Способ модернизации аммиачного конвертера Российский патент 2020 года по МПК C01C1/04 B01J8/04 

Область техники

Изобретение относится к модернизации многослойного аммиачного конвертера с промежуточным охлаждением. Уровень техники

Синтез аммиака из свежего газа, содержащего Н₂ и N₂, является строго экзотермической катализированной реакцией.

Известные аммиачные конвертеры в общем содержат несколько каталитических слоев; перегрев может снизить конверсионный выход и повредить катализатор, и, следовательно, конвертер должен быть спроектирован так, чтобы должным образом отводить теплоту реакции и регулировать температуру слоев. Известные технологии выполнения этого включают адиабатические слои с промежуточным охлаждением и так называемые изотермические слои.

Адиабатический слой не содержит каких-либо средств непосредственного охлаждения катализатора, то есть выделяемое в химической реакции тепло полностью передается газообразному исходящему потоку. Между последовательными слоями, расположенными друг за другом, обеспечены межслойные теплообменники для охлаждения горячего исходящего потока слоя перед введением его в последующий слой. Тепло, отведенное от исходящего потока, может быть передано охлаждающей среде (например, воде или пару) или свежему газу для его предварительного нагрева. В некоторых случаях дополнительный охлаждающий эффект может быть достигнут смешиванием горячего исходящего потока с частью свежей загрузки, находящейся при низкой температуре.

С другой стороны, так называемый изотермический слой содержит теплообменник, погруженный в массу катализатора для непосредственного отвода тепла от этого катализатора. Соответственно, температуру исходящего потока можно регулировать в заданном узком диапазоне, в идеале близком к температуре, соответствующей максимальной скорости реакции, так чтобы ΔT на входе и на выходе (разница температур) была мала по сравнению с адиабатической конструкцией. По этой причине слой обычно называют изотермическим или близким к изотермическому.

В многослойной конструкции с промежуточным охлаждением каталитические слои обычно имеют кольцеобразную форму, и теплообменники промежуточного охлаждения могут располагаться коаксиально внутри кольцеобразных слоев, смотри, например, ЕР 0376000 и ЕР 2610001. Известная компоновка имеет три каталитических слоя, расположенных друг за другом, с двумя теплообменниками промежуточного охлаждения и нижним теплообменником, предназначенным для дополнительного охлаждения исходящего потока третьего и последнего слоя.

В предшествующем уровне техники адиабатическая конструкция и изотермическая конструкция рассматриваются как альтернатива друг другу. В ограниченном числе случаев предлагались гибридные конвертеры, содержащие первый адиабатический слой, за которым следуют один или несколько изотермических слоев.

Изотермические конвертеры обеспечивают более точное регулирование температуры и, как правило, больший выход конверсии, чем адиабатические конвертеры. Оптимизация конвертера с несколькими адиабатическими слоями, расположенными друг за другом, очень сложна, так как режим работы какого-либо слоя (например, выходная температура) влияет на все последующие слои. Однако адиабатические конвертеры требуют меньших капитальных затрат, и поэтому большинство аммиачных конвертеров выполнены с последовательными адиабатическими слоями и теплообменниками промежуточного охлаждения. Отсюда вытекает большой интерес к способам модернизации этих конвертеров, особенно с целью увеличения выхода и/или производительности в смысле количества аммиака, которое производится или может производиться.

Раскрытие изобретения

Целью изобретения является обеспечение способа выигрышной модернизации существующих аммиачных конвертеров с несколькими последовательными каталитическими слоями и межслойными теплообменниками. Изобретение предназначено для увеличении конверсионного выхода и/или производительности конвертера путем обеспечения более тонкого регулирования температуры реакции за счет увеличения количества регенерированного тепла.

Эти цели достигаются в способе модернизации аммиачного конвертера по п. 1. Предпочтительные особенности способа заявлены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Изобретение обеспечивает способ модернизации многослойного аммиачного конвертера с теплообменниками промежуточного охлаждения, в котором первый каталитический слой преобразуется в изотермический каталитический слой. Для этого может быть установлен новый теплообменник, основные теплообменные части которого погружены в катализатор существующего первого слоя, или картридж, содержащий первый слой, может быть заменен новым картриджем, содержащим теплообменник, погруженный в катализатор.

