影響裝置氨產(chǎn)量的因素探討

郭啟星

（大慶油田化工有限公司甲醇分公司合成氨車間，黑龍江大慶 163000）

影響裝置氨產(chǎn)量的因素探討

郭啟星

（大慶油田化工有限公司甲醇分公司合成氨車間，黑龍江大慶 163000）

依托合成氨現(xiàn)有裝置，針對實現(xiàn)繼續(xù)深挖氨產(chǎn)能力的目標(biāo)，深入分析影響氨產(chǎn)量的各項因素。

氨含量；操作壓力；熱點溫度；氣體成分組成

大慶油田化工集團(tuán)甲醇分公司合成氨裝置合成系統(tǒng)通過技術(shù)改造，解決了影響安全運行的管路震動問題，合成催化劑也根據(jù)合成系統(tǒng)的實際條件，重新進(jìn)行選型，選用由浙江大學(xué)研制開發(fā)的新型催化劑Amomax-10H，投入生產(chǎn)后，使氨生產(chǎn)能力有了很大提升，年產(chǎn)量達(dá)到5.2萬t，不僅產(chǎn)量達(dá)標(biāo)，而且超過設(shè)計指標(biāo)（產(chǎn)量5.0萬t/a）4%，同時系統(tǒng)壓力較原催化劑運行時壓力低0.65MPa，裝置運行狀況也上了新臺階。

1 影響氨產(chǎn)量的因素

影響氨產(chǎn)量因素有諸多方面，而且各因素相互影響和制約。通過生產(chǎn)實踐我們總結(jié)出影響裝置氨產(chǎn)量的因素主要有操作壓力、熱點溫度、氣體成分組成、催化劑活性及空速。

1.1 操作壓力

氨的合成反應(yīng)是一個體積縮小的反應(yīng)。依據(jù)化學(xué)反應(yīng)平衡原理，提高壓力有利于反應(yīng)向生成氨的正方向移動；同時，壓力高，反應(yīng)氣體的濃度大，分子間碰撞的幾率也大，也利于反應(yīng)速度。

總之，增加壓力對氨合成反應(yīng)是有利的，既能增大平衡轉(zhuǎn)化率，又能加快反應(yīng)速度。同時，壓力高也利于氨冷凝，可以減輕冷凍系統(tǒng)負(fù)荷。然而催化劑還原初期運行，為保證催化劑使用效率，操作壓力、熱點溫度和空速應(yīng)該控制較低些，使合成處于24h的輕負(fù)荷運行狀態(tài)后，才能隨后逐步提負(fù)荷。在合成系統(tǒng)滿負(fù)荷運行一段時間內(nèi)，運行狀態(tài)比較理想，工藝參數(shù)嚴(yán)格控制在范圍內(nèi)，瞬時氨產(chǎn)量最高達(dá)到6.85t/h，超過設(shè)計值的9.6%。

1.2 熱點溫度

為防止觸媒晶體顆粒受熱變大，影響觸媒使用壽命，所以觸媒還原完初期運行時，熱點溫度控制在觸媒理想活性溫度范圍的下限。如果熱點溫度過低，反應(yīng)速度慢，達(dá)不到反應(yīng)的最佳條件，合成反應(yīng)會受到限制；提高溫度可以增快合成反應(yīng)速度，利于達(dá)到反應(yīng)平衡狀態(tài)，但是氨合成是個放熱反應(yīng)，溫度過高反應(yīng)向逆向移動不利于氨合成，所以要合理控制催化劑床層的熱點溫度，以實現(xiàn)高合成率的目的。另外，催化劑的催化活性起活溫度并不是氨合成最適宜的熱點溫度，最適宜的熱點溫度不僅與催化劑起活溫度有關(guān)，而且還受操作壓力的影響；這是因為化學(xué)反應(yīng)速度和化學(xué)平衡主要是靠操作壓力和熱點溫度推動，但這兩者的推動結(jié)果是不一樣的。對氨合成而言，在操作壓力恒定的情況下，依據(jù)反應(yīng)速度與反應(yīng)平衡的相互關(guān)系，應(yīng)通過不斷優(yōu)化，找出最適宜的熱點溫度，以使氨合成總轉(zhuǎn)化率達(dá)到最大。

1.3 氣體成分的影響

從氨合成的化學(xué)方程式來看，H2與N2的配比應(yīng)是3∶1，最有利于氨合成反應(yīng)平衡；從反應(yīng)動力學(xué)來說，H2與N2的配比應(yīng)小于3∶1，有利于氨合成反應(yīng)速度。催化劑對H2與N2的選擇性是不同的，氮分子先被化學(xué)吸附在催化劑顆粒表面上并離解成N，然后經(jīng)歷逐步加氫過程，N→NH→NH2→NH3，從能量角度來看，氮化學(xué)吸附并離解成氮原子，離解鍵能遠(yuǎn)大于氫離解鍵能和氨中氫、氮的鍵能，因此氮分子通過化學(xué)吸附的活化是氨合成中最困難的一步。同時依據(jù)化學(xué)反應(yīng)平衡與反應(yīng)動力學(xué)，H2與N2要有一個適宜配比，反應(yīng)遠(yuǎn)離平衡時，最佳氫氮比為1.5，反應(yīng)接近平衡時，最佳氫氮比為2.9～3.0。

