第39講 氨合成塔

氨合成塔主講教師：王靜AmmoniaSyntheticTowerCONTENTS結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及基本要求01.冷管式氨合成塔02.冷激式氨合成塔03.

為了滿足高溫、高壓的雙重要求，合成塔由內(nèi)件和外筒兩部分組成。內(nèi)件用(Ni、Cr)不銹鋼制作，耐500℃高溫和腐蝕，不承受壓力；外筒用低碳合金鋼或優(yōu)質(zhì)碳鋼制成，承受高壓。左圖為三套管并流合成塔內(nèi)件。01結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及基本要求（1）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)合成塔有：內(nèi)件和外筒組成內(nèi)件：裝填觸媒，反應(yīng)外筒：承受壓力01結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及基本要求合成塔內(nèi)件分類：單層和多層催化劑框軸向和徑向內(nèi)冷和冷激立式和臥式副產(chǎn)蒸汽和不副產(chǎn)蒸汽01結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及基本要求裝置所處環(huán)境：高溫、高壓、H、N對(duì)碳鋼有明顯的腐蝕作用。

腐蝕原因：

A、氫脆：H溶解于金屬晶格中，使鋼材在緩慢變形時(shí)發(fā)生脆性破壞。B、氫腐蝕：H滲透到鋼材內(nèi)部，使碳化物分解并生成甲烷，積于晶界面微觀孔隙中形成高壓，導(dǎo)致應(yīng)力集中，沿晶界面出現(xiàn)破壞破裂，其程度與壓力、溫度有關(guān)，T﹥221℃，PH2﹥1.4MPa開始腐蝕。

C、氮腐蝕：高溫高壓下，N與Fe生成硬而脆的N化合物，導(dǎo)致金屬機(jī)械性能降低。01結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及基本要求

由于上述原因，對(duì)合成塔材料要求高，由于既要耐高溫，又要耐高壓的材料非常昂貴，為解決這一矛盾，合成塔通常設(shè)計(jì)為夾層式：內(nèi)件和外筒。

外筒：承受高壓（操作壓力與大氣壓之差）不承受高溫，可采用普通的低合金鋼或優(yōu)質(zhì)低碳鋼制成，壽命可達(dá)40~50年。

內(nèi)件：承受高溫500℃，只承1~2MPa的壓力，材料要求低，一般合金鋼即可，但是壽命比較短。外筒內(nèi)件01結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及基本要求（2）對(duì)合成塔的共同要求：反應(yīng)能維持自熱，塔的結(jié)構(gòu)要有利于升溫、還原，保證Cat有較大的生產(chǎn)強(qiáng)度；Cat床層溫度分布合理，充分利用Cat的活性；氣流在Cat床層內(nèi)分布均勻，塔的壓力降??；換熱器傳熱強(qiáng)度大，體積小，高壓容器空間利用率高；靈活穩(wěn)定，調(diào)節(jié)靈活，具有較大的彈性；結(jié)構(gòu)簡單可靠，各部件的連接和保溫合理，內(nèi)件在塔內(nèi)有自由伸縮的余地以減少熱應(yīng)力。02冷管式氨合成塔組成：催化劑筐、分氣盒、熱交換器、電加熱器。左圖為軸向冷凝式氨合成塔02冷管式氨合成塔

冷管式氨合成塔是在在催化劑床層中設(shè)置冷管，利用在冷管中流動(dòng)的未反應(yīng)的氣體移出反應(yīng)熱，使反應(yīng)比較接近最適宜溫度線進(jìn)行。中國小型氨廠多采用冷管式內(nèi)件，早期為雙層套管并流冷管，1960年以后開始采用三套管并流冷管和單管并流冷管。冷管式氨合成塔的內(nèi)件由催化劑筐、分氣盒、換交換器和電加熱器組成。02冷管式氨合成塔

催化劑床層頂部不設(shè)置絕熱層，反應(yīng)熱在此完全用來加熱氣體，溫度上升快。在床層的中、下部為冷管層，并流三套管由并流雙套管演變而來。二者的差別僅在于內(nèi)冷管一為單層，一為雙層，如圖（2）。雙層內(nèi)冷管一端的層間間隙焊死，形成“滯氣層”，“滯氣層”增大了內(nèi)外管件的熱阻，因而氣體在內(nèi)管溫升小，使床層與內(nèi)外管間環(huán)隙氣體的溫差增大，改善了上部床層的冷卻效果。02冷管式氨合成塔（1）（2）02冷管式氨合成塔床層溫度分布較合理，催化劑生產(chǎn)強(qiáng)度高。如操作壓力為30MPa，空速20000～30000h-1，催化劑的生產(chǎn)強(qiáng)度可達(dá)40～60t/（m3·d），結(jié)構(gòu)可靠、操作穩(wěn)定、適應(yīng)性強(qiáng)。主要優(yōu)點(diǎn)其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，冷管與分氣盒占據(jù)較多空間，催化劑還原時(shí)床層下部受冷管傳熱的影響升溫困難，還原不易徹底。在中國此類內(nèi)件廣泛用于φ800～1000mm的合成塔。主要缺點(diǎn)并流三套管02冷管式氨合成塔

從催化劑床層換熱的角度講，單管并流式與并流三套管式類似。如圖（3），以單管代替三套管，以幾根直徑較大的升氣管代替三套管中幾十根雙層內(nèi)冷管，從而使結(jié)構(gòu)簡化，取消了與三套管相適應(yīng)的分氣盒。因此，塔內(nèi)部件緊湊，催化劑筐與換熱器之間間距小，塔的容積得到有效利用。此外，冷管為單管不受管徑和分氣盒的限制，便于采用小管徑多管數(shù)的冷管方案，有利于減小床層徑向的溫差。單管并流式內(nèi)件的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)不夠牢固，由于溫差應(yīng)力大，升氣管、冷管焊縫容易裂開。02冷管式氨合成塔（3）02冷管式氨合成塔優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)單管式結(jié)構(gòu)簡單；塔內(nèi)部件緊湊，塔的利用率高；床層徑向溫差小。結(jié)構(gòu)不夠牢固；溫差引起的應(yīng)力大，容易造成升氣管、冷管焊縫裂開。三套管床層溫度分布合理，催化劑生產(chǎn)強(qiáng)度高，結(jié)構(gòu)可靠、操作穩(wěn)定、適應(yīng)性強(qiáng)。結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜；冷管與分氣盒占據(jù)空間較多，塔的利用率差；催化劑的還原可能不徹底。單管式和三套管式的比較03冷激式氨合成塔

冷激式氨合成塔有軸向冷激和徑向冷激之分。凱洛格型為大型氨廠立式軸向四段冷激式氨合成塔。該塔外筒形狀為上小下大的瓶式，在縮口部位密封，以便解決大塔徑造成的密封困難。內(nèi)件包括四層催化劑、層間氣體混合裝置（冷激管和擋板）以及列管式換熱器。冷激式氨合成塔03軸向冷激式氨合成塔冷激式氨合成塔03冷激式合成塔的特點(diǎn)：日產(chǎn)千噸以上的大型合成塔均采用冷激式。催化劑多層填放。第一層溫度較高且反應(yīng)速度快，其堆放量較少；最末層溫度較低，堆放量較多，提高氨的收率。床層越多，過程越接近最適宜反應(yīng)溫度，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增產(chǎn)量不明顯。15-17.5MPa，設(shè)計(jì)4層；17.5-22MPa，3層；20MPa以上，2-3層。冷激式氨合成塔03優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)1.結(jié)構(gòu)簡單，無復(fù)雜內(nèi)冷裝置1.冷激氣起稀釋作用，