毕业设计（论文）-Φ800层板包扎式氨合成塔设计.doc

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1、四川理工学院毕业设计（论文） 800 层板包扎式氨合成塔设计 （波纹板式换热器） 学 生： 学 号： 专 业：过程装备与控制工程 班 级：2009.1 指导教师：周 敏 四川理工学院机械工程学院 二二 O 一三年六月一三年六月 四 川 理 工 学 院 毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书 设计（论文）题目： 800 层板包扎式氨合成塔设计（波纹板式换热 器） 学院：机械工程学院 专业：过程装备与控制工程 班级： 学号： 学生： 指导教师： 周 敏 接受任务时间 2013 年 3 月 1 日 系主任 （签名） 院长 （签名） 1毕业设计（论文）的主要内容及基本要求 设计（论文）的要求 1

2、 完成：装配图 1 张（0 号） ，零件图 2 张（CAD 与手工制图各 1 张） ，设计说 明书 1 份 设计（论文）的原始数据 2 给定：800， 8 万吨/年，年工作日 310 天，内件：换热器用波纹板式 新鲜气：CH4：0.70% 入塔气：NH3：4.0%，Ar+CH4：16%，30 C 出塔气：NH3：17% 出水冷器温度：35 C 设计压力：32MPa 触媒：自选 2指定查阅的主要参考文献及说明 氨合成塔 ，石油化学工业出版社 机械设计手册 ，机械工业出版社 1 2 机械制图 ，清华大学出版社 高压容器设计 ，上海人民出版社 3 4 15098钢制压力容器以及相关标准 5 GB 期

3、刊主要有：中氮肥 、 化工设计通讯 、 化工机械 、 化肥工业 3进度安排 设计（论文）各阶段名称起 止 日 期 1资料收集，阅读文献，完成开题报告3 月 1 日至 3 月 20 日 2完成所有结构设计和设计计算工作3 月 21 日至 4 月 21 日 3完成所有图纸绘制4 月 22 日至 5 月 22 日 4完成设计说明书5 月 23 日至 6 月 1 日 5完成图纸和说明书的修改，答辩的准备和毕业答辩6 月 2 日至 6 月 10 日 I 摘 要 氨气是重要的无机化工产品，氨合成塔是生产合成氨的核心设备。 本设计进行了氨合成塔的工艺计算，对内件和筒体的材料选择进行了论证。 采用常规设计方法

4、，对氨合成塔进行了结构设计与强度校核，探讨了氨合成塔 的制造、安装、维护方法。根据操作工艺的要求，选用单管并流式触媒筐，波 纹板式换热器，外筒采用层板包扎式筒体结构。 关键词：层板；包扎式；氨合成塔；工艺设计；结构设计 II ABSTRACT Ammonia is important inorganic chemical products, ammonia synthesis tower is the core equipment of producing synthetic ammonia. This design process calculation of ammonia synthes

5、is tower, the internal parts and cylinder selection of materials are discussed. the conventional design method of ammonia synthesis tower, the structure design and strength check in ammonia synthetic tower, discusses the manufacture, installation, maintenance method. According to the operation proce

6、ss requirements, choose single pipe and streaming catalyst baskets,corrugated plate heat exchanger, outside tube using layer board bandage type cylinder structure. Keywords: Layer board, Bandage type, Ammonia synthesis tower, Process design, Structure design. 目 录 摘要摘要I ABSTRACT.II 第第 1 1 章章 绪论绪论1 1.

7、1 设计任务设计任务.1 1.2 合成塔在合成氨生产工艺中的地位合成塔在合成氨生产工艺中的地位.1 1.3 合成氨工业的发展简史合成氨工业的发展简史.1 1.3.1 国内合成氨的发展概况1 1.3.2 国外合成氨的发展概况2 1.4 合成氨在国民经济中的作用合成氨在国民经济中的作用.2 第第 2 2 章章 化工工艺计算化工工艺计算.3 2.1 原料特性原料特性.3 2.2 产品特性产品特性.3 2.2.1 氨的物理性质3 2.5.1 物料衡算7 2.5.2 热量衡算9 2.6 工艺技术特性一览表工艺技术特性一览表.14 第第 3 3 章章 设备类型的选择与论证设备类型的选择与论证.15 3.1

