用於改進具有局部開口的容器的熱壁氨反應器的方法

2023-08-01 08:31:36 1

專利名稱：用於改進具有局部開口的容器的熱壁氨反應器的方法
技術領域：
本發明涉及用於改進具有局部開口的容器的熱壁氨反應器的方法。在本說明書中，術語「熱壁」表示不具有容器的流動(fluxing)系統(在催化床與容器之間的冷卻流的通路)的反應器，其中，在工作中容器基本上達到床的溫度。術語「具有局部開口的反應器」表示該反應器不具有與容器直徑尺寸基本上相同的開口。
背景技術：
用於氨合成的已知類型的反應器包括基本上圓柱形的外容器、以及包含催化劑(催化床)的催化筒(cartrid ge)。實質為氮氫混合物的反應氣體的新鮮充量在所述容器與所述催化筒之間的環形空間(通常所說的環狀部)循環，以冷卻容器壁。該供給被已知為在環狀部中流動，並且反應器被認為是冷壁。例如，在US 4181701中描述了具有環狀部中流動的氨反應器。由於鋼容器暴露在高侵蝕性環境下，所以容器的冷卻被認為是適宜的。還有一種已知類型的被稱為熱壁的反應器，在該反應器中沒有上述提及的流動。這通過使用高阻抗鋼(例如，包含添加有釩的鉻鑰的鋼)是可能的。這種材料可以(至少名義上)使容器在高溫下(例如大約450°C )工作。由於熱壁反應器可比等容量的冷壁反應器更廉價，所以這些熱壁反應器引起了一定注意。然而，實踐中，已發現用於熱壁反應器的鋼極難焊接。在相同條件下，焊縫(welds)的強度會比標準鋼的強度差。該問題在氨環境的工作狀態下更糟，特別是由於被已知為高溫氫腐蝕的現象以及引起易碎性並增加形成破裂的風險的氮化現象。由於這些冶金問題和高溫高壓的結合效應，因此容器的應力狀態特別嚴峻。實踐中，儘管使用了前述的高阻抗鋼，但是已發現熱壁反應器在相對短的工作期之後在容器中出現了破裂。在這些情況中，容器的替換非常昂貴，並且要花費很長時間；簡單的修復也是無法滿意的，這是因為不能去除故障的起因。在工作中放任損壞的反應器無疑是危險的，具有災難性故障的風險。此外，必須考慮到已知類型的熱壁反應器製備有局部開口，這不可能例如通過引入預裝配的催化筒並保持現有容器來改進反應器。還應考慮到已知類型的熱壁反應器被實現為具有局部開口，這不允許例如通過插入預裝配的催化筒並保持現有容器來改進反應器。前述弊端還承受包括串聯的兩個反應器(即使用流動冷卻的第一反應器、以及沒有此類設置的具有更簡單構造的第二反應器)的設備的困擾。實踐中，第二反應器可包括實際上沒有外筒的簡單催化床，以使得用於包含催化床的面板在無需冷卻流的情況下直接與容器的內壁連接或面對該內壁。在這樣的構造中，容器在「熱壁」狀態下工作，即，在工作中其基本達到與床相同的溫度(350°C至500°C之間，一般約450°C )。在現有技術中，在具有串聯的兩個反應器的上述類型的設備中，反應氣體被完全饋送至第一反應器，並且從第一反應器排出的產物和反應物的混合物完全饋送至第二反應器，其中通常具有中間冷卻。第二反應器一般具有極長的圓柱形容器(例如大約為20米)、以及位於下部的用於進氣口和出氣口的兩個開口。上底盤和下底盤被焊接到圓柱形容器，即沒有完整直徑的開口是可用的。如上所述，直到現在為止，這種狀態已經使製作內催化筒似乎基本上是不切實際的。

發明內容
本發明提議以解決上述問題。特別是，本發明旨在提供一種有利的方法，以恢復由於高工作溫度以及諸如由高侵蝕環境引起的氫腐蝕和/或氮化現象而引起的破裂造成損壞的、具有局部開口的熱壁氨反應器的工作。本發明還旨在使氨反應器的工作狀態或這裡考慮的此類型的設備更加安全。形成本發明的基礎的想法是，通過使用催化筒床替代既有的催化床，使得反應器類似於冷壁反應器(即局域冷卻容器的流動)工作，以改進反應器。
