【正文】 氨合成塔電加熱器功率取為： P。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/kmol3．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，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%。 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。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。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。6．絕緣套管材料。 4．電爐絲導電襯管材料為紫銅。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。碳化硅硬度大，易磨損電爐絲。 2．電極桿、中心吊桿（管），材料常用1Cr18Ni9Ti。 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。6．機械加工和焊接性能良好。在使用溫度下和氨合成塔塔內氣體不產生化學反應、不蒸發(fā)、不變跪、不變形。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。2．熱穩(wěn)定性好。 電加熱器材料的選擇 電熱元件材料的一般要求1．耐高溫。3．盤式由帶狀電阻帶盤繞而成，應用較少。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。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。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。在單相中常用V形或W形接線。直掛式夾持絕緣子的屏蔽面積較小。 1．直掛式 電爐絲與中心吊桿（管）平行，直掛。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。 電加熱器結構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。 電加熱器設計的一般要求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。第6章 電加熱器設計 電加熱器的作用及其結構氨合成塔內的電加熱器主要用于觸媒的升溫還原，操作不正常時調節(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。L/Do=6000/1946= 查參考文獻[2]《過程設備設計》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，故假設的名義厚度合理。假設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。設計條件：觸媒筐內徑為Di=1900mm，高度H=6m。由參考文獻[1]表41110選用外保溫層厚度為28毫米。故內保溫型式已被外保溫所代替。 保溫型式及其厚度由上可只本設計采用的保溫材料無堿超細玻璃棉。常用的折流頭高度，一般在65~150毫米的范圍內。 折流頭高度折流頭高度是氣體從內冷管流入內、外冷管環(huán)隙的通道。 溫度計套管的設計常用的溫度計套管有三層和兩層套管兩種。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。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。目前我國采用的冷管型式多為圓管。3．便于觸媒裝卸。 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。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。取高度H為6m。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=）算出內徑 (53) m 取觸媒筐內徑為1900mm。 觸媒筐的內徑和高度觸媒筐通常是圓柱形容器。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。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)。米3觸媒。2．觸媒的生產強度：裝一噸的觸媒，每天能生產多少噸氨為觸媒的生產強度。 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)。根據(jù)本設計生產任務和設計條件，~。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，~。所以按目前國內的生產情況也不宜選用太小顆粒的觸媒。目前國內小顆粒觸媒（~）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。但是小顆粒的觸媒的阻力大，抗毒性差，使用壽命短。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。由于本設計塔徑較大，產量提升空間也較大，為提高產量節(jié)約成本，故選擇A1105Q型觸媒。所以對于有條件的生產廠可以采用混裝觸媒，這樣可以發(fā)揮各種觸媒的特性，又有利于觸媒還原的完全，但必須注意高溫觸媒不宜放在低溫觸媒上面，以免使低溫觸媒反復受上層高溫觸媒帶來的水分的氧化，從而影響觸媒活性。