年產4萬噸合成氨合成工段的工藝設計畢業設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 利建設和農產品深加工 ,將在加速農村經濟發展 ,提高農民生活水平 ,縮小城鄉差距起著重要用。 中國合成氨工業的發展概況 中國合成氨生產是在 20世紀 30年代開始的，最早以焦炭為原料生產合成氨，但當時僅在南京、大連兩地建有氨廠，最高年產量不超過 50kt（ 1941 年）。此外，在上海還有一個電解水制氫生產合成氨、硝酸的小型車間。 到 20 世紀 50 年代，我國氮肥事業不斷發展壯大，并且開始 了以天然氣為原料的合成氨技術，由于天然氣具有投資少、能耗低、環境污染少等優點。到 20 世紀 60 年代國內外都以天然氣、重油等代替焦炭、煤為原料生產合成氨。目前，我國合成氨產量已越居世界第一位，并且掌握了以焦炭、無煙煤、焦爐氣、天然氣及烴類為原料生產合成氨、尿素的技術，形成了特有的煤、石油、天然氣并存和大、中、小生產規模并存的生產格局。目前，合成氨總生產能力為 4500 萬 t/a，氮肥已基本滿足國內需求。今后發展的重點是調整原料和產品的結構，經一步改善經濟型。 國外合成氨情況與中國有很大的不同，從原料上看，目前主要生產 氨的國家中，中國、美國、英國、法國、荷蘭等幾乎全部采用天然氣，德國和日本液態烴占相當比重。 目前我國已投產的大型合成氨裝置有 34 套，設計總能力為 1000 萬 t/a，中小型合成氨裝置 55 套，設計總生產能力 500 萬 t/a。根據合成氨技術情況的分析，估計未來合成氨基本生產原理不會出現原則性的改變，技術發展繼續圍繞：降低生產成本，提高運行周期，改善經濟型為基本目標，進一步集中在 “大型化、低能耗、結構調整、清潔生產、長周期運行 ”等方面進行技術的研究開發。 合成氨主要原料為天然氣、石油、煤等。我國天然氣資源十分豐 富，除最近勘探的新疆塔里木盆地有大量的天然氣可以通過長距離管線東輸外，對海南鶯歌寧夏理工學院畢業設計 4 海域蘊藏的天然已在本世紀初建一套引進的年產 450kt 合成氨裝置，這是我國目前規模最大的一套合成氨裝置。 合成氨的原料選擇 工業生產合成氨的主要原料有天然氣、重油和煤（或焦炭）等。 。天然氣先經脫硫，然后通過二次轉化，再分別經過一氧化碳變換、二氧化碳脫除等工序，得到的氮氫混合氣，其中尚含有一氧化碳和二氧化碳約 %～ %（體積），經甲烷化作用除去后，制得氫氮摩爾比為 3 的純凈氣，經壓縮機壓縮而進入氨 合成回路，制得產品氨。如圖 。 （焦炭、無煙煤）制氨。 20 世紀 50 年代以前，世界上大多數合成氨廠采用哈伯 博施法流程。但是原料消耗比理論能耗高 4 倍多。隨著石油化工和天然氣化工的發展，以煤（或焦炭、無煙煤）為原料制取氨的方式在世界上已很少采用。 。以重油為原料的流程，采用部分氧化法造氣。 重油包括各種深度加工所得的渣油，可用部分氧化法制得合成氨原料氣，生產過程比天然氣蒸汽轉化法簡單，但需要有空氣分離裝置，空氣分離裝置成本較高。空氣分離裝置制得的氧用于重油氣化，氮作為氨合成原料外，液態氮 還用作脫除一氧化碳、甲烷及氬的洗滌劑。 本設計是以天然氣為原料的合成氨工藝合成工段設計。 寧夏理工學院畢業設計 5 圖 以天然氣為原料的制氨流程 以天然氣為原料合成氨典型工藝流程 將天然氣原料制成含氫和氮的粗原料氣。 天然氣 壓 縮 壓 縮 甲烷化 脫 碳 高溫變換 低溫變換 合 成 一段轉化 二段轉化 脫 硫 壓 縮 蒸汽 空氣 氨 二氧化碳 寧夏理工學院畢業設計 6 對粗原料氣進行凈化處理，除去氫氣和氮氣以外的雜質，主要包括變換過程、脫硫脫碳過程以及氣體精制過程。 ① 一氧化碳變換過程 在合成氨生產中 ，各種方法制取的原料氣都含有 CO，其體積分數一般為12%～ 40%。合成氨需要的兩種組分是 H2 和 N2，因此需要除去合成氣中的 CO。