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1、2200整体锻焊式氨合成塔设计（固定管板式换热器）3摘 要氨是重要的无机化工产品之一，在国民经济中占有重要地位。氨合成塔是生产合成氨的关键设备。本设计进行了氨合成塔的工艺设计，及其筒体和内件的选型、选材、结构设计，并提出了氨合成塔的制造、安装、维护方法。绘制了氨合成塔装配图和零件图。对其焊接应力作了专题讨论。关键词：氨；氨合成塔；工艺设计；结构设计；专题讨论ABSTRACTAmmonia is one of important inorganic chemical industry product, which occupy important position in national eco
2、nomy. And ammonia converter is the key equipment in the process of compound-ammonia production.This design has carried on the technical design of ammonia converter; it relates to the selection of type and material of the bowl and the internal part, and also shows the design of the whole structure of
3、 the process. Not only This design has drawn ammonia convertor assembling picture and part picture, but has also written a seminar to whose welding strain.Keywords: ammonia; ammonia converter; technical design; structural design; seminar89目 录任务书摘要ABSTRACT第1章 绪论 11.1 氨的发现与合成 11.2 合成氨生产的发展 11.3 氨的性质和用
4、途 3第2章 氨合成塔工艺计算 52.1 合成原理及典型工艺流程 52.1.1 合成原理 52.1.2 典型工艺流程 52.2 合成塔操作条件与说明 62.3 物料衡算 82.3.1 计算依据 82.3.2 物料衡算 82.4 能量衡算112.4.1 全塔的总热量衡算112.4.2 触媒筐热量衡算122.4.3 热交换器热量衡算132.5 工艺技术特性一览表15第3章 设备类型的选择及论证163.1 氨合成塔的结构特点及基本要求163.2 外筒结构型式的选择及论证173.3 密封结构型式的选择及论证183.3.1高压容器的密封机理及结构分类183.3.2氨合成塔密封结构形式的选择及论证193.
5、4 触媒筐结构设计及论证203.4.1 触媒筐设计的一般要求203.4.2 触媒筐的分类203.4.3 触媒筐的类型选择及论证213.5 塔内换热器总体结构设计及论证223.5.1 换热器设计的一般要求223.5.2 换热器的类型选择及论证22第4章 主要设备材料的选择及论证244.1 氨合成塔材料的选择原则244.2 外筒材料的选择与论证244.2.1 筒体材料的选择与论证244.2.2 端部法兰材料的选择与论证254.2.3 上下封头材料的选择与论证254.2.5 螺母、螺栓及密封件材料的选择与论证264.3 内件材料选择及论证264.3.1 内件用材的基本要求264.3.2 内件各零部件
6、材料的选择及论证274.3.3 内件焊接材料的选择284.3.4 保温铁皮材料的选择284.3.5 保温层材料的选择28第5章 触媒的选择及触媒筐设计305.1 触媒的选择305.1.1 触媒选择的基本要求305.1.2 触媒的类型选择305.1.3 触媒颗粒大的选择325.2 触媒筐设计325.2.1 触媒筐工艺指标的选择325.2.2 触媒筐的直径和高度335.2.3 绝热层高度345.2.4 冷管的选型和配置345.2.5 中心管的选择345.2.6 温度计套管的设计345.2.7 折流头高度345.2.8 保温型式及其厚度355.2.9 触媒筐筒体壁厚的计算35第6章 电加热器设计36
