近年來(lái)，通過(guò)總結ⅢJ系列內件在全國合成氨行業(yè)近400多臺次和廠(chǎng)家的運行經(jīng)驗，汲取20世紀90年代以來(lái)國際國內先進(jìn)技術(shù)以及國內引進(jìn)的大型氨廠(chǎng)合成塔運行經(jīng)驗，對氨及甲醇合成塔進(jìn)入大型化、配套的系統進(jìn)入大型化、單套生產(chǎn)能力更大等方面進(jìn)行了廣泛的研究和技術(shù)對比后，開(kāi)發(fā)了DN2400、DN2200、DN2000、DN1800等系列氨合成系統；開(kāi)發(fā)了DN2800、DN2200、DN2000等系列單醇和聯(lián)醇的大合成系統。

甲醇或氨合成系統技術(shù)相繼在山東瑞星化學(xué)工業(yè)集團公司、山東德齊龍化工有限公司、河南心連心化工有限公司、江蘇新沂恒盛化工有限公司、山東華魯恒升化工有限公司、山西晉城天脊集團、山西晉豐集團、福建三明化工有限公司等廠(chǎng)先后投入使用或進(jìn)行設計。

    本文就安淳公司的技術(shù)進(jìn)行介紹。以利于了解本技術(shù)，對選擇本技術(shù)及產(chǎn)品提供參考。

1  氨（醇）合成塔內件的研究

    氨（醇）合成系統中的合成塔內件是氨（醇）廠(chǎng)生產(chǎn)中最重要的設備之一，我們調研了國內外各種不同類(lèi)型內件的設計及使用情況后，于1986年研究設計了一種新型內件，其中DN600－ⅢJ型氨合成塔內件于1988年投入運行，投產(chǎn)后，立刻在全國同行業(yè)大面積推廣。先后獲得多項國家專(zhuān)利，1990年通過(guò)化工部科技鑒定，鑒定認為：“該內件工藝思想及技術(shù)為國內外首創(chuàng )，主要技術(shù)指標取得了突破性進(jìn)展，達到國際先進(jìn)水平。”該技術(shù)多次為國家級重大科技成果重點(diǎn)推廣項目，技術(shù)成果參加過(guò)維也納、吉隆坡國際新技術(shù)新產(chǎn)品展覽，獲國家級新產(chǎn)品稱(chēng)號、1995年獲國家科技進(jìn)步二等獎（迄今為止，國內合成塔內件的最高獎勵）、中國專(zhuān)利技術(shù)金獎、湖南省科技進(jìn)步一等獎。現在有近400多家合成氨廠(chǎng)使用該技術(shù)及產(chǎn)品。該型塔的顯著(zhù)特點(diǎn)是氨凈值高（氨凈值一般在15%以上），單塔生產(chǎn)能力大。湖南衡陽(yáng)市氮肥廠(chǎng)、山東新泰化肥廠(chǎng)、湖北荊門(mén)一化、河南商水化肥廠(chǎng)等廠(chǎng)φ600mm塔日產(chǎn)平均達100t氨以上；φ800mm合成塔在安徽渦陽(yáng)化肥廠(chǎng)、天津堿廠(chǎng)、河南新野化肥廠(chǎng)、湖南汩羅氮肥廠(chǎng)等廠(chǎng)日合成氨產(chǎn)量達140～170t，氨凈值約16%；后來(lái)經(jīng)過(guò)改進(jìn)，又設計制造了ⅢJ-99(A)、ⅢJ-99(B)、ⅢJ-99(C)等三種φ1000mm合成塔內件和ⅢJ-99φ1200mm合成塔內件，催化劑裝填量分別為5.8m³、6.8m³、7.8m³和11.4m³，年合成氨設計能力分別為60kt、80kt、100kt和120kt。在成都化肥廠(chǎng)、重慶潼南化工總廠(chǎng)、山東魯西化工集團公司、湖南臨湘氮肥廠(chǎng)、四川美豐化工股份有限公司、大乘資氮集團、福建永安智勝化工聯(lián)合公司、山東瑞星化工集團公司、山東嶧山化工集團公司、山東壽光聯(lián)盟化工集團公司、山東明水化肥廠(chǎng)等廠(chǎng)投產(chǎn)后效果都很理想。

    近年來(lái)開(kāi)發(fā)的φ2200mm、φ2000mm、φ1800mm、φ1600mm、φ1400mm等系列ⅢJ型大直徑氨（醇）合成塔內件，正是上述成功經(jīng)驗的總結和技術(shù)升華。它既是原技術(shù)思想的總結和優(yōu)化，也是多年合成系統開(kāi)發(fā)研究的成果發(fā)展。

