新型氨合成塔内件的应用与研究总结报告

新型氨合成塔内件的应用与研究总结报告

1项目立项背景

永骏化工在原西平第一化肥厂基础上，于2003年投资扩建，2006年竣工投产，拥有年产10万吨合成氨、13.2万吨尿素，3万吨粗甲醇的能力，合成车间包括甲醇、精炼、合成、氨库、压缩等四个工段。从2006年6月投产运行至2014年5月，合成高压圈系统存在以下问题：

1、合成塔塔压差大、系统压力高，合成塔内件易出现问题且不易查明解决；

2、合成触媒使用周期短，使用效果差；

3、合成氨产量低。

2原因分析

2.1原合成塔采用湖南安淳高新技术有限公司IIIJ99-Ø1200内件，2006年竣工后投产使用至今，用8年多时间，已到更换周期。此内件塔压差较大，系统压力偏高，动力消耗大，影响公司经济效益，另外，调节手段单一，塔内部易出现问题，且不能有效分析查找原因，给生产带来一定难题。

2.2原塔催化剂颗粒设计不合理，反应活性差，加不上循环量，系统压力高，动力消耗高，氨合成率低，产量较低，严重影响公司经济效益。

2.3外管线根据原IIIJ99-Ø1200内件设计，不符合新改造内件要求。与南京国昌结合后，根据塔内件气体走向改造外管线。

3项目技术方案及实施效果

3.1合成塔内件改造

本次合成塔内件改造为南京国昌化工科技有限公司提供的GC-R112型Ø1200氨合成塔内件，主要工艺原理及特点如下：

3.1.1．氨合成工艺

合成氨回路是将经过造气、净化等工段制得的合格原料气中的氢气、氮气在氨合成塔内高温、高压环境和催化剂的作用下转化成氨，其化学反应可用下式表示：

N

2 ＋ 3H2 2NH

3 + 46.22 KJ/mol

反应所生成的氨经过冷却分离，可以得到

产品液氨，由于合成氨反应是可逆反应，

受转化率的限制，原料气中的氢气、氮气

不可能一次完全转化为氨，因此分离产品

液氨后所剩余的氢氮气必须用循环机进

行循环回到氨合成塔内再反应，并不断地

补充原料气（也称新鲜气），不断地分离

出产品液氨，周而复始地循环，这就是我

们通常所说的合成回路。

3.1.2轴径向氨合成塔

本回路的核心设备氨合成塔也是采用先

进的轴径向技术，由南京国昌化工科技有

限公司开发的GC-R112YZ型φ1200氨合

成塔，这种塔型具有阻力低、净值高、操

控维修方便的特点，并具有催化剂自卸功

能。合成塔由外筒和内件构成，外筒净高

16m，内件中有三层绝热型催化剂床，共

装有～10.0 m3左右的铁系氨合成催化剂。最上面一层为轴向层，而下面的二层为径向层。轴向层与径向层之间装有层间换热器用于调节第一径向层进气温度；在第一径向层和第二径向层，装有一个的内冷激分布器来调节第二径向层进口温度。三个催化床的温度可以分别调节，第1催化剂床入口温度通过零米副线（f0）阀调节，第2催化剂床的入口温度通过层间换热器冷气（f1）阀调节，第3催化剂床的入口温度由冷激气（f2）阀调节。

3.1.3操作变量分析

合成氨反应是一个可逆的、放热的、体积缩小的化学反应，合成塔内温度、压力、流量以及气体组成等任何条件的改变都会对合成反应发生影响。

3.1.3.1温度

温度的变化对合成氨反应的影响有两个方面，它同时影响平衡浓度及反应速度。因为合成反应是放热的，温度升高会促使反应向吸热反应方向进行，平衡浓度会降低，但同时又使反应加速。这表明，在远离平衡的情况下，温度升高时合成效率就比较高，而另一方面对于接近平衡温度升高时合成效率反而较低。这也就是“随着催化剂的衰老必须采用提高的反应温度”的理论依据所在。

3.1.3.2压力

氨合成反应是体积缩小的反应，提高压力会提高氨的平衡浓度，同时反应速度也增加。因此，提高压力有利氨的合成。

3.1.3.3空速

在较高的工艺气速（空间速度）下，反应时间较短，出口氨浓度就不象低空速那样高，但由于有较多的气体经过合成塔，所增加的氨产量足以弥补因停留时间短反应不完全而引起的产量的降低。所以，在正常的产量或低于正常产量的情况下，其它条件不变时，增加合成塔的入塔气量会提高产量。

通常是采取改变循环气量的办法来改变空速的，循环量增加是由于单程合成效率降低（催化剂层温度会降低），而单位时间总的氨产量是增加。

3.1.3.4氢氮比

送往合成回路的新鲜气的氢氮比通常维持在3.0左右，这是因为氢与氮是以3：1比例合成为氨的。但是，应该指出：在合成塔中的氢氮比不一定是3.0。据合成氨催化剂动力学实验，氢氮比在2.7～2.9范围的反应速度最大；而在已经发现的合成塔内氢氮比为2.5～3.0时，合成效率最高。为使进入合成塔内气体达到最好的氢氮比，新鲜气中的氢氮比可以稍偏离3.0。

3.1.3.5惰气含量

对于氨合成反应来讲，除氮气、氢气、氨以外，其他如甲烷、氩气等都属于惰性气体，它们在合成回路中积累起来会降低合成效率，同时使回路压力升高及生产能力下降。因此必须连续地将一部分气体驰放出合成回路，控制甲烷及其它惰性气体的含量。惰性气的含量从理论上讲越低越好，但随着放空量的加大，有效气（氢气、氮气）损耗也随之加大，尽管有氢回收系统，但仍存在压力损失及能耗损失，因此应根据生产负荷，催

化剂使用年限等因素的变化，调节至较为经济的惰性气体含量。通常生产负荷较轻、催化剂活性较高时，惰性气体含量可以控制的较高一些。

3.1.3.6新鲜气量

在正常操作条件下，新鲜气的流量加大可以生产更多的氨，并对前述条件产生以下影响：系统压力增大；催化剂床温度升高；惰性气含量增加；氢氮比可能改变。反之，合成新鲜气量减少，效果相反。

新鲜气量决定了合成氨产量，同时新鲜气量受前面造气工序所制约。

3.1.3.7氨冷温度

氨冷温度决定了循环气中氨的含量，从合成氨反应来讲，入塔气（即循环气）中的氨含量越低越好，有利于提高氨净值，增加产量或降低循环功耗，但较低的氨的含量依赖较低的氨冷温度，势必增加冷冻氨量和冰机用电消耗。

3.1.3.8产汽压力

产汽压力除了影响吨氨产汽量，还会影响合成塔及回路的热平衡，产汽压力低，吨氨产汽量就会增高；废锅回收余热量大，进塔外换热器的气体温度就会降低，造成合成塔二进温度也随之降低，当低到一定程度，就会影响合成塔的自热平衡。反之，如果产汽压力过高，则吨氨产汽量就会减少，热回收效率下降，严重时，塔外换热器需开冷气旁路，造成进水冷器的气体温度升高，循环水耗量加大，因此，应根据不同时期的操作工况，在产汽压力在可调范围内合理调节，使回路达到最佳的操作状态。

3.1.4改造后效果：于2014年7月改造后投入运行，合成系统稳定