【正文】 徑向呈輻射狀，自內(nèi)向外流經(jīng)催化劑床層后進(jìn)入環(huán)形通道，與塔頂接口來(lái)的冷激氣相混合，在進(jìn)入第二段催化劑床層，從外部徑向向內(nèi)流動(dòng)。螺旋板式換熱器的結(jié)構(gòu)，適合小型氨廠合成塔中使用。除此之外，為了緩和冷管層的‘冷管效應(yīng)’，在冷管下方設(shè)置的絕熱層，將有利于緩解冷管層不均勻流速和溫度分布的影響，以便獲得更高的出口氨含量。這樣，在還原期間，中心管內(nèi)電加熱器處于加熱狀態(tài)，而進(jìn)冷管的氣體對(duì)床層而言也處于加熱狀態(tài)（而不是傳統(tǒng)冷管的冷卻狀態(tài)）。3 下部換熱器為螺旋板式。此結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)為：1 由下部換熱器來(lái)的氣體，先經(jīng)過(guò)中心管，在由頂部導(dǎo)入冷管上連通管，自上而下并流以冷卻催化劑層，然后經(jīng)過(guò)下連通管集氣，再由上升管引至床層出口，進(jìn)入催化劑床層進(jìn)行反應(yīng)。1，冷管層在催化劑還原時(shí)的冷卻作用，致使還原末期催化劑下層溫度難以提高，達(dá)不到催化劑徹底還原所需要的極限溫度，因此，這種塔型的催化劑還原活性受一定影響；2 由于冷管催化劑床層流速分布和溫度分布的不均勻而形成的‘冷管效應(yīng)’（同平面溫差),致使反應(yīng)的氨含量難以達(dá)到極高的水平。中國(guó)70到80年代的中，小型氨廠，基本使用這兩種塔型。這樣，就可以使床層中反應(yīng)氣體迅速由較低的入口溫度升至床層最高的溫度。在氨合成反應(yīng)進(jìn)程中，反應(yīng)速率隨氨含量增高而逐漸下降，因此，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，需移走反應(yīng)熱的數(shù)量逐漸減少，又由于氨含量逐漸增加，反應(yīng)緩慢，最佳溫度下降的速率逐漸變慢，需移走的顯熱逐漸減少，考慮到這兩個(gè)方面，催化劑床層所需的排熱強(qiáng)度，隨反應(yīng)過(guò)程逐漸下降，為了滿足這一要求，采用并流冷管的結(jié)構(gòu)比較有利。流經(jīng)絕熱層就進(jìn)入設(shè)置冷管的床層區(qū)，在此區(qū)內(nèi)，應(yīng)該是邊反應(yīng)邊降溫，以適應(yīng)氨含量增加引起的最佳反應(yīng)溫度的工況。相反，為了加快反應(yīng)速度，應(yīng)利用絕熱條件下催化劑床層的反應(yīng)放熱，迅速使反應(yīng)提高，因此，在催化劑床層進(jìn)口處，設(shè)置一定距離的絕熱層，目的在使氣體迅速因反應(yīng)熱而升溫，以接近反應(yīng)最佳溫度。除了因進(jìn)口處的最佳反應(yīng)溫度已超過(guò)催化劑耐熱溫度意外，還因催化劑床層進(jìn)口溫度是經(jīng)過(guò)冷管預(yù)熱而獲得，因此預(yù)熱所達(dá)到的溫度不可能高于床層內(nèi)的最高溫度，此溫度與進(jìn)口最佳的反應(yīng)溫度存在很大的差異。這要求催化劑頂層進(jìn)口溫度處于最高點(diǎn)，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，逐漸降低溫度?，F(xiàn)分別介紹具有發(fā)展前途的幾種新型氨合成塔。三 中小型氨廠 常用的合成塔在80 年代氨合成塔以并流三套管式和單管并流式為主。而球型催化劑，%左右。對(duì)于軸向流動(dòng)的塔，降低阻力的方法為：制造成大直徑的短胖塔，以降低催化劑的填充高度；采用大顆粒的催化劑；采用球型催化劑，以改善其形狀系數(shù)。徑向氨合成塔的關(guān)鍵問(wèn)題在于：如何確保氣體均勻分布，以及在催化劑床層下沉?xí)r（因操作時(shí)的震動(dòng)，而使床層更為緊密以及還原催化劑的收縮等原因），保證頂部氣體不致走短路。