【正文】 了石腦油蒸汽轉(zhuǎn)化過程的析碳問題后，1962年開發(fā)成功石腦油為原料生產(chǎn)合成氨的方法。石腦油經(jīng)脫碳、氣化后，可采用和天然氣為原料的相同生產(chǎn)裝置制氨。但石腦油價格比天然氣高，而且又是石油化工的重要原料，用于制氨受到一定限制。為了擴(kuò)大原料范圍，又開發(fā)了用重油部分氧化法制氫。從此比石腦油價廉、來源廣泛的重油和減壓渣油開始作為合成氨的另一種原料。，相對投資和能量消耗比較。由表可見，雖然各國資源不同，但選用原料的基本方向相同。只要資源條件具備作為合成氨的原料。首先應(yīng)考慮天然氣和油田氣，其次采用石腦油。 氨廠采用的各種原料的相對投資和能量消耗原料天然氣重油煤相對投資費(fèi)用能量消耗/(GJ/t)283848特別是以天然氣為原料的合成氨工業(yè)占了很大的比重，本設(shè)計就是以天然氣為原料合成氨，主要是轉(zhuǎn)化工段的設(shè)計。(二) 生產(chǎn)規(guī)模大型化20世紀(jì)50年代以前，氨合成塔的最大能力為日產(chǎn)200t氨，到60年代初期為400t。隨著蒸汽透平驅(qū)動的高壓離心式壓縮機(jī)研制成功，美國凱洛格公司運(yùn)用建設(shè)單系列大型煉油廠的經(jīng)驗，首先運(yùn)用工藝過程的余熱副產(chǎn)高壓蒸汽作為動力，實現(xiàn)了單系列合成氨裝置的大型化，這是合成氨工業(yè)發(fā)展史上第一次突破。大型化的優(yōu)點是投資費(fèi)用低，能量利用率高，占地少，勞動生產(chǎn)率高。從20世紀(jì)60年代中期開始，新建氨廠大都采用單系列的大型裝置。但是，大型的單系列合成氨裝置要求能夠長周期運(yùn)行，對機(jī)器和設(shè)備質(zhì)量要求很高，而且在超過一定規(guī)模以后，優(yōu)越性并不十分明顯了。因此大型氨廠通常是指日產(chǎn)600t級，日產(chǎn)1000t級和日產(chǎn)1500t級的三種?，F(xiàn)在世界上規(guī)模最大的合成氨裝置為日產(chǎn)1800t氨，1991年在比利時的安特衛(wèi)普建成投產(chǎn)。(三) 低能耗新工藝合成氨，除原料為天然氣、石油、煤炭等一次能源外。整個生產(chǎn)過程還需消耗較多的電力、蒸汽等二次能源，而用量又很大?，F(xiàn)在合成氨能耗占世界能源消費(fèi)總量的3%，中國合成氨生產(chǎn)能耗約占全國能耗的4%。由于噸氨生產(chǎn)成本中能源費(fèi)用占70%以上，因此能耗是衡量合成氨技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益的重要標(biāo)志。，而且以天然氣為原料的大型氨廠的所需動力約有85%可由余熱供給[3]。(四) 生產(chǎn)自動化合成氨生產(chǎn)特點之一是工序多、連續(xù)性強(qiáng)。20世紀(jì)60年代以前的過程控制多采取分散方式，在獨(dú)立的幾個車間控制室中進(jìn)行。自從出現(xiàn)單系列裝置的大型氨廠，除泵類有備用外，其它設(shè)備和機(jī)器都是一臺。因此，某一環(huán)節(jié)的失調(diào)就會影響生產(chǎn)，為了保證長周期的安全生產(chǎn)，對過程控制提出更高的要求，從而發(fā)展到把全流程的溫度、壓力、流量、物位和成分五大參數(shù)的模擬儀表、報警、連鎖系統(tǒng)全部集中在中央控制室顯示和監(jiān)視控制。自從20世紀(jì)70年代計算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到合成氨生產(chǎn)以后，操作控制上產(chǎn)生了飛躍。1975年美國霍尼威爾公司開發(fā)成功TCP2000總體分散控制系統(tǒng)（Totol Distributed Control System），簡稱集散控制系統(tǒng)（DCS）。DCS是現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊技術(shù)和熒光顯示技術(shù)（CRT）相結(jié)合的產(chǎn)物。