专利名称：分流型三套管氨合成塔的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种改进的氨合成塔，具体地说，它是一种分流型三套管氨合成塔。
氨合成塔是合成氨厂的关键设备之一。其内件设计的好坏与否对能耗水平和生产能力的发挥有着直接影响，近年来由于新型低温高活性氨合成催化剂的开发，促进了氨合成塔的发展，各种新型内件相继出现，对小氮肥企业的节能降耗、挖掘设备潜力起了一定的作用。
氨合成塔种类繁多，以其移走反应热的形式划分有冷管型、冷激型、段间换热型三种。冷激型塔结构简单，触媒装填量多。但由于触媒层的反应热和温度靠塔外直接送入冷激气来维持，一方面冲淡了出塔气的氨浓度另一方面如气质不好造成全塔中毒。因此，大直经塔已由冷激型改造为段间换热型。而在小型塔中，由于段间换热器要占据本来就有限的空间，减少了触媒装填量，影响生产能力的提高。冷管型塔由于冷管布置不均匀和“冷管效应”等原因限制了氨净值的提高和生产能力的发挥。但由于它操作简单，触媒装卸方便，生产强度大等优点，因此中小型合成氨厂还较普遍使用。目前，中小型合成氨厂使用较普遍的氨合成塔大致有三套管、单管折流和并流式分气型氨合成塔(中国专利CN89212109.2)。上述三种类型的氨合成塔的优点如下一、三套管氨合成塔的最大优点1.结构简单可靠，技术成熟，操作稳定，适应性强，调节方便。2.冷管具有较强的传热能力，触媒层温度分布比较接近氨合成反应的最适宜温度曲线。但也存在着不足之处；1.冷管占据空间较多，影响触媒装填量。2.由于三套管传热能力较强在触媒升温还原时下层提温困难，使下层触媒还原不易彻底，影响下层触媒的生产能力发挥。
二、单管折流式氨合成塔的优点是，进塔气体由热交换器出来先进中心管然后再进冷管，解决了触媒在升温还原时下层提温困难的情况，从而使触媒还原彻底。2.是由于折流冷管的布置使轴向、径向温差较小，触媒层零米温度较高，有利提高触媒的生产强度。3.是设置了下绝热层，一是弥补了“冷管效应”带来的影响，二是有利下层触媒生产能力的发挥。缺点是由于轴向温差较小，在还原时易使下部触媒反复氧化，晶粒增大，对还原后触媒活性不利。2.取消了上绝热层，在上层触媒中毒的情况下触媒层热点易下移。3.是该冷管束焊缝较多，温差应力较大，存在着焊缝开裂的隐患。
三、并流式分气型氨合成塔(中国专利申请号CN89212109.2)的优点是气体采取分流，一是减小了阻力，二是冷气直接导入冷管增大了传热温差，从而增强了冷管的传热效率，可以减小冷管传热面积增加触媒装填量，同时由于冷气的气体流量和温度可调，有利于升温还原，在触媒升温还原时能较好地控制，使其处在自上而下的“分层还原”的有利条件下，可使触媒能得到较充分的还原，从而获得较好的触媒活性，以及使触媒达到最大的生产强度。在生产中可实现“低空速高净值”，从而节省循环机和冷冻机运行能耗，同时，由于设置上下绝热层，一方面减小了阻力另一方面提高了触媒的利用率增强了生产强度。三是冷管胆能自由取出便于维修和更换。
但是，该内件由于温差应力很大，冷管焊缝较多又受环管的牵制，在工艺条件不稳定情况下，很容易造成焊缝开裂，而且生产能力随着管理水平的高低差距较大，因此该塔对工艺和管理要求较高。
