【正文】 多層直接冷激式氨合成塔結構設計1緒論現(xiàn)今氨合成工藝在我國氮肥廠得到廣泛的應用。展望國內(nèi)氨合成塔內(nèi)件可以說種類繁多。合成塔內(nèi)件為傳統(tǒng)的冷管型內(nèi)件。其中三套管、單根并流、雙套管式內(nèi)件占大多數(shù)。此外，另有一批冷管改進型內(nèi)件：比如ⅢJ型、YD型、NC型、軸徑向、副產(chǎn)蒸汽式等。塔內(nèi)換熱器大部分為列管式，還有少數(shù)為螺旋式、波紋板式。小型氨廠大部分采用φ600、φ800直徑塔。日產(chǎn)合成氨達80t、100t、150t不等。中型氨廠大多采用φ1000、φ1200直徑塔。～16m。日產(chǎn)氨200t 、250t、 290t不等。傳統(tǒng)型內(nèi)件氨凈值大部分為9%～12%之間，改進型內(nèi)件在12%～16%之間。～。配置的余熱回收裝作噸氨副產(chǎn)蒸汽為600～800kg/t NH3,～。下面簡單介紹兩種內(nèi)件：全冷激式內(nèi)件 全冷激式內(nèi)件是一種在中小型氨廠推廣使用的新型內(nèi)件，它與傳統(tǒng)內(nèi)件（內(nèi)冷式內(nèi)件）有本質(zhì)區(qū)別，將圓催化劑中的冷管取消，將一個大的催化劑反應床分割為若干個小的催化劑反應床，床層之間采取冷激換熱的方式將反應熱一直，以便將反應能繼續(xù)進行下去。冷激式內(nèi)件是多層絕熱、層間換熱式內(nèi)件中最簡單的一種。它與層間水冷式內(nèi)件幾乎同時應用與多種合成氨廠。它具有結構簡單，運行可靠的特點。此種內(nèi)件根據(jù)合成系統(tǒng)工作壓力、催化劑活性溫度、催化劑溫區(qū)范圍、反應熱回收方式等因素以及要達到的氨凈值來確定催化劑床的數(shù)量。多層換熱式內(nèi)件具有三大特點：（1） 多層絕熱，層間換熱。用未反應的氣體作為冷源，一方面將反應后的熱氣體熱量移走；另一方面自身溫度提高達到第一絕熱床時的零米溫度。（2） 催化劑筐采用徑向型（3） 寬溫區(qū)催化劑對于整臺合成塔，需設計和制造外殼，所設計的外殼具有一下特點：（1） 球形封頭 結構成熟，使用材料較省，若采用鍛件，則將增加一倍以上的重量。（2） 多層包扎筒體 國內(nèi)制造經(jīng)驗豐富。成熟可靠，材料也易于解決，設備安全性高。（3） 頂部大開口大平蓋 便于內(nèi)件安裝和維修，便于催化劑裝填和卸除，大蓋的安裝起吊比較方便，頂部的管口易于布置。（4） 頂部筒體密封采用雙錐墊結構 密封使用成熟，密封可靠。 塔設備的作用是實現(xiàn)氣（汽）液相或液液相之間的充分接觸，從而達到相際間進行傳質(zhì)的目的。塔設備廣泛應用于合成、蒸餾、吸收、介吸、萃取、氣體的洗滌、增濕及冷卻等單元操作。它的操作性能好壞，對整個裝置的生產(chǎn)，產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量、成本以及環(huán)境保護、“三廢”處理都有較大的影響。因此對塔設備的研究一直是工程界所關注的熱點，隨著石油、化工的迅速發(fā)展，塔設備的合理造型及設計將越來越受到關注和重視。氨是最為重要的基礎化工產(chǎn)品之一,其產(chǎn)量居各種化工產(chǎn)品的首位。同時也是能源消耗的大戶,世界上大約有10%的能源用于生產(chǎn)合成氨。氨主要用于農(nóng)業(yè),合成氨是氮肥工業(yè)的基礎,氨本身是重要的氮素肥料,其他氮素肥料也大多是先合成氨、再加工成尿素或各種銨鹽肥料,這部分約占70%的比例,稱之為“化肥氨”。同時氨也是重要的無機化學和有機化學工業(yè)基礎原料,用于生產(chǎn)銨、胺、染料、炸藥、制藥、合成纖維、合成樹脂的原料,這部分約占30%的比例,稱之為“工業(yè)氨”。