合成氨操作手册.doc

卡萨利氨合成装置操作原则手册1. 合成回路基本原理手册1.1.轴径向合成塔原理1.2.催化剂的活化1.2.1概述1.2.2. 升压1.2.3. 注意事项1.2.4. 良好的操作1.2.5. 活化进程1.2.6.温度控制1.2.7. 活化过程总结1.2.8.还原的完成1.2.9. 还原期间的分析方案1.2.10.水分析方法1.3.正常操作条件1.3.1.自动控制1.3.2. 自动跳车系统1.3.3. 反应床温度1.3.4.计划停车1.3.5. 紧急停车1.3.6. 热工况重启动1.3.7. 冷工况重启1.3.8. 分析列表合成回路1. 基本原理手册1.1. 轴径向合成塔原理轴径向合成塔的特点是合成气流经催化剂床层的线速度低。事实上，合成塔内的布局为气体路径提供一个大交叉区域，所以通过催化剂床的压降非常小；从另一方面来说气体的分布是一个重要的因素。满负荷下合成塔的设计控制了气体路径交叉点的温差从而使得气体分布更为均匀。这些温差将在产量减少，即通过合成塔的流量减少时增大；所以，应时刻保持流量处于尽可能高的水平。1.2. 催化剂活化1.2.1. 概述在装置开车之前，合成回路必须用氮气吹扫置换,使装置中的氧气含量水平降到小于1000ppm（0.1%）。氨合成催化剂在缓慢升温的条件下由循环合成气通过催化剂床进行活化。活化过程是指铁氧化合物还原生成水分，并在下游的冷凝装置中分离出来。加热速率越快，反应越迅速,同时水汽浓度也更高。一旦有部分催化剂被还原出活性，催化剂就能反应生成氨。反应产生的热量使循环量增加并超过单独使用开工加热炉时的量，从而使余下的催化剂还原加快。高浓度的水蒸气含量会破坏已还原催化剂间良好的分隔孔状结构；因此，使用所有下述可能的手段来减小水蒸气的含量：保持合成塔进口总流量尽可能的高；这样可以使气体获得好的分布，催化剂受热均匀。另外，高的气体流量可以减少进口气体中的水汽浓度。限制流量的因素是开工加热炉的能力。在将热量加至最大后，通过减少合成塔入口主管线气量的方法来进一步提高温度。合成塔出口的水蒸气含量不超过极限范围。根据催化剂供应商的建议，预还原催化剂的极限为1000ppm v/v，氧化型催化剂极限为2500ppm v/v。保持合成塔入口水蒸气含量尽可能的低，打开冷冻系统使二氨冷E-1808出口温度 (TI-1811) 尽可能的低，但是必须保证要高于稀氨水的冰点。请注意这样的事实,即使在氨冷器出口的气体温度在0以上，冷凝水也很容易结冰，因为换热管束的表面是浸没在液氨中的，其温度比气体温度要低，足以使冷凝水结冰。出于这个目的，合成气中的氨含量非常重要，在相同的温度下既要降低水蒸气的含量也要降低液相（氨水溶液）的冰点。一旦循环气流量稳定，就可以用P-1822将液氨注入合成回路。冰点温度为：稀氨水浓度 (%NH3 w/w) 温度()4 -57 -109.5 -1512 -2014 -2516 -30每吨预还原和氧化催化剂分别产生约30公斤和280公斤的水。催化剂活化控制的主要标准是控制合成气流量稳定带着稳定的热量输入，很好的控制，催化剂床温度的平稳上升。1.2.2. 升压当来自前端的合成气稳定地供给，启动合成气压缩机缓慢地送合成气进入合成回路。首次以及后继连续的增压和降压的最大速率为： 0 4.0 MPa ： 0.1 MPa /min 4.0 8.0 MPa ： 0.2 MPa /min 8.0 12.0 MPa ： 0.25 MPa /min12.0 MPa max： 0.3 MPa /min1.2.3. 注意事项(1)在升温和还原过程中，注意合成塔外壳温度，使得合成塔主管线进口的流量保持最小状态。但是，主线上的进口阀门（HV-1801）绝对不能完全关死，以保持合成塔壳体温度低于设计温度。(2) 如果合成气压缩机发生停车情况，那么合成塔内的循环将被中断。