长春理工大学本科毕业设计
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。有很多知识分子投入氨生产的研究和生产当中，大多数的氨合成厂都在进一步的扩建当中。
随着合成氨技术的不断发展,氨合成塔向单系列、大型化、节能型方向发展。目前我国有大型氨合成装置30 套,所使用氨合成塔有5 种类型,即凯洛格型、托普索型、伍德型、布朗型、卡萨利型。这些塔型根据气体流动方向不同,分为轴向流型、径向流型和轴径向流型,各有所长。轴向流塔操作稳定,催化剂装量多;径向流塔效率高,压力降小,操作敏感性强,要求高效催化。
总之，我国的氨合成工艺经过赶上了发达国家水平，为我国的工农业生产作出了重大的贡献，所以我们必须不断探讨和掌握氨合成塔的规律，使氨合成塔的设计、制造、生产、安装、维护都达到一个新的水平，而且要继续攀登新的高峰，夺取胜利。
应对氨合成塔进行以下改进：增大触媒装填容积，提高利用率；采用新型触媒，充分发挥触媒的活性；降低气体阻力，改善气体分布的均匀性；采用两进两出两次合成新工艺；强化传热，合理安排冷热交换，提高热能回收比率；改善温度分布，使其达到最佳；简化系统，使操作集中，提高系统运转的可靠性[1]。
1.2 氨合成塔的设计要求
(1) 气体均布
气体均布理论我国在20 世纪70 年代就有研究,主要体现在分布器的设计、加工上。要求分布器筒体的加工精度高,增大气流使气体均布,但会引起局部气体分布不均,需增加再分布器。再分布器既要起到再分布的效果,又要节省高压空间。
(2) 用材、焊接要求高
氨合成塔内件处于高温、高压、氢介质环境,对用材要求高,一般用不锈钢,并且对Cr 、Ni 及铁素体的含量有严格要求,关键部位用Inconel 600Incoloy ,确保不腐蚀开裂。焊接应注意焊接接头的化学成份和金相组成、焊接接头和热影响区的硬度及焊缝表面质量。
(3) 解决热应力
解决热应力的方法有设置膨胀节、设置填料密封、采用迷宫密封和自由膨胀结构,进行精确计算并严控加工质量,以改善管板受力状态[2]。
1.3 氨合成塔的设计原则
1
长春理工大学本科毕业设计
氨合成塔的工艺参数和结构型式的选择即取决于所担负的生产任务和原料气的成分以及操作条件（如压力、温度等），又与合成工段其他设备的能力大小和配置有关。各部件的具体结构和尺寸不仅取决于结构的要求，而且也取决于所选用的材料性能、强度和刚度的要求、制造和运输的条件、设备的投资和先进性等因素。所以我们设计的内容包括很多，如工艺流程的设计、内件结构、材料、外壳结构的选择、工艺计算、强度计算以及很多辅助操作。必须以提高其工作能力、生产效率为目的而设计更多的操作方案。
结构设计原则：满足工艺要求；满足强度要求；可靠、安全；容易制造、结构简单、省材料、重量轻、应力分布均匀。
材料设计原则：在满足强度和刚度的要求下主要满足防腐要求；在满足设计条件（处理量、设计温度）下尽量选择便宜易加工的材料，做到经济、耐用、实惠[3]。[3]
2
长春理工大学本科毕业设计
第2章 氨合成塔的工艺设计
2.1 氨合成塔的工艺流程
工业上采用的氨合成流程形式多种多样，设备结构与操作条件各不相同，但是他们的基本合成步骤大致相同：经过净化的氢氮混合气体经压缩机压缩到一定的压力后，自塔顶沿塔壁与内筒之间的间隙流下进入热交换器内与反应后的热气体逆流换热，然后直接进入中间的出门筐，经预热后的气体经过上触媒筐中心管及其中的电加热器返入触媒层，气体在触媒作用下逐段进行反应，反应热由层间冷却盘管中的高压循环水导出，反应后的气体最后流经换热器管间而出塔。有些混合气不能完全反应生成氨气，必须将剩下的气体经循环压缩机补充压力与压缩机送入的新鲜气体混合后再次进行合成，如有些循环多次操作使惰性气体超标，则必须放空。
工艺流程的好坏直接影响着合成塔的工作效率和正常工作，所以我们要选择最佳的工艺流程。根据所给的设计条件以及实习现场的观察，我们采用了不副产蒸汽的氨合成流程图，如图2-1所示[3]。
图2.1 氨合成流程图
2.2工艺条件
(1) 气体处理量:80000Nm3/h (2) 原始数据：
设计压力：29.4MPa 设计温度 ：200℃ 塔内径：Φ800 换热器的设计参数
壳程入口温度：60℃ 出口温度：360℃
3
长春理工大学本科毕业设计
管程入口温度：470℃
2.3 物料衡算
气体处理量
8000022.4?3571.4kmol/h，假设进塔气成分为H2 61.5％,N2
20.5％,NH3 2.6％,CH4?Ar 15.4％,出塔气氨含量为14％.
计算基准：100公斤分子进塔气体
由下式计算氨产量
Na??yaNT11?ya221?(0.14?0.026)?1001?0.14?10公斤分子 （2-1）
出塔气体流量NT?NT?Na?100?10?90公斤分子 出塔气体成分
3H2?N2??0.6889(1?ya1?yI1)NT1?2NaNT23414?(1?0.026?0.154)?100?2090
其中H2=0.6889?N2=0.6889? CH4?Ar=
=0.5167
?0.1722
?0.1711
yI1NT1NT2?0.154?10090所以出塔气体成分为：
H251.67％,N217.22％,NH314％,CH4?Ar17.11％.
由下式计算合成率
x?2NaNT1(1?ya1?yI1)?2?10(1?0.026?0.154)?100?0.2439 （2-2）
?合成率为24.39％。
2.4 热量衡算
设进塔气体温度为30℃，操作压力为29.4MPa,热损失不计，假设出塔气温度为178℃。
进塔气体平均温度＝
30?1782?104℃
由附录中混合气热容图查得29.4MPa压力下含惰性气体15.4％，氨2.6％得混合气体104℃时得热容为7.4千卡/公斤分子·℃。由图9－4－3查得178℃时－
4
