氨合成塔 (2)
氨合成塔
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国内最大产能的氨合成塔吊装就位
沧州正元廉洁
2014年1月3日18时58分，伴随着夜幕的降临，沧州正元60万吨合成氨、80万吨尿素项目核心设备总重达678吨的氨合成塔——DN3000，内径3米，长34米的外筒及长28.9米的内件吊装成功。
氨合成塔的吊装是60-80项目施工中的重中之重。
为此，项目部人员、监理、施工方都给予了高度重视，经过多次开会研究、讨论，确定科学吊装方案，确保吊装的安全实施，在吊装过程中密切关注每一个吊装细节，在吊装塔内件的全过程中，河北阳煤正元化工集团有限公司副董事长刘金成进行了现场监督与指导，为氨合成塔的成功吊装奠定了坚实的组织基础。
本台氨合成塔主要是由中化六建负责吊装，共分两部分，首先为塔体（氨合成塔外筒）的吊装，其次为塔芯（氨合成塔内件）的吊装。
此次采用1250吨履带式吊车作为主吊，650吨履带式吊车配合溜尾的递送法进行吊装，2013年12月29日塔体起吊高度45米，最终顺利落在塔座基础上，2014年1月3日塔芯起吊高度高达68米，成功套入塔筒内侧。
这次吊装的成功，标志着由河北正元化工设计有限公司设计、石家庄正元塔器设备有限公司自主研发制造的目前国内最大产能的氨合成塔完全就位。
文字：廉洁摄像：合成塔外件-魏晋元；合成塔内件-廉洁
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第二章(3)：氨的合成
3 H2 2 NH 3
p k2 p
2 NH 3 3 H2
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式中k1、k2分别为正逆反应的速率常数， rNH3为过程的瞬 时速率；为实验常数，视催化剂性质及反应条件而异， 工业条件下对工业铁催化剂一般 0.5。
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1.4.2.2 反应机理与动力学方程
p1.5 H2 r k1 pN 2 pNH 3 pNH 3 k2 p1.5 H2
(1.4.12)
上式只适用于压力较低的的接近平衡的情况，压力较高时，
要用实验得出的速率常数与压力的关系加以校正。另外，当 反应远离平衡时上式不成立，例如pNH30时r 。捷姆金 还推出了远离平衡时的动力学方程：
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1.4.2.2 反应机理与动力学方程
1939年捷姆金和佩热夫根据上述机理，提出几点假设： ①氮的活性吸附是反应速率的控制步骤；②催化剂表面很 不均匀；③吸附态主要是氮，吸附遮盖度中等；④气体为 理想气体，反应距平衡不很远。由此推导出本征动力学方 程式为：由此机理导出的动力学方程为
p r k1 pN 2 p
实际生产不可能无限增加空速，空速大系统阻力大，功耗 增大。另外，新鲜气量一定时，空速增大只能通过增加循 环气量来实现，循环气量过大，除了上述功耗原因外，还 使单位循环气产氨量下降，从而使气体温升下降，产生不 能维持“自热”的问题。一般空速值为：30MPa 2000030000h-1 15MPa 10000h-1
第八节 氨的合成
一、基本原理 二、氨合成催化剂 三、工艺条件选择 四、氨的分离 五、氨合成塔 六、生产总流程 七、我国合成氨生产装臵现状
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一、基本原理
1.4.1 氨合成反应的热力学基础 1.4.1.1 化学平衡 氨合成反应如下： 1.5H2(g) + 0.5 N2(g) = NH3(g) +46.22kJ/mol 该反应为放热反应，其平衡常数为
ⅢJD2000型-φ2200氨合成塔
概述湖南安淳高新技术有限公司（以下简称安淳公司）从上世纪80年代起，在分析了国际国内氨合成塔内件优缺点的基础上，独创了ⅢJ型氨合成塔内件，取得了国家专利，是国内数种氨合成塔内件中唯一经原化工部鉴定的内件，鉴定结论是，该内件为国内首创，主要技术指标取得突破性进展，达到国际先进水平。
安淳公司不断创新、不断进取，随后又推出了ⅢJ99型氨合成内件，包含3个新的国家专利技术。
ⅢJ型、ⅢJ99型氨合成内件经由φ800、φ1000到φ1200；后又开发了ⅢJD2000型φ1400、φ1600、φ1800、φ2000氨合成内件。
单塔年产氨能力由20 kt（φ600塔）发展到180 kt、200 kt。
近几年开发的ⅢJD2000型-φ2200氨合成塔，在技术上又有较大的提升；单塔生产能力日均达850～910 t，受到了用户的青睐。
