本發(fā)明涉及合成氨，具體而言，涉及一種液相法合成氨的系統(tǒng)、方法。

背景技術：

1、合成氨工業(yè)在現(xiàn)代化學工業(yè)中占據(jù)著舉足輕重的地位，氨作為重要的化工原料，廣泛應用于化肥生產(chǎn)、制藥、合成纖維等多個領域。傳統(tǒng)的合成氨工藝主要基于哈伯-博施法（haber-bosch?process），該方法自發(fā)明以來，為全球糧食增產(chǎn)和工業(yè)發(fā)展做出了巨大貢獻。

2、隨著科技的進步和對可持續(xù)發(fā)展要求的提高，傳統(tǒng)合成氨工藝的局限性日益凸顯。具體體現(xiàn)在以下幾方面：首先，傳統(tǒng)合成氨工藝的反應條件極為嚴苛，需要在高溫（350℃-550℃）和高壓（15mpa?-30mpa）的環(huán)境下進行，這不僅對設備材質和制造工藝提出了極高的要求，而且在生產(chǎn)過程中造成了大量資源的消耗。此外，高操作溫度和壓力使得工藝不得不采用氣相法生產(chǎn)，這種方法面臨的挑戰(zhàn)是傳質難度極大，且難以實現(xiàn)技術突破；其次，傳統(tǒng)工藝使用的鐵基催化劑性能有限。盡管這種催化劑具備一定的穩(wěn)定性和活性，但其存在的內擴散問題使得氣體在催化劑顆粒內部的擴散速度緩慢，且催化劑在優(yōu)化氣氣反應方面存在局限，這些因素共同制約了反應效率的提升；再次，傳統(tǒng)合成氨工藝主要采用固定床方式進行，這種方法的分離回收流程復雜，能耗極高，在催化劑失活需要更換時，固定床方式也會帶來諸多不便；最后，由于傳統(tǒng)工藝的高能耗特性，其生產(chǎn)過程中會排放大量的溫室氣體，對環(huán)境造成嚴重影響。

3、有鑒于此，特提出本發(fā)明。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的第一目的在于提供一種液相法合成氨的系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用液相法合成氨，并結合應用團簇-基體共催化劑和氣動強化傳質器，有效降低了反應溫度和反應壓力，降低了資源損耗，且提高了反應效率；另外，該系統(tǒng)通過將催化劑混入液氨中添加到反應器，簡化了催化劑添加流程，通過設置緩沖罐，簡化了催化劑的分離流程。

2、本發(fā)明的第二目的在于提供一種液相法合成氨的方法，該方法通過采用上述系統(tǒng)，可以在低能耗條件下實現(xiàn)氨的高效生產(chǎn)。

3、為了實現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，特采用以下技術方案：

4、本發(fā)明提供了一種液相法合成氨的系統(tǒng)，包括：氫氣管路、氮氣管路、液氨管路、催化劑管路、氣體混合器、固液混合器、反應器和緩沖罐；

5、所述催化劑管路和所述液氨管路均連接所述固液混合器，所述催化劑管路輸送的團簇-基體共催化劑和所述液氨管路輸送的液氨在所述固液混合器混合后，輸入到所述反應器；

6、所述氫氣管路和所述氮氣管路均連接所述氣體混合器的氣體入口；

7、所述反應器內設置有兩個氣動強化傳質器，兩個所述氣動強化傳質器位于所述反應器的液面下方，兩個所述氣動強化傳質器的安裝高度相同；兩個所述氣動強化傳質器的徑向出口交錯設置，切向出口朝向相反，以利用兩個所述氣動強化傳質器噴出的微氣泡帶動所述反應器內的液體沿預設方向流動，所述預設方向為順時針方向或逆時針方向；所述氣體混合器的出口連接所述氣動強化傳質器；

8、所述反應器的出口連接所述緩沖罐的入口，所述緩沖罐的側壁設置有產(chǎn)物采出口，所述緩沖罐底部設置有回流口，所述回流口與所述反應器連接以將所述緩沖罐底部沉積的催化劑回流至所述反應器。

