0  前言 

    氨合成塔及系統(tǒng)是合成氨工業(yè)最重要最復(fù)雜的一個(gè)裝置，其重要性是要將輸入的合成氣高效地轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品氨。在轉(zhuǎn)化過(guò)程中，要求放空量少，有效氣體利用率高；一次轉(zhuǎn)化率高，循環(huán)量小，即氨凈值高，系統(tǒng)壓力低，阻力�。环磻�(yīng)熱利用率高，冷卻水、冷凍量消耗少；在實(shí)際運(yùn)行中，很難全部滿足，正是如此，為更多的滿足這些要求，要優(yōu)化合成塔設(shè)計(jì)。綜合氨合成反應(yīng)理論和多年實(shí)踐，根據(jù)不同工況，我們?cè)O(shè)計(jì)三種有特色的氨合成塔及系統(tǒng)，如低壓低阻氨合成塔及系統(tǒng)、中壓高產(chǎn)氨合成塔及系統(tǒng)、中壓高凈值氨合成系統(tǒng)已分別在山東華魯恒升、河南心連心化工集團(tuán)、山東魯西化工集團(tuán)投產(chǎn)，都取得很好的效果。本文著重闡述ⅢJDФ2200mm中壓高凈值氨合成系統(tǒng)。

    氨合成是一個(gè)典型的放熱可逆反應(yīng)，其反應(yīng)過(guò)程必須在平衡溫度曲線下方進(jìn)行。與平衡曲線相隔太近，反應(yīng)溫度高，則反應(yīng)推動(dòng)力小，反應(yīng)需要時(shí)間長(zhǎng)或催化劑用量大；與平衡曲線距離太遠(yuǎn)，溫度低，則反應(yīng)速度小，反應(yīng)后氨含量低�？紤]反應(yīng)平衡和反應(yīng)速度動(dòng)力學(xué)兩大影響因素，在理論上提出了最適宜溫度曲線的概念，即在反應(yīng)過(guò)程中，按最適溫度曲線進(jìn)行溫度控制，其總反應(yīng)速度最快，氨凈值最高。實(shí)際上，不可能設(shè)計(jì)一個(gè)完全按最適宜溫度曲線進(jìn)行的反應(yīng)器，只能設(shè)計(jì)一個(gè)接近最適宜溫度曲線，或在最適宜溫度兩側(cè)迂回進(jìn)行的優(yōu)化反應(yīng)器。

    ⅢJDФ2200mm氨合成塔正是按上述指導(dǎo)思想設(shè)計(jì)的。圖1是ⅢJDФ2200mm的溫度曲線，其中從上到下第一條是平衡曲線，第二條是最適宜溫度曲線，第三條是設(shè)計(jì)(操作)曲線。

    本設(shè)計(jì)的反應(yīng)器“0”米即第一點(diǎn)a，就是未反應(yīng)氣進(jìn)催化床層的工況：溫度370℃，氨含量2.2%，經(jīng)過(guò)絕熱反應(yīng)(ab斜線)，即隨著反應(yīng)進(jìn)行氨含量增加、溫度上升至第二點(diǎn)b：溫度488℃，氨含量達(dá)到10.2%。反應(yīng)的第二個(gè)過(guò)程是間接降溫(bc水平線)至第三點(diǎn)c：溫度435℃，氨含量不變。第三個(gè)過(guò)程是第二次絕熟反應(yīng)(cd斜線)至第四點(diǎn)山溫度480℃，氨含量13.3%，第四個(gè)過(guò)程是反應(yīng)和換熱同時(shí)進(jìn)行(de反斜線)，即內(nèi)冷反應(yīng)段達(dá)到第五點(diǎn)e：溫度425℃，氨含量16%，第五個(gè)過(guò)程是第三次絕熱反應(yīng)(ef斜線)達(dá)到第六點(diǎn)f，即反應(yīng)終點(diǎn)：溫度452℃，氨含量17.8%。

