多層冷激內冷複合式高效氨合成塔的製作方法

2023-06-21 19:44:36

專利名稱：多層冷激內冷複合式高效氨合成塔的製作方法
技術領域：
本發明屬於氮肥生產中的合成氨反應設備領域。
氨合成塔有許多不同的結構形式，主要差別是合成塔內件的觸媒筐設計，目前國內中小氮肥廠用得最多的是軸向流三套管並流式合成塔，其次是單管並流合成塔。近年來，中國專利公告的有CN86200368軸徑向冷管塔，CN87100963全冷激塔，CN2067707U軸徑向冷激-換熱塔和CN2047263U軸向冷激-間冷塔等多種塔型。各種塔型有各自的優缺點。從原理上分析徑向塔阻力小，可以採用活性好的小顆粒觸媒，冷激塔結構簡單，操作方便可靠，冷管塔連續換熱，最有可能實現觸媒床層的最適宜溫度分布。但是，徑向塔氣流分布不易均勻，操作穩定性不如軸向塔好;冷激塔工作時，物料在反應進程方向上有逆向混合，降低化學反應推動力，使反應最後達到的轉化率不如其他塔型高;段間換熱(或間冷)塔因段數有限，其操作狀況和轉化率都不會比連續的內部換熱式冷管塔好;而冷管塔又常因產生「冷管效應」而妨礙其優點的發揮。
本發明的目的是針對現有技術的不足而提供一種多層冷激內冷複合式高效氨合成塔。這種塔在合成氨反應前期安排三段絕熱層，兩次段間冷激降溫，這時因反應遠離平衡，反應速度快轉化率不高，所以冷激造成的逆向混合影響不大，到反應後期則採用冷管連續內部換熱，以實現最適宜溫度分布，並且從結構設計上有效地防止了「冷管效應」的產生。這樣設計的氨合成塔既高效節能又比較簡單和容易操作控制，其氨產量大、合成氨淨值高，副產蒸汽，能耗較低。
本發明提供的多層冷激內冷複合式高效氨合成塔如

圖1至圖6所示圖1為多層冷激內冷複合式高效氨合成塔結構示意圖。
圖2為具有自由伸縮端的鼠籠式內冷管示意圖。
圖3為均氣裝置的螺旋形安裝例示圖。
圖4為內件兩段製作組合安裝示意圖。
圖5為三通下封頭結構示意圖。
圖6為複合式氨合成塔生產氨和副產蒸汽流程示意圖。
(110)高壓外筒，(120)內件，(111)上蓋，(112)下封頭，(121)，(122)，(123)，(124)，(125)分別為第一至第五觸媒層，(126)，(127)第一、第二冷激器，(128)鼠籠式內冷管，(129)換熱器，(100)氨合成塔，(200)廢熱鍋爐，(300)塔外換熱器，(400)水冷器，(500)進氣主線，(501)一冷付線，(502)二冷付線，(503)冷付線，(504)提溫付線，(505)降溫付線。
多層冷激內冷複合式高效氨合成塔，含有高壓外筒(110)和內件(120)，高壓外筒(110)上設有上蓋(111)和下封頭(112)，內件(120)上部為觸媒筐，下部為列管式或螺旋板式換熱器(129)，觸媒筐內設有五個觸媒層(121)，(122)，(123)，(124)，(125)，第一觸媒層(121)與第二觸媒層(122)之間設有層間冷激器(126)，第二觸媒層(122)與第三觸媒層(123)之間也設有層間冷激器(127)，第四觸媒層(124)內設有能夠自由伸縮的鼠籠式內冷管(128)進行連續的內部換熱，塔的直徑為0.5m至1.6m，塔外設有管路副線，用以實現觸媒層溫度的靈活和可靠調控，建立起觸媒層溫度的最適宜狀況。
第四觸媒層(124)內設有具有自由伸縮端的鼠籠式內冷管(128)(如圖2所示)，冷管圈數為1-6圈，這個內冷式觸媒層的設置，使合成氨反應後期的操作溫度儘量接近最佳值。第五觸媒層(125)比較薄，它的設置有利於均衡徑向氣體流速、溫度和組成，也有利於適當提高出口溫度，副產更多的蒸汽。
