合成氨聯(lián)醇傳統(tǒng)工藝流程為：12.5MPa脫碳?xì)狻�甲醇合成→銅洗→壓縮至31.4mPa→氨合成。這種流程不足之處為：①甲醇分離之后要設(shè)水洗。盡管醇后氣甲醇體積分?jǐn)?shù)為0.5％，但它在銅液中累積，影響再生氣和精煉氣的質(zhì)量，累積一定量后，造成銅洗帶液；②銅洗工藝物耗大、成本較高；③由于銅液滲透性強(qiáng)、腐蝕性強(qiáng)，所造成跑、冒、滴、漏對(duì)環(huán)境的污染是工藝本身難以克服的；④銅洗凈化工藝需要控制的工藝指標(biāo)多，操作彈性小，平衡易破壞。難以長周期平穩(wěn)運(yùn)行。

    為此，湖南安淳高新技術(shù)有限公司開發(fā)了甲醇化、甲烷化(以下簡稱雙甲)取代甲醇合成一銅洗工藝。1992年國內(nèi)外第1套雙甲工藝在湖南衡陽市氮肥廠投產(chǎn)，該工藝的特點(diǎn)是：甲醇化既可滿足產(chǎn)醇需要又可滿足氨合成原料氣凈化需要；砍掉銅洗工段，合成氨成本大為降低。

    豐喜集團(tuán)臨猗分公司擬拆除已運(yùn)行26年的舊系統(tǒng)設(shè)備，在原址上建1套總氨為15萬t／a甲醇、氨合成生產(chǎn)裝置(年產(chǎn)合成氨12萬t，甲醇最高年產(chǎn)3萬t)。通過考察論證，由湖南安淳高新技術(shù)限公司承擔(dān)此項(xiàng)目中雙甲及氨合成設(shè)計(jì)。該項(xiàng)目已于2001年11月1次開車成功并投入運(yùn)行。

1.1雙甲精制工藝路線的確定   

    雙甲精制工藝流程設(shè)置需滿足如下條件：

    (1)氨醇比可調(diào)  為滿足甲醇市場(chǎng)變化的需要，甲醇產(chǎn)量可大可小，以確保企業(yè)獲得最大限度的經(jīng)濟(jì)效益。氨醇質(zhì)量比定在15∶1～4∶1，即醇產(chǎn)量可在0.95萬～3.0萬t／a變化。

    (2)滿足合成氨原料氣凈化的需要，甲烷化出口V(CO+CO₂)≤12×10^—6。為此，要盡量降低噸氨凈化后原料氣消耗，又要使甲烷化反應(yīng)外供熱較小。較為經(jīng)濟(jì)的指標(biāo)是：醇后氣體積分?jǐn)?shù)中CO控制在0.2％～0.4％，CO₂控制在0.1％以內(nèi)。甲烷化消耗的H₂噸氨控制在48m³以內(nèi)。甲烷化出口V(CO+CO₂)≤10×10^－6。

    (3)實(shí)現(xiàn)長周期平穩(wěn)運(yùn)行。

    (4)系統(tǒng)阻力小。

    (5)提高甲醇觸媒利用率。

    為此，將雙甲精制工藝設(shè)置為甲醇Ⅰ、甲醇Ⅱ、甲烷化Ⅲ3個(gè)子系統(tǒng)。脫碳?xì)饩�脫硫�?S≤0.1×10^—6)經(jīng)壓縮提壓后進(jìn)雙甲的甲醇化，醇后氣中V(CO+CO₂)在0.3％～0.5％，再進(jìn)甲烷化。出甲烷化子系統(tǒng)的烷后氣V(CO＋CO₂>)≤10×10^—6。

    甲醇化系統(tǒng)2個(gè)子系統(tǒng)甲醇Ⅰ、甲醇Ⅱ，可并、可串，2個(gè)子系統(tǒng)串聯(lián)時(shí)亦可前后倒換。在氨醇比較小時(shí)，甲醇工系統(tǒng)以產(chǎn)醇為主，甲醇Ⅱ系統(tǒng)以凈化精制為主；氨醇比較大時(shí)，或另一子系統(tǒng)換觸媒時(shí)，亦可單子系統(tǒng)運(yùn)行。如果其中一爐甲醇觸媒活性發(fā)生變化，就將該子系統(tǒng)串聯(lián)在前，活性好的甲醇子系統(tǒng)串聯(lián)在后，讓活性變化的甲醇觸媒充分發(fā)揮作用，以保護(hù)活性好的甲醇觸媒，提高甲醇觸媒的利用率，降低運(yùn)行成本。