氨合成氣體中的惰性氣體也是影響入塔合成氣氨轉(zhuǎn)化率的因素之一，惰性氣體含量過高，會降低參加反應(yīng)有效氣體的分壓，同時也會造成合成壓力上升，增加循環(huán)功耗。合成氨裝置合成氨的原料H2和N2的純度＞99.99%，惰性氣體含量非常少，累計周期比較長，間歇性放空，且放空量非常少。

合成塔入口合成氣氨含量對氨反應(yīng)的影響也不容質(zhì)疑，入塔氣氨含量高，會抑制氨合成反應(yīng)，氨凈值低；為保證入塔氣氨含量低，必須提升氨冷凝的分離效率，然而冷凍功耗量同時也增大。

1.4 催化劑活性的影響

合成氨裝置使用的催化劑是Amomax-10H型預(yù)還原型氨合成催化劑，它的優(yōu)勢特性是低溫高活性、耐熱性能優(yōu)良，起始活性溫度是265～270℃。

催化劑對氨合成的反應(yīng)速度的影響是至關(guān)重要的，主要表現(xiàn)在它的活性高低。催化劑的活性在很大程度上又受催化劑還原條件和還原程度的影響，主要是影響催化劑的一些參量，如a-Fe晶粒大小、鐵比表面和堿比表面、孔徑分布、助催化劑分布等，一般在還原結(jié)束時就已經(jīng)形成。所以在催化劑還原操作過程中，應(yīng)盡可能沿著理想還原曲線進(jìn)行，維持穩(wěn)定的氣體成分和熱點溫度，防止熱點溫度高于這一型號催化劑的最高操作溫度，以及溫度波動變化過大。

1.5 空速的影響

空速表示的是氣體與催化劑接觸時間長短的物理量。對于氨合成反應(yīng)，當(dāng)操作壓力，溫度及進(jìn)塔氣體組成一定時，如果采用較低的空速，氣體與催化劑接觸時間長，則反應(yīng)過程中氣體的各組分與反應(yīng)平衡較接近，使出塔氣中氨含量增加，即氨凈值增加，但催化劑利用率低，從而使催化劑的生產(chǎn)強(qiáng)度降低。較小的空速使氣體循環(huán)的動力消耗較低，入塔預(yù)熱器達(dá)到入塔氣體預(yù)熱程度所需的換熱面積較小。

采用較大的空速時，氣體與催化劑接觸時間縮短，使出塔氣中氨含量降低，氨凈值降低；但由于氨凈值降低的程度比空間速度的增大的倍數(shù)要少，所以當(dāng)提高空間速度時，催化劑的生產(chǎn)強(qiáng)度增加，但增加了入塔預(yù)熱器所需的換熱面積，同時增大系統(tǒng)阻力，增加了壓縮機(jī)的動力消耗，并且由于反應(yīng)后氣體混合物中氨反應(yīng)產(chǎn)物減少，因經(jīng)過換熱器的冷熱介質(zhì)接觸時間短，換熱效果差，造成反應(yīng)產(chǎn)物氨經(jīng)最終換熱器降溫后，難以冷凝、分離，欲達(dá)到要求指標(biāo)時，必須增加分離氨所需的冷凍量，冷凍功隨之增加。

還應(yīng)注意的是，空速增大到一定程度后，從合成塔出來的氣體帶出的熱量增多，會造成催化劑床層的熱點溫度難以控制，影響氨合成反應(yīng)的進(jìn)行?？傊x擇最佳的空速必須綜合考慮考慮多方面因素。合成氨裝置依據(jù)實際生產(chǎn)需要，以及壓縮工序的實際情況，合成系統(tǒng)壓力控制在11.4 MPa以下，低于設(shè)計壓力12.9 MPa，空速是10 000h-1，與所用催化劑Amomax-10H測試空速15000h-1相比，還有很大的提升潛力。

2 結(jié)論

工藝條件在很大程度上影響了氨合成氣體的轉(zhuǎn)化率，在實際生產(chǎn)中，應(yīng)通過不斷對合成系統(tǒng)操作壓力、熱點溫度、氣體成分組成、催化劑活性及空速等主要影響氨產(chǎn)量因素的分析，同時計算出氨合成氣體在催化劑不同使用時期的合成率，找出制約氨合成產(chǎn)量的主要因素，結(jié)合實際操作狀況，制定相應(yīng)的操作運行條件，從而實現(xiàn)裝置的穩(wěn)定高產(chǎn)。

[1]沈浚，朱世勇，馮孝庭.化肥工學(xué)叢書——合成氨[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社.

[2]楊春生，韓福順.中小型合成氨廠生產(chǎn)操作問答[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社.

Factors Affecting Ammonia Production in the Plant

Guo Qi-xing

Based on the existing equipment of ammonia synthesis,for the realization of production capacity of the ammonia to continue to dig,in depth analysis of the factors affecting the production of ammonia

ammonia content；operating pressure；hot spot temperature；composition of gas

TQ116.1

B

1003–6490（2016）04–0001–02

2016–04–12

郭啟星（1986—），女，黑龍江勃利人，助理工程師，主要研究方向為精細(xì)化學(xué)。