合成塔的设计

合成塔的设计
合成塔的设计
一、概述
合成氨是世界上较为重要的基础化学品之一，氨既是主要最终产品，也是重要的中间体。

氨的用途，无论是直接应用还是作为中间体，主要均在化肥领域。

在无机和有机化学品制造中，氨也有许多其他较次要的用途，例如制造**和丙烯晴。

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”。

从20 世纪20 年代世界第一套合成氨装置投产,到20 世纪60 年代中期,合成氨工业在欧洲、美国、日本等国家和地区已发展到了相当高的水平。

美国Kellogg 公司首先开发出以天然气为原料、日产1 000 t 的大型合成氨技术,其装置在美国投产后每吨氨能耗达到了4210 GJ 的先进水平。

Kellogg 传统合成氨工艺首次在合成氨装置中应用了离心式压缩机,并将装置中工艺系统与动力系统有机结合起来,实现了装置的单系列大型化(无并行装置) 和系统能量自我平衡(即无能量输入) ,是传统型制氨工艺的最显著特征,成为合成氨工艺的“经典之作”。

之后英国ICI、德国Uhde 、丹麦Topsoe 、德国Braun 公司等合成氨技术专利商也相继开发出与Kellogg 工艺水平相当、各具特色的工艺技术,其中Topsoe 、ICI 公司在以轻油为原料的制氨技术方面处于世界领先地位。

这是合成氨工业历史上第一次技术变革和飞跃。

传统型合成氨工艺以Kellogg 工艺为代表,其以两段天然气蒸汽转化为基础,包括如下工艺单元:合成气制备(有机硫转化和ZnO 脱硫+ 两段天然气蒸汽转化) 、合成气净化(高温变换和低温变换+ 湿法脱碳+ 甲烷化) 、氨合成(合成气压缩+ 氨合成+ 冷冻分离) 。

传统型两段天然气蒸汽转化工艺的主要特点是:①采用离心式压缩机,用蒸汽轮机驱动,首次实现了工艺过程与动力系统的有机结合。

②副产高压蒸汽, 并将回收的氨合成反应热预热锅炉给水。

③用一段转化炉烟道气预热二段空气,提高一段转化压力,将部分转化负荷转移至二段转化。

④采用轴向冷激式氨合成塔和三级氨冷,逐级将气体降温至- 23 ℃,冷冻系统的液氨亦分为三级闪蒸。

在传统型两段蒸汽转化制氨工艺中,Kellogg 工艺技术应用最为广泛,约有160 套装置,其能耗为3717～41. 8 GJ / t 。

经过节能改造后平均能耗已经降至3517 GJ / t 左右。

我国目前有大型合成氨装置共计34 套,生产能力约1 000 万t/ a ;其下游产品除1 套装置生产硝酸磷肥之外,均为尿素。

按照原料类型分:以天然气 (油田气) 为原料的17 套,以轻油为原料的6 套,以重油为原料的9 套,以煤为原料的2 套。

除上海吴泾化工厂为国产化装置外,其他均系从国外引进,按照专利技术分:以天然气和轻油为原料的有Kellogg传统工艺(10 套) 、Kellogg - TEC 工艺(2 套) 、Topsoe工艺(3 套) ,及20 世纪90 年代引进的节能型AMV工艺(2 套) 、Braun 工艺(4 套) 、KBR 工艺(1 套) ;以渣油为原料的Texaco 工艺(6 套) 和Shell 工艺(3套) ;以煤为原料的Lurgi 工艺(1 套) 和Texaco 工
艺 (1 套) ,荟萃了当今世界上主要的合成氨工艺技术。

20 世纪七八十年代引进的天然气合成氨装置均已对其进行了以“节能降耗”和“扩能增产”为目的的两轮与国外装置类似的技术改造,合成氨能耗由41187 GJ / t 降至33149 GJ / t ,生产能力提高了15 %～22 %;轻油型合成氨装置也进行了类似的增产节能技改,将能耗降至3712 GJ / t ,生产能力提高了15 %左右。

20 世纪80 年代引进的渣油型合成氨装置也进行过增产10 %的改造,主要改造内容是气化装置增设第3 系列,空分工艺改为分子筛流程,目前已经具备了实现1 100 万t/ a 合成氨的条件。

20 世纪90 年代,在高油价和石油深加工技术进步的双重压力下,为了改善装置的经济性,多套装置开始进行以“原料结构和产品结构调整”为核心内容的技术改造,原料结构调整包括轻油型装置的“油改煤”(采用Shell 或Texaco 煤气化工艺,以煤替代轻油) 、渣油型装置的“油改气”(采用天然气部分氧化工艺,以天然气替代渣油) 或“渣油劣质化”(使用脱油沥青替代渣油) ;产品结构调整包括转产或联产氢气、甲醇等。

