氨合成流程模拟及操作指标优化

马文亮，左艳玲

（云南解化清洁能源开发有限公司解化化工分公司，云南 开远 661600）

氨合成流程模拟及操作指标优化

马文亮，左艳玲

（云南解化清洁能源开发有限公司解化化工分公司，云南 开远 661600）

通过合成氨流程模拟的建立，分析了水冷器出口温度及氨冷器出口温度对系统产能及能耗的影响。根据实际情况优化得出最经济的运行温度为：水冷器出口温度为35～37℃，氨冷器出口温度为-8～-6℃。

合成氨；流程模拟；温度；水冷器；能耗

从20世纪60年代开始，我国在全国各地建设了一大批小型合成氨厂。1972年，我国又先后从美国、日本、意大利、荷兰等国引进了17套年产300kt的合成氨成套装置。目前，我国已经拥有多种原料、不同流程的大、中、小型合成氨厂1000多家。其中，年产30万吨的合成氨装置有40多套，氨产量已居世界第一［1］。

但是，我国的大型合成氨装置绝大多数都还存在着设备有缺陷、操作不够熟练、外部条件不够完善等一系列问题，导致装置的运转效率不高，生产能耗一般达不到设计要求。近几年来，合成氨在开发节能型新技术、新设备、新催化剂的同时，又在装置操作灵活性、生产可靠性、节省投资上取得了新的进展，用新技术改造旧装置的生产能力、提高旧装置的运转效率、降低旧装置的能耗也在努力开拓中。

本文采用过程稳态模拟方法，利用 Aspen Hysys模拟氨合成生产流程，并对氨冷器和水冷器的换热出口气体温度的模拟结果进行敏感性分析，以得出氨产量和制冷能耗间的关系，从而提出节能增产的运行及改造建议，达到提高产量增加效益的目的。

1 流程模拟及软件

将由许多过程单元组成的化工流程用数学模型表现，在计算机上解算其物料及能量平衡，并进一步计算各单元设备尺寸及设备运行状况称之为过程模拟。过程模拟是系统工程最基本的技术，不论过程的分析和优化，还是系统综合，都是以过程模拟为基础的。按是否考虑模拟对象的特性与时间之间的关系，可分为动态模拟和稳态模拟。稳态模拟是化工过程过程模拟研究中发展最早和应用最为普普遍的一种重要技术，他包括物料和能量衡算、设备尺寸和费用计算以及过程的技术经济评价。从数学角度看，其实质是求解非线性方程组［2］。该方程组由单元模块方程、流程连接方程和约束方程构成。

20世纪80年代以来，众多动态模拟软件纷纷推出，如美国普度大学的BOSS、英国剑桥大学的CHEMSIM、Linde公司的 OPISIM等。加拿大Hyprotech公司的 HYSIS同时兼有动态模拟和稳态模拟的功能，用户可以很方便的在稳态模拟和动态模拟之间切换。HYSYS软件在国内应用非常广泛，国内用户总数已超过50家。ASPEN公司流程模拟是目前为止通用的、功能强大的、实用方便的、用户界面十分友好的将稳态和动态模拟合而为一的软件。

2 氨合成系统流程模拟的建立

以我公司5＃合成塔实际生产情况进行模拟，系统压力 ≤31.4 MPa，液氨放出压力≤1.7 MPa；合成塔出口温度≤370℃，液氨设计产量18.85t/h，w（NH3）≥99.5%，新鲜气温度40℃ ，压力29MPa。新鲜气与循环气混合后进入冷凝塔，然后再进入氨冷凝器。新鲜气组分见表1。

表1 合成氨新鲜气组分Table.1 Fresh gas component of ammonia

2.1 氨合成建模

利用Aspen Hysys模拟氨合成工段生产流程，工艺流程参照5＃氨合成塔实际流程。合成塔入口压力30.55 MPa（A），一床层入口温度350℃，新鲜气量为55 000 m3/h。反应方程式采用动力学方程，物性方法采用Peng-R。氨合成工段模拟工艺流程见图1。

2.2 模拟结果

按照5＃氨合成塔实际运行情况进行模拟，模拟结果见表2。

图1 氨合成工段工艺流程模拟Fig.1 Process simulation of ammonia synthesis section

表2 流程模拟工艺指标Table.2 Process simulation and process indicators

从表1看出，模拟结果与实际相符，说明Aspen Hysys可以准确的模拟合成氨生产。

3 节能降耗分析

影响系统节能的主要设备为：废锅、水冷器、氨冷器。影响系统增产的主要因素为氢气损失。废锅将合成气体降温后，热量转变为蒸汽，并回系统使用，本次模拟不做分析。本此主要分析热量移除并无法回收的水冷器和氨冷器中的气体温度对节能和增产的影响。

