周 濤 王建剛 張萬堯

(天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司)

生產(chǎn)己內(nèi)酰胺用氨轉(zhuǎn)化反應(yīng)器的國產(chǎn)化

周 濤*王建剛 張萬堯

(天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司)

針對(duì)氨氧化過程中傳統(tǒng)工藝流程長、設(shè)備臺(tái)數(shù)多及能耗高等問題，介紹了氨轉(zhuǎn)化反應(yīng)器在生產(chǎn)已內(nèi)酰胺新工藝中的應(yīng)用，并與傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝作對(duì)比。

氨轉(zhuǎn)化反應(yīng)器 己內(nèi)酰胺 國產(chǎn)化

在己內(nèi)酰胺的生產(chǎn)過程中，為補(bǔ)償羥胺制備時(shí)硝酸鹽的消耗，需將氨氧化成硝酸進(jìn)行再利用，化學(xué)原理是加熱的氨氣在催化劑作用下與空氣反應(yīng)生成NO，NO與水反應(yīng)生成硝酸[1,2]。由于氨的氧化反應(yīng)是強(qiáng)烈的放熱反應(yīng)，大量的熱量如果不被及時(shí)帶走，不僅會(huì)影響催化劑的活性，使反應(yīng)速率降低，而且會(huì)損壞設(shè)備，因而需要特殊的換熱元件將反應(yīng)熱帶走。氨轉(zhuǎn)化反應(yīng)器正是出于此目的而研發(fā)的關(guān)鍵設(shè)備。

中石化巴陵分公司己內(nèi)酰胺生產(chǎn)工藝現(xiàn)有裝置中的氨轉(zhuǎn)化反應(yīng)器為20世紀(jì)90年代從國外引進(jìn)的設(shè)備，目前已使用了二十多年，由于已達(dá)到了使用年限，經(jīng)常發(fā)生換熱元件腐蝕、泄漏及法蘭密封失效等問題，造成換熱元件換熱能力不足、不能達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，甚至出現(xiàn)設(shè)備被迫停車的現(xiàn)象?？紤]到傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝在生產(chǎn)過程中存在的問題，以及進(jìn)口設(shè)備在價(jià)格、制造周期及售后等方面的不利因素，天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司對(duì)氨轉(zhuǎn)化反應(yīng)器進(jìn)行國產(chǎn)化。

1 氨轉(zhuǎn)化反應(yīng)器工藝流程

傳統(tǒng)氨氧化工藝流程中氨的氧化過程、氮氧化物的降溫過程，水的預(yù)熱、蒸發(fā)及過熱過程分別在不同設(shè)備內(nèi)完成，其缺點(diǎn)是工藝流程長、所需設(shè)備臺(tái)數(shù)多、占地面積大、一次性投資大、能耗高。

傳統(tǒng)的己內(nèi)酰胺生產(chǎn)中氨氧化工藝流程如圖1所示，經(jīng)過凈化的空氣和氨氣混合后進(jìn)入氧化爐，在催化劑的作用下生成溫度為800℃左右的氮氧化物氣體，從氧化爐出來的氮氧化物直接進(jìn)入換熱器，在此產(chǎn)生動(dòng)力蒸汽，氣體被冷卻到180℃，然后在第一冷卻器中被冷卻到40℃，在此，混合氣體中大量的水蒸氣被冷凝，然后再進(jìn)入第二冷卻器中冷卻，最后進(jìn)入吸收塔[3]。

圖1 傳統(tǒng)的氨氧化工藝流程

氨轉(zhuǎn)化反應(yīng)器中氨的氧化工藝流程如圖2所示，從凈化裝置出來的氨氣和空氣混合氣體由反應(yīng)器上封頭頂部接管通入，在催化劑的作用下氧化并放出熱量，生成的氮氧化物帶著熱量在殼程依次經(jīng)過第一蒸發(fā)器、過熱器、第二蒸發(fā)器和預(yù)熱器，最后被冷卻到設(shè)計(jì)溫度并從下封頭底部接管流出。循環(huán)水依次經(jīng)過預(yù)熱器、水冷壁、第一蒸發(fā)器和第二蒸發(fā)器，與殼程的載熱氣體完成換熱，回流至水汽分離器，分離水分后的蒸汽再流經(jīng)過熱器，完成換熱后形成過熱蒸汽[4]。整個(gè)系統(tǒng)的熱量傳遞流程如圖3所示。

