高净值氨合成系统的研究及设计应用

 0  前言 

    氨合成塔及系统是合成氨工业最重要最复杂的一个装置，其重要性是要将输入的合成气高效地转化为产品氨。在转化过程中，要求放空量少，有效气体利用率高；一次转化率高，循环量小，即氨净值高，系统压力低，阻力小；反应热利用率高，冷却水、冷冻量消耗少；在实际运行中，很难全部满足，正是如此，为更多的满足这些要求，要优化合成塔设计。综合氨合成反应理论和多年实践，根据不同工况，我们设计三种有特色的氨合成塔及系统，如低压低阻氨合成塔及系统、中压高产氨合成塔及系统、中压高净值氨合成系统已分别在山东华鲁恒升、河南心连心化工集团、山东鲁西化工集团投产，都取得很好的效果。本文着重阐述ⅢJDФ2200mm中压高净值氨合成系统。

    氨合成是一个典型的放热可逆反应，其反应过程必须在平衡温度曲线下方进行。与平衡曲线相隔太近，反应温度高，则反应推动力小，反应需要时间长或催化剂用量大；与平衡曲线距离太远，温度低，则反应速度小，反应后氨含量低。考虑反应平衡和反应速度动力学两大影响因素，在理论上提出了最适宜温度曲线的概念，即在反应过程中，按最适温度曲线进行温度控制，其总反应速度最快，氨净值最高。实际上，不可能设计一个完全按最适宜温度曲线进行的反应器，只能设计一个接近最适宜温度曲线，或在最适宜温度两侧迂回进行的优化反应器。

    ⅢJDФ2200mm氨合成塔正是按上述指导思想设计的。图1是ⅢJDФ2200mm的温度曲线，其中从上到下第一条是平衡曲线，第二条是最适宜温度曲线，第三条是设计(操作)曲线。

    本设计的反应器“0”米即第一点a，就是未反应气进催化床层的工况：温度370℃，氨含量2.2%，经过绝热反应(ab斜线)，即随着反应进行氨含量增加、温度上升至第二点b：温度488℃，氨含量达到10.2%。反应的第二个过程是间接降温(bc水平线)至第三点c：温度435℃，氨含量不变。第三个过程是第二次绝熟反应(cd斜线)至第四点山温度480℃，氨含量13.3%，第四个过程是反应和换热同时进行(de反斜线)，即内冷反应段达到第五点e：温度425℃，氨含量16%，第五个过程是第三次绝热反应(ef斜线)达到第六点f，即反应终点：温度452℃，氨含量17.8%。

    从增加氨净值观点分析高氨净值反应器设计。反应起点为a点，即“0”米点，由图可见“0”米温度低，进口氨含量低。低零米温度为第一段温升提供了区位，否则氨净值高，热点温度高，超出催化剂耐热值，因而限制净值提高。从“0”米开始绝热反应至b点，该点落在最适宜温度曲线上，这是最佳方案点。从图上看出，此点氨含量高(达10.2%)，氨净值增加8%，增加量为总增量的49%。如果b点再往上移，即继续反应，温度继续升高，就会使催化剂受损，同时距离平衡越近，氨净值增加缓慢，推动力越小。反之，如果b点落在最适宜曲线的下侧，此时反应温度低，反应速度较小，反应后氨含量也低。所以b点落在最适宜温度曲线上是一个最佳点，在较短的催化床内，几乎完成50%的反应总任务，这是优化设计一个亮点。

    其次，第一段反应得到高氨含量反应气，采用间接冷却方法，没有采用未反应冷气混合冷却，氨含量没有降低，保持了高氨含量，这是设计第二个优化点。

    第三，通过间接冷却后，增设了第二绝热反应层，然后再串接内冷连续反应层。两者配合使反应基本上按最适宜温度指引方向在其两侧进行，因而保证了快速的反应，这是设计中第三个优化点。

    最后，通过三段反应后反应气氨含量已达到16%，距离平衡较近，反应推动力比较小了，但工况点e仍在最适宜线的下侧，再绝热反应一次，使操作线穿过最适宜线，仍能保持快速反应。为此用较多的催化剂量做最后的“拚搏”，进行绝热反应，使氨含量增加1.8%左右，最终氨含量达到17.8%，这也是一个设计优化点。

    合成塔为三层四段，一段为轴向绝热段；二段包含两个段：内圈是径向绝热段，外圈是径向内冷段：三层即第四段，为径向绝热段。

    一、二段间为间冷，换热器在第二层中心，三段由径向冷管束构成。第三段反应出来的热气，由上而下，经过第二层、第三层径向筐简体与内件简体间环隙，被经过塔外筒与内筒间环隙的由下而上的未反应气冷却。第四段反应后的热气经塔内下部换热器冷却出塔。

    ⅢJDФ2200mm合成塔含二个列管式换热器和一个径向冷管束，两个列管换热器在二、三层中心，冷管束在二层的外圈。

    其次，第一段反应得到高氨含量反应气，采用间接冷却方法，没有采用未反应冷气混合冷却，氨含量没有降低，保持了高氨含量，这是设计第二个优化点。

    第三，通过间接冷却后，增设了第二绝热反应层，然后再串接内冷连续反应层。两者配合使反应基本上按最适宜温度指引方向在其两侧进行，因而保证了快速的反应，这是设计中第三个优化点。

    最后，通过三段反应后反应气氨含量已达到16%，距离平衡较近，反应推动力比较小了，但工况点e仍在最适宜线的下侧，再绝热反应一次，使操作线穿过最适宜线，仍能保持快速反应。为此用较多的催化剂量做最后的“拚搏”，进行绝热反应，使氨含量增加1.8%左右，最终氨含量达到17.8%，这也是一个设计优化点。

