1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

1氨合成塔简介

氨合成塔（ammoniasynthesisconverter）是在高压、高温下用来使氮气和氢气发生催化反应进行氨合成的设备。氨合成塔是合成氨厂的心脏，是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、高温下氢气对钢的腐蚀，氨合成塔由耐高压的封头、外筒和装在筒体耐高温的内件组成。

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,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】

2氨合成塔发展状况及分类

我国的氨合成工业从薄弱迅速发展起来，在短短的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。转换器的形式也发生了很大的变化，从单一转换成多样化，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。有很多知识分子投入氨的成产和研究当中，大多数的氨合成厂都在进一步的扩建当中。【7】

随着氨合成技术的不断发展，氨合成塔向单系列，大型化，节能型方向发展。目前我国有大型氨合成塔设备30套。所使用氨合成塔设备有5种类型：凯洛格型，托普索型，伍德型，布朗型，卡萨利型【3】。这种塔形根据机体流动方向不同，分为轴向流型，径向流型，轴径向流型，各有所长。轴向流塔操作稳定，催化剂装量多，径向流塔操作效率高，压力降小，操作敏感性强，要求高效催化。

总之，我国的氨合成工艺赶上了发达国家的水平，为我国的工农业生产做出了巨大的贡献，所以我们必须不断探讨和掌握氨合成工艺的规律，使氨合成塔的设计，制造，生产，安装，维护都达到一个新的水平。而且要继续攀登新的高峰，夺取胜利。

应对氨合成塔进行以下改进：增大触媒装填容积，提高利用率；采用新型触媒，充分发挥触媒的活性；降低气体阻力，改进气体分布的均匀性；采用两进两出合成新工艺；强化传热，合理安排冷热交换，提高热能回收比率；改善温度分布，使其达到最佳；简化系统，使操作集中，提高系统运转的可靠性。

2.1氨合成塔的分类

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，气体从塔顶部进入，在环隙中从塔壁而下，经换热器壳程后到分气盒，分散到各个双套管的内冷却管，到管顶折至外冷却管，气体被预热到铁催化剂的活性温度，再流到没有电加热管的中心管。从上而下通过催化剂床层，氮气和氢气在此反应后，出催化剂框，通过换热器管程降低温度，出合成塔。为了控制催化剂床层温度过高，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。【4】

间接换热式：只要特征是反应和换热的间断进行。催化剂床层分为若干段，在段间通入的未预热的氮气氢气混合气体用以直接冷却，成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和沿半径方向流动的径向氨合成塔。他们结构简单，易损部件少，内件比较稳定，多被大型氨厂采用。【6】

2.1.1凯洛格型

凯洛格型：美国凯洛格从40年代开始，在设计合成氨装置时采用多层冷激式轴向流动立式氨合成塔，66年以前为筒式塔，将催化剂筐和换热器均放在一个筒体内，换热器布置在塔的下部，催化剂筐分为4层，各催化剂层之间送入冷激气体，筒体为开口式，整个内件可以提出。这种结构，筒体和顶盖都需要特大锻件，制造较为困难，由于换热器布置在下部，短而粗，长颈比较小，对换热器不利，在壳程中虽可采用增加折流的措施来提高气体流速，改善传热条件，但管程一侧的传热系数仍然比较低。

瓶式合成塔为轴向四层冷激式，有一个缩口的外壳，其上部壳体的直径比下部要小得多，上部壳体设一立式换热器，下部设有四层催化剂筐，筐外有保温层，整个内件都悬挂在外壳缩口部分的法兰上，向下可以自由膨胀。

优点：1系统结构简单，操作弹性大，易于控制2内件结构比较简单3妥善处理了各个内件之间的连接和降温4开设许多人孔，便于检查5催化剂筐在塔内，合成塔的密封有保证6结构紧凑，占用主塔体积小

