氨合成流程模擬及操作指標優化

馬文亮，左艷玲

（云南解化清潔能源開發有限公司解化化工分公司，云南 開遠 661600）

氨合成流程模擬及操作指標優化

馬文亮，左艷玲

（云南解化清潔能源開發有限公司解化化工分公司，云南 開遠 661600）

通過合成氨流程模擬的建立，分析了水冷器出口溫度及氨冷器出口溫度對系統產能及能耗的影響。根據實際情況優化得出最經濟的運行溫度為：水冷器出口溫度為35～37℃，氨冷器出口溫度為-8～-6℃。

合成氨；流程模擬；溫度；水冷器；能耗

從20世紀60年代開始，我國在全國各地建設了一大批小型合成氨廠。1972年，我國又先后從美國、日本、意大利、荷蘭等國引進了17套年產300kt的合成氨成套裝置。目前，我國已經擁有多種原料、不同流程的大、中、小型合成氨廠1000多家。其中，年產30萬噸的合成氨裝置有40多套，氨產量已居世界第一［1］。

但是，我國的大型合成氨裝置絕大多數都還存在著設備有缺陷、操作不夠熟練、外部條件不夠完善等一系列問題，導致裝置的運轉效率不高，生產能耗一般達不到設計要求。近幾年來，合成氨在開發節能型新技術、新設備、新催化劑的同時，又在裝置操作靈活性、生產可靠性、節省投資上取得了新的進展，用新技術改造舊裝置的生產能力、提高舊裝置的運轉效率、降低舊裝置的能耗也在努力開拓中。

本文采用過程穩態模擬方法，利用 Aspen Hysys模擬氨合成生產流程，并對氨冷器和水冷器的換熱出口氣體溫度的模擬結果進行敏感性分析，以得出氨產量和制冷能耗間的關系，從而提出節能增產的運行及改造建議，達到提高產量增加效益的目的。

1 流程模擬及軟件

將由許多過程單元組成的化工流程用數學模型表現，在計算機上解算其物料及能量平衡，并進一步計算各單元設備尺寸及設備運行狀況稱之為過程模擬。過程模擬是系統工程最基本的技術，不論過程的分析和優化，還是系統綜合，都是以過程模擬為基礎的。按是否考慮模擬對象的特性與時間之間的關系，可分為動態模擬和穩態模擬。穩態模擬是化工過程過程模擬研究中發展最早和應用最為普普遍的一種重要技術，他包括物料和能量衡算、設備尺寸和費用計算以及過程的技術經濟評價。從數學角度看，其實質是求解非線性方程組［2］。該方程組由單元模塊方程、流程連接方程和約束方程構成。

20世紀80年代以來，眾多動態模擬軟件紛紛推出，如美國普度大學的BOSS、英國劍橋大學的CHEMSIM、Linde公司的 OPISIM等。加拿大Hyprotech公司的 HYSIS同時兼有動態模擬和穩態模擬的功能，用戶可以很方便的在穩態模擬和動態模擬之間切換。HYSYS軟件在國內應用非常廣泛，國內用戶總數已超過50家。ASPEN公司流程模擬是目前為止通用的、功能強大的、實用方便的、用戶界面十分友好的將穩態和動態模擬合而為一的軟件。

2 氨合成系統流程模擬的建立

以我公司5＃合成塔實際生產情況進行模擬，系統壓力 ≤31.4 MPa，液氨放出壓力≤1.7 MPa；合成塔出口溫度≤370℃，液氨設計產量18.85t/h，w（NH3）≥99.5%，新鮮氣溫度40℃ ，壓力29MPa。新鮮氣與循環氣混合后進入冷凝塔，然后再進入氨冷凝器。新鮮氣組分見表1。

表1 合成氨新鮮氣組分Table.1 Fresh gas component of ammonia

2.1 氨合成建模

利用Aspen Hysys模擬氨合成工段生產流程，工藝流程參照5＃氨合成塔實際流程。合成塔入口壓力30.55 MPa（A），一床層入口溫度350℃，新鮮氣量為55 000 m3/h。反應方程式采用動力學方程，物性方法采用Peng-R。氨合成工段模擬工藝流程見圖1。

2.2 模擬結果

按照5＃氨合成塔實際運行情況進行模擬，模擬結果見表2。

圖1 氨合成工段工藝流程模擬Fig.1 Process simulation of ammonia synthesis section

表2 流程模擬工藝指標Table.2 Process simulation and process indicators

從表1看出，模擬結果與實際相符，說明Aspen Hysys可以準確的模擬合成氨生產。

3 節能降耗分析

影響系統節能的主要設備為：廢鍋、水冷器、氨冷器。影響系統增產的主要因素為氫氣損失。廢鍋將合成氣體降溫后，熱量轉變為蒸汽，并回系統使用，本次模擬不做分析。本此主要分析熱量移除并無法回收的水冷器和氨冷器中的氣體溫度對節能和增產的影響。

控制氨冷溫度，可有效調節制冷量及放空氣量；而水冷器出口氣體溫度變化，可體現循環水的用量及液氨的用量。因此，在保持合成新鮮氣總量不變及催化劑反應活性相同的情況下，對氨冷器、水冷器采用靈敏度進行分析，即可分析出系統節能、增產情況。

3.1 水冷器出口溫度對系統能耗的影響

當其它工藝指標不變，水冷器出口溫度由31℃增長到45℃時，對氨產量、循環水及氨制冷系統總能耗、氨冷器液氨用量、循環水量的敏感性見表3，敏感性曲線見圖2、圖3。循環水及氨制冷系統總能耗為氨制冷系統電耗加上水冷器循環水電耗。

