氨合成塔

氨合成塔

氨合成塔，是在高压、高温下用来使氮气和氢气发生催化反应以进行氨合成的设备。氨合成塔是合成氨厂的心脏，是一种结构复杂的反应器。现在工业上氨合成是内件外有保温层，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的压力差，可用耐热镍铬合金钢制作。

∙1简介

∙2详细

∙3分类

∙4其他介绍

∙5工艺流程

∙6反应催化剂

1简介

氨合成塔（ammonia synthesis converter ）是在高压、高温下用来使氮气和氢气发生催化反应进行氨合成的设备。氨合成塔是合成氨厂的心脏，是种结构

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、高温下氢气对钢的腐蚀，氨合成塔由耐高压的封头、外筒和装在筒体耐高温的内件组成。

2详细

现在工业上氨合成是内件外有保温层，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的压力差，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，筐内装铁催化剂，氨合成反应在此进行。从催化剂筐出来的热气体温度通常在460℃以上，进氨合成塔的冷气体温度根据流程的不同，有的为20～30℃,有的可达140℃以上。为了使进氨合成塔的气体能加热到反应温度，同时又能冷却反应后气体，在塔内还设有换热器。换热器有列管式、螺旋板式和波纹板式，其中以列管式采用最多。氨合成催化剂在开车之前必须还原（见氨合成）,还原需要提供一定的热量,为此中小型氨合成塔内部装有电加热器，大型氨合成塔则采用塔外设置开工加热炉的办法来解决。在给定的铁催化剂和压力下，氨合成温度不同，反应速度也不同。对于一定的氨含量，氨合成反应速度最大时的温度称为最佳温度，此最佳温度随着氨含量增大而降低。由于氨合成为放热反应，催化剂床层的温度将随着反应进行而不断升高。为使氨合成反应能在接近最佳温度下进行，需要采取措施移走多余的热量。工业上按传热方式区分催化剂筐的类型。

3分类

内部换热式：又称连续换热式。特点是在催化剂床层中设置冷却管，通过冷却管进行床层内冷热气流的间接换热，以达到调节床层温度的目的。

冷却管形式有单管、双套管和三套管之分，根据催化剂床层

和冷却管内气体流动方向的异同，又有逆流式和并流式冷却管之分。以并流双套管式氨合成塔为例，气体从塔顶部进入,在环隙中沿塔壁而下,经换热器壳程后到分气盒,分散到各双套管的内冷却管,到管顶折至外冷却管，气体被预热到铁催化剂的活性温度（通常为400℃左右），再流经设有电加热器的中心管。从上而下通过催化剂床层，氮气和氢气在此反应后，出催化剂筐，通过换热器管程降低

温度，出合成塔。为控制催化剂床层温度不致过高，有少量气体从冷气旁路管进入塔内，不经换热器壳程，而直接与已经预热的气体混合。

间断换热式：主要特征是反应和换热间断进行。催化剂床层分为若干段，在段间通入的未预热的氮氢混合气用以直接冷却，称为多层直接冷激式氨合成塔。

按床层内气体流动方向不同，分为沿中心轴方向流动的轴向氨合成塔和沿半径方向流动的径向氨合成塔。它们结构简单，易损部件少，内件比较稳妥，多被大型氨厂采用。

4其他介绍

氮的循环是自然界中维持地球上生命的重要循环之一。催化合成氨是目前唯一具有工业规模的获取活化态氮的方法。没有别的反应像氨全成反应一样，能够把理论、模型催化剂和实验连接起来。催化全成氨的基础知识的进步对其它领域的催化剂研究有较大的研究。

氨合成：英文名（ammonia synthesis），指合成氨原料气（氮氢混合气）在高温、高压和催化剂存在下直接合成为氨的工艺过程。

5工艺流程

氨合成反应是放热、缩小体积的可逆反应，温度、压力对此反应的化学平衡有影响。当混合气中氢氮摩尔比为3时,氨平衡含量随着温度降低、压力增加而提高。但在较低温度下，氨合成的反应速度十分缓慢，需采用催化剂来加快反应。由于受到所用催化剂活性的限制，温度不能过低，因此为提高反应后气体中的氨含量，氨合成宜在高压下进行。当工业上用铁催化剂时,压力大多选用15.2～30.4MPa(150～300atm)，即使在这样压力条件下操作，每次也只有一部分氮气和氢气反应为氨，故氨合成塔出口气体的氨浓度通常为10％～20％（体积）。决定反应的要因素是铁催化剂的活性，反应所产生的氨与氮气、氢气的分离以及氮、氢气的循环使用。

6反应催化剂

铁催化剂的活性氨合成采用添加有助催化剂的铁催化剂。助催化剂的成分有氧化钾、氧化铝、氧化镁、氧化钙、氧化钴等。开工前铁催化剂组成可看作四氧化三铁(见金属氧化物催化剂)，它对氨合成反应没有催化作用，开工操作时需用氢气将它还原成金属铁才有活性。不同还原条件下得到的催化活性有很大差异。正常生产时，铁催化剂常因氮氢混合气中含有少量硫化合物、碳的氧化物等气体而降低活性，通常规定一氧化碳和二氧化碳不超过10ppm（体积）。铁催化剂的寿命(见催化剂寿命)与其制造质量、使用条件有密切关系,短的1～2年，长的可达8～9年。