    從增加氨凈值觀點(diǎn)分析高氨凈值反應(yīng)器設(shè)計(jì)。反應(yīng)起點(diǎn)為a點(diǎn)，即“0”米點(diǎn)，由圖可見(jiàn)“0”米溫度低，進(jìn)口氨含量低。低零米溫度為第一段溫升提供了區(qū)位，否則氨凈值高，熱點(diǎn)溫度高，超出催化劑耐熱值，因而限制凈值提高。從“0”米開(kāi)始絕熱反應(yīng)至b點(diǎn)，該點(diǎn)落在最適宜溫度曲線上，這是最佳方案點(diǎn)。從圖上看出，此點(diǎn)氨含量高(達(dá)10.2%)，氨凈值增加8%，增加量為總增量的49%。如果b點(diǎn)再往上移，即繼續(xù)反應(yīng)，溫度繼續(xù)升高，就會(huì)使催化劑受損，同時(shí)距離平衡越近，氨凈值增加緩慢，推動(dòng)力越小。反之，如果b點(diǎn)落在最適宜曲線的下側(cè)，此時(shí)反應(yīng)溫度低，反應(yīng)速度較小，反應(yīng)后氨含量也低。所以b點(diǎn)落在最適宜溫度曲線上是一個(gè)最佳點(diǎn)，在較短的催化床內(nèi)，幾乎完成50%的反應(yīng)總?cè)蝿?wù)，這是優(yōu)化設(shè)計(jì)一個(gè)亮點(diǎn)。

    其次，第一段反應(yīng)得到高氨含量反應(yīng)氣，采用間接冷卻方法，沒(méi)有采用未反應(yīng)冷氣混合冷卻，氨含量沒(méi)有降低，保持了高氨含量，這是設(shè)計(jì)第二個(gè)優(yōu)化點(diǎn)。

    第三，通過(guò)間接冷卻后，增設(shè)了第二絕熱反應(yīng)層，然后再串接內(nèi)冷連續(xù)反應(yīng)層。兩者配合使反應(yīng)基本上按最適宜溫度指引方向在其兩側(cè)進(jìn)行，因而保證了快速的反應(yīng)，這是設(shè)計(jì)中第三個(gè)優(yōu)化點(diǎn)。

    最后，通過(guò)三段反應(yīng)后反應(yīng)氣氨含量已達(dá)到16%，距離平衡較近，反應(yīng)推動(dòng)力比較小了，但工況點(diǎn)e仍在最適宜線的下側(cè)，再絕熱反應(yīng)一次，使操作線穿過(guò)最適宜線，仍能保持快速反應(yīng)。為此用較多的催化劑量做最后的“拚搏”，進(jìn)行絕熱反應(yīng)，使氨含量增加1.8%左右，最終氨含量達(dá)到17.8%，這也是一個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)化點(diǎn)。

    合成塔為三層四段，一段為軸向絕熱段；二段包含兩個(gè)段：內(nèi)圈是徑向絕熱段，外圈是徑向內(nèi)冷段：三層即第四段，為徑向絕熱段。

    一、二段間為間冷，換熱器在第二層中心，三段由徑向冷管束構(gòu)成。第三段反應(yīng)出來(lái)的熱氣，由上而下，經(jīng)過(guò)第二層、第三層徑向筐簡(jiǎn)體與內(nèi)件簡(jiǎn)體間環(huán)隙，被經(jīng)過(guò)塔外筒與內(nèi)筒間環(huán)隙的由下而上的未反應(yīng)氣冷卻。第四段反應(yīng)后的熱氣經(jīng)塔內(nèi)下部換熱器冷卻出塔。

    ⅢJDФ2200mm合成塔含二個(gè)列管式換熱器和一個(gè)徑向冷管束，兩個(gè)列管換熱器在二、三層中心，冷管束在二層的外圈。

    其次，第一段反應(yīng)得到高氨含量反應(yīng)氣，采用間接冷卻方法，沒(méi)有采用未反應(yīng)冷氣混合冷卻，氨含量沒(méi)有降低，保持了高氨含量，這是設(shè)計(jì)第二個(gè)優(yōu)化點(diǎn)。

    第三，通過(guò)間接冷卻后，增設(shè)了第二絕熱反應(yīng)層，然后再串接內(nèi)冷連續(xù)反應(yīng)層。兩者配合使反應(yīng)基本上按最適宜溫度指引方向在其兩側(cè)進(jìn)行，因而保證了快速的反應(yīng)，這是設(shè)計(jì)中第三個(gè)優(yōu)化點(diǎn)。

    最后，通過(guò)三段反應(yīng)后反應(yīng)氣氨含量已達(dá)到16%，距離平衡較近，反應(yīng)推動(dòng)力比較小了，但工況點(diǎn)e仍在最適宜線的下側(cè)，再絕熱反應(yīng)一次，使操作線穿過(guò)最適宜線，仍能保持快速反應(yīng)。為此用較多的催化劑量做最后的“拚搏”，進(jìn)行絕熱反應(yīng)，使氨含量增加1.8%左右，最終氨含量達(dá)到17.8%，這也是一個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)化點(diǎn)。

