影响装置氨产量的因素探讨

郭启星

（大庆油田化工有限公司甲醇分公司合成氨车间，黑龙江大庆 163000）

影响装置氨产量的因素探讨

郭启星

（大庆油田化工有限公司甲醇分公司合成氨车间，黑龙江大庆 163000）

依托合成氨现有装置，针对实现继续深挖氨产能力的目标，深入分析影响氨产量的各项因素。

氨含量；操作压力；热点温度；气体成分组成

大庆油田化工集团甲醇分公司合成氨装置合成系统通过技术改造，解决了影响安全运行的管路震动问题，合成催化剂也根据合成系统的实际条件，重新进行选型，选用由浙江大学研制开发的新型催化剂Amomax-10H，投入生产后，使氨生产能力有了很大提升，年产量达到5.2万t，不仅产量达标，而且超过设计指标（产量5.0万t/a）4%，同时系统压力较原催化剂运行时压力低0.65MPa，装置运行状况也上了新台阶。

1 影响氨产量的因素

影响氨产量因素有诸多方面，而且各因素相互影响和制约。通过生产实践我们总结出影响装置氨产量的因素主要有操作压力、热点温度、气体成分组成、催化剂活性及空速。

1.1 操作压力

氨的合成反应是一个体积缩小的反应。依据化学反应平衡原理，提高压力有利于反应向生成氨的正方向移动；同时，压力高，反应气体的浓度大，分子间碰撞的几率也大，也利于反应速度。

总之，增加压力对氨合成反应是有利的，既能增大平衡转化率，又能加快反应速度。同时，压力高也利于氨冷凝，可以减轻冷冻系统负荷。然而催化剂还原初期运行，为保证催化剂使用效率，操作压力、热点温度和空速应该控制较低些，使合成处于24h的轻负荷运行状态后，才能随后逐步提负荷。在合成系统满负荷运行一段时间内，运行状态比较理想，工艺参数严格控制在范围内，瞬时氨产量最高达到6.85t/h，超过设计值的9.6%。

1.2 热点温度

为防止触媒晶体颗粒受热变大，影响触媒使用寿命，所以触媒还原完初期运行时，热点温度控制在触媒理想活性温度范围的下限。如果热点温度过低，反应速度慢，达不到反应的最佳条件，合成反应会受到限制；提高温度可以增快合成反应速度，利于达到反应平衡状态，但是氨合成是个放热反应，温度过高反应向逆向移动不利于氨合成，所以要合理控制催化剂床层的热点温度，以实现高合成率的目的。另外，催化剂的催化活性起活温度并不是氨合成最适宜的热点温度，最适宜的热点温度不仅与催化剂起活温度有关，而且还受操作压力的影响；这是因为化学反应速度和化学平衡主要是靠操作压力和热点温度推动，但这两者的推动结果是不一样的。对氨合成而言，在操作压力恒定的情况下，依据反应速度与反应平衡的相互关系，应通过不断优化，找出最适宜的热点温度，以使氨合成总转化率达到最大。

1.3 气体成分的影响

从氨合成的化学方程式来看，H2与N2的配比应是3∶1，最有利于氨合成反应平衡；从反应动力学来说，H2与N2的配比应小于3∶1，有利于氨合成反应速度。催化剂对H2与N2的选择性是不同的，氮分子先被化学吸附在催化剂颗粒表面上并离解成N，然后经历逐步加氢过程，N→NH→NH2→NH3，从能量角度来看，氮化学吸附并离解成氮原子，离解键能远大于氢离解键能和氨中氢、氮的键能，因此氮分子通过化学吸附的活化是氨合成中最困难的一步。同时依据化学反应平衡与反应动力学，H2与N2要有一个适宜配比，反应远离平衡时，最佳氢氮比为1.5，反应接近平衡时，最佳氢氮比为2.9～3.0。

