湖南安淳高新技術(shù)有限公司(以下簡稱安淳公司)開發(fā)設(shè)計氨合成系統(tǒng)已有10多年的歷史，先后開發(fā)出ⅢJ、ⅢJD型氨合成塔，塔徑包括φ600、φ800、φ1000、φ1200、φ1400、φ1600、φ1800 mm等，單塔能力從20 kt氨／a(φ600 mm)到年產(chǎn)180kt氨／a，分布全國數(shù)百個中、小氮肥廠使用，使用效果都很好。ⅢJ冷管絕熱型，塔徑小、能力小，20～110 kt／a，全軸向或一徑多軸；ⅢJD2000型包括φ1400、φ1600、φ1800、φ2000、φ2200mm五個系列，在技術(shù)上有較大的提升，使用效果在國內(nèi)比較突出。目前，又在開發(fā)設(shè)計ⅢJDS節(jié)能氨合成系統(tǒng)系列，雙塔雙鍋塔鍋一體氨合成系統(tǒng)節(jié)能顯著、單系統(tǒng)能力大，其設(shè)計思想新穎，合成塔結(jié)構(gòu)簡單、可靠。

    ⅢJD2000的代表塔型為φ1400、φ1600、φ1800、φ2000mm，下面詳細(xì)介紹φ1600、φ1800mm氨合成塔及系統(tǒng)的特點。

    ⅢJDφ1600mm和φ1800mm氨合成塔(見圖1)特點是由一個冷管束構(gòu)成的五段反應(yīng)器，其中一、二為軸向絕熱段，三為徑向絕熱段，四為徑向冷管段，五為徑向絕熱段。

    ⅢJDφ1600 mm和φ1800 mm氨合成塔內(nèi)氣體流程特點是分流工藝，即預(yù)熱后70％未反應(yīng)氣經(jīng)塔內(nèi)換熱器加至360～380℃，到零米進一段反應(yīng)。另外30％未反應(yīng)氣先經(jīng)過內(nèi)外筒環(huán)隙再進入冷管束，加熱后，進入第一、二段間，做為第一段反應(yīng)熱氣的冷卻氣。分流后，阻力小，冷管段傳熱溫差大，冷管面積小，大大提高了容積系數(shù)。

    ⅢJDφ1600 mm和φ1800 mm氨合成塔冷管束為同一平面內(nèi)外環(huán)冷管束，冷氣由上至下進入內(nèi)環(huán)管，然后分成兩股，一股向下再上，一股向上再下，匯合于外環(huán)管，再由上升管導(dǎo)入一、二段間，這種冷管束新穎，它適合徑向催化反應(yīng)床，因內(nèi)外環(huán)管在催化床(軸向)中間，有利于冷管的伸縮，比上下環(huán)冷管束更穩(wěn)定可靠。

    ⅢJDφ1600 mm和φ1800 mm氨合成塔的反應(yīng)后熱氣塔內(nèi)換熱器布置在中心，為瘦長型，換熱管加工成橫紋管，大大提高了傳熱系數(shù)，減少了傳熱面積，增加了塔容積利用系數(shù)。ⅢJDφ1600mm和φ1800mm氨合成塔催化床(高)中80％～85％是徑向筐，阻力小。

    ⅢJDφ1600mm和φ1800mm氨合成系統(tǒng)配單氨冷，氨冷器為臥式，其上部配有高位臥式閃蒸槽，氨冷效率大大提高。

    第一個ⅢJDφ1600mm于2000年在湖南岳陽化肥廠投入使用，隨后河北邯鋼化肥廠、河南心連心、河南駐馬店、晉城二化、江蘇張家港、福建三明、山西晉豐聞喜先后采用。