1.1  內件研究的指導思想

    氨合成反應是一個(gè)可逆放熱反應，必須在高壓、適宜的溫度和催化劑條件下才能進(jìn)行。作為反應器的內件結構設計，必須從理論上、實(shí)用上、經(jīng)濟上系統地、全方位辯證地進(jìn)行考慮，盡量做到以下幾點(diǎn)：

    （1）容積利用系數要高；

    （2）催化劑利用系數要高反應氨凈值高；

    （3）催化劑升溫還原要容易；

    （4）操作彈性要好；

    （5）內件結構要簡(jiǎn)單可靠；

    （6）內件的催化劑床層阻力要小；

    （7）熱回收率要高；

    （8）裝卸催化劑要容易。

    以上8個(gè)方面要全部滿(mǎn)足，有一定的難度，因為其間存在著(zhù)一些互相制約的條件，關(guān)鍵是如何調解制約因素，采用辯證思維達到整體最佳的目標。ⅢJ系列內件正是在這些相互約束條件下，綜合優(yōu)化考慮進(jìn)行設計的。

1.2  氨（醇）合成塔內件三種基本形式評述

    氨（醇）合成內件的型式很多，就其共性而言，任何形式的可逆放熱反應器，開(kāi)始都是絕熱反應，直至達到催化劑的熱點(diǎn)溫度為止，此時(shí)的氨含量有7%～8%。即只占全塔反應量的35%～38%。要繼續進(jìn)行反應，必須移走反應熱，降低反應溫度。

甲醇反應器除了少量諸如利用高溫水來(lái)調節床層溫度的等溫式合成反應器外，絕大部分的合成反應器為氣固反應床層的反應器。一般設有多段反應床，中間設移走熱量的機構。

     就其反應熱移走的方式來(lái)評述，有段間換熱移熱方式、內部換熱移熱方式、冷激移熱方式等三種基本型式，目前在用的主流內件均是這三種形式的組合或變形。這三種型式，如用上述8項標準來(lái)評價(jià)，各有優(yōu)缺點(diǎn)。

1.2.1 段間換熱式

    即在催化床層間設置間接換熱器，絕熱反應一次，溫度升高，在換熱器內冷卻，再絕熱反應。它的優(yōu)點(diǎn)是在段數多的情況下，反應接近最適宜溫度曲線(xiàn)。段數越多，反應曲線(xiàn)越接近最適宜溫度曲線(xiàn)，并且反應速度越快，氨凈值越高。但它的缺點(diǎn)是換熱器占了一定空間，催化劑裝填量將減少，且段數越多，催化劑越少；段數越多，內件越復雜，維修裝配越難。例如一個(gè)采用三段段間換熱型的內件，比其他型式的三段式內件要少裝15%～25%的催化劑。

1.2.2 冷激式

    即氣體在催化劑筐中絕熱反應一次，溫度升高后，便用未反應的冷氣體為已反應的高溫氣體直接混合降溫，再反應，再直接降溫。冷激式最大優(yōu)點(diǎn)是結構簡(jiǎn)單（國內目前一種推廣面較多命名為“軸徑向型”的塔主要為冷激式降溫），催化床層內每段除了冷熱氣混合分布器之外，沒(méi)有其他部件；第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是催化劑裝得多，例如以同樣的φ600mm塔配的四段冷激內件，催化劑裝填量為1.55m³，冷激式最大缺點(diǎn)是每冷激一次，混合氣體中氨稀釋一次，故氨凈值降低了，也帶來(lái)了同樣產(chǎn)量下循環(huán)量增大的問(wèn)題，而循環(huán)量增大將直接造成熱回量減少。這也是冷激式塔型的熱回收率量低于其他塔型的原因之一。

    對于小型塔來(lái)說(shuō)，冷激式的花板和分布器裝拆困難，催化劑裝卸也困難，且段數越多，裝拆越困難。塔的操作彈性也小，總氣量，冷激氣量，溫度，氨含量關(guān)聯(lián)太密切，太靈敏，以致操作調節的速度難于跟上溫度變化速度。

1.2.3 內部換熱式（內冷式）

    將一定數量管子埋在催化床層內，氨合成反應一邊進(jìn)行，熱不斷被管內冷氣（間接傳熱）移去。它適應于可逆放熱反應的特點(diǎn)。隨著(zhù)反應的進(jìn)行，氨含量增加，放出的熱量不斷被移走，使溫度下降。內冷式相當于“無(wú)級”的段間換熱式，因此它的最大優(yōu)點(diǎn)為反應溫度最為接近最適宜反應溫度曲線(xiàn)，氨凈值較高。ⅢJ系列內件氨凈值最高達16%。內冷式的缺點(diǎn)是結構比冷激式復雜，冷管占據了部分空間，催化劑裝填量少。用上述相同的φ600mm塔,一般只裝催化劑1.3～1.38m³，較好的裝1.46～1.58m³。其次有管壁效應，冷管直通床層底部，一部分氣體沿著(zhù)管壁流下，致使這部分氣體未達到較高的合成率而流出去了，還有在管壁處附近的催化劑由于還原時(shí)溫度指標無(wú)法達到要求，使此部分催化劑還原不徹底。因此舊式冷管內件，實(shí)際氨凈值卻不高。舊式冷管內件管子太長(cháng)，又是與筒體或中心管連接的，在溫度變化時(shí)，冷管容易拉裂。