未來合成氨技術進展的主要趨勢是“大型化、低能耗、結構調(diào)整、清潔生產(chǎn)、長周期運行”。在合成氨流程中，氨合成塔是其最主要的部分。氨合成裝置的結構也是種類繁多，具體情況如下。（1） 按觸煤層反應熱的取走方式分類觸煤層反應熱的取走方式有兩種：內(nèi)冷式和冷激式。（2） 按觸煤層氣流反向分類觸煤層的氣流方向也有兩種：軸向——氣體沿塔的軸向通過觸煤層；徑向——氣體在觸煤層內(nèi)作徑向流動。 軸向合成塔 徑向合成塔 軸徑向合成塔（3） 按外形分類 立式合成塔 臥式合成塔 球形合成塔（4） 按合成塔氨日產(chǎn)量分類 大型合成塔（日產(chǎn)1000t以上，包括1000t） 中型合成塔（日產(chǎn)150t左右） 大型合成塔（日產(chǎn)50t左右） 三種冷激式合成塔：（1） 多層軸向冷激式合成塔（2） 三層冷激式徑向合成塔（3） 兩層徑向冷激式合成塔（托普索型）國內(nèi)外氨合成工業(yè)的發(fā)展狀況合成氨是重要的化工產(chǎn)品，可以制成尿素、硝酸按和碳酸氫氨等氨素肥料。合成氨工業(yè)是氮肥工業(yè)的基礎，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)起著重要作用。人們常稱合成氨為高能耗產(chǎn)品。這有兩層含義，一為氨本身熱值較高，106kJ/t，二為生產(chǎn)過程中損耗了大量能量。目前常規(guī)的合成氨技術能量消耗占總成本的70%，加上合成塔的龐大及工藝流程的復雜，使合成氨工業(yè)具有投資大、能量消耗巨大、停產(chǎn)維修困難、運行費用高等缺點。目前，我國中小型化肥廠的能耗為44106~71106kJ/t。而國外先進的制氨工藝己降至30106kJ/t左右。因此降低合成氨的能耗，簡化工藝過程，成為合成氨研究的一個重要方向。(1) 國內(nèi)合成氨工業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀在國內(nèi)，七十年代之后，氨合成工藝的合成壓力是逐年遞增。與國外合成氨工藝的合成壓力逐年降低的趨勢恰恰相反。，致使能耗高居不下。大化肥和小化肥的科技進步與技術改造過程充分表明，合成氨工業(yè)的技術進步趨勢是企業(yè)上規(guī)模，研發(fā)和使用節(jié)能型低溫低壓高活性氨合成催化劑，降低合成壓力再輔以先進的工藝和設備，才能達到節(jié)能降耗的目的。中國合成氨生產(chǎn)是在20世紀30年代開始的[6]，經(jīng)過幾十年的努力，我國現(xiàn)有大型(30萬噸/年)合成氨廠31家、中型56家、小型828家。近幾年我國合成氨產(chǎn)量約3000多萬噸，2005年需求約為3500萬噸，都居世界首位，是美國的2倍。合成氨工業(yè)每年消耗煤炭4000多萬噸(標煤)、電力400多億kwh、就業(yè)人數(shù)近百萬人。在大中小三類企業(yè)中，引進的大型裝置的能耗接近國外水平，而中小企業(yè)(占%)的成本遠高于大型裝置，其能耗則高出先進水平近一倍。巨大的經(jīng)濟利益始終推動著合成氨工業(yè)及其催化劑的技術進步與發(fā)展，降低能耗是合成氨工業(yè)技術進步的核心。(2)國外合成氨工業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀自本世紀20年代第一座合成氨裝置投產(chǎn)以來，到60年代中期，合成氨工業(yè)在歐洲、美國、日本等地區(qū)已發(fā)展到相當高的技術水平。美國Kelofgg公司首先開發(fā)出以天然氣為原料、日產(chǎn)干噸的大型合成氨裝置，在美國投產(chǎn)后。與此同時，美國Braun公司、丹麥Topsoe公司、英國ICI公司、日本Toyo公司等世界各大制氨公司，也都積極從事制氨技術的開發(fā)工作，形成了各具特色的工藝路線，如丹麥Topsoe公司和英國Icl公司在以輕油為原料的制氨技術方面，處于世界領先地位，這是合成氨工業(yè)發(fā)展史上第一次技術變革和飛躍。