以如下所述的方法來實現上述目的，所述方法用於改進具有局部開口的容器的熱壁氨反應器，所述方法包括至少以下操作-利用模塊化元件直接在容器的內部裝配催化筒，所述模塊化元件的尺寸適合於通過容器既有的局部開口而引入至容器中，並且每個模塊化元件包括至少一個面板；-所述模塊化元件的面板形成所述催化筒的基本上圓柱形外壁、以及在催化筒的所述外壁與容器的內壁之間的環形流動空間；-所述面板在被引入至容器中之前被預先布置有相應的熱絕緣層。本發明提供了對現有催化床進行去除並且將其替換為被預先裝配在多個模塊化元件中的前述催化筒；所述元件使用可用的局部開口而被引入至容器中並且裝配在合適的位置，即裝配在容器自身內部中。優選地，通過在兩個相鄰面板的邊緣之間的重疊區域中形成有角度的(angle)縱向焊縫來裝配所述模塊化元件。提供熱絕緣是有利的，這是因為由於催化筒被裝配在容器內部而不能達到使外部絕緣。本發明通過為面板在其背部預先布置相關絕緣部分而解決了該問題。有利地，製作接合點以使熱橋最小化，並且仍然可以在無需反向接入的情況下裝配該面板。必須注意到，熱絕緣的完整性是重要的，這是因為絕緣的損壞既會引起反應器內部的問題也會引起加壓容器的問題，例如，絕緣的損壞可能引起氣體通道部分阻塞以及隨之而來的反應器的負荷損耗的增加；容器方向上的催化筒的輻射，這在沒有流動時的停工期間尤其危險。優選地，模塊化元件預製有用於通向催化筒中的進氣口的相應的帶孔壁以及相應的支管，以獲得被已知為「扇貝」型的支管。因此，預製的模塊化元件包括三個功能外部絕緣，承重催化筒和進氣口支管，使現場焊縫的數量和規模最小化。面板基本上代表催化筒模塊的承重部分。優選地，改進反應器的方法針對容器流動提供了淬火氣體的使用。因此，根據優選實施例，淬火氣體流被饋送至所述催化筒與所述容器之間的所述環形流動空間中。優點包括催化筒在工作中必須承受的壓力差減小，因此面板的厚度較薄，這允許更容易實現面板本身之間的必要的縱向焊縫。本發明的另一方面如下。在包括至少一個具有通過流動而得以冷卻的容器的第一反應器、以及與第一反應器串聯的第二反應器的氨設備中，所述第二反應器為熱壁型並具有局部開口的容器，可通過如上所述的內部裝配催化筒來有利地改進第二反應器。以這種方式，製成由於沒有冷卻而熱應力更大的第二反應器以用作冷壁反應器。優選地，本發明還預見提供用於取自於最初被引向第一反應器的給料的氣流偏移至第二反應器的線路，並且將所述氣流饋送至第二反應器中獲得的環形流動空間中。這種供應基本上企圖將至第一反應器的饋送氣體的一部分用作第二反應器的流動氣體。相對於初始工作構造，該氣流旁路第一反應器。從工藝角度來看，這意味著輕微的缺陷，但是已經發現使第二反應器的容器(非常昂貴)恢復工作並且/或者使其更可靠的優點已經過度補償了這種影響。優選計算流動氣體的流速以使得兩個反應器的整體轉換在合成迴路中不增加氣體的循環，從而有利地並不非要減少產量或增加消耗。通常，這可以通過採用第二反應器的某些保險設計(overdesign)來實現。本發明允許在已經修理了在存在氫(氫腐蝕)和氨(氮化)時由高溫工作而損壞的容器之後恢復容器，並且以較低並且因此較小危險的溫度運行反應器。相比安裝新的反應器而言，具有減小投資成本和將反應器投入工作的時間的優點，因而減小了停產的時間或由於容器破裂或已經被修復但仍然在高溫下工作而處於危險狀態下工作的時間。本發明也可以應用到尚未被損壞(破裂)的反應器中(如果為了預防目的而期望將其引至不太惡劣的工作條件中，即降低突然失效的風險的話)。應當注意到，在現有技術中，通常對冷壁反應器進行現場改進幹預並且改進現有催化筒。另一方面，在本發明的情況中，在設計不具有催化筒的反應器中現場製作催化筒。


