年產19萬噸合成氨合成工段初步工藝設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 化劑得溫度上升，如果控制不當，不能及時散熱，會使催化劑燒壞甚至失活，因此催化劑的使用壽命不長。加上操作過程是高溫高壓，設備選取及材質都有較高要求，加大了投資?，F在工業上采用此法的不多。該法法的操作壓力為10MPa左右，溫度控制在400～450℃。該法對壓力和溫度要求都較低，所以對設備要求不高，管理簡單方便，還有較高催化劑的活性。但缺點在于此法所用的催化劑對毒物很敏感，很快會中毒，縮短其壽命，所以要嚴格控制原料氣的精制純度。加上低壓操作，使得合成效率不高，分離不易，流程也不簡單。實際生產中，該法已經淘汰。該法的操作壓力為20～60MPa，溫度控制在450～550℃。現在中壓法技術已經成熟，而且經濟性不錯。選取正確的合成壓力，就要結合設備投資和壓縮功耗綜合分析。在動力消耗中，全廠消耗最大的當屬合成氨的合成系統。但壓力并不是功耗取決因素，還要結合工藝指標和流程的布置來判斷。實踐證明，壓力控制在13～30MPa是最好的。經分析，壓力控制在15～30Mpa之間，功耗沒什么區別，所以現在普遍使用這種方法。合成氨生產有以下特點[5]：①工藝流程長、設備管道多；②各工序生產操作相互影響；③生產過程有高度的連續性；④高溫、高壓、易燃、易爆、易中毒、易灼傷的條件下生產。合成氨的生產過程中，有很多繁雜的工序，全程都在高溫、高壓、易燃、易爆、易中毒等條件下進行，要謹慎控制各種反應因素，稍不留意將不堪設想。加上生產的流程長、有很強的連續性，一直在高溫和高壓下生產的設備，再加上內部介質的沖刷、滲透和外部條件的侵蝕，會增加事故的發生率，特別是火災、爆炸和重大設備的事故時有發生。但是，我們只要不斷認識這一客觀規律并熟悉這一客觀規律就能實現安全生產。 所以，高溫、高壓、高純度是合成氨生產過程中的必然要求。生產期間有一系列化學反應、燃燒、傳熱、分離等程序。壓力、溫度、濃度等因素對反應的進行都有影響。這些又受到設備質量、煤質、水質、季節、操作水平、調度與管理等因素的影響，就會讓合成氨的生產更加復雜。 要循環氨合成就應做到以下幾點[2]：壓縮氮氫原料氣且補入循環系統；合成氨及預熱循環氣；分離氨；回收利用熱能；循環使用未反應氣體，為保持惰性氣體的平衡放出部分循環氣等。(1)氣體的壓縮和除油 為使新鮮原料氣及循環氣壓縮達到合成所需壓力，需要在過程中安裝壓縮機。使用往復式壓縮機時，氣體中混合的潤滑油和水蒸汽會呈細霧狀在氣流中漂浮。其中的油不但會造成催化劑中毒，還會在熱交換器壁上附著，使交換器傳熱效率降低，所以一定要去除它?？梢杂糜头蛛x器來去除壓縮機每段出口的油，還需濾油器安裝于合成系統。一些氣體中不含油水的壓縮機如離心式壓縮機及無油潤滑的往復式壓縮機，不用安裝濾油設備。(2)氣體的預熱和合成 對壓縮后的氫氮混合氣升溫，使其達到催化劑的起始活性溫度，方可放入催化劑層合成。氨常規運作，采用氨合成產生的熱量來對氣體加熱，也就是換熱器中利用反應后的高溫氣體來對反應前的氫氮混合氣加熱，使其達到反應溫度。當反應達不到自熱，要使用塔內電加熱爐或塔外加熱爐供熱。(3)氨的分離 之所以要進行氨的分離是因為氫氮混合氣在氨合成塔催化層里不是全部都會反應生成氨。水吸收法冷凝法是常用的氨的分離方法。冷凝法是現在常用的分離方法。水和氨冷卻氣體的過程是在水冷器和氨冷器里操作。后面再安裝氨分離器，用來從氣相把冷凝下來的液氨分離，將其降壓再進入液氮貯槽。氨冷凝時，在液氨里會溶解一些氫氮氣及惰性氣體。將貯槽里的液氨進行減壓，這些氣體就會釋放出來，稱其為“貯罐氣”。(4)氣體的循環 通過合成塔的氫氮混合氣氨，大多數沒有合成為氨。，為了減少情性氣體含量，會放空些許剩余的氫氮氣，再混合新鮮原料氣巡回合成塔內繼續氨的合成，這就形成了循環法工藝流程。在設備、管道中流動的氣體會有壓力喪失，所以過程中要安裝循環壓縮機來降低壓差。