合成氨聯醇傳統(tǒng)工藝流程為：12.5MPa脫碳氣→甲醇合成→銅洗→壓縮至31.4mPa→氨合成。這種流程不足之處為：①甲醇分離之后要設水洗。盡管醇后氣甲醇體積分數為0.5％，但它在銅液中累積，影響再生氣和精煉氣的質量，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、腐蝕性強，所造成跑、冒、滴、漏對環(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多，操作彈性小，平衡易破壞。難以長周期平穩(wěn)運行。

    為此，湖南安淳高新技術有限公司開發(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年國內外第1套雙甲工藝在湖南衡陽市氮肥廠投產，該工藝的特點是：甲醇化既可滿足產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。

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

1.1雙甲精制工藝路線的確定   

    雙甲精制工藝流程設置需滿足如下條件：

    (1)氨醇比可調  為滿足甲醇市場變化的需要，甲醇產量可大可小，以確保企業(yè)獲得最大限度的經濟效益。氨醇質量比定在15∶1～4∶1，即醇產量可在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，又要使甲烷化反應外供熱較小。較為經濟的指標是：醇后氣體積分數中CO控制在0.2％～0.4％，CO₂控制在0.1％以內。甲烷化消耗的H₂噸氨控制在48m³以內。甲烷化出口V(CO+CO₂)≤10×10^－6。

    (3)實現長周期平穩(wěn)運行。

    (4)系統(tǒng)阻力小。

    (5)提高甲醇觸媒利用率。

    為此，將雙甲精制工藝設置為甲醇Ⅰ、甲醇Ⅱ、甲烷化Ⅲ3個子系統(tǒng)。脫碳氣精脫硫后(S≤0.1×10^—6)經壓縮提壓后進雙甲的甲醇化，醇后氣中V(CO+CO₂)在0.3％～0.5％，再進甲烷化。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個子系統(tǒng)甲醇Ⅰ、甲醇Ⅱ，可并、可串，2個子系統(tǒng)串聯時亦可前后倒換。在氨醇比較小時，甲醇工系統(tǒng)以產醇為主，甲醇Ⅱ系統(tǒng)以凈化精制為主；氨醇比較大時，或另一子系統(tǒng)換觸媒時，亦可單子系統(tǒng)運行。如果其中一爐甲醇觸媒活性發(fā)生變化，就將該子系統(tǒng)串聯在前，活性好的甲醇子系統(tǒng)串聯在后，讓活性變化的甲醇觸媒充分發(fā)揮作用，以保護活性好的甲醇觸媒，提高甲醇觸媒的利用率，降低運行成本。

    為了適應醇氨比較大的情況，該工藝設置了雙甲循環(huán)機，既可供單個子系統(tǒng)循環(huán)，亦可供雙系統(tǒng)串聯循環(huán)，同時還可滿足甲醇、甲烷化觸媒升溫還原的需要。這樣設置的雙甲精制工藝可實現長周期平穩(wěn)、經濟運行。雙甲流程示意見圖1。

1.2  雙甲精制工藝壓力等級的確定

    根據該廠壓縮機壓力等級配置情況，本設計把雙甲精制工藝壓力等級定在壓縮機五段出口，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都較高。如果在13.0MPa壓力下CO的轉化率為84％，則在5.0MPa壓力下CO的轉化率僅為36％^「1」，故壓力不宜選擇5.0MPa。   

    (2)對提高粗甲醇質量有好處。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。

    (3)壓縮機能耗問題。雙甲系統(tǒng)在31.4MPa和12.5MPa壓力下，壓縮機六段對氣體所做功的比較見表1。

    按產粗醇3.21萬t／a、合成氨12萬t／a計，需脫碳氣60 850m³／h，烷后氣50 430m³／h。比較兩種工況，前者比后者每小時壓縮機六段對被壓縮氣體所做的功多360.2kW·h。按壓縮機的實際功耗計，后者比前者每小時節(jié)電400kW·h以上。從壓縮機的電耗考慮，雙甲工藝壓力等級宜選擇12.5MPa級。

    (4)為減小雙甲系統(tǒng)阻力，配合內件結構特點設置全分流流程，即15％～35％冷管氣在塔外分流，使進塔前預熱器、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

    一個優(yōu)良的氨合成工藝路線主要體現在：①系統(tǒng)阻力小；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。

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

    從流程圖可以看出，在工藝路線設計上，采取了如下措施：

1.3.1  配合內件結構特點設置全分流流程

    20％～35％冷管氣塔外分流，使進塔前預熱器、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320～350℃，有利于以廢熱回收器產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換熱，冷氣冷端溫度只有35℃，使進水冷器的合成氣溫度降至80℃，合理利用了較低品位熱量。該流程不需設置軟水加熱器，減少了設備投資。