因此長(zhǎng)徑比（10到15）很大的高壓合成塔，徑向流動(dòng)的距離1/20到1/，催化床層的壓力降可降低數(shù)千倍?？梢?jiàn)催化床層的阻力強(qiáng)度依賴于氣體流動(dòng)途徑的長(zhǎng)度。二，三層間則為中間換熱式。氨合成塔中，可以僅用上述的一種降溫方式，也可以將兩種方法結(jié)合起來(lái)用。但由于冷激氣體對(duì)反應(yīng)含氨氣的稀釋，較難獲得更高的氨凈值（進(jìn)塔和出塔氨含量的增值）、其中，冷激用氣與合成氣的混合均勻，是冷激型塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。（二）冷激型用于、反應(yīng)前尚未預(yù)熱的冷態(tài)合成氣進(jìn)行層間冷激，以降低反應(yīng)氣體的溫度。冷卻管即可冷卻催化床，又可預(yù)熱反應(yīng)前的氣體。工業(yè)上，按照降溫方法的不同，可分為冷管冷卻型，冷激型和中間換熱型。一，反應(yīng)床層的降溫方式 鑒于氨合成最佳反應(yīng)溫度隨氨含量增大而降低，這要求隨著反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)溫度應(yīng)不斷下降，然而，這卻與反應(yīng)的放熱是相互矛盾的。在工藝上，必須使氨合成反應(yīng)盡可能在接近最佳溫度下進(jìn)行，已獲得較大的生產(chǎn)能力和較高的氨合成率。 兩塔，兩廢熱鍋爐合成流程，%，副產(chǎn)高壓蒸汽（）（鍋爐給水溫度210℃）。第二合成塔是一段徑向催化劑床，出塔溫度為442℃，進(jìn)入第二廢熱鍋爐后，經(jīng)過(guò)換熱器，水冷器，冷交換器，然后進(jìn)入氨冷器（冷凝溫度0℃）。最近，伍德公司為提高廢熱鍋爐高壓蒸汽的產(chǎn)量，也提出了兩塔兩廢熱鍋爐合成回路流程，見(jiàn)（41911），該流程用于渣油制氨和深冷凈化的場(chǎng)合。為了適應(yīng)ICI AMV工藝二段爐過(guò)量空氣的使用，在合成回路中，合成氣壓縮機(jī)循環(huán)段出口設(shè)置一支路，是循環(huán)氣的少部分進(jìn)入冷箱，以深冷分離過(guò)量氮和大部分惰性氣體。為了使廢熱鍋爐能產(chǎn)生更多的高壓蒸汽，倒U型高壓管中的氣體與鍋爐給水呈逆流狀態(tài)，以使高壓氣體降低至更低的溫度。示于圖（41910）之中。中國(guó)的大連化學(xué)公司化肥廠建廠時(shí)就是引進(jìn)伍德法氨廠。操作壓力10到15MPa，在活性初期甚至可低于10MPa，溫度為400到425℃。色尼斯法或伍德法。色尼斯公司投資在郝恩梭丁根建立了第一座這樣的合成氨廠。六、(ICI伍德)氨合成流程德國(guó)郝斯特公司所屬的伍德工程公司與德國(guó)公司蒙特這一技術(shù)和克勞德所創(chuàng)的其他技術(shù)一樣，均由法國(guó)液化空氣公司所擁有。另外新鮮氣中惰性氣體的含量因?yàn)椴粫?huì)循環(huán)而積累，故允許含量遠(yuǎn)比循環(huán)法高。這方法總轉(zhuǎn)化率可以計(jì)算出來(lái)。各氨收集器S所得的氨經(jīng)過(guò)閃蒸罐P減壓后送儲(chǔ)罐Q，閃蒸出來(lái)的氣體和尾氣合并送洗滌塔W回收。其工藝流程為原料氫來(lái)自焦?fàn)t氣深冷液化分餾，氮?dú)庥煽諝庖夯蛛x提供。其成套氨廠的設(shè)計(jì)與建造業(yè)務(wù)于1967年與法國(guó)的GP公司聯(lián)合，從此法液空，GP，卡薩里這三家公司的合成氨業(yè)務(wù)由GP為代表。中國(guó)在60年代初引進(jìn)的第一套合成氨廠就是按卡薩里技術(shù)建造的。特別是美國(guó)的福斯特而上述的幾項(xiàng)特點(diǎn)則一直被后人廣泛效法。