2 ⅢJD2000型-φ2200氨合成塔的设计思想为实现单系统生产能力规模化和进一步降低能耗，安淳公司在ⅢJD2000型-φ1800、φ2000氨合成内件的基础上，引入新的理念，设计了ⅢJD2000型-φ2200氨合成内件，具体如下。
（1）充分发挥第一绝热层的作用。
进入零米未反应气氨含量低，距离反应平衡很远，反应速度很快，尽量在开始反应的第一层多产氨，使第一层之氨净值达到8％～9％，即第一绝热层温升110～133 ℃。
具体措施如下。
①增加第一绝热层的高度，第一绝热层设计高度2.5～3.1 m。
②降低零米温度，提高热点温度。
进第一绝热层零米点的循环气，氨含量最低（约2.16％），温度低（370～380 ℃），离反应平衡点最远；如零米温度为380 ℃，将第一绝热层反应终点温度设计为490～513 ℃，则第一绝热层的氨含量增加8％～9％（氨净值），即第一绝热层完成氨合成反应的50％。
（2）第一层绝热反应后的热气体，不再采取冷激，而是用塔内换热器间接冷却后再进入第二层，这样更有利于氨合成反应温度接近最适宜温度曲线。
氨合成塔选型
第32 卷第4 期2003 年08 月化工技术与开发T echno l o g y & D eve lopm en t of Chem ica l Indu s tryV o l132 N o 14A ug12003氨合成塔选型秦德(广西河池化学工业集团公司, 广西河池547004)摘要: 介绍了在合成氨改扩建工程中, 选择氨合成塔时应着重考虑的工艺参数和结构设计, 并在实际工作中得到验证。
关键词: 合成氨; 氨合成塔; 选择中图分类号: TQ 113. 266. 5 文献标识码: B文章编号: 167129905 (2003) 0420036202氨合成塔通常被称为合成氨厂的心脏, 它是整个合成氨厂生产过程的主要关健设备之一。
其工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。
因此, 在合成氨厂的建设中, 必须重点考虑对氨合成塔的选择。
广西河池化学工业集团公司(简称河化公司) 在“8 ·13”(合成氨8 ×104 t ·a- 1 , 尿素13 ×104t · a- 1 ) 改扩建工程中, 对氨合成塔的选择采取认真负责, 科学的态度, 通过对国内外现有技术及使用效果进行认真的比较分析, 才予以确定。
当时, 国内各中型氮肥厂投入运行的Ø1000 mm 氨合成塔约50 多台, 其内件大都是采用连续的轴向冷管式触媒筐。
其中并流三套管式约占使用总量的70 % 左右, 其次是双层单管并流式约占20 % 左右, 其余为单管并流式、径向式、塔内付产蒸汽式及轴——径向式内件。
并流三套管式氨合成塔触媒装量约4. 9 m 3 , 生产能力一般在220 t NH 3 ·d- 1 , 氨净值约12 % , 塔压差为1. 6 M Pa; 双层单管并流式合成塔触媒装量约4. 8 m 3 , 生产能力约240 t N H3·d- 1 , 氨净值约10 % , 塔差压为1. 1 M Pa。
氨合成塔
氨合成塔结构特点及基本要求
基本要求：维持自热、有利于升温还原、催化剂生产强度大；催化剂床层分布合理、保持催化剂活性；气流均匀、压降小；换热强度大、换热体积小、塔内空间利用率高；生产稳定、操作灵活、操作弹性大；结构简单可靠、内件有自由余地。
并流双套管合成塔
轴向冷激式合成塔
冷激：在多层固定床绝热反应器中进行放热反应时，在催化剂层间注入冷料，与高温反应物混合，以直接换热的方式降低反应物温度。
目前大型氨厂用冷激式多，它具有各床层温度调节方便，操作更接近最佳温度的优点。
其操作床层温度分布情况如图39。
冷激式合成塔主要优点：结构简单、催化剂分布和温度分布均匀、控温调温方便、床层通气面大阻力小。
一种径向冷激式合成塔如图40。
其优点是：气体通过床层路径短，通气面积更大，阻力更小；适宜用更小粒度催化剂，提高内表面积，减少内扩散影响；催化剂还原均匀；降低能耗，更适宜于离心式压缩机。
2019-2020学年人教版化学高二选修2自我小测：第一单元课题2_人工固氮技术—合成氨_word版含解析(已纠错)
自我小测1．为了进一步提高合成氨的生产效率，科研中最具有开发价值的是()A．寻找N2的新来源B．研制低温下活性较大的催化剂C．研制500 ℃左右时活性较大的催化剂D．研制耐高温、高压的材料，用于建造氨合成塔2．合成氨时既要使合成氨的产率增大，又要使反应速率加快，可采取的办法是()①减压②加压③升温④降温⑤及时从平衡混合气中分离出NH3⑥补充N2或H2⑦加催化剂⑧减小N2或H2的量A．③④⑤⑦B．②④⑥C．②⑥D．②③⑥⑦3．关于氨的合成工业的下列说法正确的是()A．从合成塔出来的气体，其中氨气一般占15%，所以生产氨的工业的效率都很低B．由于NH3易液化，N2、H2可循环使用，所以总的说来氨的产率很高C．合成氨工业的反应温度控制在400～500 ℃，目的是使平衡向正反应方向进行D．合成氨工业采用10～30 MPa，是因该条件下催化剂的活性最好4．下列有关合成氨工业的叙述，可用勒夏特列原理来解释的是()A．使用铁触媒，使N2和H2混合气体有利于合成氨B．高压比常压条件更有利于合成氨的反应C．500 ℃左右比室温更有利于合成氨的反应D．合成氨时采用循环操作，可提高原料的利用率5．化工生产中，为加快反应速率应优先考虑的措施是()A．选用适宜的催化剂B．采用高压C．采用高温D．增大反应物浓度6．1913年德国化学家哈伯发明了以低成本制造大量氨的方法，从而大大满足了当时日益增长的人口对粮食的需求。
