【正文】 后設(shè)置鍋爐給水預(yù)熱器，以回收能量。 5．回收能量的組合成系統(tǒng)流程，其特點(diǎn)是利用一部分氣體的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。從上述流程中可以清楚地看出，氨合成塔工藝參數(shù)的選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理，直接影響到整個(gè)合成氨生產(chǎn)能力的大小和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的好壞，而氨合成循環(huán)系統(tǒng)其它設(shè)備能力的大小，又直接影響了氨合成塔的正常生產(chǎn)和生產(chǎn)能力。放空氣V1 精煉氣水冷器氨分離器循環(huán)氣壓縮機(jī)油水分離器冷交換器氨合成塔氨冷器35℃V出 液氨V進(jìn) 液氨圖21 不副產(chǎn)蒸汽的氨合成系統(tǒng)流程本設(shè)計(jì)采用不副產(chǎn)蒸汽的氨合成系統(tǒng)流程。1．壓力。反應(yīng)速度隨壓力的提高也提高。但壓力過(guò)高時(shí)，動(dòng)力消耗增加，設(shè)備材料要求高，設(shè)備制造困難，造價(jià)高。本設(shè)計(jì)操作壓力為30MPa。氨合成反應(yīng)是屬于可逆放熱反應(yīng)，溫度升高，氨的平衡濃度降低，但反應(yīng)速度常數(shù)增加。最適宜溫度隨轉(zhuǎn)化率而變，其變化關(guān)系稱為最適宜分布曲線。通常，我們把進(jìn)觸媒層的入口溫度稱為“零米溫度”。熱點(diǎn)以下的觸媒層溫度，應(yīng)沿最適宜溫度曲線逐步下降，最后離開(kāi)觸媒層。本設(shè)計(jì)觸媒層溫度選用450℃3．空速。即單位時(shí)間內(nèi)，每單位體積觸媒所通過(guò)的氣體體積數(shù)。米3觸媒，習(xí)慣上簡(jiǎn)寫(xiě)為小時(shí)1。但另一方面由于觸媒層中對(duì)于一定位置的氨平衡濃度與氨含量之差增大，即反應(yīng)速度相應(yīng)也增大。但空速也不能太高，其存在一個(gè)最佳值。4．氫氮比。但從反應(yīng)速度來(lái)看，對(duì)于不同的氨濃度，為了達(dá)到瞬時(shí)的反應(yīng)速度最大，也有一個(gè)最適宜的氫氮比。反應(yīng)初期，也就是氨濃度較低時(shí)，如果忽略逆反應(yīng)速度，由反應(yīng)速度對(duì)氫氮比求極大值。因此，從理論上講。若要保持氫氮比不變，勢(shì)必在反應(yīng)時(shí)不斷補(bǔ)充氫氣，這是工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際中很難做到的。本設(shè)計(jì)氫氮比按3計(jì)算。惰性氣體來(lái)自補(bǔ)充氣。所以，惰性氣體含量增加無(wú)論對(duì)反應(yīng)的平衡和速度都是降低。本設(shè)計(jì)入塔氣Ar+CH4含量控制在15%。當(dāng)其他條件一定時(shí)，進(jìn)塔氣體中氨含量提高，則出塔氣體中氨的含量也隨著提高。所以，隨著進(jìn)口氨含量的增高，凈值反而降低。對(duì)國(guó)內(nèi)目前大多數(shù)生產(chǎn)廠是采用冷凍法來(lái)分離液氨，其進(jìn)塔氣中氨含量受冷凝溫度的限制，要維持較低氨含量，必須消耗大量冷凍量，在經(jīng)濟(jì)上是不合算的。%。物料衡算根據(jù)下列公式： ∑G入=∑G出+∑G損式中：∑G入——輸入物料量總和； ∑G出——輸出物料量總和； ∑G損——物料損失量總和。 精煉氣組成由精煉工段來(lái)的精煉氣組成如表21所示?？諝庵? N2:Ar =%:% （體積比）精煉氣中 N2= 標(biāo)準(zhǔn)米3 Ar = 標(biāo)準(zhǔn)米3故精煉氣組成為：表22 精煉氣組成成份H2N2ArCH4合計(jì)%標(biāo)準(zhǔn)米3371001000 合成塔物料衡算1．