为了防止催化剂中的气体停滞不前，可通过排放反应器的下游气体来保持一个向前流动的气体状态。催化剂冷却至约35；如果压力接近0.1Mpa(G)而温度仍然较高，则在合成塔进口处打开氮气吹扫。冷却器E-1808的出口温度必须高于从V-1801分离的氨水溶液的冰点温度，当合成塔进口的NH3浓度大于1%时就没有结冰危险了。(4) 当开始生成NH3时，从V-1801和V-1802分离的液体量逐步增大，但远远不及相应的正常操作情况下的量：此时液位的控制远困难于正常操作状况下。我们需要注意到氨水溶液会使催化剂中毒并且任何来自分离器的液体都会对催化剂产生强烈损害，同时也可能损坏循环机和合成气压缩机。1.2.4. 良好的操作按照1.2.1点，合成塔进口流量在任何时候应保持最大状态；达到此目的的最好方法是最大化热量供给和最小化热量输出。为了最大化热量供给，打开开工加热炉，把合成气流量调到适合以充分利用所有的热能并继续保持规范的出口温度；继续注意易燃气体的情况。为最小化热能输出，操作蒸汽过热器E-1801、废热锅炉E-1802和锅炉给水预热器E-1803，使得来自E-1803的合成气出口温度尽可能的高。合成回路压力最初为810MPa g;这个数据是基于下列两个原因的折中，低压有利于流速增加，得到好的气体分布，高压有利于增加循环气中的水气的分离效率。当有氨形成,就可以升压，最好是每小时升0.51MPa。如果冷却器在设备投入运行之前没有使用，应缓慢的加载冷却器。因为氨进口浓度的任何突然的改变都会造成催化剂温度失控。1.2.5. 活化进程催化剂还原温度的正常增长速度我们建议为：第一床（预还原催化剂）：常温 to 150 (bed inlet) 4050/hr (min. 3 hours)- 150 to 200 (bed inlet) 2025/hr (min. 2 hours)- 200 to 250 (bed inlet) 1520/hr (min. 3 hours)- 250 to 350 (bed inlet) 810/hr (min. 10 hours)- 350 to 470 (bed inlet) 68/hr (min. 15 hours)第二第三床（氧化型催化剂）-Ambient to 360 (bed inlet) the limitations of the first bed apply- about 360 to 420 34 (inlet bed)- 420 to 480 23 (hot spot)如果催化剂建议的温度值与上述温度有所差异的话，请遵照供应商的要求操作。最大允许的出口温度为520；建议在运行的开始几天不能超过500。如果合成塔出口湿度超过极限（见1.2.1.条），那么降低升温速度。如果催化剂的还原是一床接一床的话，那么上述升温速度是有效的，即当第一床已完成还原第二床开始还原，第二床完成还原第三床开始还原。这意味着只要第一床出口温度低于480那么第二床的进口温度将保持在380以下。第二床和第三床按照这个顺序进行。在合成回路第一次试车时通常对锅炉E-1802进行热化学处理：遵循相关制造商程序，上述催化剂升温速度可认为是最大允许数值。1.2.6. 温度控制第一床进口温度通过HV-1801控制总进口流量（C-1801出口上的流量计FI-1801）和热气体进口流量（FI-1804）之间的比率来控制。考虑到为了更好地控制，热流量和温度应处于稳定状态。与第一床和第二床温度的缓慢上升相反的是，主要流股在混合点处的温度应持续上升。 当进口流量达到最大时（即循环段防喘振阀完全关闭），这时第一床进口温度的控制通过减少开工加热炉的热量供给的方法进行。第二床进口温度通过底部换热器旁路阀HV-1802控制在第一床和第二床的还原过程中，第三床进口温度应低于还原温度。若有必要，打开主进口阀HV-1801。最后选择，调节TV-1802。第三床的还原，升温步骤通过逐步增加装置负荷实现。