在CRT操作平臺上可以存取、顯示多種數(shù)據(jù)和畫面，包括帶控制點的流程，全部過程變量、控制過程變量，以及其參數(shù)的動態(tài)數(shù)值和趨勢圖，從而實現(xiàn)集中監(jiān)視和集中操作。操作人員對于人一控制點、控制單元、生產(chǎn)設(shè)備、車間以及全廠的運(yùn)作情況進(jìn)行隨機(jī)或定勢的觀察，只要通過鍵操作調(diào)出相應(yīng)的畫面，即可把所需內(nèi)容顯示在CRT上，以便監(jiān)視、控制和修改某些參數(shù)。需要的數(shù)據(jù)、流程都可隨機(jī)或定時在打印機(jī)上打印和彩色硬拷貝機(jī)上拷貝。與此同時，報警、連鎖系統(tǒng)，程序控制系統(tǒng)，采用了微機(jī)技術(shù)的可編程序邏輯控制器（PLC）代替過去的繼電器，采用由用戶編寫的程序，實現(xiàn)自動或手動的“開”或“停”和復(fù)雜程序不同的各種邏輯控制，計時、計數(shù)、模擬控制等。近年由于機(jī)電一體化需要邏輯控制和模擬控制計時、計數(shù)、運(yùn)算等功能相結(jié)合，各儀表廠家的產(chǎn)品已從單一的邏輯控制，趨向多種控制功能結(jié)合為一體。因此，用“可編程序控制器”（PC）這一名稱較為確切。此外，若配置有高一級管理、控制功能的上位機(jī)系統(tǒng)，還能進(jìn)行全廠綜合優(yōu)化控制和管理，這種新穎的過程控制系統(tǒng)不僅可以取代常規(guī)模擬儀表，而且還可以完成局部優(yōu)化控制以及模擬儀表難以實現(xiàn)的復(fù)雜自控系統(tǒng)。若能用仿真技術(shù)進(jìn)行操作人員的模擬培訓(xùn)只需在一臺高性能的計算機(jī)上配合相應(yīng)的軟件以代替實際生產(chǎn)裝置的控制、運(yùn)作設(shè)備，這樣就可以在較短的時間內(nèi)學(xué)習(xí)開停車、正常操作和事故狀態(tài)操作。這些都表示氨生產(chǎn)技術(shù)自動化進(jìn)入新的階段，改變了幾十年合成氨生產(chǎn)控制的面貌。中國合成氨生產(chǎn)是從20世紀(jì)30年代開始的，但當(dāng)時僅在南京、大連兩地建有氨廠，一個是由著名愛國實業(yè)家范旭東先生創(chuàng)辦的南京永利化學(xué)工業(yè)公司铔廠—— 永利寧廠，現(xiàn)南京化學(xué)工業(yè)公司的前身；另一個是日本占領(lǐng)東北后在大連開辦的滿洲化學(xué)工業(yè)株式會社，最高年產(chǎn)量不超過50Kt（1941年）。此外在上海還有一個電解水制氫生產(chǎn)合成氨、硝酸的小型車間。中華人民共和國成立以來，化工部門貫徹為農(nóng)業(yè)服務(wù)的方針，把發(fā)展化肥生產(chǎn)放在首位。經(jīng)過50多年的努力，中國已擁有多種原料、不同流程的大、中、小型合成氨廠1000多個，已躍居世界第1位，已掌握了以焦炭、無煙煤、褐煤、焦?fàn)t氣、天然氣及油田氣和液態(tài)烴等氣固液多種原料生產(chǎn)合成氨的技術(shù)，形成中國大陸特有的煤、石油、天然氣原料并存和大、中、小生產(chǎn)規(guī)模并存的合成氨生產(chǎn)格局。中國合成氨工業(yè)的發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個階段。第一、恢復(fù)老廠和新建中型氨廠20世紀(jì)50年代初，在恢復(fù)和擴(kuò)建老廠的同時，從原蘇聯(lián)引進(jìn)以煤為原料、年產(chǎn)50kt的三套合成氨裝置，并創(chuàng)建了吉化、蘭州、太原三大化工基地，后又自行設(shè)計、以川化的創(chuàng)建為標(biāo)志。到60年代中期中氮已投產(chǎn)了15家。20世紀(jì)60年代隨著石油、天然氣資源的開采，又從英國引進(jìn)一套以天然氣為原料的加壓蒸汽轉(zhuǎn)化法年產(chǎn)100kt合成氨裝置(即瀘天化)；從意大利引進(jìn)一套以重油為原料的部分氧化法年產(chǎn)50kt合成氨裝置，從而形成了煤油氣原料并舉的中型氨廠生產(chǎn)系統(tǒng)，迄今為止，已建成50多座中型氨廠。