【正文】 到介質(zhì)的腐蝕又要注意金屬材料在高溫時(shí)的一些特性。電加熱器端蓋與頂蓋間平墊密封平墊片材料常用退火鋁、退火紫銅或10號(hào)鋼，本設(shè)計(jì)選用退火鋁。 主螺栓、主螺母及密封件材料的選擇與論證通常螺栓與螺母應(yīng)采用不同材料或同種材料但不同的熱處理?xiàng)l件，使其具有不同的硬度，螺栓材料硬度應(yīng)比螺母高30HB以上。 底部封頭材料的選擇與論證封頭常用材料為16Mn，20MnMo，15MnMoV，18MnMoNb，15CrMo等。 端部法蘭材料的選擇與論證端部法蘭常用材料為有16Mn，20MnMo，15MnMoV，18MnMoNb，14MnMoVB，15CrMo，14CrMnMoVB，12Cr3MoA等。焊后，電弧焊需600~650℃回火，電渣焊焊后需900~930℃正火，600~650℃回火消除應(yīng)力。鍛造工藝性能及其它性能：始鍛溫度1220℃，終鍛溫度800℃，鍛后900℃正火再冷卻（空冷、砂冷或爐冷，可視尺寸不同而定），無回火脆性。由查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第一卷）第3篇可知16Mn的許用應(yīng)力及機(jī)械性能如表41和表42。 外筒材料的選擇與論證 筒體材料的選擇與論證 整體鍛焊式筒體常用材料有Q235B，16Mn，CrMoV鋼，SAE3230，SAE6130，AOS1135E等。由于氨合成塔的制造方法不同，各個(gè)組成部分工作條件不同，因而對(duì)材料的要求也不相同，例如對(duì)層板包扎式的內(nèi)筒主要要求是：組織嚴(yán)密、質(zhì)量好、強(qiáng)度高、延伸率大、沖擊韌性好、可焊性好以及耐腐蝕等，而對(duì)層板則首先要求機(jī)械性能高及焊接性能良好。通常選材時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮以下幾個(gè)方面：1．材料的資源符合國(guó)情、價(jià)格便宜、容易獲得；2．使用安全，具有良好的綜合機(jī)械性能。第4章 主要設(shè)備材料的選擇及論證 氨合成塔材料的選擇原則在氨合成塔設(shè)計(jì)過程中，選擇材料是重要的一環(huán)。本設(shè)計(jì)選用固定管板式換熱器，其通常如圖34所示。它易于制造，生產(chǎn)成本較低，但傳熱效率、結(jié)構(gòu)的緊湊性較差，單位面積的金屬消耗量較大。 塔內(nèi)換熱器總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及論證 換熱器設(shè)計(jì)的一般要求1．傳熱效率高，熱損失少，給熱系數(shù)大，換熱器所占空間小；2．流體阻力??；3．制造簡(jiǎn)單；4．修理方便；5．操作穩(wěn)定；6．結(jié)構(gòu)可靠、緊湊；7．清洗方便； 8．換熱器的面積不僅要適應(yīng)正常生產(chǎn)的需要，而且還要能滿足觸媒升溫還原和觸媒后期活性衰減至一定限度的需要。 從上述的分析可看出：當(dāng)氨的凈值較高，進(jìn)口氨含量較低時(shí)，要求有較強(qiáng)的傳熱能力相適應(yīng)，此時(shí)采用三套管結(jié)構(gòu)較為合理。圖33三套管示意圖 三套管主要優(yōu)點(diǎn)有： 1．三套管觸媒層的溫度分布較并流雙套管近似地實(shí)現(xiàn)觸媒溫度分布最佳曲線，通過計(jì)算和生產(chǎn)實(shí)踐證明一般可以增產(chǎn)5~10%； 2．結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)妥，操作比較穩(wěn)定，適應(yīng)性較強(qiáng)。由于“滯氣層”的導(dǎo)熱系數(shù)很小，起著隔熱作用，冷氣自下而上地流經(jīng)內(nèi)襯管的溫升很小，一般為3~5℃。