湖南安淳高新技術(shù)有限公司從上世紀80年代中期開始進行氨合成系統(tǒng)及甲醇系統(tǒng)的開發(fā)研究工作,在研究了國內(nèi)外各種技術(shù)的基礎(chǔ)上,創(chuàng)造性地提出了氨合成塔分流工藝。發(fā)明了ⅢJ系列合成塔技術(shù),該技術(shù)曾獲得國家科技進步二等獎,在全國推廣達400多臺套。
近年來,通過總結(jié)ⅢJ系列內(nèi)件在全國合成氨行業(yè)近400多臺次和廠家的運行經(jīng)驗,汲取20世紀90年代以來國際國內(nèi)先進技術(shù)以及國內(nèi)引進的大型氨廠合成塔運行經(jīng)驗,對氨及甲醇合成塔進入大型化、配套的系統(tǒng)進入大型化、單套生產(chǎn)能力更大等方面進行了廣泛的研究和技術(shù)對比后,開發(fā)了DN2400、DN2200、DN2000、DN1800等系列氨合成系統(tǒng);開發(fā)了DN2800、DN2200、DN2000等系列單醇和聯(lián)醇的大合成系統(tǒng)。
甲醇或氨合成系統(tǒng)技術(shù)相繼在山東瑞星化學(xué)工業(yè)集團公司、山東德齊龍化工有限公司、河南心連心化工有限公司、江蘇新沂恒盛化工有限公司、山東華魯恒升化工有限公司、山西晉城天脊集團、山西晉豐集團、福建三明化工有限公司等廠先后投入使用或進行設(shè)計。
本文就安淳公司的技術(shù)進行介紹。以利于了解本技術(shù),對選擇本技術(shù)及產(chǎn)品提供參考。
1 氨(醇)合成塔內(nèi)件的研究
氨(醇)合成系統(tǒng)中的合成塔內(nèi)件是氨(醇)廠生產(chǎn)中最重要的設(shè)備之一,我們調(diào)研了國內(nèi)外各種不同類型內(nèi)件的設(shè)計及使用情況后,于1986年研究設(shè)計了一種新型內(nèi)件,其中DN600-ⅢJ型氨合成塔內(nèi)件于1988年投入運行,投產(chǎn)后,立刻在全國同行業(yè)大面積推廣。先后獲得多項國家專利,1990年通過化工部科技鑒定,鑒定認為:“該內(nèi)件工藝思想及技術(shù)為國內(nèi)外首創(chuàng),主要技術(shù)指標取得了突破性進展,達到國際先進水平!痹摷夹g(shù)多次為國家級重大科技成果重點推廣項目,技術(shù)成果參加過維也納、吉隆坡國際新技術(shù)新產(chǎn)品展覽,獲國家級新產(chǎn)品稱號、1995年獲國家科技進步二等獎(迄今為止,國內(nèi)合成塔內(nèi)件的最高獎勵)、中國專利技術(shù)金獎、湖南省科技進步一等獎,F(xiàn)在有近400多家合成氨廠使用該技術(shù)及產(chǎn)品。該型塔的顯著特點是氨凈值高(氨凈值一般在15%以上),單塔生產(chǎn)能力大。湖南衡陽市氮肥廠、山東新泰化肥廠、湖北荊門一化、河南商水化肥廠等廠φ600mm塔日產(chǎn)平均達100t氨以上;φ800mm合成塔在安徽渦陽化肥廠、天津堿廠、河南新野化肥廠、湖南汩羅氮肥廠等廠日合成氨產(chǎn)量達140~170t,氨凈值約16%;后來經(jīng)過改進,又設(shè)計制造了ⅢJ-99(A)、ⅢJ-99(B)、ⅢJ-99(C)等三種φ1000mm合成塔內(nèi)件和ⅢJ-99φ1200mm合成塔內(nèi)件,催化劑裝填量分別為5.8m3、6.8m3、7.8m3和11.4m3,年合成氨設(shè)計能力分別為60kt、80kt、100kt和120kt。在成都化肥廠、重慶潼南化工總廠、山東魯西化工集團公司、湖南臨湘氮肥廠、四川美豐化工股份有限公司、大乘資氮集團、福建永安智勝化工聯(lián)合公司、山東瑞星化工集團公司、山東嶧山化工集團公司、山東壽光聯(lián)盟化工集團公司、山東明水化肥廠等廠投產(chǎn)后效果都很理想。
近年來開發(fā)的φ2200mm、φ2000mm、φ1800mm、φ1600mm、φ1400mm等系列ⅢJ型大直徑氨(醇)合成塔內(nèi)件,正是上述成功經(jīng)驗的總結(jié)和技術(shù)升華。它既是原技術(shù)思想的總結(jié)和優(yōu)化,也是多年合成系統(tǒng)開發(fā)研究的成果發(fā)展。
1.1 內(nèi)件研究的指導(dǎo)思想
