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氨合成双塔串并联技术应用总结

2014-07-10徐希江黄志宏河北东光化工有限责任公司河北东光061600

氮肥与合成气 2014年6期
关键词:盲板合成塔换热器

徐希江 黄志宏(河北东光化工有限责任公司 河北东光061600 )

氨合成双塔串并联技术应用总结

徐希江 黄志宏
(河北东光化工有限责任公司 河北东光061600 )

2012年4月,河北东光化工有限责任公司(以下简称东光公司)对1套2009年7月投产的Φ2 000 mm氨合成系统进行了挖掘生产潜力、增产、节能降耗的改造,使氨合成系统能力达到240 kt/a。经充分调研,东光公司选用南京国昌化工科技有限公司(以下简称国昌公司)开发的“氨合成双塔串并联工艺技术”(以下简称“串并联工艺”),对原有Φ2 000 mm氨合成系统进行增产节能改造,即在原有Φ2 000 mm的氨合成塔后、合成废热锅炉前串联新增的1台GC型Φ2 000 mm轴径向氨合成塔,并增加1台循环机(10 m3/min,标态),原有的氨合成系统设备及工艺条件基本不变。达到投资省、建设周期短、见效快、占地面积少的目的,并委托国昌公司进行改造部分的工程设计和GC型轴径向氨合成塔内件的设计制造。

1 串并联工艺流程

串并联工艺流程如图1所示。改造后整个合成系统中需要增加12只阀门(V1~V12),2块8字形盲板。

图1 串并联工艺流程

1.1 串联运行合成塔部分流程

循环机(旧)油分离器(S1001)出口管线混合气体分3路,分别进入1#合成塔(旧)环隙冷却塔壁、2#合成塔(新增)环隙冷却塔壁(新增PG1101)、塔前换热器与2#合成塔出口气体换热。塔前换热器出口冷气进入1#合成塔反应后出口气体(约300 ℃),进入2#合成塔继续反应后出口气体(约350 ℃),进入合成废热锅炉副产蒸汽。

串联流程阀门的控制:阀门V1,V2,V3和V5均开启;阀门V4,V6~V10均关闭;盲板1关闭,盲板2开启。

1.2 并联运行合成塔部分流程

循环机油分离器(S1001)出口管线混合气体分成3路,分别进入1#合成塔环隙冷却塔壁、2#合成塔环隙冷却塔壁(新增PG1101)、塔前换热器与2台合成塔的出口气体换热。塔前换热器出口冷气分成2路:一路进入1#合成塔反应,另一路进入2#合成塔反应,经1#和2#合成塔反应后同时进入合成废热锅炉副产蒸汽。

并联流程阀门的控制:阀门V5关闭,阀门V1~V4和V6~V12均开启,盲板1和盲板2均开启。

并联流程运行时,2台合成塔可在相同工况下运行,2#合成塔采用4段床层结构形式,V7~V10作用为2#合成塔冷激气阀调节催化剂各床层温度。V3和V4分别调节1#和2#合成塔二次入塔气量。2台合成塔进、出口都设置有阀门或者盲板,以实现对2台合成塔生产气量的控制;也可只运行任意1台合成塔。改造后,操作调节比较灵活。

1.3 2#合成塔的结构及工艺流程

2#氨合成塔内件由2个轴向层和2个径向层催化剂筐及1台层间换热器和1台下部换热器组成(与原有的1#氨合成塔结构形式相同),全自卸结构,催化剂的装填量约32 m3,合成塔设计压力为31.4 MPa,塔阻力≤0.4 MPa(最高塔阻力≤0.6 MPa),塔净高18 000 mm,设计生产能力≥600 t/d(期望值约700 t/d)。层间换热器设置在第1径向层催化剂筐中心,下层间换热器设置在第2径向层催化剂筐中心。通过调节合成塔入塔工艺气(f0~f3)温度及流量,从而保证氨合成反应处于较佳的工作状态。冷副气(f0)由塔顶进入,与换热后的二进气混合(约390 ℃)后,通过中心管进入零米反应;冷激气(f1)由塔顶进入,调节第2轴向层进口温度;冷激气(f2)由塔顶进入,调节第1径向层进口温度;冷激气(f3)由塔顶进入层间换热器管内,与第1径向层出口气换热后,沿中心管上升至合成塔顶部与调节零米温度的冷气副线(f0)汇合,然后进入第1催化床层进行氨合成反应;出第2轴向层的气体进入第1径向层从外向内去集气筒后进入层间换热器管间换热,出第1径向层的气体由外向内进入集气筒,然后进入下部中心换热器的管间预热入塔气后(温度降至约370 ℃)出塔。

