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1、整体锻焊式氨合成塔设备类型的选择及论证1.1 氨合成塔的结构特点及基本要求氨合成塔是合成氨厂的心脏，作用是使氢氮混合气在塔内催化剂层中合成为氨。由于氨合成反应在高温高压下进行，因此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和松弛的能力。同时在高温高压下，氢、氮对碳钢有明显的腐蚀作用。在合成塔操作介质中，氢、氮、氨是主要成份，氨也会分解为原子氢和氮。高温高压下氢活性很高，对钢材有剧烈的腐蚀作用，称为“氢蚀”。氢对钢材的腐蚀有两种形式：一是和钢材表面碳化合引起表面脱碳，使其机械性能恶化，这种现象称为“氢脆”；二是渗透到钢材内部和碳化合生成甲烷，甲烷积聚于金属晶格边界的边孔中，在钢材内部造
2、成裂纹，这种现象“氢腐蚀”。无论是分子状态或原子状态的氢，与碳都能起反应。高温高压下， 氮与钢材中的铁及其它合金元素也能化合生成硬而脆的氮化物， 使钢材失去塑性和韧性而变脆，这称为“氮脆”。为了适应氨合成的反应条件，合理解决存在的矛盾，氨合成塔通常由内件与外筒两部分组成，内件置于外筒之中。进入合成塔的气体（温度较低）先经过内件与外筒之间的环隙，内件的外面设有保温层，以减少向外筒散热。因而，外筒主要承受高压（操作压力与大气压力之差），但不承受高温，可用普通合金钢或优质低碳钢制成。内件在500左右高温下操作，但只承受环隙气流与内件气流的压差，一般仅为12MPa，即内件只承受高温不承受高压，从而可降
3、低对内件材料和强度的要求。内件一般用合金钢制作，塔径较小的内件也可用纯铁制作。内件使用寿命比外筒短得多。内件由触媒筐、换热器和电加热器等三个主要部分构成，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还原触媒。外筒主要包括筒体、上下端部法兰、封头、电加热器端盖、接管及密封件等等。 在氨合成塔设计过程中，一般应考虑下列问题： 1容积利用率高。充分利用高压容器空间，多装触媒，使单位容积的生产能力尽可能的大。 2触媒生产强度大。合成塔的结构型式应能保证触媒层在最适宜的操作条件下工作，充分发挥触媒的活性。3塔的阻力小。4氨净值高，减少分离氨及循环机的负荷。合成塔在最适宜条件下操作时氨净值高，出
4、口氨含量高，可以在较高的温度下分离氮，因此可以在很大程度上节省冷却设备。同时氨净值高，也降低了系统的循环气量，相应地降低了能量消耗定额。 5气体分布均匀，处理气量大。在具有高的单塔生产能力的同时，也使整个系统在正常负荷下操作。 6热能综合利用好。不是消极地在合成塔后冷却器中除去反应热，而是积极地利用反应热，补充氨生产和氨加工系统所需要的能源，以降低总的能源消耗。 7操作方便，调节灵活，并尽量减少同平面温差或同圆柱面温差，充分发挥触媒的活性。 8使用寿命长。一般要求氨合成塔外简使用寿命2030年，内件使用寿命6l0年。 9结构简单，运行安全可靠。 10制造、运输、安装、维护、检修方便。 11金属
5、材料用量少，备料方便。 对于1000毫米以下的氨合成塔，应进一步提高氨生产能力，降低阻力，多产氨，并能副产0.81.3MPa蒸汽。对于必600毫米3200毫米以上的氨合成塔，应着重考虑设备长期运转的可靠性、阻力损失小、气体分布均匀，以及制造、运输、安装的条件等等。1.2外筒结构型式的选择及论证氨合成塔选用圆柱形容器，圆柱形容器是最常见的一种压力容器结构形式，具有结构简单、易于制造，便于在内部装设附件等优点，被广泛用作反应器、换热器、分离器和中小容积储存容器。圆筒形容器的容积主要由圆柱形筒体提供。 圆筒可分为单层式和组合式两大类：1单层式筒体。筒体的器壁在厚度方向是由一整体材料所构成，也就是器壁
