氨合成回路流程模擬及影響因素分析

熊文峰

(中石化南京工程有限公司，江蘇 南京 211100)

ASPEN PLUS是生產(chǎn)裝置設(shè)計、穩(wěn)態(tài)模擬和優(yōu)化的大型通用流程模擬軟件，可用于醫(yī)藥、化工等多種工程領(lǐng)域，ASPEN PLUS功能十分強大，具有工業(yè)上最適用且完備的物性數(shù)據(jù)庫、擁有多達50多種單元操作模塊，可以利用豐富的設(shè)備模型對工藝過程進行嚴(yán)格的物料和能量平衡計算；可以預(yù)測物流的組成、流速及物性；可以預(yù)測操作條件、設(shè)備的工藝尺寸；通過對各種不同工藝方案的比較，縮短裝置的設(shè)計時間；對工藝流程進行優(yōu)化、幫助改進當(dāng)前的工藝等[1]。本文采用ASPEN PLUS 8.4對氨合成回路進行了流程模擬，對氨合成塔主要操作變量進行了靈敏度分析，研究了氫氮比、合成壓力、進口溫度、空速、以及惰性氣體含量對氨合成反應(yīng)的影響，確定了最佳操作參數(shù)，在一定程度上可以預(yù)測和指導(dǎo)實際生產(chǎn)。

1 流程模擬

1.1 模擬流程的建立

根據(jù)合成氨工藝流程，在ASPEN PLUS軟件中建立氨合成回路工藝模擬流程,見圖1。

C101-新鮮氣壓縮機；C102-循環(huán)氣壓縮機；M1，2-混合器；R101氨合成塔；E101-蒸汽過熱器；E102-廢熱鍋爐；E103-軟水加熱器；E104-熱交換器；E105-水冷器；E106-冷交換器；E107-一級氨冷器；E108-二級氨冷器；E109-級間換熱器；V101-一級氨分離器；V102-二級氨分離器

1.2 模擬流程的說明

氨合成系統(tǒng)流程按功能可劃分反應(yīng)氣預(yù)熱、氨合成反應(yīng)、余熱回收、冷卻分離四個連續(xù)循環(huán)的單元和其它輔助單元[2]。來自循環(huán)機的合成氣與新鮮氣合并，經(jīng)塔前換熱器預(yù)熱至170～210℃后進入氨合成塔，在氨合成催化劑的作用下，發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)：

反應(yīng)后的氣體經(jīng)合成塔下部進入蒸汽過熱器副產(chǎn)4.0MPaG、400℃的過熱蒸汽。再依次進廢熱鍋爐和軟水加熱器，合成氣溫度已降到210～260℃。出軟水加熱器進入塔前換熱器管程，用以加熱殼程的入塔氣體。鍋爐給水首先進入軟水加熱器加熱后再進入廢熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽。

出塔前換熱器的合成氣進入水冷器冷卻到～37℃后，再在冷交換器內(nèi)與其殼程冷氣換熱，降溫至～19.3℃，進入一級氨分離器分離液氨，分氨后的氣體再依次進入一級氨冷器冷至8℃，二級氨冷器冷至-10℃，進入二級氨分離器分離液氨，分氨后的氣體進入冷交換器殼程回收冷量后，進入壓縮機循環(huán)段進行下一輪循環(huán)。一級氨分離器、二級氨分離器分離出的液氨，減壓至2.5MPaG，送入閃蒸槽，閃蒸槽出口液氨去球罐，閃蒸氣去氨吸收塔經(jīng)水洗后去界區(qū)外，氨水送出界區(qū)。

1.3 物性方法及模塊的選擇

ASPEN PLUS軟件與其他軟件相比，其優(yōu)勢之一在于其豐富、完備的物性數(shù)據(jù)庫。物性是模擬計算、分析決策的基礎(chǔ)。物性方法選擇恰不恰當(dāng)，關(guān)系到計算結(jié)果可不可靠。氨合成回路涉及的組分有：N2、H2、NH3、CH4、AR，均為常規(guī)組分，ASPEN的物性數(shù)據(jù)庫中已包含了其基本的物性數(shù)據(jù)，例如：粘度、導(dǎo)熱系數(shù)、逸度系數(shù)、臨界溫度、臨界壓力、CP/CV值、壓縮因子等。根據(jù)原料的特性，ASPEN推薦使用適合高壓烴類的狀態(tài)方程，主要包括PENG-ROB、PR-BM、RK-SOVAE、RKS-BM、SRK等，根據(jù)以往流程模擬的經(jīng)驗，選用狀態(tài)方程方法能相對準(zhǔn)確地預(yù)測氣液相平衡，考慮到氨合成回路高溫、高壓的特點，本流程模擬選用PENG-ROB物性方法進行模擬計算。