9、在上述方案中，通過采用團簇-基體共催化劑催化氫氣與氮氣合成氨，可以降低反應溫度和反應壓力，且可以避免傳統(tǒng)催化劑產(chǎn)生的內擴散問題；通過利用氣動強化傳質器將反應混合氣（氫氣+氮氣）分散破碎成微米級微氣泡，提高了傳質面積，且有助于降低反應條件；通過采用液相法合成氨，可以在傳質層面提高反應效率、降低反應難度、增大反應轉化率；通過將催化劑與液氨混合后添加到反應器內，可以降低催化劑的添加難度，且催化劑可以均勻分散在反應器內，這有助于提高整體催化效果；通過設置緩沖罐，可以對產(chǎn)物進行提純，避免其中混雜的催化劑影響產(chǎn)物純度，且可以便于回收催化劑，避免催化劑浪費；通過使兩個氣動強化傳質器徑向出口交錯設置，切向出口朝向相反，可以避免徑向兩股氣流碰撞造成液體死區(qū)，且可以利用兩個氣動強化傳質器噴出的微氣泡帶動反應器內的液體沿預設方向流動，從而可以對反應器內的液體進行攪拌，這一方面可以使微氣泡均勻分布，避免微氣泡聚并，提高傳質面積以及反應原料（氫氣和氮氣）與催化劑間的接觸面積，提高反應效率，另一方面可以通過攪拌液體保證液體中的催化劑均勻分布，避免催化劑沉積到反應器底部，進而保證催化劑的催化效果，且這種攪動方式可以使反應器中液體的溫度分布更加均勻?？傊?，本發(fā)明的系統(tǒng)通過將液相法、團簇-基體共催化劑和氣動強化傳質器相結合，可以在降低合成氨反應的反應溫度和反應壓力，降低資源損耗的同時，提高傳質效果和反應效率，該系統(tǒng)符合綠色化工的理念，具有低能耗，綠色化，以及催化劑便于更換、回收的特點，具有廣泛的應用前景。

10、優(yōu)選地，所述緩沖罐內設置有隔離板，所述隔離板將所述緩沖罐內部分割成緩沖區(qū)和采出區(qū)，所述緩沖罐的入口位于所述緩沖區(qū)的側壁，所述緩沖罐的出口位于所述采出區(qū)的下部；進入所述緩沖罐內的粗產(chǎn)物在所述緩沖區(qū)沉降分離，粗產(chǎn)物中的液氨經(jīng)由所述隔離板頂部溢流至所述采出區(qū)。粗產(chǎn)物進入緩沖罐中，粗產(chǎn)物中的氨冷凝并液化沉積，催化劑則沉積到緩沖罐底部。隨著粗產(chǎn)物不斷增多，緩沖罐內液位不斷升高，上層的液氨逐漸攀升至隔離板頂部，并從隔離板頂部溢流至采出區(qū)并經(jīng)緩沖罐的出口采出。底部的催化劑則回流至反應器繼續(xù)參與反應。該方案通過設置隔離板，有助于避免催化劑影響產(chǎn)物純度，從而有助于得到高純度的液氨。

11、優(yōu)選地，所述緩沖罐的入口處設置有擋板，所述擋板傾斜向上設置；所述擋板底部連接所述緩沖罐內側壁，頂部高度低于所述隔離板。擋板可以對粗產(chǎn)物起到阻擋作用，避免粗產(chǎn)物在進入緩沖罐時的動能沖擊緩沖罐內的液體，從而避免影響緩沖罐內的沉積分離效果。由此，該方案有利于進一步提高產(chǎn)物純度。

12、優(yōu)選地，系統(tǒng)還包括環(huán)形擾動器，所述環(huán)形擾動器設置在所述反應器內部；所述環(huán)形擾動器包括環(huán)形管和沿目標方向陣列設置在所述環(huán)形管下方的多個噴嘴；多個所述噴嘴傾斜向下設置；所述固液混合器輸入的固液混合物進入所述環(huán)形管，并經(jīng)由所述噴嘴進入所述反應器內。環(huán)形擾動器的多個噴嘴將固液混合物噴入反應器，可以對反應器內的液體起到擾動、攪拌作用，這一方面有利于將固液混合物快速與液體混合，提高催化劑的分布均勻性；另一方面可以通過攪動捕集未反應的原料氣，進一步提高原料氣的傳質面積，提高原料轉化率；再一方面，這種方式可以進一步提高液體中的溫度分布均勻程度。

13、優(yōu)選地，所述噴嘴沿水平方向的傾斜角度處于[15°,45°]的范圍內。這種角度設計方式可以提高噴嘴噴射的固液混合物對反應器內液體的攪拌效果。

14、優(yōu)選地，所述目標方向與所述預設方向相同。在此情況下，目標方向與預設方向均為順時針或逆時針，此時環(huán)形擾動器和相對設置的兩個氣動強化傳質器可以在不同液面高度上將液體向同一方向攪動，這有助于提高對液體的攪動效果，從而可以進一步提高催化劑以及氣動強化傳質器噴出的微氣泡在液體中的分布均勻程度，從而可以進一步提高反應效率和原料轉化率。

