【正文】 床層而實(shí)現(xiàn)的。工業(yè)催化劑所必備的三個(gè)重要條件：活性好，選擇性高，壽命長?；钚院茫瑒t催化劑的用量少而能夠轉(zhuǎn)化的物料量大，但對(duì)于合成氨反應(yīng)，過高的活性有時(shí)反而是適得其反。因?yàn)樵O(shè)備需要外界供熱，才能維持反應(yīng)的強(qiáng)度。但一旦放大到大規(guī)模生產(chǎn)，我們就需要解決如何帶出這部分熱量和控制溫度。選擇性高副產(chǎn)物就少，不僅使原料的損耗減少，而且也減少分離或處理這些副產(chǎn)物的裝備和費(fèi)用，使整個(gè)過程的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)大大降低。由于合成氨沒有副反應(yīng)存在，故選擇性可認(rèn)為是100%。壽命長，對(duì)工廠相當(dāng)重要，因?yàn)椋绻鼡Q催化劑，就要停產(chǎn)。催化劑的機(jī)械強(qiáng)度，固定床用的催化劑能承受得住床層的載荷和振動(dòng)而不導(dǎo)致破碎和造成床層的阻塞。長期以來,人們對(duì)氨合成催化劑作了大量的研究工作,發(fā)現(xiàn)對(duì)合成氨有活性的一系列金屬為Os,U,Fe,Mn,W等,其中以鐵為主體并添加有促進(jìn)催化劑的鐵系催化劑,價(jià)廉易得、活性良好、使用壽命長,從而獲得了廣泛應(yīng)用.目前,大多數(shù)鐵系催化劑都是用經(jīng)過精選的天然磁鐵礦通過熔融法制備的,習(xí)稱熔鐵催化劑,:表1 國內(nèi)主要型號(hào)的氨催化劑的組成和性能型號(hào) 組 成 外 形 堆密度/(Kg/l) 使用溫度/oc 主要性能A1101 Fe3OAl2O3 不規(guī)則 — 380—500 還原溫度350OC CaO、SiOK2O 顆粒A1102 同上，但不加BaO 同上 — 380—490 A201 Fe3OAl2O3 同上 — 360—490 易還原，低溫活性高 CaO、SiOK2OA203 Fe3OAl2O3 同上 — 300—540 活性高、易還原、壽命長 CaO 、K2OA301 Fe1x、Al2O3 同上 — 320—500 低溫低壓高活性，還原溫 CaO、K2O 度280—300，極易還原 綜上所述,本設(shè)計(jì)選擇使用A203型催化劑. 動(dòng)力學(xué)氨合成有如下幾個(gè)步驟：反應(yīng)物從氣流主體擴(kuò)散到催化劑的外表們面（外擴(kuò)散過程）；反應(yīng)物進(jìn)一步向催化劑的微孔內(nèi)擴(kuò)散進(jìn)去（內(nèi)擴(kuò)散過程）；反應(yīng)物在催化劑的表面上被吸附（吸附過程）；吸附的反應(yīng)物轉(zhuǎn)化成反應(yīng)的生成物（表面反應(yīng)過程）；反應(yīng)生成物從催化劑表面上脫附下來（脫附過程）；脫附下來的生成物分子從微孔內(nèi)向外擴(kuò)散到催化劑外表面處（內(nèi)擴(kuò)散過程）；生成物分子從催化劑外表面處擴(kuò)散到主流氣流中被帶走（外擴(kuò)散過程）。這中間三個(gè)步驟稱為化學(xué)動(dòng)力學(xué)過程。微分動(dòng)力學(xué)方程：對(duì)于一般工業(yè)鐵催化劑，：K1，k2與溫度及平衡常數(shù)kp的關(guān)系為：在工業(yè)上，使用上式（）是比較滿意的。 生產(chǎn)方法的選擇論證 合成壓力的選擇論證由化學(xué)反應(yīng)式可知，氨合成反應(yīng)是一個(gè)氣體體積縮小的反應(yīng)，提高壓力有助于反應(yīng)向合成氨的方向進(jìn)行，而反應(yīng)速度隨壓力的提高而增大。