    ⅢJ型為改良的內冷式內件，采用了改良冷管式結構，綜合了上述三種形式冷卻方式的優(yōu)點(diǎn)，克服了傳統內冷式內件的缺點(diǎn)，使氨凈值達到15%～16%，冷管不斷裂，升溫還原關(guān)閉冷氣，冷卻器周?chē)鸁o(wú)過(guò)冷現象。

    由上綜合評述，內冷式通過(guò)改良，不失為一種良好形式，有許多優(yōu)點(diǎn)；冷激式有其優(yōu)點(diǎn)，但存在缺點(diǎn)相對較多，例如Topsφe的S-200內件為兩段冷激式，由于段數少，氨凈值只有13.36%。Casale為我國φ1000 塔提出的改造方案，采用兩段冷激式，其氨凈值也只有14%。例如 Unde公司幫助 IGSAS工廠(chǎng)將原三段冷激式改為三段間冷式，出口氨濃度由16.3%增加到18.7%(進(jìn)口氨3%)。國內在φ800mm和φ600mm塔上用過(guò)三段間冷式，中間裝二個(gè)列管換熱器，第三段的催化劑裝卸很困難。實(shí)際氨凈值也不理想。

1.3  合成塔選擇中幾個(gè)問(wèn)題的討論

    我們是很早在注重合成塔內件的同時(shí)，注重進(jìn)行合成系統開(kāi)發(fā)的公司。我們認為氨合成系統高壓圈中，特別是合成塔內件為系統的關(guān)鍵設備，因而設計和選擇顯得非常重要。但系統是保證熱回收、冷回收、能量節約和內件催化劑效率發(fā)揮不可或缺的重要因素。

    我們結合多年來(lái)從事合成塔設計的經(jīng)驗，在確定了合成系統總規模和配套系統的情況下，合成塔及合成系統的選擇有下列問(wèn)題可供討論。

1.3.1  高徑比的選擇

    我國目前中、小合成氨廠(chǎng)的合成塔受我國早期國內高壓容器制造技術(shù)和制造能力的限制，往往將合成塔做成“瘦高型”（高徑比達15以上），這種塔型幾乎占據了全國中、小型合成氨廠(chǎng)的合成工段，也給使用和設計者造成了一種“思維定勢”。近年來(lái)隨著(zhù)國外技術(shù)的引進(jìn)，設備制造業(yè)的進(jìn)步，國內大型合成塔的制造工藝和材料的問(wèn)題得到了解決，因而新上的合成塔較多地選擇低高徑比（高徑比小于10）的塔型，這樣有利于將合成塔阻力降，由傳統型塔的催化劑床層阻力1.0~1.8MPa降至僅有0.2~0.6MPa。

1.3.2  徑向筐的設置

     改變高溫反應氣在內件中的流動(dòng)方向，設置催化劑床層徑向筐，以利于降低阻力，也是目前運用較多的技術(shù)。但如果徑向筐設置過(guò)長(cháng)，也有運行操作彈性差、氣體分布不易控制、催化劑利用系數低、有效高壓容器利用系數小等缺點(diǎn)。只有合理地設置徑向筐和徑向分布器才能帶來(lái)優(yōu)勢。我公司近十年來(lái)徑向合成塔推廣了近二百個(gè)塔和廠(chǎng)家，積累了一些經(jīng)驗，目前徑向氣體分布技術(shù)已相當成熟。本方案采用大直徑的合成塔更有利于采用徑向流技術(shù)。現已經(jīng)將DN2200、DN2000、DN1800、DN1600或DN1400塔設置的徑向段高度占總床層高度在65%以上，較多地運用“一軸三徑”、“二軸三徑”、“二軸二徑”等塔型式，部分塔型的徑向筐設置為全部徑向型的塔。

1.3.3  催化劑生產(chǎn)強度的選擇

     目前我國中、小合成氨廠(chǎng)的合成塔催化劑生產(chǎn)強度大部分廠(chǎng)家達40~50 t/（m³·d），少數廠(chǎng)曾經(jīng)高達60~70 t/（m³·d）。使每m³催化劑的平均壽命在20kt氨左右，這樣勢必造成頻繁換催化劑，運行的空速也很大，系統及內件的阻力也很高，這是一種高產(chǎn)、高消耗、低效益、“拚設備”的老生產(chǎn)模式。這種作法在小塔型、小能力的合成氨廠(chǎng)短期內尚可有短期的效益，但大型塔和新制設備、大能力的廠(chǎng)家應杜絕此方式。國外引進(jìn)的15~22MPa級的合成氨裝置催化劑生產(chǎn)強度只有15~20 t/（m³·d），一個(gè)內件、一爐催化劑可連續運行8年以上，每1m³催化劑生產(chǎn)氨達50kt左右。30MPa級的合成壓力，催化劑生產(chǎn)強度定位在25 t/（m³·d），較符合國際先進(jìn)的節能思維模式。選擇大直徑、小的高徑比、多裝催化劑的塔方案正是基于此考慮。