第二、小型氨廠的發(fā)展從20世紀(jì)60年代開始在全國各地建設(shè)了一大批小型氨廠，1979年最多時曾發(fā)展到1539座氨廠。第三、大型氨廠的崛起20世紀(jì)70年代是世界合成氨工業(yè)大發(fā)展時期。由于大型合成氨裝置的優(yōu)越性，1972年2月中國作出了成套引進(jìn)化學(xué)肥料技術(shù)和設(shè)備的決定。1973年開始，首批引進(jìn)13套年產(chǎn)300kt合成氨的成套裝置(其中10套為天然氣為原料，建在川化、瀘天化、云南、貴州等地)，為了擴(kuò)大原料范圍，1978年又開始第二批引進(jìn)4套年產(chǎn)300kt合成氨裝置。中國是世界上人口最多的農(nóng)業(yè)大國，為了在2000年氮肥產(chǎn)量達(dá)到基本自給自足，最近十年先后陸續(xù)引進(jìn)14套具有20世紀(jì)90年代先進(jìn)水平的年產(chǎn)300kt合成氨成套設(shè)備，同時從20世紀(jì)70年代起，我國開始了大型合成氨成套裝置的自行設(shè)計、自行制造工作，第一套年產(chǎn)30萬噸的合成氨裝置于80年在上海建成投產(chǎn)。特別是于90年代初在川化建成投產(chǎn)的年產(chǎn)20萬噸合成氨裝置達(dá)到了當(dāng)時的國際先進(jìn)水平。從而掌握了世界上幾乎所有先進(jìn)的工藝和先進(jìn)技術(shù)如低能耗的凱洛格工藝、布朗工藝等，通過對引進(jìn)技術(shù)的消化吸收和改造創(chuàng)新，不但使合成氨的技術(shù)水平跟上了世界前進(jìn)的步伐，而且促進(jìn)了國內(nèi)中小型氨廠的技術(shù)發(fā)展。至今，在32套引進(jìn)裝置中，原料為天然氣、油田氣的17套，渣油7套，石腦油5套，煤2套和尤里卡瀝青1套，加上上海吳涇，成都的兩套國產(chǎn)化裝置。中國潛在的天然氣資源十分豐富，除新勘探的新疆塔里木盆地有大量的天然氣可以通過長距離的管線東輸外，對海南鶯歌海域蘊(yùn)藏的天然氣已決定在新世紀(jì)初新建一套引進(jìn)的年產(chǎn)450kt合成氨裝置，這將是中國規(guī)模最大的一套合成氨裝置[1]。 合成氨的典型工藝流程介紹合成氨的生產(chǎn)過程包括三個主要步驟：原料氣的制備、凈化和壓縮和合成。(1)原料氣制備 將煤和天然氣等原料制成含氫和氮的粗原料氣。對于固體原料煤和焦炭，通常采用氣化的方法制取合成氣；渣油可采用非催化部分氧化的方法獲得合成氣；對氣態(tài)烴類和石腦油，工業(yè)中利用二段蒸汽轉(zhuǎn)化法制取合成氣。(2)凈化對粗原料氣進(jìn)行凈化處理，除去氫氣和氮?dú)庖酝獾碾s質(zhì)，主要包括變換過程、脫硫脫碳過程以及氣體精制過程。　?、?一氧化碳變換過程　　在合成氨生產(chǎn)中，各種方法制取的原料氣都含有CO，其體積分?jǐn)?shù)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(yīng)如下：CO+H2O→H2+CO2 ΔH=；由于CO變換過程是強(qiáng)放熱過程，必須分段進(jìn)行以利于回收反應(yīng)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(zhuǎn)變?yōu)镃O2和H2；第二步是低溫變換，%左右。因此，CO變換反應(yīng)既是原料氣制造的繼續(xù)，又是凈化的過程，為后續(xù)脫碳過程創(chuàng)造條件?！　、?脫硫脫碳過程　　各種原料制取的粗原料氣，都含有一些硫和碳的氧化物，為了防止合成氨生產(chǎn)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(zhuǎn)化法，第一道工序是脫硫，用以保護(hù)轉(zhuǎn)化催化劑，以重油和煤為原料的部分氧化法，根據(jù)一氧化碳變換是否采用耐硫的催化劑而確定脫硫的位置。