    合成塔为三层四段，一段为轴向绝热段；二段包含两个段：内圈是径向绝热段，外圈是径向内冷段：三层即第四段，为径向绝热段。

    一、二段间为间冷，换热器在第二层中心，三段由径向冷管束构成。第三段反应出来的热气，由上而下，经过第二层、第三层径向筐简体与内件简体间环隙，被经过塔外筒与内筒间环隙的由下而上的未反应气冷却。第四段反应后的热气经塔内下部换热器冷却出塔。

    ⅢJDФ2200mm合成塔含二个列管式换热器和一个径向冷管束，两个列管换热器在二、三层中心，冷管束在二层的外圈。

    含氨2.2%未反应气分成两股，一股约70%～75%经塔外热交加热至200～230℃，50%～60%进入塔内下热交的管内，由下而上上升，再经塔内上热交(第二层中间)，加热至360～370℃，经中心管到达催化床“0”米，与由冷管出来的40%～50%(370℃)未反应气混合，进入第一段反应，温升至488℃，氨含量增至10.20%，经过塔内上熟交管间冷却至435℃，进入第二段径向绝热反应，温度达到480℃，氨含量增至13.3%，径向进入内冷段反应，温度降至425℃，氨含量上升16%，然后进入第二、三层径向筐与内件内壁环隙，由上而下，进入第四段，径向绝热反应，温度上升至452℃，氨含量达到17.8%左右，再进入塔内下热交管间，被管内冷气冷至350℃左右出塔。

    25%～30%未反应冷气由下进内外筒环隙，由下而上，与从热交出来已预热的10%～15%未反应气混合，再进入冷管，在冷管加热至360～370℃后，直接由上升管进入催化床“0”米。

    从合成塔(1)出来反应热气，氨含量17%左右，温度360～380℃，经蒸汽过热器(2)，降温至360～340℃，经蒸汽发生器(3)，产生2.5～3.9 MPa饱和蒸汽后，温度降220～260℃，进塔外热交(4)温度降至100～110℃，进入软水加热器(5)降温至60℃左右，进蒸发式水冷器(6)，降温至40℃，经冷交(7)，氨含量降至4.43%，进一氨冷(8)、二氨冷(9)降温至－11℃左右，进分离器(10)分离液氨后，氨含量为2.76%，进循环机(11)、油分(12)与补入新鲜气混合物，氨含量降至2.3%。混合气分两股：25%～30%进入合成塔环隙，70%～75%进塔外热交被加热至200～230℃，又分两股，一股进塔内下部换热器经第二层中间换热器至“0”米，另一股在塔顶与从环隙出来的气体混合后进塔内冷管束。两股进入中间换热器和冷管束的未反应气分别加热至360～370℃，在“0”米混合后，进入催化床层反应。

    流程特点： 

    (1)反应气出塔温度高，达360～380℃，出塔气体反应热多级利用，并产生中压(2.5～3.9MPa)过热蒸汽(300～360~C)，即出塔经过蒸汽过热器、蒸汽加热器、软水加热器，利用出塔气体热量将软水逐级加热最后产生过热蒸汽。软水加热器后，反应气降温至50～60℃，可采用风冷降温至40℃，达到节水的目的。

    (2)采用两级氨冷：一级氨冷冷至3℃，二级氨冷降温至粉－11℃，氨含量可降2.76%，两级氨冷比一级氨冷，节约冷冻量40%以上。   

    (3)补气在氨冷之后：使进塔氨含量稀释至2.2%～2.3%，即系统只降温至－11℃就可使进塔氨含降至2.2%，对氨合成反应有利。

    (4)放空点设置在循环机进口点，此处惰气浓度最高，系统中氨都已分离，氨含量最低，放空气量少，放空气中带走氨和有效气体少。

    (5)设置20%未反应冷气经过内外筒环隙，使外筒处低温工况运行，安全可靠。

    (6)未反应气三股分流进塔：20%从环隙，30%不经环隙，混合后形成50%进冷管，另外50%进塔内两个串接中间换热，系统阻力小。

    山东鲁西化工集团工业园采用ⅢJDФ2200 mm氨合成塔配套系统中，出塔反应热气没有设置蒸汽过热器，而用于加热甲烷化未反应冷气，废锅产生2.0MPa蒸汽，废锅后未设置软水加热器。该装置已于2007年6月13日在山东鲁西化工集团工业园投产，日产氨达820～830t，系统惰性气含量18%～20%，系统压力24.0～25.0MPa，出口氨含量15%～17%。

    催化床层温度：   

    “0”米360℃，第一层出口475℃，第二层进口420～430℃，第二层热点450～460℃，第二层出口温度420～430℃，第三层山口温度440～450℃。

    系统温度塔山温度365℃，废锅出口206℃，塔进192℃，热交出口88~C，水冷出口31℃，冷交出口12℃，一氨冷出口－3℃，二氨冷出口－6℃，冷交冷气出口29℃。

    系统已经稳定运行4个月，产能达到250kt左右。

    ⅢJDФ2200 mm氨合成塔的设计，是以反应最适宜温度曲线为依据，优化反应器结构和参数，达到氨净值最大的目的。优化结果是反应结构为三层四段，各段之间采用间冷，进一段温度较低，一段出口温度高，充分利用反应初始状态推动人特点，适当提高第一催化层厚度，使之温升高、氨净值增加多，末端反应距离平衡状态近，以降低催化剂利用系数的方法，使终端氨含量尽量提高。按上述思维应配置低起活温度、高耐热温度即宽温催化剂，同时配置完善又便于操作的调节温度手段，本系统在鲁西化工集团工业园运行4个月，基本达到设计目标，即出口氨含量达到16.8%。目前正在为山西设计Ф2400mm氨合成系统，在Ф2200mm基础上进一步完善，估计效果更好。