1.2.7. 活化过程总结催化剂窗层温度如下：1st bed inlet TI-1850 and TI-18601st bed outlet TI-1851, TI-1852, TI-1861 and TI-18622nd bed inlet TI-1853 and TI-18632nd bed outlet TI-1854, TI-1855, TI-1864 and TI-18653rd bed inlet TI-1856 and TI-18663rd bed intermediate TI-1857 and TI-18673rd bed outlet TI-1858, TI-1859, TI-1868 and TI-18691.2.7.1. 第一阶段 (加热第1床并开始还原，回路压力810MPa g)这一阶段的主要目标是增加TI-1850、TI-1860和TIC-1803温度，开始活化。合成回路压力应在8.010.0 MPa g的范围内，阀门的初始位置按照下列排列：循环段的防喘振阀门打开以防止在C-1801的循环段发生喘振TV-1803, HV-1802 and TV-1802 valves closed.TV-1803, HV-1802 和TV-1802 阀门关闭。开工加热炉进出口的8”阀门，全开HV-1801打开，使FI-1804 流量至少为43000kg/h (由开工加热炉供应商确定)。冷冻系统处于运行中，E-1808下游的合成气温度约在+10（TI-1811）（见1.2.3. (3)）注氨泵应投运（见1.2.1.）TI-1850, TI-1860和TIC-1803预计的升温通过增加F-1801烧嘴的燃料气量达到。当TIC-1815A靠近最大允许温度值（即480），TI-1850, TI-1860和TIC-1803的进一步升高通过节流HV-1801实现（即通过减少合成塔主物流的进口流量）：在这种情况下，工况有可能变得苛刻，需注意合成塔外壳温度，这是很重要的因素。在150时，有水气慢慢生成。直到这个温度，催化剂能被更快地加热，但重要的是，为避免水气浓度升高过快，在150200范围内降低速率（最大25/hr），因此当温度约为150开始，建议对合成塔出口进行每小时水汽分析。在260左右，还原速率处于最大（预还原型催化剂）。在此阶段，尤其重要的是不要超过最大加热速率。在上述加热速率下，出合成塔的气体水气浓度不应该超过1000ppm。如超过1000ppm，应减小加热速率。也可增加循环气流率。 当TI-1850, TI-1860 和TIC-1803的温度显示约为350，TI-1851, TI-1861，TI-1852 和 TI-1862温度开始超过TI-1850, TI-1860 和TIC-1803温度值，这显示氨开始生成。1.2.7.2. 第二阶段 (继续加热合成塔。提高压力至大约11MPa g，如果尚未投运氨冷器，则投运氨冷器。完成第1床的催化剂的还原)。此时，循环流量和压力必须逐步增加，用于获得下列条件：氨冷器在正常工况下操作；停注氨泵；合成塔的加热必须根据第1床的出口温度进行控制；继续增加第1床的出口温度在每小时68的速率下，直至460480为了最快达到这些条件，冷冻系统处于正常工作状态，试着增加回路压力，注意增压有助于TI-1851, TI-1861, TI-1852 和TI-1862的升温，而增加主进口流量则达到相反效果。由于催化剂的活性，水和氨的浓度不断增加，第一床的温度控制相当之难。当第1床催化剂的温升在4050左右，表示合成塔入口的循环气中的NH3含量超过2%。如果此数据由实验室分析确认，氨冷器E-1808可以在正常工况下操作。可停用注氨泵。注意：氨冷器缓慢投运是很重要的，任何入口氨浓度的突然变化，都会使催化剂温度飞温。注意此时的V-1801（高压氨分）的液位仪表指示是不正确的，因为其指示仪表原来是基于氨而不是此时的水或氨水。