本实用新型分流型三套管氨合成塔是在分析了上述使用较普遍的三种氨合成塔的优缺点的基础上进行了综合，吸取了三套管氨合成塔冷管分气盒结构可靠、操作稳定和冷管传热能力强及上绝热层设置的合理。吸取了单管折流式氨合成塔的折流冷管布置，减小了床层轴向温差和经向温差，提高了床层零米温度的优点，使床层温度分布更趋合理，有利于提高生产能力的发挥，下绝热层的设置，弥补了冷管层冷管所造成的“冷管效应”带来的影响，同时也进一步提高了氨净值，充分发挥了下部触媒层触媒的作用，提高了生产能力。吸取了并流式分气型氨合成塔的“分流”的这一特点；1.冷气的温度和流量均能调节，给触媒的升温还原带来有利条件，使触媒能得到较好的“分层还原”，获得较好的触媒活性，在生产中可实现低空速，高氨净值，除低了能耗；2.是冷气直接导入冷管加大了温差，增强了冷管的传热作用，同时有利于移走合成反应热，使触媒床层趋于适宜的反应温度曲线，另一方面可以减小冷管的换热面积，有利于多装触媒增加生产能力，吸取了冷管胆能取出的特点，有利于触媒的装卸。
于是，本实用新型的目的是通过以下方式实现的一种分流型三套管氨合成塔，包括合成塔外筒、合成塔内件、中心管、上触媒床、下触媒床、上绝热层、下绝热层、热交换器和三套管冷管组件，其特征在于合成塔内件2包括上部为上绝热层12的上触媒床4、其本身为绝热层的下触媒床8；在上触媒床4设置包括三套管5、冷气导入管10和折流管6的冷管段组件，所述的冷气导入管连接到分气盒7的下室，所述的折流管6与分气盒7的上室连接；所述的分气盒7设置于上下触媒床4和8之间通过支承体与内件筒体壁形成可自由取出的连接；中心管3通过分气盒7、上下触媒床4和8以及上绝热层12，中心管3的下端与热交换器9连接，所述的热交换器9到管间装有折流挡板的列管式热交换器或者为螺旋板式热交换器。
其特征在于所述的上绝热层12层高为500－1500毫米，下绝热层8层高为0－3500毫米；催化剂装填容积为1.65米3；所述的热交换器9比传热面积为4－24米2／米3催化剂，较佳地约这10米2／米3催化剂；冷管传热面积为8－20米2／米3催化剂，较佳地约为12米2／米3催化剂。
其特征在于所述的催化剂为ZA4或ZA3型A201合成氨催化剂。
其特征在于合成塔内件2的材料为1Cr18Ni9Ti不锈钢。
本实用新型分流型三套管氨合成塔的优点是明显的1.有一个以三套管为主要冷管，由分气盒、折流管、冷气导入管组成的能自由取出的独特的冷管组件。
(1).在工艺条件改变、床层温度液动的情况下，冷管顶部自由伸缩，不受单管结构的环管的牵制，从而保证了冷管组件的可靠性和稳定性。
(2)有较强的移热能力，有效地移走触媒层的反应热，使触媒层温度分布接近氨合成反应最适宜的温度曲线，有利于氨合成反应，同时，更适宜使用低温高活性氨合成催化剂，(如ZA4、ZA3型A201合成氨催化剂)。
(3).床层温度分布均匀，经轴向温差减小，零米温度提高，使床层温度更趋合理，提高了触媒的生产强度和使用寿命。
2.气体分流进塔(1).减小了主线气体流量，降低了塔阻力；(2).以少量的低温冷气来控制调节床层温度，显著减少了循环量，降低了循环机运行能耗，提高了出塔氨含量和温度可获得较好的余热回收效果且降低了冷冻负荷降低了功耗；(3).冷气温度和流量可调，便于生产中的床层控制，在触媒还原时能较好的控制还原区，有利于“分层还原”获得较好的触媒活性，从而提高了触媒的生产强度，合成塔的生产能力。
3.设置上下两个绝热层和短冷管层(1).上层触媒层虽有折流冷管通过，但由于触媒层短，管内温度已在410℃以上，因此冷管的影响不大可近似地当作绝热层，能有效地发挥它的作用，促进触媒层的温度迅速提高，促使热点上移，使触媒层温度更趋合理。同时由于下绝热层的设置，弥补了“冷管效应”带来的影响，有效地发挥下绝热层触媒的作用，使氨净值能进一步提高。
(2)缩短冷管段，有利多装触媒，减少冷管段阻力从而减轻循环机负荷，节省运行能耗。
4.触媒装卸方便冷管组件固定形式可分为两种(1).一种支承在内件筒体壁的支座上，可在装卸触媒时能自由取出。
