反应工程基础教学课件：合成氨反应器

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1、合成氨催化剂的概述1911年，Haber和Mittasch成功研究出以铁为活性组分的氨合成催化剂，在此后接近一个世纪的工业生产实践中，以铁为主体并添加促进剂的催化剂实用效果良好。铁系催化剂也分为传统熔铁系（FesOq基）催化剂和新熔铁系（FeO基）催化剂。相对于其他催化剂，铁系催化剂原料来源广泛、价格低廉，在当今合成氨工业中仍占主导地位。但是铁系催化剂高温高压的操作条件需要很高的能耗，并极大地限制了合成氨的反应速率。长期以來，人们一直都在寻找替代铁的更高效合成氨催化剂，并将其进行工业应用，科学家相继对钉、饿、铀等进行了研究。

2、研允发现，钉因其低温活性好，不易中毒等优良特性，被冠以“第二代氨合成催化剂”的美誉。近20年来，随着钉系催化剂日益成熟，我国FeO基催化剂体系的确立，氨合成催化剂己由传统FeQ4基催化剂独霸一方转化为现在三足鼎立的局面，并各自取得了长足的发展。新FeO基（F%0基）催化剂的技术特点和工艺条件F弧xO基低温低压氨合成催化剂具有高活性和低活性温度，而II易还原。其屮ZA-5型催化剂与经典熔铁系（FesCU基）催化剂中的A110-2和ICI74-1对比有以下特点：表1・1不同催化剂的反应速率常数（幻）和活化能（EJTable1.1

3、Reactionrateconstant（kT）andactivityenergy（Ea）ofdifferentcatalysts温度/*CkT/（atm05・s'）Ko/（atm05・s具有极易还原的性能Fes。基催化剂（ZA-5型）的本征还原速度是老式A110-2催化剂的4.5倍，是老式ICI74-1催化剂的2倍。述原温度也比较低。活性温度低在相同条件下，Fe^O基催化剂的活性温度比老式A110-2催化剂低15-30C。催化活性高在30000$空速，425°C的反应温度以及15MPa的压力试验条件下，出口氨浓度比AU0-

4、2催化剂提高3・4个百分点，比ICI74-1催化剂提髙2-3个百分点。耐热、抗毒性能好，机械强度高不含任何贵金属，生产成本低合成氨反应工艺条件和反应器结构）Ea/（KJ・mof1）Al10-2ZA-5IC174-1Al10-2ZA-5ICI74-1A110-2ZA-5ICI74-147537.1950.5841.2745014.7222.9817.214255.6438.736.345.923X0.493X2.588X■■.173.85159.03168.384*)01.8383.062.20210,3101310,3375

5、0.47900.95180.62073500.08930.21820.1262工业上氨合成大多是在压力15.2〜30.4MPa、温度400〜520（C下进行的氨合成塔由耐高压的封头、外筒和装在筒体内耐高温的内件组成。内件外有保温层，操作时进塔的冷气体流过内、外筒间的坏隙，从而避免外筒温度过高。这样，外筒只承受高压，可用低合金高强度钢制作。内件虽然是在高温下操作，但是只承受氨合成塔进出口的压力差,可用耐热鎳钻合金钢制作。内件包括催化剂筐和换热器两个主要部分。筐内装铁催化剂，氨合成反应在此进行。从催化剂筐出来的热气体温度通常在4

6、60°C以上，进氨合成塔的冷气体温度根据流程的不同，既可以是20〜30°C,又可达140°C以上。为了使进氨合成塔的气体能加热到反应温度，同时又能冷却反应后气体，在塔内述设有换热器。换热器有列管式、螺旋板式和波纹板式，其中以列管式采用最多。氨合成催化剂在开车之前必须还原。为此中小型氨合成塔内部装有电加热器，大型氨合成塔则采用塔外设置开工加热炉的办法来解决。由于氨合成为放热反应，催化剂床层的温度将随着反应进行而不断升高。需要采取措施移走多余的热量。工业上按传热方式区分催化剂筐的类型：内部换热式乂称连续换热式。特点是在催化剂床层

7、中设置冷却管，通过冷却管进行床层内冷热气流的间接换热，以达到调节床层温度的目的。冷却管形式有单管、双套管和三套管之分，根据催化剂床层和冷却管内气体流动方向的异同，又有逆流式和并流式冷却管Z分。以并流双套管式氨合成塔为例（图1）出塔气休廉料气图1并液双套管式氨合成塔间断换热式主要特征是反应和换热间断进行。催化剂床层分为若干段，在段I'可通入的未预热的氮氢混合气用以直接冷却，称为多层直接冷激式氨合成塔。按床层内气体流动方向不同，分为沿中心轴方向流动的轴向氨合成塔（图2a）和沿半径方向流动的径向氨合成塔（图2b）o它们结构简单，易

8、损部件少，内件比较稳妥，多被大型氨厂采用。图2多层直接冷激式氨合成塔a轴向氨合成塔b径向氨合成塔目前工业上广泛使用的人型氨合成塔的形式主要为多段绝热间断冷却型反应器或多段绝热冷激型反应器。比较典型的合成氨反应器主要有托普索氨合成塔、凯洛格氨合成塔、卡萨里氨合成塔、布朗氨合成塔等类型。1.托