечивающих пути доступа персонала (не показано) через несущую решетку верхнего слоя 126 и перегородку 124. Это позволяет загружать нижний слой и устанавливать поддерживающую решетку 129, после чего устанавливают вертикальные лестницы в люки доступа персонала, загружают верхний слой и устанавливают поддерживающую решетку 128.
В одном примере варианта на фиг.1 корпус 102 может иметь внутренний диаметр 3,658 метра (12 фут), наружный кожух 118 диаметром 3,505 метра (11,5 фут), промежуточный кожух 140 диаметром 1,524 метра (5 фут) и внутренний кожух 116 диаметром 1,219 метра (4 фут). Впускная и выпускная трубы 158, 162 могут иметь номинальный диаметр 30,48 сантиметра (12 дюйм) и трубы 148 - длину 3,658 метра (12 фут). Камеры 130, 132, 136 могут иметь высоту 0,3048 метра (1 фут) и подложки катализатора 126, 127 и экраны 128, 129 - толщину приблизительно 7,62 сантиметра (приблизительно 3 дюйма). В данном примере 40-дюймовые трубы 144, 146 могут быть использованы в каждом из слоев 120, 122, каждый из которых имеет глубину 1,067 метра (3,5 фут). Общий объем катализатора составляет 1,606 · 104 литров (567 кубических футов), и перепад давления (исключая теплообменник) составляет в 6,7 фут/кв. дюйм.
На фиг.2 показана каталитическая зона 200, подобная варианту на фиг.1, но в которой используется внешняя обводная линия для подачи питающего газа к нижнему слою катализатора 122 вместо внутренних обводных труб на фиг.1. Кольцевое пространство 201 между корпусом 102 и наружным кожухом 118 имеет открытый верхний конец, находящийся в сообщении по жидкости с газовой впускной зоной 108. Опорный конус 202, крепящий нижний конец корпуса 112 к корпусу 102, образует непроницаемое уплотнение на нижнем конце кольцевого пространства 201 по отношению к газовой выпускной зоне 110. Множество отверстий 204 формуют в наружном кожухе 118 для обеспечения проточного сообщения между кольцевым пространством 201 и промежуточной впускной камерой 136. Множество отверстий 206 формуют аналогично в промежуточном кожухе 140 для обеспечения проточного сообщения от наружной камеры 130 в разгрузочный канал 138. Отверстия 204, 206 должны иметь размер и численность, чтобы согласовать соответствующее сопротивление потоку жидкости с обеспечением по существу 50:50 разделения подаваемого газа между верхним и нижним слоями катализатора 120, 122.
В одном примере варианта на фиг.2 корпус 102 может иметь внутренний диаметр 3,658 метра (12 фут), наружный кожух 118 диаметром 3,353 метра (11 фут), промежуточный кожух 140 диаметром 1,524 метра (5 фут) и внутренний кожух 116 диаметром 1,219 метра (4 фута). Впускная и выпускная трубы 158, 162 могут иметь номинальный диаметр 30,48 сантиметра (12 дюйм), и трубы 148 - длину 3,658 метра (12 фут). Камеры 130, 136 могут иметь высоту 38,1 сантиметра (15 дюйм), камера 132 - высоту 30,48 сантиметра (12 дюйм) и подложки катализатора 126, 127 и экраны 128, 129 - толщину приблизительно 7,62 сантиметра (3 дюйм). Слои 129, 122 каждый имеют глубину 1,143 метра (3,75 фут). Общий объем катализатора составляет 1,6 · 104 литров (565 фут3) и перепад давления (исключая теплообменник) составляет 7,6 фунт/кв.дюйм.
