工業(yè)合成氨簡易流程 OK課件

工業(yè)合成氨簡易流程圖制取原料氣凈化壓縮合成N2和H2(循環(huán))液氨(循環(huán)操作過程)冷凝分離除去雜質(zhì)氣體、粉塵等，防止催化劑“中毒”2023/10/81第三章 氨的合成2023/10/82氨的合成氨的合成是整個(gè)合成氨生產(chǎn)過程中的核心部分，任務(wù)是在適當(dāng)?shù)臏囟取毫?/p>

有催化劑存在的條件下，將經(jīng)過精制的H2、N2組成約為3:1的原料氣直接加入合成塔，催化劑作用下合成為氨。2023/10/832023/10/194學(xué)習(xí)目標(biāo)：掌握氨合成反應(yīng)的基本原理及氨的合成工藝條件的選擇及工藝流程分析；熟悉氨合成塔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并流雙套管氨合成塔的結(jié)構(gòu)及其它塔型的分析;了解氨合成反應(yīng)機(jī)理、合成氨催化劑、動(dòng)力學(xué)方程及二氣回收的處理方法;了解物料衡算和熱量衡算及氨合成過程中的能量分析和余熱回收;2023/10/195第一節(jié) 氨合成反應(yīng)的基本原理一、 氨合成反應(yīng)的熱效應(yīng)氨合成反應(yīng)為：N2＋3H2

2NH3ΔH?

=-92.4kJ/mol298不同溫度、壓力下，純氫氮混合氣完全轉(zhuǎn)化為氨的反應(yīng)熱：

ΔHF=38338.9+[22.5304+3474.4/T+1.89963×1010/T3]p+22.3864T+10.5717×10-4T2

-7.08281×10-6T3ΔHF—純氫氮混合氣完全轉(zhuǎn)化為氨的反應(yīng)熱，kJ/mol；p—壓力，MPa;T—溫度，K。2023/10/196合成氨反應(yīng)特點(diǎn)：(1)可逆反應(yīng)。即在氫氣和氮?dú)夥磻?yīng)生成氨的同時(shí)，氨也分解成氫氣和氮?dú)狻?2)放熱反應(yīng)。在生成氨的同時(shí)放出熱量，反應(yīng)熱與溫度、壓力有關(guān)。(3)體積縮小的反應(yīng)。(4)反應(yīng)需要有催化劑才能較快的進(jìn)行。2023/10/197二、氨合成反應(yīng)的化學(xué)平衡反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)的平衡常數(shù)可表示為：

Kp壓力較低時(shí)，氣體混合物視為理想氣體。當(dāng)壓力較高時(shí)，氣體混合物視為非理想氣體，Kp不僅與溫

度有關(guān)，還與壓力、氣體在組成有關(guān)，當(dāng)壓力在1.0-100MPa下，Kp可用以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：Kp值僅與溫度有關(guān)2023/10/198其中β和

I 為與壓力有關(guān)的系數(shù)，見下表：2023/10/199p,MPa135103060100β×10400.341.2561.2561.25610.85626.833I1.9332.0212.0902.1132.2063.0594.473合成氨時(shí)，當(dāng)原料組成一定時(shí)，平衡常數(shù)Kp值隨溫度降低、壓力升高而增大。2023/10/1910不同溫度、壓力下H2/N2＝3純氫氮混合氣體反應(yīng)的Kp值三、平衡氨含量及其影響因素平衡氨含量氨合成反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡時(shí)，混合氣體中氨的含量稱為平衡氨含量，又可稱為氨的平衡產(chǎn)率。有了平衡常數(shù)Kp，計(jì)算平衡氨含量就比較容易。3NH3設(shè)進(jìn)口氫氮比為r，平衡混合氣中NH

的平衡含量為y

，惰性氣體組成為yi，則：2023/10/1911影響平衡氨含量的因素2023/10/1912溫度越低，壓力越高，平衡氨含量yNH3越高a．壓力和溫度的影響T/℃壓力/MPa10152032608036035.1043.3549.6260.4375.3281.8038429.0036.8443.0054.0069.9477.2442420.6327.3933.0043.6060.3568.6846414.4819.9424.7134.2450.6259.4250410.1514.3918.2430.9041.4450.135526.719.7512.6218.9931.8139.78當(dāng)r＝3時(shí)，

yi

=0時(shí)，不同溫度、壓力下的平衡氨含量值如下表：b. 氫氮比r的影響若不考慮r對Kp的影響，知r=3時(shí)，yNH3為最大值；高壓下，氣體偏離理想狀態(tài)，Kp將隨r而變，具有最大yNH3時(shí)的r略小于3，約在2.68～2.90之間，如圖所示：2023/10/1913c.