2 2#合成塔催化剂

2.1 催化剂的选型和颗粒的选择

经过细致研究和反复计算,2#合成塔采用约74.75 t预还原GA206- 1-H型催化剂(堆密度按2.3 kg/L计),理论出水量约为2 t,其还原速度是A110- 1型催化剂的1.6倍,活性比A110- 1型催化剂高,且使用预还原型催化剂还能保证其整体的还原质量,从而保证2#合成塔最为有利的氨合成反应条件。

2#合成塔内件是轴全径向结构,轴向主要选用了Φ3.3~4.7 mm的颗粒催化剂;径向选择了Φ2.2~3.3 mm的小颗粒催化剂,可减少催化剂内扩散,提高催化剂内表面的利用率,且小颗粒催化剂易还原,可加速催化剂的还原和节省还原时间;且其中有2层径向段,使气体多次折流,气固相得到更好地接触,再采用低温、高活性的小颗粒催化剂,提高了催化剂的活性系数,有利于氨合成反应向平衡反应方向进行,提高氨净值。

2.2 催化剂装填注意事项

预还原催化剂不能过筛,以免损坏催化剂表面的氧化膜;同时,不能在阴雨天装填催化剂,避免催化剂受潮会而发生发热、烧毁事故。装填时,应注意催化剂的装填密度,必须采用振动棒使其紧密,以防止气体走近路;催化剂装填至一定量时应捣实找平。

2.3 催化剂的升温还原

由于预还原催化剂还原时间短,理论总出水量仅2 t左右,不影响液氨的使用。为了尽量不影响生产,本次催化剂升温还原在利用大修期间进行。采用1#合成塔停车、2#合成塔还原的升温还原方法。

在压力达到约5 MPa时,2#合成塔开始送电;2#合成塔第1轴向催化剂表面达约200 ℃时,试放物理水;温度达260 ℃时,分析水汽浓度并控制在≤1.0 g/m3(标态);还原主期温度控制在260 ℃ 以下,一段催化剂还原主期之后,二段轴向催化剂进入主出水期,用同样的方法控制二段催化剂还原主期温度(320~380 ℃),系统压力缓慢提升至5.0~5.5 MPa,循环气中H2体积分数≥72%。用同样的方法还原2段径向催化剂。

底部催化剂层温度也逐渐提高,底部催化剂温度最终达490 ℃以上并维持8 h以上。连续分析4次水汽质量浓度,结果均低于0.2 g/m3,同平面温度<15 ℃,催化剂还原结束。将各段的热点温度降至480 ℃以下,逐渐降低电炉负荷,开冷激气调节各段催化剂层温度至完全自热运行,将系统各控制点温度调至指标值,进入轻负荷生产并运行48 h,然后转入正常生产。

在整个升温还原过程中,塔内件及氨合成系统运行均十分正常。

3 运行情况

氨合成系统采用串并塔工艺后,氨产量大幅度提高, 2012年11月20日0:00,2#合成塔开始开车升温;11月26日7:00,进入轻负荷生产。

原有1#合成塔单独运行时,氨产量为720 t /d;2#合成塔投产后,氨产量提高至840 t/d,即并联投运2#合成塔使系统总产氨量提高了120 t/d,增产效果十分明显。新系统(1#和2#合成塔并联运行)与原系统有关运行数据(2013年5月4日)比较见表1。

表1 新系统与原系统有关运行数据比较

从表1数据可看出:采用串并塔工艺后,生产负荷得到提高,氨产量增加,各项指标均达到和超过设计值;氨净值的提高,在同等工艺条件下,塔后的热交换器、氨冷凝器效率提高,这些设备的负荷无明显变化;由于氨净值提高,系统操作压力明显降低,压缩机功耗降低明显。

4 结语

(1)从运行数据可以看出:现在实际运行参数均已达到或者超过设计值,实际氨产量增加了16.78%,2#合成塔并入系统运行后,具备增产氨30~40 kt/a 的生产能力。

(2) 2#合成塔结构与1#合成塔相同,操作简单;2台合成塔中任意1台检修,都不影响正常运行,设计简单合理。

(3)不增加系统阻力。由于2台合成塔处于并联运行状态居多,2台合成塔气量均分,相对通过的气量减少,合成塔内件本身阻力相对降低,系统阻力降低了0.05 MPa,而且操作稳定,不需增加操作人员。

该串并联工艺增产改造是成功的,运行情况良好。改造后运行情况证明,此工艺具有阻力低、增产幅度大、能耗降低、操作简单等优点。

2014- 03- 14)

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