(2).或者可在分气盒与下层触媒交界处开设特定手孔，以特定结构与筒体焊接，装卸下层触媒时将手孔打开，极为方便。
以下，将通过附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明，以使本实用新型的优点更为明显。
图1为分流型三套管氨合成塔示意图。
其中，1－合成塔外筒，2－合成塔内件，3－中心管，4－上触媒床，5－三套管，6－折流管，7－分气盒，8－下触媒床，9－热交换器，10－冷气导入管，11－冷付线管，12－上绝热层，13－冷管段。
图1是本实用新型的一个实一选用直径为60毫米的氨合成塔，如图所示，本实用新型包括合成塔外筒1、合成塔内件2、中心管3、上触媒床4、三套管5、折流管6、分气盒7、为下绝热层的下触媒床8、热交换器9、冷气导入管10、冷付线管11、上绝热层12和冷管段13；合成塔内件2设置包括上部为上绝热层12的上触媒床4、本身为绝热层的下触媒床8；在上触媒床设置包括三套管5、冷气导入管10和折流管6的冷管段组件，所述的冷气导入管连接到分气盒7的下室、所述的折流管6与分气盒7的上室连接；所述的分气盒7设置于上下触媒床4和8之间通过支承(图中未表示)与内件筒体壁形成可自由取出的连接；中心管3通过分气盒7、上下触媒床4和8以及上绝热层12，中心管3的下端与热交换器9连接，所述的热交换器9的管间装有折流挡板的列管式热交换器或者为螺旋板式热交换器。所述的上绝热层高为500－1500毫米，下绝热层高为0－3500毫米催化剂装填容积为1.65米3；所述的热交换器9比传热面积4－24米2／米3催化剂，较佳地约为10米2／米3催化剂；冷管传热面积为8－20米2／米3催化剂，较佳地约为12米2／米3催化剂。所述的催化剂为ZA4或ZA3型A201合成氨催化剂。以及合成塔内件2的材料为1Cr18Ni9Ti不锈钢。
以下将本实用新型的流程作一简单描述气体分两段入塔，一段约35－45％由1＃冷气付线和2＃冷气付线来的温度约60－170℃的气体由塔顶部大盖冷气导入管(10)进入塔内分气盒(7)下室，由分气盒将气体分配至三套管(5)的内冷管，由内冷管自下而上进入冷管上端，后沿三套管(5)内外冷管环隙自上而下移走触媒层反应热，再由分气盒(7)的上室进入折流管(6)由下而上时一步移走触媒层反应热后进入触媒层顶部，温度约410°左右，与另一段约55－65％由循环机油分来温度约30℃的气体从合成塔大盖侧部沿外筒(1)内件(2)的环隙自上而下由塔底部一次出口出塔，温度约40－70℃。去塔外循环气预热器预热，预热后气体温度约170℃左右由塔底部二次进塔，经列管式交换器(9)管间(若用螺旋板式热交换器则气体进入冷气通道折流而上与反应后的高温气体换热后经中心管(3)，温度约410℃左右至触媒层顶部汇合后，自上而下进入上绝热层(12)冷管段(13)下触媒床触媒层内进行氨合成反应，反应后的气体(温度约465℃)进入列管式热交换器(9)管内，若为螺旋板式换热器，则气体进热交换器的热气通道与反应前气体换热后(温度降至340℃左右)由塔底二次气体出口处引出后去废热锅炉回收热量。注1＃冷气付线气体是塔一次出口的气体。
采用本实用新型φ600分流型三套管氨合成塔经济效益预测该塔具有氨净值高、生产能力大、压力小、出塔温度高及还原效果好等特点，若与普通内件相比则可较多地降低合成系统压力，降低循环机，压缩机和冷冻负荷，出塔余热利用增多，放空量减少，新鲜气消耗下降，能耗相应降低，经济效益显著。
一、有利于触媒升温还原，节省开车时间，争取生产时间。
由有利于还原，可使还原时间缩短24小时。节约开车费用1.2万元，争取到的一天生产时间可多产化肥350吨盈利1.4万元。