惰性氣體含量的影響2023/10/1914惰性氣體指不參加合成氨反應(yīng)的甲烷和氬氣由圖3-2知，惰性氣體含量增加，平衡氨含量減小，因?yàn)樵黾佣栊詺怏w含量相當(dāng)于降低了反應(yīng)物的分壓，即惰性氣體對氨合成不利。另外，氨合成為不完全反應(yīng)，未反應(yīng)原料氣體需要循環(huán)利用，必然造成惰性氣體的富集，最終采取部分放空的辦法減少惰性氣體，造成原料氣的浪費(fèi)。結(jié)論： 提高平衡氨含2023/10/1915量升高壓力、降低溫度和減少惰氣含量。四、氨合成反應(yīng)速率2023/10/19161.反應(yīng)機(jī)理

在催化劑的作用下，氫與氮生成氨的反應(yīng)是一氣固相催化反應(yīng)。由以下幾個(gè)步驟所組成：氣體反應(yīng)物擴(kuò)散到催化劑外表面；反應(yīng)物自催化劑外表面擴(kuò)散到毛細(xì)孔內(nèi)表面；氣體被催化劑表面(

主要是內(nèi)表面)

活性吸附(

與普通吸附的區(qū)別在于有化學(xué)力參與在內(nèi)，并放出熱量)；吸附狀態(tài)的氣體在催化劑表面上起化學(xué)反應(yīng)，生成產(chǎn)物；產(chǎn)物自催化劑表面解吸；解吸后的產(chǎn)物從催化劑毛細(xì)孔向外表面擴(kuò)散；

(7)產(chǎn)物由催化劑外表面擴(kuò)散至氣相主流。以上七個(gè)步驟中，

(1)

、(7)

為外擴(kuò)散過程；

(2)

、(6)為內(nèi)擴(kuò)散過程；(3)、4)和（5）總稱為化學(xué)動(dòng)力學(xué)的過程。2023/10/19172.影響反應(yīng)速率的因素2023/10/1918反應(yīng)速度--是以單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)物質(zhì)濃度的減少量或生成物質(zhì)濃度的增加量表示。影響氨合成反應(yīng)速度因素：①壓力的影響當(dāng)溫度和氣體組成一定時(shí)，提高壓力，正反應(yīng)速率增大，逆反應(yīng)速率減小。提高壓力凈反應(yīng)速率提高。②氫氮比的影響反應(yīng)初期的最佳氫氮比為1，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，氨含量不斷增加，欲使rNH3保持最大值，最佳氫氮比應(yīng)隨之增大。③惰性氣體的影響其它條件一定時(shí)，隨著惰性氣體含量的增加，反應(yīng)速率下降。因此降低惰性氣體含量，反應(yīng)速率加快，平衡氨含量提高。④溫度的影響氨合成反應(yīng)是可逆放熱反應(yīng)，存在最佳溫度，具體值由其組成、壓力和催化劑的性質(zhì)而定。⑤內(nèi)擴(kuò)散的影響實(shí)際生產(chǎn)中，由于氣體流量大，氣流與催化劑顆粒外表面?zhèn)鬟f速率足夠快，外擴(kuò)散影響可忽略，但內(nèi)擴(kuò)散阻力不能忽視，內(nèi)擴(kuò)散速率影響氨合成反應(yīng)的速率。改變催化劑粒度，調(diào)節(jié)對反應(yīng)速率的影響。2023/10/1919第二節(jié) 氨合成催化劑2023/10/1920氨合成反應(yīng)必須用催化劑，沒有催化劑，即使在很高壓力下反應(yīng)速度也很小，生成的氨濃度很低。可以作氨合成催化劑的物質(zhì)很多，如鋨（

Os）、鐵(Fe)、

錳(Mn)、鎢(W)和鈾(U)等。但由于以鐵為主體的催化劑具有原料來源廣、價(jià)格低廉、在低溫下有較好的活性、抗毒能力強(qiáng)、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，廣泛采用。一、催化劑2023/10/1921氨合成反應(yīng)常用的催化劑是鐵基催化劑。催化劑的制備組成如下，制作成2-3mm厚、5-10mm外徑的、黑色有金屬光澤、有磁性的不規(guī)則片狀顆粒：組成：主要成分：Fe3O4(FeO·