工業(yè)脫硫方法種類很多，通常是采用物理或化學(xué)吸收的方法，常用的有低溫甲醇洗法(Rectisol)、聚乙二醇二甲醚法(Selexol)等?！　〈衷蠚饨?jīng)CO變換以后，變換氣中除H2外，還有COCO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?！　∫话悴捎萌芤何辗摮鼵O2。根據(jù)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(Rectisol)，聚乙二醇二甲醚法(Selexol)，碳酸丙烯酯法。一類是化學(xué)吸收法，如熱鉀堿法，低熱耗本菲爾法，活化MDEA法，MEA法等。 　?、?氣體精制過程　　經(jīng)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(guī)定CO和CO2總含量不得大于10cm3/m3(體積分?jǐn)?shù))。因此，原料氣在進(jìn)入合成工序前，必須進(jìn)行原料氣的最終凈化，即精制過程?！　∧壳霸诠I(yè)生產(chǎn)中，最終凈化方法分為深冷分離法和甲烷化法。深冷分離法主要是液氮洗法，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(jié)合。甲烷化法是在催化劑存在下使少量CO、CO2與H2反應(yīng)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?jǐn)?shù))%。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。甲烷化反應(yīng)如下：CO+3H2CH4+H2O ΔH=； CO2+4H2CH4+2H2O ΔH=； (3)氨合成 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(chǎn)品的工序，是整個合成氨生產(chǎn)過程的核心部分。氨合成反應(yīng)在較高壓力和催化劑存在的條件下進(jìn)行，由于反應(yīng)后氣體中氨含量不高，一般只有10%～20%，故采用未反應(yīng)氫氮?dú)庋h(huán)的流程。氨合成反應(yīng)式如下：N2+3H2 2NH3(g) ΔH=； 合成氨轉(zhuǎn)化工序的工藝原理本設(shè)計中的合成氨轉(zhuǎn)變工序是指轉(zhuǎn)化工序和變換工序的合稱。轉(zhuǎn)換工序是指天燃?xì)庵械臍鈶B(tài)烴類轉(zhuǎn)換成HCO和CO2，并達(dá)到要求，合成氨廠的轉(zhuǎn)化工序分為兩段進(jìn)行。在一段轉(zhuǎn)化爐里，大部分烴類與蒸汽于催化劑作用下轉(zhuǎn)化成HCO和CO2。烷烴：CnH2n+n+nH2O→nCO+(2n+1)H2或 C0nH2n+n+2nH2O→nCO2+(3n+1)H2烯烴：CnH2n+nH2O→nCO+2nH2CnH2n+2nH2O→nCO2+3nH2接著一段轉(zhuǎn)化氣進(jìn)入二段轉(zhuǎn)化爐，在此加入空氣，由一部分H2燃燒放出熱量，催化劑床層溫度上升到1200～1250 ℃，并繼續(xù)進(jìn)行甲烷的轉(zhuǎn)化反應(yīng)。CH4+H2O→CO+3H2CH4+2H2O→CO+4H2二段轉(zhuǎn)化爐出口氣體溫度約950～1000 ℃，殘余甲烷含量和（H2+CO）/N2比均可達(dá)到指標(biāo)。變換工序是指CO與水蒸氣反應(yīng)生成二氧化碳和氫氣的過程。在合成氨工藝流程中起著非常重要的作用。目前，各種方法制取的原料氣都含有CO，其體積分?jǐn)?shù)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。變換工段主要利用CO變換反應(yīng)式：CO+H2O→CO2+H2 ΔH 298=在不同溫度下分兩步進(jìn)行，第一步是高溫變換（簡稱高變）使大部分CO轉(zhuǎn)化為CO2和H2，