控制氨冷温度，可有效调节制冷量及放空气量；而水冷器出口气体温度变化，可体现循环水的用量及液氨的用量。因此，在保持合成新鲜气总量不变及催化剂反应活性相同的情况下，对氨冷器、水冷器采用灵敏度进行分析，即可分析出系统节能、增产情况。

3.1 水冷器出口温度对系统能耗的影响

当其它工艺指标不变，水冷器出口温度由31℃增长到45℃时，对氨产量、循环水及氨制冷系统总能耗、氨冷器液氨用量、循环水量的敏感性见表3，敏感性曲线见图2、图3。循环水及氨制冷系统总能耗为氨制冷系统电耗加上水冷器循环水电耗。

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

图2 水冷器出口温度对氨冷器液氨用量和循环水用量的影响Fig.2 Effect of outlet temperature of water coolers on the amount of ammonia of ammonia cooler and the amount of recycled water

图3 水冷器出口温度对液氨产量和循环水及氨制冷系统总能耗的影响Fig.3 Effect of outlet temperature of water coolers on the ammonia production and recycled water and total energy consumption of ammonia refrigeration system

由图2可见，随着水冷器出口温度的增加，循环水用量减少，而氨冷器用氨量增加。由图3可见，随着水冷器出口温度的增加，循环水及氨制冷系统总能耗增加，氨产量下降。降低水冷器出口温度，虽然会使循环水用量增加，但从整体能量消耗来看是降低的，且氨产量有所增加。因此，工艺操作上应尽可能的降低水冷器出口温度。由于受循环水上水温度影响，最佳的水冷器出口温度为35℃～37℃。35℃与最高45℃时相比，循环水及氨制冷系统总能耗可节约3.18%，产量增加0.85%。

3.2 氨冷器出口温度对系统能耗的影响

当其它工艺指标不变，氨冷器出口温度由-10℃增长到5℃时，氨产量、氨冷器液氨用量、循环水及氨制冷系统总能耗、氨净值、循环水量的敏感性见表4，敏感性曲线见图4、图5。

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

图4 氨冷器出口温度对液氨产量和氨净值的影响Fig.4 Effect of outlet temperature of ammonia coolers on the ammonia production and ammonia net

图5 氨冷器出口温度对氨冷器氨用量和循环水及氨制冷系统总能的影响Fig.5 Effect of outlet temperature of ammonia coolers on the ammount of ammonia and total energy consumption of ammonia refrigeration system

由图4可见，随着氨冷器出口温度的增加，氨净值增加，但液氨产量降低，两曲线交叉点在-6℃。由图5可见，随着氨冷器出口温度的增加，循环水及氨制冷系统总能耗减少，氨冷器用氨量也下降。虽然，降低水冷器出口温度会使循环水及氨制冷系统的总能耗增加，但对氨产量增加有较大贡献。两曲线交叉点在-8℃，低于-8℃时能耗增加速度较高，使得氨制冷成本增加。因此，工艺操作上应控制氨冷器出口温度，最佳的水冷器出口温度为-8～-6℃。-8℃与0℃时相比，液氨产量增加0.386 t，增幅1.92%；循环水及氨制冷系统总能耗增加632.5 kW，增幅64.4%。

液氨产品的增加是由于系统氨净值减少换来的，增量的成本为系统增加的电耗。若按每度电0.5元计，增加的成本632.5*0.5＝316.3元；氨按售价2500元/t，增加的销售额0.386*2500＝965元，毛利增加965-316.3＝648.7元，则每年将有519万元的毛利。

4 运行建议

4.1 加强水冷器的清洗 保证水冷器的换热效果

通过模拟分析得知，水冷器出口温度越低，对系统节能和氨产量增加越有利。目前，水冷器的出口温度为40～42℃，换热器投用初期换热效果较好，可达到36℃。因此，建议生产运行过程中加强水冷器的清洗工作，以保证水冷器的换热效果。

4.2 提高冰机效率 降低氨冷温度

目前，制冷系统的氨冷温度为0℃。在-10 ～5℃时，模拟的降低氨冷器出口温度能够增加氨产量，增加经济效益。因此，建议提高冰机效率，把氨冷温度控制在-8～-6℃之间为宜。

4.3 在氨冷器之前增加冷冻水装置

从模拟的运行情况看，若在氨冷器之前增加冷冻水装置（对循环气体降温）有利于制冷能耗的降低，并降低合成氨成本。因此，可以考虑进行技术改造，增加能效较高的冷冻水制备装置，进一步对循环气体降温，以达到降低氨制冷系统能耗的目的。

［1］丁振亭.大型节能氨合成塔的开发与应用［J］.化肥工业.2004，25（4）：

［2］刘镜远.合成气工艺技术与设计手册［M］.北京：化学工业出版社，2001.

［3］解化化工分公司合成岗位工艺操作手册［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

马文亮（1983-），男，黑龙江望奎人，工程师，主要从事化工工艺工作。