郭波 成高伟 路廷
河南晋煤天庆煤化工有限责任公司 河南沁阳454550
摘要：本文主要探究卡萨利氨合成工艺技术的应用。研究过程中，以卡萨利氨合成技术优点为切入点，分析该技术氨净值较高、系统阻力小、结构简单，可提高氨合成效率及质量，以此为基础，结合卡萨利氨合成工艺流程及技术特点，研究应用工艺参数况，从而为相关工作者提供参考。
关键词：卡萨利氨；氨合成工艺；合成回路；应用
前言：
随着化工行业的不断发展，合成氨工艺作为重要技术，氨合成态势下能够制作硝酸与尿素，对化肥加工愈发重要。而为了提高企业竞争能力，通常会选用节能、高效的氨合成塔内件，利用卡萨利氨合成技术，将其用于大型合成氨装置上，其净化中应用液氮气、低温甲醇洗工艺，合成气较为纯净，可满足操作便捷、高效利用、可靠安全的要求。
一、卡萨利氨合成技术优点
卡萨利合成塔作为瑞士卡萨利公司所研发的复合型氨合成塔，该塔上部催化床层是轴向流型，径向流型为下部催化剂床层，装有独特分布器，可确保95%气体能够沿径流流动，提高容器利用率，适宜低压氨合成技术。具体优势如下：
1.氨净值高。卡萨连催化剂装填量大、无冷管效应，可提高容积利用率，特别是应用小颗粒催化剂，能够提高催化剂堆集密度，均匀分布床层气体，有助于进行氨合成反应[1]。敞开床层顶部，使得气体能够在顶部为轴径向混合流动情况，改善径向塔内件床层顶部死角，利用该部分催化剂，提高径向塔利用率。
2.系统阻力小。塔内由于无冷管，所以气体流通截面积较大，阻力较小，可减少循环气量，降低循环机消耗。
3.结构简单。卡萨利合成塔结构较为简单，为分层式，自压连接上下层，拆卸与组装便捷，可长期使用。设计独立分开催化剂筐，无需焊接或螺栓结构，使用迷宫式封面结构，便于组装拆卸。现场组装内件即可填充催化剂，旧催化剂更换应用真空抽吸方式，检修安全、方便，有助于保护内件。
二、卡萨利氨合成技术分析
1.工艺流程
在卡萨利氨合成工艺中，新鲜原料气氢氮比控制为3:1，和来自中压氨分闪蒸气汇合，将其输入合成气压缩机低压缸，通过一、二段冷却与压缩后进入三段升压，之后和高压氨分循环气混合，循环段升压达到合成压力，将其输入热气气换热器，升温后气体进入至合成塔内。合成塔入口合成温度根据热气气换热器及锅炉给水预热器旁路管线控制，且控制第三床温度。
合成气进入合成塔后，通过氨合成催化剂产生氨合成反应，提升出口含氨量为20%，反应中有大量的热产生，为回收反应热，出口气体将其逐一传输至废热锅炉、锅炉给水预热器，产生副产蒸汽。合成气继续输送至热气气换热器，与压缩机出来的气换热提高进塔气温度[2]。之后气体送入合成回路水冷器，进一步冷却合成气至40℃，冷凝少量氨，将其输送到冷气气换热器，与高压氨分分离出来的气换热。出口气输送至经一、二级氨冷器降温获得液氨，二级设施中实现氨的完全冷凝。液氨与合成气进入高压氨分离器实现分离，闪蒸循环气通过冷气气换热器加热后，送至循环段，分离液氨则进入中压氨分离器，中压氨分内溶解的闪蒸气与新鲜合成气混合，输入合成气压缩机，液氨分离后送出界区。
2.技术特点
合成塔作为卡萨利氨合成技术中的重要部分，为三床两换热器结构，换热器分别处于一二床之间和二三床之间，提高氨单程转化率，优化催化剂装置，促进热力学效率提高。具体技术如下：