8、 氨合成塔的总体结构及基本要求氨合成塔的总体结构及基本要求15 3.2 外筒结构型式的选择与论证外筒结构型式的选择与论证16 3.3 密封结构形式的选择与论证密封结构形式的选择与论证17 3.4 触媒筐的结构设计与论证触媒筐的结构设计与论证.19 3.5.1 换热器设计的基本要求20 3.5.2 换热器的选择与论证.21 第第 4 4 章章 设备主要材料的选型与论证设备主要材料的选型与论证22 4.1 氨合成塔材料的选择原则氨合成塔材料的选择原则.22 4.2 外筒材料的选择与论证外筒材料的选择与论证22 4.2.1 筒体材料的选择与论证22 4.2.2 上下封头及端部法兰材料的选择与论证.2

9、3 4.2.3 螺母、螺栓及密封件材料的选择及论证.23 4.3 内件材料的选择及论证内件材料的选择及论证23 4.3.1 内件用材的基本要求.23 5.1 氨合成塔内换热器的设计条件氨合成塔内换热器的设计条件.26 5.2 确定设计方案确定设计方案26 5.2.1 流程安排26 5.2.2 物性数据的确定.26 5.3 换热器工艺结构设计换热器工艺结构设计.28 5.3.1 初算换热面积28 5.3.2 工艺结构尺寸28 第第 6 6 章章 氨合成塔触媒的选择及触媒筐设计氨合成塔触媒的选择及触媒筐设计30 6.1 合成氨触媒的选用合成氨触媒的选用30 6.1.1 触媒选用的基本要求.30 6

10、.2 触媒筐设计触媒筐设计.32 6.2.1 触媒筐工艺指标的选择32 6.2.2 触媒筐的直径和高度.33 6.2.3 绝热层高度.34 第第 7 7 章章 电加热器的设计电加热器的设计.37 7.1 电加热器的作用及常用结构形式电加热器的作用及常用结构形式37 7.1.1 电加热器设计的一般要求.37 7.1.2 电加热器的结构型式.37 7.2 电加热器材料的选择电加热器材料的选择.38 7.2.1 电热元件材料的一般要求.38 7.2.2 电加热器材料的选择.38 7.3 电加热器功率的确定电加热器功率的确定.39 7.4 电热元件的电气计算电热元件的电气计算.41 7.4.1 电加热

11、器功率的计算.41 7.4.2 电加热器端电压的选择41 7.5 电加热器端盖设计电加热器端盖设计43 7.5.1 端盖密封设计43 7.5.3 端盖设计44 第第 8 8 章章 氨合成塔的强度计算氨合成塔的强度计算.46 8.1 氨合成塔外筒的结构特点氨合成塔外筒的结构特点.46 8.1.1 氨合成塔外筒的结构特点.46 8.1.4 高压容器的密封.47 8.2 筒体的设计和计算筒体的设计和计算47 8.2.1 设计条件47 8.2.2 筒体厚度的确定.47 8.3 密封件的设计计算密封件的设计计算48 8.3.1 密封件的类型确定48 8.3.2 密封件的材料选择49 8.3.6 螺母的计

12、算.50 8.4.1 法兰型式及尺寸的确定51 8.4.2 法兰强度校核52 8.5.1 结构设计55 8.5.4 a-a 环向断面的应力校核.57 8.6 筒体底封头的的设计计算筒体底封头的的设计计算.57 8.6.1 封头型式及材料的选择57 8.6.4 耐压试验58 第第 9 9 章章 氨合成塔的制造氨合成塔的制造.60 9.1 原材料的检验原材料的检验60 9.2.1 矫形60 9.2.2 净化61 9.3 氨合成塔外筒的制造氨合成塔外筒的制造.62 9.3.1 简介62 9.4.3 波纹板式换热器的制造66 9.5 氨合成塔的检验氨合成塔的检验.67 9.6 氨合成塔的试压氨合成塔的

