氨合成塔 (2)

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国内最大产能的氨合成塔吊装就位
沧州正元廉洁
2014年1月3日18时58分，伴随着夜幕的降临，沧州正元60万吨合成氨、80万吨尿素项目核心设备总重达678吨的氨合成塔——DN3000，内径3米，长34米的外筒及长28.9米的内件吊装成功。

氨合成塔的吊装是60-80项目施工中的重中之重。

为此，项目部人员、监理、施工方都给予了高度重视，经过多次开会研究、讨论，确定科学吊装方案，确保吊装的安全实施，在吊装过程中密切关注每一个吊装细节，在吊装塔内件的全过程中，河北阳煤正元化工集团有限公司副董事长刘金成进行了现场监督与指导，为氨合成塔的成功吊装奠定了坚实的组织基础。

本台氨合成塔主要是由中化六建负责吊装，共分两部分，首先为塔体（氨合成塔外筒）的吊装，其次为塔芯（氨合成塔内件）的吊装。

此次采用1250吨履带式吊车作为主吊，650吨履带式吊车配合溜尾的递送法进行吊装，2013年12月29日塔体起吊高度45米，最终顺利落在塔座基础上，2014年1月3日塔芯起吊高度高达68米，成功套入塔筒内侧。

这次吊装的成功，标志着由河北正元化工设计有限公司设计、石家庄正元塔器设备有限公司自主研发制造的目前国内最大产能的氨合成塔完全就位。

文字：廉洁摄像：合成塔外件-魏晋元；合成塔内件-廉洁
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概述湖南安淳高新技术有限公司（以下简称安淳公司）从上世纪80年代起，在分析了国际国内氨合成塔内件优缺点的基础上，独创了ⅢJ型氨合成塔内件，取得了国家专利，是国内数种氨合成塔内件中唯一经原化工部鉴定的内件，鉴定结论是，该内件为国内首创，主要技术指标取得突破性进展，达到国际先进水平。

安淳公司不断创新、不断进取，随后又推出了ⅢJ99型氨合成内件，包含3个新的国家专利技术。

ⅢJ型、ⅢJ99型氨合成内件经由φ800、φ1000到φ1200；后又开发了ⅢJD2000型φ1400、φ1600、φ1800、φ2000氨合成内件。

单塔年产氨能力由20 kt（φ600塔）发展到180 kt、200 kt。

近几年开发的ⅢJD2000型-φ2200氨合成塔，在技术上又有较大的提升；单塔生产能力日均达850～910 t，受到了用户的青睐。

2 ⅢJD2000型-φ2200氨合成塔的设计思想为实现单系统生产能力规模化和进一步降低能耗，安淳公司在ⅢJD2000型-φ1800、φ2000氨合成内件的基础上，引入新的理念，设计了ⅢJD2000型-φ2200氨合成内件，具体如下。

（1）充分发挥第一绝热层的作用。

进入零米未反应气氨含量低，距离反应平衡很远，反应速度很快，尽量在开始反应的第一层多产氨，使第一层之氨净值达到8％～9％，即第一绝热层温升110～133 ℃。

具体措施如下。

①增加第一绝热层的高度，第一绝热层设计高度2.5～3.1 m。

②降低零米温度，提高热点温度。

进第一绝热层零米点的循环气，氨含量最低（约2.16％），温度低（370～380 ℃），离反应平衡点最远；如零米温度为380 ℃，将第一绝热层反应终点温度设计为490～513 ℃，则第一绝热层的氨含量增加8％～9％（氨净值），即第一绝热层完成氨合成反应的50％。

（2）第一层绝热反应后的热气体，不再采取冷激，而是用塔内换热器间接冷却后再进入第二层，这样更有利于氨合成反应温度接近最适宜温度曲线。

第32 卷第4 期2003 年08 月化工技术与开发T echno l o g y & D eve lopm en t of Chem ica l Indu s tryV o l132 N o 14A ug12003氨合成塔选型秦德(广西河池化学工业集团公司, 广西河池547004)摘要: 介绍了在合成氨改扩建工程中, 选择氨合成塔时应着重考虑的工艺参数和结构设计, 并在实际工作中得到验证。