Fe2O3，F(xiàn)e2+/Fe3+≈0.5)活性成分：Fe促進(jìn)劑為：K2O,

CaO,

Al2O3，SiO21、催化劑中各組分和作用Al2O3：增加催化劑比表面積，防止還原后鐵微晶長大聚集，提高催化劑活性和穩(wěn)定性。K2O：可使催化劑的金屬電子逸出功降低，利于N分子的吸附和活化，加快氨的脫附。提高了催化劑活性。

CaO：有利于Al2O3和Fe3O4固熔體的形成，降低固熔體的熔點(diǎn)和黏度，另外還能提高催化劑的熱穩(wěn)定性和抗毒能力。

SiO2：磁鐵礦的雜質(zhì)，類似于Al2O3，可穩(wěn)定α-Fe晶粒，增強(qiáng)催化劑的耐熱性和抗水能力。2023/10/19222、催化劑的使用對合成氨反應(yīng)有催化活性的成分是金屬鐵，所以使用前要將催化劑還原。通常用氫氣作還原劑：使四氧化三鐵充分還原為α-Fe，使還原生成的鐵結(jié)晶不因重結(jié)晶而長大，以保證有最大的比表面積和更多的活性中心。2023/10/1923確定還原條件的原則：3、影響還原質(zhì)量的因素裝入氨合成塔的催化劑在使用前需要進(jìn)行H2還原，使四氧化三鐵變?yōu)棣?Fe 微晶才有活性。還原條件應(yīng)使鐵充分被還原，還原后比表面積最大。還原溫度，還原為吸熱反應(yīng)，提高溫度利于平衡右移，還原速度快，但生成的α-Fe微晶顆粒較大，比表面積降低；還原溫度過低，還原速度慢，還原時(shí)間長，還原不徹底。還原溫度略低于合成氨操作溫度。還原壓力，提高還原壓力，相當(dāng)于提高H2分壓，反應(yīng)速度快，同時(shí)可使氨合成反應(yīng)進(jìn)行，放出部分熱量彌補(bǔ)電加熱

器。但也提高了H2O的分壓，增加了催化劑反復(fù)氧化還原程度，一般選10-20MPa；2023/10/1924空速，在保證供熱傳熱的條件下，空速大，氣體擴(kuò)散快，降低氣相中水蒸氣的分壓，利于水蒸氣的逸出，減少了水蒸氣對催化劑的反復(fù)氧化；同時(shí)利于均衡床層溫度?？账龠^大，外界供熱量大，電加熱器功率受限。還原氣成分，H2、水蒸氣、惰性氣體加大氫含量，減少水蒸氣含量，利于催化劑還原。惰性氣體含量僅可能低催化劑的鈍化還原后的活性鐵遇到空氣會發(fā)生強(qiáng)烈的氧化反應(yīng)，放出的熱量能使催化劑燒結(jié)失去活性。鈍化方法是將壓力降到0.5-1MPa，溫度降到50-80度，用氮?dú)庵脫Q系統(tǒng)后逐漸導(dǎo)入空氣使氮?dú)庵醒鹾吭?.2-0.5%.2023/10/19254、催化劑的中毒與衰老2023/10/1926①催化劑的中毒進(jìn)入合成塔的新鮮混合氣，雖然經(jīng)過了凈化，但仍然含

有微量的有毒氣體，使催化劑緩慢中毒，活性降低。②催化劑的衰老催化劑經(jīng)長期使用后，活性會逐漸下降，生產(chǎn)能力逐漸降低，這種現(xiàn)象稱為催化劑的衰老。催化劑的中毒和衰老幾乎是無法避免的，但是選用耐熱性能較好的催化劑，改善氣體質(zhì)量和穩(wěn)定操作，能大大延長催化劑的使用壽命。催化劑的毒物CO、CO2、H2O砷及其化合物毒物暫時(shí)毒物永久毒物氧及含氧的化合物硫及其化合物氯及其化合物磷及其化合物催化劑的改進(jìn)：①降低活性溫度②改變外形降低催化劑床層阻