    合成塔為三層四段，一段為軸向絕熱段；二段包含兩個(gè)段：內(nèi)圈是徑向絕熱段，外圈是徑向內(nèi)冷段：三層即第四段，為徑向絕熱段。

    一、二段間為間冷，換熱器在第二層中心，三段由徑向冷管束構(gòu)成。第三段反應(yīng)出來(lái)的熱氣，由上而下，經(jīng)過(guò)第二層、第三層徑向筐簡(jiǎn)體與內(nèi)件簡(jiǎn)體間環(huán)隙，被經(jīng)過(guò)塔外筒與內(nèi)筒間環(huán)隙的由下而上的未反應(yīng)氣冷卻。第四段反應(yīng)后的熱氣經(jīng)塔內(nèi)下部換熱器冷卻出塔。

    ⅢJDФ2200mm合成塔含二個(gè)列管式換熱器和一個(gè)徑向冷管束，兩個(gè)列管換熱器在二、三層中心，冷管束在二層的外圈。

    含氨2.2%未反應(yīng)氣分成兩股，一股約70%～75%經(jīng)塔外熱交加熱至200～230℃，50%～60%進(jìn)入塔內(nèi)下熱交的管內(nèi)，由下而上上升，再經(jīng)塔內(nèi)上熱交(第二層中間)，加熱至360～370℃，經(jīng)中心管到達(dá)催化床“0”米，與由冷管出來(lái)的40%～50%(370℃)未反應(yīng)氣混合，進(jìn)入第一段反應(yīng)，溫升至488℃，氨含量增至10.20%，經(jīng)過(guò)塔內(nèi)上熟交管間冷卻至435℃，進(jìn)入第二段徑向絕熱反應(yīng)，溫度達(dá)到480℃，氨含量增至13.3%，徑向進(jìn)入內(nèi)冷段反應(yīng)，溫度降至425℃，氨含量上升16%，然后進(jìn)入第二、三層徑向筐與內(nèi)件內(nèi)壁環(huán)隙，由上而下，進(jìn)入第四段，徑向絕熱反應(yīng)，溫度上升至452℃，氨含量達(dá)到17.8%左右，再進(jìn)入塔內(nèi)下熱交管間，被管內(nèi)冷氣冷至350℃左右出塔。

    25%～30%未反應(yīng)冷氣由下進(jìn)內(nèi)外筒環(huán)隙，由下而上，與從熱交出來(lái)已預(yù)熱的10%～15%未反應(yīng)氣混合，再進(jìn)入冷管，在冷管加熱至360～370℃后，直接由上升管進(jìn)入催化床“0”米。

    從合成塔(1)出來(lái)反應(yīng)熱氣，氨含量17%左右，溫度360～380℃，經(jīng)蒸汽過(guò)熱器(2)，降溫至360～340℃，經(jīng)蒸汽發(fā)生器(3)，產(chǎn)生2.5～3.9 MPa飽和蒸汽后，溫度降220～260℃，進(jìn)塔外熱交(4)溫度降至100～110℃，進(jìn)入軟水加熱器(5)降溫至60℃左右，進(jìn)蒸發(fā)式水冷器(6)，降溫至40℃，經(jīng)冷交(7)，氨含量降至4.43%，進(jìn)一氨冷(8)、二氨冷(9)降溫至－11℃左右，進(jìn)分離器(10)分離液氨后，氨含量為2.76%，進(jìn)循環(huán)機(jī)(11)、油分(12)與補(bǔ)入新鮮氣混合物，氨含量降至2.3%。混合氣分兩股：25%～30%進(jìn)入合成塔環(huán)隙，70%～75%進(jìn)塔外熱交被加熱至200～230℃，又分兩股，一股進(jìn)塔內(nèi)下部換熱器經(jīng)第二層中間換熱器至“0”米，另一股在塔頂與從環(huán)隙出來(lái)的氣體混合后進(jìn)塔內(nèi)冷管束。兩股進(jìn)入中間換熱器和冷管束的未反應(yīng)氣分別加熱至360～370℃，在“0”米混合后，進(jìn)入催化床層反應(yīng)。

