中间换热式氨合成塔的优化设计及操作

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1、维普资讯http://www.cqvip.com’1．19No．5华求证工学院学报l993-10Journsl0fEastChinslns：ituteofChemicslTechnology／朱子形／／'拍，一用张错”一忻／提要：对中问换热式氨合成塔触媒层建立了一维非均相数学模型，利用詈话催化荆动力学方程对该塔进行了优化设计厦优化操作的模拟计算，得出了最龃鋈关中毽国词分：类氢粤夸蒜成塔2；3优12化I设计{毓优化裁操一作彳一姿，、氩r^l，．在台成氯生产工艺中，合成塔是整个生产系统的关键设备。中阀按热式氨合成塔在合成氨生产工艺中越来越

2、被人们重_视I“。该塔气体一般径向流动，采用高活性的小颗粒(粒度为1．4—2．8mm)催化剂，使合成系统压力大幅降低，氨净值提高。有关氨合成塔的模拟与优化，前人已经作了大量的工作”，然而针对中间换热式低压氨合成塔的优化问题，迄令来见报道。本文对中问换热式氨合成塔进行了优化设计及优化操5作的模拟计算，以便掌握生产规律，提高生产强度。l模型建立1．1中间换热式氨合成塔流程描述中问换热式氨台成塔结构如图I所示。垒塔3由三段触媒及L下换热器构成。合成气从塔底主进气管进入，沿塔体外环隙向上流动。然后经中心管进入下换热器的管程，被第二床层出口气体

3、加热后进八上部换热器的管程，进一步被第一床层出口气体加热达到反应温度，进八2第一床层反应。气体在床层内径向流动，反后经上部换热器的壳程冷却，进入第二床层，从第二床层出来的气体经过下部换热器冷却进八第三床层，最终反应气从底部出口管精芒出塔外。圈l中问装热式氨台墟塔I-出气管；0一第三床层：3-第二席层：1．2一维数学模型4一第一床屠；5-上巍热器降剐线：不考虑外扩散过程对宏观反应速率的影6-下接热器I争ll拽：7一中心管：$-上接热器：9一下巍热器；10一塔体外壳：响，假定床层内径向流体分布均匀，，流动中无1l_一主进气臂维普资讯htt

4、p://www.cqvip.com沟流、无短路，不存在轴向与斜向的流动与扩散在半径为r处，。联厚度为静的环枉状微元体分别进行物料及热量衡算司得dr=22．4·N警T0·(、蜒dr,)，(1)苦一·岳．--’式(1)、(2)是一阶常微分方程组，可用龙格一库塔法求解，武中各项aj由如下方法确定：(1)速率表达式：由捷姆金方程1可得。c1+YSn3，【一等】㈩其中，InK±=一2．6911lnT+4608．8543／r一1．27o9×1r．+4．2571×10T2+6．1937各组分的逸度与温度压力、组成有关，计算方法详见文献(5)。(2)

5、本征反应速率常数及氯合成反应热(一△日t)‘“：一tT,exp(一古)㈩一△日t=38338．9+(0．2373+356．61／7"+1．5903×10。／T]P+22．3864·T1．0572x10·T2—7．0828×1D一6·T(5)(3)催化剂颗粒的内表面利用率f：可由文献(7)求得。(4)催化jf4的活性校正系数COR和频率因子k．：COR与偿化剂的还原、使用时间及r毒情况有关，而。则定于反应物系的本质，为一常数。从式(1)、(3)、(4)可知，COR与。是以乘积的形式出现，所以可将COR·kT。作为一个因子，由生产数据反算

6、而得。依据工厂实际工祝结果(表1)，压力为10．5MPa，进塔气量为54354．1．m／h，产量为1055．5t／d，进塔器组成YN嘞为0．O4；yH：为0．609{，-N为0．279；Yel1．为0．058，y为0．014。取含钴催化荆活化能皇为1．4024×105kJ／kmol，对各床层催化剂进行反算，求得三段COR·k0的平均值分别为9．873×10'Pa／h、9．515×10'P／h和8．798×】0~Pa*‘h。2优化设计2．1目标函散及奠鹪法三段中间换热式合成塔，目标函数为．．3】RT=∑"_I：∑uff口Ii(6)I一1

7、I—l由于各段反砬气体标准状况下初始体积u。都相等，故催化剂总用量"”是各段始柬温度及进出口浓度的多元函数。对每一段绝热催化床，有进出口浓度及进出口温度四个变量，但每一床层服从热量衡算。出一Tf进：a(yNHi出一HH3．i进)(T)加上多段中间热换式台成塔的操作特征，即上一段出口氯浓度与下一段进口氯裱度相等，同时考虑到台成塔进出口浓度为定值，所以独立变量数为4，；一，；一(玮一1)一2=积一l。维普资讯http://www.cqvip.com·$3S·对三段巾闸换热式台成塔印为5个，为了简化起见，分月Ⅱ取一、二、三段的进口温度及一、

8、二段床层长度为独立变量，采用n'斐多li[『体法”’直接搜索日标函数的最小血。在计算过程中，限制床层各点温度均低予催化剂的耐热度，计算过程如图2所示。2．2计算结果厦讨论设计产嘬为1055．5t／d，压力和流量分别为1O