70年代中期，由于世界石油危機，能源價格不斷上漲，嚴重沖擊著世界石油危機，能源價格不斷上漲，嚴重沖擊著合成氨工業(yè)，造成成本上升、經(jīng)濟效益下降，在這種嚴峻的形勢下，世界上各合成氨大公司都以節(jié)能為目標，競相開發(fā)出各具特色的節(jié)能型新工藝流程，合成氨工業(yè)在80年代又經(jīng)歷了第二次突破性的技術變革。如美國Kellgog公司、Braun公司、KTI公司、丹麥Topsoe公司、英國ICI公司、德國Uhde公司、意大利Mnoetdsno公司等都積極開發(fā)新流程及與新流程相適應的高效催化劑和新設備，借以提高制氨技術在世界上的競爭能力。近年來，為了節(jié)能降耗、增加產(chǎn)量，在傳統(tǒng)工藝的基礎上，國內(nèi)外均推出了一系列節(jié)能型氨合成工藝技術及流程，其主要改進的目的是增加氨合成轉化率(提高氨凈值)、降低合成壓力、減小合成回路壓降、合理利用能量。 (3)合成氨工業(yè)的發(fā)展近年來 ,氨合成工藝技術已取得長足進步。特別是市場經(jīng)濟體制的建立 ,各氮肥企業(yè)為了在市場競爭中走在前列 ,紛紛圍繞節(jié)能降耗 ,加大技改力度 ,為氨合成技術的新發(fā)展提供了一個平臺。在此形勢下 ,各企業(yè)對氨合成裝置的要求 ,逐漸由以前的強化高負荷生產(chǎn)轉變到現(xiàn)在的輕負荷低消耗運行模式上來。因此氨合成的關鍵設備合成塔 ,在同等規(guī)模條件下 ,也逐漸的被大塔取代 ,出現(xiàn)了“大馬拉小車”的局面。一些φ1200、φ1500、φ1600、φ1800、φ2000 的大直徑塔逐漸被研制來 ,并投入到工業(yè)生產(chǎn)中去。伴隨著大直徑塔的使用 ,氨合成系統(tǒng)工藝運行條件發(fā)生了變化。低溫低壓氨合成催化劑的應用 ,也是企業(yè)節(jié)能降耗可行途徑之一。大直徑塔及低溫低壓催化劑的使用 ,加大了企業(yè)的設備投入。企業(yè)勢必采取各種措施保持裝置長周期運行 ,以求得更多的有效生產(chǎn)時間。因此 ,原料氣的凈化度高 ,避免催化劑中毒 ,至關重要。積極使用原料氣凈化新技術 ,實現(xiàn)原料氣微量 （CO+ CO2）趨近于“零”,避免銅液、油水入塔 ,最大限度的減少毒物對催化劑的影響將會被人們逐漸重視。降低能耗始終是合成氨工業(yè)技術進步追求的目標。合成氨工業(yè)技術進步的發(fā)展趨勢是開發(fā)與采用新型低溫低壓高活性催化劑，降低合成氨壓力達到降低能耗的目的。 隨著氨合成工業(yè)技術的進步，世界各國的氨合成塔均向低能耗，高效率的方向發(fā)展。合成塔設計是多學科發(fā)展的高科技產(chǎn)物，它依賴于合成氨工藝的發(fā)展，合成觸媒的開發(fā)，高強度抗腐蝕材料的研究，乃至計算機輔助手段的綜合發(fā)展而逐步完善的。我國合成塔設計落后于其他發(fā)達國家，在一定意義上，主要是受壓力容器制造技術的限制和高強度抗腐蝕材料研究的緩慢。隨著我國改革開放和科學技術的迅速發(fā)展，我國合成塔的設計，必將有一個新的飛躍。氨合成塔的工作原理簡述　　在高壓、高溫下用來使氨氣和氫氣發(fā)生催化反應以進行氨合成的設備。氨合成塔使合成氨廠的心臟，使一種結構復雜的反應器?！　‖F(xiàn)在工業(yè)上氨合成是在壓力 ~、溫度 400~520 ℃下進行的，為防止高壓、高溫下氫氣對鋼材的腐蝕，氨合成塔由耐高壓的封頭、外筒和裝在筒體內(nèi)耐高溫的內(nèi)件組成。內(nèi)件外由保溫層，操作時進塔的冷氣體流過內(nèi)、外筒間的環(huán)隙，從而避免外筒溫度過高。這樣，外筒只承受高壓，可用低合金高強度鋼制作。