合成氨生产工艺及KBR合成氨工艺研究

2021-01-07崔俊辉

化工设计通讯 2021年4期

崔俊辉

（大庆油田化工有限公司甲醇分公司合成氨车间，黑龙江大庆 163411）

合成氨属于传统的基础化工业内容，当前石油价格不断提升，石油深加工技术不断进步，合成氨原料结构中主要以煤、重油、轻油及天然气为主，并构成了以天然气为主体的重要格局。当前，合成氨制作工艺不断调整，我国属于合成氨生产的重要国家，已经对液态烃、油田伴生气、天然气、焦炉气、无烟煤及焦炭等多原料合成氨的基础进行了掌握，随着我国科技水平的提升，合成氨生产工艺已经向着经济性方向转变，不断对产品结构及原料进行了调整，所以必须不断优化合成氨生产工艺，以KBR合成氨工艺方式开展生产。

1 合成氨工业发展情况

合成氨工业属于基础性化工的重要内容，其应用途径十分广泛，可用以进行碳酸氢铵、硝酸铵、硫酸铵及尿素等氮肥物质的生产，也可应用于磷肥这一复合肥料的生产，合成氨也有化肥氨支撑。合成氨属于关键的工业原料，其可进行含氮无机盐、纯碱及硝酸等基础性化工材料的制备，在有机化工行业之中，其可应用于含氮中间体的制备。高分子工业生产中，合成氨可进行氨基塑料和丁腈橡胶等物质的制备，在制药领域，合成氨也可应用于磺胺类药物的制备，在国防领域之中，合成氨可应用于硝化甘油和三黄基甲苯的制备[1]。待合成氨步入工业化领域之后，合成氨的原材料不断变化，尤其在1920年以后，合成氨的主要生产原料已经变为煤炭和焦炭，自1950年以后，合成氨只有采用石脑油、石油及天然气作为主要原料，自1960年以后，制氨原材料开始选用重质油，合成氨工业的原始材料已经逐渐由固体向液体和气体转变，至1970—1980年以后，科技水平不断进步，大型氨厂建立主要依靠煤炭、重质油及石脑油为材料。自2000年以后，合成氨的制作厂家数量已经超过600家，其中年产量较大的企业也已经接近20家。

当前，世界能源供应量日益紧张，直接增加了合成氨的生产成本，导致合成氨能源消耗量不断下降，对氨合成催化剂及中低压合成工艺进行深入研究，借助国外合成氨催化剂的应用及生产配套工艺情况，提出了KAAP生产工艺，继而研究出了继铁系催化剂为生产形式的第二代合成氨催化剂，由于传统高温高压合成氨工艺设备应用形式复杂，原料气压缩过程中会消耗大量的能量，导致压力水平降低，所以自21世纪以后，合成氨生产技术已经取得了突破性的进展，其依靠高低压高活性合成催化剂进行合成氨的制作，可最大程度降低生产成本。当前，大型合成氨企业利用合成氨装置，将中压或者低压综合进行合成氨生产，此生产过程中合成回路的操作压力被控制在8～22MPa。在当前低能耗的大型合成氨工艺应用中，包括Uhde生产工艺、Topsoe工艺、低压氮合成工艺和KBR等工艺[2]。

2 合成氨生产工艺流程

工业上进行合成氨制备过程中，工艺流程存在差异性，操作方式不同，应用生产设备也不同，所以进行合成氨生产的工艺步骤也存在一定差异性。

2.1 除油与气体压缩

在合成氨生产过程中，气体压缩可依靠压缩机，将精制后的气体或者氢气和氮气的混合体进行压缩，使其满足合成氨制作中所需的操作压力，在气体压缩的过程中，润滑油属于压缩机应用的主要工具材料，润滑油在受到气缸高温因素的影响，会产生气化效果，逐渐随气体溢出。必须对润滑油进行清除，以减少润滑油导致氨合成催化剂中毒问题，减少其在热交换器上黏附，影响交换器热传导效率的情况发生[3]。在一般情况下，需要采用滤油器及油分离器形式对油气进行去除，若是采用无润滑油往复式压缩机或者离心压缩机，则无须分析气体带油问题，可缩减这一工序的应用。

2.2 气体预热与合成工序

合成氨制作中，催化剂属于必不可少的材料，但是由于催化剂存在活性温度，在压缩完成氢气与氮气的混合体以后，必须将催化剂进行预热，使之达到预热温度水平以后，降低向催化剂层输送，使之与其反应。在开展混合气体预热工作中，氨合成过程中所产生的反应热量属于最主要的热源来源，热换气反应后，高温气体的热量就是其升温的主要方式，若是反应热量较少，无法保障塔内的自热平衡，可以借助加热炉和电加热器满足气体预热需求[4]。

2.3 氨分离

混合气体自合成塔内部分离以后，其中所包含的氨气含量极低，此情况下的氨气含量大都在10%～20%之间，必须采用分离措施进行干预才可获取液氮，当前，合成氨生产企业大都应用冷凝方式从混合气体中进行氨气的分离，并应用水冷器对液氨进行分离，此过程必须依靠氨冷气进行配合，减压处理完成后，将其输送至液氨贮槽进行存储。

