【正文】 和塔型的要求來選擇，小顆粒觸媒，由于其直徑小減少內(nèi)擴散影響，同時觸媒還原時易出水，不致反復地氧化還原。故小顆粒觸媒的活性比大顆粒觸媒的活性高，據(jù)資料介紹采用2毫米觸媒的反應速度常數(shù)要比10毫米觸媒高37%，這意味著可以少用27%觸媒。資料也表明小顆粒觸媒的活性較一般軸向塔增產(chǎn)50%以上。但是小顆粒的觸媒的阻力大，抗毒性差，使用壽命短。大顆粒觸媒的特性與之相反。目前國內(nèi)小顆粒觸媒（~）的制造，是利用邊腳料，因此實際上活性并不比大顆粒觸媒的活性好。當然也可以采用將大顆粒觸媒打碎的辦法，但是這種方法使觸媒的利用率太低，損失較大。所以按目前國內(nèi)的生產(chǎn)情況也不宜選用太小顆粒的觸媒。綜上所述，各塔觸媒顆粒大小的選擇應依具體情況而定，一般在阻力將允許的范圍內(nèi)盡可能采用較小顆粒觸媒為主。根據(jù)這一原則，對軸向塔Φ450~Φ500毫米塔，觸媒層高度4~5米，~1MPa，~；對Φ800~Φ1000毫米塔，~，觸媒層高度7~10米，~~，對Φ1600~Φ3200毫米塔，~1MPa，觸媒層高度10~12米，~。據(jù)某廠生產(chǎn)經(jīng)驗，采用球形觸媒比無規(guī)則形觸媒的產(chǎn)量要高，且易還原，抗毒性好，活性高，阻力小，電耗低，機械強度高，壽命長。根據(jù)本設(shè)計生產(chǎn)任務和設(shè)計條件，~。 觸媒筐設(shè)計由第3章可知本設(shè)計選用并流三套管式觸媒筐。 觸媒筐工藝指標的選擇1．容積利用系數(shù)：觸媒的容積與空高壓筒容積之比為容積利用系數(shù)。由參考文獻[1]%。2．觸媒的生產(chǎn)強度：裝一噸的觸媒，每天能生產(chǎn)多少噸氨為觸媒的生產(chǎn)強度。由參考文獻[1]表4113確定觸媒的生產(chǎn)強度為57噸/日米3觸媒。3．觸媒空速：設(shè)年產(chǎn)25萬噸，年工作日310天則合成塔每小時氨產(chǎn)量： kg/h由式(22)、(23)得合成塔進出口氣量： kmol/h kmol/h小時1 (51) 式中 w——進入觸媒筐的混和氣流量，；Vk——觸媒容積，m3。4．冷管的比傳熱面：指每立方米觸媒所須冷管傳熱面的平方米數(shù)。由參考文獻[1] 152頁，確定冷管的比傳熱面為15m2/m3。5．換熱器比傳熱面：單位體積觸媒所配置的換熱面的傳熱面積。由參考文獻[1] 154頁，確定換熱器比傳熱面為55 m2/m3。 觸媒筐的內(nèi)徑和高度觸媒筐通常是圓柱形容器。觸媒筐的直徑D和高度H一般是由觸媒的體積決定。根據(jù)標準狀態(tài)下氣體的狀態(tài)方程計算處理氣量Vg (52) m3/s 根據(jù)處理氣量Vg和空塔速度W0（~，取W0=）算出內(nèi)徑 (53) m 取觸媒筐內(nèi)徑為1900mm。 再根據(jù)觸媒容積Vk算出觸媒層高度 (54) m式中 ∑V 為冷管和中心管占去的觸媒體積總合，一般為觸媒體積的10~16%，取為13%。取高度H為6m。 絕熱層高度絕熱層高度的選擇應根據(jù)空速的大小、氣體進觸媒層的溫度、進口氨含量、惰性氣體含量和觸媒活性而定。一般定性地說：在其它條件不變時，空速高，增快氣體通過觸媒層的速度，會使接觸時間縮短，反應熱較少，溫升也較慢，絕熱層應選較高些；進觸媒層的溫度高，進口氨含量和惰性氣體含量較低；觸媒活性好時，絕熱層應簿些。由參考資料[1]表4117取絕熱層高度為1000毫米。 冷管的選型和配置在選擇觸媒筐冷管時，應滿足下列要求：1．具有高的傳熱效率。2．在單位體積內(nèi)具有較大的表面積。3．便于觸媒裝卸。4．在觸媒層中能伸縮自如。目前我國采用的冷管型式多為圓管。除圓管外，還有扁管、螺旋冷板和翅片管等。圓管有直管和U形管兩種，前者又分為單管、雙套管和三套管三種。本設(shè)計采用三套管式。由參考文獻[1]表4118選用冷管規(guī)格為：Φ442，管長5m，冷管的比傳熱面為15m2/m3，15≈213m2，則冷管管數(shù)為：，取n=160根。 中心管的選擇冷管所占體積 m3中心管所占體積 m3中心管外徑 m （ m）根據(jù)YB23170確定中心管外徑為350mm，壁厚為12mm。 