传统煤化工技术（合成氨） 氨合成塔 第39讲 氨合成塔.doc

煤化工技术专业教学资源库 氨合成塔 一、结构特点及基本要求 氨合成是在高温高压条件下进行的，氢氮气对碳钢设备有明显的腐蚀作用。造成腐蚀的原因：一种是氢脆，即氢溶解于金属晶格中，使钢材在缓侵变形时发生脆性破坏；另一种是氢腐蚀，即氢气渗透到钢材内部，使碳化物分解并生成甲烷，甲烷聚积于晶界微观孔隙中形成高压，导致应力集中，沿晶界出现破坏裂纹。有时还会出现鼓泡。氢腐蚀与压力、温度有关，温度超过22l℃、氢分压大于1．43MPa，氢腐蚀开始发生。在高温高压下，氮与钢中的铁及其他很多合金元素生成硬而脆的氮化物．导致金属机械性能降低。 为合理解决上述问题，合成培通常都由内件和外筒两部分组成。进入台成塔的气体先经过内外筒间的环隙。内件外面没有保温层，而内件与外筒滞气层的存在，大大降低了内件向外筒的散热。因而外筒主要承受高压，而不承受高温，可用普通低合金钢或优质低碳钢制成。 氨合成塔结构繁多，目前常用的有冷管式和冷激式两种塔型，前者属于连续换热式，后者属于多段冷激式。上世纪60年代开发的径向氨合成塔．将传统的塔内气体在催化剂床层中沿轴向流动改为径向流动以减小压力降，降低了循环功耗。中间换热式塔型是当今世界氨合成塔发展的趋向，但其结构较为复杂。 二、连续换热式合成塔 连续换热式合成塔的特点是：在催化剂床层中进行氨合成反应的同时．还与外界进行热量交换。目前，较多采用内冷管式，即在催化床层中设置冷管，利用在冷管中流动的未反应气体移出反应热，提高进催化床层气体的温度，使反应过程比较接近最适宜温度曲线。我国中小型氨厂多采用连续换热式内件，早期为并流双套式冷管．1960年以后开始采用并流三套管式冷管和单管式冷管。制样：使煤样达到分析或试验状态的过程。是按一定方法使原始煤样的质量逐渐减少到分析煤样所需要的质量，而使其化学组成和物理性质与原始煤样保持一致。 二、冷管式氨合成塔 冷管式氨合成塔是在在催化剂床层中设置冷管，利用在冷管中流动的未反应的气体移出反应热，使反应比较接近最适宜温度线进行。中国小型氨厂多采用冷管式内件，早期为双层套管并流冷管，1960年以后开始采用三套管并流冷管和单管并流冷管。冷管式氨合成塔的内件由催化剂筐、分气盒、换交换器和电加热器组成。 催化剂床层顶部不设置绝热层，反应热在此完全用来加热气体，温度上升快。在床层的中、下部为冷管层，并流三套管由并流双套管演变而来。二者的差别仅在于内冷管一为单层，一为双层，如图2。双层内冷管一端的层间间隙焊死，形成“滞气层”，“滞气层”增大了内外管件的热阻，因而气体在内管温升小，使床层与内外管间环隙气体的温差增大，改善了上部床层的冷却效果。 2（1）（2） 2 （1） （2） 1 并流三套管主要优点：床层温度分布较合理，催化剂生 产强度高。如操作压力为30MPa，空速20000～30000h-1，催化剂的生产强度可达40～60t/（m3·d），结构可靠、操作稳定、适应性强。 主要缺点：其结构较复杂，冷管与分气盒占据较多空间，催化剂还原时床层下部受冷管传热的影响升温困难，还原不易彻底。在中国此类内件广泛用于φ800～1000mm的合成塔。 从催化剂床层换热的角度讲，单管并流式与并流三套管式类似。如图3，以单管代替三套管，以几根直径较大的升气管代替三套管中几十根双层内冷管，从而使结构简化，取消了与三套管相适应的分气盒。因此，塔内部件紧凑，催化剂筐与换热器之间间距小，塔的容积得到有效利用。此外，冷管为单管不受管径和分气盒的限制，便于采用小管径多管数的冷管方案，有利于减小床层径向的温差。 单管并流式内件的缺点是结构不够牢固，由于温差应力大，升气管、冷管焊缝容易裂开。 3（3） 3 （3） 三、冷激式合成塔 20世纪60年代以后．随着合成氨规模的大型化，氨合成塔直径人大增加，为简化结构，较多采用冷激式内件。图3-16为Kellogg公司的多层轴向冷激式合成塔。 该塔外简形状为上细下粗的瓶式，在缩口部位密封便解决大塔径造成的密封因难。内件包括四层催化刑床层问气体混合装置(冷激管和挡板)以及列管换热器。 气体由塔底封头接管进入塔内，向上流经内外筒之间环隙以冷却外筒。气体穿过换热器与上简体的环行空间，折流向下经换热器加热后流人催化剂床层。气体在每层催化剂床层中进行绝热反应，而在层与层之间由冷激管的孔眼喷出冷激气混合是之降温。气体由第四层催化床底部流出，折流向上通过中心管进入换热器管内，换热后经波纹连接管流到塔外。 该塔优点：床层温度调节方便，省去许多冷管，结构简单，内件可靠，催化剂装填方便。 缺点：内件封死在塔内，致使塔体较重，运输和安装均较困难，内件无法吊出，造成维修与更换零部件困难，塔阻力大。