合成塔内部分析

大型氨厂合成塔

（1)轴向塔轴向冷激式合成塔是将催化剂床层分为若干段，在段间通入未预热的氢、氮混合气直接冷却，故也称多段直接冷激式氨合成塔。图9-6-5为凯洛格四层轴向冷激式氨合成塔，塔外筒形状呈上小下大的瓶式，在缩口部位密封，克服了大塔径不易密封的困难。内件包括四层催化剂、层间气体混合装置(冷激管和挡板)以及列管式换热器。

气体在塔内流程：气体由塔底部进入塔内，经催化剂筐和外筒之间的环隙，向上流动以冷却外筒，再经过上部热交换器的管间，被预热到400℃左右进入第一层催化剂进行绝热反应。经反应后气体温度升高至500℃左右，在第一、二层间的空间与冷激气混合降温，然后入第二层进行催化绝热反应。依此类推，最后气体从第四层催化剂层底部流出，折流向上经过中心管，进入热交换器的管内，换热后由塔顶排出。

该塔的优点是：①用冷激气调节床层温度，操作方便；②省去许多冷管，结构简单可靠、操作平稳等；③合成塔筒体与内件上开设人孔，装卸催化剂时不必将内件吊出，催化剂装卸也比较容易；④外筒密封在缩口处，法兰密封易得到保证。

但该塔有明显缺点：①瓶式塔内件封死在塔内，致使塔体较重，运输和安装较困难，而且内件无法吊出，造成维修与更换零部件极为不便；②催化剂筐外的保温层损坏后很难检查、维修；③塔的阻力较大；④冷激气的加入，降低氨含量，而且不能获得更高的氨合成率，这是冷激塔的一个严重缺点。

(2)径向塔径向中间换热式合成塔，是20世纪70年代后期，世界能源出现短缺，托普索公司改进了原两段径向合成塔结构的设计，采用了中间冷气换热的托普索S-200型内件，图9-6-6为不带底部换热器的S-200型径向氨合成塔。

进塔气体流程：一部分从塔底接口A进入，向上流经内件外筒之间的环隙，再入床间换热器；另一部分，由塔底B进入的冷副线气体。二者混合经进入第一催化剂床层，沿径向辐射状流经催化剂床层再进入第二催化剂床层，从外部沿径向向内流动，最后由中心管外面的环形通道，再经塔底接口C流出塔外。

该塔的优点：①用床间换热器代替了有层间冷激的内件。由于取消了层间冷激，不存在因冷激而降低氨浓度的不利因素，从而使合成塔出口氨含量有较大提高。②生产能力一定时，减小了循环量，降低了循环气功耗和冷冻功耗。③采用大盖密封便于运输、安装与检修等。

该塔的缺点：在结构上比轴向合成塔稍为复杂。因为该塔存在的问题是如何有效地保证气体均匀流经催化剂床层而不会发生偏流。目前采取的措施是：①在催化剂筐外设双层圆筒，与催化剂接触的一层均匀开孔，开孔率高；另一层圆筒开孔率很低，当气流以高速穿过此层圆筒，由于受到一定的阻力，使气体均匀降低流速、均匀分布。②在上下两段催化剂床层中，仅在一定高度上装设多孔圆筒，催化剂装填高度高出多孔圆筒部分，以防催化剂床层下沉时气体走短路(也就是催化剂床层顶部留有一段死气层)。

(3) 轴—径向混流型合成塔轴—径向混流型合成塔也称轴—径向混合流动型合成塔。是20世纪80年代末，瑞士卡萨里(Casale)制氨公司针对凯洛格轴向合成塔存在的缺点开发的，它在结构上有如下特点。

①几个催化剂床按一定尺寸制造。一个催化剂床叠加在另一个催化剂床顶部，二者之间密封简单，又可拆开，缩短了装卸催化剂床的时间。

②催化剂床是由筒体内壁与外壁组成。在简体内壁与外壁之间装填催化剂，而沿内外筒壁一定间距钻孔(见图9-6-7)，约5％一10％的气流进入轴一径向流动区，其余进入径向流动区，高压空间利用率可达70％～75％，床层顶部不封闭。

③催化剂床的筒壁为气流分部器。气流分部器是由三层组成：第一层为圆孔多孔壁，远离催化剂，气流均匀分布是通过分布器的阻力实现的；第二层为桥型多孔壁，催化剂床筒壁上冲压成许多等间距排列像桥型的凸形结构，此多孔壁不仅起到机械支撑作用，而且对气流起到缓冲和均匀作用；第三层即为与催化剂接触的一层金属丝网。由这三层组成的气流分部器，经焊接成弧形板，然后拼接成圆筒。

凯洛格四床层轴向合成塔改为三床层轴-径向合成塔后，在同样的生产条件下，出塔气体中的氨含量、氨净值、塔压力降及节能等方面得到明显提高和改善。

另外，原西德伍德公司推出的三段中间换热式径向氨合成塔的设计，其一、二段出口的中间换热器置于塔的中心部位，并设置了个别的调温副线，采用小颗粒的含钴催化剂，可使氨合成压力降低至8.OMPa，是较完善的大型合成氨厂节能型氨合成塔。