CN109737037A - 合成氨生产时对压缩功进行补偿的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种合成氨生产时对压缩功进行补偿的方法及系统，以解决目前加压机固定压缩比不能适应流量、工艺变化需要以及电耗居高、生产不稳定的技术问题；本方法包括：1、使用自对应补偿压缩机抽取七段入口总管内气体并对其进行压缩；2、经自对应补偿压缩机压缩后的气体进入冷却系统中进行冷却；3、经冷却系统冷却后的气体进入油分离器进行油分分离；4、经油分离器后的气体进入七段出口总管；本系统包括自对应补偿压缩机、水冷却系统、油分离器系统，自对应补偿压缩机的进气口与七段入口总管接口连接，自对应补偿压缩机的出气口与水冷却系统的进气口连接，水冷却系统的出气口与油分离器进口连接，油分离器出口与七段出口总管接口连接。

Description

合成氨生产时对压缩功进行补偿的方法及系统

技术领域

本发明涉及合成氨领域，以我国煤制气为主的小氮肥为基础研究领域，延伸至所有气体加压机固定压缩比的合成氨领域，即目前所有加压合成合成氨领域，尤其涉及一种合成氨生产时对压缩功进行补偿的方法及系统。

背景技术

一、诸多理论没有归纳、整理，并延伸和明确一些推理，直到切实指导实践是本发明的行业技术环境。

1、惰性气体含量对合成氨反应的影响，即对压缩功的影响(本文案以《无机物工艺学》一书为例书，该书由化学工业出版社出版):我们可以这样的理解合成氨反应中惰性气体的影响:一般气体的压缩和压力遵循波义尔·马略特定律，而合成氨反应的气体压缩和压力除了遵循这个定律外，还必须遵循合成氨可逆反应特征的平衡氨含量对压缩和压力的影响。而在含有惰性气体的合成氨反应里面，气体的压缩和压力则除了遵循这个定律和合成氨可逆反应特征的平衡氨含量的影响外，还必须受惰性气体浓度的影响。

而从式:

(《无机物工艺学》，第324页，化学工业出版社出版)可以看出:惰性气体的影响效率(即影响系数)和该压力级别下最大平衡氨含量的影响效率(影响系数)是一样大。因此，清除或者控制惰性气体含量就是从化学能的方面减少能耗。我们行业有的单位做过这种尝试，用液氮洗的方法清除了气体中的甲烷气体。但是并没有起到降低电耗的作用。原因是没有在清除惰性气体的同时对另一个合成氨反应因反应体积缩小而耗功特征中的功的需求做出同步技术改造，也就是一个事物变化需要的两个方面的要求，我们只给了一个，而另外的一个根本没给，这就是这个技术改造功败垂成的原因。这个改造本身就是一个严肃的技术革新，不想却在行业产生“清除惰性气体的甲烷并不能达到节电的效果”的荒诞结论！

2、循环气法与惰性气体:虽然我们合成氨使用的是循环气方法，但在所有的现有技术材料中都没有对循环气的作用给出明确的定义、规范。诚然即使纯氢氮气合成氨反应由于可逆反应特征原料气也不能完全消耗，必须回收，必须使用循环。那么我们有惰性气体在里面的合成氨反应确实存在着一定的回收气体的意义，但是我们也应该看到在我们小合成氨系统其实具有没有回收有效气体的一面，因为正常生产中我们忽略成份波动的微小变化，其实驰放气的成份与回收气体的成份是一模一样的，也就是说从成份上看，从比例上看氢、氮有效气气体没有回收比例距离的。因此小氮肥的循环气法具有更多的意义。而这更多的意义也就源于惰性气体！或者说源于惰性气体对合成氨的平衡氨浓度的影响！

而小氮肥具有原料气流量小且有少量惰性气体的特征，又必须加压到动力消耗较小的高压范围再进行合成氨合成。因此选择一次合成既不能具有较高的转化率，又难于配置动力功，特别是难于得到稳定生产。因此必须使用循环气法。而循环气法正是利用惰性气体含量与氨含量对功的影响，从而控制和调整系统，得到稳定的生产。循环气方法的循环气作用是:a:只有通过循环气法才能对含有如此惰性气体浓度和如此气体流量的原料气进行合成氨反应后得到这样的气体比例，即回收气体的作用；b:只有通过循环气法才能对含有如此惰性气体浓度和如此大小的流量的原料气在较经济的压力范围内进行比较经济的生产；c:循环气是生产中控制生产的重要方法、手段:控制系统压力；控制系统流量；控制力的大小和力的平衡；控制系统功的平衡；控制合成氨的反应状态；为合成反应提供原料气物质基础和反应功的基础等。在这方面也正是利用了惰性气体浓度对合成氨反应的影响的原理进行控制的。因此，此方面我们一定要充分重视运用惰性气体浓度的指标和氨含量指标一样也是可以作为系统压力的指标、系统流量的指标、力的大小的指标、功的指标、反应状态的指标的作用。只有充分运用这些蕴含指标的作用，才可以更好地知悉系统的各种状态和与本发明能够使电耗降低的原因相融通。

