專(zhuān)利名稱(chēng)：分流型三套管氨合成塔的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種改進(jìn)的氨合成塔，具體地說(shuō)，它是一種分流型三套管氨合成塔。
氨合成塔是合成氨廠(chǎng)的關(guān)鍵設(shè)備之一。其內(nèi)件設(shè)計(jì)的好壞與否對(duì)能耗水平和生產(chǎn)能力的發(fā)揮有著直接影響，近年來(lái)由于新型低溫高活性氨合成催化劑的開(kāi)發(fā)，促進(jìn)了氨合成塔的發(fā)展，各種新型內(nèi)件相繼出現(xiàn)，對(duì)小氮肥企業(yè)的節(jié)能降耗、挖掘設(shè)備潛力起了一定的作用。
氨合成塔種類(lèi)繁多，以其移走反應(yīng)熱的形式劃分有冷管型、冷激型、段間換熱型三種。冷激型塔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，觸媒裝填量多。但由于觸媒層的反應(yīng)熱和溫度靠塔外直接送入冷激氣來(lái)維持，一方面沖淡了出塔氣的氨濃度另一方面如氣質(zhì)不好造成全塔中毒。因此，大直經(jīng)塔已由冷激型改造為段間換熱型。而在小型塔中，由于段間換熱器要占據(jù)本來(lái)就有限的空間，減少了觸媒裝填量，影響生產(chǎn)能力的提高。冷管型塔由于冷管布置不均勻和“冷管效應(yīng)”等原因限制了氨凈值的提高和生產(chǎn)能力的發(fā)揮。但由于它操作簡(jiǎn)單，觸媒裝卸方便，生產(chǎn)強(qiáng)度大等優(yōu)點(diǎn)，因此中小型合成氨廠(chǎng)還較普遍使用。目前，中小型合成氨廠(chǎng)使用較普遍的氨合成塔大致有三套管、單管折流和并流式分氣型氨合成塔(中國(guó)專(zhuān)利CN89212109.2)。上述三種類(lèi)型的氨合成塔的優(yōu)點(diǎn)如下一、三套管氨合成塔的最大優(yōu)點(diǎn)1.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，技術(shù)成熟，操作穩(wěn)定，適應(yīng)性強(qiáng)，調(diào)節(jié)方便。2.冷管具有較強(qiáng)的傳熱能力，觸媒層溫度分布比較接近氨合成反應(yīng)的最適宜溫度曲線(xiàn)。但也存在著不足之處；1.冷管占據(jù)空間較多，影響觸媒裝填量。2.由于三套管傳熱能力較強(qiáng)在觸媒升溫還原時(shí)下層提溫困難，使下層觸媒還原不易徹底，影響下層觸媒的生產(chǎn)能力發(fā)揮。
二、單管折流式氨合成塔的優(yōu)點(diǎn)是，進(jìn)塔氣體由熱交換器出來(lái)先進(jìn)中心管然后再進(jìn)冷管，解決了觸媒在升溫還原時(shí)下層提溫困難的情況，從而使觸媒還原徹底。2.是由于折流冷管的布置使軸向、徑向溫差較小，觸媒層零米溫度較高，有利提高觸媒的生產(chǎn)強(qiáng)度。3.是設(shè)置了下絕熱層，一是彌補(bǔ)了“冷管效應(yīng)”帶來(lái)的影響，二是有利下層觸媒生產(chǎn)能力的發(fā)揮。缺點(diǎn)是由于軸向溫差較小，在還原時(shí)易使下部觸媒反復(fù)氧化，晶粒增大，對(duì)還原后觸媒活性不利。2.取消了上絕熱層，在上層觸媒中毒的情況下觸媒層熱點(diǎn)易下移。3.是該冷管束焊縫較多，溫差應(yīng)力較大，存在著焊縫開(kāi)裂的隱患。