现场液位计的连接管必须经常检测。操作工应定期校对液位。当冷冻系统完全投运，合成回路将运行得更稳定。如有必要，开始打开HV-1802以保持TI-1853 和 TI-1863温度低于380。在第二阶段的最后时期，即当TI-1851, TI-1861, TI-1852 和 TI-1862温度在460495范围内，TI-1853 和 TI-1863的温度每小时增加12。当TI-1851, TI-1861, TI-1852 和 TI-1862温度达到495，第一床的还原完成；因此，此时温度值近似不变，然而根据1.2.5点规定TI-1853 和TI-1863的温度应升高，用于继续进行第2床的催化剂活化1.2.7.3. 第三阶段（增加回路压力至1112MPa g）在此阶段的开始时，氨合成塔的操作条件如下：第一床的催化剂：已被活化；第二床的催化剂：正被活化；回路压力：大约11MPa ；回路压力和主进口流量应逐步增加，注意HV-1801的每个开度都应同时调整循环段防喘振阀的节流，以使FI-1804保持不变。主要控制为提高TI-1853 和 TI-1863温度。当TI-1854, TI-1855，TI-1864和 TI-1865温度显示出在第二床NH3的形成，那么回路压力和主进口流量进一步的增加。合成塔温度控制方法如下：(1) 第1床：第一床的出口温度应稳定保持在大约495。用改变入口温度的方法，控制第1床的出口温度。最初通过主入口的阀门，循环流量和压力的组合，直到循环防喘振阀完全关闭，然后这温度通过减小开工加热炉的负荷来控制。这往往是在第2床几乎活化完成时。注意:当开工加热炉使用时，不能开TV-1803阀（第一床层冷副线阀门）！(2) 第二床：根据上述内容，增加第1床的出口温度导致第2床的入口温度也增加在大约380，需要操作HV-1802阀用于保持温度直至第1床活化,然后增加第2床的温度通过根据需要关闭HV-1802阀。当活化过程进行时，第2床的出口温度逐步增至460485。通过调节循环量和HV-1802阀来控制2床出口温度的升温速率。如果合成塔出口分析数据表明湿度大于2500ppm，停止增加2床的进口温度，直至水气浓度回到期望值，通过增加循环气量或降低温度的方法。(3) 第三床：第三床的温度通过TV-1802（热交换热器旁路）控制。第3床的升温速率与第2床相同，在第2床活化阶段，第3床的入口温度应该保持低于还原温度（380）。如果合成塔出口的水气含量大于2500ppm，就降低加热速率。然而，当第3床在还原时，由于高的循环流量，通常达不到这一值。1.2.7.4. 第四阶段（停开工加热炉，完成第3床的还原。提回路压力至正常操作值）此时，氨的产生量约大于设计值的50%。催化剂应充分活化足以保持合成塔内温度，因此来自开工加热炉的热量可减少。缓慢减少加热炉中的火，然后减少流经开工加热炉的8”的手动阀。此操作的下一步是增加通过主入口阀门的流量。在进行其他动作之前，使操作条件稳定。继续减少开工加热炉的负荷和气体流量。缓慢进行这些操作，因为主物流增加过快会导致合成塔入口温度降低。如有必要可调节循环气量。当通过开工加热炉的流量相对少且加热炉出口气体温度接近或低于第1床层进口温度，保持这个条件直至系统稳定，然后将火关到最小，然后停用。为了冷却加热炉盘管，保留加热炉入口的8”阀门在较小开度，使少量循环气冷却盘管。注意在此期间避免第1床的温度降低。为了有利于冷却，把开工加热炉烟囱的翻板完全打开。冷却后，关闭开工加热炉的手动阀，把它切出。从此时起，可以操作冷副线阀TV-1803，以控制第1床的入口温度。增加循环气量，使第2床的活化完全，如果还未完成。当第2床的出口温度在460485左右，第3床的还原可以按第2床的相同步骤进行。第3床的入口温度可以根据需要通过热交的旁路TV-1802进行调节。