关键词: 合成氨; 氨合成塔; 选择中图分类号: TQ 113. 266. 5 文献标识码: B文章编号: 167129905 (2003) 0420036202氨合成塔通常被称为合成氨厂的心脏, 它是整个合成氨厂生产过程的主要关健设备之一。

其工艺参数的选择和结构设计是否合理, 直接影响到整个合成氨生产能力的大小和技术经济指标的好坏。

因此, 在合成氨厂的建设中, 必须重点考虑对氨合成塔的选择。

广西河池化学工业集团公司(简称河化公司) 在“8 ·13”(合成氨8 ×104 t ·a- 1 , 尿素13 ×104t · a- 1 ) 改扩建工程中, 对氨合成塔的选择采取认真负责, 科学的态度, 通过对国内外现有技术及使用效果进行认真的比较分析, 才予以确定。

当时, 国内各中型氮肥厂投入运行的Ø1000 mm 氨合成塔约50 多台, 其内件大都是采用连续的轴向冷管式触媒筐。

其中并流三套管式约占使用总量的70 % 左右, 其次是双层单管并流式约占20 % 左右, 其余为单管并流式、径向式、塔内付产蒸汽式及轴——径向式内件。

并流三套管式氨合成塔触媒装量约4. 9 m 3 , 生产能力一般在220 t NH 3 ·d- 1 , 氨净值约12 % , 塔压差为1. 6 M Pa; 双层单管并流式合成塔触媒装量约4. 8 m 3 , 生产能力约240 t N H3·d- 1 , 氨净值约10 % , 塔差压为1. 1 M Pa。

氨合成塔结构特点及基本要求
基本要求：维持自热、有利于升温还原、催化剂生产强度大；催化剂床层分布合理、保持催化剂活性；气流均匀、压降小；换热强度大、换热体积小、塔内空间利用率高；生产稳定、操作灵活、操作弹性大；结构简单可靠、内件有自由余地。

并流双套管合成塔
轴向冷激式合成塔
冷激：在多层固定床绝热反应器中进行放热反应时，在催化剂层间注入冷料，与高温反应物混合，以直接换热的方式降低反应物温度。

目前大型氨厂用冷激式多，它具有各床层温度调节方便，操作更接近最佳温度的优点。

其操作床层温度分布情况如图39。

冷激式合成塔主要优点：结构简单、催化剂分布和温度分布均匀、控温调温方便、床层通气面大阻力小。

一种径向冷激式合成塔如图40。

其优点是：气体通过床层路径短，通气面积更大，阻力更小；适宜用更小粒度催化剂，提高内表面积，减少内扩散影响；催化剂还原均匀；降低能耗，更适宜于离心式压缩机。

自我小测1．为了进一步提高合成氨的生产效率，科研中最具有开发价值的是()A．寻找N2的新来源B．研制低温下活性较大的催化剂C．研制500 ℃左右时活性较大的催化剂D．研制耐高温、高压的材料，用于建造氨合成塔2．合成氨时既要使合成氨的产率增大，又要使反应速率加快，可采取的办法是()①减压②加压③升温④降温⑤及时从平衡混合气中分离出NH3⑥补充N2或H2⑦加催化剂⑧减小N2或H2的量A．③④⑤⑦B．②④⑥C．②⑥D．②③⑥⑦3．关于氨的合成工业的下列说法正确的是()A．从合成塔出来的气体，其中氨气一般占15%，所以生产氨的工业的效率都很低B．由于NH3易液化，N2、H2可循环使用，所以总的说来氨的产率很高C．合成氨工业的反应温度控制在400～500 ℃，目的是使平衡向正反应方向进行D．合成氨工业采用10～30 MPa，是因该条件下催化剂的活性最好4．下列有关合成氨工业的叙述，可用勒夏特列原理来解释的是()A．使用铁触媒，使N2和H2混合气体有利于合成氨B．高压比常压条件更有利于合成氨的反应C．500 ℃左右比室温更有利于合成氨的反应D．合成氨时采用循环操作，可提高原料的利用率5．化工生产中，为加快反应速率应优先考虑的措施是()A．选用适宜的催化剂B．采用高压C．采用高温D．增大反应物浓度6．1913年德国化学家哈伯发明了以低成本制造大量氨的方法，从而大大满足了当时日益增长的人口对粮食的需求。