13、试压.68 第第 1010 章章 氨合成塔的安装和维护检查氨合成塔的安装和维护检查70 10.1 氨合成塔的安装氨合成塔的安装.70 10.1.1 施工前的准备.70 10.1.2 氨合成塔的安装71 10.1.3 安装安全技术.76 10.1.4 交工验收技术文件.77 10.2.1 氨合成塔的维护77 10.2.2 氨合成塔的检查78 第第 1111 章章 专题讨论专题讨论81 11.1 采用两进两出两次合成新工艺采用两进两出两次合成新工艺.81 11.4 降低阻力，改善气体分布的均匀性降低阻力，改善气体分布的均匀性.81 11.6 延长触媒使用寿命的措施延长触媒使用寿命的措施.82 11

14、.8 延长氨触媒筐使用寿命的措施延长氨触媒筐使用寿命的措施.83 第第 1212 章章 结论结论.85 参考文献参考文献.86 致致谢谢87 四川理工学院毕业设计（论文） 1 第一章 绪论 1.1 设计任务 本次设计任务为：800 层板包扎式氨合成塔设计（波纹板式换热器） 。合 成塔年产量：8 万吨/年，年工作日：310 天。 1.2 合成塔在合成氨生产工艺中的地位 氨的合成是一门发展较快、研究较深、且已有六十余年生产历史的典型的 高压下多相催化反应过程。在生产实践中由于劳动人民不断研究改进，努力创 造，对氨的合成在理论上有了更深的理解，在技术上得到较快的发展，使生产 过程日趋完善。 氨合成塔

15、被称为合成氨厂的心脏。它是整个合成氨厂生产过程中的主要关 键设备之一。经过精致的氢氮混合气体，在高压、高温和触媒的催化作用下在 合成塔内直接合成为氨。 氨合成塔工艺参数的选取以及结构设计是否合理，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他设备能力的好 坏，又直接影响了氨合成塔的正常生产和生产能力。 因此，在氨合成塔设计时，必须在一定的工艺条件下，连同整个合成系统 其它设备一齐考虑，才能达到技术先进，经济合理的提高生产能力的目的。 1.3 合成氨工业的发展简史 1.3.1 国内合成氨的发展概况国内合成氨的发展概况 在解放之前，我国氮肥工业和其他工业一样，基础十

16、分薄弱，技术落后， 生产水平很低。全国仅有两家规模不大的氨合成厂，一家还由日本帝国主义者 所经营。生产时断时续，完全处于瘫痪阶段。氨合成塔的生产技术一直停留在 三十年代的落后水平。 1949 年建国以来，我国合成氨工业有了迅速发展。各种类型的合成氨厂星 罗棋布，遍及全国各地。氨合成塔塔型很多，并且正在不断推陈出新。短短的 几年间，就设计和采用了三套管、单管并流、U 形管、单管折流、径向、轴向- 径向、冷激、冷激-内冷、两次合成、卧式、球形和副产蒸汽等新型氨合成塔。 塔内的换热器也采用了螺旋板式和波纹板式等高效传热设备。同时对列管式换 热器进行了强化传热方面的改造。合理安排冷热交换，节省冷量，回

17、收热能。 使氨合成塔的生产能力大大提高，技术经济指标得到改善。赶上和超过了国际 上同规格塔的先进水平。 第一章 绪论 2 1.3.2 国外合成氨的发展概况国外合成氨的发展概况 自上世纪 20 年代到 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。美国公司首先开发出以天然气为原料、日Kelofgg 产千吨的大型合成氨装置，在美国投产后，使吨氨能耗达到 42.0GJ 的先进水平。 与此同时，美国 Braun 公司、丹麦公司、英国 ICI 公司、日本 Toyo 公Topsoe 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，如丹麦公司和

18、英国 ICI 公司在以清油为原料的制氨技术方面Topsoe 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，严重冲击着合成氨工业，造成 成本上升、经济效益下降，在这种严峻形势下，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 89 年代又 经历了第二次突破性的变革。如美国公司、公司、公司、丹gogKellBraunKTI 麦公司、英国公司、德国公司、意大利公司等都积 Topsoe ICIUhdeMnoetdsno 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

19、界上的竞争能力。 最近几年，为了节能省耗、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、减小合成回路压率、合理利用能量。 1.4 合成氨在国民经济中的作用 氨是非常重要的化工产品之一，合成氨工业在国民经济中占有重要地位。 除液氨可直接作为肥料外，农业上使用的氮肥，例如尿素、硝酸铵、磷酸铵、 氯化铵以及各种含氮复合肥，都是以氨为原料的。合成氨是重要的化工产品之 一，世界每年合成氨产量已达到 1 亿吨以上，其中约有 80的氨用来生产化学 肥料，20作为其它化工产品的原料。可见，合成氨工业史氮肥工业的