Термин изотермический каталитический слой означает, что тепло, выделенное в реакции синтеза, отводится от каталитического слоя и передается охлаждающему теплообменнику для регулирования температуры слоя.

Новый теплообменник первого слоя содержит основные части теплообменника, которые могут быть, например, трубами или пластинами; в предпочтительном варианте выполнения основные части теплообменника представляют собой пластины. В качестве примера в большинстве случаев первый слой может быть кольцеобразным слоем, и новый теплообменник предпочтительно содержит группу разнесенных по радиусу пластин, распределенных по кольцеобразному слою.

Аммиачный конвертер содержит первый межслойный теплообменник между первым слоем и вторым слоем. Отличительная особенность изобретения заключается в том, что указанный первый межслойный теплообменник установлен во взаимодействии с заново введенным теплообменником, что переводит первый слой в изотермический режим работы.

Заявитель установил, что комбинация первого изотермического слоя с межслойным охлаждением имеет преимущество в отношении скорости конверсии. Несмотря на изотермический режим температура выходного газа первого слоя относительно велика и все еще выше оптимальной входной температуры второго слоя, находящегося ниже по потоку. Следовательно, преобразование первого слоя в изотермический повышает выход продукта из первого слоя без влияния на действие второго и последующих слоев, так как входная температура второго слоя регулируется теплом, отведенным в первом межслойном теплообменнике.

Так как теплота реакции, выделенная в первом изотермическом слое, по меньшей мере частично отводится погруженными в него теплообменными пластинами, режим работы первого межслойного теплообменника смягчается. Это означает, что теплообменная поверхностью этого первого межслойного теплообменника может быть уменьшена, и, следовательно, сам теплообменник может стать меньшего размера, высвобождая большее пространство для заполнения катализатором, что является дополнительным преимуществом настоящего изобретения.

Согласно некоторым вариантам выполнения первый межслойный теплообменник заменяется теплообменником меньшего размера, и по меньшей мере часть высвободившегося объема внутри конвертера используется для помещения дополнительного количества катализатора, в частности для увеличения размера первого каталитического слоя. В частности, если первый межслойный теплообменник установлен коаксиально с кольцеобразным каталитическим слоем, новый теплообменник может быть меньшего диаметра, что означает, что кольцеобразный слой может иметь меньший внутренний диаметр и, следовательно, больший объем при данном наружном диаметре.

Другим объектом настоящего изобретения является многослойный аммиачный конвертер, содержащий несколько каталитических слоев, включая первый каталитический слой и один или более дополнительных каталитических слоев, установленных друг за другом, так чтобы исходящий поток слоя далее вступал в реакцию в последующем слое, а также содержащий группу межслойных теплообменников, установленных так, чтобы охлаждать выходящий поток каждого слоя перед его пропуском в последующий слой, при этом конвертер отличается тем, что группа каталитических слоев, включает первый каталитический слой, содержащий погруженный в катализатор теплообменник для обеспечения изотермического режима работы, и один или несколько последующих слоев, действующих в адиабатическом режиме.

Согласно настоящему изобретению конвертер отличается тем, что только первый слой изотермический, в то время как другие слои адиабатические. Кроме того, обеспечен теплообменник между первым изотермическим слоем и последующими адиабатическими слоями. Конструкция обеспечивает оптимальное использование первого слоя, являющегося наиболее критическим, из-за подачи в него свежей и более реактивной загрузки, в то время как общая стоимость сопоставима со стоимостью обычного адиабатического конвертера.

Преимущества настоящего изобретения станут более ясными из нижеследующего детального описания.

Краткое описание чертежей

Далее изобретение рассмотрено более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:

на фиг. 1 - упрощенная схема многослойного аммиачного конвертера согласно предшествующему уровню;

на фиг. 2 - схема конвертера с фиг. 1 после модернизации согласно одному из вариантов настоящего изобретения;

на фиг. 3 - в деталях первый слой модернизированного конвертера;

на фиг. 4 - диаграмма конверсии аммиака в зависимости от температуры в конвертере согласно одному из вариантов выполнения настоящего изобретения.

