1、整體鍛焊式氨合成塔觸媒的選擇及觸媒筐設計1.1 觸媒的選擇1.1.1 觸媒選擇的基本要求氨的合成反應是放熱反應，要使氮、氫化合成氨的數量多， 就要選擇較低的溫度，但是溫度低了，反應所需時間就要延長。 為了解決這一矛盾關系，可以采用一種能加快反應速度而本身又 不起化學變化的物質觸媒，使反應物在較低的溫度下，能很 快地進行反應。工業上對觸媒的要求，大致可分如下幾方面：1在較低溫度下具有較好的活性；2抗毒性能強；3足夠的機械強度；4使用壽命長；5耐熱性能好；6制造過程簡單； 7原料來源容易，成本低。第 5 章 觸媒的選擇及觸媒筐設計針對上述幾點要求，目前合成氨工業中普遍采用鐵觸媒。在工業生產中，合理

2、地選擇觸媒型號、顆粒大小和裝填方案，具有現實的意義。如選擇不當，將影響該塔型結構特點的發揮。選擇時一般應考慮如下幾個方面：1觸媒層的溫度分布，應符合觸媒最佳的活性溫度范圍；2觸媒層的阻力，應在允許阻力降的范圍之內； 3大顆粒觸媒存在內擴散的影響，其活性較小顆粒觸媒差； 4觸媒層上部氣體質量不好時，容易中毒； 5生產后期熱點的下移。1.1.2 觸媒的類型選擇根據觸媒是否還原而分為兩類：1未還原型：如國產的 A6，A9，A10 型，國外的 KM 型等2預還原型：如國外的 KMR 型、 KMRC 型等。目前工業上廣泛使用以氧化鐵為主體，添加氧化鋁、氧化鉀、 氧化鈣等不可還原性氧化物的多組分鐵觸媒。但

3、是對合成反應有 加快速度作用的是活性態的a-Fe,因此在觸媒使用前，先需將Fe3O4還原成為a-Fe。各類型觸媒成分如下表:表5-1氨合成用鐵觸媒成分表國名觸媒型號外形使用溫度C觸媒成分中國A6黑色光澤不規則顆粒400520Fe3O4, Al 2O3, K2O, CaOA9黑色光澤不規則顆粒380500Fe3O4, Al 2O3, K2O, CaO,MgO , SiO2Aio黑色光澤不規則顆粒380465Fe3O4, Al 2O3, K2O, CaO,BaOA110-5Q球形380490Fe3O4, Al 2O3, K2O, CaO,MgO , SQ2, BaO第5章觸媒的選擇及觸媒筐設計KM

4、- I黑色光澤不規則顆粒380550FeO, Fe2O3, Al 2O3, K2O, CaO,SQ2, MgO丹黑色光36048FeO, Fe2O3, Al 2O3, K2O, CaO,km- n澤不規0SiO2, MgO麥則顆粒黑色光38055FeO,尸良。3, Al 2O3, K2O, CaO,KMR澤不規0SiO2, MgO則顆粒英黑色光35053FeO, SiO2, MgO , Al 2O3, CaO,ICI35-4澤不規0K2O國則顆粒美黑色光37054C73-1澤不規0含促進劑的鐵氧化物國則顆粒目前國內大多數工廠采用 A6型觸媒。但A9型觸媒最適宜反應溫度比A6型低25C, A9型

5、、A10型的最終還原溫度比 A6型觸 媒低。所以對于有條件的生產廠可以采用混裝觸媒，這樣可以發 揮各種觸媒的特性，又有利于觸媒還原的完全，但必須注意高溫觸媒不宜放在低溫觸媒上面，以免使低溫觸媒反復受上層高溫觸 媒帶來的水分的氧化，從而影響觸媒活性。A110-5Q型觸媒還原溫度比 A6型低2030C, 500C耐熱20 小時后活性不變，抗毒能力強，易還原，低溫活性高，比 A10 活性 高10%，短期500 C活性不變。由于本設計塔徑較大，產量提升空間也較大，為提高產量節約成本，故選擇 A110-5Q 型觸媒。1.1.3 觸媒顆粒大的選擇觸媒顆粒大小的選擇應根據不同規模和塔型的要求來選擇， 小顆粒

