合成氨生產(chǎn)工藝及KBR合成氨工藝研究

崔俊輝

（大慶油田化工有限公司甲醇分公司合成氨車間，黑龍江大慶 163411）

合成氨屬于傳統(tǒng)的基礎化工業(yè)內(nèi)容，當前石油價格不斷提升，石油深加工技術(shù)不斷進步，合成氨原料結(jié)構(gòu)中主要以煤、重油、輕油及天然氣為主，并構(gòu)成了以天然氣為主體的重要格局。當前，合成氨制作工藝不斷調(diào)整，我國屬于合成氨生產(chǎn)的重要國家，已經(jīng)對液態(tài)烴、油田伴生氣、天然氣、焦爐氣、無煙煤及焦炭等多原料合成氨的基礎進行了掌握，隨著我國科技水平的提升，合成氨生產(chǎn)工藝已經(jīng)向著經(jīng)濟性方向轉(zhuǎn)變，不斷對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及原料進行了調(diào)整，所以必須不斷優(yōu)化合成氨生產(chǎn)工藝，以KBR合成氨工藝方式開展生產(chǎn)。

1 合成氨工業(yè)發(fā)展情況

合成氨工業(yè)屬于基礎性化工的重要內(nèi)容，其應用途徑十分廣泛，可用以進行碳酸氫銨、硝酸銨、硫酸銨及尿素等氮肥物質(zhì)的生產(chǎn)，也可應用于磷肥這一復合肥料的生產(chǎn)，合成氨也有化肥氨支撐。合成氨屬于關鍵的工業(yè)原料，其可進行含氮無機鹽、純堿及硝酸等基礎性化工材料的制備，在有機化工行業(yè)之中，其可應用于含氮中間體的制備。高分子工業(yè)生產(chǎn)中，合成氨可進行氨基塑料和丁腈橡膠等物質(zhì)的制備，在制藥領域，合成氨也可應用于磺胺類藥物的制備，在國防領域之中，合成氨可應用于硝化甘油和三黃基甲苯的制備[1]。待合成氨步入工業(yè)化領域之后，合成氨的原材料不斷變化，尤其在1920年以后，合成氨的主要生產(chǎn)原料已經(jīng)變?yōu)槊禾亢徒固浚?950年以后，合成氨只有采用石腦油、石油及天然氣作為主要原料，自1960年以后，制氨原材料開始選用重質(zhì)油，合成氨工業(yè)的原始材料已經(jīng)逐漸由固體向液體和氣體轉(zhuǎn)變，至1970—1980年以后，科技水平不斷進步，大型氨廠建立主要依靠煤炭、重質(zhì)油及石腦油為材料。自2000年以后，合成氨的制作廠家數(shù)量已經(jīng)超過600家，其中年產(chǎn)量較大的企業(yè)也已經(jīng)接近20家。

當前，世界能源供應量日益緊張，直接增加了合成氨的生產(chǎn)成本，導致合成氨能源消耗量不斷下降，對氨合成催化劑及中低壓合成工藝進行深入研究，借助國外合成氨催化劑的應用及生產(chǎn)配套工藝情況，提出了KAAP生產(chǎn)工藝，繼而研究出了繼鐵系催化劑為生產(chǎn)形式的第二代合成氨催化劑，由于傳統(tǒng)高溫高壓合成氨工藝設備應用形式復雜，原料氣壓縮過程中會消耗大量的能量，導致壓力水平降低，所以自21世紀以后，合成氨生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)取得了突破性的進展，其依靠高低壓高活性合成催化劑進行合成氨的制作，可最大程度降低生產(chǎn)成本。當前，大型合成氨企業(yè)利用合成氨裝置，將中壓或者低壓綜合進行合成氨生產(chǎn)，此生產(chǎn)過程中合成回路的操作壓力被控制在8～22MPa。在當前低能耗的大型合成氨工藝應用中，包括Uhde生產(chǎn)工藝、Topsoe工藝、低壓氮合成工藝和KBR等工藝[2]。

