关于全径向氨合成塔设计上的缺陷与预防处理

关于全径向氨合成塔设计上的缺陷与预防处理

李晓东

新疆玉象胡杨化工 有限公司 新疆阿克苏地区 84 3000

摘要：现当今，随着合成氨技术的飞速发展，合成氨装置已经向大型化，节约化方向快速迈进，通过合成氨催化剂的升级换代，现在我国合成氨合成塔压力也从原来的32MPa高压合成变化成为现在的14MPa的中压合成。在合成催化剂的使用过程中往往因为催化剂的装填不规范以及合成塔内件的设计不够合理，在合成系统的运行过程中就会出现因非正常原因导致的合成率降低，生产负荷达不到设计标准的情况。本文围绕合成塔设计以及合成催化剂装填以及实际运行的情况展开讨论，分析讨论合成塔在运行过程中，因催化剂沉降导致气体短路的现象及处理方法，希望能为有关人士提供参考。

关键词：合成氨、全径向合成塔、催化剂装填

引言

在全径向氨合成塔的设计上，对每一层催化剂的装填有比较高的装填要求，装填量必须大于等于设计装填量，但在催化剂装填的过程中，往往会因为装填管理的原因、人的原因、以及装填器材等因素，导致合成催化剂装填量不足，一炉合成催化剂寿命一般在十年以上，在长周期的运行过程中，催化剂会发生一定量的沉降，沉降量超过了设计允许指标，就会导致全径向合成塔在催化剂床层表面发生气体短路现象，此现象发生后具体表现在合成率不明原因下降，合成塔同平面温差加大，

1、全径向合成塔的缺陷

现有合成氨厂10--30万吨/年的氨合成塔，多选用全径向氨合成塔，工艺气体从每一层催化剂床层上部进入催化剂床层，从催化剂内框周围的进气孔通过催化剂层在内框中间的出气孔汇总到中心集气管，完成一层催化剂框的合成反应。在每一层催化剂床层的上部由于气体是最先进入的地方，在催化剂床层上部气体的流动除了径向流动，还存在少许的轴向气体流动，这是每一个径向合成塔每一层催化剂框上部都存在的现象。

随着氨合成塔使用时间的推移，催化剂框内催化剂会随气体的流动而变得更加的紧密，导致催化剂框内催化剂会产生一定的下沉，催化剂框表面气体直接到出气孔的阻力会逐渐降低，而导致更多的工艺气体未经过催化剂床层而在床层上部形成短路，导致催化剂床层出现进出口端上中下三点温度会呈现逐步降低的趋势，下部温度最低，同时第二层催化剂进口温度会大大低于上层催化剂出口温度，这是由于上层催化剂表层出现气体短路，部分气体未参加反应直接到了出口端而导致的现象。以上现场在氨合成塔每次开车升温表现最为明显，因为每次开车升温时总的循环气量相对较少，从而催化剂框上中下层分布的气量之上而下在表层有短路的情况下，下层催化剂的气量就更少了，就导致下层温度和中上层温度存在较大偏差的情况。

2、催化剂床层短路的预防

要预防以上情况可以通过两个方面进行，第一是在合成塔设计初期改变对合成塔内件的设计，使每一个催化剂框的上部催化剂装填量适当增加或者对催化剂框的进出口气体的开孔适当下移，保证催化剂在使用过程发生沉降后，催化剂表层和进出口开孔间距任然能够保证一定厚度，而降低气体短路的影响。但需要同时考虑是否影响床层的正常气量，此项建议是需要从设计上进行优化。

第二是在催化剂装填时，一定要按照催化剂装填要求，在装填一定厚度后必须进行震动紧实后在进行装填和反复的震动，整个装填过程的控制尤为重要，每一层催化剂框装填完成后都必须和理论数据进行比对，必须保证装填量大于或等于理论装填量，这样才能保证在未来10年的使用过程中，尽可能的减少表面气体短路带来的负面影响。