下列是哈伯法的流程图，其中为提高原料转化率而采取的措施是()A．①②③B．②④⑤C．①③⑤D．②③④7．氨催化氧化是硝酸工业的基础，在某催化剂作用下只发生主反应①和副反应②，有关物质产率与温度的关系如图。
4NH3(g)＋5O2(g)4NO(g)＋6H2O(g)ΔH1＝－905 kJ·mol－1①4NH3(g)＋3O2(g)2N2(g)＋6H2O(g)ΔH2＝－1 268 kJ·mol－1②下列说法中正确的是()A．工业上氨催化氧化生成NO时，温度应控制在780～840 ℃之间B．为了提高反应速率，工业上常采用物料n(O2)∶n(NH3)为1.7～2.0C．加压有利于NH3生成NO，不利于NH3生成N2D．N2(g)＋O2ΔH＝－181.5 kJ·mol－18．合成氨的流程示意图如下：回答下列问题：(1)工业合成氨的原料是氮气和氢气。
氨合成塔说明书
氨合成塔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。
本次氨合成塔设计的内容包括工艺流程的设计、内件结构、材料、外壳结构的选择、工艺计算、强度计算、消防及其它辅助设备的设计、主要零部件的制造工艺、安装、检查与维修。
是以提高其工作能力、生产效率为目的而设计的操作方案。
本题目涉及的知识面很广，包括工程制图、材料力学、机械原理、机械设计、化工原理、过程机械制造、过程流体机械、过程设备设计、GB12337-1998及GB150-1998等。
关键字: 氨合成塔工艺计算强度计算辅助设备设计Synthetic ammonia tower known as the heart of synthetic ammonia plant, which is the synthetic ammonia plant production process one of the key equipment.This is the design of synthetic ammonia tower, the design includes processes for the design, within a structure, materials, mechanical structure choice, crafts calculation, the calculation of intensity, fire and other ancillary equipment design, the main components of manufacturing processes, installation, inspection and maintenance. Is working to enhance its capacity, efficiency of production design for the purpose of the operation. The topics covered a wide range of knowledge, including engineering mapping, materials mechanics, mechanical principles, mechanical design, chemical engineering principles, process engineering, process fluid machinery process equipment design, GB12337-1998 and GB150-1998Key word: synthetic ammonia tower；crafts calculation；the calculation of intensity；ancillary equipment design目录摘要 (I)Abstract (II)第1章绪论 (1)1.1 氨合成塔的发展状况 (1)1.2 氨合成塔的设计要求 (1)1.3氨合成塔的设计原则 (1)第2章氨合成塔的工艺设计 (3)2.1氨合成塔的工艺流程 (3)2.2工艺条件 (3)2.3 物料衡算 (4)2.4 热量衡算 (4)第3章氨合成塔的结构设计 (6)3.1 材料选用 (6)3.2触媒筐方案计算 (6)3.2.1已知条件 (6)3.2.2 内件结构选型 (6)3.2.3 触媒筐结构方案 (7)3.2.4 各传热系数的计算 (8)3.2.5 对计算结果进行校验 (12)3.3 热交换器的计算 (14)3.3.1 设备选型及设计条件 (14)3.3.2 换热器热量计算 (14)3.3.3 换热器有效长度的计算 (16)3.3.4 计算总传热系数K (20)3.3.5 换热器管板厚的确定 (21)3.3.6 换热管稳定性校核 (22)3.4 氨合成塔筒体设计 (23)3.5 氨合成塔封头的设计 (24)3.5.1 封头的结构形式 (24)3.5.2 封头的设计计算 (24)3.6确定群座壁厚 (25)3.7 风载荷计算 (26)3.8 地震载荷的计算 (28)3.9 各种载荷产生的轴向应力计算 (28)3.10 塔体强度及轴向稳定性校验 (29)3.11 裙座强度及轴向稳定性校验 (30)3.12 基础环设计 (31)第4章氨合成塔的安装和维护检查 (33)4.1 氨合成塔的安装 (33)4.1.1 底座的安装 (33)4.1.2 外筒的氨装 (33)4.1.3 内件的安装 (34)4.3 氨合成塔的检查 (35)4.3.1 定期检查 (36)4.3.2 非定期检查 (36)结论 (37)参考文献 (38)致谢 (39)第1章绪论1.1 氨合成塔的发展状况我国的氨合成工业从薄弱迅速发展起来，在短短几年里设计和采用了三套管、单管并流、两次合成等多种新型氨合成塔；换热器的型式也发生了很大的变化，从单一转化为多样化，高效传热，回收热能、节省能源，使氨合成塔的生产能力大大提高，技术经济指标有所改善。
第七章 合成氨
氮是蛋白质中的主要组成部分，蛋白质用来维持植物和动物 的生命。空气中含有79％（体积）的氮。但是大多数植物不 能直接吸收这种游离的氮。只有当氮与其他元素化合以后， 才能为植物所利用。这种使空气中游离态氮转变成化合态氮 的过程。称为“氮的固定”。固定氮的方法很多，合成氨 法是目前世界各国采用最广、最经济的方法。 氨的合成及其加工，首先用于生产肥料，液氨含氮82.3％， 本身就是一种高效肥料，可直接施用，但因易挥发，液氨的 储存、运输与施肥都需要一套特殊的设备。目前大多将氨与 其他化合物加工成种固体氮肥和部分液体肥料，如尿素、氯 化铵、氨水和碳化氨水等。
（2）铁催化剂的还原 氨合成的铁催化剂中的Fe3O4必须将其 还原成金属铁后才有催化活性，催化剂还原的反应式为：
Fe3O4 + 4 H 2 ⇔ 3Fe + 4 H 2O
催化剂经还原处理后，晶体被还原成细小的α-Fe晶体，它们 疏松地附在氧化铝的骨架上，还原前后表观容积并无显著改 变，因此，除去氧后的催化剂便成为多孔的海绵状结构。催 化剂的颗粒密度（表观密度）与纯铁的密度（7.86g/cm3） 相比要小得多，说明孔隙率是很大的，一般孔呈不规则树枝 状。还原态催化剂的内表面积约为4～6m2／g。
氨不仅对农业有着重要作用，而且也是重要的工业 原料。氨可以加工成胺与磺胺，是合成纤维及制药 的重要原料；尿素不仅是高效肥料，而且又是制造 塑料、合成纤维和医药的原料；在制碱、石油炼制 和橡胶工业以及冶金、采矿、机械加工等工业部门， 也都要用到氨或氨的加工品；此外，在食品、冷冻 工业上，氨是最好和最常用的冷冻剂。氨对于国防 工业也十分重要，氨氧化可制成硝酸，在炸药工业 中，硝酸是基本的原料，用硝酸作硝化剂可以制得 三硝基甲苯、三硝基苯酚、硝化甘油及其他各种炸 药。所以氨是基本化工产品之一，在国民经济中占 有十分重要的地位。
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氨合成塔
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。
目录
∙1基本资料
∙2技术原理
∙内部换热
∙间断换热式
氨合成塔- 基本资料
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、高温下氢气对钢材的腐蚀，氨合成塔由耐高压的封头、外筒和装在筒体内耐高温的内件组成。
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。
[1]
氨合成塔- 技术原理
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（图1），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（图2a）和沿半径方向流动的径向氨合成塔（图2b）。
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。
氨合成塔图册。