側(cè)線試驗裝置的設計方案

(中國石油烏魯木齊石化公司化肥廠，新疆 烏魯木齊 830019)

氨是氮肥生產(chǎn)的基本原料，我國是世界上最大的合成氨生產(chǎn)國。目前，國內(nèi)合成氨廠使用的氨合成催化劑為鐵基催化劑，鐵基催化劑在技術(shù)上很成熟，但也暴露出一些自身存在的缺點，一是低溫、低壓下的催化劑活性偏低，需要在15MPa(g)甚至更高的壓力下運行，能耗較高，對設備的要求很苛刻；二是催化劑的單程轉(zhuǎn)化率偏低，需要裝填大量催化劑才能滿足工藝要求的反應轉(zhuǎn)化率。因此，開發(fā)新型氨合成催化劑，使合成氨工業(yè)向低能耗方向發(fā)展顯得尤為迫切。

由中石油研制開發(fā)的釕基氨合成催化劑在相對低溫低壓下的活性較高，經(jīng)過多年研究在小試裝置中試運行取得較好效果，即將進入工業(yè)試驗階段。工業(yè)試驗將開展釕基催化劑和反應器的工藝放大研究，進行鐵串釕工藝驗證及溫度、壓力、空速條件對催化劑活性的影響等試驗內(nèi)容，以此驗證新型釕基氨合成催化劑是否具有高活性，可以提高氨合成塔出口氨濃度，降低循環(huán)氣量，減小壓縮能耗和冷卻能耗，是否可以工業(yè)化應用。根據(jù)專家比選，試驗裝置擬在中國石油烏魯木齊石化公司化肥廠二合成裝置建設。

1 方案設計

側(cè)線試驗裝置設計方案的原則是氣體組分、壓力、溫度、流量等滿足釕基催化劑的要求，裝置投資較小，操作簡便，運行后對主裝置影響小。釕基側(cè)線試驗裝置原料氣來自主裝置氨合成回路的合成氣，試驗裝置的產(chǎn)品液氨返回主裝置做為產(chǎn)品的一部分，輔助材料和公用工程依托于主裝置原有公用工程系統(tǒng)。我們主要工作內(nèi)容是比選確定合成氣的取出位置及合成反應氣冷卻分離后的去向。

1.1 入口氣位置的選取與合成反應熱的利用

氨合成反應是化學反應，其反應式：

由反應式可看出氨合成反應具有可逆性，即在氫氣和氮氣反應生成氨的同時，氨也被分解為氫氣和氮氣，反應的轉(zhuǎn)化率與反應壓力、溫度及H2/N2有關(guān)。主裝置的氨合成采用布朗三塔流程，第一合成塔出口的氨凈值達11.89%，第二合成塔出口的氨凈值達17.15%，第三合成塔出口的氨凈值達到21.17%，進塔氣體中氨含量越高，氨凈值增長越小，生產(chǎn)能力越低，氨凈值繼續(xù)提升將非常困難。利用釕基催化劑活性高的特點，選定鐵串釕工藝，在三塔流程之后，串入一個盛裝500 L釕基催化劑的合成塔，合成氣量5 000Nm3/h。第三合成塔出料氣體組成(mol%)為H2：57.31，N2：18.77，Ar：2.75，NH3:21.17。氣體介質(zhì)干凈，反應組分濃度降低，幾乎不存在超溫危險，有利于試驗裝置的運行，可進一步將氨凈值提升，同時改造內(nèi)容少，作為試驗裝置更為經(jīng)濟,也可為今后的鐵串釕工藝技術(shù)改造方案提供依據(jù)。

原有主裝置凈化送來的合格工藝氣，經(jīng)合成氣壓縮機將工藝氣提壓至15.1MPa(g)，合成氣經(jīng)第一、第二、笫三合成塔進行氨合成反應后的合成氣依次經(jīng)第三廢鍋、熱交換器、水冷卻器冷卻后，經(jīng)冷交換器進入氨冷卻器一、二冷卻后進入分離器進行分離。

由于釕基催化劑要求反應溫度350～450℃，考慮到釕基催化劑耐受溫度，釕基側(cè)線氨合成塔進料氣取出位置若選在第三廢鍋入口，合成反應的反應熱會使催化劑床層溫度過高，超出耐受溫度，需在入口增加冷卻器，而冷交換器入口溫度過低，需要比較多的能量轉(zhuǎn)化將合成氣溫度提升到反應溫度，兩者都不經(jīng)濟。選擇熱交換器入口作為合成氣取氣位置，溫度與釕基催化劑的活性溫度的下限接近，若要利用合成反應后的溫升能量會對原主裝置有較多影響?？紤]到氨合成反應為放熱反應，充分利用反應熱，選擇水冷卻器入口作為合成氣取氣位置，雖然釕基氨合成塔入口溫度達不到反應溫度，可在入口前增加1臺電加熱器，在反應初期通過電加熱將溫度提升到反應溫度，待反應有了溫升，則可以通過與釕基氨合成塔出口氣換熱，就可滿足塔入口所需的反應溫度。