下列是哈伯法的流程图，其中为提高原料转化率而采取的措施是()A．①②③B．②④⑤C．①③⑤D．②③④7．氨催化氧化是硝酸工业的基础，在某催化剂作用下只发生主反应①和副反应②，有关物质产率与温度的关系如图。

4NH3(g)＋5O2(g)4NO(g)＋6H2O(g)ΔH1＝－905 kJ·mol－1①4NH3(g)＋3O2(g)2N2(g)＋6H2O(g)ΔH2＝－1 268 kJ·mol－1②下列说法中正确的是()A．工业上氨催化氧化生成NO时，温度应控制在780～840 ℃之间B．为了提高反应速率，工业上常采用物料n(O2)∶n(NH3)为1.7～2.0C．加压有利于NH3生成NO，不利于NH3生成N2D．N2(g)＋O2ΔH＝－181.5 kJ·mol－18．合成氨的流程示意图如下：回答下列问题：(1)工业合成氨的原料是氮气和氢气。

氨合成塔被称为合成氨厂的心脏，它是整个合成氨厂生产过程中的主要关键设备之一。

本次氨合成塔设计的内容包括工艺流程的设计、内件结构、材料、外壳结构的选择、工艺计算、强度计算、消防及其它辅助设备的设计、主要零部件的制造工艺、安装、检查与维修。

是以提高其工作能力、生产效率为目的而设计的操作方案。

本题目涉及的知识面很广，包括工程制图、材料力学、机械原理、机械设计、化工原理、过程机械制造、过程流体机械、过程设备设计、GB12337-1998及GB150-1998等。

关键字: 氨合成塔工艺计算强度计算辅助设备设计Synthetic ammonia tower known as the heart of synthetic ammonia plant, which is the synthetic ammonia plant production process one of the key equipment.This is the design of synthetic ammonia tower, the design includes processes for the design, within a structure, materials, mechanical structure choice, crafts calculation, the calculation of intensity, fire and other ancillary equipment design, the main components of manufacturing processes, installation, inspection and maintenance. Is working to enhance its capacity, efficiency of production design for the purpose of the operation. The topics covered a wide range of knowledge, including engineering mapping, materials mechanics, mechanical principles, mechanical design, chemical engineering principles, process engineering, process fluid machinery process equipment design, GB12337-1998 and GB150-1998Key word: synthetic ammonia tower；crafts calculation；the calculation of intensity；ancillary equipment design目录摘要 (I)Abstract (II)第1章绪论 (1)1.1 氨合成塔的发展状况 (1)1.2 氨合成塔的设计要求 (1)1.3氨合成塔的设计原则 (1)第2章氨合成塔的工艺设计 (3)2.1氨合成塔的工艺流程 (3)2.2工艺条件 (3)2.3 物料衡算 (4)2.4 热量衡算 (4)第3章氨合成塔的结构设计 (6)3.1 材料选用 (6)3.2触媒筐方案计算 (6)3.2.1已知条件 (6)3.2.2 内件结构选型 (6)3.2.3 触媒筐结构方案 (7)3.2.4 各传热系数的计算 (8)3.2.5 对计算结果进行校验 (12)3.3 热交换器的计算 (14)3.3.1 设备选型及设计条件 (14)3.3.2 换热器热量计算 (14)3.3.3 换热器有效长度的计算 (16)3.3.4 计算总传热系数K (20)3.3.5 换热器管板厚的确定 (21)3.3.6 换热管稳定性校核 (22)3.4 氨合成塔筒体设计 (23)3.5 氨合成塔封头的设计 (24)3.5.1 封头的结构形式 (24)3.5.2 封头的设计计算 (24)3.6确定群座壁厚 (25)3.7 风载荷计算 (26)3.8 地震载荷的计算 (28)3.9 各种载荷产生的轴向应力计算 (28)3.10 塔体强度及轴向稳定性校验 (29)3.11 裙座强度及轴向稳定性校验 (30)3.12 基础环设计 (31)第4章氨合成塔的安装和维护检查 (33)4.1 氨合成塔的安装 (33)4.1.1 底座的安装 (33)4.1.2 外筒的氨装 (33)4.1.3 内件的安装 (34)4.3 氨合成塔的检查 (35)4.3.1 定期检查 (36)4.3.2 非定期检查 (36)结论 (37)参考文献 (38)致谢 (39)第1章绪论1.1 氨合成塔的发展状况我国的氨合成工业从薄弱迅速发展起来，在短短几年里设计和采用了三套管、单管并流、两次合成等多种新型氨合成塔；换热器的型式也发生了很大的变化，从单一转化为多样化，高效传热，回收热能、节省能源，使氨合成塔的生产能力大大提高，技术经济指标有所改善。

