合成氨技术
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1 概 述
湖南安淳高新技术有限公司（以下简称安淳公司）从上世纪80年代起，在分析了国际国内氨合成塔内件优缺点的基础上，独创了ⅢJ型氨合成塔内件，取得了国家专利，是国内数种氨合成塔内件中唯一经原化工部鉴定的内件，鉴定结论是，该内件为国内首创，主要技术指标取得突破性进展，达到国际先进水平。安淳公司不断创新、不断进取，随后又推出了ⅢJ99型氨合成内件，包含3个新的国家专利技术。ⅢJ型、ⅢJ99型氨合成内件经由φ800、φ1000到φ1200；后又开发了ⅢJD2000型φ1400、φ1600、φ1800、φ2000氨合成内件。单塔年产氨能力由20 kt（φ600塔）发展到180 kt、200 kt。近几年开发的ⅢJD2000型-φ2200氨合成塔，在技术上又有较大的提升；单塔生产能力日均达850～910 t，受到了用户的青睐。
2 ⅢJD2000型-φ2200氨合成塔的设计思想
为实现单系统生产能力规模化和进一步降低能耗，安淳公司在ⅢJD2000型-φ1800、φ2000氨合成内件的基础上，引入新的理念，设计了ⅢJD2000型-φ2200氨合成内件，具体如下。
（1）充分发挥第一绝热层的作用。进入零米未反应气氨含量低，距离反应平衡很远，反应速度很快，尽量在开始反应的第一层多产氨，使第一层之氨净值达到8％～9％，即第一绝热层温升110～133 ℃。具体措施如下。
① 增加第一绝热层的高度，第一绝热层设计高度2.5～3.1 m。
② 降低零米温度，提高热点温度。进第一绝热层零米点的循环气，氨含量最低（约2.16％），温度低（370～380 ℃），离反应平衡点最远；如零米温度为380 ℃，将第一绝热层反应终点温度设计为490～513 ℃，则第一绝热层的氨含量增加8％～9％（氨净值），即第一绝热层完成氨合成反应的50％。
（2）第一层绝热反应后的热气体，不再采取冷激，而是用塔内换热器间接冷却后再进入第二层，这样更有利于氨合成反应温度接近最适宜温度曲线。
（3）冷管束（段间冷却器）的气体出口设在催化剂床层表面，使进塔气体100％地通过第一层催化剂，有利于降低零米温度，提高氨净值。
（4）分流气占到近50％，使通过中心管和换热器的气体由原来的65％～70％减少至50％，降低塔阻力。
（5）提高出塔温度。设计最高出塔温度为380 ℃，产生3.0～4.0 MPa过热蒸汽，使回收蒸汽的利用价值更高。
（6）大幅度提高出塔氨含量。
3 ⅢJD2000型-φ2200氨合成塔的结构特点
（1）塔结构为三层四段，两径一轴。径向段占床层高的70％～80％；第一层为轴向绝热段，为了使第一层反应温度不致超高，在第一层中部设一个冷气调温器；第二层包含径向绝热段和径向间冷段；第三层为径向绝热段。
（2）冷管束的气体出口在催化剂床层表面，使进塔气体100％地通过第一层催化剂，提高第一层催化剂的利用率。
（3）第一层绝热反应后的热气体被塔内换热器间接冷却后再进入第二层径向绝热段和径向内冷段，这样更有利于氨合成反应温度接近最适宜温度曲线。
（4）采用分流工艺。
（5）结构简单，催化剂可自卸。
ⅢJD2000型-φ2200氨合成内件结构示意见图1。
图1 ⅢJD2000型-φ2200氨合成内件结构示意图
4 ⅢJD2000型-φ2200氨合成工艺流程
气体分两股进塔。一股约45%的气体直接进入冷管束（段间冷却器）。这股气体由两部分组成：一是由循环机出口油分来的约30%的冷气，由合成塔下部环隙进入，在塔顶引出；二是塔外热交换器加热的、约15%的气体。两部分气体在塔顶汇合引进冷管束，冷管束出来的气体进入催化床层表面（零米冷激气和第一绝热层冷气调温器的冷气约占5％）。
另一股约50%、由塔外热交换器加热的循环气，进入塔内下部换热器管内，与出塔气体换热以后，进入上部换热器管内，与在上绝热段反应后出混合分布器Ⅰ的气体换热后，从换热器与中心管之间的环隙向下进入中心管，经中心管进入催化剂床层表面与冷管束出来的气体汇合，在第一绝热层反应；反应气体在第一层中部冷气调温器中与从塔外引入的少量冷气混合后，继续反应；出第一绝热层的气体进入气体混合分布器Ⅰ，再进入塔内上部换热器管间，与进塔气体换热后，从上部换热器的外壳出去，进入第二层。气体由圆心向圆周方向经过径向绝热段，径向通过段间冷却器。从中部径向筐即第二层出来的气体，受支架套筒的作用，沿径向筐与内筒的环隙向下，在内外筒环隙间接降温10～15 ℃，进入第三层。气体由圆周方向径向通过下绝热层流向径向筐中心的换热器，从换热器外壳进入塔内下部换热器管间，由上折流而下，与进塔气体换热，温度降到约380 ℃出塔。