3、强烈的对应性与“湍流”:在合成氨的现有教材资料里，其介绍的内容很大部分都是一种极强的对应特征:比如合成氨反应的平衡氨浓度反应系数、合成氨反应不同压力条件下与不同氢氮比所对应的平衡氨浓度、相同条件下各种压力对应的平衡氨浓度等。在这些对应中，很多是来自实验当中的数据。实践生产中会不会与这种数据对应(实验与实际生产存在静态与动态之分)呢？(即对理论的不可相信性，原因是理论不够明确，推理不到位)从实践中看合成氨生产其实是严格地遵循这些对应的。我们现在的合成氨触媒已经相当先进，满足合成氨实际生产中反应严格遵这种对应的需求。正是由于生产中合成氨反应严格遵守这种对应特征，于是就产生了合成氨反应的从最小流量瞬间变成最大流量的固有属性——“湍流”！即受氢氮比成份影响，氢氮比从停止向决定平衡氨浓度更小的方向发展转向决定平衡氨浓度变大方向的瞬间，由成份决定的合成氨反应由于强烈的对应作用，流量从最小瞬间由最小变成最大！(湍流正是实际生产严格遵循对应的结果)体会这个“湍流”特征可以用具体的数字说明:比如系统的最小平衡氨浓度是10％，最大平衡氨浓度是14％。那么就相当于系统流量从20台压缩机运行瞬间变成28台压缩机运行！

二、目前的合成氨压缩机固定压缩比不能适应流量、工艺变化的需要，是本发明针对性的技术关键:

合成氨系统各工段变化很多，都能引起原料气流量的变化，并且系统的配备一般都是流量不会大于合成塔的生产能力的。因此许多系统流量与合成塔的能力之间的差距就很大了。特别是很多厂家在自身的发展中将合成塔换成一个更大的，而其他配套的由于条件限制上不去，这样就更形成了大塔通小流量的格局。

而根据波义尔·马略特定律这种大塔通小流量的格局必定导致合成压力的降低！(当然合成氨反应也是一个体积缩小的反应，也能够导致压力降低，但是必须是合成反应的量不小于原来的量的情况下，这里我们暂时不提，因为我们现在不能就认为反应的量肯定大些，并且大得足够。)而压力的降低必然有一个结果，就是反应平衡氨浓度的降低！而另一方面我们也知道合成氨系统的原料气加压机的压缩比的合成段压缩比配备了一个格外大些的固定数据。这就是为了满足合成氨反应体积缩小特征而做的必要的功的配置。这样由于这两个方面的共同作用，就导致了这种合成反应配置功的相对剩余，从而形成了合成段的压力降低，而合成段前段压力迥异于后段而爆涨(同时也是形成巨大阻力)的压力格局！这也就是不用解释、提到合成压力降低能够致使原料气流可以加速的存在。因为这种阻力的不利出现远大于带来的有利。这些变化的数据计算太过复杂，本发明人这里用实际数据就能说明问题。

例1，如:本发明人所在厂家的七段型压缩机数据:时间1997年、合成压力26～28兆帕、出口氨含量10％、惰性气体含量14％、六段压力14.5～15.5兆帕(而且六段长期泄露大量气体，实际压力远不止于此)；时间2004年、合成压力28～30兆帕、出口氨含量12％、惰性气体含量16％、六段压力14～15兆帕；时间2007年、合成压力28～30兆帕、出口氨含量14％、惰性气体含量17％、六段压力29～31兆帕。

例2，如当前某厂数据:合成压力29.5兆帕、出口氨含量12.5％、惰性气体含量18％、一段压力0.34兆帕、二段压力0.97兆帕、三段压力1.4兆帕、四段压力3.0兆帕、五段压力5.8兆帕、六段压力16.7兆帕、七段压力30.5兆帕。再例3如当前另一厂家数据:合成压力22兆帕、出口氨含量14％、惰性气体含量17％。而形成的这种压力及成份的工艺特征造成了合成氨反应中大量的功浪费！