6、觸媒，由于其直徑小減少內擴散影響，同時觸媒還原時易 出水，不致反復地氧化還原。故小顆粒觸媒的活性比大顆粒觸媒 的活性高， 據資料介紹采用 2毫米觸媒的反應速度常數要比 10毫 米觸媒高 37%，這意味著可以少用 27%觸媒。資料也表明小顆粒 觸媒的活性較一般軸向塔增產50%以上。但是小顆粒的觸媒的阻第 5 章 觸媒的選擇及觸媒筐設計力大，抗毒性差，使用壽命短。大顆粒觸媒的特性與之相反。 目前國內小顆粒觸媒（ 2.23.3）的制造，是利用邊腳料，因 此實際上活性并不比大顆粒觸媒的活性好。當然也可以采用將大 顆粒觸媒打碎的辦法，但是這種方法使觸媒的利用率太低，損失 較大。所以按目前國內的生產情況也

7、不宜選用太小顆粒的觸媒。綜上所述，各塔觸媒顆粒大小的選擇應依具體情況而定，一 般在阻力將允許的范圍內盡可能采用較小顆粒觸媒為主。根據這 一原則，對軸向塔 45（500毫米塔，觸媒層高度 45米，內件 設計時許可壓降為 0.81MPa，觸媒顆粒主要采用 3.34.7毫米； 對800-0 1000毫米塔，阻力降在 1.51.8MPa，觸媒層高度 710 米，觸媒顆粒以4.76.7毫米或6.79.4毫米為宜，對160（3200 毫米塔，阻力降在 0.81MPa，觸媒層高度1012米，觸媒顆粒以 6.79.4毫米為宜。據某廠生產經驗， 采用球形觸媒比無規則形觸媒的產量要高， 且易還原，抗毒性好，活性高

8、，阻力小，電耗低，機械強度高， 壽命長。根據本設計生產任務和設計條件，選用球形觸媒粒度在6.79.4毫米之間。1.2觸媒筐設計由第3章可知本設計選用并流三套管式觸媒筐。觸媒筐工藝指標的選擇1. 容積利用系數：觸媒的容積與空高壓筒容積之比為容積利 用系數。由參考文獻1表4-11-2確定容積利用系數為 43.8%。2. 觸媒的生產強度：裝一噸的觸媒，每天能生產多少噸氨為觸媒的生產強度。由參考文獻1表4-11-3確定觸媒的生產強度為57噸/日米3觸媒。3.觸媒空速：設年產25萬噸，年工作日 310天8則合成塔每小時氨產量：G隸4 3.36 1 04 kg/h由式（2-2）、（2-3）得合成塔進出口氣

9、量:G(1 X2)3.36 104 (1 17%)17 (17% 4%)17788.24 kmol/hX2 X1G =17788.2443.36 1015811.77 kmol/hw 398456.58Vk14.1528159.48 小時-1第5章觸媒的選擇及觸媒筐設計(5-1)式中w進入觸媒筐的混和氣流量，17788.24kmol/h=398456.58 小時-1;4Vk觸媒容積，Vk IS 14.15m3。310 574. 冷管的比傳熱面：指每立方米觸媒所須冷管傳熱面的平方米數。由參考文獻1 152頁，確定冷管的比傳熱面為15m2/m35. 換熱器比傳熱面：單位體積觸媒所配置的換熱面的傳熱面積。由參考文獻1 154頁，確定換熱器比傳熱面為55 m2/m3。觸媒筐的內徑和高度觸媒筐通常是圓柱形容器。觸媒筐的直徑D和高度H 般是由觸媒的體積決定。根據標準狀態下氣體的狀態方程半學計算處理氣量Vg7標 TPT標(5-2)0.8011.01 105 398456.58 (273 25450)3600 32 106 273m3/s根據處理氣量 Vg和空塔速度 Wo (Wo 般在0.30.5m/s范圍內，取Wo=O.4)算出內徑Di0.785W)Vg(5-3)0.8010.785 0.41.60