氨合成反應(yīng)是一個可逆放熱反應(yīng),必須在高壓、適宜的溫度和催化劑條件下才能進行。作為反應(yīng)器的內(nèi)件結(jié)構(gòu)設(shè)計,必須從理論上、實用上、經(jīng)濟上系統(tǒng)地、全方位辯證地進行考慮,盡量做到以下幾點:
(1)容積利用系數(shù)要高;
(2)催化劑利用系數(shù)要高反應(yīng)氨凈值高;
(3)催化劑升溫還原要容易;
(4)操作彈性要好;
(5)內(nèi)件結(jié)構(gòu)要簡單可靠;
(6)內(nèi)件的催化劑床層阻力要。
(7)熱回收率要高;
(8)裝卸催化劑要容易。
以上8個方面要全部滿足,有一定的難度,因為其間存在著一些互相制約的條件,關(guān)鍵是如何調(diào)解制約因素,采用辯證思維達到整體最佳的目標。ⅢJ系列內(nèi)件正是在這些相互約束條件下,綜合優(yōu)化考慮進行設(shè)計的。
1.2 氨(醇)合成塔內(nèi)件三種基本形式評述
氨(醇)合成內(nèi)件的型式很多,就其共性而言,任何形式的可逆放熱反應(yīng)器,開始都是絕熱反應(yīng),直至達到催化劑的熱點溫度為止,此時的氨含量有7%~8%。即只占全塔反應(yīng)量的35%~38%。要繼續(xù)進行反應(yīng),必須移走反應(yīng)熱,降低反應(yīng)溫度。
甲醇反應(yīng)器除了少量諸如利用高溫水來調(diào)節(jié)床層溫度的等溫式合成反應(yīng)器外,絕大部分的合成反應(yīng)器為氣固反應(yīng)床層的反應(yīng)器。一般設(shè)有多段反應(yīng)床,中間設(shè)移走熱量的機構(gòu)。
就其反應(yīng)熱移走的方式來評述,有段間換熱移熱方式、內(nèi)部換熱移熱方式、冷激移熱方式等三種基本型式,目前在用的主流內(nèi)件均是這三種形式的組合或變形。這三種型式,如用上述8項標準來評價,各有優(yōu)缺點。
1.2.1 段間換熱式
即在催化床層間設(shè)置間接換熱器,絕熱反應(yīng)一次,溫度升高,在換熱器內(nèi)冷卻,再絕熱反應(yīng)。它的優(yōu)點是在段數(shù)多的情況下,反應(yīng)接近最適宜溫度曲線。段數(shù)越多,反應(yīng)曲線越接近最適宜溫度曲線,并且反應(yīng)速度越快,氨凈值越高。但它的缺點是換熱器占了一定空間,催化劑裝填量將減少,且段數(shù)越多,催化劑越少;段數(shù)越多,內(nèi)件越復(fù)雜,維修裝配越難。例如一個采用三段段間換熱型的內(nèi)件,比其他型式的三段式內(nèi)件要少裝15%~25%的催化劑。
1.2.2 冷激式
即氣體在催化劑筐中絕熱反應(yīng)一次,溫度升高后,便用未反應(yīng)的冷氣體為已反應(yīng)的高溫氣體直接混合降溫,再反應(yīng),再直接降溫。冷激式最大優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單(國內(nèi)目前一種推廣面較多命名為“軸徑向型”的塔主要為冷激式降溫),催化床層內(nèi)每段除了冷熱氣混合分布器之外,沒有其他部件;第二個優(yōu)點是催化劑裝得多,例如以同樣的φ600mm塔配的四段冷激內(nèi)件,催化劑裝填量為1.55m3,冷激式最大缺點是每冷激一次,混合氣體中氨稀釋一次,故氨凈值降低了,也帶來了同樣產(chǎn)量下循環(huán)量增大的問題,而循環(huán)量增大將直接造成熱回量減少。這也是冷激式塔型的熱回收率量低于其他塔型的原因之一。
對于小型塔來說,冷激式的花板和分布器裝拆困難,催化劑裝卸也困難,且段數(shù)越多,裝拆越困難。塔的操作彈性也小,總氣量,冷激氣量,溫度,氨含量關(guān)聯(lián)太密切,太靈敏,以致操作調(diào)節(jié)的速度難于跟上溫度變化速度。
1.2.3 內(nèi)部換熱式(內(nèi)冷式)
將一定數(shù)量管子埋在催化床層內(nèi),氨合成反應(yīng)一邊進行,熱不斷被管內(nèi)冷氣(間接傳熱)移去。它適應(yīng)于可逆放熱反應(yīng)的特點。隨著反應(yīng)的進行,氨含量增加,放出的熱量不斷被移走,使溫度下降。內(nèi)冷式相當于“無級”的段間換熱式,因此它的最大優(yōu)點為反應(yīng)溫度最為接近最適宜反應(yīng)溫度曲線,氨凈值較高。ⅢJ系列內(nèi)件氨凈值最高達16%。內(nèi)冷式的缺點是結(jié)構(gòu)比冷激式復(fù)雜,冷管占據(jù)了部分空間,催化劑裝填量少。用上述相同的φ600mm塔,一般只裝催化劑1.3~1.38m3,較好的裝1.46~1.58m3。其次有管壁效應(yīng),冷管直通床層底部,一部分氣體沿著管壁流下,致使這部分氣體未達到較高的合成率而流出去了,還有在管壁處附近的催化劑由于還原時溫度指標無法達到要求,使此部分催化劑還原不徹底。因此舊式冷管內(nèi)件,實際氨凈值卻不高。舊式冷管內(nèi)件管子太長,又是與筒體或中心管連接的,在溫度變化時,冷管容易拉裂。
