1992年國內外第1家合成氨原料氣“雙甲”精制聯(lián)產(chǎn)甲醇工藝在湖南衡陽(yáng)市氮肥廠(chǎng)投產(chǎn)成功。該裝置1994年通過(guò)原化工部鑒定，列為國家科技部(九五、十五)重點(diǎn)推廣項目，2000年評為湖南省“科技進(jìn)步一等獎”。經(jīng)過(guò)10年的運行，“雙甲”工藝取得了很大的進(jìn)展：從4萬(wàn)噸合成氨“雙甲”精制能力發(fā)展到15萬(wàn)噸合成氨“雙甲”精制能力；聯(lián)產(chǎn)或副產(chǎn)甲醇從5 000 t／a發(fā)展到 30 000t／a。技術(shù)上通過(guò)幾次升級，實(shí)現跨越式的進(jìn)步。甲醇化反應器從￠800三段軸向升級為￠ 1 400多段軸徑向；反應壓力范圍從13MPa擴展到5.0～32MPa；副產(chǎn)品既可產(chǎn)甲醇，又可產(chǎn)醚含量很高的醇醚混合物。工藝指標更加先進(jìn)，能耗不斷降低，經(jīng)濟效益、環(huán)境效果更加顯著(zhù)，為今后推廣工作創(chuàng )造了條件。
“雙甲”精制工藝與氨合成在流程銜接、工藝指標確定、設備布置等方面緊密關(guān)聯(lián)，把“雙甲”精制與氨合成組成一個(gè)高壓圈進(jìn)行系統設計，更能突出“雙甲”精制工藝的優(yōu)越性。山西豐喜集團臨猗分公司的15萬(wàn)噸精制氨合成高壓圈(以下簡(jiǎn)稱(chēng)高壓圈)工藝，是近年“雙甲”工藝氨合成發(fā)展的一個(gè)實(shí)例。以下介紹該裝置的設計與運行。
1 工藝流程
高壓圈“雙甲”工藝流程見(jiàn)圖1。兩個(gè)甲醇化反應器可并可串，在此以并聯(lián)說(shuō)明流程：
含有H2、N2、CO、CO2、CH4、Ar的原料氣，其中CO、CO2占1％～8％，總硫1×10—6以下，分別經(jīng)閥A1、B1，換熱器(3)、(4)預熱至210～220℃，并聯(lián)進(jìn)入甲醇化反應器(1)和(2)，在210～260℃進(jìn)行甲醇化反應，生成粗甲醇；氣體中CO+CO2降至0.1％～0.3％，反應后熱氣體分別經(jīng)換熱器(3)、(4)冷卻至70～90℃，再經(jīng)水冷器(5)、(6)粗甲醇被冷凝；之后通過(guò)分離器(7)、(8)分離出粗甲醇，排至中間儲槽；氣體分別經(jīng)閥A2、B2匯集于M，經(jīng)閥C1和換熱器 (10)預熱至180～210℃，進(jìn)入甲烷化反應器(9)，在210～280℃進(jìn)行甲烷化反應，生成甲烷和水；經(jīng)換熱器(10)冷卻至70～90℃，又經(jīng)水冷器(11)冷卻至35～40℃，經(jīng)氨冷器冷卻至5℃，氣體中水分在分離器(13)中分離，氣體水分降至10—6級，經(jīng)加壓至20.0～30MPa進(jìn)入合成。
高壓圈氨合成流程見(jiàn)圖2。從“雙甲”系統精制后的合成氨精制氣從(0)點(diǎn)補氣與從循環(huán)機(7)出來(lái)的循環(huán)氣在油分離器(8)混合后，分成兩路，主路經(jīng)熱交(2)加熱至170～190℃，經(jīng)合成塔底(二進(jìn))進(jìn)塔內熱交；另一股未經(jīng)加熱(約40℃)經(jīng)合成塔底(一進(jìn))進(jìn)合成塔內外筒體環(huán)隙加熱后，進(jìn)入塔內冷管。2個(gè)調溫閥門(mén)A1、A2，用以調節進(jìn)入冷管的冷氣溫度，閥門(mén)A3及所在管線(xiàn)是升溫還原副線(xiàn)。