三、并流式分氣型氨合成塔(中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)朇N89212109.2)的優(yōu)點(diǎn)是氣體采取分流，一是減小了阻力，二是冷氣直接導(dǎo)入冷管增大了傳熱溫差，從而增強(qiáng)了冷管的傳熱效率，可以減小冷管傳熱面積增加觸媒裝填量，同時(shí)由于冷氣的氣體流量和溫度可調(diào)，有利于升溫還原，在觸媒升溫還原時(shí)能較好地控制，使其處在自上而下的“分層還原”的有利條件下，可使觸媒能得到較充分的還原，從而獲得較好的觸媒活性，以及使觸媒達(dá)到最大的生產(chǎn)強(qiáng)度。在生產(chǎn)中可實(shí)現(xiàn)“低空速高凈值”，從而節(jié)省循環(huán)機(jī)和冷凍機(jī)運(yùn)行能耗，同時(shí)，由于設(shè)置上下絕熱層，一方面減小了阻力另一方面提高了觸媒的利用率增強(qiáng)了生產(chǎn)強(qiáng)度。三是冷管膽能自由取出便于維修和更換。
但是，該內(nèi)件由于溫差應(yīng)力很大，冷管焊縫較多又受環(huán)管的牽制，在工藝條件不穩(wěn)定情況下，很容易造成焊縫開(kāi)裂，而且生產(chǎn)能力隨著管理水平的高低差距較大，因此該塔對(duì)工藝和管理要求較高。
本實(shí)用新型分流型三套管氨合成塔是在分析了上述使用較普遍的三種氨合成塔的優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了綜合，吸取了三套管氨合成塔冷管分氣盒結(jié)構(gòu)可靠、操作穩(wěn)定和冷管傳熱能力強(qiáng)及上絕熱層設(shè)置的合理。吸取了單管折流式氨合成塔的折流冷管布置，減小了床層軸向溫差和經(jīng)向溫差，提高了床層零米溫度的優(yōu)點(diǎn)，使床層溫度分布更趨合理，有利于提高生產(chǎn)能力的發(fā)揮，下絕熱層的設(shè)置，彌補(bǔ)了冷管層冷管所造成的“冷管效應(yīng)”帶來(lái)的影響，同時(shí)也進(jìn)一步提高了氨凈值，充分發(fā)揮了下部觸媒層觸媒的作用，提高了生產(chǎn)能力。吸取了并流式分氣型氨合成塔的“分流”的這一特點(diǎn)；1.冷氣的溫度和流量均能調(diào)節(jié)，給觸媒的升溫還原帶來(lái)有利條件，使觸媒能得到較好的“分層還原”，獲得較好的觸媒活性，在生產(chǎn)中可實(shí)現(xiàn)低空速，高氨凈值，除低了能耗；2.是冷氣直接導(dǎo)入冷管加大了溫差，增強(qiáng)了冷管的傳熱作用，同時(shí)有利于移走合成反應(yīng)熱，使觸媒床層趨于適宜的反應(yīng)溫度曲線(xiàn)，另一方面可以減小冷管的換熱面積，有利于多裝觸媒增加生產(chǎn)能力，吸取了冷管膽能取出的特點(diǎn)，有利于觸媒的裝卸。
于是，本實(shí)用新型的目的是通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)的一種分流型三套管氨合成塔，包括合成塔外筒、合成塔內(nèi)件、中心管、上觸媒床、下觸媒床、上絕熱層、下絕熱層、熱交換器和三套管冷管組件，其特征在于合成塔內(nèi)件2包括上部為上絕熱層12的上觸媒床4、其本身為絕熱層的下觸媒床8；在上觸媒床4設(shè)置包括三套管5、冷氣導(dǎo)入管10和折流管6的冷管段組件，所述的冷氣導(dǎo)入管連接到分氣盒7的下室，所述的折流管6與分氣盒7的上室連接；所述的分氣盒7設(shè)置于上下觸媒床4和8之間通過(guò)支承體與內(nèi)件筒體壁形成可自由取出的連接；中心管3通過(guò)分氣盒7、上下觸媒床4和8以及上絕熱層12，中心管3的下端與熱交換器9連接，所述的熱交換器9到管間裝有折流擋板的列管式熱交換器或者為螺旋板式熱交換器。
其特征在于所述的上絕熱層12層高為500－1500毫米，下絕熱層8層高為0－3500毫米；催化劑裝填容積為1.65米3；所述的熱交換器9比傳熱面積為4－24米2／米3催化劑，較佳地約這10米2／米3催化劑；冷管傳熱面積為8－20米2／米3催化劑，較佳地約為12米2／米3催化劑。
其特征在于所述的催化劑為ZA4或ZA3型A201合成氨催化劑。
其特征在于合成塔內(nèi)件2的材料為1Cr18Ni9Ti不銹鋼。
本實(shí)用新型分流型三套管氨合成塔的優(yōu)點(diǎn)是明顯的1.有一個(gè)以三套管為主要冷管，由分氣盒、折流管、冷氣導(dǎo)入管組成的能自由取出的獨(dú)特的冷管組件。