4.2 系统流程
出合成塔的气体直接进入废锅，产生3.0～4.0 MPa的蒸汽，出废锅的气体进入热交换器，温度降至70 ℃左右进入水冷器；出水冷器的气体温度降到35 ℃以下，进入冷交管间冷却分离氨后，温度降到16 ℃以下进入一级氨冷器，经一级氨冷冷却至－5 ℃，再经二级氨冷冷却到－10～－12 ℃，进入氨分离器分离氨后进冷交管内，冷却管间的热气体，本身温度提高到25 ℃左右出冷交，与新鲜气汇合后进循环机，开始新一轮循环。
ⅢJD2000型-φ2200氨合成系统流程示意见图2，流程设计特点如下。
（1）充分利用反应热，反应气出塔温度高，出塔气温度约380 ℃，可产生3.0～4.0 MPa的中压蒸汽。
（2）加大热交面积，将进塔未反应气预热至200～240 ℃，省去一个软水加热器，简化流程，减少系统阻力。
（3）设两级氨冷，一级氨冷冷至－5℃，二级冷至－10～－12 ℃，在22 MPa压力下，氨含量降至2.2％以下，进塔氨含量低，且节约冷冻量。
（4）进水冷器气体温度低，节约冷却水。
（5）补气补在冷交冷气出口、循环机进口，以降低补气压力，节约压缩机电耗，节省冷冻量。循环机设在塔前，循环机出口压力处于系统压力最高点。
（6）放空点设在冷交冷气出口、补气接点以前，此处氨含量最低，惰气浓度高，可节约冷冻量，没有放掉新鲜气。
（7）设补气氨冷，降低补气温度，有利于油水分离，减少带入合成系统的油水杂质。
图2 ⅢJD2000型-φ2200氨合成系统流程示意图
1—合成塔；2—废锅；3—热交；4—水冷；5—冷交；6—二级氨冷；
7—氨分；8—循环机；9—油分；10—补气氨冷；11—补气油分
5 催化剂的装填和升温还原
5.1 催化剂的装填
ⅢJD2000型-φ2200氨合成内件催化剂的装填，按分段装填的原则，下绝热层装填少量φ4.7～φ6.7 mm的催化剂垫底，此占总装量的2.5％，其余装φ2.5～φ3.3 mm颗粒，占总装量的38.2％；第二层全部装φ4.7～φ6.7 mm的催化剂，占总装量的39.3％。第一层，混合分布器Ⅰ用少量φ4.7～φ6.7 mm的催化剂盖面，占总装量的2.1％；冷气调温器用少量φ4.7～φ6.7 mm的催化剂盖面，占总装量的2.4％；其余装φ3.3～φ4.7 mm的催化剂，占总装量的15.5％。
5.2 催化剂的升温还原
（1）“三高”，即高氢气浓度，高空速，高电炉功率。
高氢气浓度，增加反应物浓度，有利于还原反应进行。氢气浓度要求在75％～80％；还原后期不低于72％。
高空速，把还原反应生成的水汽和反应生成的氨尽快带走，降低水汽浓度。
高电炉功率，是高空速的前提，还原过程中，绝大多数情况下电炉功率都是100％。
（2）“三低”，即低压力，低水汽浓度，低还原温度。
压力虽然对还原反应没有直接的影响，但压力低，空速一定时，气流线速度快，生成的水汽和氨很容易被气流带走，降低水汽浓度；压力低，轴向段轴向温差小，是缩小同平面温差的最有效操作手段。还原的起始压力以3.5～4.0 MPa为宜。
催化剂的还原反应是一个可逆反应，低水汽浓度可以减少逆反应，防止还原好了的催化剂被氧化。低氨冷温度，是低水汽浓度的保证。进入还原主期的氨冷温度，必须控制－10～－15 ℃。
催化剂的还原反应是一个吸热反应，提高反应温度，可明显加快还原反应速度，但同时也加快了活性α-Fe的烧结速度，反应温度提高过快，活性铁晶粒长大的速度随之加快，引起活性下降。还原温度440～450 ℃时，控制催化剂出水量达到80％左右为宜。
大塔催化剂数量多，应严格地实行分层还原，拉开层与层之间的温差。上层在进行还原反应时，中下层温度还很低，多数催化剂还处于氧化态，不会受上层产生的水汽影响。这样才能保证催化剂的还原质量。
轴向段的同平面温差要严格控制。轴向段在升温还原时，如果出现同平面温差大，必须在催化剂还原进入主期之前，把同平面温差消除（筐盖泄漏造成的温差要揭大盖处理），即催化剂温度在410 ℃左右，就要把温差缩小到5 ℃之内。同平面温差大，会造成催化剂温差高低两面的还原程度不一样，还原程度低的部分，在正常生产中活性差，且同样会出现同平面温差，影响生产，影响内件的安全。不能等到温差大了才采取措施，还原主期之后拉小的温差，同样存在还原程度不一样的问题。因此，轴向段的同平面温差控制，是还原过程一个不可忽视的重要控制环节。
（1）底点催化剂温度470 ℃以上，维持 8 h；水汽浓度连续3～4 h在0.2 g/m3以下。