通常合成氨壓力的選擇需要考慮三個(gè)因素：一、能量消耗，即氫氣、氮?dú)獾膲嚎s功耗，循環(huán)氣的壓縮功耗和冷凍系統(tǒng)的壓縮功耗；二、提高壓力，設(shè)備體積減小，占地面積減小，冷凍系統(tǒng)設(shè)備投資也可減小，故總設(shè)備投資費(fèi)用可降低，但對(duì)設(shè)備材質(zhì)要求高，制造困難，尤其當(dāng)壓力過高，對(duì)設(shè)備材質(zhì)和制造技術(shù)要求更高，設(shè)備投資又會(huì)增加。所以基建費(fèi)用隨壓力的提高會(huì)呈下降趨勢，超過一定值后又逐漸回升；三、產(chǎn)品成本由基建成本和運(yùn)行成本構(gòu)成，前者與基建投資有關(guān)，后者與能耗有關(guān)。此外，還與氨加工產(chǎn)品有關(guān)。故總成本與壓力變化有關(guān)。中壓法技術(shù)比較成熟，經(jīng)濟(jì)性比較好，在15～30Pa的范圍內(nèi)，功耗的差別是不大的，因此世界上采用此法的很多。 一般中小氮肥廠多為30MPa。綜上所述，. 新鮮氣的補(bǔ)入位置新鮮氣盡管經(jīng)過一系列的凈化處理，但仍帶有一部分CO、COH2O，可達(dá)15ppm。因此，補(bǔ)充的新鮮氣就需要經(jīng)冷凝液氨的洗滌，最終脫除水分、油滴和微量CO，才能確保催化劑的活性。新鮮氣的補(bǔ)充位置通常有三種方式：新鮮氣補(bǔ)入油分離器入口，補(bǔ)入的氣體經(jīng)過冷交換器和氨冷器冷凝液氨的洗滌達(dá)到最終精制，但這種方法會(huì)增加冷交換器管內(nèi)阻力，新鮮氣中微量CO2在冷交換器管內(nèi)與循環(huán)氣中的氨形成氨基甲酸銨之類的結(jié)晶，會(huì)堵塞管道；新鮮氣補(bǔ)入位置在冷交換器一次出口管線至氨冷器之間，由于此處冷交后已有部分液氨冷凝，生成的微量氨基甲酸銨將被冷凝液氨溶解而排除；新鮮氣補(bǔ)入位置在冷交換器二次入口管線上，其效果與第二個(gè)方法相同，目前后兩種新鮮氣補(bǔ)氣位置設(shè)計(jì)已被不少小合成氨廠所用。所以，本設(shè)計(jì)的新鮮氣的補(bǔ)入位置放在補(bǔ)入油分離器入口。 放空氣的排放位置設(shè)置放空氣的位置，以保持惰性氣體不積累，為減少惰性氣體排放時(shí)造成原料氣的損失，排放氣一般選擇在惰性氣體含量高，氨濃度較低并在新鮮氣補(bǔ)入之前放空，通常是在氨分離之后作為排放點(diǎn)。所以，本設(shè)計(jì)的放空位置選擇在氨分后。 循環(huán)壓縮機(jī)的形式和位置以下是幾種循環(huán)機(jī)的規(guī)格及參數(shù)：型號(hào)：——308；1P35——320 —200；——150；——320與之對(duì)應(yīng)的型式：臥式，單級(jí)復(fù)動(dòng)；臥式，單級(jí)復(fù)動(dòng)；立式，雙列復(fù)動(dòng)；立式，雙列單動(dòng)；立式，雙列復(fù)動(dòng)與之對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分）：92；110；92；92；82與之對(duì)應(yīng)的冷卻水耗量(m3/h)：；；0；0；0與之對(duì)應(yīng)的潤滑油耗量（g/h）：；；0；0；0與之對(duì)應(yīng)的電機(jī)功率/軸功率（千瓦）：22/20。65/52。95/。45/。90/76本設(shè)計(jì)的循環(huán)機(jī)位置放在氨冷器之后，合成塔之前，故需要用離心式循環(huán)機(jī)，——320型離心式循環(huán)機(jī)。 氨分離的型式和級(jí)數(shù)進(jìn)入氨合成塔催化層的氫氮混合氣，只有少部分起反應(yīng)生成氨，合成塔出口氣體氨含量一般為10～20％，因此需要將氨分離出來。