全径向型凯洛格氨合成塔的数学模拟分析(详细版)

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1、全径向型凯洛格氨合成塔的数学模拟分析及其操作条件优化李绵庆贾祥利何柳杰（柳州化工股份有限公司，广西柳州545002）[摘要]本文建立了全径向型的凯洛格(Kellog)氨合成塔（托普索S-200内件）的一维均相数学模型,并以实际运行的生产工艺数据为条件,应用龙格—库塔法求解微分方程组,确定在线使用的A110-1催化剂的活性校正系数。以此为基础，应用该数学模型，对全径向型的凯洛格氨合成塔（托普索S-200内件）的操作条件进行优化。[关键词]全径向；氨合成塔；数学模型；模拟；操作优化1、前言凯洛格(Kellog)氨合成塔原是一个四层轴向冷激氨合成塔，其优点是工艺运行稳定，设

2、备结构相对简单。但是,由于直接使用未反应的冷气体降温,降低了合成出口氨浓度,造成氨净值不高。为此,国内多个大型合成氨厂已将原凯洛格四床层氨合成塔内件，改为托普索S-200内置换热器间接换热的全径向型氨合成塔内件。投入运行后，合成催化床的阻力有较大幅度的降低，净氨值有所提高，吨氨所耗合成气压缩功率相应有所下降。某公司在大型合成氨技术改造工程中，造气部分采用了先进壳牌的粉煤加压气化工艺，合成部分采用了已改造为全径向型托普索S-200内件的凯洛格氨合成工艺，合成塔内件全部装填A110-1铁系氨合成催化剂。其内部气体的工艺流程为：合成气经油分离器后，进入合成塔进口冷热换热器1

3、21-C的管侧与合成塔出口的热气体换热后进入合成塔，其中的大部分气体从合成塔底部主线进入，然后经催化剂筐与高压外套壳之间的环隙向上流动。在合成塔顶部，气流进塔内换热器122-C的壳程，与出塔的气体进行热交换后，再第22页共22页进入第一催化床层上部空间与冷气混合。从塔顶进来的三股冷却气经引入内件后，从床间换热器的底部进入管程，将第一段催化床出口的热气体的温度降到第二段催化床进口温度，然后上行到第一段顶层部分空间与从塔顶进来的进塔气混合后，进入第一段催化层，在催化床内从外向内径向流过床层，再流至第一段催化剂层与床间换热器之间的环形通道换热后，进入第二段催化床的入口。从第

4、一段催化床层出来的气体，经床间换热器壳程与床间换热器管程冷气换热，经过第二催化床周围的入口气分配板后进入第二层催化剂，气体由外向内径向流经催化床层进行合成反应。离开第二催化床层的气体进入开孔中心管，向上流入塔内换热器122-C的管程，与合成塔底部主线入口进入的气体换热后流至合成塔出口。但是,合成系统在运行过程中存在氨净值偏低、合成气体循环量较大等问题，造成合成气透平压缩机的动力蒸汽消耗偏高，与现场改造的托普索S-200内件的工艺设计相比，仍有一定的差距。为了优化氨合成过程的工况，达到增产降耗的效果,本文将建立全径向型的凯洛格氨合成塔(托普索S-200内件)的数学模型，

5、定量分析工艺操作条件(零米温度、入塔气量、入塔气体氢氮比等)对塔出口氨含量的影响，确定最佳工艺操作条件，以此指导生产实践。。2、全径向型氨合成塔数学模型的建立2.1铁系氨合成催化剂的反应动力学方程以铁系催化剂的氨合成反应动力学方程，是以逸度代替压力的捷姆金和佩波夫方程式【1】，即（1）第22页共22页对于催化剂体积VR、比内表面积Si及标准接触时间τ0，则式（1）可变换成式（2）表示：（2）（2）式中2.2数学模型的假设条件为了使数学模型得到简化，又具有较高的可靠性和真实性，在建立模型过程中应作必要的简化或假设条件：（1）对于催化床，忽略轴向的浓度梯度和温度梯度，采用

6、一维拟均相模型。（2）假定催化床内径向流体分布均匀，流动中无沟流、短路，不存在轴向和斜向的流动和扩散。（3）由于气体径向流动速度比较小，对于氨合成的宏观反应速度，需要充分考虑催化剂颗粒的内外扩散影响因素。但受条件的限制，在这里仅对表达内扩散因素的催化剂颗粒内表面利用率进行定量分析，而对外扩散影响的因素将与催化剂的中毒、老化、还原等方面的因素，连同上述的简化、假设所引起的一系列与实际的偏差量，拟用一项系数Cor来加以修正。因此，Cor的大小可以说是在某种程度上是除催化剂内表面积利用率之外的催化剂宏观活性相对值的表征，称之为催化剂校正系数。催化剂校正系数Cor可使用实际生

7、产运行数据进行反算而获得。2.3全径向型催化床的氨浓度及温度、压力分布的微分方程（1）催化床层的氨浓度分布微分方程第22页共22页若径向固定反应器的外径为R1，内径为R2，高度为H。在催化床从r(R2≤r≤R1)到r+dr之间取一个dr圆柱状的微分厚度，其相应微元体积为dVR。在微元体积dVR中，对关键组分NH3进行物料衡算，可得：（3）针对氨合成反应过程进行物料衡算，可得：（4）由于，则而根据rNH3的定义，则（5）把上述的式（4）、（5）分别代入式（3），并整理可得（6）式（6）就是催化床层氨浓度分布的微分方程。（2）催化床的温度分布微分方程对上