【正文】 劑的活性溫度（通常為400℃），再流經(jīng)設(shè)有電加熱器的中心管。特點(diǎn)是在催化劑床層中設(shè)置冷卻管，通過(guò)冷卻管進(jìn)行床層內(nèi)冷熱氣流的間接換熱，以達(dá)到調(diào)節(jié)床層溫度的目的。為使氨合成反應(yīng)能在接近最佳溫度下進(jìn)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。在給定的鐵催化劑和壓力下，氨合成溫度不同，反應(yīng)速度也不同。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。從催化劑筐出來(lái)的熱氣體溫度通常在460℃以上，進(jìn)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(dá)140℃以上。內(nèi)件雖然是在高溫下操作，但是只承受氨合成塔進(jìn)出口壓力差，可用耐熱鎳鉻合金鋼制作。內(nèi)件外由保溫層，操作時(shí)進(jìn)塔的冷氣體流過(guò)內(nèi)、外筒間的環(huán)隙，從而避免外筒溫度過(guò)高。氨合成塔使合成氨廠的心臟，使一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的反應(yīng)器。隨著我國(guó)改革開(kāi)放和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，我國(guó)合成塔的設(shè)計(jì)，必將有一個(gè)新的飛躍。合成塔設(shè)計(jì)是多學(xué)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(kāi)發(fā)，高強(qiáng)度抗腐蝕材料的研究，乃至計(jì)算機(jī)輔助手段的綜合發(fā)展而逐步完善的。合成氨工業(yè)技術(shù)進(jìn)步的發(fā)展趨勢(shì)是開(kāi)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(dá)到降低能耗的目的。積極使用原料氣凈化新技術(shù) ,實(shí)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(duì)催化劑的影響將會(huì)被人們逐漸重視。企業(yè)勢(shì)必采取各種措施保持裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行 ,以求得更多的有效生產(chǎn)時(shí)間。低溫低壓氨合成催化劑的應(yīng)用 ,也是企業(yè)節(jié)能降耗可行途徑之一。一些φ1200、φ1500、φ1600、φ1800、φ2000 的大直徑塔逐漸被研制來(lái) ,并投入到工業(yè)生產(chǎn)中去。在此形勢(shì)下 ,各企業(yè)對(duì)氨合成裝置的要求 ,逐漸由以前的強(qiáng)化高負(fù)荷生產(chǎn)轉(zhuǎn)變到現(xiàn)在的輕負(fù)荷低消耗運(yùn)行模式上來(lái)。 (3)合成氨工業(yè)的發(fā)展近年來(lái) ,氨合成工藝技術(shù)已取得長(zhǎng)足進(jìn)步。如美國(guó)Kellgog公司、Braun公司、KTI公司、丹麥Topsoe公司、英國(guó)ICI公司、德國(guó)Uhde公司、意大利Mnoetdsno公司等都積極開(kāi)發(fā)新流程及與新流程相適應(yīng)的高效催化劑和新設(shè)備，借以提高制氨技術(shù)在世界上的競(jìng)爭(zhēng)能力。與此同時(shí)，美國(guó)Braun公司、丹麥Topsoe公司、英國(guó)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(shù)的開(kāi)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(guó)Icl公司在以輕油為原料的制氨技術(shù)方面，處于世界領(lǐng)先地位，這是合成氨工業(yè)發(fā)展史上第一次技術(shù)變革和飛躍。(2)國(guó)外合成氨工業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀自本世紀(jì)20年代第一座合成氨裝置投產(chǎn)以來(lái)，到60年代中期，合成氨工業(yè)在歐洲、美國(guó)、日本等地區(qū)已發(fā)展到相當(dāng)高的技術(shù)水平。在大中小三類企業(yè)中，引進(jìn)的大型裝置的能耗接近國(guó)外水平，而中小企業(yè)(占%)的成本遠(yuǎn)高于大型裝置，其能耗則高出先進(jìn)水平近一倍。近幾年我國(guó)合成氨產(chǎn)量約3000多萬(wàn)噸，2005年需求約為3500萬(wàn)噸，都居世界首位，是美國(guó)的2倍。