(1).在工藝條件改變、床層溫度液動(dòng)的情況下，冷管頂部自由伸縮，不受單管結(jié)構(gòu)的環(huán)管的牽制，從而保證了冷管組件的可靠性和穩(wěn)定性。
(2)有較強(qiáng)的移熱能力，有效地移走觸媒層的反應(yīng)熱，使觸媒層溫度分布接近氨合成反應(yīng)最適宜的溫度曲線(xiàn)，有利于氨合成反應(yīng)，同時(shí)，更適宜使用低溫高活性氨合成催化劑，(如ZA4、ZA3型A201合成氨催化劑)。
(3).床層溫度分布均勻，經(jīng)軸向溫差減小，零米溫度提高，使床層溫度更趨合理，提高了觸媒的生產(chǎn)強(qiáng)度和使用壽命。
2.氣體分流進(jìn)塔(1).減小了主線(xiàn)氣體流量，降低了塔阻力；(2).以少量的低溫冷氣來(lái)控制調(diào)節(jié)床層溫度，顯著減少了循環(huán)量，降低了循環(huán)機(jī)運(yùn)行能耗，提高了出塔氨含量和溫度可獲得較好的余熱回收效果且降低了冷凍負(fù)荷降低了功耗；(3).冷氣溫度和流量可調(diào)，便于生產(chǎn)中的床層控制，在觸媒還原時(shí)能較好的控制還原區(qū)，有利于“分層還原”獲得較好的觸媒活性，從而提高了觸媒的生產(chǎn)強(qiáng)度，合成塔的生產(chǎn)能力。
3.設(shè)置上下兩個(gè)絕熱層和短冷管層(1).上層觸媒層雖有折流冷管通過(guò)，但由于觸媒層短，管內(nèi)溫度已在410℃以上，因此冷管的影響不大可近似地當(dāng)作絕熱層，能有效地發(fā)揮它的作用，促進(jìn)觸媒層的溫度迅速提高，促使熱點(diǎn)上移，使觸媒層溫度更趨合理。同時(shí)由于下絕熱層的設(shè)置，彌補(bǔ)了“冷管效應(yīng)”帶來(lái)的影響，有效地發(fā)揮下絕熱層觸媒的作用，使氨凈值能進(jìn)一步提高。
(2)縮短冷管段，有利多裝觸媒，減少冷管段阻力從而減輕循環(huán)機(jī)負(fù)荷，節(jié)省運(yùn)行能耗。
4.觸媒裝卸方便冷管組件固定形式可分為兩種(1).一種支承在內(nèi)件筒體壁的支座上，可在裝卸觸媒時(shí)能自由取出。
(2).或者可在分氣盒與下層觸媒交界處開(kāi)設(shè)特定手孔，以特定結(jié)構(gòu)與筒體焊接，裝卸下層觸媒時(shí)將手孔打開(kāi)，極為方便。
以下，將通過(guò)附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，以使本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)更為明顯。


圖1為分流型三套管氨合成塔示意圖。
其中，1－合成塔外筒，2－合成塔內(nèi)件，3－中心管，4－上觸媒床，5－三套管，6－折流管，7－分氣盒，8－下觸媒床，9－熱交換器，10－冷氣導(dǎo)入管，11－冷付線(xiàn)管，12－上絕熱層，13－冷管段。
圖1是本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)一選用直徑為60毫米的氨合成塔，如圖所示，本實(shí)用新型包括合成塔外筒1、合成塔內(nèi)件2、中心管3、上觸媒床4、三套管5、折流管6、分氣盒7、為下絕熱層的下觸媒床8、熱交換器9、冷氣導(dǎo)入管10、冷付線(xiàn)管11、上絕熱層12和冷管段13；合成塔內(nèi)件2設(shè)置包括上部為上絕熱層12的上觸媒床4、本身為絕熱層的下觸媒床8；在上觸媒床設(shè)置包括三套管5、冷氣導(dǎo)入管10和折流管6的冷管段組件，所述的冷氣導(dǎo)入管連接到分氣盒7的下室、所述的折流管6與分氣盒7的上室連接；所述的分氣盒7設(shè)置于上下觸媒床4和8之間通過(guò)支承(圖中未表示)與內(nèi)件筒體壁形成可自由取出的連接；中心管3通過(guò)分氣盒7、上下觸媒床4和8以及上絕熱層12，中心管3的下端與熱交換器9連接，所述的熱交換器9的管間裝有折流擋板的列管式熱交換器或者為螺旋板式熱交換器。所述的上絕熱層高為500－1500毫米，下絕熱層高為0－3500毫米催化劑裝填容積為1.65米3；所述的熱交換器9比傳熱面積4－24米2／米3催化劑，較佳地約為10米2／米3催化劑；冷管傳熱面積為8－20米2／米3催化劑，較佳地約為12米2／米3催化劑。所述的催化劑為ZA4或ZA3型A201合成氨催化劑。以及合成塔內(nèi)件2的材料為1Cr18Ni9Ti不銹鋼。