20、基础， 对农业增产起着十分重要的作用。 同时，氨也是重要的工业原料，广泛用于制药、炼油、纯碱、合成纤维、 合成树脂、含氮无机盐等工业部门。将氨氧化可以制成硝酸，而硝酸又是生产 炸药、染料等产品的重要原料。现代国防工业和尖端技术也都与氨合成工业有 密切的关系，例如生产火箭的推进剂和氧化剂，同样也离不开氨。此外，液氨 还是常用的冷冻剂。合成氨工业的迅速发展，也促进和带动了很多科学技术部 门的发展，所以氨合成工业在国民经济中具有十分重要的作用。 四川理工学院毕业设计（论文） 3 第二章 化工工艺计算 2.1 原料特性 氢气、氮气是合成氨重要的原料。 在一般情况下，氢气是一种无色无味的气体，在标准大气

21、压下沸点为- 252，熔点为-259.难溶于水，在相同条件下氢气是密度最小的气体，在标准 状况下，1 升氢气质量为 0.0899 克，约是同体积的空气的 1/14。氢气在常温 下性质稳定，但在点燃或加热等条件下，能跟许多物质发生化学反应。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汽化方法来制取氢 气。 氮气是一种无色无臭味的气体，比空气稍轻，难溶于水。氮原子有较强的 非金属性，在氮分子中有共价键，键能大，所以氮气化学性质不活泼，但在高 温下，破坏了共价键，氮气可跟许多物质发生反应。氮气普遍来源于空气，可 以在低温下将空气液化、分离而得，也可以在制氢过程中直接加入空气来解决。

22、2.2 产品特性 2.2.1 氨的物理性质氨的物理性质 通常在常温常压下，氨是一种具有特殊刺激性臭味的无色气体。其比重 为 0.596（空气为 1） 。液氨对水的比重为 0.618。在温度为 0及压力为 760 毫米水银柱时，1 立方米气态氨重 0.771kg，1 克分子气态氨的体积为 22.08 升。 如果将气氨在大气压下冷至-33.4，或者在常温（15）下加压至 10 大 气压则液化成无色液体（不纯时为淡黄色或淡兰色） ；再继续冷至-77.3时， 则固结成微带臭味的无色结晶物。气态氨的临界温度为 132.4；临界压力为 112.2 大气压。 氨可溶于极性溶剂，如水和酒精中。氨溶于水中并和水

23、发生化学作用， 因此氨在水中溶解度较大，在标准状态下，其溶解度约为 1300 升氨/升水。 在常温常压下，其溶解度约为 600 升氨/升水。溶解有氨的水溶液叫做氨水， 其比重小于 1，氨含量越多，比重越小。稀氨水可作速效肥料。氨在溶解时 释放出热量，每生成 1 千克 20%(重量)氨溶液，约释放出 100 千卡热量。氨 在水中的溶解度随温度的增高而减小，随压力的增加而增大。氨水的比重与 沸点随着浓度的增加而下降。冷至-41时，浓氨水中就析出晶体，在-41C 第二章 化工工艺计算 4 QNHHN 332 23 时即凝固成冻胶状，几乎没有氨的气味。 液态氨的蒸发潜热非常大，在蒸发时，1kg 的液氨

24、可产生约 1316 升的气氨 （在 0和 760 毫米水银柱时） 。液氨气化时要吸收大量的热，所以氨可用做制 冷剂。氨在各种盐类的水溶液中、醚中以及各种醇类中的溶解度比在水中的溶 解度小得多。 2.2.2 氨的化学性质氨的化学性质 氨是化学性质比较活泼的化合物，可以与许多物质相互作用。氨与水化 合生成氢氧化铵：，氢氧化铵是一种弱碱，因此氨的水溶 324 NH +H O=NH OH 液有碱性反应。 氨容易与各种酸及其酸酐直接作用生成各种铵盐。例如 氨的自燃点为 630，燃烧时生成蓝色火焰，氨与空气或氧按一定比例混 合后，遇火会发生爆炸。常温下氨在空气中的爆炸范围为 15.528%，在氧气 中为