    為了適應(yīng)醇氨比較大的情況，該工藝設(shè)置了雙甲循環(huán)機(jī)，既可供單個(gè)子系統(tǒng)循環(huán)，亦可供雙系統(tǒng)串聯(lián)循環(huán)，同時(shí)還可滿足甲醇、甲烷化觸媒升溫還原的需要。這樣設(shè)置的雙甲精制工藝可實(shí)現(xiàn)長周期平穩(wěn)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。雙甲流程示意見圖1。

1.2  雙甲精制工藝壓力等級(jí)的確定

    根據(jù)該廠壓縮機(jī)壓力等級(jí)配置情況，本設(shè)計(jì)把雙甲精制工藝壓力等級(jí)定在壓縮機(jī)五段出口，壓力為12.5MPa。其原因如下：

    (1)為滿足凈化氨合成原料氣的要求。要使醇后氣V(CO＋CO₂)控制在0.3％～0.5％，則要求甲醇合成率和壓力等級(jí)都較高。如果在13.0MPa壓力下CO的轉(zhuǎn)化率為84％，則在5.0MPa壓力下CO的轉(zhuǎn)化率僅為36％^「1」，故壓力不宜選擇5.0MPa。   

    (2)對(duì)提高粗甲醇質(zhì)量有好處。為減少生成高碳鏈的醇類和烴類的傾向，壓力不宜選擇31.4MPa。壓力越高，在CO和H₂組分相同的情況下，單位容積的CO和H₂濃度越高，在甲醇觸媒中含鐵、鈷、鎳等第八族，或系統(tǒng)中的鐵在觸媒表面積累，越有利CO加H₂形成長碳鏈的醇類和烴類物質(zhì)。

    (3)壓縮機(jī)能耗問題。雙甲系統(tǒng)在31.4MPa和12.5MPa壓力下，壓縮機(jī)六段對(duì)氣體所做功的比較見表1。

    按產(chǎn)粗醇3.21萬t／a、合成氨12萬t／a計(jì)，需脫碳?xì)?0 850m³／h，烷后氣50 430m³／h。比較兩種工況，前者比后者每小時(shí)壓縮機(jī)六段對(duì)被壓縮氣體所做的功多360.2kW·h。按壓縮機(jī)的實(shí)際功耗計(jì)，后者比前者每小時(shí)節(jié)電400kW·h以上。從壓縮機(jī)的電耗考慮，雙甲工藝壓力等級(jí)宜選擇12.5MPa級(jí)。

    (4)為減小雙甲系統(tǒng)阻力，配合內(nèi)件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)置全分流流程，即15％～35％冷管氣在塔外分流，使進(jìn)塔前預(yù)熱器、醇塔下部換熱器和中心管的氣量只占入塔總氣量的65％～85％，從而降低系統(tǒng)阻力。

1.3  氨合成工藝路線的確定

    一個(gè)優(yōu)良的氨合成工藝路線主要體現(xiàn)在：①系統(tǒng)阻力��；②余熱回收和冷量回收最大；③合成新鮮氣消耗低，放空氣量少。

    本設(shè)計(jì)的流程是：循環(huán)機(jī)送來的循環(huán)氣經(jīng)油分分離油后分為兩股，一股約65％～80％進(jìn)入熱交換器，經(jīng)內(nèi)外筒環(huán)隙走管間與從廢熱回收器來的走管內(nèi)的200～220℃合成氣換熱。溫度升至190～210℃，循環(huán)氣從合成塔底部進(jìn)塔下部換熱器管內(nèi)與管間觸媒層來的450～470℃合成氣換熱至360～380℃，經(jīng)中心管進(jìn)入第1段觸媒層參加氨合成反應(yīng)。另一股循環(huán)氣約20％～35％，經(jīng)塔環(huán)隙進(jìn)入冷管由觸媒層加熱至250℃左右出冷管，與第1段來的460～480℃混合依次進(jìn)入第2、第3、第4、第5段參加氨合成反應(yīng)，此時(shí)溫度達(dá)450～470℃。反應(yīng)后的氣體進(jìn)入塔下部換熱器管間換熱降溫至320～350℃出合成塔，進(jìn)入廢熱回收器，溫度降至200～220℃，進(jìn)熱交換器，溫度降至80℃，進(jìn)水冷器，冷卻至35℃，進(jìn)入冷交(管間)，溫度降至19～22℃，進(jìn)行一次分離液氨，和精煉氣一起進(jìn)入氨冷器，冷卻至－8～－5℃，進(jìn)氨分離器進(jìn)行二次分氨，再進(jìn)冷交(管內(nèi))回收冷量之后進(jìn)循環(huán)機(jī)，如此循環(huán)。