    ⅢJD2000φ1600mm系統(tǒng)使用效果，以下是山西天脊晉城化丁股份有限公司的運行情況說明：

    (1)高壓機開機臺數(shù)6臺6MD32-180／320和2臺6M16-57／320；

    (2)循環(huán)機開機臺數(shù)2臺8m³／min和2臺1.8m³／min；

    (3)合成氨產(chǎn)量640t/d；

    (4)循環(huán)氣CH₄ 21％～23％，系統(tǒng)壓力28.5MPa；

    (5)溫  度：二進165℃、“零”米400℃、熱點465℃， 二出300℃、熱交出(水冷進)60℃；

    (6)系統(tǒng)壓差1.2MPa，合成塔壓差0.36MPa。

    ⅢJD2000φ1800mm系統(tǒng)已在山東瑞星、山東德齊龍(兩套)、江蘇新沂恒盛、山西高平晉豐、江蘇張家港華昌等企業(yè)投入使用。

    φ1800mm系統(tǒng)兩種型號，一種凈空高為16m，觸媒裝填量25.4m³，一種凈空高為18m，觸媒裝填量28.4m³(山西高平屬此型號)。

    φ1800mm系統(tǒng)的運行情況(山東德齊龍化工集團)：CH₄％為21％～22％時，日產(chǎn)氨580～600t，系統(tǒng)壓力23～25MPa，“零”米溫度390～400℃，出塔溫度300～310℃，開8m³／min循環(huán)機3臺，系統(tǒng)壓差1.2MPa，塔壓差0.3～0.4MPa，同平面溫度差2～4℃，氨冷溫度－5℃，水冷進口溫度70～80℃，運行非常平穩(wěn)。

    φ2000 mm系統(tǒng)，已于2006年8月在河南心連心投產(chǎn)，效果很好。該合成塔凈空高為18 m，催化容積33.5 m³。結(jié)構(gòu)為三層：一層為軸向絕熱層，二層為徑向間冷層，三層為徑向絕熱層。

    為實現(xiàn)單系統(tǒng)規(guī)模化和大幅降低能耗，已在上述塔型的基礎(chǔ)上設(shè)計了ⅢJD3000型φ2200 mm和φ2400mm合成系統(tǒng)，其總的設(shè)計思想是：降低“零”米溫度，提高熱點溫度，提高二進溫度，降低進塔氨含量，大幅提高山塔氨含量：提高出塔溫度，提高回收蒸汽壓力，簡化合成塔結(jié)構(gòu)。

3.1  合成塔特點(見圖2)

    (1)三層四段，三徑一軸，徑向段占床高70％。第一層為軸向絕熱段，第二層包括徑向間冷段和絕熱段，第三段為徑向絕熱段；

    (2)進塔未反應(yīng)氣預(yù)熱至240℃左右，出塔熱氣溫度為420℃：

    (3)冷管束、換熱器與隔板從頂部往卜分別安裝，根據(jù)外筒制造廠能力情況，也可以設(shè)計成平頂蓋或球形頂蓋；

    (4)結(jié)構(gòu)簡單，白卸觸媒，阻力0.2～0.3MPa；

    (5)合成塔高徑比8～9。

3.2  工藝流程(見圖3)

    出塔反應(yīng)后氣體(氨含量16％～18％，溫度420℃)直接進廢鍋，產(chǎn)生3.5～3.9 MPa蒸汽，溫度降為275℃左右，進熱交降溫至70℃左右，進水冷降溫至40℃左右，進冷交溫度降至16℃左右，冷凝氨分離，氣體經(jīng)一級氨冷降至－5℃，再經(jīng)二級氨冷降至－23℃，分離冷凝氨后，進冷交管內(nèi)，被加熱至25～28℃，送至循環(huán)機，出循環(huán)機后與通過補氣油分補入新鮮氣混合進塔，氨含量為1.8％～2％，分兩股，一股15％～20％進環(huán)隙，另一股80％～85％送熱交，加熱至240℃，再分成二股，一股30％～35％與環(huán)隙出來未反應(yīng)氣混合從塔頂進中層熱交加熱，進第一絕熱段，一股50％進下層內(nèi)熱交加熱，均被加熱至380℃，進入第一層、第二層、第三層反應(yīng)，出塔。