以下將本實(shí)用新型的流程作一簡(jiǎn)單描述氣體分兩段入塔，一段約35－45％由1＃冷氣付線(xiàn)和2＃冷氣付線(xiàn)來(lái)的溫度約60－170℃的氣體由塔頂部大蓋冷氣導(dǎo)入管(10)進(jìn)入塔內(nèi)分氣盒(7)下室，由分氣盒將氣體分配至三套管(5)的內(nèi)冷管，由內(nèi)冷管自下而上進(jìn)入冷管上端，后沿三套管(5)內(nèi)外冷管環(huán)隙自上而下移走觸媒層反應(yīng)熱，再由分氣盒(7)的上室進(jìn)入折流管(6)由下而上時(shí)一步移走觸媒層反應(yīng)熱后進(jìn)入觸媒層頂部，溫度約410°左右，與另一段約55－65％由循環(huán)機(jī)油分來(lái)溫度約30℃的氣體從合成塔大蓋側(cè)部沿外筒(1)內(nèi)件(2)的環(huán)隙自上而下由塔底部一次出口出塔，溫度約40－70℃。去塔外循環(huán)氣預(yù)熱器預(yù)熱，預(yù)熱后氣體溫度約170℃左右由塔底部二次進(jìn)塔，經(jīng)列管式交換器(9)管間(若用螺旋板式熱交換器則氣體進(jìn)入冷氣通道折流而上與反應(yīng)后的高溫氣體換熱后經(jīng)中心管(3)，溫度約410℃左右至觸媒層頂部匯合后，自上而下進(jìn)入上絕熱層(12)冷管段(13)下觸媒床觸媒層內(nèi)進(jìn)行氨合成反應(yīng)，反應(yīng)后的氣體(溫度約465℃)進(jìn)入列管式熱交換器(9)管內(nèi)，若為螺旋板式換熱器，則氣體進(jìn)熱交換器的熱氣通道與反應(yīng)前氣體換熱后(溫度降至340℃左右)由塔底二次氣體出口處引出后去廢熱鍋爐回收熱量。注1＃冷氣付線(xiàn)氣體是塔一次出口的氣體。
采用本實(shí)用新型φ600分流型三套管氨合成塔經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)該塔具有氨凈值高、生產(chǎn)能力大、壓力小、出塔溫度高及還原效果好等特點(diǎn)，若與普通內(nèi)件相比則可較多地降低合成系統(tǒng)壓力，降低循環(huán)機(jī)，壓縮機(jī)和冷凍負(fù)荷，出塔余熱利用增多，放空量減少，新鮮氣消耗下降，能耗相應(yīng)降低，經(jīng)濟(jì)效益顯著。
一、有利于觸媒升溫還原，節(jié)省開(kāi)車(chē)時(shí)間，爭(zhēng)取生產(chǎn)時(shí)間。
由有利于還原，可使還原時(shí)間縮短24小時(shí)。節(jié)約開(kāi)車(chē)費(fèi)用1.2萬(wàn)元，爭(zhēng)取到的一天生產(chǎn)時(shí)間可多產(chǎn)化肥350噸盈利1.4萬(wàn)元。
二、節(jié)電效益1.循環(huán)機(jī)節(jié)電由于空速小，系統(tǒng)阻力的降低，噸氨循環(huán)機(jī)耗電減少20千瓦·小時(shí)。以年產(chǎn)合成氨25000噸計(jì)，年節(jié)電50萬(wàn)千瓦·小時(shí)。
2.壓縮機(jī)節(jié)電以系統(tǒng)壓力降低2－4MPa壓縮機(jī)運(yùn)行電流要降低20－40安培，以20A算，L機(jī)(單機(jī)日產(chǎn)8噸)來(lái)算，節(jié)約電耗39千瓦·小時(shí)，年節(jié)電97萬(wàn)千瓦·小時(shí)。
3.冰機(jī)節(jié)電由于氨凈值的提高，循環(huán)量的減小，冰機(jī)電耗大大下降，經(jīng)測(cè)定，氨凈值增加1％，冰機(jī)耗電降低8－10千瓦·小時(shí)／噸氨，用本內(nèi)件按凈值增加3％，噸氨節(jié)電24千瓦·小時(shí)，年節(jié)電60萬(wàn)千瓦·小時(shí)。