溫度計套管的設(shè)計常用的溫度計套管有三層和兩層套管兩種。本設(shè)計采用兩層套管，由參考文獻[1]158頁選用其規(guī)格為Φ519。 折流頭高度折流頭高度是氣體從內(nèi)冷管流入內(nèi)、外冷管環(huán)隙的通道。為減少流體因擴張或收縮而產(chǎn)生的局部阻力，應盡量使折流頭的通氣截面和內(nèi)管、內(nèi)外冷管環(huán)隙的通氣截面積相等。常用的折流頭高度，一般在65~150毫米的范圍內(nèi)。本設(shè)計選用折流頭高度為90毫米。 保溫型式及其厚度由上可只本設(shè)計采用的保溫材料無堿超細玻璃棉。保溫型式可分內(nèi)保溫和外保溫，內(nèi)保溫因薄板處在較高的溫度下及安裝時比較容易變形，使保溫材料可能部分脫落，引起觸媒筐筒體及塔壁溫度升高，給生產(chǎn)帶來不良影響。故內(nèi)保溫型式已被外保溫所代替。其保溫厚度取決于保溫材料的導熱系數(shù)和耐高溫的性能。由參考文獻[1]表41110選用外保溫層厚度為28毫米。 觸媒筐筒體強度計算由于觸媒筐正常工作時承受外壓，~1MPa，故觸媒筐筒體按外壓圓筒設(shè)計。設(shè)計條件：觸媒筐內(nèi)徑為Di=1900mm，高度H=6m。計算外壓力Pc=。假設(shè)觸媒筐筒體名義厚度為23mm，取腐蝕裕量C2為2mm，查GB/T 7092006 得鋼板負偏差C1=0，則mm，Do=1900+223=1946mm。由于20，故只需要對觸媒筐筒體進行穩(wěn)定性校驗。L/Do=6000/1946= 查參考文獻[2]《過程設(shè)備設(shè)計》圖46得A=查得1Cr18Ni9Ti的屈服極限=205MPa，在450℃下彈性模量Et=105 MPa MPa (55) MPa 顯然Pc [P]且較接近，故假設(shè)的名義厚度合理。水壓實驗，試驗壓力 (56) MPa試驗時圓筒的薄膜應力 (57) MPa MPa（）顯然 故滿足條件。第6章 電加熱器設(shè)計 電加熱器的作用及其結(jié)構(gòu)氨合成塔內(nèi)的電加熱器主要用于觸媒的升溫還原，操作不正常時調(diào)節(jié)進觸媒層氣體的溫度或有些塔由于操作壓力低，觸媒活性差，反應熱不足維持反應氣體的自身熱平衡，電加熱器需經(jīng)常連續(xù)運行。電加熱器加熱能力可通過電壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)。 電加熱器設(shè)計的一般要求1．電加熱器功率應滿足觸媒在升溫、還原過程中，所需要的熱量。使觸媒得到充分的還原，發(fā)揮觸媒的活性；2．密封、絕緣性能可靠；3．氣流通過電加熱器阻力降??；4．結(jié)構(gòu)簡單、制造、安裝、維修方便；5．材料消耗少，節(jié)省貴重金屬；6．使用壽命長，電熱元件的局部溫度，不超過其允許值。 電加熱器結(jié)構(gòu)型式選擇電加熱器一般由上下電極桿、絕緣套管、絕緣墊塊、中心吊桿（管）、絕緣子、絕緣子框（夾）、電爐絲（帶）、電爐絲導電襯管、聯(lián)接極、定位環(huán)、接線卡等零部件組成。電加熱器的電熱元件通過合成塔頂蓋開孔用中心吊桿，懸掛在觸媒筐中心管內(nèi)，或懸掛在觸媒筐上部。其引出線通過密封絕緣套管固定在塔堵頭（小蓋）上，電源進線與此相連。電加熱器的結(jié)構(gòu)型式按電熱元件與中心吊桿（管）的組裝方式劃分，常用的有以下三種。 1．直掛式 電爐絲與中心吊桿（管）平行，直掛。電爐絲穿過絕緣子用絕緣子框（夾）與中心吊桿（管）相聯(lián)接并定位，這種結(jié)構(gòu)簡單，但熱效率稍差。直掛式夾持絕緣子的屏蔽面積較小。電爐絲均勻布置在氣流空間內(nèi)，電爐絲間距離較大，熱輻射的相互吸收和屏蔽較小，電爐絲與空間氣流接觸面積較大，設(shè)計合理時，也能獲得較大的傳熱系數(shù)，在三相電加熱器中，一般用Y形接線。在單相中常用V形或W形接線。無論采用那種接線方式，電熱元件與電加熱器中心軸線均應平行。電熱元件與中心吊桿（管）及觸媒筐中心管管壁間絕緣距離，根據(jù)溫度和500伏電壓等級，應不小于5毫米。