改进：1壳体采用缩口瓶式结构，催化剂筐在塔内，重量大2采用多层催化剂层，占用空间大3塔内压力降比较大，不易使用效率较高的小颗粒催化剂4材质为不锈钢，对腐蚀较为敏感。

2.1.2托普索型

托普索型合成塔有s-100，s-200，s-250和s-300几种类型，【13】

两台换热器分别布置在第一和第二催化剂筐内，反应后的气体通过换热器间接冷却，从而提高每层的氨转换率。每个绝热床层都有一个径向流，气体的流动都是内向的

因此可采用内催化剂。催化剂筒壁为合金珊，保证气体均匀分布，防止气体直接吹催化剂。

2.1.3伍德型：【12】

伍德(LJhde)公司原设计氨合成塔为轴向流动3床层冷激式塔，后改为轴径向塔，目前为3床层径向塔，中原大化集团有限责任公司氨合成塔即为该类型。该塔可采用小颗粒催化剂，使合成系统压力降低至8.5MP、具有塔内反应温度分布十分接近最佳反应温度、较高的转化率和氨净值、节能等特点。伍德公司近期又开发了双塔串联流程，在原3床层冷激塔后增加1台单床层径向塔，为渣油型制氨提出2塔3床层2废锅流程，合成压力为16.OMPa。该塔的特点是结构简单、塔内阻力降低、生产能力增大、热能利用率完善。该塔与凯洛格型氨合成塔工艺数据比较见表to

2.1.4布朗型

布朗(Braun)公司早期的塔型为2台串联的绝热型合成塔，塔间设有塔外换热器。1985年布朗公司开发了3塔专利流程，已被众多的大型氨厂采用，20世纪90年代我国分别在锦西、涪陵、合江建成的大化肥装置中采用该技术。其特点是吨氨综合能耗为28}30GJ、循环气量小(33k耐)、氨净值高(1700-'1800)、高位能利用好、结构简

单、操作灵活、催化剂装卸方便。但由于仍采用轴向床，与其它氨合成技术相比，合成系统压力降大、循环功耗高。布朗型氨合成塔的技术性能数据见表20

2.1.5卡萨利型：

卡萨利型氨合成塔为轴径向合成塔，取消了传统型的径向型催化剂密封装置，采用中心集气管，上端部分不开孔，迫使气体在顶部处于轴径向混合流动状态，它分为二床层和三床层合成塔，三床层合成塔又有二段中间换热和一段冷激，一段中间换热等形式，三床层二段中间换热式合成塔出口氨体积分数达20.7%。

三床层两段中间换热式氨合成塔主要参数如上图：【9】

1两台换热器分别设置在第一和第二催化剂筐内，反应后的气体通过换热器间接冷却，从而提高了每层氨出口转换率。

2每个床层都有一个轴---径向流，大部分的气体都以径向通过催化剂床层，其余气体以轴向通过催化剂的顶部床层，气体的流动方向都是内向的，这样既可采用小颗粒催化剂，又提高了氨转换率

3气体流为轴-径向，取消了催化剂层顶部的端盖，使气体分布均匀，整体塔压力降减小

4进入催化剂层5%的气体流向为轴向，其余大部分为径向，气体流不存在死角，充分利用了催化剂。

5催化剂内筒壁由多孔壁和金属丝网组成，形成一个气体分布墙，保证气体分布均匀

3外壳设计优化

氨合成塔是合成氨装置中最关键的装置之一，对合成塔外壳的设计显得格位重要。【11】

合成塔上部封头采用可拆平盖通过螺栓，双锥环垫与上端部相连。筒体采用多层包扎形式，筒体与下封头之间采用一过度件相连，裙座与过度件对接。

为例满足抗氢腐蚀与高温力学性能的要求，多层包扎筒体的内筒，上端部，平盖，过度件均采用1.25Cr-0.5Mo钢。下部封头及下部气体出口管件，上部气体入口管件处，由于温度较高，材料选用2.25Cr-1Mo.