1.2 氨產(chǎn)品、循環(huán)氣及弛放氣流向設計

原有主裝置產(chǎn)生的液氨經(jīng)第一分離器分離后減壓至3.6MPa，送至液氨減壓罐進一步進行分離，然后減壓至1.4MPa后送氨收集槽中。第一分離器的氣體作為循環(huán)氣回到合成氣壓縮機循環(huán)段，氨收集槽中的惰氣被噴射器抽出，與氨減壓罐閃蒸的氣氨匯合，進入氨吸收冷卻器中作為氨水被回收，然后送到汽提塔中，用3.8MPa(g)蒸汽加熱使其再沸，所回收的氣氨進入到氨冷器回到氨收集槽。氨吸收冷卻器出口弛放氣的一部分回到天然氣脫硫系統(tǒng)，其余被送到一段轉(zhuǎn)化爐作為燃料氣。

(1)在三段合成塔反應后的合成氣，進入串聯(lián)的釕基氨合成塔反應后，預計氨凈值將增加2%，不增加其他組分，此部分富含氨的氣體經(jīng)冷卻分離后，液氨并入原主裝置作為產(chǎn)品。

(2)因原主裝置氨氣回收和弛放氣系統(tǒng)尚有余量，冷卻分離后極少量的氣氨和惰性氣體被送入原有的氨氣回收系統(tǒng)，進行回收后并入弛放氣系統(tǒng)。

(3)冷卻分離后極少量的氣氨和惰性氣體，被送入原有的氨氣回收系統(tǒng)進行回收，不增加循環(huán)氣量，不會影響合成氣壓縮機的負荷(原合氣壓縮機透平效率偏低)。

因此，側(cè)線裝置釕基氨合成塔出口氣僅需考慮冷卻分離部分，反應氣的冷卻首先設置1臺進出口換熱器，充分利用了反應熱，既加熱了入口氣，也冷卻了出口氣，隨后再設置1臺水冷器、1臺氨冷器和1臺分離器。水冷器與氨冷器的冷卻介質(zhì)可在原有主裝置界區(qū)就近引入。出口氣的冷卻沒有采用空冷的方案，空冷器雖然可降低設備投資，但沒有在高壓下運行的業(yè)績，存在一定的風險，且會增加裝置的運行成本。側(cè)線試驗裝置的工藝流程設計見圖1。

進側(cè)線試驗裝置合成氣取自熱交換器下游，溫度為95℃，經(jīng)流量控制并減壓至10MPa(g)，進入側(cè)線試驗釕基氨合成塔進出口換熱器加熱至380℃后，進入釕基氨合成塔，氨凈值增加2%(21.1%升至23.1%)。合成氣進釕基氨合成塔前設置1臺電加熱器，在開車工況、催化劑升溫還原工況等特殊條件下提供熱量。出釕基氨合成塔后的合成氣經(jīng)釕基氨合成塔進出口換熱器由406℃冷卻至116℃，經(jīng)過水冷器冷卻至37℃，再經(jīng)氨冷器冷卻至4.4℃后，進入氨分離器，壓力為9.68MPa(g)。液氨經(jīng)過減壓后送入氨閃蒸罐中閃蒸得到液氨產(chǎn)品，氨分離器出口循環(huán)氣減壓至3.6MPa(g)后送入氨回收系統(tǒng)。

2 方案評價

本方案采用鐵串釕多塔串聯(lián)的氨合成工藝，使H2、N2經(jīng)多段高效反應，氨轉(zhuǎn)化率大大提高。根據(jù)釕基催化劑的性能計算，串聯(lián)在第三合成塔后，在現(xiàn)有裝置的條件下，釕基合成塔出口氣的體積含氨量預期可達23.17%，氨凈值可提高2%。如果試驗成功，以此作為改造依據(jù)，可提高氨產(chǎn)量 0.5t/h。

圖1 側(cè)線試驗裝置的工藝流程

另外，進側(cè)線試驗裝置合成氣取自熱交換器下游，取氣位置溫度低，接點少，釕基合成塔出口氣用入口氣體冷卻，對主裝置影響小，增加電加熱器，釕基合成塔溫度易控制，運行過程不受原裝置的影響，側(cè)線氨分離器出口氣相作為弛放氣排入氨回收系統(tǒng)，也不會對原裝置合成氣機壓縮機循環(huán)段產(chǎn)生影響。

設計方案評價分析見表1。

表1 設計方案評價分析

續(xù)表

3 結(jié)語

通過對方案的分析評價，該設計方案滿足釕基催化劑的試驗條件，合成氣壓縮機功率消耗增加少, 對原裝置影響小，氨凈值提高可增加氨產(chǎn)量，降低噸氨能耗，同時具有裝置投資較小、操作簡便等優(yōu)勢，在經(jīng)濟性、操作性和試驗性等方面均有優(yōu)勢，此方案經(jīng)可行性研究及專家評審，具有可行性，但試驗效果有待驗證。如驗證成功，氨合成鐵基催化劑串釕基催化劑工藝對于目前國內(nèi)運行的合成氨裝置來說是一種高效節(jié)能的技術(shù)改造方案，有較好的推廣價值。