大化肥和小化肥的科技進(jìn)步與技術(shù)改造過(guò)程充分表明，合成氨工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步趨勢(shì)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(jìn)的工藝和設(shè)備，才能達(dá)到節(jié)能降耗的目的。與國(guó)外合成氨工藝的合成壓力逐年降低的趨勢(shì)恰恰相反。因此降低合成氨的能耗，簡(jiǎn)化工藝過(guò)程，成為合成氨研究的一個(gè)重要方向。目前，我國(guó)中小型化肥廠的能耗為44106~71106kJ/t。這有兩層含義，一為氨本身熱值較高，106kJ/t，二為生產(chǎn)過(guò)程中損耗了大量能量。合成氨工業(yè)是氮肥工業(yè)的基礎(chǔ)，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)起著重要作用。（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——?dú)怏w沿塔的軸向通過(guò)觸煤層；徑向——?dú)怏w在觸煤層內(nèi)作徑向流動(dòng)。氨合成裝置的結(jié)構(gòu)也是種類繁多，具體情況如下。未來(lái)合成氨技術(shù)進(jìn)展的主要趨勢(shì)是“大型化、低能耗、結(jié)構(gòu)調(diào)整、清潔生產(chǎn)、長(zhǎng)周期運(yùn)行”。氨主要用于農(nóng)業(yè),合成氨是氮肥工業(yè)的基礎(chǔ),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”。氨是最為重要的基礎(chǔ)化工產(chǎn)品之一,其產(chǎn)量居各種化工產(chǎn)品的首位。它的操作性能好壞，對(duì)整個(gè)裝置的生產(chǎn)，產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量、成本以及環(huán)境保護(hù)、“三廢”處理都有較大的影響。 塔設(shè)備的作用是實(shí)現(xiàn)氣（汽）液相或液液相之間的充分接觸，從而達(dá)到相際間進(jìn)行傳質(zhì)的目的。（3） 頂部大開(kāi)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。（2） 多層包扎筒體 國(guó)內(nèi)制造經(jīng)驗(yàn)豐富。用未反應(yīng)的氣體作為冷源，一方面將反應(yīng)后的熱氣體熱量移走；另一方面自身溫度提高達(dá)到第一絕熱床時(shí)的零米溫度。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(yīng)熱回收方式等因素以及要達(dá)到的氨凈值來(lái)確定催化劑床的數(shù)量。它與層間水冷式內(nèi)件幾乎同時(shí)應(yīng)用與多種合成氨廠。下面簡(jiǎn)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(gè)大的催化劑反應(yīng)床分割為若干個(gè)小的催化劑反應(yīng)床，床層之間采取冷激換熱的方式將反應(yīng)熱一直，以便將反應(yīng)能繼續(xù)進(jìn)行下去。～。日產(chǎn)氨200t 、250t、 290t不等。中型氨廠大多采用φ1000、φ1200直徑塔。小型氨廠大部分采用φ600、φ800直徑塔。此外，另有一批冷管改進(jìn)型內(nèi)件：比如ⅢJ型、YD型、NC型、軸徑向、副產(chǎn)蒸汽式等。合成塔內(nèi)件為傳統(tǒng)的冷管型內(nèi)件。多層直接冷激式氨合成塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1緒論現(xiàn)今氨合成工藝在我國(guó)氮肥廠得到廣泛的應(yīng)用。展望國(guó)內(nèi)氨合成塔內(nèi)件可以說(shuō)種類繁多。其中三套管、單根并流、雙套管式內(nèi)件占大多數(shù)。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。日產(chǎn)合成氨達(dá)80t、100t、150t不等?！?6m。傳統(tǒng)型內(nèi)件氨凈值大部分為9%～12%之間，改進(jìn)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,～。冷激式內(nèi)件是多層絕熱、層間換熱式內(nèi)件中最簡(jiǎn)單的一種。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠的特點(diǎn)。