側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)

氨是氮肥生產的基本原料，我國是世界上最大的合成氨生產國。目前，國內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化率。因此，開發新型氨合成催化劑，使合成氨工業向低能耗方向發展顯得尤為迫切。

由中石油研制開發的釕基氨合成催化劑在相對低溫低壓下的活性較高，經過多年研究在小試裝置中試運行取得較好效果，即將進入工業試驗階段。工業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，降低循環氣量，減小壓縮能耗和冷卻能耗，是否可以工業化應用。根據專家比選，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，試驗裝置的產品液氨返回主裝置做為產品的一部分，輔助材料和公用工程依托于主裝置原有公用工程系統。我們主要工作內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，反應的轉化率與反應壓力、溫度及H2/N2有關。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，生產能力越低，氨凈值繼續提升將非常困難。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，同時改造內容少，作為試驗裝置更為經濟,也可為今后的鐵串釕工藝技術改造方案提供依據。

原有主裝置凈化送來的合格工藝氣，經合成氣壓縮機將工藝氣提壓至15.1MPa(g)，合成氣經第一、第二、笫三合成塔進行氨合成反應后的合成氣依次經第三廢鍋、熱交換器、水冷卻器冷卻后，經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化將合成氣溫度提升到反應溫度，兩者都不經濟。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。考慮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 氨產品、循環氣及弛放氣流向設計

原有主裝置產生的液氨經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氣回到合成氣壓縮機循環段，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，其余被送到一段轉化爐作為燃料氣。

(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冷卻分離后，液氨并入原主裝置作為產品。

(2)因原主裝置氨氣回收和弛放氣系統尚有余量，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，進行回收后并入弛放氣系統。

(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進行回收，不增加循環氣量，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可在原有主裝置界區就近引入。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績，存在一定的風險，且會增加裝置的運行成本。側線試驗裝置的工藝流程設計見圖1。

進側線試驗裝置合成氣取自熱交換器下游，溫度為95℃，經流量控制并減壓至10MPa(g)，進入側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釕基氨合成塔進出口換熱器由406℃冷卻至116℃，經過水冷器冷卻至37℃，再經氨冷器冷卻至4.4℃后，進入氨分離器，壓力為9.68MPa(g)。液氨經過減壓后送入氨閃蒸罐中閃蒸得到液氨產品，氨分離器出口循環氣減壓至3.6MPa(g)后送入氨回收系統。

2 方案評價

本方案采用鐵串釕多塔串聯的氨合成工藝，使H2、N2經多段高效反應，氨轉化率大大提高。根據釕基催化劑的性能計算，串聯在第三合成塔后，在現有裝置的條件下，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，可提高氨產量 0.5t/h。

圖1 側線試驗裝置的工藝流程

另外，進側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，側線氨分離器出口氣相作為弛放氣排入氨回收系統，也不會對原裝置合成氣機壓縮機循環段產生影響。

設計方案評價分析見表1。

表1 設計方案評價分析

續表

3 結語

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量，降低噸氨能耗，同時具有裝置投資較小、操作簡便等優勢，在經濟性、操作性和試驗性等方面均有優勢，此方案經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運行的合成氨裝置來說是一種高效節能的技術改造方案，有較好的推廣價值。