冷凍系統流程見(jiàn)圖3。合成循環(huán)氣經(jīng)氨冷器(1)被管外液氨(—5～—10℃)冷卻到0～—5℃，精制氣在氨冷器(2)被管外液氨冷卻5～10℃；氨冷器(1)的液氨被加熱，沿上升管升至閃蒸槽低溫段(3—1)，在此蒸發(fā)，其蒸發(fā)壓力約0.3MPa(絕)；氣氨進(jìn)相應壓力的1號冰機系統，加壓后進(jìn)水冷(4—1)冷卻，冷凝為液氨，節流后冷液氨加入到閃蒸槽(3—1)，從其下降管至循環(huán)氣氨冷器(1)，構成一個(gè)冷凍循環(huán)；氨冷器(2)的液氨被管內精制氣加熱，沿上升管升至閃蒸槽高溫段(3—2)，在此蒸發(fā)，蒸發(fā)壓力約0.45MPa(絕)；氣氨進(jìn)入2號冰機系統，加壓后進(jìn)水冷(4—2)冷卻，冷凝為液氨，經(jīng)節流為冷液氨，加入到閃蒸槽(3—2)，從下降管流入氨冷器(2)，構成另一個(gè)冷凍循環(huán)。
2 設計思想及特點(diǎn)
“雙甲”精制氨合成高壓圈的設計總目標是保證精制制度：CO+CO2≤12×10－6;保證總氨產(chǎn)量：合成氨產(chǎn)量，甲醇產(chǎn)量及醇氨調節范圍；降低能耗：噸氨電耗、氣耗、水耗以及回收蒸汽量。為此，設計應考慮如下問(wèn)題。
2.1 高壓圈與前工序緊密銜接
（1）臨猗工程中，造氣是焦炭固定層氣化，半水煤氣中CH4與Ar含量與用白塊煤氣化的半水煤氣不同。在設計合成系統流程與合成塔內件時(shí)，必須考慮這個(gè)因素。
（2）臨猗工程中采用可兩級脫硫，即粗脫和精脫，在甲醇化設計時(shí)，應根據總硫較低的情況設計其催化劑的使用和更換周期。
（3）臨猗工程采用2.1MPa級中低低變換、NHD脫碳，正常情況下變換氣CO均在2%以下，原料其在0.4%以下。在甲醇化設計時(shí)，應根據原料氣中CO、C、O2含量較低的情況，并考慮運轉的高效性和穩定性，高壓圈計算甲醇化和甲烷化能力為設計能力113%。
2.2 選用先進(jìn)的高效設備
高壓圈內按作用原理把設備分成反應設備、傳熱設備、分離設備及運轉設備。反應設備選用安淳公司ⅢJ的升級技術(shù)，ⅢJD￠400氨合成塔，ⅢJD￠400甲醇化塔，ⅢJD￠200甲烷化塔。其特點(diǎn)是多段、軸徑向、自卸催化劑。傳熱設備選用安淳公司開(kāi)發(fā)的新型高效熱交和冷交，臥式氨冷凝器，水冷采用臥式“U”形換熱器。其特點(diǎn)是換熱管均采用橫紋管或螺紋管，管外采用大小孔折流板或螺旋圈，換熱器整體幾何形狀為瘦長(cháng)形。其傳熱系數(K)提高15％～30％。分離設備選用安淳公司新開(kāi)發(fā)的凝聚旋風(fēng)式分離裝置，使液滴經(jīng)過(guò)凝聚、旋風(fēng)分離及過(guò)濾三階段，達到比較好的分離效果。循環(huán)機采用離心循環(huán)機，無(wú)油，占地面積小。
2.3 優(yōu)化系統流程
滿(mǎn)足正常運行要求，又要滿(mǎn)足催化劑升溫還原要求，還要合理安排設備的相對位置，循環(huán)氣 (40℃左右)直接進(jìn)熱交，使熱氣溫度降到80℃左右，減少熱損失和冷卻用量。如循環(huán)機位置在塔前，新鮮氣補在循環(huán)機之后，放空點(diǎn)在冷交(熱氣)后，使冷損失最少，循環(huán)機打氣量大、運行功耗小。
2.4 優(yōu)化設備布置和配管
臨猗高壓圈工程建在原老廠(chǎng)界區內的空隙地帶，面積狹小，設計在滿(mǎn)足工藝要求前提下，采用高效高徑比大的氣氣換熱器，層疊式布置。臥式“U”形水冷器、臥式氨冷和閃蒸槽，平面布置緊湊，管道管徑大小適中，選材恰當。現場(chǎng)走管橫平豎直，整體美觀(guān)。
2.5 設備露天化
為減少框架及廠(chǎng)房投資，除合成框架外，冷交、熱交等高大設備，依附其外筒本體設置鋼結構轉梯和檢修平臺，透平循環(huán)機設敞開(kāi)式棚架。
3 “雙甲”工藝及氨合成主要設備
“雙甲”工藝主要設備見(jiàn)表1。氨合成主要設備見(jiàn)表2。
4 運行情況
4.1 甲醇化部分
