1203023041-李飞龙-氨合成塔综述
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合成氨中“氨合成塔”工艺
朱德春李飞龙
【摘要】：氨合成塔（ammonia synthesis converter）是在高压、高温下用来使氮气和氢气发生催化反应进行氨合成的设备。
氨合成塔是合成氨厂的心脏，是种结构复杂的反应器。
现在工业上氨合成是在压力15.2～30.4MPa、温度400～520℃下进行的，为防止高压、高温下氢气对钢的腐蚀，氨合成塔由耐高压的封头、外筒和装在筒体耐高温的内件组成。
【作者单位】：合肥学院化学与材料工程系合肥学院化学与材料工程系
【关键词】：氨合成塔工艺计算强度计算辅助设备设计
【基金】：合肥学院教学研究重点项目(2015jyzd04)基金资助
【分类号】：TQ-03/13(2)
【The author unit】:hefei institute of chemical and materials engineering,Hefei college of chemistry and materials engineering
【Abstract】:
Ammonia synthetic tower is used to make nitrogen and hydrogen at high pressure,high temperature catalytic reaction of ammonia synthesis device.Ammonia synthetic tower is the heart of the synthetic ammonia plant,is a kind of complex structure of the reactor.On ammonia synthesis industry now is15.2~30.4MPa,the pressure under the temperature400~520℃,to prevent hydrogen under high pressure and high temperature corrosion of steel by the resistance to high pressure ammonia synthetic tower head,cylinder and installed within the cylinder of high temperature components.
【Key words】：
Ammonia synthetic tower,process calculation,strength calculation and design of auxiliary equipment.
【正文快照】：
1简介
氨合成塔（ammonia synthesis converter）是在高压、高温下用
来使氮气和氢气发生催化反应进行氨合成的设备。
氨合成塔是合成
氨厂的心脏，是种结构复杂的反应器。
现在工业上氨合成是在压力
15.2～30.4MPa、温度400～520℃下进行的，为防止高压、高温下
氢气对钢的腐蚀，氨合成塔由耐高压的封头、外筒和装在筒体耐高温的内件组成。
2详细
现在工业上氨合成是在压力15.2～30.4MPa、温度400～520℃下进行的，为防止高压、高温下氢气对钢材的腐蚀，氨合成塔由耐高压的封头、外筒和装在筒体内耐高温的内件组成。
内件外有保温层，操作时进塔的冷气体流过内、外筒间的环隙，从而避免外筒温度过高。
这样，外筒只承受高压，可用低合金高强度钢制作。
内件虽然是在高温下操作，但是只承受氨合成塔进出口的压力差，可用耐热镍铬合金钢制作。
内件包括催化剂筐和换热器两个主要部分，筐内装铁催化剂，氨合成反应在此进行。
从催化剂筐出来的热气体温度通常在460℃以上，进氨合成塔的冷气体温度根据流程的不同，有的为20～30℃,有的可达140℃以上。
为了使进氨合成塔的气体能加热到反应温度，同时又能冷却反应后气体，在塔内还设有换热器。
换热器有列管式、螺旋板式和波纹板式，其中以列管式采用最多。
氨合成催化剂在开车之前必须还原（见氨合成）,还原需要提供一定的热量,为此中小型氨合成塔内部装有电加热器，大型氨合成塔则采用塔外设置开工加热炉的办法来解决。
在给定的铁催化剂和压力下，氨合成温度不同，反应速度也不同。
对于一定的氨含量，氨合成反应速度最大时的温度称为最佳温度，此最佳温度随着氨含量增大而降低。
由于氨合成为放热反应，催化剂床层的温度将随着反应进行而不断升高。
为使氨合成反应能在接近最佳温度下进行，需要采取措施移走多余的热量。
工业上按传热方式区分催化剂筐的类型。
3分类
（1）内部换热式
又称连续换热式。
特点是在催化剂床层中设置冷却
管，通过冷却管进行床层内冷热气流的间接换热，以达
到调节床层温度的目的。
冷却管形式有单管、双套管和
三套管之分，根据催化剂床层和冷却管内气体流动方向
的异同，又有逆流式和并流式冷却管之分。
以并流双套
管式氨合成塔为例，气体从塔顶部进入,在环隙中沿塔
壁而下,经换热器壳程后到分气盒,分散到各双套管的
内冷却管,到管顶折至外冷却管，气体被预热到铁催化
剂的活性温度（通常为400℃左右），再流经设有电
加热器的中心管。
从上而下通过催化剂床层，氮气和氢
气在此反应后，出催化剂筐，通过换热器管程降低温度，出合成塔。
为控制催化剂床层温度不致过高，有少量气体从冷气旁路管进入塔内，不经换热器壳程，而直接与已经预热的气体混合。
（2）间断换热式
主要特征是反应和换热间断进行。
催化剂床层分为若干段，在段间通入的未预热的氮氢混合气用以直接冷却，称为多层直接冷激式氨合成塔。
按床层内气体流动方向不同，分为沿中心轴方向流动的轴向氨合成塔和沿半径方向流动的径向氨合成塔。
它们结构简单，易损部件少，内件比较稳妥，多被大型氨厂采用。
（3）多层换热式内件多层换热式内件具有三大特点：
a.多层绝热，层间换热。
用未反应的气体作为冷源，一方面将反应后的热气体热量移走；
另一方面自身温度提高达到第一绝热床时的零米温度。
b.催化剂筐采用径向型
c.宽温区催化剂
对于整台合成塔，需设计和制造外壳，所设计的外壳具有一下特点：
a.球形封头结构成熟，使用材料较省，若采用锻件，则将增加一倍以上的重量。
b.多层包扎筒体国内制造经验丰富。
成熟可靠，材料也易于解决，设备安全性高。
c.顶部大开口大平盖便于内件安装和维修，便于催化剂装填和卸除，
大盖的安装起吊比较方便，顶部的管口易于布置。
d.顶部筒体密封采用双锥垫结构密封使用成熟，密封可靠。
本设计详
细介绍了多层直接冷激式氨合成塔的内件、工艺流程、生产操作数据、
设计主要控制指标、关键设备尺寸及制造工艺。
而本次课题主要研究氨合成塔的结构确定、材料的选定、主要尺寸
的选定、强度计算和校核、主要零部件制造工艺以及多层冷激式氨合成塔
的特点。
（4）轴向冷激式氨合成塔（凯洛格型）【如图1-4-18】
该塔优点：用冷激气调节反应温度，操作方便，结构简单，内件可靠
性好合成塔简体与内件上开设入孔，装卸催化剂时，不必将内件吊出，外
筒密封在缩口出。
图1-4-18明显缺点：虽便于密封，但焊接合成塔封头前，必须将内件装妥。
维
修不便，难以检查修理。
（5）卧式合成塔：
这种塔为径向流动而横卧设置，具有径向合成塔的优点，床层压力降小，可采用小颗粒催化剂。
该塔分为冷激型和中间换热式的卧式合成塔两种。
下图（1-4-22）为中间换热式的，由耐压壳体、封头和内件三大部件构成。
【参考文献】
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期图1-4-22。