(5)惰性氣體的排除 通過以下三種方法可帶出氨合成循環系統的情性氣體：①系統泄露些許；②液氨中溶解些許；③放空是主要方式。 在氨合成循環系統中，過程中惰性氣體含量各不相同，選擇惰性氣體含量最高且氨含量最低的位置放空，使放空損耗達到最少。所以，要選取新鮮氣加入前且氨已基本分離位置進行放空。采用水吸收法或冷凝法可回收利用放空氣中的氨，余下的氣體當燃料。有些工廠設置二循環合成系統，合成系統放空氣進入二循環系統的合成塔，接著進行合成反應，放空分離氨后部的分惰性氣體，剩下的繼續在二循環系統里循環。這樣，增加了放空氣中惰性氣體含量，從而減少了氫氮氣損失。(6)反應熱的回收利用 氨的合成反應是放熱反應，需要回收該部分反應熱?；厥盏姆椒ㄓ幸韵聨追N：①對反應前的氫氮混合氣預熱。在塔內放置換熱器，拿反應后的高溫氣體加熱反應前的氫氮混合氣，讓催化劑的達到活性溫度。但是該法不能充分吸收熱量?，F在大多數氨廠用此法來回收。② 對反應前的氫氮混合氣和副產蒸汽預熱。既在塔內設置換熱器預熱反應前的氫氮混合氣，又利用余熱副產蒸汽。根據不一樣副產蒸汽鍋爐的設置，有塔內副產蒸汽合成塔(內置式)和塔外副產蒸汽合成塔(外置式)兩類?，F在通常是采用塔外副產蒸汽合成塔，因為能相對完全的吸收熱量。現在使用比較普遍的是在中型氮廠。 ③對反應前的氫氮混合氣和預熱高壓鍋爐給水預熱。該法能使塔內換器的面積較小，繼而是塔的體積縮小，還能完全回收熱?，F在都是一些大型合成氨廠用該法對熱量進行回收。 氨合成的生產工藝條件的選取要實現產量高，消耗低，工藝簡單，設備便宜，操作簡單及安全可靠等特點。因此做到以下三點：①對氨的合成和分離有利；②對催化劑保護及壽命的延長有利；③對余熱回收利用有利。 因此，氨合成方法的選取要考慮到壓力、合成塔的結構型式及其熱回收方法。增加壓力，有利于反應的平衡和速率。中壓法有成熟的技術還經濟性。在15～30Pa的范圍內，功耗的區別很小，因此采用中壓法合成氨技術非常普遍。通常，中小型氮肥廠用32MPa ,大型廠用10～20MPa。 回收合成反應熱是節能的途徑之一，是必不可少的。不僅要增加熱回收率,多產蒸汽, 還要增加回收蒸汽的壓力和過熱度。高壓過熱蒸汽的價格較貴,投入較大,要依據整體流程來統一考慮。 綜上所述，該設計使用32Mpa的中壓法。用預熱反應前的氫氮混合氣和副產蒸汽的方法回收熱量，而塔型的選擇見設備選型部分。 生產流程簡圖合成塔水冷器熱交換器廢熱鍋爐放空油分離器循環機冷交換器氨分離器新鮮氣弛放液氨儲槽氨冷器 第三章 工藝計算 已知條件（1）產量190kt/a，年生產時間扣除檢修時間后按300天計，則產量為：（2）新鮮補充氣組成組分H2N2CH4Ar 總計含量（%） 25 100（3）合成塔入口中氨含量：NH3入=%（4）合成塔出口中氨含量：NH3出=%（5）合成塔入口惰性氣體含量：CH4 +Ar=18%（6）合成塔操作壓力：32Mpa（7）精練氣溫度：35℃1～5：精煉氣 6～：合成氣 13：放空氣 20：弛放氣 ：液氨 計算物料點流程 物料衡算 合成塔物料衡算（1）合成塔入口氣組分： 入塔氨含量: y5NH3=％； 入塔甲烷含量：y5CH4=18％（+）100％=％； 入塔氫含量：y5H2=［100（18+）］3/4100％=％； 入塔氬含量：y5Ar=18％％=％； 入塔氮含量：y5N2=［100（18+）］1/4100％=％ 入塔氣組分含量 NH3CH4ArH2N2小計100 （2）合成塔出口氣組分： 以1000kmol/h入塔氣作為基準求出塔氣組分， 由下式計算塔內生成氨含量：MNH3=M5(y8NH3y5NH3)/(1+y8NH3)=1000( )/(1+)= 出塔氣量: M8=入塔氣量—生成氨含量== 出塔氨含量： y8NH3=％ 出塔甲烷含量：y8CH4=(M5/M8)y5CH4=(1000/)％=％ 出塔氬含量： y8Ar=(M5/M8)y5Ar=1000/％=％ 出塔氫含量： y8H2=3/4(1y8NH3y8CH4y8Ar)100％=3/4()100％=％ 