力，節(jié)省功耗。2023/10/1927第三節(jié) 氨合成的工藝條件2023/10/1928前面討論過氨合成的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)及催化劑，實(shí)際生產(chǎn)過程中，反應(yīng)不可能達(dá)到平衡，合成工藝參數(shù)的選擇除了考慮平衡氨含量外，還要綜合考慮反應(yīng)速率、催化劑使用特性以及系統(tǒng)的生產(chǎn)能力、原料和能量消耗等，以期達(dá)到良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。需要選擇氨合成的工藝參數(shù)。溫度壓力空速工藝條件氨合成2023/10/1929惰性氣體氫氮比一、壓力從化學(xué)平衡和化學(xué)反應(yīng)速率的角度看，提高操作壓力有利,生產(chǎn)能力隨壓力提高而增加。壓力過大設(shè)備承受力大，對設(shè)備材質(zhì)要求高、損耗大，高壓下對應(yīng)的反應(yīng)溫度高，催化劑壽命縮短。選擇操作壓力的主要依據(jù)：能量消耗、生產(chǎn)能力、設(shè)備投資、催化劑使用壽命。能量消耗：原料氣壓縮功、循環(huán)氣壓縮功和氨分離的冷凍功。操作壓強(qiáng)40-100MPa高壓法15-33MPa中壓法5-15MPa低壓法壓力高、低：通過調(diào)節(jié)新鮮氣的加入或是出塔氣的排放2023/10/1930二、溫度2023/10/1931控制催化床溫度：通過調(diào)節(jié)塔副閥或是循環(huán)氣量和其它可逆放熱反應(yīng)一樣，溫度對平衡轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)速度都有影響，合成氨反應(yīng)存在著最適宜溫度Tm(或稱最佳反應(yīng)溫度)，它取決于反應(yīng)氣體的組成、壓力以及所用催化劑的活性。兩點(diǎn)溫度：床層入口溫度熱點(diǎn)溫度三、空間速度提高空速氨合成塔生產(chǎn)強(qiáng)度增大，但反應(yīng)后氣體中凈氨值有所降低。凈氨值降低，增加氨的分離難度，使冷凍功耗增加?？账龠^高，循環(huán)氣量增加，循環(huán)功耗大；空速過高氣體帶出的反應(yīng)熱較多，導(dǎo)致催化劑床層溫度下降不能維持正常生產(chǎn)。參照合成壓力選擇2023/10/1932四、合成塔進(jìn)口氣體組成2023/10/1933合成塔進(jìn)口氣體組成包括氫氮比、情性氣體含量與初始氨含量。防止原料氣中氫氮比失調(diào)，新鮮原料氣中氫氮比為3，惰性氣體的存在，從化學(xué)平衡和動(dòng)力學(xué)角度對合成氨都不利。當(dāng)其它條件一定時(shí)，進(jìn)塔氣體中氨含量越高，氨凈值越小，生產(chǎn)能力越低。初始氨含量的高低取決于氨分離的方法。第四節(jié)氨的分離及合成工藝流程一、氨的分離冷凝分離法分離方法2023/10/1934溶劑吸收法該法是用水冷卻器和氨冷卻器，冷卻含氨混合氣，使其中大部分氣氨冷凝以便與不冷凝的氫氮分開。液氨在氨分離器中與氣體分開，減壓送入貯槽。液氨冷凝過程中，部分氫氮?dú)饧岸栊詺怏w溶解其中，溶解氣體大部分在液氨貯槽中，當(dāng)減壓時(shí)釋放出來，稱之為“貯槽氣”或“馳放氣”。冷凝分離法2023/10/1935二、氨合成工藝流程2023/10/1936氨合成工序不但有氨合成反應(yīng)，還有氨分離及未反應(yīng)氣體循環(huán)等，流程復(fù)雜，影響因素多。合成氨工藝步驟1、氣體的壓縮和除油、水2、氣體預(yù)熱和合成3、氨分離（氨出口量10%-20%）4、氣體壓縮循環(huán)5、惰性氣體的排放6、反應(yīng)熱回收利用氨合成流程設(shè)計(jì)在于合理配置上述幾個(gè)步驟。其中主要是合理確定循環(huán)壓縮機(jī)、新鮮原料氣補(bǔ)入及馳放氣排放位置，以及確定氨分離的冷凝級數(shù)、冷熱交換安排和熱能回收的方式。以保證原料、產(chǎn)品損失小，熱量回收充分，能力利用合理。2023/10/19371、傳統(tǒng)氨合成流程2023/10/1938優(yōu)點(diǎn)：1、放空氣位置安放合理，惰性氣體含量高，氨和氫氮含量相對低，減少氨和原料氣的損失2、循環(huán)壓縮機(jī)位于一、二氨分離器之間，氣體量少，溫度低利于壓縮3、可以脫除新鮮氣中微量CO2和H2O缺點(diǎn)：1、新鮮原料氣補(bǔ)充位置安放不合理2、熱量回收利用不充分2023/10/19392、節(jié)能型工藝流程2023/10/1940?2023/10/1941新鮮氣經(jīng)新鮮氣氨冷器10冷卻，且在塔外換熱器3二次入口處與循環(huán)氣混合．然后進(jìn)入冷交換器的下分離器，利用冷凝下來的液氨除去新鮮氣中的水、油污、一氧化碳和二氧化碳等，保證了進(jìn)入合成塔氣體的質(zhì)量。???采用先進(jìn)塔后預(yù)熱的流程，既提高了進(jìn)催化床層的氣體溫度，提高了出塔氣體的余熱回收價(jià)值，又保證了合成塔外筒對氣體溫度的要求。來自冷交換器的氣體從合成塔l止部進(jìn)入合成塔內(nèi)件與外筒的環(huán)隙，從