布什法向塔內(nèi)送入少量空氣使之與氫氣燃燒產(chǎn)生熱量來(lái)升溫的做法要高明。此外，在催化劑筐中設(shè)中心管，內(nèi)裝電爐，供開(kāi)工時(shí)使用。這種保護(hù)外殼的方法以后一直被絕大部分其他合成工藝所采用。據(jù)報(bào)道，同樣的催化劑在卡薩里法可用6到12個(gè)月。合成塔進(jìn)口處氨含量接近于0。由于這種冷凝的做法，使得氣體中殘留一定量的氨分壓，參見(jiàn)圖（125）%到3%的氨保留在氣相中，這就使得循環(huán)到合成塔催化劑層進(jìn)口處時(shí)可以減慢氨的生成反應(yīng)，因此也就避免了產(chǎn)生過(guò)熱現(xiàn)象。氫氮混合氣被壓縮到50~90MPa后進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)，催化劑在500℃操作，采用的空間速度為12000，出塔氣中氨含量15%，雖然用循環(huán)法生產(chǎn)，但不用循環(huán)壓縮機(jī)而用氣體噴射泵，只需將補(bǔ)充進(jìn)入系統(tǒng)的3：1的氫氮混合氣壓力提高一點(diǎn)，就可作為動(dòng)力源而帶動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)的氣體進(jìn)行循環(huán)。第三氨合成塔出口氣中含氨可達(dá)21%，入塔氣中含氨4%左右。合成塔的出口氣，經(jīng)過(guò)廢熱鍋爐和預(yù)熱器回收熱量后，再經(jīng)水冷器，冷交換器，二級(jí)氨冷器，℃并分離掉冷凝液氨，然后進(jìn)冷交換器回收冷量，并升溫至32℃，進(jìn)入透平壓縮機(jī)循環(huán)段與補(bǔ)充合成氣混合去氨合成塔，從而構(gòu)成氨合成的循環(huán)回路。補(bǔ)充氣經(jīng)過(guò)壓縮冷卻后在循環(huán)段中與循環(huán)氣相混合，然后經(jīng)過(guò)預(yù)熱去合成塔（1），（2），（3）。它對(duì)氨合成系統(tǒng)十分有利，可有效地提高合成系統(tǒng)的能力，降低消耗。合成氨培訓(xùn)教材布朗氨合成流程及合成氨培訓(xùn)教材由于布朗工藝{4}的特殊流程，合成氣最終要經(jīng)過(guò)深冷精制以除去其中所含多余的氮?dú)?，因而氣體質(zhì)量與其他冷法精制流程的氮洗大體相當(dāng)，即不含微量水分及二氧化碳。這種高質(zhì)量的合成補(bǔ)充氣，系所有深冷凈化法的一大優(yōu)點(diǎn)。圖（4199）為布朗三臺(tái)合成塔，三臺(tái)廢熱鍋爐的氨合成工藝流程。每臺(tái)合成塔出口都設(shè)有廢熱鍋爐。此氨合成流程的合成壓力為15MPa。四、卡薩里法合成氨流程卡薩立高壓法也是高壓法的一種，意大利人卡薩里所創(chuàng)。此法最大的特點(diǎn)在與催化劑床層的溫度控制，在高溫高壓下催化劑活性很易衰老，為此卡薩里對(duì)循環(huán)系統(tǒng)氨的分離使用冷凝的方法，出合成塔的氣體被冷卻到一定的溫度，其中反應(yīng)生成的氨就被冷凝分離掉。而哈伯法是用水洗分氨。而克勞德法則更是用新鮮氫氮?dú)庖淮瓮ㄟ^(guò)，故這兩種工藝對(duì)催化劑的反應(yīng)確實(shí)是要?jiǎng)×业亩唷? 卡薩里法的另一特點(diǎn)是合成塔與內(nèi)件之間有一環(huán)隙，進(jìn)塔的循環(huán)氣先通過(guò)此環(huán)隙再入催化劑筐，這使得塔殼的溫度低于400℃，因而避免了克勞德在高壓下要用鎳鉻合金的做法。雖然布什也使用在環(huán)隙通過(guò)冷氣的做法，但他用的是氮?dú)?，這就造成塔內(nèi)氫氮比例的變動(dòng)，因而沒(méi)有被他人所效仿。這點(diǎn)也比哈伯 由于這些特色，1927年全球合成氨產(chǎn)量的19%應(yīng)用此法。 這種生產(chǎn)方式到60年代離心式壓縮機(jī)在氨廠使用之前，一直占據(jù)一定地位?