（2）零米温度485～490 ℃维持 8 h以上，同平面温差≤10 ℃。
（3）除零米和底点以外的各点达495 ℃以上的时间均在8 h以上。
符合以上三条，催化剂便基本还原彻底，可切电降温转轻负荷生产。
6 ⅢJD2000型-φ2200氨合成的生产实践
ⅢJD2000型-φ2200氨合成已在山东鲁西化工集团工业园、湖北三宁化工有限责任公司、江苏恒盛化肥有限公司投入使用。
为鲁西化工集团工业园设计制造的ⅢJD2000型-φ2200氨合成塔配套系统，完全按照“低零米温度、高热点温度、高出塔温度、高氨净值、高产量、大分流”的思想设计。
湖北三宁化工有限责任公司φ2200氨合成系统，于2008年12月正式投入生产。该装置设计压力26.0 MPa；设计生产能力220 kt/a。目前实际日产液氨850～880 t，最高日产928 t；循环气氢53.0％～57.0％；CH4控制在18.0％～21.0％,总惰性气体达22％～24％；循环机开3×13.7 m3/min；系统压力23.0～24.0 MPa，塔阻力0.7～0.8 MPa，系统阻力1.5～1.7 MPa。催化剂床层温度，
江苏恒盛化肥有限公司ⅢJD2000型-φ2200氨合成系统于2009年5月建成投产。设计生产能力为220 kt/a；目前实际日产氨750～767 t（负荷未加满）, CH4控制在19％～20％，惰气总量达23％～24％；循环机开4×12 m3/min；系统压力21.2 MPa，塔阻力0.65 MPa，系统阻力1.33 MPa。催化剂床层温度，
ⅢJD2000型-φ2200氨合成的显著特点，一是产量高，合成塔的生产能力均能超过设计能力；二是压力低，在合成系统循环气中惰性气体成分控制比较高的情况下，反应压力仍然较低。氨合成系统产量的高低，系统压力的高低，直接影响着企业的能耗水平。以上几个企业，合成氨能耗都有明显的下降。
7 问题讨论
ⅢJD2000型-φ2200氨合成系统，自投用以来，产量高、压力低、能耗低的优势明显，但也有一些问题值得讨论。
7.1 塔阻力问题
塔阻力主要取决于催化床层阻力与换热器内流动阻力。本内件为两径一轴，径向占全塔催化床的80％，对降低阻力应十分有利。本内件有三个换热器，冷管束、塔内上下热交。冷管束为内外环上下并联型，对降低阻力有利；上下热交为细长型小列管串联，与传统的一个底部换热器比较，于反应温度更有利。但在气量相同的情况下，阻力偏大；因此，要减少其气体流量，设计时进入冷管束的气量占50％，主进气量占50％，若没有真正实现，生产中就会出现塔阻力较大的情况。
除了坚持大分流（50％）外，塔内流程准备进一步改进。另一方面，过多地超设计能力运行，也是阻力增加的原因，超设计运行程度应适当控制。
7.2 出塔温度问题
出塔温度设计为380 ℃，有一个氨厂实际达到了370 ℃，但人们认为高了，害怕出问题。事实上，1Cr5Mo材质的锻件，在合成系统31.4 MPa压力下，可允许在400 ℃下使用。因此应该放心使用。现在也有用户提出出塔温度要求为415～420 ℃，以提高废锅蒸汽产量；此时，塔下部四通及废锅管道得采用特殊材料。
7.3 热点温度问题
热点温度较高，达490～515 ℃。热点温度高,一段的温升大，则氨净值高，整个合成塔生产能力大。因国内传统氨合成热点温度为470～480 ℃，热点温度高至515 ℃，人们不习惯，也难以接受，认为催化剂容易受损老化。但国外业界，如“托普”两段塔，热点温度设计就是515 ℃。
江苏华昌化工股份有限公司ⅢJD型-φ1600氨塔，装填XA201宽温型催化剂，设计热点温度500℃；投产后热点500 ℃运行两年，510 ℃一年半；2009年1月起，热点温度达520 ℃；在四年多时间里，热点位置一直没变。催化剂的活性与我们预期的效果相符。目前日产氨550 t，总惰气控制在20％～21％，系统压力25.5～26.0 MPa。估计催化剂还可有效运行一至两年。
8 结束语
ⅢJD2000型-φ2200氨合成塔是三层四段，两径一轴间接换热型反应器，是在深入研究氨合成反应原理，以及传热传质学、流体力学在特殊情况下的应用经验设计出来的，设计中的一些新思维通过了实践的验证，取得了很好的效果。突出优点是单塔产能大，日产氨900 t左右；系统CH4＋Ar高达20％以上，系统压力只有24.0～25.0 MPa，操作平稳，运行安全，能耗下降明显，热回收率高，冷却水消耗低。使氨合成技术有了较大的提升，受到了用户的一致好评。
目前，安淳公司正在设计低压力、低阻力的ⅢJD3000型塔，如φ