    流程特點(diǎn)： 

    (1)反應(yīng)氣出塔溫度高，達(dá)360～380℃，出塔氣體反應(yīng)熱多級(jí)利用，并產(chǎn)生中壓(2.5～3.9MPa)過(guò)熱蒸汽(300～360~C)，即出塔經(jīng)過(guò)蒸汽過(guò)熱器、蒸汽加熱器、軟水加熱器，利用出塔氣體熱量將軟水逐級(jí)加熱最后產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽。軟水加熱器后，反應(yīng)氣降溫至50～60℃，可采用風(fēng)冷降溫至40℃，達(dá)到節(jié)水的目的。

    (2)采用兩級(jí)氨冷：一級(jí)氨冷冷至3℃，二級(jí)氨冷降溫至粉－11℃，氨含量可降2.76%，兩級(jí)氨冷比一級(jí)氨冷，節(jié)約冷凍量40%以上。   

    (3)補(bǔ)氣在氨冷之后：使進(jìn)塔氨含量稀釋至2.2%～2.3%，即系統(tǒng)只降溫至－11℃就可使進(jìn)塔氨含降至2.2%，對(duì)氨合成反應(yīng)有利。

    (4)放空點(diǎn)設(shè)置在循環(huán)機(jī)進(jìn)口點(diǎn)，此處惰氣濃度最高，系統(tǒng)中氨都已分離，氨含量最低，放空氣量少，放空氣中帶走氨和有效氣體少。

    (5)設(shè)置20%未反應(yīng)冷氣經(jīng)過(guò)內(nèi)外筒環(huán)隙，使外筒處低溫工況運(yùn)行，安全可靠。

    (6)未反應(yīng)氣三股分流進(jìn)塔：20%從環(huán)隙，30%不經(jīng)環(huán)隙，混合后形成50%進(jìn)冷管，另外50%進(jìn)塔內(nèi)兩個(gè)串接中間換熱，系統(tǒng)阻力小。

    山東魯西化工集團(tuán)工業(yè)園采用ⅢJDФ2200 mm氨合成塔配套系統(tǒng)中，出塔反應(yīng)熱氣沒(méi)有設(shè)置蒸汽過(guò)熱器，而用于加熱甲烷化未反應(yīng)冷氣，廢鍋產(chǎn)生2.0MPa蒸汽，廢鍋后未設(shè)置軟水加熱器。該裝置已于2007年6月13日在山東魯西化工集團(tuán)工業(yè)園投產(chǎn)，日產(chǎn)氨達(dá)820～830t，系統(tǒng)惰性氣含量18%～20%，系統(tǒng)壓力24.0～25.0MPa，出口氨含量15%～17%。

    催化床層溫度：   

    “0”米360℃，第一層出口475℃，第二層進(jìn)口420～430℃，第二層熱點(diǎn)450～460℃，第二層出口溫度420～430℃，第三層山口溫度440～450℃。

    系統(tǒng)溫度塔山溫度365℃，廢鍋出口206℃，塔進(jìn)192℃，熱交出口88~C，水冷出口31℃，冷交出口12℃，一氨冷出口－3℃，二氨冷出口－6℃，冷交冷氣出口29℃。

    系統(tǒng)已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行4個(gè)月，產(chǎn)能達(dá)到250kt左右。

    ⅢJDФ2200 mm氨合成塔的設(shè)計(jì)，是以反應(yīng)最適宜溫度曲線為依據(jù)，優(yōu)化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和參數(shù)，達(dá)到氨凈值最大的目的。優(yōu)化結(jié)果是反應(yīng)結(jié)構(gòu)為三層四段，各段之間采用間冷，進(jìn)一段溫度較低，一段出口溫度高，充分利用反應(yīng)初始狀態(tài)推動(dòng)人特點(diǎn)，適當(dāng)提高第一催化層厚度，使之溫升高、氨凈值增加多，末端反應(yīng)距離平衡狀態(tài)近，以降低催化劑利用系數(shù)的方法，使終端氨含量盡量提高。按上述思維應(yīng)配置低起活溫度、高耐熱溫度即寬溫催化劑，同時(shí)配置完善又便于操作的調(diào)節(jié)溫度手段，本系統(tǒng)在魯西化工集團(tuán)工業(yè)園運(yùn)行4個(gè)月，基本達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，即出口氨含量達(dá)到16.8%。目前正在為山西設(shè)計(jì)Ф2400mm氨合成系統(tǒng)，在Ф2200mm基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善，估計(jì)效果更好。