工業(yè)氨合成反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

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(山西興新安全技術(shù)服務(wù)有限公司，山西 太原 030024)

引 言

氨的最佳生產(chǎn)對(duì)發(fā)展中國(guó)家至關(guān)重要，因?yàn)檫@些國(guó)家的經(jīng)濟(jì)主要依賴于農(nóng)業(yè)。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(chǎn)[1-2]。氨合成工段被認(rèn)為是化肥廠的心臟，氨合成反應(yīng)器是該工段的主要組成部分。尿素的最佳生產(chǎn)方式很大程度上取決于氨的有效生產(chǎn)方式，它是通過(guò)氣體氮(從空氣中收集)和氫氣(從天然氣中收集)之間的反應(yīng)，按照Haber-Bosch工藝生產(chǎn)的。傳統(tǒng)的氨產(chǎn)品反應(yīng)過(guò)程包括合成氣體的生產(chǎn)、將氣體壓縮到所需的壓力和反應(yīng)器中氨轉(zhuǎn)化的合成回路[3]。

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

因此，本研究集中在氨的反應(yīng)器部分的合成回路中，優(yōu)化了床層長(zhǎng)度，設(shè)計(jì)了壓力容器和支撐測(cè)量，并根據(jù)實(shí)際化肥行業(yè)的數(shù)據(jù)評(píng)估了壓力降。最后，將優(yōu)化后的模型參數(shù)與實(shí)際工廠數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。

1 反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方法

1.1 床層長(zhǎng)度計(jì)算

對(duì)于已知的物料平衡數(shù)據(jù)，需要的催化劑床的數(shù)量和每個(gè)床的長(zhǎng)度進(jìn)行了優(yōu)化，其中需要床層內(nèi)部熱交換器。

1.2 壓力容器設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)壓力容器之前，需要考慮的參數(shù)包括安全系數(shù)、最大安全操作溫度和壓力、結(jié)構(gòu)材料、腐蝕余量和最小設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)需要考慮的因素包括材料的選擇、容器壁厚計(jì)算及容器封頭厚度計(jì)算。

1.3 支撐

圓柱和其他類型的容器需要支撐來(lái)承受其自重、風(fēng)力和地震荷載所產(chǎn)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(shè)計(jì)需要考慮的因素包括：支架的選擇、厚度計(jì)算。

1.4 沿床層長(zhǎng)度的壓降

流體穿透床層時(shí)的壓降被認(rèn)為是設(shè)計(jì)中最重要的參數(shù)之一，Ergun首次提出了壓降計(jì)算的關(guān)系式。然而，文獻(xiàn)中大量關(guān)聯(lián)是基于Ergun關(guān)聯(lián)建立的。本研究采用Ergun相關(guān)法。

1.5 模型搭建

通過(guò)對(duì)合成反應(yīng)器的建模，得到了反應(yīng)溫度、轉(zhuǎn)化率、反應(yīng)速率和平衡常數(shù)的分布?；谏鲜鰠?shù)的模型測(cè)試在每個(gè)床層的末端完成，因?yàn)橥ǔＴ诖矊娱L(zhǎng)度上得不到工業(yè)數(shù)據(jù)。

建模步驟和關(guān)鍵點(diǎn)，如下所示：

1) 考慮了一維坐標(biāo)隨體積流的變化；

2) 由于工業(yè)規(guī)模下流體的速度非常高，因此忽略了質(zhì)量和熱量的滲透；

3) 壓強(qiáng)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(jì)；

6) 通過(guò)一個(gè)系數(shù)將催化劑穿透阻力、溫度梯度和催化劑內(nèi)濃度的影響納入方程。

2 設(shè)計(jì)結(jié)果及分析

按照第二章節(jié)所提出的方法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模設(shè)計(jì)，氮?dú)庋匕鞭D(zhuǎn)爐的單道轉(zhuǎn)化率為23.8%。