1.3.2  在冷交換器進行第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)逆向換熱后進下部分離段。合成氣在冷交換熱段進一步降溫，氨進一步冷凝，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氨分離器進行第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)機位置在合成塔前氨分離之后

    循環(huán)機對氣體做功120～156MJ，加上循環(huán)機機械磨損產生的熱量，使被壓縮氣體溫度上升10～16℃。循環(huán)機對被壓縮的氣體做功產生的熱量為噸氨250MJ。如果按傳統(tǒng)流程需消耗標準冷凍量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  放空位置設在冷交分氨之后氨冷器之前

    放空位置設在冷交分氨之后氨冷器之前，已有72％以上的氨冷凝并分離，氣體中氨體積分數較低，為6.5％，而甲烷體積分數最高，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  反應器

    (1)氨合成塔  公稱直徑為DN1 400，此內件系在ⅢJ-99型內件基礎上優(yōu)化而成的ⅢJD型高效節(jié)能內件。其結構為四軸一徑，第1、2、3層為軸向段間冷激，第4層為軸向冷管換熱，第5層為徑向層。該內件觸媒裝填量大(14.2m³)，設計合理，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)甲醇塔內件  公稱直徑為DN1 400，此內件吸收ⅢJD型氨合成高效節(jié)能內件優(yōu)點并結合甲醇合成反應特點。其結構為四軸一徑，第1、2、3層為絕熱層，第4層為冷管層，第5層為徑向層。該內件具有觸媒裝填量大(14.3m³)，設計合理，適合氨醇比調節(jié)范圍大的特點，床層溫度控制自如，床層阻力小，且觸媒可自卸。

    (3)甲烷化塔內件  公稱直徑為DN1 200，此內件根據甲烷化反應特點，設置3個絕熱段，二軸一徑，設計合理，床層溫度控制自如，床層阻力小，且觸媒自卸。

2.2  醇(甲烷)塔前預熱器和冷、熱交換器

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

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，設計了“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

    設計為“U”形管臥式結構，高壓氣體走管內，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場衛(wèi)生問題。

2.5  分離器內件

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

    從2001年12月投產至今，雙甲氨合成系統(tǒng)始終運行平穩(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的變化，對幾種典型的運行情況總結如下：

3.1  雙甲工藝運行

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

    (1)進甲醇系統(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，烷后氣V(CO＋CO₂)≤10×10^—6。該工況運行甲醇化塔既不帶電爐，也不開甲醇循環(huán)機，氨醇比約14～9.5∶1，副產甲醇成本最低，日產甲醇26～38t，并且烷后氣CH4增加量不大，噸氨補充氣消耗也較低，系統(tǒng)壓差≤0.3MPa。

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

    (3)變換出現故障，脫碳氣CO偏高，體積分數達6.0％以上，粗甲醇產量達115～120t／d，采用雙塔串聯。其中第1個塔以產醇為主，開3臺4m³／min循環(huán)機循環(huán)，第2個塔以凈化為主，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月脫碳出現故障，脫碳氣體積分數中，CO在2.0％，CO₂高達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)運行，烷后氣V(CO＋CO₂)不超過12×10^—6。

3.2氨合成運行   

    氨合成系統(tǒng)通過18個月的運行，有四大優(yōu)點：①運行壓力低、系統(tǒng)壓差小、塔壓差小；②氨凈值高，系統(tǒng)在低壓下運行，氨凈值保持在12％以上；③調溫手段靈活，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體積分數僅7％～9％，滿負荷運行，日產合成氨為350～380 t，系統(tǒng)壓力不滿20.5MPa，塔壓差0.7MPa以內，系統(tǒng)壓差1.1MPa。其中在2月，有半個月時間，氨合成系統(tǒng)日產合成氨達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數達1.2％～1.5％，氨合成系統(tǒng)CH₄體積分數控制在17％～18％，日產合成氨為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％，熱點溫度一直穩(wěn)定在460～470℃，爐溫容易控制。

    該廠生產系統(tǒng)有3個分廠，由于采用的工藝不同，各項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件，三分廠合成塔為軸徑向內件。各廠生.產消耗和成本比較見表3、表4。

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

    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。砍掉銅洗工段，噸氨節(jié)約成本45元左右。此兩項噸氨節(jié)約成本在80元以上。按12萬t／a合成氨能力計，年效益可達980萬元左右。

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

    豐喜集團臨猗分公司這套總氨15萬t／a雙甲氨合成的設計匯集了國內有關最前沿的技術。通過18個月的運行證明：該聯合裝置能應對較為復雜的工況變化，運行平穩(wěn)；雙甲精制工藝，不但不耗銅、酸、氨及蒸汽，而且還副產甲醇，同時又是一個環(huán)保工程，無污染；ⅢJD氨合成系統(tǒng)技術運行壓力低、氨凈值較高，動力電耗大為降低，為該廠穩(wěn)定生產、節(jié)能降耗起到關鍵性的作用。