平盖采用可拆型的，在高压设备设计时，高压大直径螺栓材料应优先选择40CrNiMoA,如此可降低厚度约五分之一，直径也相应减少许多。筒体结构一般有4种形式：1锻件式，优点是无纵缝，缺点是有深环焊缝，成本高，筒体厚度大2单层板卷焊式：优点是制造工期短，缺点是带有深纵环焊式3带有深环焊接的多层包扎形式4无深环焊缝多层包扎形式：内筒先与上端部及下部过度件，下部封头等组焊并热处理后使用特殊工艺包扎上去。【14】

比较四中筒体结构，无深环焊缝多层包扎形式可以做到只漏不爆安全可靠，锻制筒体成本最高，厚板其次，多层包扎结构成本最低，无深环焊缝多层包扎结构有很大的发展空间。【15】

密封方面：由于塔中的组分有氢气，氮气和氨，且为高温高压临氢环境工作，密封结构尤为重要：上端平盖的密封，双锥面密封是一种半自紧式密封，在两个密封面上放置柔性石墨，靠主螺栓压紧，使垫片产生塑性变形以达到密封目的。下部出口及接管的密封采用无垫片法兰密封焊接结构。

氨合成塔是在高温、高压和有腐蚀性介质下运行的化工设备。氨合成塔筒体作为典型的高压容器,可采用多层包扎式结构以提高材利用率,节约成本。然而在预紧力作用下多层钢板特别是内筒的应力如何分布,层间作用力是什么状态,包扎层数对应力分布有什么影响等问题都直接关系到氨合成塔筒体的制造及日后安全生产作业。目前,公开发表的对多层包扎式高压容器的应力及强度分析研究的论文并不多见,且多数未考虑预应力对其影响。因此,采用弹性力学基本原理及有限元分析方法对某化工厂的氨合成塔多层包扎式筒体进行应力分析和强度评价,研究各工况下筒体层间应力分布规律,这对于氨合成塔筒体及相应类多层包扎高压容器的设计和制造应该具有一定的参考价值。重点开展以下几个方面的研究工作:(1)分析氨合成塔多层包扎式筒体的结构特征和制造工艺的特点,建立包扎预应力计算的数学模型,推导出各包扎层预应力理论推导方法和数学计算表达函数,得到包扎后筒体各层钢板预应力值的数值解。(2)依据氨合成塔的结构设计要求和材料属性,建立三维实体模型,用有限元法计算氨合成塔多层包扎式筒体在工作压力下(无预紧力)的应力分布、筒体与封头焊接处的应力分布、变形情况。(3)将包扎预应力与工况载荷应力合成,求解多层包扎氨合成塔筒体的最终工作应力。(4)对氨合成塔筒体的最终工作应力分析计算结果进行评价,并提出合理化建议或进行结构优化设计。(5)为方便工程人员直接快速获取多层包扎式高压容器应力数值,设计开发多层包扎筒体预应力分析计算通用程序。综上所述,通过研究工作,得到了氨合成塔多层包扎式筒体在制造和工作过程中内部的应力分布规律,通过采用应力数值的计算方法进行求解,以及用有限元法进行建模分析,为优化改进氨合成塔多层包扎式筒体的结构,提高容器综合性能提供了一种较为有效的分析方法。

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

本课题根据要求研究氨合成塔的结构设计，塔结构最重要的是外壳设计，氨合成塔的工作要求是高温高压，所以外壳的设计要求很重要。

方法：氨合成塔外壳结构主要有筒体，平盖，下部出口，接管的密封。还有材料的选用。现在采用的无深环焊缝多层包扎筒体的结构对外壳优化有很大帮助。平盖可设计成可拆卸的，材料方面选用得当可大大降低平盖锻件的厚度以及外径尺寸。筒体结构可选用方式比较多，比较一下，无深环焊缝多层包扎结构形式安全可靠，制造周期短。密封结构采用双锥环密封制造简单，安全性大，装拆方便，不易失稳。