出塔氣成份計(jì)算合成氨產(chǎn)量G： (22) 出塔氣體量： (23)式中 ——合成塔進(jìn)口氣量，kmol/h；——合成塔出口氣量，kmol/h；——合成塔進(jìn)口氣體中氨的含量，4%；——合成塔出口氣體中氨的含量，17%。放空氣量V1為： 標(biāo)準(zhǔn)米3故放空氣組成為：表24 放空氣組成成份H2N2ArCH4NH3合計(jì)%標(biāo)準(zhǔn)米3171003．氨產(chǎn)量V4由氣量平衡 (26)由于氨合成時(shí)體積減少 (27)式中 V0——補(bǔ)充新鮮氫氮?dú)怏w積，標(biāo)準(zhǔn)米3； V1——放空氣體積，標(biāo)準(zhǔn)米3； V2——進(jìn)入合成塔混合氣體積，標(biāo)準(zhǔn)米3； V3——出合成塔混合氣體積，標(biāo)準(zhǔn)米3； V4——冷凝成產(chǎn)品氨的氣體體積，標(biāo)準(zhǔn)米3。因?yàn)檫M(jìn)出塔溫度不同，所以氨合成塔系一非等溫度變化反應(yīng)器。按蓋斯定律，在壓力改變不大的情況下，進(jìn)出塔焓差ΔH是狀態(tài)函數(shù)，只取決于初，終狀態(tài)而與變化途徑無(wú)關(guān)。1，其焓變化為ΔH1。1變?yōu)閄NH3 (29) (210) (211)式中 ΔHT——溫度在t2時(shí)氫氮合成氨表觀反應(yīng)熱，kJ/kmol，假設(shè)t2=215℃，查參考文獻(xiàn)[1] 《氨合成塔》附圖33可得ΔHT=51561kJ/kmol ——?dú)怏w按初始狀態(tài)，%，溫度為℃下的恒壓比熱，J/molK； ——進(jìn)塔氣體量，kmol/h不考慮塔的熱損失ΔH=0故 (212) ℃則 ℃與假設(shè)溫度215℃在誤差范圍內(nèi)，符合能量衡算要求。 (214) (215)圖22 觸媒筐熱量衡算示意圖 (216) (217)式中 M——合成塔中氨的生成量，； NT5,NT3——分別為進(jìn)入和離開(kāi)觸媒筐的氣體量，NT5=， NT3= ； Cp5，Cp3——分別為進(jìn)入和離開(kāi)觸媒筐氣體的比熱，kJ/kmol觸媒選用A1105Q型，由《大型合成氨廠工藝過(guò)程分析》表324得最佳反應(yīng)溫度為450 ℃，即t3=450℃；假設(shè)t5=260℃，由參考文獻(xiàn)[1]附圖9可查得Cp5=K，查參考文獻(xiàn)[1]附圖33得ΔHT=54908kJ/kmol故 kJ/h kJ/h kJ/h kJ/h將以上結(jié)果代入(213)中可得：℃=256℃與假設(shè)的t5=260℃在誤差范圍之內(nèi)，符合能量衡算要求。K按2℃/m算 (221) (222) (223) (224)計(jì)算，內(nèi)外筒體環(huán)隙長(zhǎng)度以15米計(jì)，則：℃設(shè)由副線進(jìn)入氨合成塔的氣體為0%，則=0又 kmol/h kmol/h根據(jù)上述數(shù)據(jù)則可得： kJ/h kJ/h （t4為氨合塔出口溫度，215℃，查參考文獻(xiàn)[1] kJ/kmolK）故 kJ/h kJ/h在工程允許范圍內(nèi)，故滿足熱量平衡關(guān)系。由于氨合成反應(yīng)在高溫高壓下進(jìn)行，因此合成塔不僅應(yīng)有較高的機(jī)械強(qiáng)度，而且應(yīng)有在高溫下抗蠕變和松弛的能力。在合成塔操作介質(zhì)中，氫、氮、氨是主要成份，氨也會(huì)分解為原子氫和氮。氫對(duì)鋼材的腐蝕有兩種形式：一是和鋼材表面碳化合引起表面脫碳，使其機(jī)械性能惡化，這種現(xiàn)象稱為“氫脆”；二是滲透到鋼材內(nèi)部和碳化合生成甲烷，甲烷積聚于金屬晶格邊界的邊孔中，在鋼材內(nèi)部造成裂紋，這種現(xiàn)象“氫腐蝕”。