圖2 氨轉(zhuǎn)化反應(yīng)器中氨的氧化工藝流程

圖3 系統(tǒng)熱量傳遞流程

與傳統(tǒng)己內(nèi)酰胺生產(chǎn)中氨的氧化工藝流程相比，氨轉(zhuǎn)化反應(yīng)器中氨的氧化(新工藝)工藝流程更加簡化，設(shè)備設(shè)計(jì)緊湊、生產(chǎn)強(qiáng)度大、熱回收效率高，使己內(nèi)酰胺生產(chǎn)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性更加凸顯[4，5]，傳統(tǒng)工藝與新工藝的對(duì)比見表1。

表1 傳統(tǒng)工藝與新工藝的對(duì)比

2 氨轉(zhuǎn)化反應(yīng)器設(shè)計(jì)要求

氨轉(zhuǎn)化反應(yīng)器作為己內(nèi)酰胺生產(chǎn)過程的核心設(shè)備，為滿足氨氧化工藝條件，需滿足以下基本要求[6]：

a. 確保氨氣和空氣的混合氣體能均勻地通過整個(gè)催化劑截面；

b. 確保反應(yīng)、換熱過程中，氣固接觸面積最大的前提下，盡量縮小設(shè)備整體的體積，以減少整體熱量損失；

c. 確保設(shè)備設(shè)計(jì)盡量簡單，催化劑拆裝方便；

d. 盤管在加工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制平整度和垂直度，以保證殼程熱載體和管程冷載體能平穩(wěn)流過各層盤管。

氨轉(zhuǎn)化反應(yīng)器內(nèi)部管件多，結(jié)構(gòu)緊湊且復(fù)雜，從結(jié)構(gòu)上看主要由氧化段、蒸發(fā)過熱段和預(yù)熱段組成，上、下兩端由大法蘭連接。氧化段設(shè)有氣體分布室、氧化室等；余熱回收段包括蒸發(fā)過熱段(蒸發(fā)器、過熱器、冷卻器)[7]和預(yù)熱段(預(yù)熱器)，具體特征參數(shù)見表2。

表2 余熱回收段的特征參數(shù)

從功能上看，整臺(tái)設(shè)備在一個(gè)相對(duì)小的空間內(nèi)集成了蒸發(fā)、過熱、反應(yīng)、預(yù)熱四大功能，使原本需要在4臺(tái)設(shè)備上單獨(dú)完成的工藝在同一臺(tái)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)，不僅使整體設(shè)備有所簡化，更能最大限度地節(jié)省生產(chǎn)現(xiàn)場的空間，使用戶整體的投資成本下降[8]。

3 結(jié)束語

氨轉(zhuǎn)化反應(yīng)器的成功國產(chǎn)化，不僅打破國外長期以來對(duì)同類產(chǎn)品的壟斷，使工藝包計(jì)算、設(shè)備設(shè)計(jì)及后續(xù)的維護(hù)等相關(guān)費(fèi)用明顯降低，而且更為我國己內(nèi)酰胺產(chǎn)業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展提供了有力的技術(shù)支持，促進(jìn)我國相關(guān)石化裝備的發(fā)展。同時(shí)，本次生產(chǎn)己內(nèi)酰胺用氨轉(zhuǎn)化反應(yīng)器的成功國產(chǎn)化所積累的經(jīng)驗(yàn)可以應(yīng)用于其他有待國產(chǎn)化的石化裝置上，并以此為契機(jī)，不斷提高我國石化裝備技術(shù)在國際市場上的市場競爭力。

[1] 古大田，方子風(fēng).廢熱鍋爐[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002：5～6.

[2] 王金文.雙加壓硝酸裝置中低壓反應(yīng)水冷凝器泄漏及改進(jìn)[J].煤化工，2013，41(6)：37～39.

[3] Hauptmans U，Yllera J，Saster H.Safety Analysis for the Ammonia-Air Mixing System of a Plant for Production of Nitric Acid[J]. Journal of Chemical Engineering of Japan，1982，15(4)：268～291.

[4] 劉金亮.雙加壓稀硝酸裝置流程特點(diǎn)分析[J].煤化工，2005，33(3)：65～67.

[5] 張立軍，李印昌，姚建澤.100kt/a雙加壓稀硝酸裝置建設(shè)投產(chǎn)總結(jié)[J].化肥工業(yè)，2011，38(6)：39～43.

[6] 陳五平.無機(jī)化工工藝學(xué)(上冊)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002：326～327.

[7] 宋昌鵬，孫瑩.氨氧化爐關(guān)鍵部件制造技術(shù)[J].壓力容器，2014，31(6)：75～77.

[8] 張夕專.硝酸生產(chǎn)工藝研究[J]. 科技視界，2013，(19)：203～204.

* 周 濤，男，1989年3月生，碩士研究生。甘肅省蘭州市，730060。

TQ052.5

B

0254-6094(2016)02-0248-03

2015-05-15，

2016-03-18)