25、13.582%。液氨或干燥的气氨，对大部分物质没有腐蚀性但在有水的条 件下对铜、银、锌等有腐蚀作用。 2.3 合成原理及典型工艺流程 2.3.1 合成原理合成原理 生产合成氨是以氢气、氮气为原料，在一定的温度、压力和触媒（催化剂） 存在的条件下，直接合成为氨的过程，其化学反应式是： 此反应是放热和体积缩小的可逆化学反应。生产中总希望生产氨量多，而 氨的生成量与化学平衡有关。所谓的化学平衡就是当操作条件（压力、温度、 气体组成）一定时，气体中的最大氨含量。合成反应的化学平衡，是随着反应 条件（温度、压力、气体组成）的改变而改变的。由于实际生产中，并不可能 达到平衡，所以除了考虑平衡浓度外，还应考

26、虑反应速度。反应速度是指单位 时间内氮和氢合成为氨的量的多少。氨合成反应的速度与温度、压力、气体组 成和触媒有关。 在操作过程中，温度、压力、空速、氢氮比、惰性气体的含量，初始氨含 SNHSH2NH QCLNHHCLNH QSONHSOH2NH QNONHHNONH 2423 33 424423 3433 四川理工学院毕业设计（论文） 5 量和触媒等因素的变化，对氨的生成量都有影响。而最适宜的操作条件时，氨 的含量为最大。因此，要使氨的合成量最大，必须选择一个适宜的操作条件。 2.3.2 典型的工艺流程典型的工艺流程 合成氨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

27、 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

28、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。 本次设计采用不副产蒸汽的氨合成系统流程。 第二章 化工工艺计算 6 图 2-1 不副产蒸汽的氨合成塔流程 2.4 合成塔的操作条件与说明 操作条件即为压力、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

29、，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。因此就必须要有个最适 宜的操作压力，本次设计压力为 32MPa。 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

30、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 430。 3.空速。气体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， 四川理工学院毕业设计（论文） 7 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

31、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

32、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。为了调节方便起见，合成氨厂生产上氢氮比以维持在 3 左右 为宜。 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

33、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。 本设计入塔气 Ar+CH4含量控制在 16%。 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。 目前国内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 第二章 化工工艺计算 8 hkmol XX

34、 XG V 12 2)1 ( 进 hkmolV/59.5692 %4%17 %17151.632 ）（ 进 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%。 2.5 物料衡算与热量衡算 2.5.1 物料衡算物料衡算 2.5.1.1 本次合成塔的设计条件为： 1.给定：800； 8 万吨/年；年工作日 310 天。 2.设计（设计）的原始数据： 新鲜气：0.70；

35、4 CH 入塔气：4.0； ：16, 30； 3 NH 4 CHAr 出塔气：17； 3 NH 出水冷却温度：35； 设计压力：32MPa； 触媒：自选。 2.5.1.2 进出塔气体量及含量计算 （1）根据产量与合成塔进出口氨含量，计算合成塔进出口气量与组成 （2-1） 式中: V进合成塔进口气量，hkmol/ G合成塔每小时氨含量，；hkmol/ 进口的气氨含量，%； 1 X 出口的气氨含量，%。 2 X （2）每小时氨的产量： (2-2) (2-3) 代入（2-1）得： (2-4) （3）入塔氮气的含量： hkgW/69.10752 24310 108 7 hkmolG/51.632 17

36、 69.10752 hkmolGVV/08.506051.63259.5692 进出 四川理工学院毕业设计（论文） 9 %31. 5%100 293. 07 . 0 293 . 0 %18 , 出Ar X %28.11%100 293 . 0 7 . 0 7 . 0 %16 ,4 入CH X %72. 4%100 293 . 0 7 . 0 293 . 0 %16 , 入Ar X %25.16 %18%171 4 1 %75.48 %18%171 4 3 %69.12%100 293 . 0 7 . 0 7 . 0 %18 ,4 出CH X )(08.5060%1659.5692 , ,4 出