7、6.1 电加热器的作用及其结构366.1.1 电加热器设计的一般要求366.1.2 电加热器结构型式选择366.2 电加热器材料的选择376.2.1 电热元件材料的一般要求376.2.2 电加热器材料的选择376.3 电加热器功率的确定386.4 电热元件的电气计算406.4.1 电加热器端电压的选择406.4.2 电加热器相数的选择406.4.3 电加热器的温度调节方式406.4.4 电热元件的计算406.5 电加热器端盖设计426.5.1 主螺栓及主螺母的设计426.5.2 端盖设计43第7章 换热器设计467.1 氨合成塔内换热器的设计条件467.2 设计方案选择467.2.1 流程安排
8、467.2.2 物性数据的确定467.3 换热器工艺结构设计487.3.1 初算换热面积487.3.2 工艺结构尺寸497.4 换热器主要结构尺寸51第8章 氨合成塔的强度计算538.1 筒体的设计计算538.1.1 设计条件538.1.2 筒体厚度计算538.2 底部封头的设计计算548.2.1 封头型式选择548.2.2 封头厚度计算548.3 密封件的设计计算558.3.1 双锥环结构尺寸558.3.2 主螺栓的计算568.4 筒体上下端部平盖设计588.4.1 筒体下端部平盖设计588.4.2 筒体下端部平盖设计608.5 筒体端部法兰的设计计算618.5.1 法兰型式及尺寸的确定61
9、8.5.2 法兰强度校核628.6 四通的结构设计648.7 水压试验648.8 热膨胀量计算658.8.1 触媒筒中心管热膨胀量估算658.8.2 内件总膨胀量估算65第9章 典型零部件的制造安装工艺669.1 原料的检验669.2 原材料的矫形和净化669.2.1 矫形669.2.2 净化679.3 氨合成塔外筒的制造679.3.1 简介679.3.2 制造工艺679.4 氨合成塔内件的制造689.4.1 三套管式触媒筐的制造689.4.2 列管式换热器的制造709.5 氨合成塔的检验719.6 氨合成塔试压729.7 氨合成塔的安装739.7.1 施工前的准备739.7.2 氨合成塔的安
10、装749.7.3 安装安全技术779.8 氨合成塔的维护和检修799.8.1 氨合成塔的维护799.8.2 氨合成塔的检查80第10章 专题讨论8210.1 本设计遇到的问题8210.2 低封头与筒体连接的过渡型式解决方案8210.3 法兰与筒体焊接处的应力分析8210.3.1 应力计算8210.3.2 结果分析84总结86参考文献87致谢88四川理工学院毕业设计（论文）第1章 绪 论 我们知道，空气中含有78%（体积）的氮。但是大多数植物不能直接吸收这种游离状态的氮只有当氮与其它元素化合以后，才能为植物所利用。这种使空气中游离态氮转变成化合态氮的过程，称为“氮的固定”。上世纪初，人们研究成功
11、并在工业上实现了三种固定氮的方法：电弧法、氰氨法和合成氨法。由于电弧法和氰氨法在能耗和经济性方面都有较大欠缺，因此，从1913年工业上实现氨的合成以后，合成氨法发展很快，到三十年代已成为固定氮生产中的最主要方法。本次设计是在合成氨工业的基础上，对合成氨工业中的核心设备氨合成塔进行设计。要求设计的氨合成塔，直径为2200毫米，筒体为整体锻焊式，内部换热器类型为固定管板式换热器。本次设计的最大特点为在常规设计的基础上筒体采用分析设计的方法，更好的节约了材料，降低了生产成本，且更加安全可靠。1.1 氨的发现与合成氨，是1754年由普里斯特利（Priestly）加热氯化铵和石灰时发现的。1784年，伯