ⅢJ型為改良的內(nèi)冷式內(nèi)件,采用了改良冷管式結(jié)構(gòu),綜合了上述三種形式冷卻方式的優(yōu)點,克服了傳統(tǒng)內(nèi)冷式內(nèi)件的缺點,使氨凈值達到15%~16%,冷管不斷裂,升溫還原關(guān)閉冷氣,冷卻器周圍無過冷現(xiàn)象。
由上綜合評述,內(nèi)冷式通過改良,不失為一種良好形式,有許多優(yōu)點;冷激式有其優(yōu)點,但存在缺點相對較多,例如Topsφe的S-200內(nèi)件為兩段冷激式,由于段數(shù)少,氨凈值只有13.36%。Casale為我國φ1000 塔提出的改造方案,采用兩段冷激式,其氨凈值也只有14%。例如 Unde公司幫助 IGSAS工廠將原三段冷激式改為三段間冷式,出口氨濃度由16.3%增加到18.7%(進口氨3%)。國內(nèi)在φ800mm和φ600mm塔上用過三段間冷式,中間裝二個列管換熱器,第三段的催化劑裝卸很困難。實際氨凈值也不理想。
1.3 合成塔選擇中幾個問題的討論
我們是很早在注重合成塔內(nèi)件的同時,注重進行合成系統(tǒng)開發(fā)的公司。我們認為氨合成系統(tǒng)高壓圈中,特別是合成塔內(nèi)件為系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備,因而設(shè)計和選擇顯得非常重要。但系統(tǒng)是保證熱回收、冷回收、能量節(jié)約和內(nèi)件催化劑效率發(fā)揮不可或缺的重要因素。
我們結(jié)合多年來從事合成塔設(shè)計的經(jīng)驗,在確定了合成系統(tǒng)總規(guī)模和配套系統(tǒng)的情況下,合成塔及合成系統(tǒng)的選擇有下列問題可供討論。
1.3.1 高徑比的選擇
我國目前中、小合成氨廠的合成塔受我國早期國內(nèi)高壓容器制造技術(shù)和制造能力的限制,往往將合成塔做成“瘦高型”(高徑比達15以上),這種塔型幾乎占據(jù)了全國中、小型合成氨廠的合成工段,也給使用和設(shè)計者造成了一種“思維定勢”。近年來隨著國外技術(shù)的引進,設(shè)備制造業(yè)的進步,國內(nèi)大型合成塔的制造工藝和材料的問題得到了解決,因而新上的合成塔較多地選擇低高徑比(高徑比小于10)的塔型,這樣有利于將合成塔阻力降,由傳統(tǒng)型塔的催化劑床層阻力1.0~1.8MPa降至僅有0.2~0.6MPa。
1.3.2 徑向筐的設(shè)置
改變高溫反應(yīng)氣在內(nèi)件中的流動方向,設(shè)置催化劑床層徑向筐,以利于降低阻力,也是目前運用較多的技術(shù)。但如果徑向筐設(shè)置過長,也有運行操作彈性差、氣體分布不易控制、催化劑利用系數(shù)低、有效高壓容器利用系數(shù)小等缺點。只有合理地設(shè)置徑向筐和徑向分布器才能帶來優(yōu)勢。我公司近十年來徑向合成塔推廣了近二百個塔和廠家,積累了一些經(jīng)驗,目前徑向氣體分布技術(shù)已相當成熟。本方案采用大直徑的合成塔更有利于采用徑向流技術(shù),F(xiàn)已經(jīng)將DN2200、DN2000、DN1800、DN1600或DN1400塔設(shè)置的徑向段高度占總床層高度在65%以上,較多地運用“一軸三徑”、“二軸三徑”、“二軸二徑”等塔型式,部分塔型的徑向筐設(shè)置為全部徑向型的塔。
1.3.3 催化劑生產(chǎn)強度的選擇