(1)氣體成分和產(chǎn)量 CO 1.9％～2.0％，CO2 0.2％，甲醇產(chǎn)量24～28 t／d，CO 3.8％～ 4.2％，CO2 0.2％～0.3％，甲醇產(chǎn)量63～66t／a。
(2)觸媒層溫度 零米200℃，各段進(jìn)口220℃，各段出口240℃。
(3)塔壓差0.25MPa。
4.2 甲烷化部分
(1)氣體成分 進(jìn)口CO 0.1％，CO2 0.1％，出口CO+CO2 10×10—6。
(2)觸媒層溫度 240～250℃。
(3)塔壓差 0.11MPa。
4.3 “雙甲”系統
該系統壓差為0.2～0.23MPa。
4.4 氨合成部分
(1)產(chǎn)量和系統壓力 最高產(chǎn)量435t／d，系統壓力19.5～20.2MPa，CH4 10％～11％；一般產(chǎn)量345～375t／d，系統壓力20.6～21.5MPa，CH4 13.5％～15.5％。
(2)壓差 塔壓差0.2～0.6MPa，系統壓差1.8～2.0 MPa。
(3)溫度 合成二出溫度330℃，二進(jìn)溫度180℃；進(jìn)水冷溫度～80℃，塔壁溫度34.5～ 75.3℃；零米溫度320～330℃，第一熱點(diǎn)溫度477～488℃；第二熱點(diǎn)溫度478～480℃，底點(diǎn)溫度470℃。
(4)氣量 新鮮氣由3臺壓縮機供給(4萬(wàn)噸氨／年、臺)；進(jìn)合成塔氣量216129m3(標)／h；分流氣量67000～68000m3(標)／h。
5 產(chǎn)量消耗及經(jīng)濟效益比較
2002年1～3月本系統(一分廠(chǎng))合成氨和精醇產(chǎn)量逐月上升，各項單耗基本穩定(見(jiàn)表3)。
豐喜集團臨猗分公司的合成氨有3套生產(chǎn)系統(分3個(gè)分廠(chǎng))，一分廠(chǎng)為2.1MPa等壓變換和脫碳，原料氣“雙甲”精制副產(chǎn)甲醇，ⅢJD￠400氨合成；二、三分廠(chǎng)工藝為0.8MPa全低變變換， 1.7MPaMDEA脫碳，12.5MPa銅洗精制，32MPa氨合成。主要消耗及成本比較見(jiàn)表4。
從以上對比可以看出，一分廠(chǎng)原料煤的消耗并不比二、三分廠(chǎng)低，由于采用了變換、脫碳等壓流程，降低了“雙甲”精制工藝及合成壓力，合成氨和尿素成本明顯降低。按年產(chǎn)12萬(wàn)噸合成氨能力計，年效益可達2000萬(wàn)元以上。同時(shí)，1～3月共副產(chǎn)精醇1 848.21噸，成本為1 112.62元／噸醇，若銷(xiāo)售價(jià)格按1 300元／噸，年產(chǎn)精醇按10000噸計，還可增加利潤187.38萬(wàn)元。
6 結束語(yǔ)
臨猗15萬(wàn)噸“雙甲”精制氨合成高壓圈是國內第1家大型“雙甲”工藝精制副產(chǎn)甲醇裝置，運行4個(gè)月來(lái)最高日產(chǎn)合成氨達435 t，日產(chǎn)甲醇65.88 t。該高壓圈合成系統壓力僅20～23 MPa，進(jìn)甲醇化CO含量達3.8％～4％，CO2 0.2％～0.3％，進(jìn)甲烷化CO 0.1％，CO2 0.2％，烷后氣CO+CO2 10×10－6左右，最高月產(chǎn)為2002年3月，產(chǎn)合成氨10212.2噸，精醇1193.04噸，合成氨噸氨煤耗1 586公斤，噸氨電耗1 431kW·h。由于能耗低、產(chǎn)品成本低、生產(chǎn)穩定、操作簡(jiǎn)便，與豐喜集團臨猗分公司兩套老系統比較有非常明顯的優(yōu)勢。這充分說(shuō)明15萬(wàn)噸“雙甲”精制氨合成高壓圈技術(shù)的先進(jìn)性、設計合理性、全廠(chǎng)各工序配套完整性以及管理的嚴謹性。可以預見(jiàn)，當滿(mǎn)負荷運行后，情況會(huì )更好，同時(shí)，在某些方面做些調整，還會(huì )創(chuàng )建國內外新記錄。