12、托利（C.L.BerthoHet）通过分析，确定氨是由氮和氢组成的。随后一百多年人们在试验室内进行直接合成氮的研究工作，但都未能成功。到十九世纪末叶，物理化学得到蓬勃发展，建立了化学热力学、反应动力学的概念，大力开展基础理论研究后，才使氨的合成在正确的理论指导下进行。1901年吕查得利（Le Chatelier）第一个提出氨的合成条件是高温、高压，并采用一定的催化剂。1912年第一个日产30吨的合成氨装置在德国奥堡（Oppau）建成，并在1913年开始运转，1914年满负荷生产，这样合成氨工业进入了一个新的时代。合成氨法的研究成功，不仅为获取化合态氮开辟了广阔的道路，而且也促进了许多科学技术部
13、门（例如高压技术、低温技术、催化、特殊金属材料、固体燃料气化、烃类燃料的合理利用等）的发展。1.2 合成氨生产的发展生产合成氨，首先必须制备氮、氢原料气。氮气来源于空气，可以在低温下将空气液化、分离而得，或者在制氢过程中直接加入空气来解决。氢气来源于水或含有烃类的各种燃料，它取决于用什么方法制取。最简便的方法是将水电解，但此法由于电能消耗大、成本高而受到限制。现在工业上普遍采用以焦炭、煤、天然气、重油等原料与水蒸汽作用的气化方法。 除电解水方法以外，不管用什么原料得到的氮、氢原料气中都台有硫化合物、一氧化碳、二氧化碳等，而这些不纯物都是氨合成催化剂的毒物。因此，在把氮、氢原料气送去氨合成以前，
14、需将这些杂质彻底除去。这样，合成氨的生产过程就包括三个主要步骤：第一步是造气，即制备含有氮、氢的原料气。第二步是净化，无论选择什么原料，用什么方法造气，都必须对原料气进行净化处理，以除去氮、氢以外的杂质。 第三步是压缩和合成，将纯净的氮、氢混合气压缩到高压，在催化剂与高温条件下合成为氮。基于不同的原料和不同的净化方法，可以派生出许多种合成氨生产流程。现将具有代表性的三种流程列举如下：1无烟煤（焦炭）制合成氨的流程：图1-1 无烟煤（焦炭）制合成氨的示意流程2天然气（轻油）加压蒸汽转化法制合成氨的流程：图1-2 天然气（轻油）蒸汽转化法制氨的示意流程3重油部分氧化法制合成氨的流程：重油造气又有热
15、法净化和冷法净化两类流程。前者为我国以重油为原料的中型氨厂所普通采用。但目前中型氨厂的热法净化流程用于重油造气并不合理，原料气要经过两次变换、两次脱碳、三次脱硫和多次加热冷却，不但流程太长而且能量损耗很大。比较合理的是冷法净化流程，该流程将空分、氮洗、低温甲醇洗三个低温工序结合在一起，使冷量得到合理利用，气体精制度高，氮洗后精制气不含甲烷，还可大大减少合成吹出气损失。图1-3 重油造气冷法净化流程示意图我国合成氨工业是在建国后才发展起来的，解放前我国只有两座合成氨厂，一是1937年建立的南京永利宁厂，为美国设备；另一座是1935年建立的大连化学厂，为日本和德国的设备，这两座厂解放前最高年产量（
16、1941年）仅为4.8万吨。建国后，经过三十年的艰苦努力，我国才真正有了合成氨工业。现在已经拥有多种原料、不同流程的大、中、小型合成氨厂一千多个，年产量已跃居世界第一位，而且有了一支从事合成氨生产的科研、设计、制造与施工的技术队伍。早在六十年代中期，我国开始引进一个以天然气为原料的中型氨厂；到七十年代初，又陆续从美国、法国、日本引进了13套以天然气、轻油以及重油和煤制氨的年产30万吨氨的大型装置；再到八十年代又建成了四套年产30万吨的合成氨装置，这不仅对增加氨的产量起了较大作用，而且也较快地提高了我国合成氨的生产技术水平。今年来合成氨工业发展很快，大型化、低耗能、清洁生产是合成氨工业发展的主流
17、，技术改进的主要方向是以降低合成氨工业能耗，提高能量效率为目的而提出的各种新工艺流程，新型合成塔以及新型合成氨催化剂；降低氨合成压力；开发新的原料气净化方法；回收和合理利用低位热能等方面。1.3 氨的性质和用途氨在常温、常压下为无色气体，比空气轻，具有特殊的刺激性臭味，较易液化。氨有强烈的毒性，空气中含有0.5%（评积）的氨，就能使人在几分钟内窒息死亡。在标准条件下，l摩尔气氨体积为22.05升，比重为0.5971（空气为1）。当温度25、压力1MPa时气态氨可液化为无色的液氨。氨极易溶于水，可生产含氨1530% （重量）的商品氨水，氨溶解时放出大量的热。氨的水溶液是弱碱姓，易挥发。液氨或干燥