多層觸媒的體積分配和操作條件是按照我們研究開發的最優化數學模型設計計算的，各層的高度分別為第一層(121)700-1600mm，第二層(122)2500-3800mm，第三層(123)1000-2000mm，第四層(124)3000-6400mm，第五層(125)400-1100mm，各觸媒層均選用鐵鈷系高活性球形氨觸媒(如202Q型)。
為了消除「冷管效應」，在冷管、冷激氣管、升氣管、熱電偶套管和中心管上部分或全部設有連續的或斷續的冷管均氣裝置，均氣裝置主要元件的形狀為三角形，園形，條形或劈形，按照園周形或螺旋形裝置(如圖3示例所示)。
氨合成塔的內件一般高達12-13m，加工製作、運輸和裝卸觸媒都不方便，本發明將該塔的內件(120)作成兩段(如圖4所示)，上段和下段的高度比例根據工藝要求具體確定，一般在1∶1至1∶2.3之間，按分段製作、運輸，在現場分段填裝觸媒，並經檢驗合格後再對中焊接而成。
本發明是這樣實現的(如圖6所示)，原料氣的大部分經主線(500)進入，首先通過氨合成塔(100)的高壓外筒(110)與內件(120)之間的環隙，從塔底出來進入塔外換熱器(300)，被加熱後的氣體回到合成塔(100)從底部進入合成塔，在內件(120)中經下部熱交換器(129)和冷管(128)提高溫度後，經中心管上升，轉入第一觸媒層(121)，絕熱反應升高溫度後與第一冷激器(126)噴出的冷原料氣體混合，降低溫度到適當範圍後進入第二觸媒層(122)，再進行絕熱反應並經第二冷激器(127)降溫後進入第三觸媒層(123)和第四觸媒層(124)，在第四觸媒層(124)中邊反應邊與鼠籠式冷管(128)內的氣體連續換熱，以保持適宜的操作溫度，最後經第五觸媒層(125)完成反應。反應後的氣體經塔下換熱器(129)降溫後出塔，去廢熱鍋爐(200)回收部分反應熱副產蒸汽，然後再在塔外換熱器(300)中加熱二次進入氨合成塔(100)的氣體，之後去水冷器(400)冷卻，分氨。其餘流程與一般合成氨循環系統相同。按照本發明流程，塔的下部封頭(112)只用一個三通裝置(如圖5所示)，而無需其他類型副產蒸汽氨合成塔所設計使用的四通或五通。
本發明的五層冷激內冷複合式高效氨合成塔採用的塔外調溫管路付線有一冷付線(501)，二冷付線(502)，冷付線(503)提溫付線(504)和降溫付線(505)，使用這些付線上的調節閥，可以靈活和可靠地實現觸媒層溫度的控制(如圖6所示)，這種調控工藝操作方便，調節容易和控溫可靠。
本發明具有如下優點1.設計合理，觸媒填裝量大，合成塔的容積利用率高;觸媒升溫還原條件好，還原後的活性高;觸媒床的操作溫度狀況很接近最適宜溫度分布，所以能獲得很高的氨產量和氨淨值。
2.可回收反應熱副產蒸汽;降低操作壓力，減少高壓機電耗;降低進水冷器氣體的溫度，減少冷卻水用量;能獲得高的合成塔出口氨含量，有利於降低冷凍冰機功耗，從而顯著降低噸氨產品的能耗，提高合成氨生產的經濟效益。
3.本塔結構可靠，「冷管效應」的不良影響得到消除;由於熱應力可能引起的焊縫破裂事故的可能性大大減小;調控手段可靠易行，操作方便。
4.本塔不僅適合於新增裝置使用，還適合於現有氮肥廠的氨合成塔進行技術改造使用，這時只需更換內件(120)和改造上蓋(111)及下封頭(112)，從而節省設備投資費用。
