南华大学机械工程学院毕业
1绪论
现今氨合成工艺在我国氮肥厂得到广泛的应用。展望国内氨合成塔内件可以说种类繁多，绝大多数的氨厂合成操作压力为31.36MPa。合成塔内件为传统的冷管型内件。其中三套管、单根并流、双套管式内件占大多数。此外，另有一批冷管改进型内件：比如ⅢJ型、YD型、NC型、轴径向、副产蒸汽式等。塔内换热器大部分为列管式，还有少数为螺旋式、波纹板式。小型氨厂大部分采用υ600、υ800直径塔。日产合成氨达80t、100t、150t不等。中型氨厂大多采用υ1000、υ1200直径塔。高压筒体高度为13.5～16m。日产氨200t 、250t、 290t不等。传统型内件氨净值大部分为9%～12%之间，改进型内件在12%～16%之间。合成塔阻力降0.6～1.2MPa。配置的余热回收装作吨氨副产蒸汽为600～800kg/t NH3,压力为1.3～2.5MPa。
下面简单介绍两种内件：
全冷激式内件 全冷激式内件是一种在中小型氨厂推广使用的新型内件，它与传统内件（内冷式内件）有本质区别，将圆催化剂中的冷管取消，将一个大的催化剂反应床分割为若干个小的催化剂反应床，床层之间采取冷激换热的方式将反应热一直，以便将反应能继续进行下去。冷激式内件是多层绝热、层间换热式内件中最简单的一种。它与层间水冷式内件几乎同时应用与多种合成氨厂。它具有结构简单，运行可靠的特点。此种内件根据合成系统工作压力、催化剂活性温度、催化剂温区范围、反应热回收方式等因素以及要达到的氨净值来确定催化剂床的数量。
多层换热式内件具有三大特点：
（1） 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。
（2） 催化剂筐采用径向型 （3） 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： （1） 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。
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（2） 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。
（3） 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。
（4） 顶部筒体密封采用双锥垫结构 密封使用成熟，密封可靠。 塔设备的作用是实现气（汽）-液相或液-液相之间的充分接触，从而达到相际间进行传质的目的。塔设备广泛应用于合成、蒸馏、吸收、介吸、萃取、气体的洗涤、增湿及冷却等单元操作。它的操作性能好坏，对整个装置的生产，产品产量、质量、成本以及环境保护、“三废”处理都有较大的影响。因此对塔设备的研究一直是工程界所关注的热点，随着石油、化工的迅速发展，塔设备的合理造型及设计将越来越受到关注和重视。
氨是最为重要的基础化工产品之一,其产量居各种化工产品的首位;同时也是能源消耗的大户,世界上大约有10%的能源用于生产合成氨。氨主要用于农业,合成氨是氮肥工业的基础,氨本身是重要的氮素肥料,其他氮素肥料也大多是先合成氨、再加工成尿素或各种铵盐肥料,这部分约占70%的比例,称之为“化肥氨”;同时氨也是重要的无机化学和有机化学工业基础原料,用于生产铵、胺、染料、炸药、制药、合成纤维、合成树脂的原料,这部分约占30%的比例,称之为“工业氨”。未来合成氨技术进展的主要趋势是“大型化、低能耗、结构调整、清洁生 产、长周期运行”。
在合成氨流程中，氨合成塔是其最主要的部分。氨合成装置的结构也是种类繁多，具体情况如下。
（1） 按触煤层反应热的取走方式分类
触煤层反应热的取走方式有两种：内冷式和冷激式。 （2） 按触煤层气流反向分类
触煤层的气流方向也有两种：轴向——气体沿塔的轴向通过触煤层；径向——气体在触煤层内作径向流动。
轴向合成塔 径向合成塔 轴径向合成塔
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（3） 按外形分类 立式合成塔 卧式合成塔 球形合成塔
（4） 按合成塔氨日产量分类
大型合成塔（日产1000t以上，包括1000t） 中型合成塔（日产150t左右） 大型合成塔（日产50t左右）
三种冷激式合成塔：
（1） 多层轴向冷激式合成塔 （2） 三层冷激式径向合成塔
（3） 两层径向冷激式合成塔（托普索型）
国内外氨合成工业的发展状况
合成氨是重要的化工产品，可以制成尿素、硝酸按和碳酸氢氨等氨素肥料。合成氨工业是氮肥工业的基础，对农业生产起着重要作用。人们常称合成氨为高能耗产品。这有两层含义，一为氨本身热值较高，气氨的热值为22.488×106kJ/t， 二为生产过程中损耗了大量能量。目前常规的合成氨技术能量消耗占总成本的 70%，加上合成塔的庞大及工艺流程的复杂，使合成氨工业具有投资大、能量消耗巨大、停产维修困难、运行费用高等缺点。目前，我国中小型化肥厂的能耗为 44×106~71×106kJ/t;而国外先进的制氨工艺己降至30×106kJ/t左右。因此降低 合成氨的能耗，简化工艺过程，成为合成氨研究的一个重要方向。
(1) 国内合成氨工业发展的现状