Настоящее изобретение имеет дополнительное преимущество минимизации радиальных термических напряжений, ограничивая их, по существу, осевым размером. Настоящее изобретение также делает возможной модульную конструкцию. В варианте на фиг.2, например, доступность опорного конуса 202 делает возможным использование модульной конструкции механических компонентов зоны 200, так что собранный модуль без катализатора может быть установлен в корпус 102 и скреплен сваркой с периферией опорного конуса 202. Вариант на фиг.1 поддерживается наверху, так что осевое термическое расширение компонентов, включая кожухи и трубы теплообменника, имеет место внизу, и любые незначительные различия термического расширения могут быть рассчитаны для днища. Кроме того, вариант на фиг.1 не имеет открытого пространства наверху, которые могли бы позволить инструменту, деталям, обломкам и т.п.падать в него в процессе загрузки и выгрузки. В конструкции на фиг.2 кольцевой газовый поток размещен смежно с корпусом сосуда с тем результатом, что длина реактора минимизируется.
На фиг.3 представлен один вариант объединенного многозонного вертикального аммиачного конвертера 300, основанного на принципах настоящего изобретения. Сосуд имеет вертикальный цилиндрический корпус 302 равномерного диаметра и традиционные полусферические верхнюю и нижнюю головки 304, 306. Первая, вторая, третья и четвертая каталитические зоны 308, 310, 312, 314 вертикально расположены в сосуде от верха к дну. Первая зона 308 предпочтительно содержит магнетитный катализатор, тогда как другие зоны 310, 312, 314 предпочтительно содержат катализатор аммиачной конверсии с высокой активностью, хорошо известный специалистам в данной области техники, как рассмотрено, например, в патентах США 4055628, 4122040 и 4163775, приведенных здесь в качестве ссылки. В противоположность многим существующим вертикальным аммиачным конвертерам с радиальным потоком, в которых корпус имеет увеличенный диаметр около первой каталитической зоны, настоящая конструкция облегчает изготовление при использовании корпуса 302, который имеет равномерный диаметр.
Подаваемый газ вводят в верхнюю часть конвертера 300 с помощью впускного сопла 316. Первая зона магнетитного катализатора 308 является предпочтительно традиционной конструкции с радиальным потоком и включает первый межстадийный теплообменник 318, соединенный с впускными и выпускными трубами охлаждающей жидкости 320, 322, проходящими через корпус 302 и верхнюю головку 304 соответственно. Первый слой катализатора 308 может обслуживаться через люк 324.
Вторая, третья и четвертая каталитические зоны 310, 312 и 314 содержат катализатор с высокой активностью и обычно конструируются в соответствии с конструкцией фиг.1, как описано выше. Специалист в данной области техники легко заметит, что конструкция фиг.2 может быть использована в качестве альтернативы. Вторая и третья каталитические зоны 310, 312 соединены с соответствующими межстадийными теплообменниками 326, 328, впускными трубами охлаждающей жидкости 330, 332 и выпускными трубами охлаждающей жидкости 334, 336. Четвертая каталитическая зона 314 предпочтительно не соединена с межстадийным холодильником, так как она является конечной каталитической зоной и не должна охлаждаться в реакторе, но может быть соединена с концентрическим теплообменником (не показано) при необходимости. Люки 338, 340, 342 предусмотрены выше каждой из соответствующих каталитических зон 310, 312, 314 для введения и/или удаления катализатора или другого обслуживания.
Изобретение проиллюстрировано вышеприведенными описанием и примерами. Специалисты в данной области техники разрабатывают различные изменения и модификации, принимая во внимание вышеуказанные варианты. Подразумевается, что все такие изменения и модификации поэтому входят в объем или сущность прилагаемой формулы изобретения.
Реферат
Изобретение может быть использовано в химической промышленности. Вертикальный аммиачный конвертер с неподвижным слоем, в котором каталитическая зона неподвижного слоя расположена в двух механически разделенных объемах катализатора. В реакторе созданы два газовых потока, которые работают параллельно. Каждая каталитическая зона неподвижного слоя в настоящем изобретении может содержать катализатор в кольцевом пространстве, образованном между двумя концентрическими кожухами, размещенными вокруг кожухотрубного теплообменника. Трубы и трубопроводы расположены в слоях катализатора, кольцевые каналы вокруг слоя катализатора осуществляют параллельное разделение газового потока. Предложенное изобретение позволяет повысить эффективность аммиачного конвертера. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 3 ил.
