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文档简介
第5章触媒的选择及触媒筐设计整体锻焊式氨合成塔触媒的选择及触媒筐设计1.1触媒的选择1.1.1触媒选择的基本要求氨的合成反应是放热反应,要使氮、氢化合成氨的数量多,就要选择较低的温度,但是温度低了,反应所需时间就要延长。为了解决这一矛盾关系,可以采用一种能加快反应速度而本身又不起化学变化的物质——触媒,使反应物在较低的温度下,能很快地进行反应。工业上对触媒的要求,大致可分如下几方面:1.在较低温度下具有较好的活性;2.抗毒性能强;3.足够的机械强度;4.使用寿命长;5.耐热性能好;6.制造过程简单;7.原料来源容易,成本低。针对上述几点要求,目前合成氨工业中普遍采用铁触媒。在工业生产中,合理地选择触媒型号、颗粒大小和装填方案,具有现实的意义。如选择不当,将影响该塔型结构特点的发挥。选择时一般应考虑如下几个方面:1.触媒层的温度分布,应符合触媒最佳的活性温度范围;2.触媒层的阻力,应在允许阻力降的范围之内;3.大颗粒触媒存在内扩散的影响,其活性较小颗粒触媒差;4.触媒层上部气体质量不好时,容易中毒;5.生产后期热点的下移。1.1.2触媒的类型选择根据触媒是否还原而分为两类:1.未还原型:如国产的A6,A9,A10型,国外的KM型等。2.预还原型:如国外的KMR型、KMRC型等。目前工业上广泛使用以氧化铁为主体,添加氧化铝、氧化钾、氧化钙等不可还原性氧化物的多组分铁触媒。但是对合成反应有加快速度作用的是活性态的α-Fe,因此在触媒使用前,先需将Fe3O4还原成为α-Fe。各类型触媒成分如下表:表5-1氨合成用铁触媒成分表国名触媒型号外形使用温度℃触媒成分中国A6黑色光泽不规则颗粒400~520Fe3O4,Al2O3,K2O,CaOA9黑色光泽不规则颗粒380~500Fe3O4,Al2O3,K2O,CaO,MgO,SiO2A10黑色光泽不规则颗粒380~465Fe3O4,Al2O3,K2O,CaO,BaOA110-5Q球形380~490Fe3O4,Al2O3,K2O,CaO,MgO,SiO2,BaO丹麦KM-Ⅰ黑色光泽不规则颗粒380~550FeO,Fe2O3,Al2O3,K2O,CaO,SiO2,MgOKM-Ⅱ黑色光泽不规则颗粒360~480FeO,Fe2O3,Al2O3,K2O,CaO,SiO2,MgOKMR黑色光泽不规则颗粒380~550FeO,Fe2O3,Al2O3,K2O,CaO,SiO2,MgO英国ICI35-4黑色光泽不规则颗粒350~530FeO,SiO2,MgO,Al2O3,CaO,K2O美国C73-1黑色光泽不规则颗粒370~540含促进剂的铁氧化物目前国内大多数工厂采用A6型触媒。但A9型触媒最适宜反应温度比A6型低25℃,A9型、A10型的最终还原温度比A6型触媒低。所以对于有条件的生产厂可以采用混装触媒,这样可以发挥各种触媒的特性,又有利于触媒还原的完全,但必须注意高温触媒不宜放在低温触媒上面,以免使低温触媒反复受上层高温触媒带来的水分的氧化,从而影响触媒活性。A110-5Q型触媒还原温度比A6型低20~30℃,500℃耐热20小时后活性不变,抗毒能力强,易还原,低温活性高,比A10活性高10%,短期500℃活性不变。由于本设计塔径较大,产量提升空间也较大,为提高产量节约成本,故选择A110-5Q型触媒。1.1.3触媒颗粒大的选择触媒颗粒大小的选择应根据不同规模和塔型的要求来选择,小颗粒触媒,由于其直径小减少内扩散影响,同时触媒还原时易出水,不致反复地氧化还原。故小颗粒触媒的活性比大颗粒触媒的活性高,据资料介绍采用2毫米触媒的反应速度常数要比10毫米触媒高37%,这意味着可以少用27%触媒。资料也表明小颗粒触媒的活性较一般轴向塔增产50%以上。但是小颗粒的触媒的阻力大,抗毒性差,使用寿命短。大颗粒触媒的特性与之相反。目前国内小颗粒触媒(2.2~3.3)的制造,是利用边脚料,因此实际上活性并不比大颗粒触媒的活性好。当然也可以采用将大颗粒触媒打碎的办法,但是这种方法使触媒的利用率太低,损失较大。所以按目前国内的生产情况也不宜选用太小颗粒的触媒。综上所述,各塔触媒颗粒大小的选择应依具体情况而定,一般在阻力将允许的范围内尽可能采用较小颗粒触媒为主。根据这一原则,对轴向塔Φ450~Φ500毫米塔,触媒层高度4~5米,内件设计时许可压降为0.8~1MPa,触媒颗粒主要采用3.3~4.7毫米;对Φ800~Φ1000毫米塔,阻力降在1.5~1.8MPa,触媒层高度7~10米,触媒颗粒以4.7~6.7毫米或6.7~9.4毫米为宜,对Φ1600~Φ3200毫米塔,阻力降在0.8~1MPa,触媒层高度10~12米,触媒颗粒以6.7~9.4毫米为宜。