15、優(yōu)選地，所述反應器一側設置有循環(huán)管路，所述反應器內設置有液動強化傳質器，所述液動強化傳質器位于所述氣動強化傳質器的下方，所述循環(huán)管路的入口連接所述反應器且所述循環(huán)管路的入口位于所述氣動強化傳質器上方，所述循環(huán)管路的出口連接所述液動強化傳質器，所述循環(huán)管路上設置有循環(huán)泵和換熱器。在該方案中，可以通過循環(huán)管路將反應器上部的液體不斷循環(huán)到液動強化傳質器中，這有助于增大氫氣和氮氣在液體中的停留時間，且可以使反應器中的液體的溫度分布更加均勻；另外，循環(huán)管路上換熱器的設置可以提高反應器內部的溫度穩(wěn)定性，使反應始終在適宜溫度下進行，從而進一步保證反應效率。

16、優(yōu)選地，所述液動強化傳質器的出口連接有擴散管，所述擴散管的上端設置有多個開孔，且所述擴散管上端位于兩個所述氣動強化傳質器之間；所述液動強化傳質器分散破碎得到的氣液乳化物經(jīng)由所述擴散管輸入到兩個所述氣動強化傳質器之間。在該方案中，液動強化傳質器分散破碎得到的氣液乳化物可以直接輸送到兩個氣動強化傳質器之間，并在兩個氣動強化傳質器噴出的微氣泡的帶動下均勻分散到液體中，這有助于進一步提高傳質面積和反應效率。

17、優(yōu)選地，還包括冷卻器和氣液分離罐；所述反應器頂部依次連接所述冷卻器和所述氣液分離罐；所述氣液分離罐的氣體出口連接所述氣動強化傳質器。通過冷卻器和氣液分離罐可以對反應器頂部排出的氣體進行分離，其中冷卻液化的為液氨，未冷卻的為氫氣和氮氣的混合氣，混合氣經(jīng)由氣動強化傳質器返回反應器繼續(xù)參與反應。

18、優(yōu)選地，還包括回流管路，所述回流管路的入口連接所述回流口，出口連接所述反應器；所述回流管路的出口沿豎直方向位于所述反應器的液面與所述氣動強化傳質器之間。通過將回流口設置于氣動強化傳質器上方，可以利用兩個氣動強化傳質器噴出的微氣泡的攪動效果使回流物中的催化劑均勻分散在液體中，避免催化劑聚集沉積到反應器底部。進一步地，所述回流管路的出口沿豎直方向可以位于環(huán)形擾動器和氣動強化傳質器之間，這可以進一步提高對回流物的攪拌分散效果。

19、本領域所屬技術人員可以理解的是，本發(fā)明所采用的氣動強化傳質器、液動強化傳質器在本發(fā)明人在先專利中已有體現(xiàn)，如申請?zhí)朿n201610641119.6、cn201610641251.7、cn201710766435.0、cn106187660a、cn105903425a、cn205833127u及cn207581700u的專利。在先專利cn201610641119.6中詳細介紹了微米氣泡發(fā)生器(即氣泡破碎器)的具體產(chǎn)品結構和工作原理，該申請文件中記載了“微米氣泡發(fā)生器包括本體和二次破碎件、本體內具有空腔，本體上設有與空腔連通的進口，空腔的相對的第一端和第二端均敞開，其中空腔的橫截面積從空腔的中部向空腔的第一端和第二端減小；二次破碎件設在空腔的第一端和第二端中的至少一個處，二次破碎件的一部分設在空腔內，二次破碎件與空腔兩端敞開的通孔之間形成一個環(huán)形通道。微米氣泡發(fā)生器還包括進氣管和進液管?！睆脑撋暾埼募泄_的具體結構可以知曉其具體工作原理為：液體通過進液管切向進入微米氣泡發(fā)生器內，超高速旋轉并切割氣體，使氣體氣泡破碎成微米級別的微氣泡，從而提高液相與氣相之間的傳質面積，而且該專利中的微米氣泡發(fā)生器屬于氣動式氣泡破碎器。