1.3.4  空速的確定

     低空速運行有利于降低系統阻力，提高氨凈值，節約電耗。目前大化肥廠(chǎng)的合成塔運行空速在8000 h^－1左右（15~22MPa壓力級）。ⅢJ系統方案空速定位盡量小。計算得知，如果氨凈值在14%，較多的場(chǎng)合，運行空速在9000 ~12000h^－1范圍較為合適。

1.3.5  合成塔內件阻力降

    多裝催化劑、裝相對小顆粒的催化劑有利于提高反應效率，降低空速。但裝顆粒過(guò)小的催化劑，容易堵塞徑向筐小孔，反而使阻力升高。應謹慎選擇催化劑的裝填粒度。合成塔的“高徑比”是一重要影響參數，理論和實(shí)踐證實(shí)，當內件的高徑比大于11時(shí)，不多設徑向筐，要將內件阻力降至0.6MPa以下較為困難。ⅢJ方案選擇大塔、小高徑比、多徑向段、低空速的催化劑筐也正是為這一目的。

1.3.6  根據催化劑配套設計

    需催化反應的任何工業(yè)裝置，反應器的設計均應和催化劑的特性相匹配，高活性、寬耐溫區、高強度、低阻力的催化劑是催化劑研究設計者所追求的，也是合成塔內件設計者所希望的。ⅢJ方案考慮配套選用345~495℃的寬溫區內活性均高抗毒性強的強化磨角型催化劑。據此而設計內件、將各段床層的高度分配進(jìn)行優(yōu)化。

基于上述三種型式內件優(yōu)劣的分析和內件選擇的討論，又考慮到國內外使用這三種內件以及由此派生的冷激—間冷內件的實(shí)際效果，我們研制ⅢJ型氨合成塔內件。其總體工藝及設備的構思如下。

    用一個(gè)獨立導入冷氣的冷卻組合元件來(lái)代替多個(gè)間冷換熱器（大直徑的塔型這個(gè)段間換熱器可以使氣體實(shí)現徑向流），催化劑床層由上絕熱層—第二絕熱層—第三絕熱層—內冷層—下絕熱層組成；它是一個(gè)既有無(wú)級間冷，又有冷激內冷組成、氣體流向大部分采用徑向流動(dòng)方式（一軸三徑、三軸一徑、二軸二徑或二軸三徑等床層）的反應床層。它充分發(fā)揮了三種換熱形式的優(yōu)點(diǎn)，克服了他們各自的缺點(diǎn)，成為一種低空速、高凈值、低阻力、高產(chǎn)量、節能、結構簡(jiǎn)單可靠的較理想內件。

1.4  內件的主要特點(diǎn)（圖1）

 

1.4.1 一個(gè)獨立的氣體冷卻組合器構成四段或五段反應器

    對于氨合成這樣可逆放熱反應，如果要求其合成率較高，或一定催化劑量條件下，生產(chǎn)能力較大，必須采用多段反應，且段數越多，合成率越高。但段數越多，結構越復雜。ⅢJ-99和ⅢJ內件在催化床內只安排一個(gè)類(lèi)似冷管換熱方式的冷卻組合器，即構成一個(gè)包含有上絕熱層—第二絕熱層—第三絕熱層（四段塔無(wú)此層）—內冷層—下絕熱層等五段的反應器。反應溫度能比較逼近理想曲線(xiàn)。冷卻組合件結構簡(jiǎn)單，與內件筒體無(wú)焊接點(diǎn)，可以自由放進(jìn)和拉出。隨著(zhù)溫度的變化，可以自由伸縮。組裝、拆卸容易，比組裝多段冷激式內件的各段冷激分布器還要方便簡(jiǎn)單。

1.4.2  分流工藝 

    傳統的氨合成塔內件，冷管內的未反應氣體100%都是經(jīng)過(guò)了下部換熱器加熱之后再進(jìn)入冷管束的。ⅢJ內件則完全不同，未反應的氣體是分成兩股，分別并流進(jìn)入下部換熱器和冷管束。這樣帶來(lái)很多的好處。

    ① 冷管束內冷氣溫度很低， 50～180℃，傳熱溫差很大，一定的熱負荷下需要的冷管面積大幅度減少。加之冷管段安排在第三或第四段，單位催化劑反應量減少，反應放出熱量少，需要的冷管面積更少。因此，冷管根數少，冷管短，占用床層空間少，催化劑裝填量多。