2.1 床層長(zhǎng)度計(jì)算

從圖1中1號(hào)轉(zhuǎn)爐床的轉(zhuǎn)化曲線可以看出，在15 m長(zhǎng)度后，轉(zhuǎn)化率明顯降低。反應(yīng)速率曲線也得到了相同的結(jié)果，反應(yīng)速率在15 m后降低。因此，15 m的轉(zhuǎn)爐床將適合于第一層床。第一個(gè)轉(zhuǎn)爐的溫度為19%，第一個(gè)床層入口溫度為360 ℃，出口溫度為442 ℃。

從圖2中第二轉(zhuǎn)爐的轉(zhuǎn)化率曲線可以看出，7.5 m長(zhǎng)度后，轉(zhuǎn)化率明顯下降，此時(shí)轉(zhuǎn)化率達(dá)到了23.8%。從反應(yīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)化率和氨平衡與溫度的關(guān)系。圖4為沿床層長(zhǎng)度的轉(zhuǎn)化率和溫度分布。從圖4可以看出，當(dāng)?shù)谝粚哟矊娱L(zhǎng)接近15 m時(shí)，由于放熱反應(yīng)提高了反應(yīng)混合物的溫度，轉(zhuǎn)化率呈下降趨勢(shì)。為此，采用層間換熱器進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

圖2 A)轉(zhuǎn)化率B)溫度C)平衡常數(shù)D)反應(yīng)速率曲線

圖3 轉(zhuǎn)換率和平衡常數(shù)與溫度的關(guān)系

圖4 沿床層長(zhǎng)度的轉(zhuǎn)化率和溫度分布

2.2 壓力容器設(shè)計(jì)

壓力容器設(shè)計(jì)的相關(guān)數(shù)據(jù)如下：設(shè)計(jì)壓力為15.2 MPa，工作壓力為13.76 MPa，設(shè)計(jì)溫度為370 ℃，腐蝕余量(封頭/外殼)為1.6 mm，絕緣厚度為100 mm，內(nèi)徑為3 000 mm，外徑為3 224 mm，安全系數(shù)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?yàn)槿萜鲀?nèi)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(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.3 支架選型與計(jì)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(chǔ)進(jìn)行適當(dāng)?shù)穆菟ú贾谩Ｈ共康膱A柱形殼體是根據(jù)船舶自重、風(fēng)荷載和地震荷載的應(yīng)力組合而設(shè)計(jì)的，裙邊的厚度是均勻的，并被設(shè)計(jì)為能夠承受最大的拉伸和壓縮應(yīng)力。

圖5 圓柱群支撐示意圖

2.4 模型驗(yàn)證

將模型氨合成反應(yīng)器出口組成和床層溫度與表1中實(shí)際化肥廠數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較?？梢钥闯?，在氨氣的出口成分中，模型預(yù)測(cè)與工廠數(shù)據(jù)的最大偏差為5.56%。因此，本研究建立的模型與裝置數(shù)據(jù)吻合較好，可用于氨轉(zhuǎn)爐的模擬研究。在床層溫度上也得到了類似的、可接受的結(jié)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(shí)際工廠數(shù)據(jù)有15%的偏差。因此，可以認(rèn)為預(yù)測(cè)的模型非常接近工業(yè)廠房實(shí)際值。

表1 工廠數(shù)據(jù)與模型結(jié)果的比較

3 結(jié)論

本文為設(shè)計(jì)氨合成反應(yīng)器，建立了一維擬均勻模型，從氨轉(zhuǎn)化器物料和能量平衡的基本原理出發(fā)，對(duì)催化劑床層內(nèi)的轉(zhuǎn)化率和溫度變化進(jìn)行了預(yù)測(cè)，在預(yù)測(cè)了床層長(zhǎng)度的基礎(chǔ)上，對(duì)壓力容器設(shè)計(jì)、裙邊設(shè)計(jì)和反應(yīng)器沿程壓降進(jìn)行了研究，與工廠數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，得到了較滿意的模型結(jié)果。