1992年國內(nèi)外第1家合成氨原料氣“雙甲”精制聯(lián)產(chǎn)甲醇工藝在湖南衡陽市氮肥廠投產(chǎn)成功。該裝置1994年通過原化工部鑒定，列為國家科技部(九五、十五)重點推廣項目，2000年評為湖南省“科技進(jìn)步一等獎”。經(jīng)過10年的運行，“雙甲”工藝取得了很大的進(jìn)展：從4萬噸合成氨“雙甲”精制能力發(fā)展到15萬噸合成氨“雙甲”精制能力；聯(lián)產(chǎn)或副產(chǎn)甲醇從5 000 t／a發(fā)展到 30 000t／a。技術(shù)上通過幾次升級，實現(xiàn)跨越式的進(jìn)步。甲醇化反應(yīng)器從￠800三段軸向升級為￠ 1 400多段軸徑向；反應(yīng)壓力范圍從13MPa擴(kuò)展到5.0～32MPa；副產(chǎn)品既可產(chǎn)甲醇，又可產(chǎn)醚含量很高的醇醚混合物。工藝指標(biāo)更加先進(jìn)，能耗不斷降低，經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效果更加顯著，為今后推廣工作創(chuàng)造了條件。

    “雙甲”精制工藝與氨合成在流程銜接、工藝指標(biāo)確定、設(shè)備布置等方面緊密關(guān)聯(lián)，把“雙甲”精制與氨合成組成一個高壓圈進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計，更能突出“雙甲”精制工藝的優(yōu)越性。山西豐喜集團(tuán)臨猗分公司的15萬噸精制氨合成高壓圈(以下簡稱高壓圈)工藝，是近年“雙甲”工藝氨合成發(fā)展的一個實例。以下介紹該裝置的設(shè)計與運行。        

     高壓圈“雙甲”工藝流程見圖1。兩個甲醇化反應(yīng)器可并可串，在此以并聯(lián)說明流程：   

     含有H₂、N₂、CO、CO₂、CH₄、Ar的原料氣，其中CO、CO₂占1％～8％，總硫1×10^—6以下，分別經(jīng)閥A₁、B₁，換熱器(3)、(4)預(yù)熱至210～220℃，并聯(lián)進(jìn)入甲醇化反應(yīng)器(1)和(2)，在210～260℃進(jìn)行甲醇化反應(yīng)，生成粗甲醇；氣體中CO+CO₂降至0.1％～0.3％，反應(yīng)后熱氣體分別經(jīng)換熱器(3)、(4)冷卻至70～90℃，再經(jīng)水冷器(5)、(6)粗甲醇被冷凝；之后通過分離器(7)、(8)分離出粗甲醇，排至中間儲槽；氣體分別經(jīng)閥A₂、B₂匯集于M，經(jīng)閥C₁和換熱器 (10)預(yù)熱至180～210℃，進(jìn)入甲烷化反應(yīng)器(9)，在210～280℃進(jìn)行甲烷化反應(yīng)，生成甲烷和水；經(jīng)換熱器(10)冷卻至70～90℃，又經(jīng)水冷器(11)冷卻至35～40℃，經(jīng)氨冷器冷卻至5℃，氣體中水分在分離器(13)中分離，氣體水分降至10^—6級，經(jīng)加壓至20.0～30MPa進(jìn)入合成。

    高壓圈氨合成流程見圖2。從“雙甲”系統(tǒng)精制后的合成氨精制氣從(0)點補(bǔ)氣與從循環(huán)機(jī)(7)出來的循環(huán)氣在油分離器(8)混合后，分成兩路，主路經(jīng)熱交(2)加熱至170～190℃，經(jīng)合成塔底(二進(jìn))進(jìn)塔內(nèi)熱交；另一股未經(jīng)加熱(約40℃)經(jīng)合成塔底(一進(jìn))進(jìn)合成塔內(nèi)外筒體環(huán)隙加熱后，進(jìn)入塔內(nèi)冷管。2個調(diào)溫閥門A₁、A₂，用以調(diào)節(jié)進(jìn)入冷管的冷氣溫度，閥門A₃及所在管線是升溫還原副線。