    ②下部換熱器熱負荷減輕。傳統的工藝是100%未反應冷氣，通過(guò)下部換熱器加熱。而ⅢJ-99和ⅢJ-2000內件經(jīng)過(guò)此處的未反應冷氣只有50％～60％。需要的換熱器面積減少，相對地催化劑筐體積加大，裝填催化劑量增加。其次，熱氣體因被冷卻程度減少，出塔溫度高，有利于多產(chǎn)高品位蒸汽。

    ③分流進(jìn)氣，氣體阻力減少。特別是進(jìn)入中心管的氣體只有循環(huán)機出口總氣量的50%～60%，在中心管內的阻力顯著(zhù)減少。

1.4.3  多種形式軸徑向的組合式 

    徑向塔的優(yōu)點(diǎn)是氣體流經(jīng)路線(xiàn)短，阻力小，適應于小顆粒催化劑，節能效果好。然而小直徑徑向塔，由于路程太短，氣體分布不均勻；一些分段式徑向筐，由于催化劑還原后收縮，在徑向筐上部形成自由空間，造成氣體短路，部分氣體沒(méi)有反應。使氨凈值低，生產(chǎn)能力小。

    在ⅢJ型內件設計中，采用了多種型式的軸徑向組合式塔，如二軸三徑（或二軸二徑、一軸三徑）的型式，視產(chǎn)量要求情形，上部設一段或二段反應床為軸向，下部均為徑向流的結構，既保證反應效果，又降低了阻力，特別是內冷段的間接換熱器采用了徑向流的結構，對降低阻力有顯著(zhù)效果。

1.4.4  多氣腔式多層分布型徑向氣體分布器 

    為保證徑向催化床層氣體分布均勻，徑向筒采用了噴射小孔和多混合腔結構，并有防止粉化催化劑阻塞的作用。

1.4.5  段間換熱冷卻段氣體流向為徑向流

    傳統的冷管型氨（醇）合成塔，冷管部分均為氣體只能走軸向（冷管內氣體從上到下流向，冷管處氣體也從上到下流），由于冷管段占用了催化劑的空間，也減少了橫截面積，造成了冷管段的阻力大，傳統的方式是此部這分裝粗顆粒的催化劑，這樣更易造成溝流等氣體走短路的現象，這也是冷管效應的一種表現。我們設計的段間換熱器冷管，采用管內氣走徑向管外氣體亦徑向流動(dòng)的方式，克服了此層阻力大的缺陷，使內件完全可實(shí)現全徑向的氣體流的方式。

1.4.6  催化劑床層完全直通式 

    傳統的多段式內件，各段之間大多有隔板將其分開(kāi)。裝、卸催化劑時(shí)，從底層開(kāi)始，裝一層蓋一層；有些內件裝卸催化劑時(shí)，需將內件筒體切割或焊接，十分繁瑣復雜。

φ1400mm、φ1600mm、φ1800mmⅢJ內件雖然有五段，且第四、五段是徑向筐，由于采用了菱形混合器、菱形集氣器和帶有卸料管的錐形底徑向筐，既嚴格保證了工藝上的分段，又可以使催化劑由上直通下部。所以催化劑的裝填，更換均可從底部尾管自卸出來(lái)，而不要吊出內件傾瀉，檢修十分方便。

1.4.7  直形異徑折流徑向冷卻器 

    ⅢJ內件設計采用直形異徑冷卻器。傳統冷管束中的冷管，和上、下環(huán)連接處，兩端均加工為彎形與環(huán)管徑向對接，彎曲的冷卻管有很大的彎曲應力，在受熱膨脹和降溫收縮時(shí)，彎曲處容易斷裂，這是有冷管束以來(lái)一直存在的老大難問(wèn)題。我們采用扁形直管與上下環(huán)切線(xiàn)焊接的方式，既便于加工制造，又避免了彎曲應力。從1991年起投運直形冷卻器200多臺，至今無(wú)一損壞，徹底解決冷管斷裂嚴重影響生產(chǎn)的難題。ⅢJ型內件，在原來(lái)直型冷管基礎上，又發(fā)展為由直形折流徑向冷卻板塊組成的間冷器，解決了冷管徑向傳熱問(wèn)題。

1.4.8  長(cháng)形、橫紋管換熱器 

    小直徑合成塔內件下部換熱器為鼓形小列管換熱器，ⅢJ內件換熱器為瘦長(cháng)型，長(cháng)徑比為7～8，換熱管為橫紋小列管，使傳熱系數大幅度增加，占用高壓容積減少。

2   合成系統流程開(kāi)發(fā)及研究

    以?xún)燃�為中心而設計的合成系統流程，我們主要是注重熱量的回收和冷量的回收。

2.1  流程概述

ⅢJ合成系統原則流程如圖2。

 