6、只有一层（为防止内部介质腐蚀，衬上的防腐层不包括在内）。其优点是结构简单。单层式筒体分为：a) 单层卷焊式：它采用钢板在大型卷板机上卷成圆筒，经焊接纵焊缝成为筒节，然后与封头或端部法兰组装焊接成容器。b) 整体锻造式：这种筒体是高压容器中最早使用的筒体型式，制造时筒体与法兰可整锻为一体或用螺纹连接，整个筒身没有焊缝。c) 整体锻焊式：它是在整体锻造式的基础上发展起来的，分段锻造筒体，然后焊接拼合成整体的锻焊式筒体。d) 半片筒节冲压拼焊式：它是先将钢板加热后在大型水压机上压成圆柱形壳片，然后用23块壳片拼焊成为一个成筒节。 2组合式筒体。筒体的器壁在厚度方向是又两层或两层以上互不连续的材料构成
7、。可分为多层包扎式、热套式、绕板式、整体多层包扎式、绕带式。考虑氨合成塔是在高温、高压下工作的，根据设计任务和要求，选择整体锻焊式筒体作为氨合成塔的外筒筒体。1.3 密封结构型式的选择及论证1.1.1高压容器的密封机理及结构分类由于压力高，高压密封装置的重量约占容器总重的1030%，而成本则占总成本的1540%，其设计是整个高压容器设计的一个重要组成部分。高压容器能否连续正常操作，很大程度上取决于密封结构的完善程度。流体在密封口泄漏有两条途径，一是“渗透泄漏”，即通过垫片材料本体毛细管的渗透泄漏，除了受介质压力、温度、粘度、分子结构等流体状态性质影响外，主要与垫片的结构与材料性质有关，可通过对
8、渗透性垫片材料添加某些填充剂进行改良，或与不透性材料组合成型来避免“渗透泄漏”；二是“界面泄漏”，即沿着垫片与压紧面之间的泄漏，泄漏量大小主要与界面间隙尺寸有关。压紧面就是指上、下法兰与垫片的接触面。加工时压紧面上凹凸不平的间隙及压紧力不足是造成“界面泄漏”的直接原因。“界面泄漏”是密封失效的主要途径。防止流体泄漏的基本方法是在密封口增加流体流动的阻力，当介质通过密封口的阻力大于密封口两侧的介质压力差时，介质就被密封。而介质通过密封口的阻力是借施加于压紧面上的比压力来实现的，作用在压紧面上的密封比压力越大，则介质通过密封口的阻力越大，越有利于密封。 在选用和设计高压密封时，有下列基本要求： 1
9、在正常操作和压力，温度波动的情况下都能保证容器的密封性； 2结构简单、紧凑，便于制造、安装和检修，同时占用的高压空间应尽量小； 3紧固件尺寸应简单轻巧，以减少锻件的重量和尺寸； 4密封元件的材料能抗介质腐蚀，并能多次重复使用。高压容器密封结构可分为下列三大类：1强制式密封：如平垫密封、卡扎里密封；2半自紧式密封：如双锥密封；3自紧式密封：如伍德密封、“C”形环密封、金属“O”形环密封、三角垫密封、八角垫密封、“B”形环密封及楔形垫自紧密封（N.E.C）等1.1.2氨合成塔密封结构形式的选择及论证1电加热器端盖与顶盖间采用平垫密封金属平垫密封属于强制式密封，结构形式如图3-1所示。圆筒端部与平盖
10、之间的密封依靠主螺栓的预紧作用，使金属平垫片产生一定的塑性变形，填满压紧面的高低不平处，从而达到密封目的。为了改善密封的性能，可在密封面上开12条三角形截面沟槽，槽深、槽宽尺寸各为1mm，两沟中心相距为5mm。这种密封结构一般只适用于温度不超过200、内径不超过1000mm的中小型高压容器上。它的结构简单，在压力不高、直径较小时密封可靠。但其主螺栓直径过大，不适用于温度与压力波动较大的场合。2外筒与顶部封头间采用双锥密封双锥密封是一种半自紧式密封，结构形式如图3-2所示。在密封锥面上放有1mm左右厚的金属软垫片靠主螺栓压紧，使软垫片产生塑性变形，以达到初始密封。常用金属软垫为铝。为了增加密封的