并流三套管是在并流雙套管的內(nèi)冷管內(nèi)襯一根薄壁內(nèi)襯管，內(nèi)襯管與內(nèi)冷管一端用滿焊焊死，使內(nèi)冷管與內(nèi)襯管間形成一層很薄的不流動(dòng)的“滯氣層”。 觸媒筐的分類觸媒筐的型式繁多，根據(jù)單層和多層、軸向和徑向，內(nèi)冷和冷激，逆流和并流，立式和臥式，副產(chǎn)和不副產(chǎn)蒸汽的不同分類如下表。對(duì)設(shè)計(jì)的要求，大、中、小型合成塔的觸媒筐基本上是一致的。主螺栓預(yù)緊力比平墊密封較小。雙錐密封的優(yōu)點(diǎn)為：雙錐密封結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，密封可靠，加工精度要求不高，制造容易，可用于直徑大、壓力和溫度高的容器。內(nèi)壓升高時(shí)，平蓋有向上抬起的趨勢(shì)，從而使施加在兩錐面上的、在預(yù)緊時(shí)所達(dá)到的比壓趨于減?。浑p錐環(huán)由于在預(yù)緊時(shí)的徑向收縮產(chǎn)生回彈，使兩錐面上繼續(xù)保留一部分比壓；在介質(zhì)壓力的作用下，雙錐環(huán)內(nèi)圓柱表面向外擴(kuò)張，導(dǎo)致兩錐面上的比壓進(jìn)一步增大。在預(yù)緊狀態(tài)，擰緊主螺栓使襯于雙錐環(huán)兩錐面上的軟金屬墊片和平蓋、簡(jiǎn)體端部上的錐面相接觸并壓緊，導(dǎo)致兩錐面上的軟金屬墊片達(dá)到足夠的預(yù)緊密封比壓；同時(shí)，雙錐環(huán)本身產(chǎn)生徑向收縮，使其內(nèi)圓柱面和平蓋凸出部分外圓柱面間的間隙g值消失而緊靠在封頭凸出部分上。常用金屬軟墊為鋁。2．外筒與頂部封頭間采用雙錐密封雙錐密封是一種半自緊式密封，結(jié)構(gòu)形式如圖32所示。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在壓力不高、直徑較小時(shí)密封可靠。為了改善密封的性能，可在密封面上開1~2條三角形截面溝槽，槽深、槽寬尺寸各為1mm，兩溝中心相距為5mm。高壓容器密封結(jié)構(gòu)可分為下列三大類：1．強(qiáng)制式密封：如平墊密封、卡扎里密封；2．半自緊式密封：如雙錐密封；3．自緊式密封：如伍德密封、“C”形環(huán)密封、金屬“O”形環(huán)密封、三角墊密封、八角墊密封、“B”形環(huán)密封及楔形墊自緊密封（）等1．電加熱器端蓋與頂蓋間采用平墊密封金屬平墊密封屬于強(qiáng)制式密封，結(jié)構(gòu)形式如圖31所示。而介質(zhì)通過密封口的阻力是借施加于壓緊面上的比壓力來實(shí)現(xiàn)的，作用在壓緊面上的密封比壓力越大，則介質(zhì)通過密封口的阻力越大，越有利于密封。“界面泄漏”是密封失效的主要途徑。壓緊面就是指上、下法蘭與墊片的接觸面。高壓容器能否連續(xù)正常操作，很大程度上取決于密封結(jié)構(gòu)的完善程度。考慮氨合成塔是在高溫、高壓下工作的，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和要求，選擇整體鍛焊式筒體作為氨合成塔的外筒筒體。筒體的器壁在厚度方向是又兩層或兩層以上互不連續(xù)的材料構(gòu)成。d) 半片筒節(jié)沖壓拼焊式：它是先將鋼板加熱后在大型水壓機(jī)上壓成圓柱形殼片，然后用2~3塊殼片拼焊成為一個(gè)成筒節(jié)。b) 整體鍛造式：這種筒體是高壓容器中最早使用的筒體型式，制造時(shí)筒體與法蘭可整鍛為一體或用螺紋連接，整個(gè)筒身沒有焊縫。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 圓筒可分為單層式和組合式兩大類：1．單層式筒體。