實施例本發明的多層冷激內冷複合式高效氨合成塔(如圖1所示)由具有相應級別製造資格的壓力容器廠按圖製造，觸媒升溫還原有專門方案，控制儀表可按用戶要求配套設計，本專業技術人員能按圖安裝、調試和正常操作。下面是本發明完成的試樣實施情況及主要技術經濟指標摘要型號CD90 φ800外筐尺寸直徑 φ800mm高度 H14700mm觸媒體積 3.38m3觸媒型號 A202Q產量 120t/d操作壓力 26MPa出口氨含量 16.0-16.8%氨淨值 12～13%副產蒸汽 (1.3MPa)每噸氨500公斤以上冷卻水用量 減少為原用三套管型塔的一半。
經濟效益 與原用三套管型塔相比，年增淨效益220萬元以上。
權利要求
1.一種多層冷激內冷複合式高效氨合成塔[1]，含有高壓外筒(110)和內件(120)，其特徵在於該複合式氨合成塔的高壓外筒(110)上設有上蓋(111)和下封頭(112)，內件(120)上部為觸媒筐，下部為列管式或螺旋板式換熱器(129)，觸媒筐內設有五個觸媒層(121)，(122)，(123)，(124)，(125)，第一觸媒層(121)與第二觸媒層(122)之間設有層間冷激器(126)，第二觸媒層(122)與第三觸媒層(123)之間也設有層間冷激器(127)，第四觸媒層(124)內設有具有自由伸縮的鼠籠式內冷管(128)進行連續的內部換熱，塔的直徑為0.5m至1.6m，塔外設有管路付線。
2.按照權利要求1所述多層冷激內冷複合式高效氨合成塔，其特徵在於該複合式氨合成塔的第四觸媒層(124)內設有具有自由伸縮端的鼠籠式內冷管(128)，冷管圈數為1-6圈。
3.按照權利要求1所述多層冷激內冷複合式高效氨合成塔，其特徵在於該複合式氨合成塔的冷管，冷激氣管，升氣管，熱電偶套管和中心管上部分或全部設有連續的或斷續的冷管均氣裝置，均氣裝置主要元件的形狀為三角形，園形，條形或劈形，按照園周形或螺旋形裝置〔3〕。
4.按照權利要求1所述多層冷激內冷複合式高效氨合成塔，其特徵在於該複合式氨合成塔的內件(120)分段作成兩截，上段和下段的高度比例為1∶1至1∶2.3，在現場兩段分別裝好觸媒後對中焊接而成〔4〕。
5.按照權利要求1所述多層冷激內冷複合式高效氨合成塔，其特徵在於該複合式氨合成塔的五個觸媒層的床層高度，第一層(121)為700-1600mm，第二層(122)為2500-3800mm，第三層(123)為1000-2000mm，第四層(124)為3000-6400mm，第五層(125)為400-1100mm。
6.按照權利要求1所述多層冷激內冷複合式高效氨合成塔，其特徵在於該複合式氨合成塔的外筒(110)的下封頭(112)僅為一個三通裝置〔5〕。
7.按照權利要求1所述多層冷激內冷複合式高效氨合成塔，其特徵在於該複合式氨合成塔的流程〔6〕中設有塔外管路付線，有冷付線(501)，(502)，(503)，提溫付線(504)和降溫付線(505)。
全文摘要
一種多層冷激內冷複合式高效氨合成塔。其特徵在於該複合式氨合成塔的外筒上設有上蓋和下封頭，內件上部為觸媒筐，下部為換熱器，觸媒筐內設有五個觸媒層，第一層與第二層和第二層與第三層之間各設一個層間冷激器，第四層內設有自由伸縮鼠籠式冷管進行內部換熱，採用塔外管路副線配合實施塔內觸媒層溫度的調控。它具有高效、節能的優點，氨產量和氨淨值高，並能副產蒸汽，有顯著的經濟效益，適合中小型氮肥廠使用。
文檔編號C01C1/04GK1065845SQ9210806
公開日1992年11月4日 申請日期1992年3月21日 優先權日1992年3月21日
發明者陳應祥, 宋紹東, 李隆山, 高樹林, 季庸夫 申請人:陳應祥, 李隆山