以免產(chǎn)生擊穿現(xiàn)象，電熱元件下端不固定，以免受熱彎曲，而減少絕緣距離，甚至短路。2．雙路螺旋式用兩根電爐絲通過耐高溫絕緣體旋繞在中心吊桿（管）上。這種結(jié)構(gòu)必須在機床上繞制，絕緣處理麻煩，維護檢修也不方便。同時螺旋間距較近，絕緣體的屏蔽及熱輻射的相互吸收，相對直掛式而言，比較大。所以對流傳熱系數(shù)較低。3．盤式由帶狀電阻帶盤繞而成，應用較少。綜上所述本設(shè)計選用直掛式電加熱器。 電加熱器材料的選擇 電熱元件材料的一般要求1．耐高溫。在使用溫度下有良好的抗氧化、抗氫、氮腐蝕的性能。2．熱穩(wěn)定性好。在溫度變化時，有足夠的強度，不裂不碎。3．有較大的比電阻和較小的溫度系數(shù)，尺寸不大的電熱元件應具有較大的電阻，使爐絲發(fā)熱量穩(wěn)定。4．化學穩(wěn)定性好。在使用溫度下和氨合成塔塔內(nèi)氣體不產(chǎn)生化學反應、不蒸發(fā)、不變跪、不變形。5．使用壽命長。6．機械加工和焊接性能良好。在冷態(tài)下能改變形狀，又能焊接。 電加熱器材料的選擇1．電爐絲，可供選擇的材料有：鎳鉻合金、鎳鉻鐵合金、0號鐵鉻鋁、2號鐵鉻鋁、鎳銅合金（康銅）、新康銅等。本設(shè)計選用Cr20Ni80。 2．電極桿、中心吊桿（管），材料常用1Cr18Ni9Ti。3．絕緣子材料 國內(nèi)絕緣子材料：氧化鋁瓷（Al2O3含量在76~95%）、碳化硅（SiC）、剛玉等。碳化硅硬度大，易磨損電爐絲。剛玉的強度比含76%的氧化鋁瓷的強度高，但對電爐絲磨損亦有影響。為克服氧化鋁瓷易碎的缺點，可適當提高其Al2O3的含量，以增加絕緣子的強度。本設(shè)計選用氧化鋁瓷絕緣子，其Al2O3含量在85~95%左右。 4．電爐絲導電襯管材料為紫銅。 5．絕緣墊塊材料為氧化鋁瓷（Al2O3含量在65%左右）。6．絕緣套管材料。 國內(nèi)絕緣套管材料曾用：聚四氛乙烯，琥珀云母或1號白云母涂有機硅漆。聚四氟乙烯作絕緣套管時，其使用溫度應小于250℃，以免團聚四氟乙烯軟化，影響絕緣和密封性能。一般應用在Φ500毫米以下合成塔中。琥功云母和1號白云母耐熱溫度可達550℃，一般Φ800毫米以上合成塔均采用它們涂有機硅漆來制作絕緣套管。本設(shè)計絕緣子材料選用琥珀云母。 電加熱器功率的確定電加熱器的功率與還原初期的空速、觸媒的裝填量、換熱器能力的大小、還原氣的成份、還原時壓力以及控制的水汽濃度，熱損失等等有關(guān)。1．觸媒還原時需要的熱量Q1 (61) (62)式中 G——理論出水量，kg/h。已知：，觸媒的鐵比值（Fe+2/Fe+3），其總鐵（Fe+2+Fe+3）%，其理論出水量計算如下：觸媒還原的化學反應方程式如下： (63) (64) 令FeO在觸媒中所占百分比為a%，F(xiàn)e2O3在觸媒中所占百分比為b%。 kg/l = 2800 kg/m3， = m3則觸媒的總重量W為 kg則FeO反應出水量為： (65) (66)總出水量：X = x + y 由已知 (67) (68)聯(lián)立式(67)、 (68)解得：Fe+2=，F(xiàn)e+3=總出水量： kg由生產(chǎn)實踐經(jīng)驗取A1105Q型觸媒還原所需的時間為155h，則 kg/h故觸媒還原時需要的熱量：kcal= kw/h2．水汽化所需熱量Q2 (69)kcal= kw/h式中——水的汽化熱，593kcal/kg。3．使觸媒升溫需要的熱量Q3 (610)kcal= kw/h其中 Gk——觸媒重量，39620 kg；Ck——觸媒熱容，℃——升溫速率，25℃/h。4．還原時氣體升溫所需的熱量Q4 (611)kcal= kw/h其中 V——氣量，kmol/h（為觸媒還原時的空速，取為6000小時1）；——還原氣體比熱， kcal/kmol℃；——氣體進出塔溫差，℃；5．內(nèi)件每小時升溫時的蓄熱Q5 (612)kcal= kw/h其中 G2——內(nèi)件重量，計為12000kg；C2——內(nèi)件比熱，；——溫差，25℃；6．氨合成塔升溫還原時所需熱量Qkw/h考慮電壓降和過負荷的可能性以及熱損失。氨合成塔電加熱器功率取為： P