甲醇驰放气制合成氨工艺简介

余红

摘 要：本文介绍了利用甲醇厂甲醇合成驰放气生产合成氨的方法。工艺流程设置、工序配置，基本设计操作指标

关键词：甲醇;驰放气;合成氨

1 原料及产品

1.1 原料气

1.1.1 氢气

合成氨所需氢气由甲醇装置副产的甲醇弛放气经变压吸附提氢所得：①组分甲醇弛放气组成（V%）为：H2：74.05;N2：14.87;CH4：4.18;CO：2.95;CO2：3.87;CH3OH：0.01;H2O：0.07;②甲醇弛放气提供量：13500Nm3/h;③压力：4.5～5.3MPa（G）;④温度：40℃。

1.1.2 氮气

原料氮气由甲醇装置空分系统提供。①组分：原料氮气组分（V%）为：N2：99.99;O2：0.01;②氮气量：3000Nm3/h;③压力：3kPa（G）;④温度：25℃。

1.1.3 新鲜气

新鲜气组成为H2：75.006;N2：24.993;CO：0.0005;CO2：0.0005;CH4：0.001;H2O：0.0002。

1.2 产品液氨

液氨贮槽出口的合成氨产品质量标准按中国标准GB536-88要求達到优等品标准。NH3≥99.9%（Wt）;H2O≤0.1%（Wt）;油≤5mg/kg（重量法）铁系离子≤1mg/kg。

1.3 公用工程条件

①循环冷却水系统设计参数如下：供水压力：0.4 MPaG;回水压力：0.2 MPaG;供水温度：32℃;回水温度：40℃;②冷冻站及其他：根据需要配置。

2 甲醇驰放制合成氨工艺流程

2.1 工艺流程简述

合成氨生产装置区主要由变压吸附制氢工序、氮气脱氧及氮氢气干燥工序、合成氨压缩工序、氨合成工序、冷冻站组成。储运装置区主要由液氨罐区和液氨装车站工序组成。

2.1.1 变压吸附制氢工序

来自甲醇装置的弛放气由4.8～5.3MPa降压到3.5MPa后，进入PSA-H2系统。逆放步骤排出吸附的部分杂质组分，剩余的大部分杂质通过抽空步骤进一步完全解吸。解吸气经过解吸气缓冲罐和混合罐稳压后加压送甲醇装置燃料气管网作燃料。通过PSA-H2提氢装置制得合成氨所需的3.42MPa氢气，纯度满足99.9%V，CO+CO2≤10ppm的要求。

2.1.2 氮气脱氧及氮氢气干燥工序

来自空分系统的氮气经氮气压缩机压缩至3.42MPa.G，100℃后与来自PSA工序的3.42MPa.G，40℃的氢气（纯度>99.9%）一起混合进入本工序，混合配比至H2：N2=3：1并经脱氧干燥后送入氮氢气压缩机压缩后作为氨合成工序的原料气使用。如上所述，本工序主要分为脱氧和干燥两个步骤。来自空分系统的氮气中含有0.01%的O2，故先取少量氢气与氮气混合进入脱氧器，在钯催化剂的作用下，氢和氧反应生成水，从而脱除其中的氧气。脱氧反应主要由一台脱氧塔、一台脱氧冷却器和一台脱氧水分离器组成，反应方程式：

4H+O2=2H2O。

精制后的氮气再与氢气混合后进入干燥系统干燥脱除其中的水分得到氨合成新鲜气。干燥系统由两台干燥塔、一台预干燥塔、一台再生气加热器、一台再生气冷却器以及一台脱氧水分离器组成。在任意时刻均有一台干燥器处于工作步骤，另一台干燥器处于再生步骤。原料气由干燥塔上部进入，经过吸附剂床层干燥后由塔底排出得到较为干燥的氢氮混合气。每台干燥器在不同时间依次经历吸附、加热、冷却、吸附步骤。干燥气气量：11950Nm3/h，再生气量：4000Nm3/h。