在国内，七十年代之后，氨合成工艺的合成压力是逐年递增。与国外合成氨 工艺的合成压力逐年降低的趋势恰恰相反。目前普遍采用31.4MPa高压操作，致 使能耗高居不下。大化肥和小化肥的科技进步与技术改造过程充分表明，合成氨 工业的技术进步趋势是企业上规模，研发和使用节能型低温低压高活性氨合成催 化剂，降低合成压力再辅以先进的工艺和设备，才能达到节能降耗的目的。
中国合成氨生产是在20世纪30年代开始的[6]，经过几十年的努力，我国现有大型(30万吨/年)合成氨厂31家、中型56家、小型828家。近几年我国合
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成氨产量约3000多万吨，2005年需求约为3500万吨，都居世界首位，是美国的2倍。合成氨工业每年消耗煤炭4000多万吨(标煤)、电力400多亿kwh、就业人数近百万人。
在大中小三类企业中，引进的大型装置的能耗接近国外水平，而中小企业(占 全国总产量的52.14%)的成本远高于大型装置，其能耗则高出先进水平近一倍。 巨大的经济利益始终推动着合成氨工业及其催化剂的技术进步与发展，降低能耗 是合成氨工业技术进步的核心。
(2)国外合成氨工业发展的现状
自本世纪20年代第一座合成氨装置投产以来，到60年代中期，合成氨工业在欧洲、美国、日本等地区已发展到相当高的技术水平。美国Kelofgg公司首先开发出以天然气为原料、日产干吨的大型合成氨装置，在美国投产后，使吨氨能耗达到42.OGJ的先进水平。与此同时，美国Braun公司、丹麦Topsoe公司、英 国ICI公司、日本Toyo公司等世界各大制氨公司，也都积极从事制氨技术的开 发工作，形成了各具特色的工艺路线，如丹麦Topsoe公司和英国Icl公司在以 轻油为原料的制氨技术方面，处于世界领先地位，这是合成氨工业发展史上第一 次技术变革和飞跃。70年代中期，由于世界石油危机，能源价格不断上涨，严 重冲击着世界石油危机，能源价格不断上涨，严重冲击着合成氨工业，造成成本 上升、经济效益下降，在这种严峻的形势下，世界上各合成氨大公司都以节能为 目标，竞相开发出各具特色的节能型新工艺流程，合成氨工业在80年代又经历 了第二次突破性的技术变革。如美国Kellgog公司、Braun公司、KTI公司、丹 麦Topsoe公司、英国ICI公司、德国Uhde公司、意大利Mnoetdsno公司等都积极开发新流程及与新流程相适应的高效催化剂和新设备，借以提高制氨技术在世界上的竞争能力。
近年来，为了节能降耗、增加产量，在传统工艺的基础上，国内外均推出了 一系列节能型氨合成工艺技术及流程，其主要改进的目的是增加氨合成转化率 (提高氨净值)、降低合成压力、减小合成回路压降、合理利用能量。 (3)合成氨工业的发展
近年来 ,氨合成工艺技术已取得长足进步。特别是市场经济体制的建立 ,各氮肥企业为了在市场竞争中走在前列 ,纷纷围绕节能降耗 ,加大技改力度 ,为氨
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合成技术的新发展提供了一个平台。在此形势下 ,各企业对氨合成装置的要求 ,逐渐由以前的强化高负荷生产转变到现在的轻负荷低消耗运行模式上来。因此氨合成的关键设备合成塔 ,在同等规模条件下 ,也逐渐的被大塔取代 ,出现了“大马拉小车”的局面。一些υ1200、υ1500、υ1600、υ1800、υ2000 的大直径塔逐渐被研制来 ,并投入到工业生产中去。伴随着大直径塔的使用 ,氨合成系统工艺运行条件发生了变化。低温低压氨合成催化剂的应用 ,也是企业节能降耗可行途径之一。
大直径塔及低温低压催化剂的使用 ,加大了企业的设备投入。企业势必采取各种措施保持装置长周期运行 ,以求得更多的有效生产时间。因此 ,原料气的净化度高 ,避免催化剂中毒 ,至关重要。积极使用原料气净化新技术 ,实现原料气微量 （CO+ CO2）趋近于“零”,避免铜液、油水入塔 ,最大限度的减少毒物对催化剂的影响将会被人们逐渐重视。
降低能耗始终是合成氨工业技术进步追求的目标。合成氨工业技术进步的发展趋势是开发与采用新型低温低压高活性催化剂，降低合成氨压力达到降低能耗的目的。 随着氨合成工业技术的进步，世界各国的氨合成塔均向低能耗，高效率的方向发展。合成塔设计是多学科发展的高科技产物，它依赖于合成氨工艺的发展，合成触媒的开发，高强度抗腐蚀材料的研究，乃至计算机辅助手段的综合发展而逐步完善的。我国合成塔设计落后于其他发达国家，在一定意义上，主要是受压力容器制造技术的限制和高强度抗腐蚀材料研究的缓慢。随着我国改革开放和科学技术的迅速发展，我国合成塔的设计，必将有一个新的飞跃。
氨合成塔的工作原理简述
在高压、高温下用来使氨气和氢气发生催化反应以进行氨合成的设备。氨合成塔使合成氨厂的心脏，使一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。内件外由保温层，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
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