2 合成氨生產(chǎn)工藝流程

工業(yè)上進行合成氨制備過程中，工藝流程存在差異性，操作方式不同，應用生產(chǎn)設備也不同，所以進行合成氨生產(chǎn)的工藝步驟也存在一定差異性。

2.1 除油與氣體壓縮

在合成氨生產(chǎn)過程中，氣體壓縮可依靠壓縮機，將精制后的氣體或者氫氣和氮氣的混合體進行壓縮，使其滿足合成氨制作中所需的操作壓力，在氣體壓縮的過程中，潤滑油屬于壓縮機應用的主要工具材料，潤滑油在受到氣缸高溫因素的影響，會產(chǎn)生氣化效果，逐漸隨氣體溢出。必須對潤滑油進行清除，以減少潤滑油導致氨合成催化劑中毒問題，減少其在熱交換器上黏附，影響交換器熱傳導效率的情況發(fā)生[3]。在一般情況下，需要采用濾油器及油分離器形式對油氣進行去除，若是采用無潤滑油往復式壓縮機或者離心壓縮機，則無須分析氣體帶油問題，可縮減這一工序的應用。

2.2 氣體預熱與合成工序

合成氨制作中，催化劑屬于必不可少的材料，但是由于催化劑存在活性溫度，在壓縮完成氫氣與氮氣的混合體以后，必須將催化劑進行預熱，使之達到預熱溫度水平以后，降低向催化劑層輸送，使之與其反應。在開展混合氣體預熱工作中，氨合成過程中所產(chǎn)生的反應熱量屬于最主要的熱源來源，熱換氣反應后，高溫氣體的熱量就是其升溫的主要方式，若是反應熱量較少，無法保障塔內(nèi)的自熱平衡，可以借助加熱爐和電加熱器滿足氣體預熱需求[4]。

2.3 氨分離

混合氣體自合成塔內(nèi)部分離以后，其中所包含的氨氣含量極低，此情況下的氨氣含量大都在10%～20%之間，必須采用分離措施進行干預才可獲取液氮，當前，合成氨生產(chǎn)企業(yè)大都應用冷凝方式從混合氣體中進行氨氣的分離，并應用水冷器對液氨進行分離，此過程必須依靠氨冷氣進行配合，減壓處理完成后，將其輸送至液氨貯槽進行存儲。

2.4 未反應氫氮氣循環(huán)

混合氣體自合成塔分離以后，必須采用氨分離方式進行干預，由于剩余氣體之內(nèi)未發(fā)生反應的氨氣和氫氣數(shù)量還比較多，所以應采用循環(huán)法合成氨對這些氣體進行收集，確保未發(fā)生反應的氫氣與氮氣混合體在進行氨分離后，能夠重新與原料氣融合，依靠循環(huán)壓縮機，將其向氨合成塔中輸送。

2.5 惰性氣體排放

合成氨原料應用中，大都由于凈化方式差異及原料差異性誘發(fā)，在一般情況下，會產(chǎn)生氬氣和甲烷等惰性氣體，在循環(huán)法合成氨的制作過程中，氫氣與氮氣會不斷生成合成氨，惰性氣體會少量在液氮中溶解并隨之帶出，但是大部分情況下存在循環(huán)氣體，嚴重影響合成氨的生產(chǎn)過程[5]。

2.6 回收反應熱

合成氨在生產(chǎn)過程中，存在較大的反應熱，必須對反應熱進行回收，以實現(xiàn)節(jié)能效果，當前，進行合成氨生產(chǎn)過程中，反應熱回收方式主要包括以下幾種：第一，在反應后，將高溫氣體進行預熱，產(chǎn)生預熱反應前的氫氮混合氣其活性溫度可與催化劑存在相似性。第二，在加熱后，熱水會進入銅液再生塔內(nèi)部，在加熱完成后，熱水能夠攻擊銅液再生塔應用。第三，預熱鍋爐給水，其會為汽輪機提供滿足條件的高壓蒸汽。第四，副產(chǎn)蒸汽，當前，大型氨廠應用中，其回收熱能形式主要以熱鍋爐加熱給水方式為主，中型氨廠進行合成氨生產(chǎn)中，大都將其應用于副產(chǎn)蒸汽，小型氨廠進行生產(chǎn)中，主要將其用于副產(chǎn)蒸汽和加熱熱水之中。其會應用氫氮混合氣進行反應熱預熱反應。