高溫高壓下， 氮與鋼材中的鐵及其它合金元素也能化合生成硬而脆的氮化物， 使鋼材失去塑性和韌性而變脆，這稱為“氮脆”。進(jìn)入合成塔的氣體（溫度較低）先經(jīng)過(guò)內(nèi)件與外筒之間的環(huán)隙，內(nèi)件的外面設(shè)有保溫層，以減少向外筒散熱。內(nèi)件在500℃左右高溫下操作，但只承受環(huán)隙氣流與內(nèi)件氣流的壓差，一般僅為1~2MPa，即內(nèi)件只承受高溫不承受高壓，從而可降低對(duì)內(nèi)件材料和強(qiáng)度的要求。內(nèi)件使用壽命比外筒短得多。外筒主要包括筒體、上下端部法蘭、封頭、電加熱器端蓋、接管及密封件等等。充分利用高壓容器空間，多裝觸媒，使單位容積的生產(chǎn)能力盡可能的大。合成塔的結(jié)構(gòu)型式應(yīng)能保證觸媒層在最適宜的操作條件下工作，充分發(fā)揮觸媒的活性。4．氨凈值高，減少分離氨及循環(huán)機(jī)的負(fù)荷。同時(shí)氨凈值高，也降低了系統(tǒng)的循環(huán)氣量，相應(yīng)地降低了能量消耗定額。在具有高的單塔生產(chǎn)能力的同時(shí)，也使整個(gè)系統(tǒng)在正常負(fù)荷下操作。不是消極地在合成塔后冷卻器中除去反應(yīng)熱，而是積極地利用反應(yīng)熱，補(bǔ)充氨生產(chǎn)和氨加工系統(tǒng)所需要的能源，以降低總的能源消耗。 8．使用壽命長(zhǎng)。 9．結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行安全可靠。 11．金屬材料用量少，備料方便。對(duì)于必Φ600毫米~Φ3200毫米以上的氨合成塔，應(yīng)著重考慮設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性、阻力損失小、氣體分布均勻，以及制造、運(yùn)輸、安裝的條件等等。圓筒形容器的容積主要由圓柱形筒體提供。筒體的器壁在厚度方向是由一整體材料所構(gòu)成，也就是器壁只有一層（為防止內(nèi)部介質(zhì)腐蝕，襯上的防腐層不包括在內(nèi)）。單層式筒體分為：a) 單層卷焊式：它采用鋼板在大型卷板機(jī)上卷成圓筒，經(jīng)焊接縱焊縫成為筒節(jié)，然后與封頭或端部法蘭組裝焊接成容器。c) 整體鍛焊式：它是在整體鍛造式的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，分段鍛造筒體，然后焊接拼合成整體的鍛焊式筒體。 2．組合式筒體?？煞譃槎鄬影?、熱套式、繞板式、整體多層包扎式、繞帶式。 密封結(jié)構(gòu)型式的選擇及論證由于壓力高，高壓密封裝置的重量約占容器總重的10~30%，而成本則占總成本的15~40%，其設(shè)計(jì)是整個(gè)高壓容器設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分。流體在密封口泄漏有兩條途徑，一是“滲透泄漏”，即通過(guò)墊片材料本體毛細(xì)管的滲透泄漏，除了受介質(zhì)壓力、溫度、粘度、分子結(jié)構(gòu)等流體狀態(tài)性質(zhì)影響外，主要與墊片的結(jié)構(gòu)與材料性質(zhì)有關(guān)，可通過(guò)對(duì)滲透性墊片材料添加某些填充劑進(jìn)行改良，或與不透性材料組合成型來(lái)避免“滲透泄漏”；二是“界面泄漏”，即沿著墊片與壓緊面之間的泄漏，泄漏量大小主要與界面間隙尺寸有關(guān)。加工時(shí)壓緊面上凹凸不平的間隙及壓緊力不足是造成“界面泄漏”的直接原因。防止流體泄漏的基本方法是在密封口增加流體流動(dòng)的阻力，當(dāng)介質(zhì)通過(guò)密封口的阻力大于密封口兩側(cè)的介質(zhì)壓力差時(shí)，介質(zhì)就被密封。 