目前我國中、小合成氨廠的合成塔催化劑生產(chǎn)強度大部分廠家達40~50 t/(m3·d),少數(shù)廠曾經(jīng)高達60~70 t/(m3·d)。使每m3催化劑的平均壽命在20kt氨左右,這樣勢必造成頻繁換催化劑,運行的空速也很大,系統(tǒng)及內(nèi)件的阻力也很高,這是一種高產(chǎn)、高消耗、低效益、“拚設(shè)備”的老生產(chǎn)模式。這種作法在小塔型、小能力的合成氨廠短期內(nèi)尚可有短期的效益,但大型塔和新制設(shè)備、大能力的廠家應(yīng)杜絕此方式。國外引進的15~22MPa級的合成氨裝置催化劑生產(chǎn)強度只有15~20 t/(m3·d),一個內(nèi)件、一爐催化劑可連續(xù)運行8年以上,每1m3催化劑生產(chǎn)氨達50kt左右。30MPa級的合成壓力,催化劑生產(chǎn)強度定位在25 t/(m3·d),較符合國際先進的節(jié)能思維模式。選擇大直徑、小的高徑比、多裝催化劑的塔方案正是基于此考慮。
1.3.4 空速的確定
低空速運行有利于降低系統(tǒng)阻力,提高氨凈值,節(jié)約電耗。目前大化肥廠的合成塔運行空速在8000 h-1左右(15~22MPa壓力級)。ⅢJ系統(tǒng)方案空速定位盡量小。計算得知,如果氨凈值在14%,較多的場合,運行空速在9000 ~12000h-1范圍較為合適。
1.3.5 合成塔內(nèi)件阻力降
多裝催化劑、裝相對小顆粒的催化劑有利于提高反應(yīng)效率,降低空速。但裝顆粒過小的催化劑,容易堵塞徑向筐小孔,反而使阻力升高。應(yīng)謹慎選擇催化劑的裝填粒度。合成塔的“高徑比”是一重要影響參數(shù),理論和實踐證實,當內(nèi)件的高徑比大于11時,不多設(shè)徑向筐,要將內(nèi)件阻力降至0.6MPa以下較為困難。ⅢJ方案選擇大塔、小高徑比、多徑向段、低空速的催化劑筐也正是為這一目的。
1.3.6 根據(jù)催化劑配套設(shè)計
需催化反應(yīng)的任何工業(yè)裝置,反應(yīng)器的設(shè)計均應(yīng)和催化劑的特性相匹配,高活性、寬耐溫區(qū)、高強度、低阻力的催化劑是催化劑研究設(shè)計者所追求的,也是合成塔內(nèi)件設(shè)計者所希望的。ⅢJ方案考慮配套選用345~495℃的寬溫區(qū)內(nèi)活性均高抗毒性強的強化磨角型催化劑。據(jù)此而設(shè)計內(nèi)件、將各段床層的高度分配進行優(yōu)化。
基于上述三種型式內(nèi)件優(yōu)劣的分析和內(nèi)件選擇的討論,又考慮到國內(nèi)外使用這三種內(nèi)件以及由此派生的冷激—間冷內(nèi)件的實際效果,我們研制ⅢJ型氨合成塔內(nèi)件。其總體工藝及設(shè)備的構(gòu)思如下。
用一個獨立導(dǎo)入冷氣的冷卻組合元件來代替多個間冷換熱器(大直徑的塔型這個段間換熱器可以使氣體實現(xiàn)徑向流),催化劑床層由上絕熱層—第二絕熱層—第三絕熱層—內(nèi)冷層—下絕熱層組成;它是一個既有無級間冷,又有冷激內(nèi)冷組成、氣體流向大部分采用徑向流動方式(一軸三徑、三軸一徑、二軸二徑或二軸三徑等床層)的反應(yīng)床層。它充分發(fā)揮了三種換熱形式的優(yōu)點,克服了他們各自的缺點,成為一種低空速、高凈值、低阻力、高產(chǎn)量、節(jié)能、結(jié)構(gòu)簡單可靠的較理想內(nèi)件。
1.4 內(nèi)件的主要特點(圖1)

1.4.1 一個獨立的氣體冷卻組合器構(gòu)成四段或五段反應(yīng)器
對于氨合成這樣可逆放熱反應(yīng),如果要求其合成率較高,或一定催化劑量條件下,生產(chǎn)能力較大,必須采用多段反應(yīng),且段數(shù)越多,合成率越高。但段數(shù)越多,結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。ⅢJ-99和ⅢJ內(nèi)件在催化床內(nèi)只安排一個類似冷管換熱方式的冷卻組合器,即構(gòu)成一個包含有上絕熱層—第二絕熱層—第三絕熱層(四段塔無此層)—內(nèi)冷層—下絕熱層等五段的反應(yīng)器。反應(yīng)溫度能比較逼近理想曲線。冷卻組合件結(jié)構(gòu)簡單,與內(nèi)件筒體無焊接點,可以自由放進和拉出。隨著溫度的變化,可以自由伸縮。組裝、拆卸容易,比組裝多段冷激式內(nèi)件的各段冷激分布器還要方便簡單。
1.4.2 分流工藝
傳統(tǒng)的氨合成塔內(nèi)件,冷管內(nèi)的未反應(yīng)氣體100%都是經(jīng)過了下部換熱器加熱之后再進入冷管束的。ⅢJ內(nèi)件則完全不同,未反應(yīng)的氣體是分成兩股,分別并流進入下部換熱器和冷管束。這樣帶來很多的好處。