2.1.3 合成氨压缩工序

来自空分车间（界外）的氮气压力约20kPa（G）温度25℃经氮气压缩机四级压缩后，压力升至3.45MPa（G）送至氮气脱氧及氮氢气干燥工序进行脱氧干燥。经氮气脱氧及氮氢气干燥工序提纯的氢气和氮气混配得到的氨合成新鲜气，压力约3.42（G）MPa，经氮氢气压缩机压缩至14.0MPa（G）后与经循环气压缩机压缩至14.0MPa（G）的循环气混合进入氨合成工序。

2.1.4 氨合成工序

氨的合成是整个合成氨流程中的核心部分。氨合成反应是一个非均相催化反应过程，反应在氨合成塔中进行，合成塔是个高压容器，合成压力一般在10.5～32.0MPa。塔中包括有达成反应温度和维持合适温度条件的换热器、进行反应的催化剂床层。氮氢合成氨的过程因受平衡的限制一般仅能获得25%以下的氨含量，为了提高氮氢气的利用率，需将未反应的氢氮气用循环压缩机增压，再次进行反应。氨合成的反应式为：

从氨合成反应热力学来说，氨合成是放热和摩尔数减少的可逆反应，提高平衡氨含量的途径为降低温度、提高压力、保持氢氮比为3左右并减少惰性气体含量。从氨合成反应动力学来说，氨合成反应是多相气体催化反应，提高压力可以加快氨的生成速度，使气体中氨的含量迅速增加;其次，氨合成反应与温度的关系，化学反应的速度随着温度的升高显著加快。因此从工艺上最好使氨合成反应尽可能在接近最佳反应温度下进行，以获得较大的生产能力和较高的氨合成率。

由压缩工序氢氮气压缩机送来的新鲜原料气与循环气压缩机来的循环气在油分离器内汇合后分离油水，分离油水后的气体大部分（70%～80%）进入塔前热交（管间），提温至200℃左右，然后其中绝大部分（90%）经合成塔内换热器（管内）再经中心管上升进入催化剂床层第一段。少部分（10%）与合成塔环隙出来的气体混合后进塔内冷管束;分离油水后的气体少部分（20%～30%）经合成塔环隙予热后，温度提至80℃～90℃，与塔前热交来的少量未反应气汇合（温度140℃左右）进冷管束换热，换热后的气体冷激通过第一段催化剂床层的气体，100%气体在此混合，进入二段催化剂床。第三催化剂床层为径向冷管换热层，气体边反应边换热;第四催化剂床层为径向绝热床层，氨含量进一步提高。从催化剂层出来的气体经下部换热器的管间，气体温度降至330℃左右出塔。出塔后的气体，经废热回收器，副产2.2MPa（G）的蒸汽，温度降至220℃去热交换器（管内）与未反应气换热，降温至75℃进合成水冷器，由水冷出来的气体温度40℃左右，进入冷交换器外，在冷交内上部换热，下部分氨，经过分氨后的气体温度17℃左右，进入立式氨冷器，氨冷温度在-15℃。

由立式氨冷器出来的工艺气体去氨分离器分氨，再经冷交（管内）回收冷量后去循环气压缩机进行下一个循环。开工电炉布置在合成塔中心管内;放空在冷交冷气出口。氨分离器出来的产品液氨经过液氨闪蒸器减压到2.3MPa，减压后的液氨稳压后送往液氨贮罐。

2.1.5 冷冻站

因最终产品为液氨，而氨在比较低的压力下必须用冷冻的办法才能液化，故设置冰机系统。采用液氨蒸发带走氨合成混合气热量的办法使氨合成混合气中的氨液化并与氨合成循环气分离，从而得到液氨产品。气氨回到冰机系统循环使用。由氨合成工序氨冷器送来的-15℃，0.15MPa.G的气氨，进入氨压缩机（2开1备）加压至1.45MPa.G，再入蒸发式冷凝器（3开）。在此，气氨被冷却水冷却到40℃成为液氨，并自流入容器撬块中的贮氨器贮存。贮氨器内的液氨再送往氨合成工序氨冷器蒸发制冷，蒸发后又变为气氨送回本工序循环使用。

2.1.6 液氨罐区

合成氨装置罐区包括压力式球形贮罐3台，每台1000m3。