18、的氨气对大部分物质不腐蚀，但在有水存在时，对铜、银、锌等金属有腐蚀作用。氨是一种可燃性气体，自燃点为630，在空气中燃烧分解为氮和水。氨空气遇火能爆炸、常压室温下爆炸范围为15.528%，或13.582%（在氧气中）。氨易与许多物质发生反应，例如：在催化剂作用下能与氧反应生成NO，与CO2反应生成氨基甲酸铵，然后脱水成尿素。氨还可以与一些无机酸（如硫酸、硝酸、磷酸等）反应，生成硫酸铵、硝酸铵、磷酸铵等。 (1-1) (1-2) (1-3)氨在国民经济中有着重要地位，在化学工业中则是骨干行业。现在约有85%的氨用来制造化学肥料，其余的作为生产其他化工产品的原料。除液氨可直接作为肥料外，农业上使用
19、的氮肥，例如尿素、硝酸铵、磷酸铵、硫酸铵、碳酸氢铵、氯化铵、氨水以及各种含氮混肥和复肥，都是以氨作为原料的。除了化肥工业以外，氨在工业上主要用来制造炸药和各种化学纤维及塑料。氨还可以用作致冷剂，在冶金工业中用来提炼矿石中的铜、镍等金属，在医药工业中用作生产磺胺类药物、维生素、蛋氨酸和其他氨基酸等。第2章 氨合成塔工艺计算2.1 合成原理及典型工艺流程2.1.1 合成原理合成氨生产是以氢气、氮气为原料，在一定的温度与压力并有触媒（催化剂）存在的条件下，直接合成为氨的过程，其化学反应式为： (2-1)这个反应是放热和体积缩小的可逆化学反应。放热、体积缩小和可逆是合成氨工艺过程的特性，这个特性影响工
20、艺操作，也影响合成塔的结构。因此根据可逆反应的特点，必须选择一个适宜的操作条件，使在某一化学平衡的条件下，生成物气体中含氨量最多。2.1.2 典型工艺流程氨合成生产的几种典型工艺流程及特点如下：1不副产蒸汽的氨合成系统流程，如图2-1。2副产蒸汽的氨合成系统流程，其特点是在循环压缩机前分离液氨，在合成塔后设置废热锅炉直接产生蒸汽，回收能量。3一次分离液氨的氨合成系统流程，其特点是在循环压缩机前一次分离液氨，在氨合成塔后设置锅炉给水预热器，以回收能量。 4两次分离液氨的氨合成系统流程，其特点是采用两次分离液氮的方案。在合成塔后设置锅炉给水预热器，以回收能量。新鲜气在氨冷器之前与循环气混化在冷凝分
21、离液氨的同时，也可以除去混合气中微量的水分和二氧化碳。 5回收能量的组合成系统流程，其特点是利用一部分气体的热能转化为机械能。此外增加压缩机最后一段缸的气量，以提高其效率。从上述流程中可以清楚地看出，氨合成塔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，而氨合成循环系统其它设备能力的大小，又直接影响了氨合成塔的正常生产和生产能力。 因此，在设计氨合成塔时，必须在一定的优惠工艺条件下，连同整个合成系统其它设备一起考虑，才能达到技术先进，经济合理和提高生产能力的目的。放空气V1 精炼气水冷器氨分离器循环气压缩机油水分离器冷交换器氨合成塔氨冷器35V出 液
22、氨V进 液氨图2-1 不副产蒸汽的氨合成系统流程本设计采用不副产蒸汽的氨合成系统流程。2.2 合成塔操作条件与说明 操作条件即压力、温度、空速、氢氮比、惰性气体的含量，初始氨含量等。1压力。在合成氨反应中，反应后气体的体积缩小，因此就化学平衡而言，提高压力，有利于氨的生成。反应速度随压力的提高也提高。而且压力高时，高压设备体积可以缩小，占地面积也小，对于流程可简化。但压力过高时，动力消耗增加，设备材料要求高，设备制造困难，造价高。因此就有个最适宜的操作压力，也就是在此压力下操作最经济。本设计操作压力为30MPa。2温度。氨合成反应是属于可逆放热反应，温度升高，氨的平衡浓度降低，但反应速度常数增
23、加。因此，当反应物在一定的条件（即惰性气体成分、操作压力、氢氮比等因素不变时），存在着一个最适宜的温度，在此温度下，反应速度最大，氨合成转化绿最大，也就是产量最高。最适宜温度随转化率而变，其变化关系称为最适宜分布曲线。生产操作中希望，触媒层温度分布尽可能地靠近最适宜温度曲线。通常，我们把进触媒层的入口温度称为“零米温度”。同时，把触煤层的温度最高的一点，称为“热点”。热点以下的触媒层温度，应沿最适宜温度曲线逐步下降，最后离开触媒层。通常是控制出触媒层的温度，对于操作压力为30MPa，一般控制在470475为宜；对于操作压力为15MPa，控制在455465。本设计触媒层温度选用4503空速。气体