二、中、小型氮肥装置
我国目前有中型合成氨装置55 套,生产能力约为500 万t/ a ;其下游产品主要是尿素和硝酸铵;其中以煤、焦为原料的装置有34 套,以渣油为原料的装置有9 套,以气为原料的装置有12 套。

目前有小型合成氨装置700 多套,生产能力约为3 000万t/ a ;其下游产品原来主要是碳酸氢铵,现有112 套经过改造生产尿素。

原料以煤、焦为主,其中以煤、焦为原料的占96 % ,以气为原料的仅占4 %。

我国引进大型合成氨装置的总生产能力为1 000 万t/ a ,只占我国合成氨总能力的1/ 4 左右,因此可以说我国氮肥工业主要是依靠自力更生建设起来的。

在此过程中,研究开发了许多工艺技术,促进了氮肥生产的发展和技术水平的提高,包括:合成气制备、CO 变换、脱硫脱碳、气体精制和氨合成技术。

氨作为最终产品和中间体的主要功能是提供反应态的氮。

氨不同于其他基础化工原料的特点是其主要组分氮容易就地取得，而且取之不竭。

氨合成主要经过四道工序：（1）水和烃或煤反应生产“合成气”。

即氢和一氧化碳的气体混合物；（2）“变换”工序，合成气中的一氧化碳与水反应多产生些氢；（3）氢的净化；（4）氢与氮（来自第一道工序中去掉氧的空气）反应而生成氨。

三、氨的性质及其生产工艺
1、氨的物理性质
氨是无色气体，具特有的强烈刺激性气味（空气中允许NH3最高含量规定为0.02毫克/升，若达0.5％则强烈刺激粘膜，引起眼睛和呼吸器官的症状）。

密度0.771克/升(标准状况)，比同体积的空气轻。

沸点-33.35℃，高于同族氢化物PH3、AsH3，易液化，在常温下冷却到-33.35℃或在常温下加压到0.7*105～0.8*105Pa，气态氨就凝结为无色的液体同时要放出大量的热。

熔点-77.7℃。

液氨密度0.7253克/厘米3，气化热大，达23.35千焦/摩，是常用的致冷剂。

2氨的化学性质
氨的化学性质较为稳定，具碱性和弱还原性。

极易溶于水，20℃时1体积水能溶解702体积NH3，氨的水溶液叫氨水。

液氨是极性分子，似水，可发生电离，液氨也能溶解一些无机盐如NH4NO3、AgI。

常见反应如体现其碱性的加合，与水生成NH3·H2O，在溶液中有平衡关系：·
NH3 ·H2O=HO-+NH4+
氨的弱还原性表现于如对O2、Cl
4NH3+3O2(纯) 2N2+6H2O
8NH3+3Cl2 N2+6NH4Cl
3合成氨工艺
用N2、H2直接在一定条件下化合为NH3。

工业合成氨的关键反应为：
N2+3H2 =2NH3+Q
最适条件是以铁触媒为催化剂在高温、高压下反应，温度400～550℃，过高则化学平衡强烈向左移动，过低则反应速度过慢，降低单位时间氨产量，此温度也是催化剂活性最强的温度范围。

压强高平衡右移有利于NH3的生成，但过高则给设备和技术条件造成困难，常以150～300兆帕为宜，过低则平衡右移微弱致使NH3产量降低。

工业上以空气、水、煤、天然气、石化产品等首先制得N2、H2，经严格提纯(防止催化剂中毒)，给N2：H2=1：3(体积)的混合气体施以高压，通入装有铁触媒的合成塔，在高压和400～550℃条件下反应，仅有部分N2、H2合成NH3。