圖2  ⅢJ合成系統原則流程

    從合成塔下部四通出來(lái)的熱氣，溫度約320～340℃，氨含量16%～17%，進(jìn)入廢熱鍋爐，溫度降至200～210℃，進(jìn)熱交換器，被冷卻至約80℃，進(jìn)水冷排，冷卻至35℃，進(jìn)入冷交管間，溫度降至10～15℃，液氨分離后，進(jìn)入氨冷器，氨冷、氨分之后，補入新鮮氣，使混合氣溫度達到－5～－1℃，再進(jìn)入冷交管內，回收冷量之后，氣體升溫至約25℃，進(jìn)循環(huán)機壓縮，分離油后，分成兩股，一股約62%進(jìn)入熱交管外加熱至185～195℃，從合成塔底部進(jìn)入（二進(jìn)）塔內換熱器管內，加熱后進(jìn)入中心管，從中心管出來(lái)進(jìn)入催化劑筐第一絕熱層反應，反應后熱氣利用從塔頂下來(lái)約8%的冷激氣降溫后進(jìn)入第二絕熱層。另一股約30%的未反應氣體從合成塔下部進(jìn)入環(huán)隙，由下而上到內件頂部，從兩根導氣管進(jìn)入冷管束，氣體在冷管束內加熱后，溫升至約250℃，經(jīng)上升管達到第二、第三絕熱層之間，作為從第二絕熱層反應后熱氣(470～480℃)的冷激氣，兩者混合后，溫度為410～420℃，進(jìn)入第三絕熱層、冷管層、第四絕熱層反應，反應后溫度為440～450℃，進(jìn)入塔內換熱器管間，被冷卻至310～340℃，出塔，再進(jìn)入廢鍋，熱交……如此循環(huán)。流程中各節點(diǎn)組成見(jiàn)表1。

2.2   流程特點(diǎn)

    ①約30%的未反應冷氣經(jīng)塔內外筒環(huán)隙進(jìn)冷管。約62%的未反應冷氣進(jìn)入熱交。其優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)催化劑筐壁散失的熱量，仍回收到催化床層內，相當于減少了催化劑筐的熱損失。

 

表1      流程中各節點(diǎn)的物料成分表             %

 

    ② 進(jìn)熱交的冷氣溫度35℃～40℃，使進(jìn)水冷排熱氣溫度降到小于80℃，提高了熱回收率，減少了設備投資（節省了一個(gè)軟水加熱器），傳統流程中，如果不設軟水加熱器，進(jìn)冷排溫度為120～130℃。

    ③ 冷交熱氣走管外，有利于氨的分離。傳統流程中反應后熱氣由上而下走管內，再由下而上經(jīng)中心管離開(kāi)冷交，被管外冷氣冷凝后的液氨部分積留在管內，影響冷卻效果。而新的流程含氨氣體走管外，管子是螺旋管，冷凝的液氨沿管壁螺紋槽旋轉而下, 在分離段分離。提高了冷卻效果。

    ④ 補氣位置在氨冷氨分后，流程圖中的“0”點(diǎn)。減少氨冷負荷，節約了冷凍量，同時(shí)又降低了氣體中氨含量，有利氨合成反應。流程中第3點(diǎn)之后，即氨冷之后氨含量為4.99%，補入新鮮氣后，即為流程中第1點(diǎn)，氨含量只有3%。但新鮮氣中CO+CO₂應控制在10×10^－6以下。采用雙甲工藝，可以達到或低于此指標。

    ⑤ 循環(huán)機放在塔前，其優(yōu)點(diǎn)是節約了冷凍量。

    ⑥ 放空位置在冷交氨分后，流程中第4點(diǎn)。已有70%左右的氨冷凝為液氨，并分離出去，氣相中氨含量較低，為4.24%，而甲烷含量最高，為20.34%，因此，放空量最小，氨和有效氣體損失少。

3  智能化控制裝置

    ⅢJ型氨合成系統采用微機智能化控制系統。配用DCS或FCS計算機工控裝置，將專(zhuān)家設計思想、控制策略設計成程序，在屏幕上適時(shí)顯示各點(diǎn)運行參數（如各點(diǎn)溫度、壓力、成分、液位等），各種圖表曲線(xiàn)（如流程圖、趨勢圖、催化床層溫度曲線(xiàn)等），根據氣量、成分的變化，自動(dòng)調節閥門(mén)，將催化床層溫度控制在最佳范圍之內，出現突發(fā)事故，例如溫度突然下降，屏幕上立即提示是什么原因，并立即自動(dòng)處理，包括自動(dòng)開(kāi)啟電爐。有些情況不能自動(dòng)處理恢復，屏幕專(zhuān)家提示手動(dòng)調節的方法，可供參考。這樣不但穩定了工況，穩定了生產(chǎn)，同時(shí)減輕了工人的勞動(dòng)生產(chǎn)強度，并節約了勞動(dòng)力，配用智能化控制系統以前，每臺班至少要安排兩名操作工，配用了智能化控制系統后，只要一名操作工就可以了，而且給生產(chǎn)管理人員帶來(lái)極大的方便。 