出塔氮含量： y8N2=1/4()100％=％ 出塔氣體組分含量NH3CH4ArH2N2小計100 （3）合成率： 合成率=2MNH3/［M5(1y5NH3y5CH4y5Ar)］100％ =2［1000()］100％=％ 已知氨分離器入口混合物組分mNH3mCH4mArmH2mN2小計 查t=35℃，P=： 各組分平衡常數KNH3KCH4KArKH2KN2 設（V/L）=，帶入L(i)=m(i)/［1+(V/L)K(i)］=L(i): LNH3=mNH3/［1+(V/L)KNH3］= LCH4= mCH4/［1+(V/L)KCH4］= LAr=mAr/［1+(V/L)KAr］= LH2=mH2/［1+(V/L)KH2］= kmol LN2=mN2)/［1+(V/L)KN2］= L總= L(NH3)+ L(CH4)+ L(Ar)+ L(Ar)+ L(H2)+ L(N2)= 分離氣體量：V=1L== 計算氣液比：（V/L）＇= 誤差［（V/L）（V/L）＇］/（V/L）=（）/100％=％，結果合理。 從而可計算出液體中各組分含量： 液體中氨含量： xNH3=LNH3/L=100％=％ 液體中氬含量： xAr=LAr/L=IOO％=％ 液體中甲烷含量：xCH4=LCH4/L=100％=％ 液體中氫含量: xH2=LH2/L=100％=％ 液體中氮含量： xN2=LH2/L=100％=％ 氨分離器出口液體含量NH3CH4ArH2N2小計 分離氣體組分含量： 氣體氨含量： yNH3=［mNH3LNH3］/V=％ 氣體甲烷含量： yCH4=［mCH4LCH4］/V=％ 氣體氬含量： yAr=［mArLAr］/V=％ 氣體氫含量： yH2=［mH2LH2］/V=％ 氣體氮含量： yN2=［mN2LN2］/V=％ 氨分離器出口氣體含量NH3CH4ArH2N2小計查t=10℃，p=： 各組分的平衡常數KNH3KCH4KArKH2KN227517580 冷交換器出口液體組分含量： 出口液體甲烷含量： xCH4=yCH4/ KCH4=％ 出口液體氨含量： xNH3=yNH3/ KNH3=％ 出口液體氬含量： xAr=yAr/ KAr=％ 出口液體氫含量： xH2=yH2/ KH2=％ 出口液體氮含量: xN2=yN2/ KN2=％ 冷交換器出口液體組分含量NH3CH4ArH2N2小計 由于氨分離器液體和冷交換器出口分離液體匯合后進入液氨貯槽經減壓后溶解在液氨中的氣體會解吸，即弛放氣；兩種液體百分比估算值，即水冷后分離液氨占總量的白分數。 G％=（1+y5NH3）(y8NH3yNH3)/(( y8NH3 y5NH3)(1 yNH3)) =[(1+）（）]/ [（）（）] =％ ％冷交，％。 液氨貯槽入口1Kmol液體計算為準，即L0=1Kmol，入口液體混合后組分含量： m(0i)=L(15)X15i+L16X16i = G％L0X15i+(1 G％)X16i =+混合后入口氨含量： m0NH3=+=混合后入口甲烷含量：m0CH4=+=混合后入口氬含量： m0Ar=+=混合后入口氫含量： m0H2=+=混合后入口氮含量： m0N2=+= 液氨貯槽入口液體含量m0NH3m0CH4m0Arm0H2m0N2小計當t=17℃，P=，計算得熱平衡常數： 各組分的平衡常數KNH3KCH4KArKH2KN2170540575620 根據氣液平衡L(i)=m(0i)/[1+(V/L)k(i)],設(V/L)=,代入上式得： 出口液體氨含量： LNH3=m0NH3/[(1+(V/L)kNH3] =(1+)= kmol 出口液體甲烷含量：LCH4=m0CH4/[ 1+(V/L)kCH4] =(1+170)= 出口液體氬含量： LAr=m0Ar/[ 1+(V/L)kAr] =(1+540)= 出口液體氫氣含量：LH2=m0H2/[ 1+(V/L)kH2] =(1+575)= 出口液體氮氣含量：LN2=m0N2/[ 1+(V/L)kN2] =(1+620)= L(