工業氨合成反應器的優化設計

張泰山

(山西興新安全技術服務有限公司，山西 太原 030024)

引 言

氨的最佳生產對發展中國家至關重要，因為這些國家的經濟主要依賴于農業。幾種含氮化合物，如尿素、硝酸、肥料、炸藥、藥物、聚合物和冷卻劑可以用氨生產[1-2]。氨合成工段被認為是化肥廠的心臟，氨合成反應器是該工段的主要組成部分。尿素的最佳生產方式很大程度上取決于氨的有效生產方式，它是通過氣體氮(從空氣中收集)和氫氣(從天然氣中收集)之間的反應，按照Haber-Bosch工藝生產的。傳統的氨產品反應過程包括合成氣體的生產、將氣體壓縮到所需的壓力和反應器中氨轉化的合成回路[3]。

多床徑向流轉爐的設計是由Topsoe作為技術許可方首次引入的，與其他已知技術相比，該設計提高了每道轉爐的轉化率。Topsoe S-200型氨合成轉爐是一種雙床徑向流轉爐，催化劑床層有間接冷卻功能。自1976年引進S-200型轉爐以來，它比任何其他轉爐設計在氨廠使用的都多，全球安裝了130多個轉爐[4-5]。

因此，本研究集中在氨的反應器部分的合成回路中，優化了床層長度，設計了壓力容器和支撐測量，并根據實際化肥行業的數據評估了壓力降。最后，將優化后的模型參數與實際工廠數據進行了比較。

1 反應器的設計方法

1.1 床層長度計算

對于已知的物料平衡數據，需要的催化劑床的數量和每個床的長度進行了優化，其中需要床層內部熱交換器。

1.2 壓力容器設計

在設計壓力容器之前，需要考慮的參數包括安全系數、最大安全操作溫度和壓力、結構材料、腐蝕余量和最小設計溫度(用于脆性斷裂)。選擇合適的材料是必要的，目的是為了安全地處理極端情況。

壓力容器設計需要考慮的因素包括材料的選擇、容器壁厚計算及容器封頭厚度計算。

1.3 支撐

圓柱和其他類型的容器需要支撐來承受其自重、風力和地震荷載所產生的彎矩的極端條件。立式容器一般由裙邊、托架和立柱支撐。選擇合適的支架類型取決于高度、直徑、可用的地板空間和位置的方便程度。

壓力容器設計需要考慮的因素包括：支架的選擇、厚度計算。

1.4 沿床層長度的壓降

流體穿透床層時的壓降被認為是設計中最重要的參數之一，Ergun首次提出了壓降計算的關系式。然而，文獻中大量關聯是基于Ergun關聯建立的。本研究采用Ergun相關法。

1.5 模型搭建

通過對合成反應器的建模，得到了反應溫度、轉化率、反應速率和平衡常數的分布。基于上述參數的模型測試在每個床層的末端完成，因為通常在床層長度上得不到工業數據。

建模步驟和關鍵點，如下所示：

1) 考慮了一維坐標隨體積流的變化；

2) 由于工業規模下流體的速度非常高，因此忽略了質量和熱量的滲透；

3) 壓強和密度是恒定的；

4) 催化劑表面濃度、溫度和氣體體積相等；

5) 徑向的熱梯度和濃度梯度可以忽略不計；

6) 通過一個系數將催化劑穿透阻力、溫度梯度和催化劑內濃度的影響納入方程。

2 設計結果及分析

按照第二章節所提出的方法，對數據進行建模設計，氮氣沿氨轉爐的單道轉化率為23.8%。

2.1 床層長度計算

從圖1中1號轉爐床的轉化曲線可以看出，在15 m長度后，轉化率明顯降低。反應速率曲線也得到了相同的結果，反應速率在15 m后降低。因此，15 m的轉爐床將適合于第一層床。第一個轉爐的溫度為19%，第一個床層入口溫度為360 ℃，出口溫度為442 ℃。

從圖2中第二轉爐的轉化率曲線可以看出，7.5 m長度后，轉化率明顯下降，此時轉化率達到了23.8%。從反應速率曲線上也可以看出，7.5 m后，速率即將降低。因此，7.5 m的轉爐床將適合第二床。入口的溫度第二床是377 ℃，出口溫度是397 ℃。

圖3是轉化率和氨平衡與溫度的關系。圖4為沿床層長度的轉化率和溫度分布。從圖4可以看出，當第一層床層長接近15 m時，由于放熱反應提高了反應混合物的溫度，轉化率呈下降趨勢。為此，采用層間換熱器進行了試驗研究。

圖2 A)轉化率B)溫度C)平衡常數D)反應速率曲線

圖3 轉換率和平衡常數與溫度的關系

圖4 沿床層長度的轉化率和溫度分布

2.2 壓力容器設計

壓力容器設計的相關數據如下：設計壓力為15.2 MPa，工作壓力為13.76 MPa，設計溫度為370 ℃，腐蝕余量(封頭/外殼)為1.6 mm，絕緣厚度為100 mm，內徑為3 000 mm，外徑為3 224 mm，安全系數為1.5。

橢球頭、半球頭和球面頭是壓力容器盤形封頭的三種類型。球體是頭部的理想形狀，因為容器內的壓力在頭部表面平均分配。頭部的半徑等于容器的圓柱形部分的半徑，因此，選擇半球形封頭進行設計。

2.3 支架選型與計算

壓力容器支承在氣缸上，直接焊接在底部封頭上。裙邊由各種用于出口噴嘴和人孔的切口組成，如圖5所示。裙邊不僅允許容器在工廠中放置在要求的高度，而且允許與民用基礎進行適當的螺栓布置。裙部的圓柱形殼體是根據船舶自重、風荷載和地震荷載的應力組合而設計的，裙邊的厚度是均勻的，并被設計為能夠承受最大的拉伸和壓縮應力。

圖5 圓柱群支撐示意圖

2.4 模型驗證

將模型氨合成反應器出口組成和床層溫度與表1中實際化肥廠數據進行了比較。可以看出，在氨氣的出口成分中，模型預測與工廠數據的最大偏差為5.56%。因此，本研究建立的模型與裝置數據吻合較好，可用于氨轉爐的模擬研究。在床層溫度上也得到了類似的、可接受的結果。在模擬研究中，一床和二床入口溫度保持恒定。二床出口溫度偏差最大，為6.29%。然而，壓降與實際工廠數據有15%的偏差。因此，可以認為預測的模型非常接近工業廠房實際值。

表1 工廠數據與模型結果的比較

3 結論

本文為設計氨合成反應器，建立了一維擬均勻模型，從氨轉化器物料和能量平衡的基本原理出發，對催化劑床層內的轉化率和溫度變化進行了預測，在預測了床層長度的基礎上，對壓力容器設計、裙邊設計和反應器沿程壓降進行了研究，與工廠數據進行了比較，得到了較滿意的模型結果。