    從流程圖可以看出，在工藝路線設(shè)計(jì)上，采取了如下措施：

1.3.1  配合內(nèi)件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)置全分流流程

    20％～35％冷管氣塔外分流，使進(jìn)塔前預(yù)熱器、氨合成塔下部換熱器和中心管的氣量只有入塔總氣量的65％～80％，從而降低系統(tǒng)阻力。由于采用全分流流程，使合成塔合成氣出口溫度達(dá)320～350℃，有利于以廢熱回收器產(chǎn)蒸汽為主的高品位的余熱回收。由于分流入塔總氣量的65％～80％的40℃未反應(yīng)氣體與廢熱回收器來的200～220℃的合成氣在熱交換器中逆向流動(dòng)換熱，冷氣冷端溫度只有35℃，使進(jìn)水冷器的合成氣溫度降至80℃，合理利用了較低品位熱量。該流程不需設(shè)置軟水加熱器，減少了設(shè)備投資。

1.3.2  在冷交換器進(jìn)行第1次氨分離

    水冷器來的35℃合成氣在冷交上部換熱段走管間與氨分離器來的－5℃氣體(管內(nèi))逆向換熱后進(jìn)下部分離段。合成氣在冷交換熱段進(jìn)一步降溫，氨進(jìn)一步冷凝，出換熱段的溫度降至19～22℃。該流程充分利用了氨冷后氣體的顯熱，使第1次氨分離量占總分氨量的72％以上。而傳統(tǒng)流程是合成氣從水冷器出來直接進(jìn)氨分離器進(jìn)行第1次分氨。在35℃的溫度下第1次氨分離量僅占總分氨量的51％。傳統(tǒng)氨合成流程見圖3。

1.3.3  循環(huán)機(jī)位置在合成塔前氨分離之后

    循環(huán)機(jī)對(duì)氣體做功120～156MJ，加上循環(huán)機(jī)機(jī)械磨損產(chǎn)生的熱量，使被壓縮氣體溫度上升10～16℃。循環(huán)機(jī)對(duì)被壓縮的氣體做功產(chǎn)生的熱量為噸氨250MJ。如果按傳統(tǒng)流程需消耗標(biāo)準(zhǔn)冷凍量53.4kW·h／tNH₃。采用本流程節(jié)約了冷凍量，并將此熱量帶給了合成塔。

1.3.4  放空位置設(shè)在冷交分氨之后氨冷器之前

    放空位置設(shè)在冷交分氨之后氨冷器之前，已有72％以上的氨冷凝并分離，氣體中氨體積分?jǐn)?shù)較低，為6.5％，而甲烷體積分?jǐn)?shù)最高，為22.3％，因此，放空量小，有效氣體損失少。兩種流程新鮮氣消耗比較見表2。從表2可以看出，在相同的條件下，本流程比傳統(tǒng)流程噸氨新鮮氣消耗量少9.9m³。 

 

2.1  反應(yīng)器

    (1)氨合成塔  公稱直徑為DN1 400，此內(nèi)件系在ⅢJ-99型內(nèi)件基礎(chǔ)上優(yōu)化而成的ⅢJD型高效節(jié)能內(nèi)件。其結(jié)構(gòu)為四軸一徑，第1、2、3層為軸向段間冷激，第4層為軸向冷管換熱，第5層為徑向?qū)�。該�?nèi)件觸媒裝填量大(14.2m³)，設(shè)計(jì)合理，床層溫度控制自如，所需循環(huán)氣量小，床層阻力小，且觸媒可自卸。

    (2)甲醇塔內(nèi)件  公稱直徑為DN1 400，此內(nèi)件吸收ⅢJD型氨合成高效節(jié)能內(nèi)件優(yōu)點(diǎn)并結(jié)合甲醇合成反應(yīng)特點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)為四軸一徑，第1、2、3層為絕熱層，第4層為冷管層，第5層為徑向?qū)�。該�?nèi)件具有觸媒裝填量大(14.3m³)，設(shè)計(jì)合理，適合氨醇比調(diào)節(jié)范圍大的特點(diǎn)，床層溫度控制自如，床層阻力小，且觸媒可自卸。

    (3)甲烷化塔內(nèi)件  公稱直徑為DN1 200，此內(nèi)件根據(jù)甲烷化反應(yīng)特點(diǎn)，設(shè)置3個(gè)絕熱段，二軸一徑，設(shè)計(jì)合理，床層溫度控制自如，床層阻力小，且觸媒自卸。