圖1示出根據本發明實施例改進的氨反應器的橫截面。圖2示意性示出根據由圖1中的線II指示的平面的反應器的截面。圖3示出在形成圖1的反應器的催化筒壁的兩個面板之間的接合點的細節。圖4示出針對具有串聯的兩個氨反應器的設備的本發明的可能應用的圖。
具體實施例方式圖1示出根據本發明改進的、被最初安裝在熱壁狀態下工作的氨反應器I。反應器I包括容納器或容器2以及進氣口 2和出氣口 3的開口。底盤4和5被焊接至容器2 ;半球形上底盤4配備有開口或檢查孔6。不存在可用的與所述直徑同寬的開口並且因此反應器I被命名為局部開口。例如，在已知類型的氨反應器中，容器2的直徑約為3000mm，而所述開口 6具有小於一米的直徑，例如800mm。最初，反應器I包含與容器2實質接觸的催化床，並且不提供所述容器2的冷卻。去除最初床層以進行下文中描述的改進。通過在容器2的內部直接裝配催化筒7來改進反應器I。催化筒7由預製的並通過可用開口 6引入的模塊化元件形成。催化筒7保留其外壁與所述容器2之間的環形流動空間8。例如，如果容器的直徑為3000mm，則催化筒的直徑可以為2950mm，以獲得25mm的流動空間。
使用中，流動氣體的流速優選通過所述開口 6饋送。在示例中，在蓋板17中製造用於流動氣體的進口開口 16，該蓋板17被提供用於關閉開口 6。流動氣體通入至空間(環狀部)8中，以冷卻容器2 ;通過一個或多個徑向進口 9，該氣體在中央管道10中與從開口 2進入的主饋送氣流混合。管道10中的混合將反應氣體引至最佳溫度，從開口 2進入的氣體一般處於比最佳值更高的溫度下 。該氣流隨後以軸徑向氣流的形式式橫跨催化筒7的床並且產物聚集在出口開口 3處。氣體進入催化床部分地通過上部的支管發生並且部分地通過帶孔壁14發生。更詳細的參照圖2和3，催化筒7具有大致圓柱形外壁(示為7a)，該外壁由前述模塊化元件的曲形面板11形成；通過在兩個相鄰面板11之間的重疊區域中有角度的縱向焊縫12，面板11 (在插入容器之後)在適當的位置中接合。每個面板11被準備有相應的熱絕緣層13，以使得當催化筒7的裝配完成後，外壁7a由絕緣外層13包圍而沒有連續性的中斷。在圖3的細節中，還可以看到在容器2的內壁2a與催化筒和相關絕緣層13的外表面之間的流動空間或環狀部8。該圖還示出例如「槽」型的可透氣壁14，其優選配備有孔或縫隙。圖3還示出「扇貝」型的進氣支管15中的一個，其使得進氣口從催化筒7的頂部處於大致軸向方向上。本發明的優選方面對於如此改進的反應器I內的流動提供淬火氣體的流速的使用。已知利用預先加熱至反應溫度以上的氣體的一部分(主進口)以及沒有被加熱並並且因此處於較低溫度下的氣體(實際上被稱為淬火氣體)的少部分來饋送給反應器；所述兩部分之間的混合將反應物引至正確的反應溫度。本發明的一個方面包括使用所述淬火氣體流作為改進的反應器的流動氣體。淬火氣體的使用具有實質減少催化筒外部的壓力差(ΛΡ)的優點，該壓力差例如被減少至大致低於I巴的值(例如僅O. 3巴)，而不是一般大於I巴的值。因此，面板11和相關焊縫12在工作中所受到的機械應力減小。為了經受住2巴或3巴的ΛΡ，一般需要面板11的厚度在20mm至25mm之間；淬火氣體的流動允許厚度減少至約IOmm以使焊縫12的形成更加容易。