特立尼达的KAAP氨合成装置
1984年Kellogg公司为钌系氨合成催化剂设计了PDU工艺示范装置,用此装置论证和定量获取钌催化剂性能指标以及对工艺变量的动力学响应。PDU的工艺示范装置安装在澳大利亚西部的Kwinana日产300吨的氨厂,从中引出1%的气量,即日产氨3吨,运行到1988年12月。
Kellogg公司依据其雄厚的工程技术力量,开发出一个更为可行的合成回路设计——KAAP 流程。1992年11月,KAAP流程开发成功并在加拿大Ocelot氨厂实现了工业化,宣布了第一个非铁系氨合成催化剂及生产工艺流程的诞生。KAAP流程是在氨合成铁催化剂反应器后再加钌催化剂反应器。经过100天的稳定之后,在13MPa压力下,铁催化剂出口氨浓为14%, 经钌催化剂出口氨浓达19%。反应器原生产能力为日产氨544吨,加钌催化剂后日产氨为772吨,氨产量提高40%,运行1200天,仍保持很高的活性和稳定性。
钌系氨合成催化剂活性很高,为了及时移走反应热,Kellogg公司设计了2段径向合成塔,在加拿大Ocelot氨厂使用的KAAP流程基础上改进放大,又设计出铁、钌两种催化剂同装于一个反应器的改进型4段径向反应器。新设计的反应器1段为铁催化剂,2-4段为钌催化剂,在低温低压下获得高转化率。
1998年利用这一改进型反应器,以及KAAP和KRES(KelloggReforming Exchanger System)集成流程,在南美Trinidad设计制造了日产氨1850吨的世界最大合成氨厂。
除了Kellogg开发成功的大型氨合成流程外,日本提出开发小型氨合成流程。为减少氨和肥料向石油联合企业和肥料集散地运输和贮备的费用,提出在氨的消费地建立和使用钌催化剂氨合成流程,发挥钌催化剂低温、低压、低氢氮比、高氨浓度条件下具有高活性的节能优势,开发小型氨厂。生成的氨采用吸收分离流程,分离不完全的氨再进入合成塔,也不影响钌催化剂的活性。日本东京工业大学与TEC株式会社协作在环境科学技术研究所筹建了小型氨厂。
钌系氨合成催化剂是近20年来开发的新型氨合成催化剂,被誉为第二代氨合成催化剂。我国是世界合成氨产量的第一大国,也是合成氨用量的第一大国,1998年已达318816万吨,但是我国合成氨的吨氨能耗比国外约高15% (与铁系催化剂相比)。在合成氨生产过程中,氨合成催化剂是最关键和最重要的催化剂,其性能的优劣直接影响合成氨的产量和能耗。目前我国所有的氨厂仍全部沿用铁系氨合成催化剂,包括改进型的铁系催化剂。国际上合成氨工业出现重大的技术革命,中国作为世界上第一产氨、用氨大国,必须跟上此潮流。