第39讲 氨合成塔

氨合成塔主讲教师：王静AmmoniaSyntheticTowerCONTENTS结构特点及基本要求01.冷管式氨合成塔02.冷激式氨合成塔03.

为了满足高温、高压的双重要求，合成塔由内件和外筒两部分组成。内件用(Ni、Cr)不锈钢制作，耐500℃高温和腐蚀，不承受压力；外筒用低碳合金钢或优质碳钢制成，承受高压。左图为三套管并流合成塔内件。01结构特点及基本要求（1）结构特点合成塔有：内件和外筒组成内件：装填触媒，反应外筒：承受压力01结构特点及基本要求合成塔内件分类：单层和多层催化剂框轴向和径向内冷和冷激立式和卧式副产蒸汽和不副产蒸汽01结构特点及基本要求装置所处环境：高温、高压、H、N对碳钢有明显的腐蚀作用。

腐蚀原因：

A、氢脆：H溶解于金属晶格中，使钢材在缓慢变形时发生脆性破坏。B、氢腐蚀：H渗透到钢材内部，使碳化物分解并生成甲烷，积于晶界面微观孔隙中形成高压，导致应力集中，沿晶界面出现破坏破裂，其程度与压力、温度有关，T﹥221℃，PH2﹥1.4MPa开始腐蚀。

C、氮腐蚀：高温高压下，N与Fe生成硬而脆的N化合物，导致金属机械性能降低。01结构特点及基本要求

由于上述原因，对合成塔材料要求高，由于既要耐高温，又要耐高压的材料非常昂贵，为解决这一矛盾，合成塔通常设计为夹层式：内件和外筒。

外筒：承受高压（操作压力与大气压之差）不承受高温，可采用普通的低合金钢或优质低碳钢制成，寿命可达40~50年。

内件：承受高温500℃，只承1~2MPa的压力，材料要求低，一般合金钢即可，但是寿命比较短。外筒内件01结构特点及基本要求（2）对合成塔的共同要求：反应能维持自热，塔的结构要有利于升温、还原，保证Cat有较大的生产强度；Cat床层温度分布合理，充分利用Cat的活性；气流在Cat床层内分布均匀，塔的压力降小；换热器传热强度大，体积小，高压容器空间利用率高；灵活稳定，调节灵活，具有较大的弹性；结构简单可靠，各部件的连接和保温合理，内件在塔内有自由伸缩的余地以减少热应力。02冷管式氨合成塔组成：催化剂筐、分气盒、热交换器、电加热器。左图为轴向冷凝式氨合成塔02冷管式氨合成塔

冷管式氨合成塔是在在催化剂床层中设置冷管，利用在冷管中流动的未反应的气体移出反应热，使反应比较接近最适宜温度线进行。中国小型氨厂多采用冷管式内件，早期为双层套管并流冷管，1960年以后开始采用三套管并流冷管和单管并流冷管。冷管式氨合成塔的内件由催化剂筐、分气盒、换交换器和电加热器组成。02冷管式氨合成塔

催化剂床层顶部不设置绝热层，反应热在此完全用来加热气体，温度上升快。在床层的中、下部为冷管层，并流三套管由并流双套管演变而来。二者的差别仅在于内冷管一为单层，一为双层，如图（2）。双层内冷管一端的层间间隙焊死，形成“滞气层”，“滞气层”增大了内外管件的热阻，因而气体在内管温升小，使床层与内外管间环隙气体的温差增大，改善了上部床层的冷却效果。02冷管式氨合成塔（1）（2）02冷管式氨合成塔床层温度分布较合理，催化剂生产强度高。如操作压力为30MPa，空速20000～30000h-1，催化剂的生产强度可达40～60t/（m3·d），结构可靠、操作稳定、适应性强。主要优点其结构较复杂，冷管与分气盒占据较多空间，催化剂还原时床层下部受冷管传热的影响升温困难，还原不易彻底。在中国此类内件广泛用于φ800～1000mm的合成塔。主要缺点并流三套管02冷管式氨合成塔

从催化剂床层换热的角度讲，单管并流式与并流三套管式类似。如图（3），以单管代替三套管，以几根直径较大的升气管代替三套管中几十根双层内冷管，从而使结构简化，取消了与三套管相适应的分气盒。因此，塔内部件紧凑，催化剂筐与换热器之间间距小，塔的容积得到有效利用。此外，冷管为单管不受管径和分气盒的限制，便于采用小管径多管数的冷管方案，有利于减小床层径向的温差。单管并流式内件的缺点是结构不够牢固，由于温差应力大，升气管、冷管焊缝容易裂开。02冷管式氨合成塔（3）02冷管式氨合成塔优点缺点单管式结构简单；塔内部件紧凑，塔的利用率高；床层径向温差小。结构不够牢固；温差引起的应力大，容易造成升气管、冷管焊缝裂开。三套管床层温度分布合理，催化剂生产强度高，结构可靠、操作稳定、适应性强。结构比较复杂；冷管与分气盒占据空间较多，塔的利用率差；催化剂的还原可能不彻底。单管式和三套管式的比较03冷激式氨合成塔

冷激式氨合成塔有轴向冷激和径向冷激之分。凯洛格型为大型氨厂立式轴向四段冷激式氨合成塔。该塔外筒形状为上小下大的瓶式，在缩口部位密封，以便解决大塔径造成的密封困难。内件包括四层催化剂、层间气体混合装置（冷激管和挡板）以及列管式换热器。冷激式氨合成塔03轴向冷激式氨合成塔冷激式氨合成塔03冷激式合成塔的特点：日产千吨以上的大型合成塔均采用冷激式。催化剂多层填放。第一层温度较高且反应速度快，其堆放量较少；最末层温度较低，堆放量较多，提高氨的收率。床层越多，过程越接近最适宜反应温度，但结构复杂，增产量不明显。15-17.5MPa，设计4层；17.5-22MPa，3层；20MPa以上，2-3层。冷激式氨合成塔03优点缺点1.结构简单，无复杂内冷装置1.冷激气起稀释作用，