氨合成气体中的惰性气体也是影响入塔合成气氨转化率的因素之一，惰性气体含量过高，会降低参加反应有效气体的分压，同时也会造成合成压力上升，增加循环功耗。合成氨装置合成氨的原料H2和N2的纯度＞99.99%，惰性气体含量非常少，累计周期比较长，间歇性放空，且放空量非常少。

合成塔入口合成气氨含量对氨反应的影响也不容质疑，入塔气氨含量高，会抑制氨合成反应，氨净值低；为保证入塔气氨含量低，必须提升氨冷凝的分离效率，然而冷冻功耗量同时也增大。

1.4 催化剂活性的影响

合成氨装置使用的催化剂是Amomax-10H型预还原型氨合成催化剂，它的优势特性是低温高活性、耐热性能优良，起始活性温度是265～270℃。

催化剂对氨合成的反应速度的影响是至关重要的，主要表现在它的活性高低。催化剂的活性在很大程度上又受催化剂还原条件和还原程度的影响，主要是影响催化剂的一些参量，如a-Fe晶粒大小、铁比表面和碱比表面、孔径分布、助催化剂分布等，一般在还原结束时就已经形成。所以在催化剂还原操作过程中，应尽可能沿着理想还原曲线进行，维持稳定的气体成分和热点温度，防止热点温度高于这一型号催化剂的最高操作温度，以及温度波动变化过大。

1.5 空速的影响

空速表示的是气体与催化剂接触时间长短的物理量。对于氨合成反应，当操作压力，温度及进塔气体组成一定时，如果采用较低的空速，气体与催化剂接触时间长，则反应过程中气体的各组分与反应平衡较接近，使出塔气中氨含量增加，即氨净值增加，但催化剂利用率低，从而使催化剂的生产强度降低。较小的空速使气体循环的动力消耗较低，入塔预热器达到入塔气体预热程度所需的换热面积较小。

采用较大的空速时，气体与催化剂接触时间缩短，使出塔气中氨含量降低，氨净值降低；但由于氨净值降低的程度比空间速度的增大的倍数要少，所以当提高空间速度时，催化剂的生产强度增加，但增加了入塔预热器所需的换热面积，同时增大系统阻力，增加了压缩机的动力消耗，并且由于反应后气体混合物中氨反应产物减少，因经过换热器的冷热介质接触时间短，换热效果差，造成反应产物氨经最终换热器降温后，难以冷凝、分离，欲达到要求指标时，必须增加分离氨所需的冷冻量，冷冻功随之增加。

还应注意的是，空速增大到一定程度后，从合成塔出来的气体带出的热量增多，会造成催化剂床层的热点温度难以控制，影响氨合成反应的进行。总之，选择最佳的空速必须综合考虑考虑多方面因素。合成氨装置依据实际生产需要，以及压缩工序的实际情况，合成系统压力控制在11.4 MPa以下，低于设计压力12.9 MPa，空速是10 000h-1，与所用催化剂Amomax-10H测试空速15000h-1相比，还有很大的提升潜力。

2 结论

工艺条件在很大程度上影响了氨合成气体的转化率，在实际生产中，应通过不断对合成系统操作压力、热点温度、气体成分组成、催化剂活性及空速等主要影响氨产量因素的分析，同时计算出氨合成气体在催化剂不同使用时期的合成率，找出制约氨合成产量的主要因素，结合实际操作状况，制定相应的操作运行条件，从而实现装置的稳定高产。

[1]沈浚，朱世勇，冯孝庭.化肥工学丛书——合成氨[M].北京：化学工业出版社.

[2]杨春生，韩福顺.中小型合成氨厂生产操作问答[M].北京：化学工业出版社.

Factors Affecting Ammonia Production in the Plant

Guo Qi-xing

Based on the existing equipment of ammonia synthesis,for the realization of production capacity of the ammonia to continue to dig,in depth analysis of the factors affecting the production of ammonia

ammonia content；operating pressure；hot spot temperature；composition of gas

TQ116.1

B

1003–6490（2016）04–0001–02

2016–04–12

郭启星（1986—），女，黑龙江勃利人，助理工程师，主要研究方向为精细化学。