表3 水冷器出口溫度敏感性表Table.3 Water cooler outlet temperature sensitivity table

圖2 水冷器出口溫度對氨冷器液氨用量和循環水用量的影響Fig.2 Effect of outlet temperature of water coolers on the amount of ammonia of ammonia cooler and the amount of recycled water

圖3 水冷器出口溫度對液氨產量和循環水及氨制冷系統總能耗的影響Fig.3 Effect of outlet temperature of water coolers on the ammonia production and recycled water and total energy consumption of ammonia refrigeration system

由圖2可見，隨著水冷器出口溫度的增加，循環水用量減少，而氨冷器用氨量增加。由圖3可見，隨著水冷器出口溫度的增加，循環水及氨制冷系統總能耗增加，氨產量下降。降低水冷器出口溫度，雖然會使循環水用量增加，但從整體能量消耗來看是降低的，且氨產量有所增加。因此，工藝操作上應盡可能的降低水冷器出口溫度。由于受循環水上水溫度影響，最佳的水冷器出口溫度為35℃～37℃。35℃與最高45℃時相比，循環水及氨制冷系統總能耗可節約3.18%，產量增加0.85%。

3.2 氨冷器出口溫度對系統能耗的影響

當其它工藝指標不變，氨冷器出口溫度由-10℃增長到5℃時，氨產量、氨冷器液氨用量、循環水及氨制冷系統總能耗、氨凈值、循環水量的敏感性見表4，敏感性曲線見圖4、圖5。

表4 氨冷器出口溫度敏感性分析Table.4 Ammonia condenser outlet temperature sensitivity analysis

圖4 氨冷器出口溫度對液氨產量和氨凈值的影響Fig.4 Effect of outlet temperature of ammonia coolers on the ammonia production and ammonia net

圖5 氨冷器出口溫度對氨冷器氨用量和循環水及氨制冷系統總能的影響Fig.5 Effect of outlet temperature of ammonia coolers on the ammount of ammonia and total energy consumption of ammonia refrigeration system

由圖4可見，隨著氨冷器出口溫度的增加，氨凈值增加，但液氨產量降低，兩曲線交叉點在-6℃。由圖5可見，隨著氨冷器出口溫度的增加，循環水及氨制冷系統總能耗減少，氨冷器用氨量也下降。雖然，降低水冷器出口溫度會使循環水及氨制冷系統的總能耗增加，但對氨產量增加有較大貢獻。兩曲線交叉點在-8℃，低于-8℃時能耗增加速度較高，使得氨制冷成本增加。因此，工藝操作上應控制氨冷器出口溫度，最佳的水冷器出口溫度為-8～-6℃。-8℃與0℃時相比，液氨產量增加0.386 t，增幅1.92%；循環水及氨制冷系統總能耗增加632.5 kW，增幅64.4%。

液氨產品的增加是由于系統氨凈值減少換來的，增量的成本為系統增加的電耗。若按每度電0.5元計，增加的成本632.5*0.5＝316.3元；氨按售價2500元/t，增加的銷售額0.386*2500＝965元，毛利增加965-316.3＝648.7元，則每年將有519萬元的毛利。

4 運行建議

4.1 加強水冷器的清洗 保證水冷器的換熱效果

通過模擬分析得知，水冷器出口溫度越低，對系統節能和氨產量增加越有利。目前，水冷器的出口溫度為40～42℃，換熱器投用初期換熱效果較好，可達到36℃。因此，建議生產運行過程中加強水冷器的清洗工作，以保證水冷器的換熱效果。

4.2 提高冰機效率 降低氨冷溫度

目前，制冷系統的氨冷溫度為0℃。在-10 ～5℃時，模擬的降低氨冷器出口溫度能夠增加氨產量，增加經濟效益。因此，建議提高冰機效率，把氨冷溫度控制在-8～-6℃之間為宜。

4.3 在氨冷器之前增加冷凍水裝置

從模擬的運行情況看，若在氨冷器之前增加冷凍水裝置（對循環氣體降溫）有利于制冷能耗的降低，并降低合成氨成本。因此，可以考慮進行技術改造，增加能效較高的冷凍水制備裝置，進一步對循環氣體降溫，以達到降低氨制冷系統能耗的目的。

［1］丁振亭.大型節能氨合成塔的開發與應用［J］.化肥工業.2004，25（4）：

［2］劉鏡遠.合成氣工藝技術與設計手冊［M］.北京：化學工業出版社，2001.

［3］解化化工分公司合成崗位工藝操作手冊［Z］.

Ammonia Synthesis Process Simulation and Operating Indicator Optimization

MA Wen-liang，Zuo Yan-ling

（Yunnan Jianhua clean energy Chemical Development Co.，Ltd.Subsidiary，Kaiyuan 661600，China）

Through the establishment of the ammonia process simulations，the impact of water cooler outlet temperature and the ammonia cooling outlet temperature on system capacity and energy consumption are analyzed.According to the actual situation，the most optimized economic operating temperature is：water cooler outlet temperature 35～37℃，ammonia cooler outlet temperature-8～-6℃.

ammonia；process simulation；water coolers；temperature；energy

TQ113.2

A

1004-275X（2015）04-0063-04

12.3969/j.issn.1004-275X.2015.04.018

收稿：2015-03-27

馬文亮（1983-），男，黑龍江望奎人，工程師，主要從事化工工藝工作。