① 冷管束內(nèi)冷氣溫度很低, 50~180℃,傳熱溫差很大,一定的熱負荷下需要的冷管面積大幅度減少。加之冷管段安排在第三或第四段,單位催化劑反應(yīng)量減少,反應(yīng)放出熱量少,需要的冷管面積更少。因此,冷管根數(shù)少,冷管短,占用床層空間少,催化劑裝填量多。
②下部換熱器熱負荷減輕。傳統(tǒng)的工藝是100%未反應(yīng)冷氣,通過下部換熱器加熱。而ⅢJ-99和ⅢJ-2000內(nèi)件經(jīng)過此處的未反應(yīng)冷氣只有50%~60%。需要的換熱器面積減少,相對地催化劑筐體積加大,裝填催化劑量增加。其次,熱氣體因被冷卻程度減少,出塔溫度高,有利于多產(chǎn)高品位蒸汽。
③分流進氣,氣體阻力減少。特別是進入中心管的氣體只有循環(huán)機出口總氣量的50%~60%,在中心管內(nèi)的阻力顯著減少。
1.4.3 多種形式軸徑向的組合式
徑向塔的優(yōu)點是氣體流經(jīng)路線短,阻力小,適應(yīng)于小顆粒催化劑,節(jié)能效果好。然而小直徑徑向塔,由于路程太短,氣體分布不均勻;一些分段式徑向筐,由于催化劑還原后收縮,在徑向筐上部形成自由空間,造成氣體短路,部分氣體沒有反應(yīng)。使氨凈值低,生產(chǎn)能力小。
在ⅢJ型內(nèi)件設(shè)計中,采用了多種型式的軸徑向組合式塔,如二軸三徑(或二軸二徑、一軸三徑)的型式,視產(chǎn)量要求情形,上部設(shè)一段或二段反應(yīng)床為軸向,下部均為徑向流的結(jié)構(gòu),既保證反應(yīng)效果,又降低了阻力,特別是內(nèi)冷段的間接換熱器采用了徑向流的結(jié)構(gòu),對降低阻力有顯著效果。
1.4.4 多氣腔式多層分布型徑向氣體分布器
為保證徑向催化床層氣體分布均勻,徑向筒采用了噴射小孔和多混合腔結(jié)構(gòu),并有防止粉化催化劑阻塞的作用。
1.4.5 段間換熱冷卻段氣體流向為徑向流
傳統(tǒng)的冷管型氨(醇)合成塔,冷管部分均為氣體只能走軸向(冷管內(nèi)氣體從上到下流向,冷管處氣體也從上到下流),由于冷管段占用了催化劑的空間,也減少了橫截面積,造成了冷管段的阻力大,傳統(tǒng)的方式是此部這分裝粗顆粒的催化劑,這樣更易造成溝流等氣體走短路的現(xiàn)象,這也是冷管效應(yīng)的一種表現(xiàn)。我們設(shè)計的段間換熱器冷管,采用管內(nèi)氣走徑向管外氣體亦徑向流動的方式,克服了此層阻力大的缺陷,使內(nèi)件完全可實現(xiàn)全徑向的氣體流的方式。
1.4.6 催化劑床層完全直通式
傳統(tǒng)的多段式內(nèi)件,各段之間大多有隔板將其分開。裝、卸催化劑時,從底層開始,裝一層蓋一層;有些內(nèi)件裝卸催化劑時,需將內(nèi)件筒體切割或焊接,十分繁瑣復(fù)雜。
φ1400mm、φ1600mm、φ1800mmⅢJ內(nèi)件雖然有五段,且第四、五段是徑向筐,由于采用了菱形混合器、菱形集氣器和帶有卸料管的錐形底徑向筐,既嚴格保證了工藝上的分段,又可以使催化劑由上直通下部。所以催化劑的裝填,更換均可從底部尾管自卸出來,而不要吊出內(nèi)件傾瀉,檢修十分方便。
1.4.7 直形異徑折流徑向冷卻器
ⅢJ內(nèi)件設(shè)計采用直形異徑冷卻器。傳統(tǒng)冷管束中的冷管,和上、下環(huán)連接處,兩端均加工為彎形與環(huán)管徑向?qū),彎曲的冷卻管有很大的彎曲應(yīng)力,在受熱膨脹和降溫收縮時,彎曲處容易斷裂,這是有冷管束以來一直存在的老大難問題。我們采用扁形直管與上下環(huán)切線焊接的方式,既便于加工制造,又避免了彎曲應(yīng)力。從1991年起投運直形冷卻器200多臺,至今無一損壞,徹底解決冷管斷裂嚴重影響生產(chǎn)的難題。ⅢJ型內(nèi)件,在原來直型冷管基礎(chǔ)上,又發(fā)展為由直形折流徑向冷卻板塊組成的間冷器,解決了冷管徑向傳熱問題。
1.4.8 長形、橫紋管換熱器
小直徑合成塔內(nèi)件下部換熱器為鼓形小列管換熱器,ⅢJ內(nèi)件換熱器為瘦長型,長徑比為7~8,換熱管為橫紋小列管,使傳熱系數(shù)大幅度增加,占用高壓容積減少。
2 合成系統(tǒng)流程開發(fā)及研究
以內(nèi)件為中心而設(shè)計的合成系統(tǒng)流程,我們主要是注重?zé)崃康幕厥蘸屠淞康幕厥铡?/DIV>
2.1 流程概述
ⅢJ合成系統(tǒng)原則流程如圖2。

圖2 ⅢJ合成系統(tǒng)原則流程