塔底引出，送到塔外換熱器3，用低位熱量預(yù)熱二次進(jìn)合成塔的循環(huán)氣，氣體溫度升到175℃二次入塔。二次出合成塔的氣體先進(jìn)入廢熱鍋爐2回收熱量，使之產(chǎn)生1.2-2.5MPa的中壓蒸汽，然后，送人塔外換熱器3與未反應(yīng)器換熱，回收低位熱。熱量回收充分、水冷溫度低節(jié)省氨冷消耗3、凱洛格大型氨廠合成工藝流程2023/10/1942凱洛格流程描述43新鮮氣經(jīng)幾級壓縮后與循環(huán)氣混合冷卻、升溫并分幾股進(jìn)入氨合成塔。反應(yīng)后氣體溫度較高，所以先經(jīng)鍋爐給水預(yù)熱器后再向新鮮氣供熱。只分離很少部分氨(為維持濃度穩(wěn)定分離需要排放部分惰性氣體)后就進(jìn)入循環(huán)壓縮，與新鮮氣混后再經(jīng)復(fù)雜冷凍流程逐步冷卻到-23℃，經(jīng)高壓氨分離器分離氨后再升溫進(jìn)入氨合成塔。低壓氨分離器是為了分離要求設(shè)置的。流程特點(diǎn)：① 先循環(huán)混合再冷卻分離，冷凍功耗小但循環(huán)功耗大，總能耗??；② 循環(huán)線中放空，惰氣、氨含量高，但有氨回收，氨損耗不大；③采用蒸汽透平驅(qū)動(dòng)的帶循環(huán)段的離心式壓縮機(jī)，氣體中不含油污。2023/10/194、布朗三塔三廢鍋爐氨合成工藝流程三段轉(zhuǎn)化爐出口氣中氨含量可達(dá)21%，還可以副產(chǎn)高壓蒸汽2023/10/19445、伍德兩塔兩廢熱鍋爐氨合成工藝流程2023/10/19456、聯(lián)醇氨合成工段工藝流程2023/10/1946三、排放氣的回收處理2023/10/1947在原料氣的最終凈化過程中，除深冷分離法外，采用甲烷化或銅氨液吸收法，隨新鮮氮?dú)錃膺M(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)的甲烷和氬氣，因不參與反應(yīng)，在循環(huán)中不斷累積，為了保持這些惰性氣體的合理濃度，需要排放部分循環(huán)氣---放空氣，另外還有一部分溶解在液氨中的氮?dú)錃狻Y放氣，這兩部分氣體含有一定量氫氣，需要回收?；厥辗椒ǎ褐锌绽w維膜分離、變壓吸附、深冷分離1、中空纖維膜分離法2023/10/1948

1979年，美國孟山都公司開發(fā)了選擇性滲透膜技術(shù)，并成功應(yīng)用于合成氨工業(yè)?，F(xiàn)在中國也能制作中空纖維膜分離器，已在大、中小型氨廠推廣使用。中空纖維膜是以聚砜、二甲基乙酰胺為原料加工成內(nèi)