37、出ArCH XX %18 08.5060 %1659.5692 )( , ,4 出出ArCH XX %20 %16%0 . 41 4 1 (2-5) （4）入塔氢气的含量： (2-6) （5）出入塔氩气和甲烷的含量之和相等： (2-7) 代入数据得： （6）出塔氮气的含量： (2-8) （7）出塔氢气的含量： (2-9) 出出出出Ar,CHNH,N XXXX 432 , 1 4 1 出出出出Ar,CHNH,H XXXX 432 , 1 4 3 )(,1 4 1 , , 4 32 入入 入入 ArCH NHNXXXX %60)(1 4 3 , ,4,32 入入入 入 ArCHNHH XXXX )

38、()( , ,4,4 出出出入入进ArCHArCH XXVXXV 第二章 化工工艺计算 10 2.5.2 热量衡算热量衡算 2.5.2.1 全塔总热量衡算 氨合成塔的总热量衡算示意图如图（2-2） 图 2-2 氨合成塔的总热量衡算示意图 进出口塔气体温差按下式计算（不计塔的热损失）： (2-10) 式中： 3 NH X进出塔氨 含量之差； 1 ,3 NH X 入口塔中氨含量； T H 温度在氢氮合 2 t 成氨的表观反应热， 千卡/公斤分子氨； 气体按初始状态，氨浓度为，温度为和的平均温度 P C 1 ,3 NH X 1 t 2 t 下的恒压力比热，千卡/公斤分子氨。 设出塔气体温度为 235

39、,则塔进、出口气体平均温度为： 2 T (2-11) PNH TNH CX HX T )1 ( 1 , 3 3 5 . 132 2 23530 2 21 TT T 四川理工学院毕业设计（论文） 11 22 415.198 . 0 4 706. 08 . 0mF 小时千卡9 .128132580415.1912 n q kmolkcalHT12100 查氨合成塔附图 9 得： 查氨合成塔附图 33 得： 与原假设的温度相似，故 。 2 T235 2 T 2.5.2.2 热损失的计算 氨合成塔损失与周围的热量，按下式计算: （2- 12） （2- 13） 式中：合成塔散热面积，； F 2 m 塔的

40、壁温，采用工厂实际数据； w t 塔周围空气的温度，取 25； B t 塔壁外表面对空气的传热系数， T 小时米千卡 2 / 经验公式：； wT t 5.008 塔壁厚； h塔高(假设为 7m)。 2.5.2.3 触媒筐热量衡算 公斤分子/45 . 7 kcalCP )( BwTn ttFq 2 4 )( ii DhDF 128005 . 0 8 T 05.209 45 . 7 )04 . 0 1 ( 12100)04 . 0 17 . 0 ( T 05.23905.2093012TTT 第二章 化工工艺计算 12 kmolkcalHT/12100 p5T5 T3 3 3 5 CV HM 损

41、QtCV t pT 图 2-3 触媒筐的热量衡算示意图 根据热平衡方程式，有： （2- 14） 即 （2- 15） 式中： 气体进入触媒筐带进热量，； 5 Qhkcal/ 气体在触媒层的反应热，； 反 Qhkcal/ 气体出触媒筐带走热量， ； 3 Qhkcal/ 触媒筐的热损失，。 损 Qhkcal/ （2-16） （2-17） （2-18） （2-19） 式中： 合成塔中氨的生成量， ；M51.632Mhkmol/ ，分别为进出触媒筐的气体量, ； 5T V 3T Vhkmol/ 分别为进出触媒筐的气体比热, ； 53 ,Cp Cpkmolkcal/ 分别为进出触媒筐的气体温度, ； 5,

42、 3 t t 氨合成的表观反应热, 。 T Hkmolkcal/ 将式（2-17）至（2-19）式带入（2-16）式， 得 （2-20） 5555 tCVQ PT 333 3TP QV C t T QMH 反 5 5%QQQ 损反 出入 QQ 35损反 QQQQ 四川理工学院毕业设计（论文） 13 参考中小型氨合成塔生产操作问答表 9-1 取离开触媒筐的温度=430。 3 t 2.6 工艺技术特性一览表 表 2-1 氨合成塔进出口气体组成 合成塔进口气体合成塔出口气体 气体名称含量（%）量（）hkmol/含量 （%） 量 （）hkmol/ 2 H603415.5548.752732.96 2