各類型觸媒成分如下表：表51氨合成用鐵觸媒成分表國 名觸 媒 型 號外形使用溫度℃觸 媒 成 分中 國A6黑色光澤不規(guī)則顆粒400~520Fe3O4，Al2O3，K2O，CaOA9黑色光澤不規(guī)則顆粒380~500Fe3O4，Al2O3，K2O，CaO，MgO，SiO2A10黑色光澤不規(guī)則顆粒380~465Fe3O4，Al2O3，K2O，CaO，BaOA1105Q球形380~490Fe3O4，Al2O3，K2O，CaO，MgO，SiO2，BaO丹 麥KMⅠ黑色光澤不規(guī)則顆粒380~550FeO，F(xiàn)e2O3，Al2O3，K2O，CaO，SiO2，MgOKMⅡ黑色光澤不規(guī)則顆粒360~480FeO，F(xiàn)e2O3，Al2O3，K2O，CaO，SiO2，MgOKMR黑色光澤不規(guī)則顆粒380~550FeO，F(xiàn)e2O3，Al2O3，K2O，CaO，SiO2，MgO英 國ICI354黑色光澤不規(guī)則顆粒350~530FeO，SiO2，MgO，Al2O3，CaO，K2O美 國C731黑色光澤不規(guī)則顆粒370~540含促進劑的鐵氧化物目前國內大多數(shù)工廠采用A6型觸媒。目前工業(yè)上廣泛使用以氧化鐵為主體，添加氧化鋁、氧化鉀、氧化鈣等不可還原性氧化物的多組分鐵觸媒。 觸媒的類型選擇根據(jù)觸媒是否還原而分為兩類：1．未還原型：如國產的A6，A9，A10型，國外的KM型等。如選擇不當，將影響該塔型結構特點的發(fā)揮。針對上述幾點要求，目前合成氨工業(yè)中普遍采用鐵觸媒。為了解決這一矛盾關系，可以采用一種能加快反應速度而本身又不起化學變化的物質——觸媒，使反應物在較低的溫度下，能很快地進行反應?！孢m應溫度，℃使用情況無堿超細玻璃棉15~18~550良 好石棉布600一般使用一個周期高硅氧玻璃纖維70177。表44 氨合成塔內件用保溫材料的性能和使用情況品 名容重，kg/m3導熱系數(shù)，kcal/m各保溫材料的性能和使用情況如表44。它可以縮小保溫層厚度，原用石棉布保溫厚度為22毫米，而采用高硅氧玻璃纖維只需11毫米，檢修時耗損率僅占25~30%，其余可重復使用。小時 我國在氨合成塔內件中，常使用的保溫材料有石棉布，玻璃棉，有堿或無堿超細玻璃棉，也曾用過耐熱混凝土（主要用于分氣盒保溫）。因而也將影響到氨的產量。本設計選用Q235A。鐵皮太薄，焊接困難，使用中易開裂從而引起外殼壁溫升高。1Cr18Ni9Ti之間采用TA1Nb2，TA12或奧302焊條等；1Cr18Ni9Ti與碳鋼之間用TA37焊條焊接；16Mn與碳鋼之間用T507焊條。同時盡量采用撓性結構，即拐彎處不用直角，而用一個圓弧過渡，使焊接收縮時可以改變半徑的大小來達到變形的目的，由此減少焊縫的內應力，因此，過渡圓弧不可過小，一般略3倍壁厚。修復不銹鋼內件時應先加熱到600~650℃，再進行焊接。 3．1Cr18Ni9Ti中的Cr、Ti元素極易在高溫下與空氣中的氧、氮作用，因而焊接時還要保護液體金屬，使其不受空氣中的氧、氮的作用，為減輕上述傾向，1Cr18Ni9Ti的焊接，如用手工焊，則最好用反接直流電焊，直流電孤較穩(wěn)定，而正極的溫度高于負極，用反接極（焊條接正極，焊件接負極）焊接時，可減輕被焊金屬過熱，并縮小焊接的熱影響區(qū)。 1Cr18Ni9Ti中的Ti含量容易燒損，此外，由于熱膨脹系數(shù)大而導熱性差，在焊接時易變形或造成較大的焊后內應力。但導熱性差，其導熱系數(shù)僅為碳鋼的1/4，熱膨脹系數(shù)又很大。對于三套管、雙套管觸媒筐下設列管換熱器時，一般溫度范圍為：觸媒筐內表面 420~510℃冷管 380~420℃多孔板 400~500℃分氣盒 300~500℃換熱器上管板 300~480℃換熱器管子 250~480℃換熱器下管板 140~220℃內連接件 100~500℃ 內件各零部件材料的選擇及論證表43 內件各零部件材料零部件名稱可使用的材料本設計選用的材料觸媒筐外殼低碳鋼、微碳純鐵、Cr5Mo、1Cr18Ni06WNb、10MoWNb、1Cr18Ni9Ti等1Cr18Ni9Ti冷管碳鋼、20CrMoA、Cr5Mo、1Cr18Ni1Cr18Ni9Ti、SAE6120等1Cr18Ni9Ti中心管15CrMo、1Cr18Ni1Cr18Ni9Ti等1Cr18Ni9Ti觸媒筐蓋及法蘭SAE6120CrMoA、35CrMo、1Cr18Ni9Ti等1Cr18Ni9Ti多孔板SAE6120CrMoA、ZG1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti等1Cr18Ni9Ti分氣盒低碳鋼、微碳純鐵、1Cr18Ni1Cr18Ni9Ti1Cr18Ni9Ti列管換熱器上管板1Cr18Ni1Cr18Ni9Ti等1Cr18Ni9Ti下管板1 1Cr18Ni1Cr18Ni9Ti等1Cr18Ni9Ti管子02Cr5Mo、1Cr18Ni9Ti等1Cr18Ni9Ti折流板Q235A、1Cr18Ni1Cr18Ni9Ti等1Cr18Ni9Ti換熱器外殼低碳鋼、11Cr18Ni9Ti10托盤ZG1ZG220CrMo、35CrMo、1Cr18Ni9Ti等35CrMo緊固件螺栓碳鋼、35CrMo、1Cr18Ni1Cr18Ni9Ti等1Cr17螺母1Cr11Cr18Ni9Ti等1Cr17鐵絲網(wǎng)Q235A、1Cr18Ni9Ti、鍍鋅鐵絲等Q235A耐火球Q235AQ235A 1Cr18Ni9Ti機械強度，高溫性能，塑性都較好，且有以下特點： 1．有加工硬化現(xiàn)象，材料冷加工后，其機械強度提高而塑性和韌性顯著降低，帶來加工困難，不易冷卷，剪切和切削加工。 1Cr18Ni9Ti鋼雖然作為氨合成塔的內件材料有很多優(yōu)點，但其價格昂貴，比碳鋼價格高十幾倍。一般控制在Ti5C%%刷的范圍內。因此在溫度超過420℃選用碳鋼；超過470℃選用耐熱低合金鋼；超過550℃選用奧氏體不銹鋼，對不銹鋼還必須考慮蠕變的影響。當溫度愈高，作用的應力愈大時，蛻變的速度愈快。 內件材料選擇及論證 內件用材的基本要求 觸媒筐部分處于高溫下操作，選材時既要考慮