4  采用先進(jìn)的換熱設備和分離設備

    傳統流程的合成系統采用的熱交和冷交都用大環(huán)密封填料，實(shí)踐證明此種結構密封效果很差，而且隨著(zhù)設備尺寸的加大，效果更不理想，ⅢJ氨合成系統設計的熱交、冷交都采用小密封填料的結構形式，同時(shí)換熱管采用高效強化換熱管，所以換熱（冷）效果較前好很多，節能顯著(zhù)。

    在分離設備上我們也改變了傳統的碰撞和填料分離方式，采用高效旋流分離與填料分離相結合的新型分離器。

5  臥式氨冷器及閃蒸槽

    小直徑合成塔系統配置的氨冷器為立式盤(pán)管式或立式U型式，當氨冷面積較大，制作加工困難，且氨冷液位不穩，影響冷熱傳遞效果，為解決此問(wèn)題，ⅢJ合成系統借鑒引進(jìn)大型氨廠(chǎng)的先進(jìn)技術(shù)，設置臥式氨冷器，并在其上配置閃蒸槽，經(jīng)過(guò)多年的實(shí)際運行證明，此型式的氨冷器具有冷卻均勻，節冷效果顯著(zhù)，對保護設備和提高制冷效果均有突出的優(yōu)越性。

6  配套系統的設計

6.1  原料氣精制度很高的凈化精制工藝

    為保證大型塔催化劑長(cháng)周期運轉，至關(guān)重要的是原料氣的質(zhì)量。即CO+CO₂含量要很少（CO+CO₂≤10×10^－6）。國內以煤為原料的氨廠(chǎng)，采用銅洗流程，上述指標是達不到的，且時(shí)有帶液現象。國外的深度低變—甲烷化，因為要保證進(jìn)甲烷化CO+CO₂≤0.1%～0.3%，要求低變氣中CO≤0.3%，國內以煤為原料的變換系統達到這個(gè)指標將使蒸汽消耗很大（噸氨耗蒸汽800kg）。為此必須采用國內已實(shí)現運行六、七年之久的雙甲工藝精制方法（或醇烴化精制工藝方法），它采用中高壓（10.0～32.0MPa）壓力等級。任意氨醇比之下只要求脫碳氣CO₂含量為0.2%及其總硫0.5×10^－6下,經(jīng)過(guò)甲醇化,將原料氣中CO+CO₂轉化為粗甲醇，醇后氣CO+CO₂含量≤0.3%，進(jìn)入甲烷化，烷后氣中（即進(jìn)合成系統氣體）CO+CO₂含量≤5×10^－6。

6.2  寬溫高活性高強度小顆粒催化劑

    ⅢJ型內件零米溫度設計較低，為350～360℃，熱點(diǎn)溫度設計較高為470～480℃。即第一絕熱層溫升120℃，氨凈值8.1%，因此要求催化劑是高活性寬溫催化劑。其次，設計有三個(gè)徑向段，催化劑以小顆粒（2.5～3.5mm）為主，可大大提高反應效率，又不會(huì )增加阻力，在提高催化劑低溫活性的同時(shí)，充分注意制造工藝，不使催化劑顆粒過(guò)于硬脆，防止使用中粉化。本公司特研制了適用于上述特征的含鈷和稀土的XA201、XA203催化劑。

7  推廣使用實(shí)例

（1）山東瑞星化工集團公司

    該公司現合成氨能力為400kt/a，曾于1996年、1998年使用了我公司的DN1200、DN800 ⅢJ-99氨合成系統各一套，于2003年底在400kt/a合成氨技術(shù)改造中，率先采用了我公司的一套DN1800氨合成系統，于2003年底投產(chǎn)。目前，此套氨系統每天產(chǎn)合成氨620t，系統壓力只有24MPa。整體工程設計和設備均由我公司提供，全部工程投資約2500萬(wàn)元。工程投產(chǎn)后，噸氨綜合電耗比改造前減少約120kW·h，噸氨綜合煤耗比改造前降低約180kg。全廠(chǎng)上下均一致稱(chēng)道，為一個(gè)質(zhì)優(yōu)效益好的工程。此DN1800氨合成系統為全國此壓力級最大的塔型，也為目前世界上最大的32MPa壓力級氨合成系統，開(kāi)創(chuàng )了先河。繼此后，山東德齊龍化工有限公司也投用了此系統，用該型內件和我公司設計的醇烴化工藝配套，實(shí)現單套裝置180kt合成氨的生產(chǎn)能力。