3. 催化剂床层短路的具体表象

如何通过正常生产及开停车的指标变化进行判定尤为重要，在出现全径向合成塔表面短路轻微时，正常生产上表现的不明显，但系统开停车合成塔升温过程会有明显的表现，同一个催化剂框的上中下三组测温点来看，由于上层气体有短路情况，下层测温点的温度上涨比较缓慢同时化学反应热偏少，但这些指标必须是和同一个合成塔之前的指标进行比对才具有可比性，这也就要求我们平时对合成塔的正常生产过程以及开停车过程的指标要有较完善的记录。

出现全径向合成塔表面短路严重时，具体表现在以下表象上。首先合成塔的表面短路是一个时间累积的过程，同时也是生产负荷逐步下降的过程，从表象上看随着时间的推移，生产负荷会逐步走低，因为气体短路导致合成率逐步降低，部分气体在系统内进行无效循环，拉低了生产负荷，同时也增加了系统的能耗。问题严重时，正常生产中会出现催化剂床层进口端温度较正常偏低较多，越是催化剂框的下部测温点表现越是明显，同时在合成塔开车升温过程中表现就更是明显，开车过程中因为循环量比较小，气体短路导致催化剂框下层的气量就更小，从而同一催化剂框下部的温度升温缓慢，同时也会表现在下一个催化剂框的入口温度上，正常开车过程催化剂框的换热冷线都是关闭状态，从上一个催化剂框出口端温度来看，在短路严重时，这个温度会大大的大于下一个催化剂框的入口温度，在没有进行换热的情况下，两点的温度不应该有太大的差异，正常情况低20℃左右，但短路严重时会低到50℃到100℃，这就严重影响了系统的正常开车进度，同时也会对正常生产的热平衡及生产负荷带来较大影响。

4、催化剂床层短路的处理方法

出现类似问题的处理方法，首先通过日常生产的异常现象进行判断以及开停车过程温度变化情况和最初催化剂装填量进行对比判断，如果符合上述情况，那么可以通过以下方法进行处理，首先制定完善的催化剂框调出过程的工艺安全保护措施，建议还是先对催化剂进行表层钝化，钝化温度不能大于80℃，以减少对催化剂晶体的影响，钝化完成后在对催化剂进行补加，补加最好采用预还原催化剂，减少开车过程水汽对催化剂的影响。

四川某化工厂共计三套合成氨系统，其中一套8万吨/年，一套12万吨/年，一套20万吨/年，其中8万吨/年和12万吨/年的装置在更换合成催化剂使用几个月后分别出现塔内温度异常，负荷逐步下降到50%--60%的生产负荷，而且驰放气量大。经过反复研究并打开合成塔检查后，发现打开合成塔小盖后催化剂有一定的沉降现象，大约沉降了20cm左右。后来对8万吨/年的进行了钝化后分别对上中下层催化剂进行了补加，补加后从开车过程温度变化情况以及开车正常后的温度分布情况和生产负荷均恢复最佳状态。又对12万吨的合成塔在未钝化的情况下，制定了完善的保护方案，对合成塔中上层催化剂进行了补加，补加后从开车过程温度变化情况以及开车正常后的温度分布情况和生产负荷均恢复最佳状态。8万吨/年的氨合成塔从处理前的只能运行2500NM3/h工艺天然气的生产负荷，恢复到4500NM3/h的 生产负荷，驰放气量从2000NM3/h降低到1500NM3/h；12万吨/年的氨合成塔从处理前的只能运行6000NM3/h工艺天然气的生产负荷，恢复到10500NM3/h的 生产负荷，驰放气量从6000NM3/h降低到4500NM3/h。

结语

合成氨的氨合成塔催化剂，是一个在合成氨装置中使用周期最长，更换和装填工作量最大的催化剂，所以要么从设计上消除上述缺陷，要么在合成塔催化剂的装填过程必须进行严格的控制，否则在长时间的运行过程中必定会出现以上异常现象，对合成氨的负荷以及消耗上会产生较大影响，而且后期处理难度也相对较大，处理风险相对较高。因此请同类合成氨企业引以为戒！

参考文献：

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