    冷凍系統(tǒng)流程見圖3。合成循環(huán)氣經(jīng)氨冷器(1)被管外液氨(—5～—10℃)冷卻到0～—5℃，精制氣在氨冷器(2)被管外液氨冷卻5～10℃；氨冷器(1)的液氨被加熱，沿上升管升至閃蒸槽低溫段(3—1)，在此蒸發(fā)，其蒸發(fā)壓力約0.3MPa(絕)；氣氨進(jìn)相應(yīng)壓力的1號冰機(jī)系統(tǒng)，加壓后進(jìn)水冷(4—1)冷卻，冷凝為液氨，節(jié)流后冷液氨加入到閃蒸槽(3—1)，從其下降管至循環(huán)氣氨冷器(1)，構(gòu)成一個冷凍循環(huán)；氨冷器(2)的液氨被管內(nèi)精制氣加熱，沿上升管升至閃蒸槽高溫段(3—2)，在此蒸發(fā)，蒸發(fā)壓力約0.45MPa(絕)；氣氨進(jìn)入2號冰機(jī)系統(tǒng)，加壓后進(jìn)水冷(4—2)冷卻，冷凝為液氨，經(jīng)節(jié)流為冷液氨，加入到閃蒸槽(3—2)，從下降管流入氨冷器(2)，構(gòu)成另一個冷凍循環(huán)。

    “雙甲”精制氨合成高壓圈的設(shè)計總目標(biāo)是保證精制制度：CO+CO₂≤12×10^－6;保證總氨產(chǎn)量：合成氨產(chǎn)量，甲醇產(chǎn)量及醇氨調(diào)節(jié)范圍；降低能耗：噸氨電耗、氣耗、水耗以及回收蒸汽量。為此，設(shè)計應(yīng)考慮如下問題。

2.1  高壓圈與前工序緊密銜接

    （1）臨猗工程中，造氣是焦炭固定層氣化，半水煤氣中CH₄與Ar含量與用白塊煤氣化的半水煤氣不同。在設(shè)計合成系統(tǒng)流程與合成塔內(nèi)件時，必須考慮這個因素。

    （2）臨猗工程中采用可兩級脫硫，即粗脫和精脫，在甲醇化設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)總硫較低的情況設(shè)計其催化劑的使用和更換周期。

    （3）臨猗工程采用2.1MPa級中低低變換、NHD脫碳，正常情況下變換氣CO均在2%以下，原料其在0.4%以下。在甲醇化設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)原料氣中CO、C、O₂含量較低的情況，并考慮運轉(zhuǎn)的高效性和穩(wěn)定性，高壓圈計算甲醇化和甲烷化能力為設(shè)計能力113%。

2.2  選用先進(jìn)的高效設(shè)備  

    高壓圈內(nèi)按作用原理把設(shè)備分成反應(yīng)設(shè)備、傳熱設(shè)備、分離設(shè)備及運轉(zhuǎn)設(shè)備。反應(yīng)設(shè)備選用安淳公司ⅢJ的升級技術(shù)，ⅢJD￠400氨合成塔，ⅢJD￠400甲醇化塔，ⅢJD￠200甲烷化塔。其特點是多段、軸徑向、自卸催化劑。傳熱設(shè)備選用安淳公司開發(fā)的新型高效熱交和冷交，臥式氨冷凝器，水冷采用臥式“U”形換熱器。其特點是換熱管均采用橫紋管或螺紋管，管外采用大小孔折流板或螺旋圈，換熱器整體幾何形狀為瘦長形。其傳熱系數(shù)(K)提高15％～30％。分離設(shè)備選用安淳公司新開發(fā)的凝聚旋風(fēng)式分離裝置，使液滴經(jīng)過凝聚、旋風(fēng)分離及過濾三階段，達(dá)到比較好的分離效果。循環(huán)機(jī)采用離心循環(huán)機(jī)，無油，占地面積小。

2.3  優(yōu)化系統(tǒng)流程

    滿足正常運行要求，又要滿足催化劑升溫還原要求，還要合理安排設(shè)備的相對位置，循環(huán)氣 (40℃左右)直接進(jìn)熱交，使熱氣溫度降到80℃左右，減少熱損失和冷卻用量。如循環(huán)機(jī)位置在塔前，新鮮氣補(bǔ)在循環(huán)機(jī)之后，放空點在冷交(熱氣)后，使冷損失最少，循環(huán)機(jī)打氣量大、運行功耗小。    

2.4  優(yōu)化設(shè)備布置和配管  

    臨猗高壓圈工程建在原老廠界區(qū)內(nèi)的空隙地帶，面積狹小，設(shè)計在滿足工藝要求前提下，采用高效高徑比大的氣氣換熱器，層疊式布置。臥式“U”形水冷器、臥式氨冷和閃蒸槽，平面布置緊湊，管道管徑大小適中，選材恰當(dāng)。現(xiàn)場走管橫平豎直，整體美觀。    

2.5  設(shè)備露天化   

    為減少框架及廠房投資，除合成框架外，冷交、熱交等高大設(shè)備，依附其外筒本體設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)梯和檢修平臺，透平循環(huán)機(jī)設(shè)敞開式棚架。