再导出冷却分离出NH3后将未反应的N2、H2循环使用，以提高原料利用率降低成本。

若以焦炭、水、空气为原料时，理论上用于计算的关系式为3C～4NH3。

流程见下图。

焦炭
氨
4、合成塔设计条件
设计规模及特点：
氨合成塔外壳是高温、高压设备，其设计参数如下：
设计压力／MPa 31.4
设计温度／℃筒体200，底部400
工作介质N2、H2、CH4、NH3、Ar
设备内径／mm 1600
腐蚀裕度／mm 1
设备容积／m 331.9
密封形式双锥(设备大开口)
容器类别三类
其设计塔如下：
按照实际生产条件，计算新鲜气消耗及损失气体量：
1、合成塔入口
t=25℃p=290公斤/厘米²（绝对压力）
气体成分：H2 63.5% N2 21.8% NH3 4.2%
CH4 3.5% Ar 7.0%
2、合成塔出口
t=190℃
气体成分NH3 15.2%
3、分离器出口
t=30℃p=275公斤/厘米²（绝对压力）
气体成分NH3 9.0%
4、新鲜气补入
气体成分CH4 0.3% Ar 0.5%
5、蒸发器出口
t=5℃p=294公斤/厘米²
气体成分NH3 4.2%
计算：以1吨氨为基准
1、每吨NH3所需的循环气量
G=0.77V1(Y2-Y1)/(1+Y2)
V1=G(1+Y2)/0.77(Y2-Y1)
V1=1000*(1+0.152)/0.77*(0.152-0.042)
=13600米³
式中：G-------氨产量（公斤）
V1------每吨氨所需循环气量米³
Y2-------合成塔出口氨含量%
Y1--------合成塔入口氨含量%
0.77-------标准状况下气氨的重度公斤/米³
2
3、合成塔出口气量及成分：
生成NH3 1000/0.77=1299米³
耗H2 1299*1.5=1949米³
耗N2 1299*0.5=649米³
分离器出口气量及成分
分离器冷凝NH3量G1
G1 = V2(Y2-Y3)/(1-Y3)
= 12301*(0.125-0.09)/(1-0.09)
= 838 米³
=0.6453吨= 645公斤
式中：G1--------分离冷凝NH3量（公斤）
V2---------分离器入口气体量（米³）
Y2---------合成塔出口氨含量（%）
Y3----------分离器出口氨含量（%）
NH3冷凝后的气体量计组成
气体的溶解损失
t=30℃p=275 公斤/厘米²（绝对压力）
H2 = 275*0.6453*0.582*0.112=11.6米³
N2 = 275*0.6453*0.202*0.127=4.6米³
CH4= 275*0.6453*0.042*0.392=2.9米³
Ar = 275*0.6453*0.084*0.161=2.4米³
分离器出口的气量及成分
冷凝塔冷凝NH3量G2
G2=1-0.6453=0.3547吨=0354.7公斤
式中：
G2--------冷凝塔冷凝NH3量
0.6453(G1)-----分离器冷凝NH3量
气体的溶解损失为：
t = 5℃p=294 公斤/厘米²（绝对压力）
H2 = 294*0.3547*0.635*0.09=6米³
N2 = 294*0.3547*0.218*0.117=2.7米³
CH4= 294*0.3547*0.035*0.268=2.9米³
Ar = 294*0.3547*0.07*0.151=1.1米³
新鲜气定额及气体损耗
溶解损失CH4+Ar（分离器+冷凝塔）
2.9+2.4+1+1.1=7.4米³
溶解损失H2+N2+CH4+Ar（分离器+冷凝塔）
11.6+4.6+6+2.7+7.4=32.3米³
V0=2635+V01(1+0.09)+32.3米³
V0=（0.003+0.005）=V01(0.041+0.083)+7.4米³
解上二方程得
V0=2801米³折合仪表状态（t=20）℃
V0=3006米³
V01=123米³
四、合成塔结构
氨合成塔外壳顶部采用球形封头与端部法兰之间用30个M115×4的大螺栓紧固，双锥密封结构。

螺栓圆直径为ø 1952mm，材料为20MnMo。

端部法兰采用20MnMo锻件，与长度为L＝14463mm的筒体相接。

双层热套筒体由8节厚度δ≥156mm的筒节组成。

筒身材料为低合金高强钢13MnNiMo54，筒身与底部球形封头螺栓紧固。

球形封头采用单层厚度δ145mm的13MnNiMo54材料冲压成形，球形封头中心焊有DN360mm的中心接管，四周开有DN150mm卸触媒接口与分流气入口各2个,结构密集紧凑。

中心接管与底部“四通”采用大口径0Cr18Ni9不诱钢透镜垫连接密封。

氨合成塔外壳外型示意图见图1所示。

1、合成塔内件
合成塔的选择主要是触媒筐和塔内换热器，本着节约自身的水电和冷冻量消耗同时提高氨合成反应热的回收品位和利用率本设计触媒筐选用三段绝热冷激间冷式内件。

三段绝热冷激间冷式内件有如下特点：1）高效节能冷激-间冷式内件是托普索节能型氨合成塔内件基础上开发的一种高效节能型内件，氨净值高；2）生产能力大；3）床层间复合换热；4）节约管材；5）便于催化剂还原。