在選用和設(shè)計(jì)高壓密封時(shí)，有下列基本要求： 1．在正常操作和壓力，溫度波動(dòng)的情況下都能保證容器的密封性； 2．結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，便于制造、安裝和檢修，同時(shí)占用的高壓空間應(yīng)盡量小； 3．緊固件尺寸應(yīng)簡(jiǎn)單輕巧，以減少鍛件的重量和尺寸； 4．密封元件的材料能抗介質(zhì)腐蝕，并能多次重復(fù)使用。圓筒端部與平蓋之間的密封依靠主螺栓的預(yù)緊作用，使金屬平墊片產(chǎn)生一定的塑性變形，填滿壓緊面的高低不平處，從而達(dá)到密封目的。這種密封結(jié)構(gòu)一般只適用于溫度不超過(guò)200℃、內(nèi)徑不超過(guò)1000mm的中小型高壓容器上。但其主螺栓直徑過(guò)大，不適用于溫度與壓力波動(dòng)較大的場(chǎng)合。在密封錐面上放有1mm左右厚的金屬軟墊片靠主螺栓壓緊，使軟墊片產(chǎn)生塑性變形，以達(dá)到初始密封。為了增加密封的可靠性，雙錐環(huán)密封面上開(kāi)有2~3條半徑為1~，深為1mm的半圓形溝槽。為保證預(yù)緊密封，兩錐面上的比壓應(yīng)達(dá)到軟金屬墊片所需的預(yù)緊密封比壓。為保持良好的密封性，兩錐面上的比壓必須大于軟金屬墊片所需要的操作密封比壓。在壓力和溫度波動(dòng)的情況下，密封性能也良好。 觸媒筐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及論證 觸媒筐設(shè)計(jì)的一般要求觸媒筐是氨合成塔的心臟，它的設(shè)計(jì)好壞直接影響合成塔的產(chǎn)量和消耗定額。一個(gè)好的觸媒筐設(shè)計(jì)應(yīng)具有如下要求：1．能保證觸媒在升溫、還原過(guò)程中，均能得到充分的還原，盡可能地提高觸媒的活性，達(dá)到最大的生產(chǎn)強(qiáng)度；2．能有效地移去反應(yīng)熱，合理地控制觸媒層的溫度分布，使其逼近最佳的操作溫度線，并盡可能地縮小同平面溫差，提高氨凈值和觸媒的使用壽命；3．能保證氣體均勻地通過(guò)觸媒層，阻力小，氣體處理量大，提高氨產(chǎn)量；4．充分利用高壓空間，盡可能多裝觸媒，提高容積利用系數(shù)；5．操作穩(wěn)定，調(diào)節(jié)方便，能適應(yīng)各種操作條件的變化；6．結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)轉(zhuǎn)可靠，裝卸觸媒方便，制造、安裝和維修容易等；7．妥善處理各個(gè)內(nèi)件的連接與保溫，避免產(chǎn)生熱應(yīng)力，允許內(nèi)件在塔內(nèi)能自由脹縮等。表31 觸媒筐的類型單層軸向內(nèi)冷式觸媒筐多層軸向絕熱式觸媒筐徑向觸媒筐復(fù)合型觸媒筐一、單管逆流式二、單管并流式三、U型管式四、單管折流式五、逆流雙套管式六、并流雙套管式七、并流三套管式一、多層冷激式二、多層中間換熱式三、多層中間設(shè)有冷卻水盤(pán)管式一、單層徑向內(nèi)冷式1．正反向三套管式或鼠籠式2．螺旋冷板式二、多層徑向冷激式一、軸向徑向復(fù)合式二、冷激內(nèi)冷復(fù)合式副產(chǎn)蒸汽合成塔臥式合成塔球型合成塔其他型式的合成塔一、塔內(nèi)副產(chǎn)蒸汽合成塔二、塔外副產(chǎn)蒸汽合成塔1．前置式副產(chǎn)蒸汽合成塔2．中置式副產(chǎn)蒸汽合成塔3．后置式副產(chǎn)蒸汽合成塔一、間接冷卻型臥式合成塔二、多段絕熱冷激型臥式合成塔一、單球合成塔1．冷管型單球合成塔2．絕熱型單球合成塔二、聯(lián)球和單球組合式合成塔 觸媒筐的類型選擇及論證本設(shè)計(jì)采用并流三套管式觸媒筐。其結(jié)構(gòu)如圖33所示。這樣冷氣體只是流經(jīng)內(nèi)、外冷管之間環(huán)隙時(shí)才