圖4示出使用流動(冷壁)進行冷卻的反應器20以及與反應器20串聯的不被冷卻(熱壁)的反應器21的設備的示例。根據初始設計，反應氣體22的進氣被完全饋送至第一反應器20，並且反應物/產物的氣流24在熱交換器25中冷卻後進入到串聯工作的後續反應器21中。在本發明的一個實施例中，大致如圖1中那樣，由催化筒的內部裝配並在催化筒與容器之間製造環狀部來改進反應器21。此外，氣流23從氣流22分出並作為流動氣體和容器冷卻劑而饋送至反應器21，更具體地，饋送至反應器21中得到的所述環狀部。應當注意的是，所述氣流23基本旁路反應器20。然而，在反應器20處可用的反應物的減少由恢復反應器21和/或使其更加可靠的優點來補償。
權利要求
1.一種用於改進具有局部開口的容器(2)的熱壁氨反應器的方法，包括-利用模塊化元件在容器(2)的內部直接裝配催化筒(7)，所述模塊化元件的尺寸適合於通過所述容器既有的局部開口(6)而引入至所述容器中，並且每個模塊化元件包括至少一個面板(11);-所述模塊化元件的面板(11)形成所述催化筒(7)的大致圓柱形外壁(7a)，以及在所述催化筒的所述外壁與所述容器的內壁之間的環形流動空間(8)；-所述面板(11)在被引入至所述容器(2)中之前預先布置有相應的熱絕緣層(13)。
2.根據權利要求1所述的用於改進氨反應器的方法，通過在兩個相鄰面板(11)的邊緣之間的重疊區域中形成有角度的縱向焊縫(12)來在所述容器(2)的內部裝配所述模塊化元件。
3.根據權利要求1所述的用於改進氨反應器的方法，所述模塊化元件包括用於通向催化筒(7)的進氣口的相應的帶孔壁(14)以及相應的支管。
4.根據權利要求1所述的用於改進氨反應器的方法，所述反應器最初被饋送以主加熱氣體流以及較低溫度的淬火氣流，所述方法提供了將所述淬火氣流的至少一部分饋送至在裝配所述催化筒(7)之後獲得的所述環形流動空間(8)中，淬火氣體的所述部分在工作中用作所述容器的流動和冷卻氣體。
5.一種用於改進氨設備的方法，所述氨設備包括至少一個具有通過流動而得以冷卻的容器的第一反應器(20)，以及與所述第一反應器串聯的第二反應器(21)，所述第二反應器(21)為熱壁類型，其中容器具有局部開口，所述方法包括根據權利要求1在所述第二反應器(21)的容器中裝配催化筒(7)。
6.根據權利要求5所述的用於改進氨設備的方法，包括提供用於將取自於最初被引向第一反應器的給料(22)的氣流(23)偏移至所述第二反應器(21)的線路，所述氣流在工作中被饋送至在所述第二反應器(21)中獲得的環形流動空間(8)中。
7.根據權利要求6所述的用於改進氨設備的方法，其中在工作中，流動氣體(23)的流速不會增加在合成迴路中氣體循環的總流速。
全文摘要
一種用於改進具有局部開口的容器(2)的熱壁氨反應器的方法，包括利用模塊化元件在容器(2)的內部直接裝配催化筒(7)，所述模塊化元件的尺寸適合於通過所述容器既有的局部開口(6)而引入至所述容器中，並且每個模塊化元件包括至少一個面板(11)；所述模塊化元件的面板(11)形成所述催化筒(7)的大致圓柱形外壁(7a)，以及在所述催化筒的所述外壁與所述容器的內壁之間的環形流動空間(8)；所述面板(11)在被引入至所述容器(2)中之前預先布置有相應的熱絕緣層(13)。
文檔編號B01J8/00GK103038172SQ201180014430
公開日2013年4月10日 申請日期2011年3月11日 優先權日2010年4月9日
發明者馬爾科·巴達諾, 米爾科·塔羅佐, 費代裡科·馬菲埃蒂 申請人:阿梅尼亞·卡薩萊股份有限公司