我们必须深入体会这种浪费:首先出口氨含量低和惰性气体含量高的格局，说明惰性气体含量决定反应的化学能致使功被大量浪费，要知道出口氨含量和惰性气体含量要保持相等才最有利于生产系统的经济和稳定，但是这种惰性气体含量高而出口氨含量低的特征直接说明拥有了高的压力级别，却没有相对应的高的出口氨含量(即没有对应的高的产量)，也就相当于直接将最高的压力级别掐去一段(而这虚高的压力根据力的作用与反作用是对流量有阻碍作用的)！而这一段全部浪费！

其次:很显然这种实际平衡氨浓度低于压缩机设计平衡氨浓度而剩余的功完全起了相反的作用。比直接浪费的情况还浪费。因为它还一定抵消一定的压缩功。再次:由于这种情况的发生，形成合成前段压力飚升，致使该段从压缩机力的方面形成力的突出点。从而影响压缩机功的整体发挥。

目前，影响我国小氮肥电耗的方面很多，主要有:没有使用蒸汽透平驱动，杜绝摩擦转换方面的浪费；没有清除惰性气体中的甲烷，致使化学能方面浪费；没有使氮气分离，致使通过系统太多，增大压缩功消耗等。但是大塔通小流量的工艺格局更是将我国小氮肥电耗推向奇高！当然也有另外一个次之的原因，但也与大塔通小流量特征有内在上的形成原因:这就是大塔通小流量的格局形成之后，必须保持惰性气体浓度高和出口氨含量低的压力虚高工艺形态，以应对流量的不足。但是这种状况又在合成氨成份变化引起的湍流发生时，流量加速被进一步放大！(即对湍流的放大)因为成份终止走向极值向反方向变化的瞬间，也就是出口氨含量趋向极值的时候，也就是合成反应状态从压力虚高变成实际压力对应实值应有平衡氨浓度的实对应状态，于是合成便处于压力级别上升状态。于是前些工段的系统被充当“缓冲罐”般，气体被极速冲向合成塔。由于各厂家具体“管、塔比”、实际流量、平衡氨浓度变化比例等各方面不同，此时合成工段管道内流速变化各不相同。这里虽然不必列举，但是很容易算出。一般可达三倍以上。在实际工作中铜洗铜液都能被抽到合成，我们也能试想到这这种流速下气体能在油分中有多大的分离效果是可想而知的！就是油分内的壁、件上的油滴被抽走也是情理之中的事情。而另一方面，由于我们的氨冷器后面没有油分，前面常温油分分离后的气体里面仍然有部分油雾，在经过氨冷器后因为温度更低而被分离了出来。这样在一些沉降到地面的氨冷器后的管道里就会积累很多油液(这些油液存在形成的阻力也就是一些厂家生产着生产着产量下降了的原因)。当湍流发生时，这些油液、脏物就被带到高温的热交里面，被碳化，结块。形成阻力！从而严重影响电耗。

因此大塔通小流量的格局不仅仅是引起电耗居高，更严重的是:这种大塔通小流量导致对湍流的放大，引起系统不稳定，导致压缩机易坏、触媒易损、指标易超、各反应不稳定的严重后果(当然这一技术因素也直接可以从平衡氨浓度的角度去看问题，平衡氨浓度低于压缩机设计值就出现这一系列问题，达到设计值就不会出现这些问题了。因此提高平衡氨浓度是解决这一问题的关键)。

因此，所述目前的合成氨加压机固定压缩比不能适应流量变化的需要，因此此问题是本发明针对性所要解决的关键问题(因此本发明运用的好处不但能够解决这种大塔通小流量带来的生产不稳定，使电耗下降，而且能够满足流量、工艺变化的需要)。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，适应现实需要，提供一种合成氨生产时对压缩功进行补偿的方法及系统，以解决目前的合成氨加压机固定压缩比不能适应流量及工艺变化需要及现存电耗居高、生产不稳定的技术问题。