；堇展居?954年采用此法以后，當(dāng)時(shí)就報(bào)到有40多座廠使用此法。不過(guò)在60年代以后，卡薩里即放棄了高壓合成的作法，而致力于徑向合成塔的技術(shù)開(kāi)發(fā)。 濃度可達(dá)25%，這相當(dāng)于入塔氫氮?dú)庥?0%轉(zhuǎn)化為氨，每kg催化劑可產(chǎn)氨6kg/h,相比之下，~。配合成3：1以后，經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)壓縮到100MPa以后送入合成塔C1，冷凝器R1，氨收集器S1，然后進(jìn)入并聯(lián)的合成塔C2,及C3，冷凝器R,2，氨收集器S2，未反應(yīng)氣體最終在通過(guò)3個(gè)串聯(lián)的合成塔C4，C5，C6，每個(gè)塔之后都有相應(yīng)的冷凝器R，氨收集器S，殘余的尾氣在洗滌塔W用水或酸回收其中的氨，在膨脹到常壓，供作燃料或其他用處。由于采用了高壓提高了轉(zhuǎn)化率，并且又用串聯(lián)的方法進(jìn)行多次的合成反應(yīng)，故而避免了循環(huán)的生產(chǎn)方法。假定配備2塔并聯(lián)，再加2塔串聯(lián)，計(jì)算式為100a（33a+a2),式中a為單次轉(zhuǎn)化率，這里如果取40%（a=），%，前面所介紹的布什法氫氮轉(zhuǎn)化率也只有80%。克勞德法的合成塔用鎳鉻合金的錠子鏜孔而成，內(nèi)部不設(shè)熱交換器，催化劑溫升很高，由500℃到650℃使用 克勞德的技術(shù)特色，導(dǎo)致在當(dāng)時(shí)按此法建成了一批氨廠，1929年約占世界總量的9%。合成氨技術(shù)由法國(guó)液化空氣公司的子公司GP公司負(fù)責(zé)。色尼斯合作，于1924年開(kāi)發(fā)了10到15MPa的低壓合成氨法，并且由蒙特人們因此把它叫做蒙特此法所用的催化劑雖屬鐵系，但與布什所用的明顯不同，不是磁性鐵系列，而是鐵氰化鉀。這種催化劑低壓活性很好，但由于不是用熔融方法制造，強(qiáng)度較差，壽命不長(zhǎng)，因而當(dāng)時(shí)所建的工廠到后來(lái)都改用磁鐵礦型催化劑。 90年代，中國(guó)從國(guó)外引進(jìn)的低壓（）氨合成工藝，使用的是由伍德工程公司承建的ICIAMV低壓合成氨流程。 此流程中得氨合成塔為三段徑向中間換熱式，填裝ICI741型氨催化劑。 循環(huán)段送出的循環(huán)氣體（26℃），經(jīng)過(guò)預(yù)熱器升溫至240℃進(jìn)入合成塔底部，沿合成塔外筒與內(nèi)件之間環(huán)隙上升至頂部，串聯(lián)通過(guò)第二床出口中間換熱器和第一床出口中間換熱器（管內(nèi)），預(yù)熱至第一床反應(yīng)溫度后，逐次通過(guò)第一，二，三床徑向?qū)蛹捌陂g的兩臺(tái)中間換熱器（管外），于400℃左右進(jìn)入廢熱鍋爐，回收反應(yīng)熱副產(chǎn)高壓蒸汽后，氣體降溫至275℃，進(jìn)預(yù)熱器在降至53℃，經(jīng)過(guò)水冷器降至38℃，順次通過(guò)冷交換器（℃），第一氨冷器（出口溫度1℃），第二氨冷器（出口溫度10℃），分離液氨后經(jīng)過(guò)冷交換器管外溫度升至23℃，再經(jīng)循環(huán)段壓縮后，構(gòu)成氨合成回路。在此合成回路中，惰性氣體的含量，處于7%到8%之間。合成壓力為16MPa，第一合成塔為二段徑向中間換熱式，出塔合成氣溫度為473℃，經(jīng)廢熱鍋爐副產(chǎn)高壓蒸汽后，在進(jìn)入第二合成塔。在中國(guó)北方的地理環(huán)境下，不需使用氨壓縮機(jī)，即可獲得40%液氨和60%氣氨產(chǎn)品。催化劑填裝量為76m3.第4節(jié) 、氨合成塔氨合成塔是合成氨廠的關(guān)鍵設(shè)備。