6.8.3 氨合成工序的工艺流程
氨合成反应属于气固催化反应,是在变温变压条件下进行的。由于只有部分氢氮混合气合成氨,其中氨含量一般只有10%～20%,故必须分离氨后将氢氮混合气在系统中经循环压缩合成。为实现氨合成的循环,必须遵循以下几个步骤:
(1)氢氮混合气压缩并补入循环系统;
(2)进塔循环气的预热与氨的合成,出塔含氨混合气的降温冷凝与氨的分离,进塔循环气与出塔含氨混合气在循环系统中同时逆向流动并进行换热;
(3)热能的回收与利用;
(4)对未反应气体补充压力并循环使用;
(5)排放循环气的惰性气体,确保最佳氢氮比,稳定气体组分,以获得良好的合成效果。
工艺流程设计在于如何合理地安排上述五个步骤,以取得最佳的技术经济效益,同时在生产上稳妥可靠。
在氨合成工艺流程的循环系统中,需要连续补充新鲜氢氮混合气,新鲜气的补入需要选择合适的位置。由于新鲜气中不含氨,加入循环气中会降低氨的浓度,对氨的分离不利,所以从分离氨的角度考虑,理想的位置应是合成塔的进口。但是,新鲜气中含有对催化剂有毒的微量杂质,如水蒸气、CO 2、CO等,如果采用活塞式往复压缩机,不可避免还会含有油,这样入塔对氨的合成是不利的。到底在何处补入新鲜气,要视具体的流程而定。一般来说,若采用活塞式往复压缩机流程(中型规模),新鲜气在第一氨分离器后补入;若采用离心式压缩机流程(大型规模),新鲜气从压缩机上方补入,也有从合成塔进口补入。至于惰性气体放空,大多设在分离氨后的氨含量较低、惰性气体含量较高的位置。
下面介绍采用活塞式往复压缩机的氨合成工艺流程(图6-8)。
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图6-8 采用活塞式往复压缩机的氨合成工艺流程图
1—循环机；2—油水分离器；3—氨合成塔；4—合成废锅；5—塔前换热器；6—水冷却器；7—热交换器；8—冷交换器；9—第一氨冷凝器；10—补充气氨冷凝器；11—第一氨分离器；12—第二氨冷凝器；13—第二氨分离器；14—液氨冷凝器；15—冰机；16—小氨罐
此类流程由氨合成的循环系统和氨分离的冷凝循环系统组成。氨合成循环由循环机补偿压力;氨分离冷凝循环由冰机回收气氨为液氨,再循环使用。新鲜气的补入和惰性气体放空(去回收系统)均设在第一氨分离器之后与第二氨冷凝器之前的位置。
(1)新鲜气补入
甲烷化气(精炼气)中n(H 2)∶n(N2)=3∶1,经压缩机升压至15 MPa,温度为40℃左右,在气液分离器内分离油污和水汽后,进入补充气氨冷凝器进一步降温和除杂,之后直接在第一氨分离器后的管路上补入循环系统。
(2)氨合成循环
由循环机进行压力补偿后的循环气,其中氨含量为2%左右,压力为15 MPa,温度为35℃左右,经油水分离器分离其中的油水杂质后从氨合成塔塔底进入塔内的环隙预热,升温后的气体从塔上部进入塔前换热器,在这里被从塔底出来的高温气体加热升温至350℃左右后,分两路进入氨合成塔:一路为主线,从塔顶进入;另一路为副线,用以调节反应温度,从塔底进入。进入塔内的循环气,其中氢氮混合气在催化剂的作用下合成氨,从塔底出来。从塔底出来的高温气体,氨含量约为14%,被称为含氨混合气,简称混合气。混合气首先进入合成废锅以回收高位热能,产生中压蒸汽供系统使用。出合成废锅的混合气进入塔前换热器,通过加热进塔循环气而进一步降温。出塔前换热器的混合气进入水冷却器,用水将其冷却至大约30℃后进入热交换器,在这里与从冷交换器来的循环气进行热交换。出热交换器的低温混合气进入第一氨冷凝器,被冷凝后进入冷交换器,混合气中的气氨在这里被从第二氨分离器来的-5℃以下的低温循环气冷凝为液氨。出冷交换器的混合气进入第一氨分离器,大部分液氨被分离出来。出第一氨分离器的混合气含氨量较低,但惰性气体含量相对较高,故放空气回收系统设置在这里。又因分离氨后混合气的压力较低,故新鲜气在这里补入为宜。出第一氨分离器的混合气连同补充气一起进入第二氨冷凝器继续冷凝,出第二氨冷凝器的混合气进入第二氨分离器,进一步分离其中的液氨。出第二氨分离器的气体,氨含量为2%左右、温度在-5℃以下,被称为循环气。循环气从冷交换器下部进入,冷凝混合气后进入热交换器,在热交换器中被水冷却器来的混合气预热后进入循环机,进入下一个氨合成循环。从冷交换器,第一、二氨分离器分离出来的液氨进入液氨冷凝器,进一步冷凝后送去液氨库。
(3)氨分离冷凝循环
从小氨罐来的液氨,首先进入液氨冷凝器,随后分别从第一、二氨冷凝器下部进入其流程,通过汽化吸热以冷凝管程中的混合气。出第一、二氨冷凝器的气氨进入冰机,在压缩冷凝变为液氨后送入小氨罐储存周转,进入下一个氨分离冷凝循环。