为了实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案为：

设计一种合成氨生产时对压缩功进行补偿的方法，合成氨生产时使用氢氮气压缩机七段对原料气进行压缩，经第七段压缩后的气体进入后端的合成系统中；它包括如下步骤：

(1)在七段入口总管连接一自对应补偿压缩机，使用自对应补偿压缩机抽取七段入口总管内气体并对其进行压缩；

(2)经自对应补偿压缩机压缩后的气体进入冷却系统中进行冷却；

(3)经冷却系统冷却后的气体进入油分离器进行油分离；

(4)经油分离器后的气体进入七段出口总管内与经氢氮气压缩机七段压缩后的气体汇总后一并进入后续工序。

进一步的，步骤(2)，所述冷却系统为水淋式冷却系统。

进一步的，本发明还公开了一种合成氨生产时对压缩功进行补偿的系统，合成氨生产时使用氢氮气压缩机七段对原料气进行压缩，氢氮气压缩机七段的进口和出口上分别连接有七段入口总管和七段出口总管；包括自对应补偿压缩机、冷却系统、油分离器系统，所述自对应补偿压缩机的进气口与七段入口总管接口连接，自对应补偿压缩机的出气口与水冷却系统的进口连接，水冷却系统的出口与油分离器系统的进气口连接，油分离器的出气口与七段出口总管接口连接。

进一步的，所述冷却系统为水淋式冷却器系统。

本发明的有益效果在于：

针对上述背景技术中所提出的问题，本发明的运用可以使合成氨不论是调节惰性气体含量(或者清除甲烷)、使用蒸汽透平驱动、氮气分离运行等都可以始终做到合成处于“自对应”状态。因此，适用于多种工艺调整。

本发明是对七段压缩原料气并行进行压缩功的补偿，使不论任何流量的气体在合成都能够以不低于设计值的平衡氨浓度生产，避免固定压缩比带来的“功的回吐”和“阻碍放大”。也相当于给了一个“灵活的压缩比”。同时使合成始终处于一种“有多少压缩功就对应产生多少压力”“有多少压力就对应产生多少平衡氨浓度”的“自对应”状态。

本发明可解决由于大塔通小流量导致的诸多弊端:如导致压缩功极大的浪费，致使电耗居高；导致系统流量形成巨大湍流，致使系统流量不稳定，指标超标、压缩机极易损坏；各触媒易损坏；导致合成塔内反应状态不良、不稳的技术问题。同时，本发明在应用中可以使电耗显著降低；可以进一步配合其它技术改造降低更多电耗；是进一步发展自动化智能控制的基础，经本方法可以使企业:电耗大幅降低；系统生产稳定；压缩机运行平稳；合成塔内反应状态良好；使企业获得了进一步降低电耗的基础等。

附图说明

图1为发明的系统主要原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

实施例1：一种合成氨生产时对压缩功进行补偿的方法；本方法以背景技术所阐述的理论、问题为依据基础。

可参见图1(本文案以小氮肥七段型氢氮压缩机为描述例)，合成氨生产时使用压缩机七段对原料气进行压缩，经第七段压缩后的气体进入后续的工序(合成系统)；具体的，本方法它包括如下步骤：

(1)在七段入口总管连接一自对应补偿压缩机，使用自对应补偿压缩机抽取七段入口总管内气体并对其进行压缩；

(2)经自对应补偿压缩机压缩后的气体进入冷却系统中进行冷却，冷却系统为水淋式冷却器系统；

(3)油分，油分采用油分离器(部分压缩机如分级压缩中使用的是透平压缩机，此步骤可省略，否则，此步骤不可省略)；

(4)经油分后(若步骤(3)省略，此时为冷却系统冷却后的气体)进入七段出口总管内与经氢氮气压缩机七段压缩后的气体汇总后一并进入后续工序。

实施例2：一种合成氨生产时对压缩功进行补偿的系统，参见图1，本系统以实施实施例1为基础，具体的，氢氮气压缩机七段的进口和出口上分别连接具有接口的七段入口总管和七段出口总管，本系统它包括自对应补偿压缩机、冷却系统，所述自对应补偿压缩机的进气口与七段入口总管接口连接，自对应补偿压缩机的出气口与冷却系统的进气口连接，还包括油分系统，所述油分系统的进气口与冷却系统的出气口连接，油分系统的出气口与七段出口总管接口连接，所述油分系统为油分离器，所述冷却系统为水淋式冷却器。

综上，本发明的本质就是将不足流量的气体加压到较高压力的条件下再进行合成氨反应。使流量不足的气体在不低于压缩机设计值的平衡氨浓度的工况下反应。通过本发明系统的使用化解了合成氨固定压缩比带来的“功的回吐”、“阻碍放大”的缺陷，使合成处于“有多少功就有对应多高压力”“有多高压力形成对应多高平衡氨浓度”的“自对应”状态，使整个合成氨系统处于波义尔·马略特定律和合成氨反应规律的控制之下，使得功的运用丝毫不被浪费。应当是所有合成氨行业的必要配置，它能够给行业带来这些特征、意义、作用上的好处:

1、解决目前我国以小氮肥行业急需解决的生产运行不稳定技术问题，并同时杜绝动力功浪费，降低电耗；优化系统生产。

由于本发明的应用大大缩小了合成反应的变化幅度，也即大大优化了造气控制成份的环境，使得合成与造气双向互相优化，湍流发生的变化幅度被削减趋近于平稳！同时系统流量和功的运行均处于极值状态，引不起过大变化。这样就从各种途径有效地削减了湍流剧变幅度，平稳了系统。同时更是使得系统流量、功、力等多方面做到更稳定的平衡！也使得合成反应操作弹性更大。优化了工艺。同时也使电耗大幅下降。

比如:以背景技术中例2中的数据来说，该电耗为吨氨电耗1400度。使用本发明可使惰性气体含量和出口氨含量均为(12.5+18)÷2＝15.25的同一压力级别的工艺，则电耗可以降低:1400÷12.5×(15.25－12.5)＝308(度)。当然，自对应补偿压缩机的投入运行也增加了一部分电耗，但是数量极其有限:1400×1/4(压缩机四个受力方向)×1/2(合成段与六级压缩机共用一个受力方向)×(2.9－1.9)/1.9(六、七级压缩比之差率，即成反应体积缩小导致压缩功消耗率)×2.75/12.5＝20.26(度)，即该条件下自对应补偿压缩机的运用使吨氨电耗增加20.26度。而且还可以进一步调整工艺，做到出口氨含量18％，而甲烷含量12.5％这样的同一压力级别的工艺(当然我们不必要担心这样引起压差增大、空速增大之类的问题，因为一方面是大塔通小流量这类指标根本就没达到，无非是向指标靠拢)，因为同一压力级别也就是压缩功不增加的工艺，这样就在只再增加一点自对应补偿压缩机的功的情况下，得到吨氨电耗800多的电耗了。当然，这样降低电耗不是要求设备出力，而是将浪费的电能得到利用。是电力基本不增加的情况下得到更多的产量；也不会要求压力超标，因为解决问题只是要求出口氨含量达到设计值，是在设计压力范围之内。

2、能够为小氮肥行业进一步进行多方面节电技术改造打下基础:为同一压力级别间惰性气体含量缩小和出口氨含量增大(从而耗电量不变产量增大形成节电)的节电方式打下基础；为完全清洗甲烷的节电方式打下基础；并为最终使得我国小氮肥为基础的合成氨行业与加压气化做到能耗同一等级的电耗方面打下基础和明确技术改造方向。

3、同样是造气使用加压气化的大型合成氨行业的解决同样因固定压缩比导致的节能和稳定技术因素的基础。

4、由于本发明的应用，使得合成氨反应具有全面的对应特征，因此对合成氨反应的变化就变得更容易得知变化原因和掌握控制变化，故此本发明是开发或开发更加先进的合成氨自动化智能管理系统的基础。

本发明的实施例公布的是较佳的实施例，但并不局限于此，本领域的普通技术人员，极易根据上述实施例，领会本发明的精神，并做出不同的引申和变化，但只要不脱离本发明的精神，都在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种合成氨生产时对压缩功进行补偿的方法，合成氨生产时对氢氮气压缩机七段对原料气进行压缩的并联补充压缩，其特征在于：它包括如下步骤：

(1)在氢氮气压缩系统的七段入口总管连接一自对应补偿压缩机，使用自对应补偿压缩机抽取七段入口总管内气体并对其进行压缩；

(2)经自对应补偿压缩机压缩后的气体进入冷却系统中进行冷却；

(3)经冷却系统冷却后的气体进入油分离器进行油分离；

(4)经油分离器后的气体进入七段出口总管内与经氢氮气压缩机七段压缩后的气体汇总后一并进入后续工序。

2.如权利要求1所述的合成氨生产时对压缩功进行补偿的系统，其特征在于：步骤(2)，所述冷却系统为水淋式冷却器。

3.一种合成氨生产时对压缩功进行补偿的系统；其特征在于：包括自对应补偿压缩机、冷却系统、油分离器，所述自对应补偿压缩机的进气口与氢氮气压缩机系统的七段入口总管接口连接，自对应补偿压缩机的出气口与水冷系统进口连接，水冷系统出口与油分离器进口连接，油分离器的出气口与七段出口总管接口连接。

4.如权利要求3所述的合成氨生产时对压缩功进行补偿的系统，其特征在于：所述冷却系统为水淋式冷却器。