腔中空的纖維絲，再涂以高滲透性聚合物，具有選擇性滲

透性。水蒸氣、氫、氦、二氧化碳滲透較快，而甲烷、氮、氬、氧、一氧化碳滲透慢，從而達(dá)到分離目的。氫回收率可達(dá)95%，氫氣純度90%以上。2023/10/19492、變壓吸附法2023/10/1950此法為利用沸石型或碳分子篩在不同壓力下對各種氣體組分的吸附和解析。當(dāng)排放氣通過分子篩床層時(shí)，除H2以外的其他氣體，如N2、CH4、Ar、NH3、CO等都被吸附，而獲得純度高達(dá)99.9%的氫氣。一個(gè)完整的變壓吸附循環(huán)由吸附、減壓、解吸和再加壓四個(gè)步驟組成。3、深冷分離法2023/10/1951此法為根據(jù)氫和排放氣中其它組分的沸點(diǎn)相差較大，在深冷溫度下逐次部分冷凝，分離出甲烷、氬氣、以及部分氮的冷凝液，而獲得含氫90%的回收氣第五節(jié) 氨合成塔2023/10/1952氨合成塔，是在高壓、高溫下用來使氮?dú)夂蜌錃獍l(fā)生催化反應(yīng)以進(jìn)行氨合成的設(shè)備。氨合成塔是合成氨廠的心臟，是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的反應(yīng)器。一、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及基本要求 基本要求：①維持自熱、有利于升溫還原、催化劑生產(chǎn)強(qiáng)度大；②催化劑床層分布合理、保持催化劑活性；③氣流均勻、壓降?。虎軗Q熱強(qiáng)度大、換熱體積小、塔內(nèi)空間利用率高；⑤生產(chǎn)穩(wěn)定、操作靈活、操作彈性大；⑥結(jié)構(gòu)簡單可靠、內(nèi)件有自由余地。高溫高壓下，氫、氮對氨合成塔有腐蝕：①氫脆：氫溶解于金屬晶格中，使鋼材在緩侵變形時(shí)發(fā)生脆性破壞。②氫腐蝕：氫腐蝕，即氫氣滲透到鋼材內(nèi)部，使碳化物分解并生成甲烷，甲烷聚積于晶界微觀孔隙中形成高壓，導(dǎo)致應(yīng)力集中，沿晶界出現(xiàn)破壞裂紋。③在高溫高壓下，氮與鋼中的鐵及其他很多合金元素生成硬而脆的氮化物．導(dǎo)致金屬機(jī)械性能降低。2023/10/1953為了滿足高溫、高壓的雙重要求，合成塔由內(nèi)件（催化劑框、熱交換器、電加熱器）和外筒兩部分組成。內(nèi)件用(Ni、Cr)不銹鋼制作，耐500℃高溫和腐蝕，不承受高壓力；外筒用低碳合金鋼或優(yōu)質(zhì)碳鋼制成，承受高壓。2023/10/1954為了氨合成反應(yīng)接近最適宜溫度，塔內(nèi)件換熱形式不同，出現(xiàn)幾類合成塔：① 冷管式（連續(xù)換熱式-內(nèi)冷和段間）催化劑分3～5層，每層為絕熱反應(yīng)段，在催化劑層內(nèi)設(shè)置冷卻管，用反應(yīng)

前的低溫原料氣移走反應(yīng)熱，降低反應(yīng)溫度，并預(yù)熱原

料氣。② 冷激式（多段冷激式） 催化劑分3～5層，每層為絕熱反應(yīng)段，層間摻入冷原料氣控制反應(yīng)氣溫度。2023/10/1955二、連續(xù)換熱式合成塔2023/10/1956特點(diǎn)：在催化劑床層中設(shè)置冷管，利用在冷管中流動(dòng)的未反應(yīng)的氣體移出反應(yīng)熱，使反應(yīng)比較接近最適宜溫度曲線下進(jìn)行。中國小型氨廠多采用冷管式內(nèi)件，早期為雙層套管并流冷管，1960年以后開始采用三套管并流冷管和單管并流冷管。1、幾種典型冷管式合成塔分析2023/10/1957雙套管與三套管區(qū)別：內(nèi)冷管-----雙套管為單層，三套管為雙層。雙層內(nèi)冷管一端焊死，形成“滯氣層”，增大內(nèi)外管件內(nèi)阻，導(dǎo)致氣體在內(nèi)管升溫小，使床層與內(nèi)外間管環(huán)隙氣體溫差增大，改善上部床層冷卻效果。并流雙套管式2023/10/1958