從合成塔下部四通出來的熱氣,溫度約320~340℃,氨含量16%~17%,進入廢熱鍋爐,溫度降至200~210℃,進熱交換器,被冷卻至約80℃,進水冷排,冷卻至35℃,進入冷交管間,溫度降至10~15℃,液氨分離后,進入氨冷器,氨冷、氨分之后,補入新鮮氣,使混合氣溫度達到-5~-1℃,再進入冷交管內(nèi),回收冷量之后,氣體升溫至約25℃,進循環(huán)機壓縮,分離油后,分成兩股,一股約62%進入熱交管外加熱至185~195℃,從合成塔底部進入(二進)塔內(nèi)換熱器管內(nèi),加熱后進入中心管,從中心管出來進入催化劑筐第一絕熱層反應(yīng),反應(yīng)后熱氣利用從塔頂下來約8%的冷激氣降溫后進入第二絕熱層。另一股約30%的未反應(yīng)氣體從合成塔下部進入環(huán)隙,由下而上到內(nèi)件頂部,從兩根導(dǎo)氣管進入冷管束,氣體在冷管束內(nèi)加熱后,溫升至約250℃,經(jīng)上升管達到第二、第三絕熱層之間,作為從第二絕熱層反應(yīng)后熱氣(470~480℃)的冷激氣,兩者混合后,溫度為410~420℃,進入第三絕熱層、冷管層、第四絕熱層反應(yīng),反應(yīng)后溫度為440~450℃,進入塔內(nèi)換熱器管間,被冷卻至310~340℃,出塔,再進入廢鍋,熱交……如此循環(huán)。流程中各節(jié)點組成見表1。
2.2 流程特點
①約30%的未反應(yīng)冷氣經(jīng)塔內(nèi)外筒環(huán)隙進冷管。約62%的未反應(yīng)冷氣進入熱交。其優(yōu)點是通過催化劑筐壁散失的熱量,仍回收到催化床層內(nèi),相當于減少了催化劑筐的熱損失。
表1 流程中各節(jié)點的物料成分表 %
節(jié)點 |
組 分/% | |||||
H2 |
N2 |
NH3 |
CH4 |
Ar |
合計 | |
0 |
74.10 |
24.70 |
0.00 |
0.88 |
0.32 |
100 |
1 |
57.75 |
19.25 |
3.00 |
14.67 |
5.33 |
100 |
2 |
42.76 |
14.25 |
19.74 |
17.05 |
6.20 |
100 |
3 |
49.55 |
16.52 |
4.99 |
19.76 |
7.19 |
100 |
4 |
51.02 |
17.01 |
4.24 |
20.34 |
7.40 |
100 |
② 進熱交的冷氣溫度35℃~40℃,使進水冷排熱氣溫度降到小于80℃,提高了熱回收率,減少了設(shè)備投資(節(jié)省了一個軟水加熱器),傳統(tǒng)流程中,如果不設(shè)軟水加熱器,進冷排溫度為120~130℃。
③ 冷交熱氣走管外,有利于氨的分離。傳統(tǒng)流程中反應(yīng)后熱氣由上而下走管內(nèi),再由下而上經(jīng)中心管離開冷交,被管外冷氣冷凝后的液氨部分積留在管內(nèi),影響冷卻效果。而新的流程含氨氣體走管外,管子是螺旋管,冷凝的液氨沿管壁螺紋槽旋轉(zhuǎn)而下, 在分離段分離。提高了冷卻效果。
④ 補氣位置在氨冷氨分后,流程圖中的“0”點。減少氨冷負荷,節(jié)約了冷凍量,同時又降低了氣體中氨含量,有利氨合成反應(yīng)。流程中第3點之后,即氨冷之后氨含量為4.99%,補入新鮮氣后,即為流程中第1點,氨含量只有3%。但新鮮氣中CO+CO2應(yīng)控制在10×10-6以下。采用雙甲工藝,可以達到或低于此指標。
⑤ 循環(huán)機放在塔前,其優(yōu)點是節(jié)約了冷凍量。
⑥ 放空位置在冷交氨分后,流程中第4點。已有70%左右的氨冷凝為液氨,并分離出去,氣相中氨含量較低,為4.24%,而甲烷含量最高,為20.34%,因此,放空量最小,氨和有效氣體損失少。
3 智能化控制裝置
ⅢJ型氨合成系統(tǒng)采用微機智能化控制系統(tǒng)。配用DCS或FCS計算機工控裝置,將專家設(shè)計思想、控制策略設(shè)計成程序,在屏幕上適時顯示各點運行參數(shù)(如各點溫度、壓力、成分、液位等),各種圖表曲線(如流程圖、趨勢圖、催化床層溫度曲線等),根據(jù)氣量、成分的變化,自動調(diào)節(jié)閥門,將催化床層溫度控制在最佳范圍之內(nèi),出現(xiàn)突發(fā)事故,例如溫度突然下降,屏幕上立即提示是什么原因,并立即自動處理,包括自動開啟電爐。有些情況不能自動處理恢復(fù),屏幕專家提示手動調(diào)節(jié)的方法,可供參考。這樣不但穩(wěn)定了工況,穩(wěn)定了生產(chǎn),同時減輕了工人的勞動生產(chǎn)強度,并節(jié)約了勞動力,配用智能化控制系統(tǒng)以前,每臺班至少要安排兩名操作工,配用了智能化控制系統(tǒng)后,只要一名操作工就可以了,而且給生產(chǎn)管理人員帶來極大的方便。