多層換熱式內(nèi)件具有三大特點(diǎn)：（1） 多層絕熱，層間換熱。（2） 催化劑筐采用徑向型（3） 寬溫區(qū)催化劑對(duì)于整臺(tái)合成塔，需設(shè)計(jì)和制造外殼，所設(shè)計(jì)的外殼具有一下特點(diǎn)：（1） 球形封頭 結(jié)構(gòu)成熟，使用材料較省，若采用鍛件，則將增加一倍以上的重量。成熟可靠，材料也易于解決，設(shè)備安全性高。（4） 頂部筒體密封采用雙錐墊結(jié)構(gòu) 密封使用成熟，密封可靠。塔設(shè)備廣泛應(yīng)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。因此對(duì)塔設(shè)備的研究一直是工程界所關(guān)注的熱點(diǎn)，隨著石油、化工的迅速發(fā)展，塔設(shè)備的合理造型及設(shè)計(jì)將越來(lái)越受到關(guān)注和重視。同時(shí)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。同時(shí)氨也是重要的無(wú)機(jī)化學(xué)和有機(jī)化學(xué)工業(yè)基礎(chǔ)原料,用于生產(chǎn)銨、胺、染料、炸藥、制藥、合成纖維、合成樹(shù)脂的原料,這部分約占30%的比例,稱之為“工業(yè)氨”。在合成氨流程中，氨合成塔是其最主要的部分。（1） 按觸煤層反應(yīng)熱的取走方式分類觸煤層反應(yīng)熱的取走方式有兩種：內(nèi)冷式和冷激式。 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(guó)內(nèi)外氨合成工業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r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。人們常稱合成氨為高能耗產(chǎn)品。目前常規(guī)的合成氨技術(shù)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(fù)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(yùn)行費(fèi)用高等缺點(diǎn)。而國(guó)外先進(jìn)的制氨工藝己降至30106kJ/t左右。(1) 國(guó)內(nèi)合成氨工業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀在國(guó)內(nèi)，七十年代之后，氨合成工藝的合成壓力是逐年遞增。致使能耗高居不下。中國(guó)合成氨生產(chǎn)是在20世紀(jì)30年代開(kāi)始的[6]，經(jīng)過(guò)幾十年的努力，我國(guó)現(xiàn)有大型(30萬(wàn)噸/年)合成氨廠31家、中型56家、小型828家。合成氨工業(yè)每年消耗煤炭4000多萬(wàn)噸(標(biāo)煤)、電力400多億kwh、就業(yè)人數(shù)近百萬(wàn)人。巨大的經(jīng)濟(jì)利益始終推動(dòng)著合成氨工業(yè)及其催化劑的技術(shù)進(jìn)步與發(fā)展，降低能耗是合成氨工業(yè)技術(shù)進(jìn)步的核心。美國(guó)Kelofgg公司首先開(kāi)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(guó)投產(chǎn)后。70年代中期，由于世界石油危機(jī)，能源價(jià)格不斷上漲，嚴(yán)重沖擊著世界石油危機(jī)，能源價(jià)格不斷上漲，嚴(yán)重沖擊著合成氨工業(yè)，造成成本上升、經(jīng)濟(jì)效益下降，在這種嚴(yán)峻的形勢(shì)下，世界上各合成氨大公司都以節(jié)能為目標(biāo)，競(jìng)相開(kāi)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(shù)變革。近年來(lái)，為了節(jié)能降耗、增加產(chǎn)量，在傳統(tǒng)工藝的基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)外均推出了一系列節(jié)能型氨合成工藝技術(shù)及流程，其主要改進(jìn)的目的是增加氨合成轉(zhuǎn)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。特別是市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制的建立 ,各氮肥企業(yè)為了在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(shù)的新發(fā)展提供了一個(gè)平臺(tái)。