3 KBR合成氨工藝

KBR合成工藝屬于美國研究的合成氨生產(chǎn)工藝，由凱洛格企業(yè)及布朗路特工程企業(yè)組合形成，屬于合成氨制作新型工藝的一種，其屬于先進技術(shù)的主要代表性技術(shù)，能源消耗量比較低，操作方式簡單，且運行穩(wěn)定性高，工藝制作中，具有較短的開車時間。KBR合成氨工藝已經(jīng)廣泛應用于大型合成氨廠，天然氣屬于應用的主要原料，在煤化工企業(yè)中應用也十分廣泛。

KBR合成氨工藝應用中，凈化氫氣以后，將其與高純氮氣混合應用，可將其在合成器壓縮機中進行壓縮處理，壓力為15.5MPa，采取預熱措施進行干預后，會將其向塔內(nèi)輸送。合成氨自合成塔內(nèi)分離后，其體積分數(shù)大約為1/5，回收反應熱以后，依靠冷水器進行冷卻，并連同組合式氨冷器對其進行冷卻處理，依靠氨分離器對液氮進行分離處理。混合氣體在完成氨分離工作后，氫氣與氮氣的混合氣體在進行氨氣分離以后，會進入循環(huán)壓縮機中循環(huán)應用，并將其向氨合成塔中輸送，使之與原料氣共同混合應用。液氨在分離以后，會從氨分離器中分離出來，向閃蒸槽內(nèi)部進行溶解氣體的蒸出，最終進入冷凍工序進行冷凍處理。

3.1 KBR合成氨工藝技術(shù)

3.1.1 KRES技術(shù)

KBR合成氨工藝主要應用KRES技術(shù)進行合成氨的生產(chǎn)，其主要由KLG公司研發(fā)，可降低斷路設備中轉(zhuǎn)化熱換氣系統(tǒng)應用成本，取代轉(zhuǎn)換熱換氣系統(tǒng)功能，其主要包括換熱式轉(zhuǎn)化爐、自熱式轉(zhuǎn)換路兩種，可依靠出口氣體的高溫熱能效用，對天然氣染料的損耗進行縮減，簡化工藝生產(chǎn)設備，促進KBR合成氨工藝應用安全性的提升。

3.1.2 凈化器技術(shù)

該技術(shù)主要由Brown Root企業(yè)開發(fā)應用，應用中主要技術(shù)為二段爐過量空氣的匯入，其會降低出口的溫度，對一段爐負荷值產(chǎn)生降低效果，依靠深冷裝置，可對合成氣中包含的氮氣、氬氣及CH4等氣體進行去除，可保持氫氣與氮氣的比例為3∶1，以此進行合成氨生產(chǎn)過程中，減少KBR合成氨工藝應用的能源消耗量，減少成本投入，提升其可靠性能。

3.1.3 KAAP技術(shù)

這一技術(shù)主要由美國KLG公司開發(fā)應用，主要對鐵系催化劑技術(shù)應用釕基合成氨催化劑進行取代，可最大程度縮減合成氨的成本消耗量。

3.2 KBR合成氨工藝特征

首先，KBR合成氨工藝由德國巴斯夫三段aMDEA這一吸收工藝開展脫氮處理，該工藝具有先進性和創(chuàng)新性，可有效進行合成氨的脫氮處理，aMDEA工藝可對二氧化碳進行吸收，其對溶液的吸收能力會依據(jù)二氧化碳分壓水平的升高而變化，可促進物理吸收比例的提升。其次，KBR合成氨工藝應用過程中，可依靠組合式氨冷器對閃蒸槽和換熱器進行替換，可縮減系統(tǒng)阻力值，對設備投資成本進行縮減。最后，KBR合成氨工藝采用了三段中間換熱式臥式合成塔機械能干預，促進了氨合成效率的提升，對合成中的循環(huán)氣量產(chǎn)生了降低效果，可縮減合成器壓縮機循環(huán)段的能源消耗量，減少冰機的功耗量。

4 結(jié)束語

KBR合成氨工藝的應用，能夠最大程度提升合成氨制作效率，降低成本消耗，促進企業(yè)經(jīng)濟效益的提升，在熱回收及燃氣利用效率提升方面的應用效率均尤為顯著。