20、另外，在先專利201610641251.7中有記載一次氣泡破碎器具有循環(huán)液進口、循環(huán)氣進口和氣液混合物出口，二次氣泡破碎器則是將進料口與氣液混合物出口連通，說明氣泡破碎器都是需要氣液混合進入，另外從后面的附圖中可知，一次氣泡破碎器主要是利用循環(huán)液作為動力，所以其實一次氣泡破碎器屬于液動式強化反應器，二次氣泡破碎器是將氣液混合物同時通入到橢圓形的旋轉球中進行旋轉，從而在旋轉的過程中實現(xiàn)氣泡破碎，所以二次氣泡破碎器實際上是屬于氣液聯(lián)動式氣泡破碎器。其實，無論是液動式氣泡破碎器，還是氣液聯(lián)動式氣泡破碎器，都屬于氣泡破碎器的一種具體形式，然而本發(fā)明所采用的強化傳質器并不局限于上述幾種形式，在先專利中所記載的氣泡破碎器的具體結構只是本發(fā)明可采用的其中一種形式而已。

21、此外，在先專利201710766435.0中記載到“氣泡破碎器的原理就是高速射流以達到氣體相互碰撞”；而且在先專利cn106187660中對于氣泡破碎器的具體結構也有相關的記載，具體見說明書中第[0031]-[0041]段，以及附圖部分，其對氣泡破碎器s-2的具體工作原理有詳細的闡述，氣泡破碎器頂部是液相進口，側面是氣相進口，通過從頂部進來的液相提供卷吸動力，從而達到粉碎成超細氣泡的效果，附圖中也可見氣泡破碎器呈錐形的結構，上部的直徑比下部的直徑要大，也是為了液相能夠更好的提供卷吸動力。

22、由于在先專利申請的初期，氣泡破碎器才剛研發(fā)出來，所以早期命名為微米氣泡發(fā)生器(cn201610641119.6)等，隨著不斷技術改進，后期更名為氣泡破碎器，現(xiàn)在本發(fā)明中的強化傳質器相當于之前的微米氣泡發(fā)生器、微界面發(fā)生器等，只是名稱不一樣。綜上所述，本發(fā)明的氣動強化傳質器和液動強化傳質器本身均屬于現(xiàn)有技術。

23、本發(fā)明還提供了一種液相法合成氨的方法，該方法應用上述任一實施例所述的系統(tǒng)合成氨。

24、優(yōu)選地，該方法的反應溫度處于[85℃，115℃]的范圍內，反應壓力處于[3mpa，8mpa]的范圍內。

25、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果為：

26、1、通過采用團簇-基體共催化劑催化氫氣與氮氣合成氨，可以降低反應溫度和反應壓力，且可以避免傳統(tǒng)催化劑產(chǎn)生的內擴散問題；

27、2、通過利用氣動強化傳質器將反應混合氣（氫氣+氮氣）分散破碎成微米級微氣泡，提高了傳質面積，且有助于降低反應條件；

28、3、通過采用液相法合成氨，可以在傳質層面提高反應效率、降低反應難度、增大反應轉化率；

29、4、通過將催化劑與液氨混合后添加到反應器內，可以降低催化劑的添加難度，且催化劑可以均勻分散在反應器內，這有助于提高整體催化效果；通過設置緩沖罐，可以對產(chǎn)物進行提純，避免其中混雜的催化劑影響產(chǎn)物純度，且可以便于回收催化劑，避免催化劑浪費；

30、5、通過使兩個氣動強化傳質器徑向出口交錯設置，切向出口朝向相反，可以避免徑向兩股氣流碰撞造成液體死區(qū)，且可以利用兩個氣動強化傳質器噴出的微氣泡帶動反應器內的液體沿預設方向流動，從而可以對反應器內的液體進行攪拌，這一方面可以使微氣泡均勻分布，避免微氣泡聚并，提高傳質面積以及反應原料（氫氣和氮氣）與催化劑間的接觸面積，提高反應效率，另一方面可以通過攪拌液體保證液體中的催化劑均勻分布，避免催化劑沉積到反應器底部，進而保證催化劑的催化效果，且這種攪動方式可以使反應器中液體的溫度分布更加均勻；

31、6、本發(fā)明的系統(tǒng)通過將液相法、團簇-基體共催化劑和氣動強化傳質器相結合，可以在降低合成氨反應的反應溫度和反應壓力，降低資源損耗的同時，提高傳質效果和反應效率，該系統(tǒng)具有低能耗，綠色化，以及催化劑便于更換、回收的特點，具有廣泛的應用前景。