由于內(nèi)冷管中氣體與環(huán)隙中氣體換熱，使進(jìn)入環(huán)隙中氣體的溫度提高，減小了與催化床層的傳熱溫差，致使反應(yīng)初期冷卻段上部排熱量與放熱量不適應(yīng)，床層溫度持續(xù)上升，熱點(diǎn)位置下移。到反應(yīng)后期，由于反應(yīng)速率降低，放熱量相應(yīng)減少，而環(huán)隙中氣體溫度較高，傳熱溫差減小放熱量與排熱量相適應(yīng)，較接近最適宜溫度曲線。2023/10/1959?容積利用系數(shù)低，冷管環(huán)隙氣體與內(nèi)冷管氣體的換熱致使催化床進(jìn)口溫度難以提高，影響了絕熱段催化劑活性的發(fā)揮。并流三套管式2023/10/1960并流三套管：冷套管頂部催化床層與環(huán)隙氣體的溫度差很大，增強(qiáng)

了冷卻效果，使反應(yīng)前期冷管的排熱量與反應(yīng)放熱量基本

適應(yīng)；反應(yīng)后期放熱量減少，但傳熱溫差減小，床層溫度

緩慢下降。整個(gè)床層較好地遵循了最適宜溫度曲線。同時(shí)，催化劑床層入口溫度較高，能充分發(fā)揮催化劑的活性。與

雙套管并流式內(nèi)件相比，生產(chǎn)強(qiáng)度提高5％-10％。但并流

三套管仍存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，催化劑裝填量小，底部催化劑還

原不徹底的缺點(diǎn)。2023/10/1961單管并流式2023/10/1962單管并流式2023/10/1963①容積利用系數(shù)高，催化劑裝填量增加，合成塔生產(chǎn)能力提高；②可采用小管徑、管數(shù)較多的冷管配置方案，冷管不受分氣盒的限制比較均勺；③氣流通過單管阻力降小：④結(jié)構(gòu)簡單，材料消耗少。此種內(nèi)件也存在如下問題：①結(jié)構(gòu)欠牢固，升氣管與熱交換器中心管的焊縫處和冷管與上下集氣環(huán)形管的焊縫處受溫差應(yīng)力的影響較大，常易發(fā)生拉裂；②催化劑裝填不易均勻，且冷管周圍存在冷區(qū)，同平面溫差較大，對催化劑的活性和壽命有一定的影響；③出于冷管的緣故，氣體先進(jìn)冷管后進(jìn)中心管，升溫、還原因難，在還原末期，催化床底部溫度提不上—來，還原不易徹底。連續(xù)換熱式合成塔要想取得良好的效果，必須從上述幾個(gè)方面改進(jìn)和提高國內(nèi)內(nèi)件開發(fā)商針對上述缺陷積極進(jìn)行改進(jìn)。①升溫還原為克服冷氣先經(jīng)冷管而后入中心管導(dǎo)致底部還原不徹底的問題，改冷氣先入中心管經(jīng)電熱器加熱后再入冷管，可改善底部還原不徹底的問題。②溫度調(diào)節(jié)采用分流原理，冷管和換熱器并聯(lián)③阻力降 采用軸徑向或徑向合成塔，縮短流通路徑．提高流通面積，以降低阻力。④催化劑裝填量 簡化冷管結(jié)構(gòu)，充分利用高壓空間，提高容積利用系數(shù)。⑤溫差應(yīng)力 將冷管束設(shè)計(jì)成可部分自由伸縮的結(jié)構(gòu)，并可更換，以解決由于熱膨脹而遭到破壞的問題。2023/10/1964三、冷激式氨合成塔2023/10/1965該塔優(yōu)點(diǎn)：床層溫度調(diào)節(jié)方便，省去許多冷管，結(jié)構(gòu)簡單，內(nèi)件可靠，催化劑裝填方便。缺點(diǎn)：內(nèi)件封死在塔內(nèi)，致使塔體較重，運(yùn)輸和安裝均較困難，內(nèi)件無法吊出，造成維修與更換零部件困難，塔阻力大。2023/10/1966第六節(jié) 氨合成過程的能量分析及余熱回收一、能量分析廢熱鍋爐副產(chǎn)蒸汽和加熱鍋爐給水氨合成反應(yīng)熱水冷器的水和氨冷器的氨帶走出塔氣余熱回收 出塔氣溫度出塔氣體溫度越高，則回收價(jià)值越大氨合成塔出口氣體溫度與進(jìn)塔氣溫度和氨凈值有關(guān)2023/10/1967二、熱能回收方法熱能回收有兩種方式：一種是利用余熱副產(chǎn)蒸汽，另一種是用來加熱鍋爐給水。用于副產(chǎn)蒸汽，按鍋爐安裝的位置又可分兩類：塔內(nèi)副產(chǎn)蒸汽合成塔(內(nèi)置式)和塔外副產(chǎn)蒸汽合成塔(外置式)，內(nèi)置式副產(chǎn)蒸汽合成塔雖熱能利用好，但因結(jié)構(gòu)復(fù)雜且塔的存積利用系數(shù)低．目前已很少采用。2023/10/1968外置式副產(chǎn)蒸汽合成塔2023/10/1969①前置式副產(chǎn)蒸汽合成塔。抽氣位置在換熱器之前．反應(yīng)氣出催化床層即進(jìn)入廢熱鍋爐換熱，然后回?fù)Q熱器。②中置式副產(chǎn)蒸汽合成塔。抽氣位置在I、Ⅱ換熱器之間。③后置式副產(chǎn)蒸汽合成塔。抽氣位置在換熱器之后，由與氣體溫度較低。外置式與內(nèi)置式比較，具有結(jié)構(gòu)簡單、附屬設(shè)備少、制造檢修方便等優(yōu)點(diǎn)。但外置式由于從塔內(nèi)移出一部分熱量，為了維持自熱，塔內(nèi)換熱器傳熱面積大，空速不能提高，因而催化劑生產(chǎn)強(qiáng)度較低，而且對材質(zhì)耐高溫、耐腐蝕性能要求較高。第七節(jié) 氨合成塔的操作控制要點(diǎn)-----化工生產(chǎn)操作之三生產(chǎn)操作控制的最終目的，是在安全生產(chǎn)的前提下，強(qiáng)化