（2）江蘇新沂恒盛化工有限公司

    相繼使用了我公司的DN1400氨合成塔、DN1400甲醇化塔等，目前又投用了我公司設計的DN1800氨合成系統，用以配套18·30工程，并采用了醇烴化工藝，運用了DN1600甲醇化系統。

（3）山東德齊龍化工有限公司

    兩套18·30的合成氨工程使用了我公司的醇烴化技術(shù)及氨合成技術(shù)，甲醇化塔使用了4臺DN1400的合成塔，氨合成塔使用了2臺DN1800氨合成塔。

（4）湖南岳陽(yáng)天潤化工股份有限公司

    該公司目前合成氨生產(chǎn)能力180kt/a，2000年初，投用了我公司一套DN1600氨合成系統，此系統為ⅢJ系統的第一套，目前合成氨產(chǎn)量達450t/d，系統壓力只有21MPa，催化劑使用到目前為止約5年。

（5）河南心連心化工有限公司

    該廠(chǎng)2003年新投入一套150kt/a合成氨裝置，合成工段及凈化精制工段采用了我公司的ⅢJ系統及醇烴化凈化精制工藝來(lái)實(shí)現，裝置于2003年8開(kāi)車(chē)，目前合成氨生產(chǎn)450t/d，甲醇生產(chǎn)200t，系統壓力只有23MPa。開(kāi)工后，企業(yè)第一天多創(chuàng )利潤20～25萬(wàn)元。目前230kt/a合成氨系統正在安裝我公司設計的DN2000氨合成系統及DN1600甲醇化系統和醇烴化系統。

（6）山西晉城煤化工有限責任公司

    該公司進(jìn)行220kt/a合成氨工程擴建時(shí)，采用了我公司的醇烴化工藝及氨合成，于2002年12月投產(chǎn)了一套DN1600ⅢJ的氨合成系統，現日產(chǎn)合成氨480t，系統壓力只有25MPa。目前的30·40項目采用我公司設計的DN2200甲醇化系統及氨合成系統。

（7）湖南大乘資氮集團有限公司

    也是最早采用我公司ⅢJ氨合成系統的廠(chǎng)家，目前一套DN1200和一套DN1400氨合成系統，每天產(chǎn)氨和醇共計850t。綜合經(jīng)濟效益十分顯著(zhù)。

除此之外，還有山東魯西化工股份有限公司、山東華魯恒升化工有限公司（德州化肥廠(chǎng)）、邯鋼集團化肥廠(chǎng)、福建三明化工總廠(chǎng)、河南駐馬店化工總廠(chǎng)、江蘇昆山錦港實(shí)業(yè)集團公司、江蘇華爾潤集團公司、江蘇張家港錦港實(shí)業(yè)公司、山西豐喜集團臨猗分公司、江蘇新沂恒盛化工有限公司、天脊集團晉城化工股份有限公司等廠(chǎng)先后采用了我公司ⅢJ型（φ1400～φ2200mm）氨合成系統。我公司的ⅢJ99型φ1200～φ800mm型氨合成系統及氨塔內件在全國推廣面更是十分廣泛，占合成氨廠(chǎng)的塔型中的30%以上。

8   結束語(yǔ)

    ⅢJ型氨合成系統及氨合成塔內件，是在內冷、間冷、冷激等傳統內件的基礎上，吸收了國外合成系統的精華和經(jīng)驗，用計算機優(yōu)化計算，并且經(jīng)過(guò)φ600、φ800、φ1000、φ1200的反復實(shí)踐、修改，研制的低空速、高凈值、低壓降的新型節能內件。同時(shí)以?xún)燃�為中心，設計出與之配套的系統流程與設備，更能發(fā)揮整體優(yōu)勢：

    ⑴ 結構簡(jiǎn)單；

    ⑵ 高壓容積利用系數大；

    ⑶ 生產(chǎn)能力大；

    ⑷ 氨凈值高，空速小，塔壓降小及系統阻力小；

    ⑸ 催化劑還原容易；

    ⑹ 裝卸催化劑容易；

    ⑺ 結構可靠，使用壽命長(cháng)；

    ⑻ 智能化控制，操作簡(jiǎn)單，彈性大，穩定性好；

    ⑼ 熱回收量大，冷凍量消耗少，放空量少；

    ⑽ 內件金屬材料消耗少，設備投資少。

    這些優(yōu)點(diǎn)，主要得益于分流工藝和絕熱、內冷、冷激的巧妙結合，以及直形異徑冷管束和兩頭成錐形的徑向催化劑筐。是從小到大（φ600mm、φ800mm、φ1000mm、φ1200mm、φ1400mm、φ1600mm、φ1800mm）反復實(shí)踐、修改、優(yōu)化的結果，經(jīng)過(guò)了多年的實(shí)際考驗，受到了普遍的贊揚。