4 采用先進的換熱設(shè)備和分離設(shè)備
傳統(tǒng)流程的合成系統(tǒng)采用的熱交和冷交都用大環(huán)密封填料,實踐證明此種結(jié)構(gòu)密封效果很差,而且隨著設(shè)備尺寸的加大,效果更不理想,ⅢJ氨合成系統(tǒng)設(shè)計的熱交、冷交都采用小密封填料的結(jié)構(gòu)形式,同時換熱管采用高效強化換熱管,所以換熱(冷)效果較前好很多,節(jié)能顯著。
在分離設(shè)備上我們也改變了傳統(tǒng)的碰撞和填料分離方式,采用高效旋流分離與填料分離相結(jié)合的新型分離器。
5 臥式氨冷器及閃蒸槽
小直徑合成塔系統(tǒng)配置的氨冷器為立式盤管式或立式U型式,當氨冷面積較大,制作加工困難,且氨冷液位不穩(wěn),影響冷熱傳遞效果,為解決此問題,ⅢJ合成系統(tǒng)借鑒引進大型氨廠的先進技術(shù),設(shè)置臥式氨冷器,并在其上配置閃蒸槽,經(jīng)過多年的實際運行證明,此型式的氨冷器具有冷卻均勻,節(jié)冷效果顯著,對保護設(shè)備和提高制冷效果均有突出的優(yōu)越性。
6 配套系統(tǒng)的設(shè)計
6.1 原料氣精制度很高的凈化精制工藝
為保證大型塔催化劑長周期運轉(zhuǎn),至關(guān)重要的是原料氣的質(zhì)量。即CO+CO2含量要很少(CO+CO2≤10×10-6)。國內(nèi)以煤為原料的氨廠,采用銅洗流程,上述指標是達不到的,且時有帶液現(xiàn)象。國外的深度低變—甲烷化,因為要保證進甲烷化CO+CO2≤0.1%~0.3%,要求低變氣中CO≤0.3%,國內(nèi)以煤為原料的變換系統(tǒng)達到這個指標將使蒸汽消耗很大(噸氨耗蒸汽800kg)。為此必須采用國內(nèi)已實現(xiàn)運行六、七年之久的雙甲工藝精制方法(或醇烴化精制工藝方法),它采用中高壓(10.0~32.0MPa)壓力等級。任意氨醇比之下只要求脫碳氣CO2含量為0.2%及其總硫0.5×10-6下,經(jīng)過甲醇化,將原料氣中CO+CO2轉(zhuǎn)化為粗甲醇,醇后氣CO+CO2含量≤0.3%,進入甲烷化,烷后氣中(即進合成系統(tǒng)氣體)CO+CO2含量≤5×10-6。
6.2 寬溫高活性高強度小顆粒催化劑
ⅢJ型內(nèi)件零米溫度設(shè)計較低,為350~360℃,熱點溫度設(shè)計較高為470~480℃。即第一絕熱層溫升120℃,氨凈值8.1%,因此要求催化劑是高活性寬溫催化劑。其次,設(shè)計有三個徑向段,催化劑以小顆粒(2.5~3.5mm)為主,可大大提高反應(yīng)效率,又不會增加阻力,在提高催化劑低溫活性的同時,充分注意制造工藝,不使催化劑顆粒過于硬脆,防止使用中粉化。本公司特研制了適用于上述特征的含鈷和稀土的XA201、XA203催化劑。
7 推廣使用實例
(1)山東瑞星化工集團公司
該公司現(xiàn)合成氨能力為400kt/a,曾于1996年、1998年使用了我公司的DN1200、DN800 ⅢJ-99氨合成系統(tǒng)各一套,于2003年底在400kt/a合成氨技術(shù)改造中,率先采用了我公司的一套DN1800氨合成系統(tǒng),于2003年底投產(chǎn)。目前,此套氨系統(tǒng)每天產(chǎn)合成氨620t,系統(tǒng)壓力只有24MPa。整體工程設(shè)計和設(shè)備均由我公司提供,全部工程投資約2500萬元。工程投產(chǎn)后,噸氨綜合電耗比改造前減少約120kW·h,噸氨綜合煤耗比改造前降低約180kg。全廠上下均一致稱道,為一個質(zhì)優(yōu)效益好的工程。此DN1800氨合成系統(tǒng)為全國此壓力級最大的塔型,也為目前世界上最大的32MPa壓力級氨合成系統(tǒng),開創(chuàng)了先河。繼此后,山東德齊龍化工有限公司也投用了此系統(tǒng),用該型內(nèi)件和我公司設(shè)計的醇烴化工藝配套,實現(xiàn)單套裝置180kt合成氨的生產(chǎn)能力。