    流程特點：

    (1)余熱回收，產(chǎn)生3.5～3.9MPa飽和蒸汽；

    (2)兩級氨冷，第一級降溫－5℃，第二級降溫－15℃；

    (3)循環(huán)機：塔前；

    (4)放空氣：循環(huán)機前，此處氨含量最低，甲烷最高，冷量已回收：補氣：循環(huán)機后，充分發(fā)揮循環(huán)機能力；

    (5)進水冷溫度70℃，節(jié)約冷卻水：

    (6)進塔氨含量1.8％，出塔氨含量17％，低空速：5977.89h^－1；

    采用高鈷(氧化鈷含量2％以上)、稀土和多種助劑組成的高活性、低壓、寬溫型氨合成催化劑，起始“零”米溫度340～350℃，熱點溫度500℃左右。

    ⅢJDS氨合成系統(tǒng)為最近版本，它在ⅢJD3000基礎(chǔ)上又提升了一大步。其特點：雙塔雙鍋，塔鍋一體，雙塔連續(xù)反應(yīng)。

    (1)雙塔雙鍋，塔鍋一體：合成塔與廢鍋連成一體，對材質(zhì)要求不高，免除了熱應(yīng)力很大的連接管道，節(jié)省了占地面積。

    (2)第一臺塔只有一個絕熱反應(yīng)層，“零”米溫度330～360℃，絕熱反應(yīng)后溫度490～500℃，氨凈值增加9.6％～11％，塔容積小，塔體簡單。

    (3)第二臺塔基本上為絕熱反應(yīng)，容積大，催化劑多，占總量80％，最終氨凈值18％～19％。

    (4)廢鍋產(chǎn)生3.9MPa飽和蒸汽，每噸氨產(chǎn)汽1t左右。

    (5)適用單系統(tǒng)大型化。高壓筒直徑相對于單塔直徑小，加工制造、運輸、安裝相當(dāng)方便容易。

    (1)為適用ⅢJD3000及ⅢJDS內(nèi)件設(shè)計氨凈值高的要求，配套研制了一種低溫寬溫小粒度XA209催化劑。

    (2)XA209催化劑在XA201基礎(chǔ)上提高鈷含量增加，加入稀土元素、氧化鋯，并對其它組分進行了調(diào)控。

    (3)活性檢測結(jié)果：壓力15MPa，空速30000h^－1，330℃時出口氨6.6％，415℃時出口氨16.8％，在580℃耐熱20h降溫415℃山口氨含量16.2％，實際使用時，“零”米可控制在330～360℃，熟點溫度490～500℃，為正常運行溫度。

    湖南安淳高新技術(shù)有限公司開發(fā)設(shè)計制造的氨合成塔及系統(tǒng)，有四個技術(shù)層次：ⅢJ：φ600、φ800、φ1000、φ1200mm：ⅢJD2000：φ1400、φ1600、φ1800、φ2000：ⅢJD3000：φ2200、φ2400mm：ⅢJD。

    (1)ⅢJ型系列基本特點：冷管絕熱型，塔徑小、能力��；20～110 kt／a，全軸向或一徑多軸，阻力較大：塔下部換熱器為鼓型，換熱氣體流速小，“K”小。

    (2)ⅢJD2000包括φ1400、φ1600、φ1800、φ2000 mm，基本特點：冷管絕熱型，冷管為同平面內(nèi)外環(huán)上下并流型，適于徑向冷管段反應(yīng)，塔徑大，能力大，120～220kt／a，兩軸三徑，阻力小。塔下?lián)Q熱器為細(xì)K型，“K”大。ⅢJD3000包括φ2200mm和φ2400mm，其基本特點：間冷絕熱反應(yīng)，一軸三徑，第四段反應(yīng)后熱氣在塔外廢鍋冷卻，產(chǎn)生中壓或次中壓蒸汽，塔體與廢鍋二合一，節(jié)約40多米大管徑、高溫抗氫腐蝕管道。二級氨冷，進塔氨含量為1.8％～2.2％，二進溫度240℃，二出溫度400℃以上。

    (3)ⅢJD3000型能力更大，φ2000、φ2200mm運行能力為200～250kt／a，20～22MPa運行，阻力更小。

    (4)ⅢJDS型為雙塔雙鍋，塔鍋一體。適用裝置大型化，單系統(tǒng)能力可達300 kt，更節(jié)能，噸氨產(chǎn)中壓蒸汽1t氨凈值高，阻力小，循環(huán)量小。ⅢJDS型比ⅢJD性系列將有更大進步。

    (5)ⅢJD3000與ⅢJDS配XA209催化劑，效果更好。