据某厂生产经验,采用球形触媒比无规则形触媒的产量要高,且易还原,抗毒性好,活性高,阻力小,电耗低,机械强度高,寿命长。根据本设计生产任务和设计条件,选用球形触媒粒度在Φ6.7~9.4毫米之间。1.2触媒筐设计由第3章可知本设计选用并流三套管式触媒筐。1.2.1触媒筐工艺指标的选择1.容积利用系数:触媒的容积与空高压筒容积之比为容积利用系数。由参考文献[1]表4-11-2确定容积利用系数为43.8%。2.触媒的生产强度:装一吨的触媒,每天能生产多少吨氨为触媒的生产强度。由参考文献[1]表4-11-3确定触媒的生产强度为57吨/日·米3触媒。3.触媒空速:设年产25万吨,年工作日310天则合成塔每小时氨产量:kg/h由式(2-2)、(2-3)得合成塔进出口气量:kmol/hkmol/h小时-1(5-1)式中w——进入触媒筐的混和气流量,17788.24kmol/h=398456.58小时-1;Vk——触媒容积,m3。4.冷管的比传热面:指每立方米触媒所须冷管传热面的平方米数。由参考文献[1]152页,确定冷管的比传热面为15m2/m3。5.换热器比传热面:单位体积触媒所配置的换热面的传热面积。由参考文献[1]154页,确定换热器比传热面为55m2/m3。1.2.2触媒筐的内径和高度触媒筐通常是圆柱形容器。触媒筐的直径D和高度H一般是由触媒的体积决定。根据标准状态下气体的状态方程计算处理气量Vg(5-2)m3/s根据处理气量Vg和空塔速度W0(W0一般在0.3~0.5m/s范围内,取W0=0.4)算出内径(5-3)m取触媒筐内径为1900mm。再根据触媒容积Vk算出触媒层高度(5-4)m式中∑V为冷管和中心管占去的触媒体积总合,一般为触媒体积的10~16%,取为13%。取高度H为6m。1.2.3绝热层高度绝热层高度的选择应根据空速的大小、气体进触媒层的温度、进口氨含量、惰性气体含量和触媒活性而定。一般定性地说:在其它条件不变时,空速高,增快气体通过触媒层的速度,会使接触时间缩短,反应热较少,温升也较慢,绝热层应选较高些;进触媒层的温度高,进口氨含量和惰性气体含量较低;触媒活性好时,绝热层应簿些。由参考资料[1]表4-11-7取绝热层高度为1000毫米。1.2.4冷管的选型和配置在选择触媒筐冷管时,应满足下列要求:1.具有高的传热效率。2.在单位体积内具有较大的表面积。3.便于触媒装卸。4.在触媒层中能伸缩自如。目前我国采用的冷管型式多为圆管。除圆管外,还有扁管、螺旋冷板和翅片管等。圆管有直管和U形管两种,前者又分为单管、双套管和三套管三种。本设计采用三套管式。由参考文献[1]表4-11-8选用冷管规格为:Φ44×2.5/Φ32×2.5/Φ24×2,管长5m,冷管的比传热面为15m2/m3,传热面积为14.15×15≈213m2,则冷管管数为:,取n=160根。1.2.5中心管的选择冷管所占体积m3中心管所占体积m3中心管外径m(其中中心管长度为6.5m)根据YB231-70确定中心管外径为350mm,壁厚为12mm。1.2.6温度计套管的设计常用的温度计套管有三层和两层套管两种。本设计采用两层套管,由参考文献[1]158页选用其规格为Φ51×2.5/Φ35×9。1.2.7折流头高度折流头高度是气体从内冷管流入内、外冷管环隙的通道。为减少流体因扩张或收缩而产生的局部阻力,应尽量使折流头的通气截面和内管、内外冷管环隙的通气截面积相等。常用的折流头高度,一般在65~150毫米的范围内。本设计选用折流头高度为90毫米。1.2.8保温型式及其厚度由上可只本设计采用的保温材料无碱超细玻璃棉。保温型式可分内保温和外保温,内保温因薄板处在较高的温度下及安装时比较容易变形,使保温材料可能部分脱落,引起触媒筐筒体及塔壁温度升高,给生产带来不良影响。故内保温型式已被外保温所代替。其保温厚度取决于保温材料的导热系数和耐高温的性能。由参考文献[1]表4-11-10选用外保温层厚度为28毫米。1.2.9触媒筐筒体强度计算由于触媒筐正常工作时承受外压,内外压差在0.5~1MPa,故触媒筐筒体按外压圆筒设计。设计条件:触媒筐内径为Di=1900mm,高度H=6m。计算外压力Pc=0.5MPa。假设触媒筐筒体名义厚度为23mm,取腐蚀裕量C2为2mm,查GB/T709-2006得钢板负偏差C1=0,则mm,Do=1900+2×23=1946mm。由于>20,故只需要对触媒筐筒体进行稳定性校验。L/Do=6000/1946=3.08查参考文献[2]《过程设备设计》图4-6得A=0.00046查得1Cr18Ni9Ti的屈服极限=205MPa,在450℃下弹性模量Et=1.6×105MPaMPa(5-5)MPa显然Pc<[P]且较接近,故假设的名义厚度合
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