流程模擬采用ASPEN PLUS自帶的內(nèi)置模塊，見表1。

表1 單元操作模塊

1.4 假設(shè)

為簡化模擬過程，首先要設(shè)定以下條件：

①假設(shè)新鮮氣的組成和流量在模擬過程中不隨時間變化。

②氨合成回路運行穩(wěn)定，各參數(shù)不隨時間發(fā)生變化。

③氨合成反應(yīng)接近化學(xué)平衡的程度用平衡溫距來表示，假設(shè)反應(yīng)器的平衡溫距為17℃。

④假設(shè)氨合成塔的操作壓力為13.4 MPaG。

⑤假設(shè)氨合成塔出口溫度為440℃。

⑥假設(shè)氨合成塔的壓力降為0.3MPaG。

⑦蒸汽過熱器副產(chǎn)4.0MPaG、400℃的過熱蒸汽。

2 模擬結(jié)果及影響因素分析

2.1 模擬結(jié)果

氨合成回路的模擬計算結(jié)果見表2，公用物料及能耗情況見表3。

表2 氨合成回路模擬計算結(jié)果

表3 公用物料及能耗

2.2 影響因素分析

氨合成回路是整個合成氨工段的核心，氨合成反應(yīng)是體積縮小的可逆放熱反應(yīng)，反應(yīng)溫度、壓力、氫氮比、惰性氣體含量、空速都影響著反應(yīng)的進行，選擇合適的操作條件，使平衡向著氨合成的方向進行，是合成氨的關(guān)鍵。

2.1.1 溫度的影響

氨合成反應(yīng)是體積縮小的可逆放熱反應(yīng)，從動力學(xué)角度出發(fā)，溫度升高，反應(yīng)速率常數(shù)增加，對氨合成有力，從熱力學(xué)角度出發(fā)，溫度升高，反應(yīng)平衡常數(shù)下降，不利于反應(yīng)向正方向進行，因此氨合成反應(yīng)存在一個最佳反應(yīng)溫度；從催化劑角度考慮，氨合成催化劑存在一個最佳活性溫度，工業(yè)上氨合成反應(yīng)溫度一般控制在400～550℃[3]。

2.1.2 壓力的影響

提高壓力相當(dāng)于提高有效氣的濃度，對氨合成反應(yīng)有利，且有利于氨的分離，但是壓力越高，對設(shè)備的要求也越高，因此在裝置的設(shè)計時，要根據(jù)裝置的規(guī)模等因素進行經(jīng)濟分析，選擇合適的操作壓力，使裝置的投資和回報達到最優(yōu)。

2.1.3 氫氮比的影響

從反應(yīng)方程式可以看出，氫氣和氮氣是按3∶1的比例關(guān)系進行反應(yīng)的，但是氨合成反應(yīng)中，氮的活性吸附是主要的控制步驟：

適當(dāng)增加氮氣的分壓，有利于催化劑對氮氣的吸附，實際生產(chǎn)中，入塔氣的氫氮比控制在2.2～2.9之間。

2.1.4 惰性氣體含量的影響

原料氣中多多少少會含有一定量的甲烷、氬氣等惰性氣體，這些惰性氣體在系統(tǒng)內(nèi)不斷累積，降低了有效氣的分壓，影響化學(xué)反應(yīng)的速率，并且壓縮機的功耗也會相應(yīng)增大，因此，如同甲醇合成回路一樣，大部分氨合成回路需排放一部分馳放氣，降低系統(tǒng)內(nèi)惰性氣體的含量。

2.1.5 空速的影響

空速指規(guī)定的條件下，單位時間通過單位體積催化劑的合成氣的量。工業(yè)生產(chǎn)中，氨合成的單程轉(zhuǎn)化率只有15%左右，因此新鮮氣必須循環(huán)利用，以提高有效氣的轉(zhuǎn)化率。系統(tǒng)低空速運行時，得到單位產(chǎn)品氨所需要的循環(huán)氣的量小，氣體循環(huán)所需要的壓縮機的功耗小，預(yù)熱未反應(yīng)氣體所需要的換熱面積較?。惶岣呖账?，反應(yīng)氣與催化劑的接觸時間變短，出塔氣中氨的濃度降低，但是單位時間內(nèi)得到的產(chǎn)品氨的量增大，但是高空速意味著，系統(tǒng)阻力加大，壓縮機的功耗也相應(yīng)增大，氣體帶走的熱量也增大，催化劑床層溫度難以維持。

3 結(jié)論

通過對氨合成回路的流程模擬，得到了出塔氣、一級氨冷器、二級氨冷器等物流數(shù)據(jù)，并計算了公用物料及能耗，數(shù)據(jù)與工業(yè)值很吻合。分析了溫度、壓力、氫氮比、惰性氣體含量以及空速對整個系統(tǒng)的影響，對于實際生產(chǎn)具有十分重要的意義。