装填A106型合成塔催化剂，此种催化剂具有良好的抗毒性能，低温高活性，较好的热稳定性特点。

2、双层热套筒体
本氨塔外壳筒体采用西德细晶粒高强度钢板13MnNiMo54，筒体设计厚度为δd＝146mm,筒体名义厚度δn≥156mm。

由于卷板能力的限制，采用热套工艺解决筒体的制造。

筒体为双层热套，单层毛坯厚度δm＝90mm，套合面机加工，以保证套合接触面的良好贴合，内筒内壁面也进行了机加工，以使组合筒身满足设备严格的中心度要求及内件与筒壁内径环隙之均匀。

筒体全长L＝14463mm，共分为8节，其中6节筒节长度为1900mm。

筒节长度可按钢板宽度而定，但不宜过短，否则环缝数增加使成本、工时增加，同时给保证筒体的中心度增加了难度。

双层热套筒体设计的重点是套合过盈量的确定。

采用太小的套合过盈量时，筒体套合面
不能达到较好的紧贴，使力量的传递不均，局部不贴合处会产生局部的附加弯矩，从而降低内筒的疲劳寿命。

过大的过盈量使套合工艺难度增大，套合面接触应力过大，甚至超过材料的屈服强度。

本筒体设定的过盈量为ΔD＝(1‰～2‰) D。

采取偏小的过盈量值是总结以往工厂大量热套容器的制造经验而确定的。

套合面加工11级精度，粗糙度为12.5μm，一般机床均可满足图纸要求。

实践证明，套合面贴合紧密，坡口面目观无任何缝隙，同时止裂焊缝坡口加工后其根部亦无任何缝隙，说明套合工艺满足设计的要求。

本筒体所设定的过盈量在未经消应热处理及经消应热处理后承压时内筒内壁处、外筒内壁处及其组合应力均作了计算。

未经消应热处理时：其内筒内壁处套合应力σt内内30.88MPa(套合残余应力按50MPa计算)。

以上应力均小于材料屈服强度σs＝390MPa。

过盈套合的应力通过消除应力热处理后可大部分消除掉。

东方锅炉以前试验测定，经消应处理后的残余套合应力一般均≤50MPa，该应力对实际使用没有不利影响。

3、封头
封头的设计厚度δd＝70mm。

由于筒身名义厚度δn≥156mm，若按等强度设计，则造成很大的厚度差。

考虑到环缝的焊接要求，球形封头冲压后端部有8%～10%左右的增厚，故采用δ145mm的13MnNiMo54厚板整体冲压成形，以便使球形封头与筒体接近等厚连接。

富裕的金属量对底封头上5个开孔起到积极的整体补强作用。

底封头中心设置了DN360mm 的大开孔，内件的中心管将插入孔内组合密封。

距离中心线550mm对称布置2个DN150mm 卸触媒孔，距离中心线500mm对称布置2个DN150mm分气流入口孔。

5个接口与球形封头的焊接均采用全焊透结构，并均作100%UT、MT检查，保证接管焊缝的质量。

DN360mm 中心孔接管与下部“四通”的连接采用0Cr18Ni9不锈钢透镜垫密封连接。

其直径已超过标准推荐DN10～DN150的直径范围。

该氨合成塔外壳的对外连接以及与内件相连接的接口均集中在顶部和底部，中间筒体不作开孔。

结构设计要点：顶部的关键是DN1600mm大开口的双锥密封结构，其次是中部筒体的双层热套结构及底部封头上5个大口径接管的结构处理。

4加工制造工艺措施与技术
五、难点和不足
本氨塔属高温、高压、大直径、厚壁、大开孔设备，内件与外壳配合要求高，加工难度大，主要工艺难点有：
(1)塔体总长L＝19260mm，直线度要求≤6mm。

(2)顶部和底部采用双锥密封。

(3)该设备有M115×4，M80×4，M64×4，M54，M39，M36等盲孔攻丝；M460×6，M265×6，M215×6等螺纹加工。

(4)筒体为双层热套结构，筒节卷制加工精度要求高。

(5)各接口均为可拆卸螺栓联接。

底部密集大接管开孔，组装要求高，焊接难度大。

参考文献
1全国压力容器标准化委员会 GB150—1998钢制压力容器
2超高压容器设计.上海科学技术出版社，1984
3HG／T21573—95高压螺栓和螺栓液压上紧装置.中华人民共和国化学工业部，1995
4密封材料手册.中国石化出版社，1991
致谢
10。