侧线试验装置的设计方案

(中国石油乌鲁木齐石化公司化肥厂，新疆 乌鲁木齐 830019)

氨是氮肥生产的基本原料，我国是世界上最大的合成氨生产国。目前，国内合成氨厂使用的氨合成催化剂为铁基催化剂，铁基催化剂在技术上很成熟，但也暴露出一些自身存在的缺点，一是低温、低压下的催化剂活性偏低，需要在15MPa(g)甚至更高的压力下运行，能耗较高，对设备的要求很苛刻；二是催化剂的单程转化率偏低，需要装填大量催化剂才能满足工艺要求的反应转化率。因此，开发新型氨合成催化剂，使合成氨工业向低能耗方向发展显得尤为迫切。

由中石油研制开发的钌基氨合成催化剂在相对低温低压下的活性较高，经过多年研究在小试装置中试运行取得较好效果，即将进入工业试验阶段。工业试验将开展钌基催化剂和反应器的工艺放大研究，进行铁串钌工艺验证及温度、压力、空速条件对催化剂活性的影响等试验内容，以此验证新型钌基氨合成催化剂是否具有高活性，可以提高氨合成塔出口氨浓度，降低循环气量，减小压缩能耗和冷却能耗，是否可以工业化应用。根据专家比选，试验装置拟在中国石油乌鲁木齐石化公司化肥厂二合成装置建设。

1 方案设计

侧线试验装置设计方案的原则是气体组分、压力、温度、流量等满足钌基催化剂的要求，装置投资较小，操作简便，运行后对主装置影响小。钌基侧线试验装置原料气来自主装置氨合成回路的合成气，试验装置的产品液氨返回主装置做为产品的一部分，辅助材料和公用工程依托于主装置原有公用工程系统。我们主要工作内容是比选确定合成气的取出位置及合成反应气冷却分离后的去向。

1.1 入口气位置的选取与合成反应热的利用

氨合成反应是化学反应，其反应式：

由反应式可看出氨合成反应具有可逆性，即在氢气和氮气反应生成氨的同时，氨也被分解为氢气和氮气，反应的转化率与反应压力、温度及H2/N2有关。主装置的氨合成采用布朗三塔流程，第一合成塔出口的氨净值达11.89%，第二合成塔出口的氨净值达17.15%，第三合成塔出口的氨净值达到21.17%，进塔气体中氨含量越高，氨净值增长越小，生产能力越低，氨净值继续提升将非常困难。利用钌基催化剂活性高的特点，选定铁串钌工艺，在三塔流程之后，串入一个盛装500 L钌基催化剂的合成塔，合成气量5 000Nm3/h。第三合成塔出料气体组成(mol%)为H2：57.31，N2：18.77，Ar：2.75，NH3:21.17。气体介质干净，反应组分浓度降低，几乎不存在超温危险，有利于试验装置的运行，可进一步将氨净值提升，同时改造内容少，作为试验装置更为经济,也可为今后的铁串钌工艺技术改造方案提供依据。

原有主装置净化送来的合格工艺气，经合成气压缩机将工艺气提压至15.1MPa(g)，合成气经第一、第二、笫三合成塔进行氨合成反应后的合成气依次经第三废锅、热交换器、水冷却器冷却后，经冷交换器进入氨冷却器一、二冷却后进入分离器进行分离。

由于钌基催化剂要求反应温度350～450℃，考虑到钌基催化剂耐受温度，钌基侧线氨合成塔进料气取出位置若选在第三废锅入口，合成反应的反应热会使催化剂床层温度过高，超出耐受温度，需在入口增加冷却器，而冷交换器入口温度过低，需要比较多的能量转化将合成气温度提升到反应温度，两者都不经济。选择热交换器入口作为合成气取气位置，温度与钌基催化剂的活性温度的下限接近，若要利用合成反应后的温升能量会对原主装置有较多影响。考虑到氨合成反应为放热反应，充分利用反应热，选择水冷却器入口作为合成气取气位置，虽然钌基氨合成塔入口温度达不到反应温度，可在入口前增加1台电加热器，在反应初期通过电加热将温度提升到反应温度，待反应有了温升，则可以通过与钌基氨合成塔出口气换热，就可满足塔入口所需的反应温度。