24、与触媒的接触时间的长短，通常以空速表示。即单位时间内，每单位体积触媒所通过的气体体积数。其单位为标准米3气体/小时米3触媒，习惯上简写为小时-1。当压力、温度、进塔气体组成一定时，对于既定结构的氨合成塔，增加空速也就是增快气体通过触媒层的速度，缩短接触时间使出塔气中的氨含量降低，即净值降低。但另一方面由于触媒层中对于一定位置的氨平衡浓度与氨含量之差增大，即反应速度相应也增大。由于净值降低的程度比空间速度的增大倍数要少，所以增加空速，合成的生产强度也有所提高。但空速也不能太高，其存在一个最佳值。本设计以1000标准立方米精炼气为基准计算。4氢氮比。从化学反应平衡的观点来看，当氢氮比为3时，氨的平
25、衡浓度最大。但从反应速度来看，对于不同的氨浓度，为了达到瞬时的反应速度最大，也有一个最适宜的氢氮比。当反应过程属于动力学控制时，对于反应速度最大时的最适宜氢氮比是随气体中氨含量和温度而变化的。反应初期，也就是氨浓度较低时，如果忽略逆反应速度，由反应速度对氢氮比求极大值，可求得此时最适宜的氢氮比为1.5。反应后期，也就是氨浓度向平衡浓度接近，此时虽适宜的氢氮比接近于3。因此，从理论上讲，氢氮比应随反应的进行逐渐从1.5增加到3。出于氨合成时氢氮比是按3比1而消耗的，所以混合气中的氢氮比将随反应进行而不断减小。若要保持氢氮比不变，势必在反应时不断补充氢气，这是工业生产实际中很难做到的。为了调节方便
26、起见，合成氨厂生产上氢氮比以维持在3左右为宜。本设计氢氮比按3计算。5惰性气体的含量。惰性气体来自补充气。就化学平衡而言，惰性气体对氮含量的影响是双重的，因为它不但降低了氢、氮气的有效分压，而且冲淡了氨的含量。所以，惰性气体含量增加无论对反应的平衡和速度都是降低。国外日产l000吨合成氨厂CH4Ar一般控制在1215%。本设计入塔气Ar+CH4含量控制在15%。6初始氨含量。当其他条件一定时，进塔气体中氨含量提高，则出塔气体中氨的含量也随着提高。但是由于氨浓度的提高，越接近于平衡浓度，降低了推动力。所以，随着进口氨含量的增高，净值反而降低。经分析进塔气中氨含量越低，产量越高，循环气电耗低。对国
27、内目前大多数生产厂是采用冷冻法来分离液氨，其进塔气中氨含量受冷凝温度的限制，要维持较低氨含量，必须消耗大量冷冻量，在经济上是不合算的。对操作压力为300公斤/厘米2，进塔氨含量控制在3.23.8%；对操作压力150公斤/厘米2，进塔氨含量控制在2.83.2%；国外日产1000吨合成氨厂，操作压力150公斤/厘米2，进塔氨含量控制在2.02.2%。本设计初始氨含量为4.0%。故合成塔设计条件为：1给定：2200 2设计（论文）的原始数据：新鲜气：CH4：0.70%；入塔气：NH3：4.0%，Ar+CH4：15%，30出塔气：NH3：17%；出水冷却器温度：35；设计压力：32MPa；触媒：自选2
28、.3 物料衡算2.3.1 计算依据合成氨生产过程的物料衡算同其他化学生产过程的物料衡算一样，根据质量守恒定律，通过计算求得加入个设备和离开个设备的物料个组分的成份、重量和体积。物料衡算根据下列公式： G入=G出+G损式中：G入输入物料量总和； G出输出物料量总和； G损物料损失量总和。2.3.2 物料衡算计算基准：1000标准立方米精炼气。2.3.2.1 精炼气组成由精炼工段来的精炼气组成如表2-1所示。表2-1 精炼气组成成份H2N2+ArCH4合计%标准米374.25742.525.05250.50.771001000将Ar从N2中分列出来，由布拉夏克固定氮工艺学合成氨下册，371页。空气
