【正文】 了石腦油蒸汽轉(zhuǎn)化過(guò)程的析碳問(wèn)題后，1962年開(kāi)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(jià)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(kāi)發(fā)了用重油部分氧化法制氫。從此比石腦油價(jià)廉、來(lái)源廣泛的重油和減壓渣油開(kāi)始作為合成氨的另一種原料。，相對(duì)投資和能量消耗比較。由表可見(jiàn)，雖然各國(guó)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(duì)投資和能量消耗原料天然氣重油煤相對(duì)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(jì)就是以天然氣為原料合成氨，主要是轉(zhuǎn)化工段的設(shè)計(jì)。(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(dòng)的高壓離心式壓縮機(jī)研制成功，美國(guó)凱洛格公司運(yùn)用建設(shè)單系列大型煉油廠的經(jīng)驗(yàn)，首先運(yùn)用工藝過(guò)程的余熱副產(chǎn)高壓蒸汽作為動(dòng)力，實(shí)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(diǎn)是投資費(fèi)用低，能量利用率高，占地少，勞動(dòng)生產(chǎn)率高。從20世紀(jì)60年代中期開(kāi)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(zhǎng)周期運(yùn)行，對(duì)機(jī)器和設(shè)備質(zhì)量要求很高，而且在超過(guò)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(jí)，日產(chǎn)1000t級(jí)和日產(chǎn)1500t級(jí)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(shí)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(gè)生產(chǎn)過(guò)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(guó)合成氨生產(chǎn)能耗約占全國(guó)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(dòng)力約有85%可由余熱供給[3]。(四) 生產(chǎn)自動(dòng)化合成氨生產(chǎn)特點(diǎn)之一是工序多、連續(xù)性強(qiáng)。20世紀(jì)60年代以前的過(guò)程控制多采取分散方式，在獨(dú)立的幾個(gè)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(tái)。因此，某一環(huán)節(jié)的失調(diào)就會(huì)影響生產(chǎn)，為了保證長(zhǎng)周期的安全生產(chǎn)，對(duì)過(guò)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(bào)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(jì)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(guó)霍尼威爾公司開(kāi)發(fā)成功TCP2000總體分散控制系統(tǒng)（Totol Distributed Control System），簡(jiǎn)稱集散控制系統(tǒng)（DCS）。DCS是現(xiàn)代計(jì)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(tái)上可以存取、顯示多種數(shù)據(jù)和畫(huà)面，包括帶控制點(diǎn)的流程，全部過(guò)程變量、控制過(guò)程變量，以及其參數(shù)的動(dòng)態(tài)數(shù)值和趨勢(shì)圖，從而實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)視和集中操作。操作人員對(duì)于人一控制點(diǎn)、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(shì)的觀察，只要通過(guò)鍵操作調(diào)出相應(yīng)的畫(huà)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(shí)在打印機(jī)上打印和彩色硬拷貝機(jī)上拷貝。與此同時(shí)，報(bào)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(guò)去的繼電器，采用由用戶編寫(xiě)的程序，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或手動(dòng)的“開(kāi)”或“?！焙蛷?fù)雜程序不同的各種邏輯控制，計(jì)時(shí)、計(jì)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(jì)時(shí)、計(jì)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(jí)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(guò)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?jī)?yōu)化控制以及模擬儀表難以實(shí)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(tái)高性能的計(jì)算機(jī)上配合相應(yīng)的軟件以代替實(shí)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(shí)間內(nèi)學(xué)習(xí)開(kāi)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(dòng)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(guó)合成氨生產(chǎn)是從20世紀(jì)30年代開(kāi)始的，但當(dāng)時(shí)僅在南京、大連兩地建有氨廠，一個(gè)是由著名愛(ài)國(guó)實(shí)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(gè)是日本占領(lǐng)東北后在大連開(kāi)辦的滿洲化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社，最高年產(chǎn)量不超過(guò)50Kt（1941年）。此外在上海還有一個(gè)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(guó)成立以來(lái)，化工部門(mén)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(guò)50多年的努力，中國(guó)已擁有多種原料、不同流程的大、中、小型合成氨廠1000多個(gè)，已躍居世界第1位，已掌握了以焦炭、無(wú)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(guó)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(guó)合成氨工業(yè)的發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個(gè)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(shí)，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(jì)、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(kāi)采，又從英國(guó)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(kāi)始在全國(guó)各地建設(shè)了一大批小型氨廠，1979年最多時(shí)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(shí)期。由于大型合成氨裝置的優(yōu)越性，1972年2月中國(guó)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(kāi)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(kāi)始第二批引進(jìn)4套年產(chǎn)300kt合成氨裝置。中國(guó)是世界上人口最多的農(nóng)業(yè)大國(guó)，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(shí)從20世紀(jì)70年代起，我國(guó)開(kāi)始了大型合成氨成套裝置的自行設(shè)計(jì)、自行制造工作，第一套年產(chǎn)30萬(wàn)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(wàn)噸合成氨裝置達(dá)到了當(dāng)時(shí)的國(guó)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(guò)對(duì)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(guó)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(guó)產(chǎn)化裝置。中國(guó)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(guò)長(zhǎng)距離的管線東輸外，對(duì)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(guó)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(guò)程包括三個(gè)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(duì)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(duì)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(duì)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(guò)程、脫硫脫碳過(guò)程以及氣體精制過(guò)程。　?、?一氧化碳變換過(guò)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(guò)程是強(qiáng)放熱過(guò)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(guò)程，為后續(xù)脫碳過(guò)程創(chuàng)造條件。　?、?脫硫脫碳過(guò)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(guò)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。 　　③ 氣體精制過(guò)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(duì)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(guò)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(gè)合成氨生產(chǎn)過(guò)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(jì)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(guò)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(jiǎn)稱高變）使大部分CO轉(zhuǎn)化為CO2和H2，