1.2 氨产品、循环气及弛放气流向设计

原有主装置产生的液氨经第一分离器分离后减压至3.6MPa，送至液氨减压罐进一步进行分离，然后减压至1.4MPa后送氨收集槽中。第一分离器的气体作为循环气回到合成气压缩机循环段，氨收集槽中的惰气被喷射器抽出，与氨减压罐闪蒸的气氨汇合，进入氨吸收冷却器中作为氨水被回收，然后送到汽提塔中，用3.8MPa(g)蒸汽加热使其再沸，所回收的气氨进入到氨冷器回到氨收集槽。氨吸收冷却器出口弛放气的一部分回到天然气脱硫系统，其余被送到一段转化炉作为燃料气。

(1)在三段合成塔反应后的合成气，进入串联的钌基氨合成塔反应后，预计氨净值将增加2%，不增加其他组分，此部分富含氨的气体经冷却分离后，液氨并入原主装置作为产品。

(2)因原主装置氨气回收和弛放气系统尚有余量，冷却分离后极少量的气氨和惰性气体被送入原有的氨气回收系统，进行回收后并入弛放气系统。

(3)冷却分离后极少量的气氨和惰性气体，被送入原有的氨气回收系统进行回收，不增加循环气量，不会影响合成气压缩机的负荷(原合气压缩机透平效率偏低)。

因此，侧线装置钌基氨合成塔出口气仅需考虑冷却分离部分，反应气的冷却首先设置1台进出口换热器，充分利用了反应热，既加热了入口气，也冷却了出口气，随后再设置1台水冷器、1台氨冷器和1台分离器。水冷器与氨冷器的冷却介质可在原有主装置界区就近引入。出口气的冷却没有采用空冷的方案，空冷器虽然可降低设备投资，但没有在高压下运行的业绩，存在一定的风险，且会增加装置的运行成本。侧线试验装置的工艺流程设计见图1。

进侧线试验装置合成气取自热交换器下游，温度为95℃，经流量控制并减压至10MPa(g)，进入侧线试验钌基氨合成塔进出口换热器加热至380℃后，进入钌基氨合成塔，氨净值增加2%(21.1%升至23.1%)。合成气进钌基氨合成塔前设置1台电加热器，在开车工况、催化剂升温还原工况等特殊条件下提供热量。出钌基氨合成塔后的合成气经钌基氨合成塔进出口换热器由406℃冷却至116℃，经过水冷器冷却至37℃，再经氨冷器冷却至4.4℃后，进入氨分离器，压力为9.68MPa(g)。液氨经过减压后送入氨闪蒸罐中闪蒸得到液氨产品，氨分离器出口循环气减压至3.6MPa(g)后送入氨回收系统。

2 方案评价

本方案采用铁串钌多塔串联的氨合成工艺，使H2、N2经多段高效反应，氨转化率大大提高。根据钌基催化剂的性能计算，串联在第三合成塔后，在现有装置的条件下，钌基合成塔出口气的体积含氨量预期可达23.17%，氨净值可提高2%。如果试验成功，以此作为改造依据，可提高氨产量 0.5t/h。

图1 侧线试验装置的工艺流程

另外，进侧线试验装置合成气取自热交换器下游，取气位置温度低，接点少，钌基合成塔出口气用入口气体冷却，对主装置影响小，增加电加热器，钌基合成塔温度易控制，运行过程不受原装置的影响，侧线氨分离器出口气相作为弛放气排入氨回收系统，也不会对原装置合成气机压缩机循环段产生影响。

设计方案评价分析见表1。

表1 设计方案评价分析

续表

3 结语

通过对方案的分析评价，该设计方案满足钌基催化剂的试验条件，合成气压缩机功率消耗增加少, 对原装置影响小，氨净值提高可增加氨产量，降低吨氨能耗，同时具有装置投资较小、操作简便等优势，在经济性、操作性和试验性等方面均有优势，此方案经可行性研究及专家评审，具有可行性，但试验效果有待验证。如验证成功，氨合成铁基催化剂串钌基催化剂工艺对于目前国内运行的合成氨装置来说是一种高效节能的技术改造方案，有较好的推广价值。