当还原完成后，可增加回路压力（14.00MPa g）和气量至设计值。1.2.8.还原的完成当出口温度保持在485左右至少5小时，可认为各个床层的还原结束；在此阶段入口温度尽可能保持高。实际上，当合成塔出口的水气含量接近零和产品氨中的水含量非常接近正常操作值(0.1+0.2w/w)，可认为合成塔的还原结束。当此目标达到，保持还原条件至少超过12小时。活化结束后，催化剂完全还原和达到满活性还需要数周时间。1.2.9.还原期间的分析方案1.2.9.1.新鲜气：每12小时一次（S-1801）。1.2.9.2.合成塔入口循环气：每12小时一次（S-1802）。1.2.9.3.合成塔出口水气含量：每小时1次（S-1803）（从第1床出口温度达到150开始）。1.2.9.4.合成塔进出口（S-1802 / S-1803）的NH3含量：每4小时1次（从第1床有反应开始）。1.2.9.5.压缩机循环段入口气：每12小时一次（S-1804）。1.2.9.6.闪蒸气体：每12小时一次（S-1805）（从氨合成塔优化前开始）。1.2.9.7.产品氨中的氨含量：每4小时1次（S-1806）（从氨冷器投运前开始）。1.2.10. 还原阶段湿度分析方法在有机分析中的两个U型吸收管将引入脱水剂（苏打石棉）。 操作处理：a. 在测定湿度之前，仔细用棉花封住管口，放置几个小时后，然后在分析天平上称重。b. 打开取样阀保持气体流量为90120 l/hr。c. 打开U型管的塞头，和取样进口连接。d. 取样1560 l的气体，断开取样进口和U型管的连接并且再次塞上塞头。正确读出流过的气体体积（如果有压力测量仪和温度计，则减少气体体积至正常条件）。e. 断开U型管和测量仪的连接再次称重；通过质量平衡，可以获得吸收的水分重量。f.为了得到每ppm气体中水的含量，需要应用下列公式：ppm of H2O = P1250V公式中：P=吸收的水重量，以毫克计 V=流过的气体体积，以公升计备注：如果第二管吸收的水量是第一管吸收水量的20%或以上，那么脱水剂要进行替换。1.3. 正常操作条件1.3.1. 自动控制可自动控制的参数见下文：(1) 高压氨分离器V-1801的液位通过LIC-1806控制；此控制器操作运行液氨阀LV-1806A和LV-1806B。这样的设置允许在需要的时候，操作备用阀门，且对系统不造成任何干扰。(2) 中压氨分离器V-1802的液位通过控制器LIC-1809控制，运行相关阀门LV-1809。(3) 低压氨分离器V-1803的液位通过控制器LIC-1814控制，运行相关阀门LV-1814和FV-1814。(4) 中压氨分离器V-1802的压力通过控制器PIC-1825控制，运行相关阀门PV-1825。(5) 低压氨分离器V-1803的压力通过控制器PIC-1828控制，运行相关阀门PV-1828。(6) 来自E-1801的中压过热蒸汽的压力通过控制器PIC-1821控制，运行相关阀门PV-1821。(7) 合成塔的进口温度通过TIC-1802控制；此控制器控制操作E-1804壳侧的旁路阀门TV-1802。(8) E-1803的出口温度通过TIC-1806控制；此控制器控制操作E-1803管侧的旁路阀门TV-1806。(9) 废热锅炉E-1802中的液位通过LIC-1801控制；此控制器接收来自中压过热蒸汽的流量FI-1806和锅炉给水流量FIC-1805的信号，并向流量调节阀FV-1805传送输出信号（三冲量调节）。(10) 在正常操作下开工加热炉是不运行的，但是如果合成回路开车运行，则开工加热炉的合成气出口温度通过控制器TIC-1815A调整，运行PIC-1811，操作燃气阀PV-1811。(11) E-1807和E-1808的蒸发氨液位分别通过LIC-1804和LIC-1805控制器控制，分别操作阀门LV-1804和LV-1805。1.3.2. 自动跳车系统在合成回路内有一些自动安全保护系统。