甲醇馳放氣制合成氨工藝簡介

余紅

摘 要：本文介紹了利用甲醇廠甲醇合成馳放氣生產(chǎn)合成氨的方法。工藝流程設(shè)置、工序配置，基本設(shè)計(jì)操作指標(biāo)

關(guān)鍵詞：甲醇;馳放氣;合成氨

1 原料及產(chǎn)品

1.1 原料氣

1.1.1 氫氣

合成氨所需氫氣由甲醇裝置副產(chǎn)的甲醇弛放氣經(jīng)變壓吸附提氫所得：①組分甲醇弛放氣組成（V%）為：H2：74.05;N2：14.87;CH4：4.18;CO：2.95;CO2：3.87;CH3OH：0.01;H2O：0.07;②甲醇弛放氣提供量：13500Nm3/h;③壓力：4.5～5.3MPa（G）;④溫度：40℃。

1.1.2 氮?dú)?/p>

原料氮?dú)庥杉状佳b置空分系統(tǒng)提供。①組分：原料氮?dú)饨M分（V%）為：N2：99.99;O2：0.01;②氮?dú)饬浚?000Nm3/h;③壓力：3kPa（G）;④溫度：25℃。

1.1.3 新鮮氣

新鮮氣組成為H2：75.006;N2：24.993;CO：0.0005;CO2：0.0005;CH4：0.001;H2O：0.0002。

1.2 產(chǎn)品液氨

液氨貯槽出口的合成氨產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)按中國標(biāo)準(zhǔn)GB536-88要求達(dá)到優(yōu)等品標(biāo)準(zhǔn)。NH3≥99.9%（Wt）;H2O≤0.1%（Wt）;油≤5mg/kg（重量法）鐵系離子≤1mg/kg。

1.3 公用工程條件

①循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)如下：供水壓力：0.4 MPaG;回水壓力：0.2 MPaG;供水溫度：32℃;回水溫度：40℃;②冷凍站及其他：根據(jù)需要配置。

2 甲醇馳放制合成氨工藝流程

2.1 工藝流程簡述

合成氨生產(chǎn)裝置區(qū)主要由變壓吸附制氫工序、氮?dú)饷撗跫暗獨(dú)錃飧稍锕ば颉⒑铣砂眽嚎s工序、氨合成工序、冷凍站組成。儲(chǔ)運(yùn)裝置區(qū)主要由液氨罐區(qū)和液氨裝車站工序組成。

2.1.1 變壓吸附制氫工序

來自甲醇裝置的弛放氣由4.8～5.3MPa降壓到3.5MPa后，進(jìn)入PSA-H2系統(tǒng)。逆放步驟排出吸附的部分雜質(zhì)組分，剩余的大部分雜質(zhì)通過抽空步驟進(jìn)一步完全解吸。解吸氣經(jīng)過解吸氣緩沖罐和混合罐穩(wěn)壓后加壓送甲醇裝置燃料氣管網(wǎng)作燃料。通過PSA-H2提氫裝置制得合成氨所需的3.42MPa氫氣，純度滿足99.9%V，CO+CO2≤10ppm的要求。

2.1.2 氮?dú)饷撗跫暗獨(dú)錃飧稍锕ば?/p>

來自空分系統(tǒng)的氮?dú)饨?jīng)氮?dú)鈮嚎s機(jī)壓縮至3.42MPa.G，100℃后與來自PSA工序的3.42MPa.G，40℃的氫氣（純度>99.9%）一起混合進(jìn)入本工序，混合配比至H2：N2=3：1并經(jīng)脫氧干燥后送入氮?dú)錃鈮嚎s機(jī)壓縮后作為氨合成工序的原料氣使用。如上所述，本工序主要分為脫氧和干燥兩個(gè)步驟。來自空分系統(tǒng)的氮?dú)庵泻?.01%的O2，故先取少量氫氣與氮?dú)饣旌线M(jìn)入脫氧器，在鈀催化劑的作用下，氫和氧反應(yīng)生成水，從而脫除其中的氧氣。脫氧反應(yīng)主要由一臺(tái)脫氧塔、一臺(tái)脫氧冷卻器和一臺(tái)脫氧水分離器組成，反應(yīng)方程式：

4H+O2=2H2O。

精制后的氮?dú)庠倥c氫氣混合后進(jìn)入干燥系統(tǒng)干燥脫除其中的水分得到氨合成新鮮氣。干燥系統(tǒng)由兩臺(tái)干燥塔、一臺(tái)預(yù)干燥塔、一臺(tái)再生氣加熱器、一臺(tái)再生氣冷卻器以及一臺(tái)脫氧水分離器組成。在任意時(shí)刻均有一臺(tái)干燥器處于工作步驟，另一臺(tái)干燥器處于再生步驟。原料氣由干燥塔上部進(jìn)入，經(jīng)過吸附劑床層干燥后由塔底排出得到較為干燥的氫氮混合氣。每臺(tái)干燥器在不同時(shí)間依次經(jīng)歷吸附、加熱、冷卻、吸附步驟。干燥氣氣量：11950Nm3/h，再生氣量：4000Nm3/h。

2.1.3 合成氨壓縮工序

來自空分車間（界外）的氮?dú)鈮毫s20kPa（G）溫度25℃經(jīng)氮?dú)鈮嚎s機(jī)四級(jí)壓縮后，壓力升至3.45MPa（G）送至氮?dú)饷撗跫暗獨(dú)錃飧稍锕ば蜻M(jìn)行脫氧干燥。經(jīng)氮?dú)饷撗跫暗獨(dú)錃飧稍锕ば蛱峒兊臍錃夂偷獨(dú)饣炫涞玫降陌焙铣尚迈r氣，壓力約3.42（G）MPa，經(jīng)氮?dú)錃鈮嚎s機(jī)壓縮至14.0MPa（G）后與經(jīng)循環(huán)氣壓縮機(jī)壓縮至14.0MPa（G）的循環(huán)氣混合進(jìn)入氨合成工序。