(2)江蘇新沂恒盛化工有限公司
相繼使用了我公司的DN1400氨合成塔、DN1400甲醇化塔等,目前又投用了我公司設(shè)計的DN1800氨合成系統(tǒng),用以配套18·30工程,并采用了醇烴化工藝,運用了DN1600甲醇化系統(tǒng)。
(3)山東德齊龍化工有限公司
兩套18·30的合成氨工程使用了我公司的醇烴化技術(shù)及氨合成技術(shù),甲醇化塔使用了4臺DN1400的合成塔,氨合成塔使用了2臺DN1800氨合成塔。
(4)湖南岳陽天潤化工股份有限公司
該公司目前合成氨生產(chǎn)能力180kt/a,2000年初,投用了我公司一套DN1600氨合成系統(tǒng),此系統(tǒng)為ⅢJ系統(tǒng)的第一套,目前合成氨產(chǎn)量達450t/d,系統(tǒng)壓力只有21MPa,催化劑使用到目前為止約5年。
(5)河南心連心化工有限公司
該廠2003年新投入一套150kt/a合成氨裝置,合成工段及凈化精制工段采用了我公司的ⅢJ系統(tǒng)及醇烴化凈化精制工藝來實現(xiàn),裝置于2003年8開車,目前合成氨生產(chǎn)450t/d,甲醇生產(chǎn)200t,系統(tǒng)壓力只有23MPa。開工后,企業(yè)第一天多創(chuàng)利潤20~25萬元。目前230kt/a合成氨系統(tǒng)正在安裝我公司設(shè)計的DN2000氨合成系統(tǒng)及DN1600甲醇化系統(tǒng)和醇烴化系統(tǒng)。
(6)山西晉城煤化工有限責(zé)任公司
該公司進行220kt/a合成氨工程擴建時,采用了我公司的醇烴化工藝及氨合成,于2002年12月投產(chǎn)了一套DN1600ⅢJ的氨合成系統(tǒng),現(xiàn)日產(chǎn)合成氨480t,系統(tǒng)壓力只有25MPa。目前的30·40項目采用我公司設(shè)計的DN2200甲醇化系統(tǒng)及氨合成系統(tǒng)。
(7)湖南大乘資氮集團有限公司
也是最早采用我公司ⅢJ氨合成系統(tǒng)的廠家,目前一套DN1200和一套DN1400氨合成系統(tǒng),每天產(chǎn)氨和醇共計850t。綜合經(jīng)濟效益十分顯著。
除此之外,還有山東魯西化工股份有限公司、山東華魯恒升化工有限公司(德州化肥廠)、邯鋼集團化肥廠、福建三明化工總廠、河南駐馬店化工總廠、江蘇昆山錦港實業(yè)集團公司、江蘇華爾潤集團公司、江蘇張家港錦港實業(yè)公司、山西豐喜集團臨猗分公司、江蘇新沂恒盛化工有限公司、天脊集團晉城化工股份有限公司等廠先后采用了我公司ⅢJ型(φ1400~φ2200mm)氨合成系統(tǒng)。我公司的ⅢJ99型φ1200~φ800mm型氨合成系統(tǒng)及氨塔內(nèi)件在全國推廣面更是十分廣泛,占合成氨廠的塔型中的30%以上。
8 結(jié)束語
ⅢJ型氨合成系統(tǒng)及氨合成塔內(nèi)件,是在內(nèi)冷、間冷、冷激等傳統(tǒng)內(nèi)件的基礎(chǔ)上,吸收了國外合成系統(tǒng)的精華和經(jīng)驗,用計算機優(yōu)化計算,并且經(jīng)過φ600、φ800、φ1000、φ1200的反復(fù)實踐、修改,研制的低空速、高凈值、低壓降的新型節(jié)能內(nèi)件。同時以內(nèi)件為中心,設(shè)計出與之配套的系統(tǒng)流程與設(shè)備,更能發(fā)揮整體優(yōu)勢:
⑴ 結(jié)構(gòu)簡單;
⑵ 高壓容積利用系數(shù)大;
⑶ 生產(chǎn)能力大;
⑷ 氨凈值高,空速小,塔壓降小及系統(tǒng)阻力;
⑸ 催化劑還原容易;
⑹ 裝卸催化劑容易;
⑺ 結(jié)構(gòu)可靠,使用壽命長;
⑻ 智能化控制,操作簡單,彈性大,穩(wěn)定性好;
⑼ 熱回收量大,冷凍量消耗少,放空量少;
⑽ 內(nèi)件金屬材料消耗少,設(shè)備投資少。
這些優(yōu)點,主要得益于分流工藝和絕熱、內(nèi)冷、冷激的巧妙結(jié)合,以及直形異徑冷管束和兩頭成錐形的徑向催化劑筐。是從小到大(φ600mm、φ800mm、φ1000mm、φ1200mm、φ1400mm、φ1600mm、φ1800mm)反復(fù)實踐、修改、優(yōu)化的結(jié)果,經(jīng)過了多年的實際考驗,受到了普遍的贊揚。

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