2.2  醇(甲烷)塔前預(yù)熱器和冷、熱交換器

    醇(甲烷)塔前預(yù)熱器和冷、熱交換器的內(nèi)件采用小密封填料的結(jié)構(gòu)形式，密封性能好，從根本上解決了冷熱氣體串氣問題。換熱管采用高效強(qiáng)化換熱管，換熱效率高，設(shè)備體積小。

2.3  氨冷器及閃蒸槽

    立式盤管式或立式“U”形氨冷器，不適合能力大的合成氨裝置。為此，設(shè)計(jì)了“U”形管臥式配閃蒸槽的氨冷卻系統(tǒng)。該氨冷卻系統(tǒng)傳熱效率高，阻力��；氨蒸發(fā)面積大，氣液分離效果好，占地面積小。

2.4  水冷器

    設(shè)計(jì)為“U”形管臥式結(jié)構(gòu)，高壓氣體走管內(nèi)，冷卻水走管間，較傳統(tǒng)水冷器(淋灑式或套管式)傳熱效率高，阻力小。該水冷器體積小，不僅解決了淋灑式或套管式水冷器占地面積大的問題，也解決了淋灑式水冷器現(xiàn)場(chǎng)衛(wèi)生問題。

2.5  分離器內(nèi)件

    分離器采用旋流凝聚式高效分離內(nèi)件，內(nèi)件分兩段：氣體首先進(jìn)入旋流段，直徑較大的液滴在此分離，然后氣體進(jìn)入填料層，直徑較小的液滴在此凝聚成大的液滴后分離。

    從2001年12月投產(chǎn)至今，雙甲氨合成系統(tǒng)始終運(yùn)行平穩(wěn)。由于原料的變化、變換和脫碳工段工藝條件的變化和甲醇市場(chǎng)的變化，對(duì)幾種典型的運(yùn)行情況總結(jié)如下：

3.1  雙甲工藝運(yùn)行

    雙甲運(yùn)行至今，補(bǔ)氣壓力始終低于11.8MPa，甲醇觸媒活性一直穩(wěn)定。通過在4種不同工況下的運(yùn)行實(shí)踐證明，雙甲工藝操作彈性大，適應(yīng)性很強(qiáng)，運(yùn)行非常穩(wěn)定。

    (1)進(jìn)甲醇系統(tǒng)V(CO＋CO₂)2.0％～3.0％，甲醇化塔爐溫控制在230～240℃，醇后氣V(CO＋CO₂)在0.2％～0.3％范圍內(nèi)，烷后氣V(CO＋CO₂)≤10×10^—6。該工況運(yùn)行甲醇化塔既不帶電爐，也不開甲醇循環(huán)機(jī)，氨醇比約14～9.5∶1，副產(chǎn)甲醇成本最低，日產(chǎn)甲醇26～38t，并且烷后氣CH4增加量不大，噸氨補(bǔ)充氣消耗也較低，系統(tǒng)壓差≤0.3MPa。

    (2)進(jìn)甲醇系統(tǒng)V(CO＋CO₂)3.0％～5.0％，甲醇化塔爐溫控制在230～240℃，開循環(huán)機(jī)1～2臺(tái)4m³／min，甲醇單系統(tǒng)運(yùn)行，粗甲醇產(chǎn)量38～90 t／d，醇后氣V(CO十CO₂)在0.2％～0.3％范圍內(nèi)，烷后氣V(CO＋CO2)≤10×10^—6，系統(tǒng)壓差≤0.6MPa。   

    (3)變換出現(xiàn)故障，脫碳?xì)釩O偏高，體積分?jǐn)?shù)達(dá)6.0％以上，粗甲醇產(chǎn)量達(dá)115～120t／d，采用雙塔串聯(lián)。其中第1個(gè)塔以產(chǎn)醇為主，開3臺(tái)4m³／min循環(huán)機(jī)循環(huán)，第2個(gè)塔以凈化為主，醇后氣V(CO＋CO₂)在0.2％～0.3％，爐溫控制在(255±5)℃，烷后氣V(CO＋CO₂)不超過12×10^—6，系統(tǒng)壓差≤1.2MPa。  

    (4)2002年8月脫碳出現(xiàn)故障，脫碳?xì)怏w積分?jǐn)?shù)中，CO在2.0％，CO₂高達(dá)0.7％～1.4％。這樣的工況大約有8天，雙甲工藝在不減量情況下平穩(wěn)運(yùn)行，烷后氣V(CO＋CO₂)不超過12×10^—6。