2.4 未反应氢氮气循环

混合气体自合成塔分离以后，必须采用氨分离方式进行干预，由于剩余气体之内未发生反应的氨气和氢气数量还比较多，所以应采用循环法合成氨对这些气体进行收集，确保未发生反应的氢气与氮气混合体在进行氨分离后，能够重新与原料气融合，依靠循环压缩机，将其向氨合成塔中输送。

2.5 惰性气体排放

合成氨原料应用中，大都由于净化方式差异及原料差异性诱发，在一般情况下，会产生氩气和甲烷等惰性气体，在循环法合成氨的制作过程中，氢气与氮气会不断生成合成氨，惰性气体会少量在液氮中溶解并随之带出，但是大部分情况下存在循环气体，严重影响合成氨的生产过程[5]。

2.6 回收反应热

合成氨在生产过程中，存在较大的反应热，必须对反应热进行回收，以实现节能效果，当前，进行合成氨生产过程中，反应热回收方式主要包括以下几种：第一，在反应后，将高温气体进行预热，产生预热反应前的氢氮混合气其活性温度可与催化剂存在相似性。第二，在加热后，热水会进入铜液再生塔内部，在加热完成后，热水能够攻击铜液再生塔应用。第三，预热锅炉给水，其会为汽轮机提供满足条件的高压蒸汽。第四，副产蒸汽，当前，大型氨厂应用中，其回收热能形式主要以热锅炉加热给水方式为主，中型氨厂进行合成氨生产中，大都将其应用于副产蒸汽，小型氨厂进行生产中，主要将其用于副产蒸汽和加热热水之中。其会应用氢氮混合气进行反应热预热反应。

3 KBR合成氨工艺

KBR合成工艺属于美国研究的合成氨生产工艺，由凯洛格企业及布朗路特工程企业组合形成，属于合成氨制作新型工艺的一种，其属于先进技术的主要代表性技术，能源消耗量比较低，操作方式简单，且运行稳定性高，工艺制作中，具有较短的开车时间。KBR合成氨工艺已经广泛应用于大型合成氨厂，天然气属于应用的主要原料，在煤化工企业中应用也十分广泛。

KBR合成氨工艺应用中，净化氢气以后，将其与高纯氮气混合应用，可将其在合成器压缩机中进行压缩处理，压力为15.5MPa，采取预热措施进行干预后，会将其向塔内输送。合成氨自合成塔内分离后，其体积分数大约为1/5，回收反应热以后，依靠冷水器进行冷却，并连同组合式氨冷器对其进行冷却处理，依靠氨分离器对液氮进行分离处理。混合气体在完成氨分离工作后，氢气与氮气的混合气体在进行氨气分离以后，会进入循环压缩机中循环应用，并将其向氨合成塔中输送，使之与原料气共同混合应用。液氨在分离以后，会从氨分离器中分离出来，向闪蒸槽内部进行溶解气体的蒸出，最终进入冷冻工序进行冷冻处理。

3.1 KBR合成氨工艺技术

3.1.1 KRES技术

KBR合成氨工艺主要应用KRES技术进行合成氨的生产，其主要由KLG公司研发，可降低断路设备中转化热换气系统应用成本，取代转换热换气系统功能，其主要包括换热式转化炉、自热式转换路两种，可依靠出口气体的高温热能效用，对天然气染料的损耗进行缩减，简化工艺生产设备，促进KBR合成氨工艺应用安全性的提升。

3.1.2 净化器技术

该技术主要由Brown Root企业开发应用，应用中主要技术为二段炉过量空气的汇入，其会降低出口的温度，对一段炉负荷值产生降低效果，依靠深冷装置，可对合成气中包含的氮气、氩气及CH4等气体进行去除，可保持氢气与氮气的比例为3∶1，以此进行合成氨生产过程中，减少KBR合成氨工艺应用的能源消耗量，减少成本投入，提升其可靠性能。

3.1.3 KAAP技术

这一技术主要由美国KLG公司开发应用，主要对铁系催化剂技术应用钌基合成氨催化剂进行取代，可最大程度缩减合成氨的成本消耗量。

3.2 KBR合成氨工艺特征

首先，KBR合成氨工艺由德国巴斯夫三段aMDEA这一吸收工艺开展脱氮处理，该工艺具有先进性和创新性，可有效进行合成氨的脱氮处理，aMDEA工艺可对二氧化碳进行吸收，其对溶液的吸收能力会依据二氧化碳分压水平的升高而变化，可促进物理吸收比例的提升。其次，KBR合成氨工艺应用过程中，可依靠组合式氨冷器对闪蒸槽和换热器进行替换，可缩减系统阻力值，对设备投资成本进行缩减。最后，KBR合成氨工艺采用了三段中间换热式卧式合成塔机械能干预，促进了氨合成效率的提升，对合成中的循环气量产生了降低效果，可缩减合成器压缩机循环段的能源消耗量，减少冰机的功耗量。