氨合成塔選用圓柱形容器，圓柱形容器是最常見的一種壓力容器結(jié)構(gòu)形式，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制造，便于在內(nèi)部裝設(shè)附件等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用作反應(yīng)器、換熱器、分離器和中小容積儲(chǔ)存容器。 對(duì)于Φ1000毫米以下的氨合成塔，應(yīng)進(jìn)一步提高氨生產(chǎn)能力，降低阻力，多產(chǎn)氨，~。 10．制造、運(yùn)輸、安裝、維護(hù)、檢修方便。一般要求氨合成塔外簡(jiǎn)使用壽命20~30年，內(nèi)件使用壽命6~l0年。 7．操作方便，調(diào)節(jié)靈活，并盡量減少同平面溫差或同圓柱面溫差，充分發(fā)揮觸媒的活性。 6．熱能綜合利用好。 5．氣體分布均勻，處理氣量大。合成塔在最適宜條件下操作時(shí)氨凈值高，出口氨含量高，可以在較高的溫度下分離氮，因此可以在很大程度上節(jié)省冷卻設(shè)備。3．塔的阻力小。 2．觸媒生產(chǎn)強(qiáng)度大。 在氨合成塔設(shè)計(jì)過程中，一般應(yīng)考慮下列問題： 1．容積利用率高。內(nèi)件由觸媒筐、換熱器和電加熱器等三個(gè)主要部分構(gòu)成，大型氨合成塔的內(nèi)件一般不設(shè)電加熱器，而由塔外加熱爐供熱還原觸媒。內(nèi)件一般用合金鋼制作，塔徑較小的內(nèi)件也可用純鐵制作。因而，外筒主要承受高壓（操作壓力與大氣壓力之差），但不承受高溫，可用普通合金鋼或優(yōu)質(zhì)低碳鋼制成。為了適應(yīng)氨合成的反應(yīng)條件，合理解決存在的矛盾，氨合成塔通常由內(nèi)件與外筒兩部分組成，內(nèi)件置于外筒之中。無論是分子狀態(tài)或原子狀態(tài)的氫，與碳都能起反應(yīng)。高溫高壓下氫活性很高，對(duì)鋼材有劇烈的腐蝕作用，稱為“氫蝕”。同時(shí)在高溫高壓下，氫、氮對(duì)碳鋼有明顯的腐蝕作用。 工藝技術(shù)特性一覽表表27 氨合成塔進(jìn)出氣體成分成分H2N2ArCH4NH3進(jìn)塔氣，%4出塔氣，%17表28 氨合成塔內(nèi)各進(jìn)出口的溫度名稱合成塔進(jìn)口合成塔出口觸媒筐入口觸媒筐出口換熱器入口換熱器出口溫度℃3021525645060256第3章 設(shè)備類型的選擇及論證 氨合成塔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及基本要求氨合成塔是合成氨廠的心臟，作用是使氫氮混合氣在塔內(nèi)催化劑層中合成為氨。K） kJ/h kJ/h kJ/h（=60℃，查參考文獻(xiàn)[1] kJ/kmol 換熱器熱量衡算根據(jù)熱平衡式 (218)式中 Q1——由主線進(jìn)入換熱器氣體所帶入的熱量，kJ/h； Q2——由副線進(jìn)入換熱器氣體所帶入的熱量，kJ/h； Q3——由觸媒筐進(jìn)入換熱器氣體所帶入的熱量，kJ/h；Q4——?dú)怏w離開換熱器所帶出的熱量，kJ/h；Q5——由換熱器進(jìn)入觸媒筐所帶出的熱量，kJ/h； ——換熱器外殼的熱損失，kJ/h， (219) (220)圖23熱交換器的熱量衡算示意圖 式中 ——由主線進(jìn)入換熱器的氣體溫度，℃； t1 ——合成塔進(jìn)出口氣體溫度，℃；——由副線進(jìn)入合成塔的氣體百分?jǐn)?shù)，%，此處設(shè)為0； NT1——進(jìn)入換熱器的氣體流量，kmol/h； ——進(jìn)入換熱器的氣體比熱，kJ/kmolK；當(dāng)t3=450℃，Cp3=K； t5，t3——分別為進(jìn)入和離開觸媒筐氣體的溫度，℃；ΔHT——氨合成的表現(xiàn)反應(yīng)熱，kJ/kmol。 觸媒筐熱量衡算根據(jù)熱平衡式 (213)式中 ——?dú)怏w進(jìn)觸媒筐帶進(jìn)熱量，kJ/h； ——?dú)怏w在觸媒層反應(yīng)熱，kJ/h； ——?dú)怏w進(jìn)觸媒筐帶走熱量，kJ/h； ——觸媒筐的熱損失，kJ/h。