29、中 N2:Ar =78.1%:0.9325% （体积比）精炼气中 N2= 标准米3 Ar = 标准米3故精炼气组成为：表2-2 精炼气组成成份H2N2ArCH4合计%标准米374.25742.524.75247.50.330.7710010002.3.2.2 合成塔物料衡算1出塔气成份计算合成氨产量G： (2-2) 出塔气体量： (2-3)式中 合成塔进口气量，kmol/h；合成塔出口气量，kmol/h；合成塔进口气体中氨的含量，4%；合成塔出口气体中氨的含量，17%。故 kmol/h kmol/h出塔气体中氢氮气体的含量为： 3H2+N2= (2-4)式中 合成塔进口气体中惰性气体的含量，1
30、5%；故 3H2+N2=其中 H2： N2： 出塔气体中惰性气体的含量Y2为： (2-5)其中 CH4： Ar: 故出塔气组成为：表2-3 出塔气组成成份H2N2ArCH4NH3合计%49.6016.535.0611.81171002放空气量V1与放空气组成30MPa下，水冷器内无液氨冷凝出来，故放空气成分与出塔气成分相同。放空气量V1为： 标准米3故放空气组成为：表2-4 放空气组成成份H2N2ArCH4NH3合计%标准米349.6029.40116.539.7995.062.99911.817.0011710.07710059.2773氨产量V4由气量平衡 (2-6)由于氨合成时体积减少
31、(2-7)式中 V0补充新鲜氢氮气体积，标准米3； V1放空气体积，标准米3； V2进入合成塔混合气体积，标准米3； V3出合成塔混合气体积，标准米3； V4冷凝成产品氨的气体体积，标准米3。将式(2-7)代入式(2-6)，得 标准米34合成塔出口气量V3由氨平衡 (2-8)联立式(2-7)与(2-8)解得 标准米3故合成塔出口气组成为：表2-5 合成塔出口气组成成份H2N2ArCH4NH3合计%标准米349.601886.37616.53628.6655.06192.44111.81449.15517646.5401003803.1775合成塔进口气量V2及组成由气量平衡 标准米3合成塔进口
32、气体组成为：H2 标准米3N2 标准米3CH4 标准米3Ar 标准米3NH3 标准米3 合计 标准米3表2-6 合成塔进口气组成成份H2N2ArCH4NH3合计%标准米360.762599.47520.25866.3664.50192.42210.50449.1544171.1431004278.5802.4 能量衡算衡算依据：能量守恒定律2.4.1 全塔的总热量衡算通过全塔的热量衡算，最终可求出出塔气体的温度t2。因为进出塔温度不同，所以氨合成塔系一非等温度变化反应器。但Hr是等温反应热。按盖斯定律，在压力改变不大的情况下，进出塔焓差H是状态函数，只取决于初，终状态而与变化途径无关。可 图2
33、-2 不副产蒸汽的氨合成系统流程 按如下表示的两个连续步骤组成：第一步气体进塔后由温度t1升到t2，气体组分不变，氨浓度仍为XNH31，其焓变化为H1。第二步气体在t2下进行等温反应，气体组成发生变化，氨浓度由XNH31变为XNH32，其热焓变化为H2。 (2-9) (2-10) (2-11)式中 HT温度在t2时氢氮合成氨表观反应热，kJ/kmol，假设t2=215，查参考文献1 氨合成塔附图33可得HT=51561kJ/kmol 气体按初始状态，氨浓度为4.0%，温度为下的恒压比热，J/molK，查参考文献1附图9为31.28kJ/kmolK； 进塔气体量，kmol/h不考虑塔的热损失H=
34、0故 (2-12) 则 与假设温度215在误差范围内，符合能量衡算要求。2.4.2 触媒筐热量衡算根据热平衡式 (2-13)式中 气体进触媒筐带进热量，kJ/h； 气体在触媒层反应热，kJ/h； 气体进触媒筐带走热量，kJ/h； 触媒筐的热损失，kJ/h。 (2-14) (2-15)图2-2 触媒筐热量衡算示意图 (2-16) (2-17)式中 M合成塔中氨的生成量，4.9603kmol/h； NT5,NT3分别为进入和离开触媒筐的气体量，NT5=44.6429kmol/h， NT3= 39.6826kmol/h； Cp5，Cp3分别为进入和离开触媒筐气体的比热，kJ/kmolK； t5，t3