因此氨合成的關(guān)鍵設(shè)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。伴隨著大直徑塔的使用 ,氨合成系統(tǒng)工藝運(yùn)行條件發(fā)生了變化。大直徑塔及低溫低壓催化劑的使用 ,加大了企業(yè)的設(shè)備投入。因此 ,原料氣的凈化度高 ,避免催化劑中毒 ,至關(guān)重要。降低能耗始終是合成氨工業(yè)技術(shù)進(jìn)步追求的目標(biāo)。 隨著氨合成工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，世界各國(guó)的氨合成塔均向低能耗，高效率的方向發(fā)展。我國(guó)合成塔設(shè)計(jì)落后于其他發(fā)達(dá)國(guó)家，在一定意義上，主要是受壓力容器制造技術(shù)的限制和高強(qiáng)度抗腐蝕材料研究的緩慢。氨合成塔的工作原理簡(jiǎn)述　　在高壓、高溫下用來(lái)使氨氣和氫氣發(fā)生催化反應(yīng)以進(jìn)行氨合成的設(shè)備?！　‖F(xiàn)在工業(yè)上氨合成是在壓力 ~、溫度 400~520 ℃下進(jìn)行的，為防止高壓、高溫下氫氣對(duì)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。這樣，外筒只承受高壓，可用低合金高強(qiáng)度鋼制作。內(nèi)件包括催化劑筐和換熱器兩個(gè)主要部分，筐內(nèi)裝鐵催化劑，氨合成反應(yīng)在此進(jìn)行。為了使進(jìn)入氨合成塔的氣體能加熱到反應(yīng)溫度，同時(shí)又能冷卻反應(yīng)后的氣體，在塔內(nèi)還設(shè)有換熱器。氨合成催化劑在開(kāi)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(shè)置開(kāi)工加熱爐的辦法來(lái)解決。對(duì)于一定的氨含量，氨合成反應(yīng)速度最大時(shí)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(yīng)，催熱機(jī)床層的溫度將隨著反應(yīng)進(jìn)行而不斷升高。 內(nèi)部換熱式 又稱連續(xù)換熱式。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(dòng)的異同，又有逆流式和并流式冷卻管之分。從上而下通過(guò)催化劑床層，氮?dú)夂蜌錃庠诖朔磻?yīng)后，出催化劑筐，通過(guò)換熱器管程降低溫度，出合成塔。 間斷換熱式 主要特征是反應(yīng)和換熱間斷進(jìn)行。 按床層內(nèi)氣體流動(dòng)方向不同，分為沿中心軸方向流動(dòng)的軸向氨合成塔和沿半徑方向流動(dòng)的徑向氨合成塔。 下面簡(jiǎn)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(gè)大的催化劑反應(yīng)床分割為若干個(gè)小的催化劑反應(yīng)床，床層之間采取冷激換熱的方式將反應(yīng)熱一直，以便將反應(yīng)能繼續(xù)進(jìn)行下去。它與層間水冷式內(nèi)件幾乎同時(shí)應(yīng)用與大、中型合成氨廠。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(yīng)熱回收方式等因素以及要達(dá)到的氨凈值來(lái)確定催化劑床的數(shù)量。用未反應(yīng)的氣體作為冷源，一方面將反應(yīng)后的熱氣體熱量移走；另一方面自身溫度提高達(dá)到第一絕熱床時(shí)的零米溫度。（2） 多層包扎筒體 國(guó)內(nèi)制造經(jīng)驗(yàn)豐富。（3） 頂部大開(kāi)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。 本設(shè)計(jì)詳細(xì)介紹了多層直接冷激式氨合成塔的內(nèi)件、工藝流程、生產(chǎn)操作數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)主要控制指標(biāo)、關(guān)鍵設(shè)備尺寸及制造工藝。2 DN1600多層直接冷激式氨合成塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 主要設(shè)計(jì)參數(shù)：根據(jù)氨合成塔生產(chǎn)工藝的需要，采用并流雙套管式氨合成塔，其主要設(shè)計(jì)參數(shù)： 設(shè)計(jì)壓力 / MPa 設(shè)計(jì)溫度 / ℃ 筒體280，底部380 工作介質(zhì) NHCHNHAr 設(shè)備內(nèi)徑 / mm φ1600 設(shè)備容積 / m3 20 密封形式 雙錐（設(shè)備大開(kāi)口） 容器類別