2.1.4 氨合成工序

氨的合成是整個(gè)合成氨流程中的核心部分。氨合成反應(yīng)是一個(gè)非均相催化反應(yīng)過程，反應(yīng)在氨合成塔中進(jìn)行，合成塔是個(gè)高壓容器，合成壓力一般在10.5～32.0MPa。塔中包括有達(dá)成反應(yīng)溫度和維持合適溫度條件的換熱器、進(jìn)行反應(yīng)的催化劑床層。氮?dú)浜铣砂钡倪^程因受平衡的限制一般僅能獲得25%以下的氨含量，為了提高氮?dú)錃獾睦寐剩鑼⑽捶磻?yīng)的氫氮?dú)庥醚h(huán)壓縮機(jī)增壓，再次進(jìn)行反應(yīng)。氨合成的反應(yīng)式為：

從氨合成反應(yīng)熱力學(xué)來說，氨合成是放熱和摩爾數(shù)減少的可逆反應(yīng)，提高平衡氨含量的途徑為降低溫度、提高壓力、保持氫氮比為3左右并減少惰性氣體含量。從氨合成反應(yīng)動(dòng)力學(xué)來說，氨合成反應(yīng)是多相氣體催化反應(yīng)，提高壓力可以加快氨的生成速度，使氣體中氨的含量迅速增加;其次，氨合成反應(yīng)與溫度的關(guān)系，化學(xué)反應(yīng)的速度隨著溫度的升高顯著加快。因此從工藝上最好使氨合成反應(yīng)盡可能在接近最佳反應(yīng)溫度下進(jìn)行，以獲得較大的生產(chǎn)能力和較高的氨合成率。

由壓縮工序氫氮?dú)鈮嚎s機(jī)送來的新鮮原料氣與循環(huán)氣壓縮機(jī)來的循環(huán)氣在油分離器內(nèi)匯合后分離油水，分離油水后的氣體大部分（70%～80%）進(jìn)入塔前熱交（管間），提溫至200℃左右，然后其中絕大部分（90%）經(jīng)合成塔內(nèi)換熱器（管內(nèi)）再經(jīng)中心管上升進(jìn)入催化劑床層第一段。少部分（10%）與合成塔環(huán)隙出來的氣體混合后進(jìn)塔內(nèi)冷管束;分離油水后的氣體少部分（20%～30%）經(jīng)合成塔環(huán)隙予熱后，溫度提至80℃～90℃，與塔前熱交來的少量未反應(yīng)氣匯合（溫度140℃左右）進(jìn)冷管束換熱，換熱后的氣體冷激通過第一段催化劑床層的氣體，100%氣體在此混合，進(jìn)入二段催化劑床。第三催化劑床層為徑向冷管換熱層，氣體邊反應(yīng)邊換熱;第四催化劑床層為徑向絕熱床層，氨含量進(jìn)一步提高。從催化劑層出來的氣體經(jīng)下部換熱器的管間，氣體溫度降至330℃左右出塔。出塔后的氣體，經(jīng)廢熱回收器，副產(chǎn)2.2MPa（G）的蒸汽，溫度降至220℃去熱交換器（管內(nèi)）與未反應(yīng)氣換熱，降溫至75℃進(jìn)合成水冷器，由水冷出來的氣體溫度40℃左右，進(jìn)入冷交換器外，在冷交內(nèi)上部換熱，下部分氨，經(jīng)過分氨后的氣體溫度17℃左右，進(jìn)入立式氨冷器，氨冷溫度在-15℃。

由立式氨冷器出來的工藝氣體去氨分離器分氨，再經(jīng)冷交（管內(nèi)）回收冷量后去循環(huán)氣壓縮機(jī)進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)。開工電爐布置在合成塔中心管內(nèi);放空在冷交冷氣出口。氨分離器出來的產(chǎn)品液氨經(jīng)過液氨閃蒸器減壓到2.3MPa，減壓后的液氨穩(wěn)壓后送往液氨貯罐。

2.1.5 冷凍站

因最終產(chǎn)品為液氨，而氨在比較低的壓力下必須用冷凍的辦法才能液化，故設(shè)置冰機(jī)系統(tǒng)。采用液氨蒸發(fā)帶走氨合成混合氣熱量的辦法使氨合成混合氣中的氨液化并與氨合成循環(huán)氣分離，從而得到液氨產(chǎn)品。氣氨回到冰機(jī)系統(tǒng)循環(huán)使用。由氨合成工序氨冷器送來的-15℃，0.15MPa.G的氣氨，進(jìn)入氨壓縮機(jī)（2開1備）加壓至1.45MPa.G，再入蒸發(fā)式冷凝器（3開）。在此，氣氨被冷卻水冷卻到40℃成為液氨，并自流入容器撬塊中的貯氨器貯存。貯氨器內(nèi)的液氨再送往氨合成工序氨冷器蒸發(fā)制冷，蒸發(fā)后又變?yōu)闅獍彼突乇竟ば蜓h(huán)使用。

2.1.6 液氨罐區(qū)

合成氨裝置罐區(qū)包括壓力式球形貯罐3臺(tái)，每臺(tái)1000m3。