三項(xiàng)合計(jì)年節(jié)電207萬(wàn)千瓦·小時(shí)，以每度電費(fèi)0.21元計(jì)年節(jié)電價(jià)值達(dá)43.47萬(wàn)元。
三、回收余熱效益使用本內(nèi)件后，出合成塔氣體溫度較其它內(nèi)件高出塔氣體廢鍋產(chǎn)0.8－1.2MPa蒸汽供變換器使用，其尾部溫度還可以用來(lái)加熱軟水或鍋匯。
按噸氨付產(chǎn)蒸汽750Kg計(jì)算，經(jīng)軟水加熱器尚可回收熱量20萬(wàn)大卡／時(shí)，折成蒸汽量為100Kg／噸氨。年回收付產(chǎn)蒸汽量為2.1775萬(wàn)噸。按每噸蒸汽20元計(jì)，則余熱回收價(jià)值為42.5萬(wàn)元／年。
四、減少原料氣消耗由于內(nèi)件生產(chǎn)能力大，甲烷由14％提到18％，則噸氨可節(jié)省新鮮氣40M3，約折電15千瓦·小時(shí)，折煤16Kg，年節(jié)電37.5萬(wàn)千瓦·小時(shí)，節(jié)煤400噸，以每噸煤200元計(jì)，則年節(jié)煤價(jià)值達(dá)8萬(wàn)元、電7.8萬(wàn)元，兩項(xiàng)合計(jì)15.80萬(wàn)元。
五、節(jié)省改造資金φ600三套管分流型氨合成生產(chǎn)能力大于25000噸／年，可替代φ800普通型氨合成塔的生產(chǎn)能力，僅此一項(xiàng)可節(jié)省改造資金120萬(wàn)元。
本實(shí)用新型的保護(hù)范圍將在權(quán)利要求書(shū)中體現(xiàn)。
權(quán)利要求1.一種分流型三套管氨合成塔，包括合成塔外筒、合成塔內(nèi)件、中心管、上觸媒床、下觸媒床、上絕熱層、下絕熱層、熱交換器和三套管冷管組件，其特征在于合成塔內(nèi)件2設(shè)置包括上部為上絕熱層12的上觸媒床4、其本身為下絕熱層的下觸媒床8；在上觸媒床4設(shè)置包括三套管5、冷氣導(dǎo)入管10和折流管6的冷管段組件，所述的冷氣導(dǎo)入管10連接到分氣盒7的下室、所述的折流管6與分氣盒7的上室連接；所述的分氣盒7設(shè)置于上下觸媒床4和8之間通過(guò)支承體與內(nèi)件筒體壁形成可自由取出的連接；中心管3通過(guò)分氣盒7、上下觸媒床4和8以及上絕熱層12，中心管3的下端與熱交換器9連接，所述的熱交換器9為管間裝有折流擋板的列管式熱交換器或者為螺旋板式熱交換器。
2.如權(quán)利要求1所述的氨合成塔，其特征在于所述的上絕熱層12層高為500－1500毫米，下絕熱層8層高為0－3500毫米；催化劑裝填容積為1.65米3；所述的熱交換器9比傳熱面積為4－24米2／米3催化劑，較佳地約為10米2／米3催化劑；冷管組件傳熱面積為8－20米2／米3催化劑，較佳地約為12米2／米3催化劑。
3.如權(quán)利要求1或2所述的氨合成塔，其特征在于所述的催化劑為ZA4或ZA3型A201合成氨催化劑。
4.如權(quán)利要求1或2所述的氨合成塔，其特征在于合成塔內(nèi)件2的材料為1Cr18Ni9Ti不銹鋼。
專(zhuān)利摘要一種分流型三套管氨合成塔，包括合成塔外筒和內(nèi)件。其特征在于內(nèi)件包括上下絕熱層、上觸媒床，在上觸媒床設(shè)置三套管、冷氣導(dǎo)入管和折流管的冷管組件，上下觸媒床之間設(shè)置分氣盒，它通過(guò)支承與內(nèi)件筒壁形成可自由取出的連接，中心管通過(guò)分氣盒、上下觸媒床以及上絕熱層，中心管下端與熱交換器連接，所述的熱交換器可以為列管式或螺旋板式熱交換器。
文檔編號(hào)C01C1/00GK2144646SQ9224324
公開(kāi)日1993年10月27日 申請(qǐng)日期1992年11月30日 優(yōu)先權(quán)日1992年11月30日
發(fā)明者鄭包榮 申請(qǐng)人:鄭包榮