同時(shí)，還應(yīng)力求降低合成塔的壓力降，以減少循環(huán)氣體的動(dòng)力消耗，在結(jié)構(gòu)上應(yīng)力求簡(jiǎn)單可靠，并滿足高溫高壓的要求。為了解決這問(wèn)題，必須隨著反應(yīng)的進(jìn)行采取降溫措施。 （一）冷管冷卻型采用內(nèi)置于催化床層中冷卻管的方法，以排除反應(yīng)熱并降低反應(yīng)溫度。冷管冷卻型發(fā)展較早，目前只用于中，小型氨廠。冷激型的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠。（3） 中間換熱器 在絕熱催化床層的層間安置中間換熱器，以預(yù)熱未反應(yīng)的合成氣，并降低反應(yīng)床層的溫度，中間換熱器較多的使用在大型的氨合成塔，雖然其結(jié)果復(fù)雜，但以成為現(xiàn)實(shí)的發(fā)展趨勢(shì)，因此現(xiàn)在在中，小型廠也開(kāi)始使用。例如，一，二層間使用冷激式。二 軸向流動(dòng)和徑向流動(dòng)的方式 氨合成塔為高壓操作的塔，受外筒強(qiáng)度的限制，一般制成長(zhǎng)徑比很大的高壓容器，由填充床流體力學(xué)可知，湍流條件下相同的空速時(shí)，床層壓力降與床層高度的三次方成正比。采用徑向流動(dòng)可以十分有效的降低氣體流動(dòng)途徑的長(zhǎng)度。這就未使用緊密填裝的小顆粒催化劑創(chuàng)造有利條件。對(duì)于前者，普遍以增大分布管小孔的流速和壓降，以克服分氣和集氣流道以及床層填充松緊所形成的靜壓差的差異，解決后者，通常在分布管上端一定長(zhǎng)度上不開(kāi)孔。通常無(wú)定型催化劑。中，小型氨廠，多用往復(fù)式循環(huán)機(jī)，因此，合成塔選型以軸向的塔型為主，而大型氨廠，選用透平循環(huán)機(jī)，故必須配用低阻力的反應(yīng)裝置，徑向流動(dòng)合成塔或大直徑淺床層的軸向塔是適宜的。90年代，新型氨合成塔開(kāi)發(fā)成功，并流三套管式和單管并流式逐漸淘汰。（1） 改進(jìn)型的冷管型塔按照最佳反應(yīng)溫度的要求，隨著反應(yīng)進(jìn)程氨含量的增加，反應(yīng)溫度應(yīng)漸漸下降。在工業(yè)上這是不能實(shí)現(xiàn)的。在催化劑床層進(jìn)口端，溫度偏低，不宜安置冷管加以冷卻。絕熱層還包含因上層催化劑中毒失活所必需的安全兩以及還原過(guò)程催化劑總體縮減量在內(nèi)。此時(shí)，除了要移走氨合成的反應(yīng)熱外，還要移走氣體降溫的顯熱。傳統(tǒng)的三套管式和單管并流式的催化劑示意圖見(jiàn)圖（41912）和圖（41913），由圖可見(jiàn)，在進(jìn)入催化劑筐的頂部各存在一定高度的絕熱層，而在隨后的床層中各安置與床層氣流并行流動(dòng)的冷管進(jìn)行冷卻。然后，按最佳反應(yīng)溫度的要求逐步降低。三套管和單管并流合成塔雖然具有基本符合反應(yīng)所需排熱要求的優(yōu)點(diǎn)，但是，他們存在下述兩個(gè)嚴(yán)重的缺陷。針對(duì)冷管型合成塔的缺點(diǎn)，浙江工學(xué)院從70年代末期首先推出單管析流式內(nèi)件的設(shè)計(jì)，后經(jīng)過(guò)改進(jìn)，成為圖（41914）的示意結(jié)構(gòu)。2 冷管層下方留有一定高度的絕熱層。上述單管折流式內(nèi)件，氣體先進(jìn)中心管，然后在進(jìn)冷管。一改傳統(tǒng)冷管還原末期床層下層溫度難以提高的缺點(diǎn)，催化劑還原活性明顯提高。螺旋板式換熱器與列管式相比，具有制作簡(jiǎn)單，成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。四 大型氨廠用合成塔大型氨廠合成塔種類繁多，這里主要介紹常見(jiàn)的幾種形式及其特點(diǎn)。然后由中心管外環(huán)形