11、可靠性，双锥环密封面上开有23条半径为11.5mm，深为1mm的半圆形沟槽。在预紧状态，拧紧主螺栓使衬于双锥环两锥面上的软金属垫片和平盖、简体端部上的锥面相接触并压紧，导致两锥面上的软金属垫片达到足够的预紧密封比压；同时，双锥环本身产生径向收缩，使其内圆柱面和平盖凸出部分外圆柱面间的间隙g值消失而紧靠在封头凸出部分上。为保证预紧密封，两锥面上的比压应达到软金属垫片所需的预紧密封比压。内压升高时，平盖有向上抬起的趋势，从而使施加在两锥面上的、在预紧时所达到的比压趋于减小；双锥环由于在预紧时的径向收缩产生回弹，使两锥面上继续保留一部分比压；在介质压力的作用下，双锥环内圆柱表面向外扩张，导致两锥面上
12、的比压进一步增大。为保持良好的密封性，两锥面上的比压必须大于软金属垫片所需要的操作密封比压。双锥密封的优点为：双锥密封结构简单，密封可靠，加工精度要求不高，制造容易，可用于直径大、压力和温度高的容器。在压力和温度波动的情况下，密封性能也良好。主螺栓预紧力比平垫密封较小。1.4 触媒筐结构设计及论证1.4.1 触媒筐设计的一般要求触媒筐是氨合成塔的心脏，它的设计好坏直接影响合成塔的产量和消耗定额。对设计的要求，大、中、小型合成塔的触媒筐基本上是一致的。一个好的触媒筐设计应具有如下要求：1能保证触媒在升温、还原过程中，均能得到充分的还原，尽可能地提高触媒的活性，达到最大的生产强度；2能有效地移去反
13、应热，合理地控制触媒层的温度分布，使其逼近最佳的操作温度线，并尽可能地缩小同平面温差，提高氨净值和触媒的使用寿命；3能保证气体均匀地通过触媒层，阻力小，气体处理量大，提高氨产量；4充分利用高压空间，尽可能多装触媒，提高容积利用系数；5操作稳定，调节方便，能适应各种操作条件的变化；6结构简单，运转可靠，装卸触媒方便，制造、安装和维修容易等；7妥善处理各个内件的连接与保温，避免产生热应力，允许内件在塔内能自由胀缩等。1.4.2 触媒筐的分类触媒筐的型式繁多，根据单层和多层、轴向和径向，内冷和冷激，逆流和并流，立式和卧式，副产和不副产蒸汽的不同分类如下表。表3-1 触媒筐的类型单层轴向内冷式触媒筐多
14、层轴向绝热式触媒筐径向触媒筐复合型触媒筐一、单管逆流式二、单管并流式三、U型管式四、单管折流式五、逆流双套管式六、并流双套管式七、并流三套管式一、多层冷激式二、多层中间换热式三、多层中间设有冷却水盘管式一、单层径向内冷式1正反向三套管式或鼠笼式2螺旋冷板式二、多层径向冷激式一、轴向-径向复合式二、冷激-内冷复合式副产蒸汽合成塔卧式合成塔球型合成塔其他型式的合成塔一、塔内副产蒸汽合成塔二、塔外副产蒸汽合成塔1前置式副产蒸汽合成塔2中置式副产蒸汽合成塔3后置式副产蒸汽合成塔一、间接冷却型卧式合成塔二、多段绝热冷激型卧式合成塔一、单球合成塔1冷管型单球合成塔2绝热型单球合成塔二、联球和单球组合式合成
15、塔1.4.3 触媒筐的类型选择及论证本设计采用并流三套管式触媒筐。并流三套管是在并流双套管的内冷管内衬一根薄壁内衬管，内衬管与内冷管一端用满焊焊死，使内冷管与内衬管间形成一层很薄的不流动的“滞气层”。其结构如图3-3所示。由于“滞气层”的导热系数很小，起着隔热作用，冷气自下而上地流经内衬管的温升很小，一般为35。这样冷气体只是流经内、外冷管之间环隙时才受热，内冷管仅起导管作用，有效的传热面积是外冷管，内外冷管间环隙最上端温度略高于下部换热器出口的气体温度，自环隙最下端温度略低于进入触媒层的气体温度，所以冷套管顶部触媒层的温度差很大，从而增强了冷却的效果，使冷管的传热量与反应过程放出的热量相适应。图3-3三套管示意图 三套管主要优点有： 1三套管触媒层的温度分布较并流双套管近似地实现触媒温度分布最佳曲线，通过计算和生产实践证明一般可以增产510%； 2结构比较稳妥，操作比较稳定，适应性较强。 但存在下列不足
