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认识氨合成的主要设备 氨合成塔是合成氨生产的关键设备，作用是使氢氮混合气在塔内催化剂床层中合成为氨。由于氨的合成反应是在高温高压下进行，因此氨合成塔不仅应有较高的机械强度，而且应有在高温下抗蠕变的能力。同时在高温高压下，氢氮气对碳钢有明显的腐蚀作用，使合成塔的工作条件更为复杂。 为了适应氨合成反应的条件，氨合成塔由内件和外筒两部分组成，内件置于外筒之内，内件外面设有保温层，以减少向外筒散热。进入氨合成塔的温度较低的气体先经过内件与外筒之间的环隙，之后再进入内件的换热器和催化剂床层。所以，外筒主要承受高压，即操作压力与大气压之差，但不承受高温。外筒可用普通低合金钢或优质碳钢制成，正常情况下使用寿命可达四、五十年以上。 内件在500℃左右的条件下操作，但只承受环隙气流与内件气流的压差，一般仅为1～2MPa。即内件只承受高温而不承受高压，从而可降低对内件材料的强度要求。内件一般用合金钢制作，使用寿命较短。内件由催化剂筐、热交换器和电加热器三个主要部分组成，大型氨合成塔的内件一般不设电加热器，而由塔外加热炉供热。 一、氨合成塔的分类 由于氨合成反应的最适宜温度随氨含量的增加而逐渐降低，而氨的合成反应是不断放热的，所以随着反应的进行要在催化剂层中采取降温措施。按降温方式的不同，氨合成塔可以分为以下三类。 ⒈冷管式 在催化剂层中设置冷却管，用反应前温度较低的原料气在冷管中流动，移出反应热，降低反应温度，同时将原料气预热到反应温度。 根据冷却管结构的不同，可分为双套管、三套管及单管等不同形式。这种合成塔结构复杂，通常用于直径1米以下的中小型氨合成塔。 ⒉冷激式 将催化剂分为多层（一般为5层以下），气体经过每层绝热反应温度升高后，通入冷的原料气与之混合，温度降低后再进入下一层催化剂。冷激式氨合成塔结构简单，但因加入未反应的冷原料气，降低了氨合成率，所以一般多用于大型氨合成塔。 ⒊中间换热式 将催化剂分为几层，在层间设置换热器，上一层反应后的高温气体，进入换热器降温后，再进入下一层进行反应，近年来这种塔在生产上开始应用。 按气体在合成塔内的流动方向，合成塔分为轴向塔和径向塔。气体沿塔的轴向流动，称为轴向塔。气体沿塔的半径方向流动，称为径向塔。 我国中小型合成氨厂一般采用冷管式合成塔，大型合成氨厂一般采用冷激式合成塔。 二、氨合成塔的结构 ⒈中小型合成氨厂合成塔 中小型合成氨厂常采用冷管式氨合成塔，此处以三套管并流合成塔为例进行说明。三套管并流合成塔如图5-3所示，它主要是由外筒和内件两部分组成。 外筒1是一个多层卷焊或锻造的高压圆筒，操作压力为32MPa，筒体内径为800～1000㎜，高达12～14m。筒体顶部有上盖9及支架圈11，支架圈与上盖用螺栓16相连接。在上盖9上设有电加热炉的安装孔和热电偶温度计的插入孔。筒体下部用下盖22密封，以螺栓连接在筒体上。下盖上开有气体出口以及冷气入口。 内件的上部为催化剂筐2，筐的中心管19内安装着电加热炉4，下部为热交换器3，中间为分气盒21。催化剂筐由合金钢板焊接而成，外包保温层。保温层一方面可以防止内件大量散热，使催化剂层温度下降，另一方面可降低外筒内壁的温度，防止外筒的内外壁温差过大，而产生巨大的热应力和加剧氢气的腐蚀作用。催化剂筐下部有多孔板20，上面放有铁丝网，在铁丝网上装有催化剂5。在催化剂床层的中下部装有数十根冷管，顶部为不设置冷管的绝热层。冷管由内管7和外管8所组成。此外，筐内还装有二根温度计套管14和一根用来装电加热炉的中心管19。催化剂的装填量与合成塔直径和高度有关，直径为800～1000㎜的合成塔，一般可装2～4.5m3催化剂。 催化剂筐下部经分气盒21与热交换器连接。热交换器内装有许多根小直径的热交换管6。为了防止散热，热交换器的外壁也设有保温层。热交换器的中央有一根冷气管24，从塔副阀来的气体经此管直接进入分气盒，而不经过热交换器，因而温度较低，可用以调节催化剂层的温度。 电加热炉由镍铬合金制成的电炉丝和瓷绝缘子组成。当开车升温、催化剂还原及操作不正常时，可以开电加热炉以调节进催化剂层的气体温度。电加热炉的控制系统设在塔外，即在塔外设电压调节器，可根据不同需要调节电加热炉的电压，以改变其加热能力。 温度为20～40℃的循环气中的大部分由合成塔顶部进入，沿外筒与内件之间的环隙顺流而下，从底部进入换热器的管间，与管内反应后的高温气体进行热交换，被加热到300℃左右。另一部分气体由塔底副阀进来，不经过热交换器，由冷气管直接进入分气盒的下室， 图 三套管并流合成塔 1-高压筒体；2-催化剂筐；3-热交换器；4-电加热炉；5-催化剂；6-热交换管；7-三套管内管(双管组成)；8-三套管外管；9-上盖；10-压瓦；11-支持圈，12-电炉小盖；13-导电棒；14-温度计外套管；15-压盖；1