內(nèi)件雖然是在高溫下操作，但是只承受氨合成塔進出口壓力差，可用耐熱鎳鉻合金鋼制作。內(nèi)件包括催化劑筐和換熱器兩個主要部分，筐內(nèi)裝鐵催化劑，氨合成反應在此進行。從催化劑筐出來的熱氣體溫度通常在460℃以上，進入氨合成塔的冷氣流體溫度根據(jù)流程不同，有的為20~30℃，有的可達140℃以上。為了使進入氨合成塔的氣體能加熱到反應溫度，同時又能冷卻反應后的氣體，在塔內(nèi)還設有換熱器。換熱器有列管式，螺旋板式和波紋板式，其中列管式采用最多。氨合成催化劑在開車之前必須還原，還原需要提供一定的熱量，為此中小型氨合成塔內(nèi)部裝有電加熱器，大型氨合成塔則采用塔外設置開工加熱爐的辦法來解決。在給定的鐵催化劑和壓力下，氨合成溫度不同，反應速度也不同。對于一定的氨含量，氨合成反應速度最大時的溫度稱為最佳溫度，此最佳溫度隨著氨含量增大而降低，由于氨合成為放熱反應，催熱機床層的溫度將隨著反應進行而不斷升高。為使氨合成反應能在接近最佳溫度下進行，需要采取措施一走多余的熱量，工業(yè)上按傳熱方式區(qū)分催化劑筐的類型。 內(nèi)部換熱式 又稱連續(xù)換熱式。特點是在催化劑床層中設置冷卻管，通過冷卻管進行床層內(nèi)冷熱氣流的間接換熱，以達到調(diào)節(jié)床層溫度的目的。冷卻管形式有單管、雙套管和三套管之分，根據(jù)催化劑床層和冷卻管內(nèi)氣體流動的異同，又有逆流式和并流式冷卻管之分。以并流雙套管式氨合成塔為例，氣體從塔頂部進入，在環(huán)隙中沿塔壁而下，經(jīng)換熱器殼程后到分器盒，分散到各雙套管的內(nèi)冷卻管，到管頂折至外冷卻管，氣體倍于熱島鐵催化劑的活性溫度（通常為400℃），再流經(jīng)設有電加熱器的中心管。從上而下通過催化劑床層，氮氣和氫氣在此反應后，出催化劑筐，通過換熱器管程降低溫度，出合成塔。為控制催化劑溫度不致過高，有少量氣體從冷氣旁路管進入塔內(nèi)，不經(jīng)換熱器殼程，而直接與已預熱的氣體混合。 間斷換熱式 主要特征是反應和換熱間斷進行。催化劑床層分為若干段，在段間通入的未預熱的氮氫混合氣體用以直接冷卻，稱為多層直接冷激式氨合成塔。 按床層內(nèi)氣體流動方向不同，分為沿中心軸方向流動的軸向氨合成塔和沿半徑方向流動的徑向氨合成塔。它們結構簡單，易損部件少，內(nèi)件比較穩(wěn)妥，多被大型氨廠采用。 下面簡單介紹兩種內(nèi)件：全冷激式內(nèi)件 全冷激式內(nèi)件是一種在中小型氨廠推廣使用的新型內(nèi)件，它與傳統(tǒng)內(nèi)件（內(nèi)冷式內(nèi)件）有本質(zhì)區(qū)別，將圓催化劑中的冷管取消，將一個大的催化劑反應床分割為若干個小的催化劑反應床，床層之間采取冷激換熱的方式將反應熱一直，以便將反應能繼續(xù)進行下去。冷激式內(nèi)件是多層絕熱、層間換熱式內(nèi)件中最簡單的一種。它與層間水冷式內(nèi)件幾乎同時應用與大、中型合成氨廠。它具有結構簡單，運行可靠的特點。此種內(nèi)件根據(jù)合成系統(tǒng)工作壓力、催化劑活性溫度、催化劑溫區(qū)范圍、反應熱回收方式等因素以及要達到的氨凈值來確定催化劑床的數(shù)量。多層換熱式內(nèi)件 多層換熱式內(nèi)件具有三大特點：（1） 多層絕熱，層間換熱。用未反應的氣體作為冷源，一方面將反應后的熱氣體熱量移走；另一方面自身溫度提高達到第一絕熱床時的零米溫度。（2） 催化劑筐采用徑向型（3） 寬溫區(qū)催化劑對于整臺合成塔，需設計和制造外殼，所設計的外殼具有一下特點：（1） 球形封頭 結構成熟，使用材料較省，若采用鍛件，則將增加一倍以上的重量。（2） 多層包扎筒體 國內(nèi)制造經(jīng)驗豐富。成熟可靠，材料也易于解決，設備安全性高。（3） 頂部大開口大平蓋 便于內(nèi)件安裝和維修，便于催化劑裝填和卸除，大蓋的安裝起吊比較方便，頂部