    “雙甲”工藝主要設(shè)備見表1。氨合成主要設(shè)備見表2。

4.1  甲醇化部分

      (1)氣體成分和產(chǎn)量  CO 1.9％～2.0％，CO₂ 0.2％，甲醇產(chǎn)量24～28 t／d，CO 3.8％～ 4.2％，CO₂ 0.2％～0.3％，甲醇產(chǎn)量63～66t／a。

      (2)觸媒層溫度  零米200℃，各段進(jìn)口220℃，各段出口240℃。   

      (3)塔壓差0.25MPa。

4.2  甲烷化部分   

      (1)氣體成分  進(jìn)口CO 0.1％，CO₂ 0.1％，出口CO+CO₂ 10×10^—6。

      (2)觸媒層溫度  240～250℃。  

      (3)塔壓差  0.11MPa。   

4.3  “雙甲”系統(tǒng)   

     該系統(tǒng)壓差為0.2～0.23MPa。    

4.4  氨合成部分

     (1)產(chǎn)量和系統(tǒng)壓力  最高產(chǎn)量435t／d，系統(tǒng)壓力19.5～20.2MPa，CH₄ 10％～11％；一般產(chǎn)量345～375t／d，系統(tǒng)壓力20.6～21.5MPa，CH4 13.5％～15.5％。

     (2)壓差  塔壓差0.2～0.6MPa，系統(tǒng)壓差1.8～2.0 MPa。

     (3)溫度  合成二出溫度330℃，二進(jìn)溫度180℃；進(jìn)水冷溫度～80℃，塔壁溫度34.5～ 75.3℃；零米溫度320～330℃，第一熱點溫度477～488℃；第二熱點溫度478～480℃，底點溫度470℃。

     (4)氣量  新鮮氣由3臺壓縮機(jī)供給(4萬噸氨／年、臺)；進(jìn)合成塔氣量216129m³(標(biāo))／h；分流氣量67000～68000m³(標(biāo))／h。    

      2002年1～3月本系統(tǒng)(一分廠)合成氨和精醇產(chǎn)量逐月上升，各項單耗基本穩(wěn)定(見表3)。

     豐喜集團(tuán)臨猗分公司的合成氨有3套生產(chǎn)系統(tǒng)(分3個分廠)，一分廠為2.1MPa等壓變換和脫碳，原料氣“雙甲”精制副產(chǎn)甲醇，ⅢJD￠400氨合成；二、三分廠工藝為0.8MPa全低變變換， 1.7MPaMDEA脫碳，12.5MPa銅洗精制，32MPa氨合成。主要消耗及成本比較見表4。

    從以上對比可以看出，一分廠原料煤的消耗并不比二、三分廠低，由于采用了變換、脫碳等壓流程，降低了“雙甲”精制工藝及合成壓力，合成氨和尿素成本明顯降低。按年產(chǎn)12萬噸合成氨能力計，年效益可達(dá)2000萬元以上。同時，1～3月共副產(chǎn)精醇1 848.21噸，成本為1 112.62元／噸醇，若銷售價格按1 300元／噸，年產(chǎn)精醇按10000噸計，還可增加利潤187.38萬元。

    臨猗15萬噸“雙甲”精制氨合成高壓圈是國內(nèi)第1家大型“雙甲”工藝精制副產(chǎn)甲醇裝置，運行4個月來最高日產(chǎn)合成氨達(dá)435 t，日產(chǎn)甲醇65.88 t。該高壓圈合成系統(tǒng)壓力僅20～23 MPa，進(jìn)甲醇化CO含量達(dá)3.8％～4％，CO₂ 0.2％～0.3％，進(jìn)甲烷化CO 0.1％，CO₂ 0.2％，烷后氣CO+CO₂ 10×10^－6左右，最高月產(chǎn)為2002年3月，產(chǎn)合成氨10212.2噸，精醇1193.04噸，合成氨噸氨煤耗1 586公斤，噸氨電耗1 431kW·h。由于能耗低、產(chǎn)品成本低、生產(chǎn)穩(wěn)定、操作簡便，與豐喜集團(tuán)臨猗分公司兩套老系統(tǒng)比較有非常明顯的優(yōu)勢。這充分說明15萬噸“雙甲”精制氨合成高壓圈技術(shù)的先進(jìn)性、設(shè)計合理性、全廠各工序配套完整性以及管理的嚴(yán)謹(jǐn)性�？梢灶A(yù)見，當(dāng)滿負(fù)荷運行后，情況會更好，同時，在某些方面做些調(diào)整，還會創(chuàng)建國內(nèi)外新記錄。