變換反應如下： CO+H2O→H 2+CO2 ΔH = 由于 CO 變換過程是強放熱過程，必須分段進行以利于回收反應熱，并控制變換段出口殘余 CO 含量。第一步是高溫變換，使大部分 CO 轉變為 CO2 和 H2；第二步是低溫變換，將 CO 含量降至 %左右。因此， CO 變換反應既是原料氣制造的繼續，又是凈化的過程，為后續脫碳過程創造條件。 ② 脫硫脫碳過 程 以天然氣為原料制取的粗原料氣，含有一些硫和碳的氧化物，為了防止合成氨生產過程催化劑的中毒，必須在氨合成工序前加以脫除，以天然氣為原料的蒸汽轉化法，第一道工序是脫硫，用以保護轉化催化劑。工業脫硫方法種類很多，通常是采用物理或化學吸收的方法，常用的有低溫甲醇洗法、聚乙二醇二甲醚法等。 粗原料氣經 CO 變換以后，變換氣中除 H2 外，還有 CO CO 和 CH4 等組分，其中以 CO2 含量最多。 CO2 既是氨合成催化劑的毒物，又是制造尿素、碳酸氫銨等氮肥的重要原料。因此變換氣中 CO2 的脫除必須兼顧這兩方面的要求。 一般采用溶液吸收法脫除 CO2。根據吸收劑性能的不同，可分為兩大類。一類是物理吸收法，如低溫甲醇洗法，聚乙二醇二甲醚法，碳酸丙烯酯法。一類是化學吸收發，如熱鉀堿法，低熱耗本菲爾法，活化 MDEA 法， MEA 法等。 ③ 氣體精制過程 經 CO 變換和 CO2 脫除后的原料氣中尚含有少量殘余的 CO 和 CO2。為了防止對氨合成催化劑的毒害，規定 CO 和 CO2 總含量不得大于 10cm3/m3（體積分數）。因此，原料氣在進入合成工序前，必須進行原料氣的最終凈化，即精制過程。 [2] 目前在工業生產中，最終凈化方法分 為深冷分離法和甲烷化法。深冷分離法寧夏理工學院畢業設計 7 主要是液氮洗法，是在深度冷凍（ 100℃ ）條件下用液氮吸收分離少量 CO，而且也能脫除甲烷和大部分氬，這樣可以獲得只含有惰性氣體 100cm3/m3 以下的氫氮混合氣，深冷凈化法通常與空分以及低溫甲醇洗結合。甲烷化法是在催化劑存在下使少量 CO、 CO2 與 H2 反應生成 CH4 和 H2O 的一種凈化工藝，要求入口原料氣中碳的氧化物含量（體積分數）一般應小于 %。甲烷化法可以將氣體中碳的氧化物（ CO+CO2）含量脫除到 10cm3/m3 以下，但是需要消耗有效成分 H2，并且增加了惰性氣體 CH4 的含量 [3]。甲烷化反應如下： CO+3H2→CH 4+H2O ΔH= CO2+4H2→CH 4+2H2O ΔH= 將純凈的氫、氮混合氣壓縮到高壓，在催化劑的作用下合成氨。氨的合成是提供液氨產品的工序，是整個合成氨生產過程的核心部分。氨合成反應在較高壓力和催化劑存在的條件下進行，由于反應后氣體中氨含量不高，一般只有 10%～ 20%，故采用未反應氫氮氣循環的流程。氨合成反應式如下： N2+3H2→2N H3(g) ΔH= 工藝條件的確定 ：壓力對變換反應的平衡幾乎沒有影響。但是提高壓力將使析炭和生成甲烷等副反應易于進行。單就平衡而言，加壓并無好處。但從動力學角度，加壓可提高反應速率。從能量消耗上看，加壓也是有利。由于干原料氣摩爾數小于干變換氣的摩爾數，所以，先壓縮原料氣后再進行變換的能耗，比常壓變換再進行壓縮的能耗底。具體操作壓力的數值，應根據中小型氨廠的特點，特別是工藝蒸汽的壓力及壓縮機投各段壓力的合理配置而定。一般小型氨廠操作壓力為,中型氨廠為 。本設計的原料氣由小型合成氨廠天然氣蒸汽轉化而來，故壓力可取 . ： 變化反應是可逆放熱反應。從反應動力學的角度來看，溫度升高，反應速率常數增大對反應速率有利，但平衡常數隨溫度的升高而變小，即 CO平衡含量增大，反應推動力變小，對反應速率不利，可見溫度對兩者的影響是相反的。因而存在著最佳反應溫對一定催化劑及氣相組成，從動力學角度推導的計算式為 寧夏理工學院畢業設計 8 Tm=1212ln1 EEEE RTTee?? 式中 Tm、 Te—分別為最佳反應溫度及平衡溫度，最佳反應溫度隨系統 組成和催化劑的不同而變化。 ： 水蒸汽比例一般指 H2O/CO 比值或水蒸汽 /干原料氣。改變水蒸汽比例是工業變換反應中最主要的調節手段。增加水蒸汽用量，提高了 CO 的平衡變換率，從而有利于降低 CO 殘余含量，加速變換反應的進行。由于過量水蒸汽的存在，保證催化劑中活性組分 Fe3O4 的穩定而不被還原，并使析炭及生成甲烷等副反應不易發生。但是，水蒸氣用量是變換過程中最主要消耗指標，盡量減少其用量對過程的經濟性具有重要的意義，蒸汽比例如果過高，將造成催化劑床層阻力增加； CO 停留時間縮短，余熱回收設備附和加重等，所以 ，中（高）變換時適宜的水蒸氣比例一般為： H2O/CO=3～ 5，經反應后，中變氣中 H2O/CO 可達 15以上，不必再添加蒸汽即可滿足低溫變換的要求 [4] 。 工廠的選址 本設計合成氨廠選址為位于寧夏回族自治區靈武市境內的寧東能源重化工基地。該化工基地有著得天獨厚的優勢： （ 1）資源優勢 基地位于黃河東畔荒山丘陵地帶，地形平緩，地勢開闊，有成片的發展用地，為工業建設提供了廣闊的土地資源 ，中心區距黃河僅 35 公里左右， 20xx 年底開工建設的寧東供水工程，預計 20xx 年 5 月建成通水，總供水量為 15970 萬立方米，能為基地提供充足的水源保障。 臨近陜甘寧天然氣田，此氣田是我國迄今探明的世界級特大型整裝氣田，探明控制儲量達 7000 多億立方米，生產原料可以就進使用，大大降低了生產成本。 （ 2） 交通優勢 四通八達的道路交通是基地的一大突出優勢，銀川 青島高速公路及 307 國道橫貫基地；大古鐵路連接包蘭、寶中鐵路與京包、隴海線連通可輻射全國；銀川河東機場距基地中心區僅 30 公里，每日航班達 50 余次，通往北京、上海、廣州、西安、太原、濟南、青島、蘭州等重要城市。 （ 3）電力優勢 寧夏目前無拉閘限電之虞， 20xx 年寧夏電網統調裝機容量達到 366 萬千瓦，而且基地規劃建設的八大電廠將形成千萬千瓦級的火電基地，寧夏理工學院畢業設計 9 這些都將為基地提供充足的電力供應。 （ 4）政策優勢 隨著西部大開發戰略的深入推進，國家實施重點支持西部大開發的政策措施，以及自治區、銀川市全面改善投資環境的重大舉措，為基地建設提供了強有力的政策支持 。 寧夏理工學院畢業設計 10 第二部分 工藝計算 原始條件 （ 1）年產量 4 104t，年生產時間扣除檢修時間后按 360 天計，則產量為：[5] . （ 2）新鮮補充氣組成 組分 H2 N2 CH4 Ar 總計 含量（ %） 24 1. 2 100 表 21 新鮮補充氣組成 （ 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=17% （ 6）合成塔操作壓力： 32MPa （ 7）精練氣溫度： 35℃ .——精煉氣 .——合成氣； 13——放空氣 20——弛放氣 ——液氨 圖 21 計算物料點流程 寧夏理工學院畢業設計 11 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=％ （ +） 100％ =％； 入塔氫含量： y5H2=［ 100（ +17）］ 3/4100％ =％； 入塔氬含量： y5Ar=17％ ％ =％； 入塔氮含量： y5N2=［ 100（ +17）］ 1/4100％ =％ NH3 CH4 Ar H2 N2 小計 100 表 22 入塔氣組分含量（％） （ 2）合成塔出口氣組分： 以 1000kmol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/)％ =％ 出塔氨含量 ： y8Ar=(M5/M8)y 5Ar=1000/％ =％ 出塔氫含量 ： y8H2=3/4(1y8NH3y8CH4y8Ar)100％ =3/4()100％ =％ 出塔氮含量 ： y8N2=1/4()100％ =％ NH3 CH4 Ar H2 N2 小計 100 表 23