详细的连锁系统的描述，请参见文档No. 5138-00-E-PSY-001。1.3.3.反应床温度每个反应床的最适宜温度取决于装置的产能和催化剂的寿命。全产能下的新鲜催化剂最适宜计算曲线如下:进口 出口1st bed () 352 5042nd bed () 398 4603rd bed () 391 445请注意，以上数值为初次建议数值；最适宜的温度曲线读数在催化剂还原后直接检测得出。通过以下方法可以进行温度控制:第一床进口温度通过两个内部换热器的旁路阀TV-1803控制。第二床进口温度通过底部换热器的旁路阀HV-1802控制。第三床进口温度通过外部换热器的旁路阀TV-1802控制。当然，以上列出的是每个控制阀的主要作用，但是每个控制阀的操作将间接，平稳地导致其他反应床的温度变化。如果内部温度不稳定的话，将会导致一系列的非正常操作情况，要使合成塔回到正常情况，最好和最快的方法是逐步正常地提高合成塔内部温度，通过关闭所有的合成塔阀（除了入口主阀HV-1801，该阀应当打开），如果需要的话。通过此方法，化学平衡到达某些或全部反应床，这样就可以消除温度的波动。相反的，我们不建议持续地打开和关闭一个或所有的阀门，即试着停止任何内部的升温或降温，这样合成塔好像处于正常操作条件。这样只会使得情况更差。1.3.4. 计划停车(1) 为了一个短期任务而预定停车的情况下，通过降低新鲜气的流量来降低合成回路压力至约10MPa g，与此同时，升高反应床进口温度约2030。关闭合成气压缩机和合成回路之间的隔离阀，第一个隔离阀在出口侧，第二个隔离阀位于循环段的吸入侧；在关闭切断阀之前，压缩机的防喘阀必须是打开的。如果短期任务不需要合成回路减压，那么关闭LV-1806A/B上游手动阀。(2) 如果为了长期任务而停车，根据1.3.4.（1）点进行操作，直接关闭合成气压缩机和合成回路之间的隔离阀。1.3.5. 紧急停车1.3.5.1. 由于自动跳车而造成紧急停车在面板上检查合成气压缩机和合成回路之间的隔离阀是否已正确关闭，包括合成气压缩机低压工段入口的切断阀。如果不能及时重启， 在现场关闭下列手动阀：LV-1806A/B的上游LV-1809的上游FT-1806的下游（中压过热蒸汽至网路）重要点：在合成回路重启前不要忘记开启上述阀门。1.3.5.2.氨合成装置的紧急事件无论何时装置的状态需要快速停车，按下述要求操作：（1）按下合成气压缩机的跳车按钮。（）在面板上检查压缩机和合成回路之间的隔离阀是否正确关闭。在面板上检查LV-1806A/B是否正确关闭；如果可能，在现场关闭相关闸阀（上游）。（）缓慢减压合成回路（见1.2.2.点）。如果装置的情况需要更快地减压，打开出口阀HV-1803。当合成回路压力接近大气（0.10.2MPag）时，注入氮气进合成回路。（）如果需要将V-1802切除和降压，在检查确认已正确地关闭LV-1809后，并打开FV-1825，如有需要，关闭相应位置（上游）的闸阀。如果可能，现场关闭从E-1801到网路的10”的中压蒸汽管线上的闸阀。1.3.5.3. 装置排空根据（2）点操作。考虑到长期操作人员的缺乏，最好是保持设备压力低于合成气压力。1.3.6.热工况重启如果停车只延续几个小时而且反应床主要温度在350左右或以上，在检查确认主要阀门HV-1801敞开时，通过合成气压缩机的最终出口上的UV-1802的小旁路阀来增压合成回路至12MPa。在合成回路增压时，冷冻系统处于工作状态。如果E-1801的蒸汽出口阀关闭，并且中压过热蒸汽压力低于网路蒸汽压力，缓慢打开去E-1802的3”中压蒸汽管线上的进汽口阀门。当回路压力和压缩机出口压力几乎相等时，打开UV-1802并关闭相应的小的旁路阀，关闭HV-1802、TV-1803、TV-1802和合成气去F-1801的进口阀。完全打开E-1803的旁路阀TV-1806。然后