Осуществление изобретения

На фиг. 1 представлен многослойный аммиачный конвертер 1, включающий емкость 2 и каталитический картридж, содержащий три адиабатических каталитических слоя 3, 4 и 5, расположенных последовательно, и два межслойных теплообменника 6, 7, а также нижний теплообменник 8. Каждый слой пронизывается направленным радиально вовнутрь (или смешанного типа аксиально-радиальным) потоком и имеет форму кольца, внутри которого помещен соответствующий трубчатый теплообменник.

Новый свежий газ, поступающий на газовый ввод 15, предварительно нагревается при прохождении вверх вокруг каталитического картриджа и затем поступает в первый слой 3; исходящий из слоя 3 поток охлаждается, обтекая трубы первого межслойного теплообменника 6; охлажденный исходящий поток поступает во второй слой 4. Аналогично, исходящий поток второго слоя охлаждается во втором межслойном теплообменнике 7 перед поступлением в третий слой 5, и исходящий поток третьего слоя 5 охлаждается в нижнем теплообменнике 8 перед выходом из конвертера 1 через отвод 9. Свежий газ может проходить через одну или несколько ступеней охлаждения (не показаны).

Каталитические слои 3, 4 и 5 действуют в адиабатическом режиме, так как не содержать никаких средств охлаждения, и теплота реакции передается газообразному потоку реагентов и выходных продуктов.

Реактор с фиг. 1 известен в предшествующем уровне техники и не нуждается в более подробном описании.

На фиг. 2 представлен реактор, модифицированный введением дополнительного пластинчатого теплообменника 10, содержащего теплообменные пластины, разнесенные по радиусу в кольцеобразном слое. Каждую пластину 11 внутри пронизывает охлаждающая среда, например, вода. В результате первый каталитический слой модифицированного конвертера с фиг. 2 действует в изотермическом режиме. Температуру первого слоя можно регулировать с некоторой степенью свободы путем управления потоком охлаждающей среды и/или его температурой при прохождении через пластины 11.

В общем случае требуется охлаждение исходящего потока слоя 3 перед его поступлением в следующий слой 4. Однако рабочий режим первого межслойного теплообменника 6 смягчается благодаря тому, что тепло отводится новым пластинчатым теплообменником 10.

Как показано на фиг. 3, кольцеобразный первый слой 3 первоначально ограничен внешней стенкой 12 и внутренней стенкой 13. Внутренняя стенка 13 ограничивает пространство, служащее для размещения первого межслойного теплообменника 6. Использование теплообменника 6 меньшего размера означает, что внутренняя стенка 13 может иметь меньший диаметр, то есть освобождается объем 14, делая возможным размещение в нем указанного слоя, как обозначено пунктирной линией 13а.

Работа конвертера иллюстрируется диаграммой на фиг. 4.

Газообразный входной объем поступает в первый изотермический слой при температуре Та, где он вступает в реакцию, выделяя тепло и вырабатывая первый частично прореагировавший поток продукта с температурой Tb. Тепло, выделившееся в этом слое, отводится пластинами теплообменника 10, погруженными в слой, что приводит к охлаждению первого потока продукта от температуры Tb до температуры Тс.

Температурный профиль первого слоя 3 в диапазоне от Та до Тс совпадает с кривой (а), соответствующей максимальной скорости реакции, что означает максимально возможную конверсию за один проход для данного объема катализатора.

Этот первый поток продукта далее охлаждается от температуры Тс до температуры Td в первом межслойном теплообменнике 6 и подается во второй слой 4, где он вступает в адиабатическую реакцию, обеспечивая второй газообразный поток. Нужно отметить, что температурная разница между Тс и Td относительно мала, что означает облегчение режима работы первого межслойного теплообменника 6.

Во втором слое 4 температура реакции быстро возрастает от Td до Те. Второй поток, выходящий из второго слоя 4, затем охлаждается во втором межслойном теплообменнике от температуры Те до температуры Tf и подается в третий слой, где далее вступает в адиабатическую реакцию, обеспечивая третий газообразный поток с температурой, возросшей от Tf до Tg.

С учетом приведенной выше диаграммы можно считать, что данное изобретение помещает максимальную температурную разницу в теплообменнике и максимальные параметры охлаждения в первый каталитический слой, в котором происходят максимальные конверсия аммиака и тепловыделение.