35、分别为进入和离开触媒筐气体的温度，；HT氨合成的表现反应热，kJ/kmol。触媒选用A110-5Q型，由大型合成氨厂工艺过程分析表3-24得最佳反应温度为450 ，即t3=450；假设t5=260，由参考文献1附图9可查得Cp5=31.97kJ/kmolK；当t3=450，Cp3=33.87kJ/kmolK，查参考文献1附图33得HT=54908kJ/kmol故 kJ/h kJ/h kJ/h kJ/h将以上结果代入(2-13)中可得：=256与假设的t5=260在误差范围之内，符合能量衡算要求。2.4.3 换热器热量衡算根据热平衡式 (2-18)式中 Q1由主线进入换热器气体所带入的热量，kJ
36、/h； Q2由副线进入换热器气体所带入的热量，kJ/h； Q3由触媒筐进入换热器气体所带入的热量，kJ/h；Q4气体离开换热器所带出的热量，kJ/h；Q5由换热器进入触媒筐所带出的热量，kJ/h； 换热器外壳的热损失，kJ/h， (2-19) (2-20)图2-3热交换器的热量衡算示意图 式中 由主线进入换热器的气体温度，； t1 合成塔进出口气体温度，；由副线进入合成塔的气体百分数，%，此处设为0； NT1进入换热器的气体流量，kmol/h； 进入换热器的气体比热，kJ/kmolK按2/m算 (2-21) (2-22) (2-23) (2-24)计算，内外筒体环隙长度以15米计，则：设由副线
37、进入氨合成塔的气体为0%，则=0又 kmol/h kmol/h根据上述数据则可得： kJ/h kJ/h （t4为氨合塔出口温度，215，查参考文献1附图9得31.17 kJ/kmolK） kJ/h kJ/h kJ/h（=60，查参考文献1附图9得30.96 kJ/kmolK）故 kJ/h kJ/h在工程允许范围内，故满足热量平衡关系。2.5 工艺技术特性一览表表2-7 氨合成塔进出气体成分成分H2N2ArCH4NH3进塔气，%60.7620.254.5010.504出塔气，%49.6016.535.0611.8117表2-8 氨合成塔内各进出口的温度名称合成塔进口合成塔出口触媒筐入口触媒筐出口
38、换热器入口换热器出口温度3021525645060256第3章 设备类型的选择及论证3.1 氨合成塔的结构特点及基本要求氨合成塔是合成氨厂的心脏，作用是使氢氮混合气在塔内催化剂层中合成为氨。由于氨合成反应在高温高压下进行，因此合成塔不仅应有较高的机械强度，而且应有在高温下抗蠕变和松弛的能力。同时在高温高压下，氢、氮对碳钢有明显的腐蚀作用。在合成塔操作介质中，氢、氮、氨是主要成份，氨也会分解为原子氢和氮。高温高压下氢活性很高，对钢材有剧烈的腐蚀作用，称为“氢蚀”。氢对钢材的腐蚀有两种形式：一是和钢材表面碳化合引起表面脱碳，使其机械性能恶化，这种现象称为“氢脆”；二是渗透到钢材内部和碳化合生成甲烷
39、，甲烷积聚于金属晶格边界的边孔中，在钢材内部造成裂纹，这种现象“氢腐蚀”。无论是分子状态或原子状态的氢，与碳都能起反应。高温高压下， 氮与钢材中的铁及其它合金元素也能化合生成硬而脆的氮化物， 使钢材失去塑性和韧性而变脆，这称为“氮脆”。为了适应氨合成的反应条件，合理解决存在的矛盾，氨合成塔通常由内件与外筒两部分组成，内件置于外筒之中。进入合成塔的气体（温度较低）先经过内件与外筒之间的环隙，内件的外面设有保温层，以减少向外筒散热。因而，外筒主要承受高压（操作压力与大气压力之差），但不承受高温，可用普通合金钢或优质低碳钢制成。内件在500左右高温下操作，但只承受环隙气流与内件气流的压差，一般仅为12MPa，即内件只承受高温不承受高压，从而可降低对内件材料和强度的要求。内件一般用合金钢制作，塔径较小的内件也可用纯铁制作。内件使用寿命比外筒短得多。内件由触媒筐、换热器和电加热器等三个主要部分构成，大型氨合成塔的内件一般不设电加热器，而由塔外加热炉供热还原触媒。外筒主要包括筒体、上下端部法兰、封头、电加热器端盖、接管及密封件等等。 在氨合成塔设计过程中，一般应考虑下列问题： 1容积利用率高。充分利用高压容器空间，多装触媒，使单位容积的生产能力尽可能的大。