（1）轴径向设计。合成塔中催化剂床3个，均适用专利“轴径向”设计，大多数气体径向流过催化剂床，剩余气体轴向流过顶层催化剂[3]。该技术能够充分利用床层催化剂，采取活性高的1.5-3mm小颗粒催化剂，提高每个催化剂床效率，降低相对纯径向设计气体床层压降。
（2）开放顶部催化剂筐。应用轴径向技术无需封顶催化剂头，内部机械结构简化，卸载与填装催化剂更为便捷。
（3）狭槽板式筐壁。在卡萨利催化剂筐设计中，应用狭槽板式收集齐，内外部收集器均为特殊狭槽板，为单片设计，能够避免焊接小部件及焊接异种材料。该结构与早期丝网式结构，可避免长期运行后脱开丝网造成弊端，增加机械强度，提高可靠性。
（4）可移动催化剂筐。在卡萨利一、二床层催化剂筐中将其设计为可移动形式，便于操作和机械，装卸与填装催化剂更为便捷。
（5）倒碟形筐底。在卡萨利一、二床层筐底使用倒碟形结构，能够更好利用合成塔空间，提高合成塔空间装填催化剂效率，且该催化剂筐无需使用螺栓连接，结构简单。
（6）氨合成塔出口温度高，超过440摄氏度会发生氮腐蚀，可利用下有换热器与氨合成塔直接连接，无需安装能够适应高温的钢管道，可节省投资的同时提高设备可靠性与安全性。但是，结构由于较为复杂，对于直连位置安装及机械制造提出了高要求。
三、卡萨利氨合成技术的应用
卡萨利氨合成技术的应用中，通过新建合成氨装置，可基于气头和煤头转化的合成气。近几年来，煤化工技术由于发展迅速，诸多以煤为原料的合成氨应用卡萨利氨合成技术，大多数集中于中国[4]。以国内某公司为例，该公司应用卡萨连合成系统，截止现今整体运行平稳，工艺指标符合设计值要求，且个别指标超过设计值（见表1）。
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通过分析可知，卡萨利氨合成塔结构合理，设计反应器符合动力学机理，均匀分布反应器，出塔温度较高、循环比低，热量回收多。并且，卡萨利氨合成系统能够满足负荷不同下生产要求，操作弹性大，且负荷低于50%时稳定运行。而各床层温度较为分明，均有所升温，催化剂能够促进氨净值提高，充分利用催化剂，为避免填装催化剂不均匀，造成温差较大，实现设备稳定运行，在循环氢操作中，控制含量为62-65%，可达到良好生产应用效果。
总结：综上所述，卡萨利氨合成技术无论是工艺流程还是系统运行而言，其设备结构合理、热量利用率较高、安净值高，且操作弹性大，能够为氨合成装置稳定长期的运行提供保障。并且，在实际生产中，严格按照该技术要求进行设备安装，可合理填装催化剂及升温还原，能够充分发挥氨合成塔性能，加强工艺参数控制，从多方面确保装置始终处于最优工况。
参考文献：
[1]李建新,张贵伟,王蒙.DNCA(A207)型氨合成催化剂在卡萨利Φ2800合成塔中的运行情况[J].氮肥与合成气,2020,48(12):29-32.
[2]刘勇,齐波.卡萨利氨合成蒸汽过热器制造技术研究[J].化工设计通讯,2020,46(06):1-2.
[3]张金辉,郭志强,朱静.卡萨利氨合成废热锅炉内漏工艺处理措施及新型堵漏技术应用[J].中氮肥,2019(02):27-29.
[4]祁永贵,曾广祥,吴政霖.合成氨工艺技术的现状及其发展趋势[J].当代化工研究,2018(08):115-116.作者简介：郭波（1988-12）性别：男，民族：汉族，籍贯：山西高平，职称：助理工程师，单位：河南晋煤天庆煤化工有限责任公司，单位所在省市邮编：河南沁阳454550