Изобретение относится к модернизации многослойного аммиачного конвертера с промежуточным охлаждением. Описан способ модернизации многослойного аммиачного конвертера (1), содержащего несколько адиабатических каталитических слоев, включая первый каталитический слой (3) и один или более последующих каталитических слоев (4, 5), расположенных друг за другом, так чтобы исходящий поток слоя далее вступал в реакцию в последующем слое; по меньшей мере первый межслойный теплообменник (6), размещенный между первым каталитическим слоем (3) и вторым каталитическим слоем (4) для охлаждения исходящего потока первого слоя перед его пропуском во второй слой, и, по выбору, следующий межслойный теплообменник(и) (7), размещенный(ые) между последующими слоями, при этом способ отличается тем, что преобразуют первый каталитический слой (3) в изотермический каталитический слой. Также описан многослойный аммиачный конвертер. Технический результат: увеличение конверсионного выхода и/или производительности конвертера путем обеспечения более тонкого регулирования температуры реакции. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ модернизации многослойного аммиачного конвертера (1), содержащего несколько адиабатических каталитических слоев, включая первый каталитический слой (3) и один или более последующих каталитических слоев (4, 5), расположенных друг за другом, так чтобы исходящий поток слоя далее вступал в реакцию в последующем слое; по меньшей мере первый межслойный теплообменник (6), размещенный между первым каталитическим слоем (3) и вторым каталитическим слоем (4) для охлаждения исходящего потока первого слоя перед его пропуском во второй слой, и, по выбору, следующий межслойный теплообменник(и) (7), размещенный(ые) между последующими слоями,

и способ отличается тем, что преобразуют первый каталитический слой (3) в изотермический каталитический слой.

2. Способ по п. 1, в котором первый каталитический слой преобразуют в изотермический путем введения теплообменника (10), погруженного в катализатор первого каталитического слоя.

3. Способ по п. 1, в котором первый каталитический слой заменяют новым каталитическим слоем, содержащим теплообменник (10), погруженный в катализатор.

4. Способ по любому из предыдущих пунктов, включающий:

замену первого межслойного теплообменника (6) новым теплообменником меньшего размера, чем предыдущий теплообменник, при этом меньший размер нового теплообменника позволяет высвободить объем (14) внутри конвертера; и

использование по меньшей мере части объема (14) для размещения дополнительного количества катализатора.

5. Способ по п. 4, в котором указанный объем используют для увеличения размера первого каталитического слоя.

6. Способ по п. 5, включающий замену первого каталитического слоя слоем.

7. Способ по п. 5 или 6, в котором первый каталитический слой (3) выполнен кольцеобразным и первый межслойный теплообменник (6) установлен коаксиально и внутри этого слоя, при этом новый первый межслойный теплообменник имеет диаметр меньше предыдущего теплообменника, так чтобы первый каталитический слой мог иметь дополнительный объем.

8. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором группа теплообменных пластин (11), погруженных в катализатор, используется для обеспечения изотермического режима работы первого каталитического слоя (3).

9. Способ по п. 8, в котором первый слой (3) выполнен кольцеобразным и теплообменные пластины (11) разнесены по радиусу.

10. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором аммиачный конвертер (1) включает три каталитических слоя (3, 4, 5), размещенных последовательно, и имеется первый межслойный теплообменник (6) между первым слоем (3) и вторым слоем (4), второй межслойный теплообменник (7) между вторым слоем (4) и третьим слоем (5), и нижний теплообменник (8) после третьего слоя.

11. Многослойный аммиачный конвертер (1), содержащий несколько каталитических слоев, включая первый каталитический слой (3) и один или более последующих каталитических слоев (4, 5), причем эти каталитические слои размещены друг за другом, так чтобы исходящий поток слоя далее вступал в реакцию в последующем слое, а также содержащий группу межслойных теплообменников (6), установленных так, чтобы охлаждать исходящий поток каждого слоя перед его пропуском в последующий слой,

отличающийся тем, что указанные несколько каталитических слоев включают первый каталитический слой (3), содержащий погруженный в катализатор теплообменник для обеспечения изотермического режима работы, и один или более последующих слоев, действующих в адиабатическом режиме.