各型氨合成塔内件比较氨合成塔是用于合成氨气的关键设备，其内部组件的选择和比较对于提高氨气的产量和纯度至关重要。

以下是各种类型的氨合成塔内部组件的比较：1. 吸收器（Absorber）吸收器是氨合成塔中的关键组件之一，用于去除产生的废气中的不纯物质。

在吸收器中，氨气与水接触并发生化学反应，形成水合氨。

常用的吸收器类型包括板式吸收器、填料吸收器和静态混合吸收器。

板式吸收器具有较高的传质效率和操作灵活性，但成本较高。

填料吸收器使用填料材料增加了气液接触面积，但清洗和维护困难。

静态混合吸收器结构简单，维护方便，但传质效率较低。

2. 变换器（Converter）变换器是氨合成塔中的核心组件，用于催化氮气和氢气的反应生成氨气。

常见的变换器类型包括管壳式变换器和板式变换器。

管壳式变换器具有较高的换热效率和维护便利性，但存在管壁堵塞和换热表面容易受到腐蚀的问题。

板式变换器具有更大的冷却表面和更好的热传导性能，但清洗和维护复杂。

3. 分离器（Separator）分离器是氨合成塔中用于分离氨气和未转化的气体的重要组件。

常见的分离器类型包括空气式分离器和液氨式分离器。

空气式分离器通过冷却和压缩将氮气和氢气分离，然后将氢气再循环回变换器。

液氨式分离器通过减压和冷却将氨气和未转化的气体分离，然后从液体中将氨气解吸出来。

空气式分离器具有较低的能耗和更好的气体分离效果，但液氨式分离器较为简单和便宜。

4. 加热器（Reactor Heater）加热器在氨合成塔中的作用是提供变换器所需的热量，以促进反应的进行。

常见的加热器类型包括蒸汽加热器和电热加热器。

蒸汽加热器具有较高的换热效率和操作控制性能，但需要蒸汽供应系统。

电热加热器结构简单，维护方便，但能耗较高。

除了上述的组件比较，还有许多其他的内部组件对氨合成塔的性能也有影响，如循环泵、冷却器、压缩机等。

此外，选择适合特定应用的材料和适当的工艺参数也是提高氨合成塔效率和延长使用寿命的关键因素。

课题2 人工固氮技术-—合成氨1．了解工业合成氨的基本原理、基本生产过程以及合成氨工业的发展.2．了解工业获得合成氨的大量廉价原料气的方法,了解合成氨原料气循环利用的原理和重要意义。

3．了解工业合成氨与环境的关系。

德国化学家哈伯(1868—1934）一生从事化学研究，曾在1906年发明了氨的合成法，1908年又发明了合成氨的催化剂，为工业化生产奠定了基础.思考：如何利用空气中的氮气来合成氮肥呢?答案：氮气与氢气在高温、高压和催化剂条件下生成氨气，由氨气来合成氮肥.一、合成氨的反应原理1．反应的化学方程式工业合成氨反应的化学方程式________________________________________。

2．反应的特点（1）____________________反应；（2）____________________反应;（3）气体分子总数____________________的反应。

3．适宜化工生产条件的选择温度：____________；压强：______________;催化剂：____________________。

自主思考：①合成氨反应中催化剂的主要作用是什么?②合成氨方案的主要优点是什么？二、合成氨的基本生产过程主要包括三个步骤：________、________、________。

1．制备合成氨的原料气（1）制备氮气方法一：__________________________。

方法二：________________________________。

（2)制备氢气方法一：水蒸气与碳反应，化学方程式为__________________。

方法二:甲烷与水蒸气反应,化学方程式为______________________；____________________________.2．原料气的净化（1)除去H2S(用氨水）的化学方程式为______________________。