3.2氨合成運(yùn)行   

    氨合成系統(tǒng)通過18個(gè)月的運(yùn)行，有四大優(yōu)點(diǎn)：①運(yùn)行壓力低、系統(tǒng)壓差小、塔壓差小；②氨凈值高，系統(tǒng)在低壓下運(yùn)行，氨凈值保持在12％以上；③調(diào)溫手段靈活，操作彈性大；④循環(huán)量小。氨合成在兩種不同工況下的運(yùn)行情況比較如下：

    (1)2002年1月至4月上旬，造氣原料為焦炭，半水煤氣甲烷含量極低，氨合成系統(tǒng)不放空，系統(tǒng)CH₄體積分?jǐn)?shù)僅7％～9％，滿負(fù)荷運(yùn)行，日產(chǎn)合成氨為350～380 t，系統(tǒng)壓力不滿20.5MPa，塔壓差0.7MPa以內(nèi)，系統(tǒng)壓差1.1MPa。其中在2月，有半個(gè)月時(shí)間，氨合成系統(tǒng)日產(chǎn)合成氨達(dá)420～440t，系統(tǒng)壓力不超過22.0MPa，塔壓差為0.7MPa，系統(tǒng)壓差小于1.2MPa。   

    (2)2002年4月中旬以后，造氣原料為塊炭，半水煤氣甲烷體積分?jǐn)?shù)達(dá)1.2％～1.5％，氨合成系統(tǒng)CH₄體積分?jǐn)?shù)控制在17％～18％，日產(chǎn)合成氨為350～380t，系統(tǒng)壓力約25.4MPa，塔壓差0.5MPa，系統(tǒng)壓差小于1.0MPa。

    比較上述兩種工況，氨合成系統(tǒng)CH₄分別控制在7％和18％，兩者相差11％，熱點(diǎn)溫度一直穩(wěn)定在460～470℃，爐溫容易控制。

    該廠生產(chǎn)系統(tǒng)有3個(gè)分廠，由于采用的工藝不同，各項(xiàng)消耗及成本差別較大。一分廠采用雙甲工藝、ⅢJD氨合成，二、三分廠為銅洗流程，二分廠合成塔為單管并流內(nèi)件，三分廠合成塔為軸徑向內(nèi)件。各廠生.產(chǎn)消耗和成本比較見表3、表4。

    從表3看出：合成氨月產(chǎn)量穩(wěn)定在1～1.2萬t，甲醇月產(chǎn)量1100t左右，氨醇質(zhì)量比為10∶1，主要消耗下降，說明一分廠生產(chǎn)穩(wěn)定，消耗較低。其中7月份因尿素需求量大，為此將氨醇比調(diào)高，醇產(chǎn)量下降。

    從表4看出，一分廠消耗和成本均比二、三分廠低，其原料煤的消耗并不一定比二、三分廠低，合成氨累計(jì)成本較二分廠至少降低252元／t，尿素成本至少降低159元／t，較三分廠合成氨成本至少降低110元／t，尿素成本至少降低90元／t。從電力消耗看，一分廠噸氨電耗比二分廠少280kW·h，比三分廠少250kW·h。由于氨合成系統(tǒng)壓力低、壓差小，合成冷凍消耗低的因素，節(jié)電約占六成�？车翥~洗工段，噸氨節(jié)約成本45元左右。此兩項(xiàng)噸氨節(jié)約成本在80元以上。按12萬t／a合成氨能力計(jì)，年效益可達(dá)980萬元左右。

    該廠精醇成本為1 112.62元／t，按年產(chǎn)3萬t精醇，年平均銷售1 800元／t計(jì)，可增加利潤2060萬元。

    豐喜集團(tuán)臨猗分公司這套總氨15萬t／a雙甲氨合成的設(shè)計(jì)匯集了國內(nèi)有關(guān)最前沿的技術(shù)。通過18個(gè)月的運(yùn)行證明：該聯(lián)合裝置能應(yīng)對(duì)較為復(fù)雜的工況變化，運(yùn)行平穩(wěn)；雙甲精制工藝，不但不耗銅、酸、氨及蒸汽，而且還副產(chǎn)甲醇，同時(shí)又是一個(gè)環(huán)保工程，無污染；ⅢJD氨合成系統(tǒng)技術(shù)運(yùn)行壓力低、氨凈值較高，動(dòng)力電耗大為降低，為該廠穩(wěn)定生產(chǎn)、節(jié)能降耗起到關(guān)鍵性的作用。