43、N201138.5216.25910.99 4 CHAr 16910.82181009.10 3 NH4227.7017953.03 总量1005692.591005060.08 表 2-2 合成塔内各部分主要温度 名称塔进口塔出口触媒筐入口触媒筐出口换热器入口换热器出口 温度3023522043060260 第二章 化工工艺计算 14 四川理工学院毕业设计（论文） 15 第三章 设备类型的选择与论证 3.1 氨合成塔的总体结构及基本要求 氨合成塔是生产合成氨的主要设备之一。它的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，因此合成塔不仅要 有较高的机械强度，而

44、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、氮对碳钢具有明显的腐蚀作用。 氢对钢材的腐蚀作用包括氢脆和氢腐蚀：氢可溶解于金属晶格中，使钢材 在缓慢变形时发生脆性破坏，这种现象称为“氢脆”；另一种现象“氢腐蚀”，即 氢渗透到钢材内部，使钢材中的碳化物分解而生成甲烷，甲烷积聚于金属晶格 边界的孔中，使金属出现鼓泡或裂纹，使金属机械性能降低。 在高温高压下，氮与钢材中的铁及其它很多合金元素生成硬而脆的氮化物， 使钢材的机械性能降低。 为了适应氨合成的反应条件，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

45、保温层，以减少向外筒散热。因此，外筒主要承受高压(操 作压力与大气压力之差)，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，从而可降低对内件选材和强度的要求。 内件一般用合金钢来制作，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。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。 在氨合成塔设计过程中，一般应考虑的问题: 一、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

46、大。 二、触媒生产强度大。合成塔的结构型式应能保证触媒层在最适宜的操作 条件下工作，从而充分发挥触媒的活性。 三、流体阻力小。一般轴向氨合成塔的阻力约占合成工段系统阻力的一半。 阻力的大小直接影响到氨生产的能力和消耗定额。降低阻力是氨合成塔生产能 力能否提高的关键之一。因此，在设计和操作合成塔时应该尽量降低合成塔的 阻力，一般轴向合成塔的阻力70%是在触媒层的阻力上，因而降低触媒层的 阻力极其重要。过高的阻力不但对系统的正常生产不利，特别是对触媒筐筒体 第三章 设备类型的选择与论证 16 来讲也是不允许的，因为过大的阻力还将使触媒筒体压扁破坏而造成事故。 四、氨净值高，减少分离氨及循环机的负荷

47、。合成塔在最适宜条件下操作 时氨净值高，出口氨含量高，可以在较高的温度下分离氨，可以在很大程度上 节省冷却设备。同时氨净值高，就降低了系统的循环气量，相应地降低了能量 的消耗。 五、气沐分布均匀，处理气量大。在具有高的单塔生产能力的同时，也使 整个系统在正常负荷下操作。 六、热能综合利用好。不是考虑在合成塔后冷却器中除去反应热，而是要 积极地利用反应热，补充氨生产和氨加工系统所需要的能源，以降低总的能源 消耗。 七、操作方便，调节灵活，并尽量减少同平面温差或同圆柱面温差，充分 发挥触媒的活性。 八、使用寿命长。一般要求氨合成塔外筒使用寿命 2030 年，内件使用寿 命 610 年，或更长更好。

48、 九、结构简单，运行安全可靠。 十、制造、运输、安装、维护、检修方便。 十一、金属材料用量少，备料方便。 对于 1000 毫米以下的氨合成塔，现阶段应着手研究进一步提高氨生产能 力，降低阻力，多产氨，并能副产 813 公斤/平方厘米蒸汽。 3.2 外筒结构型式的选择与论证 氨合成塔选用圆柱形容器，圆柱形容器是最常见的一种压力容器结构形式， 具有结构简单、易于制造，便于在内部装设附件等优点，被广泛用作反应器、 换热器、分离器和中小容积储存容器。圆筒形容器的容积主要由圆柱形筒体提 供。 圆筒可分为单层式和组合式两大类： 1单层式筒体。筒体的器壁在厚度方向是由一整体材料所构成，也就是器 壁只有一层（为防止内部介质腐蚀，衬上的防腐层不包括在内） 。其优点是结构