二、节电效益1.循环机节电由于空速小，系统阻力的降低，吨氨循环机耗电减少20千瓦·小时。以年产合成氨25000吨计，年节电50万千瓦·小时。
2.压缩机节电以系统压力降低2－4MPa压缩机运行电流要降低20－40安培，以20A算，L机(单机日产8吨)来算，节约电耗39千瓦·小时，年节电97万千瓦·小时。
3.冰机节电由于氨净值的提高，循环量的减小，冰机电耗大大下降，经测定，氨净值增加1％，冰机耗电降低8－10千瓦·小时／吨氨，用本内件按净值增加3％，吨氨节电24千瓦·小时，年节电60万千瓦·小时。
三项合计年节电207万千瓦·小时，以每度电费0.21元计年节电价值达43.47万元。
三、回收余热效益使用本内件后，出合成塔气体温度较其它内件高出塔气体废锅产0.8－1.2MPa蒸汽供变换器使用，其尾部温度还可以用来加热软水或锅汇。
按吨氨付产蒸汽750Kg计算，经软水加热器尚可回收热量20万大卡／时，折成蒸汽量为100Kg／吨氨。年回收付产蒸汽量为2.1775万吨。按每吨蒸汽20元计，则余热回收价值为42.5万元／年。
四、减少原料气消耗由于内件生产能力大，甲烷由14％提到18％，则吨氨可节省新鲜气40M3，约折电15千瓦·小时，折煤16Kg，年节电37.5万千瓦·小时，节煤400吨，以每吨煤200元计，则年节煤价值达8万元、电7.8万元，两项合计15.80万元。
五、节省改造资金φ600三套管分流型氨合成生产能力大于25000吨／年，可替代φ800普通型氨合成塔的生产能力，仅此一项可节省改造资金120万元。
本实用新型的保护范围将在权利要求书中体现。
权利要求1.一种分流型三套管氨合成塔，包括合成塔外筒、合成塔内件、中心管、上触媒床、下触媒床、上绝热层、下绝热层、热交换器和三套管冷管组件，其特征在于合成塔内件2设置包括上部为上绝热层12的上触媒床4、其本身为下绝热层的下触媒床8；在上触媒床4设置包括三套管5、冷气导入管10和折流管6的冷管段组件，所述的冷气导入管10连接到分气盒7的下室、所述的折流管6与分气盒7的上室连接；所述的分气盒7设置于上下触媒床4和8之间通过支承体与内件筒体壁形成可自由取出的连接；中心管3通过分气盒7、上下触媒床4和8以及上绝热层12，中心管3的下端与热交换器9连接，所述的热交换器9为管间装有折流挡板的列管式热交换器或者为螺旋板式热交换器。
2.如权利要求1所述的氨合成塔，其特征在于所述的上绝热层12层高为500－1500毫米，下绝热层8层高为0－3500毫米；催化剂装填容积为1.65米3；所述的热交换器9比传热面积为4－24米2／米3催化剂，较佳地约为10米2／米3催化剂；冷管组件传热面积为8－20米2／米3催化剂，较佳地约为12米2／米3催化剂。
3.如权利要求1或2所述的氨合成塔，其特征在于所述的催化剂为ZA4或ZA3型A201合成氨催化剂。
4.如权利要求1或2所述的氨合成塔，其特征在于合成塔内件2的材料为1Cr18Ni9Ti不锈钢。
专利摘要一种分流型三套管氨合成塔，包括合成塔外筒和内件。其特征在于内件包括上下绝热层、上触媒床，在上触媒床设置三套管、冷气导入管和折流管的冷管组件，上下触媒床之间设置分气盒，它通过支承与内件筒壁形成可自由取出的连接，中心管通过分气盒、上下触媒床以及上绝热层，中心管下端与热交换器连接，所述的热交换器可以为列管式或螺旋板式热交换器。
文档编号C01C1/00GK2144646SQ9224324
公开日1993年10月27日 申请日期1992年11月30日 优先权日1992年11月30日
发明者郑包荣 申请人:郑包荣