設(shè)備的生產(chǎn)能力，降低原料消耗，使系統(tǒng)進(jìn)行安全、持續(xù)、均衡、穩(wěn)定的生產(chǎn)。氨合成塔的操作控制最終表現(xiàn)在催化床層溫度的控制上，在既定的反應(yīng)溫度下，應(yīng)始終保持溫度的相對穩(wěn)定。2023/10/1970一、溫度的控制溫度的控制關(guān)鍵是對催化床層熱點(diǎn)溫度和入口溫度的控制。

1、熱點(diǎn)溫度的控制對冷管式合成塔，不論是軸向還是徑向，其熱點(diǎn)溫度是指催化床層最高一點(diǎn)的溫度。由前述冷管式催化床溫度的分析可知，催化床的理想溫度分布是先高后低，即熱點(diǎn)位置應(yīng)在催化床的上部。對冷激式合成塔，每層催化劑有一熱點(diǎn)溫度，其位置在催化床的下部。熱點(diǎn)溫度僅是催化床中一點(diǎn)的溫度，但卻能全面反映催化床的情況。2023/10/1971正確控制熱點(diǎn)溫度：首先，根據(jù)塔的負(fù)荷及催化劑的活性情況，應(yīng)該在穩(wěn)定的前提下，盡可能維持較低的熱點(diǎn)溫度。因?yàn)闊狳c(diǎn)溫度低不僅可提高氨的含量，還可延長內(nèi)件催化劑的使用壽命。生產(chǎn)中一般根據(jù)催化劑不同使用時(shí)期和生產(chǎn)負(fù)荷，規(guī)定熱點(diǎn)溫度范圍。其次，熱點(diǎn)溫度應(yīng)盡量維持穩(wěn)定，因?yàn)闊狳c(diǎn)溫度穩(wěn)定，可以控制反應(yīng)在最適宜條件下進(jìn)行。2023/10/19722、入口溫度的控制床層入口溫度應(yīng)高于催化劑的起始活性溫度。床層入口溫度即會影響絕熱層的溫度，又會影響催化床層的熱點(diǎn)溫度。這是由于床層頂部的反應(yīng)速率隨入口溫度的變化而變化，這種變化會使不同深度