K，查參考文獻(xiàn)[1]2，其熱焓變化為ΔH2。第二步氣體在t2下進(jìn)行等溫反應(yīng)，氣體組成發(fā)生變化，氨濃度由XNH3可 圖22 不副產(chǎn)蒸汽的氨合成系統(tǒng)流程 按如下表示的兩個(gè)連續(xù)步驟組成：第一步氣體進(jìn)塔后由溫度t1升到t2，氣體組分不變，氨濃度仍為XNH3但ΔHr是等溫反應(yīng)熱。將式(27)代入式(26)，得 標(biāo)準(zhǔn)米34．合成塔出口氣量V3由氨平衡 (28)聯(lián)立式(27)與(28)解得 標(biāo)準(zhǔn)米3故合成塔出口氣組成為：表25 合成塔出口氣組成成份H2N2ArCH4NH3合計(jì)%標(biāo)準(zhǔn)米3171005．合成塔進(jìn)口氣量V2及組成由氣量平衡 標(biāo)準(zhǔn)米3合成塔進(jìn)口氣體組成為：H2 標(biāo)準(zhǔn)米3N2 標(biāo)準(zhǔn)米3CH4 標(biāo)準(zhǔn)米3Ar 標(biāo)準(zhǔn)米3NH3 標(biāo)準(zhǔn)米3 合計(jì) 標(biāo)準(zhǔn)米3表26 合成塔進(jìn)口氣組成成份H2N2ArCH4NH3合計(jì)%標(biāo)準(zhǔn)米34100 能量衡算衡算依據(jù)：能量守恒定律 全塔的總熱量衡算通過全塔的熱量衡算，最終可求出出塔氣體的溫度t2。故 kmol/h kmol/h出塔氣體中氫氮?dú)怏w的含量為： 3H2+N2= (24)式中 ——合成塔進(jìn)口氣體中惰性氣體的含量，15%；故 3H2+N2=其中 H2： N2： 出塔氣體中惰性氣體的含量Y2為： (25)其中 CH4： Ar: 故出塔氣組成為：表23 出塔氣組成成份H2N2ArCH4NH3合計(jì)%171002．放空氣量V1與放空氣組成30MPa下，水冷器內(nèi)無液氨冷凝出來，故放空氣成分與出塔氣成分相同。表21 精煉氣組成成份H2N2+ArCH4合計(jì)%標(biāo)準(zhǔn)米371001000將Ar從N2中分列出來，由布拉夏克《固定氮工藝學(xué)合成氨》下冊(cè)，371頁。 物料衡算計(jì)算基準(zhǔn)：1000標(biāo)準(zhǔn)立方米精煉氣。故合成塔設(shè)計(jì)條件為：1．給定：Φ2200 2．設(shè)計(jì)（論文）的原始數(shù)據(jù)：新鮮氣：CH4：%；入塔氣：NH3：%，Ar+CH4：15%，30℃出塔氣：NH3：17%；出水冷卻器溫度：35℃；設(shè)計(jì)壓力：32MPa；觸媒：自選 物料衡算 計(jì)算依據(jù)合成氨生產(chǎn)過程的物料衡算同其他化學(xué)生產(chǎn)過程的物料衡算一樣，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，通過計(jì)算求得加入個(gè)設(shè)備和離開個(gè)設(shè)備的物料個(gè)組分的成份、重量和體積。對(duì)操作壓力為300公斤/厘米2，~%；對(duì)操作壓力150公斤/厘米2，~%；國(guó)外日產(chǎn)1000噸合成氨廠，操作壓力150公斤/厘米2，~%。經(jīng)分析進(jìn)塔氣中氨含量越低，產(chǎn)量越高，循環(huán)氣電耗低。但是由于氨濃度的提高，越接近于平衡濃度，降低了推動(dòng)力。6．初始氨含量。國(guó)外日產(chǎn)l000噸合成氨廠CH4~Ar一般控制在12~15%。就化學(xué)平衡而言，惰性氣體對(duì)氮含量的影響是雙重的，因?yàn)樗坏档土藲?、氮?dú)獾挠行Х謮海覜_淡了氨的含量。5．惰性氣體的含量。為了調(diào)節(jié)方便起見，合成氨廠生產(chǎn)上氫氮比以維持在3左右為宜。出于氨合成時(shí)氫氮比是按3比1而消耗的，所以混合氣中的氫氮比將隨反應(yīng)進(jìn)行而不斷減小。反應(yīng)后期