氨分離的方法有兩種，一是水吸收法；二是冷凝法。水吸法：氨在水中的溶解度很大，與溶液成平衡的氣相氨分壓很小。但氣相亦為水蒸氣飽和，為防止催化劑中毒，循環(huán)氣需要嚴(yán)格脫除水分后才能進(jìn)入合成塔。冷凝法：該法是冷卻含氨混合氣，使其中大部分氣氨冷凝以便于不冷凝的氫氮?dú)夥珠_。加壓下，氣相中飽和氨含量隨溫度的降低、壓力的增高而減少。如果操作壓力在45MPa以上，用水冷卻即能使氨冷凝。目前工業(yè)上主要采用冷凝法分離循環(huán)氣中的氨。以水和氨冷卻氣體的過程是在水冷器和氨冷器中進(jìn)行的。在水冷器和氨冷器之后設(shè)置氨分離器，把冷凝下來的液氨從氣相中分離出來，經(jīng)減壓后送至液氮貯槽。在氨冷凝過程，部分氫氮?dú)饧岸栊詺怏w溶解在液氨中。當(dāng)液氨在貯槽內(nèi)減壓后，溶解的氣體大部分釋放出來，通常稱為“貯罐氣”。，故本設(shè)計(jì)選擇的氨冷型式是冷凝法，一級(jí)氨冷。 氨合成反應(yīng)熱的利用余熱回收，采用如下措施：提高合成塔進(jìn)氣溫度；熱能回收又包括：用來加熱鍋爐給水和直接利用余熱副產(chǎn)蒸汽。 氨合成工序方塊流程圖合成塔循環(huán)機(jī)壓縮機(jī)六段精煉氣液氨中間槽氨分離器軟水加熱器中置鍋爐塔外換熱器氨冷器冷凝塔油水分離器 放空水 冷 器 圖6 合成氨方塊流程圖 設(shè)備選擇論證 氨合成塔的選擇論證氨合成塔是合成氨生產(chǎn)的主要設(shè)備之一。氨在高溫、高壓和催化劑存在條件下由氫氮?dú)夂铣?。氫、氮?duì)碳鋼有明顯的腐蝕作用。為了適應(yīng)氨合成反應(yīng)條件，氨合成通常由內(nèi)件和外筒兩部分組成，內(nèi)件置于外筒之內(nèi)。外筒主要承受高壓，但不承受高溫，可用普通低合金鋼或優(yōu)質(zhì)低碳鋼制成。而內(nèi)件承受高溫，不承受高壓，一般可用合金鋼制成。氨合成塔內(nèi)件結(jié)構(gòu)繁多，目前主要有冷管式和冷激式兩種塔型。前者屬于連續(xù)換熱式，后者屬于多段冷激式。冷管式氨合成塔：中國小型氨廠多采用冷管式內(nèi)件，其主要優(yōu)點(diǎn)是：床層溫度分布比較合理，催化劑生產(chǎn)強(qiáng)度高，入操作壓力為30MPa，空速20000—30000h1，催化劑的生產(chǎn)強(qiáng)度可達(dá)40—60t/(m3d),結(jié)構(gòu)可靠、操作穩(wěn)定、適應(yīng)性強(qiáng)。其缺點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，冷管與分氣盒占據(jù)較多的空間，催化劑還原時(shí)床層下部受冷管傳熱的影響升溫困難，還原不易徹底。冷激式氨合成塔：其分為：軸向冷激和徑向冷激。軸向冷激的優(yōu)點(diǎn)：用冷激氣調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度，操作方便，而且省去許多冷管，結(jié)構(gòu)簡單，內(nèi)件可靠性好，合成塔筒體與內(nèi)件上開設(shè)入孔，裝卸催化劑時(shí)，不必將內(nèi)件吊起，外筒密封在縮口處。其缺點(diǎn)是：運(yùn)輸和安裝較困難等。徑向冷激的優(yōu)點(diǎn)：氣體呈徑向流動(dòng)，流速低，壓力降較??；直徑較小。但其缺點(diǎn)是：不能有效地保證氣體均勻流經(jīng)催化劑床層，發(fā)生偏流。所以，本設(shè)計(jì)采用冷激式氨合成塔。 氨合成工序其他設(shè)備的選型本設(shè)計(jì)的循環(huán)機(jī)位置放在氨冷器之后，合成塔之前，故需要用離心式循環(huán)機(jī)，——320型立式離心式循環(huán)機(jī)。水冷器：常見的有兩種，噴淋式和套管式。鑒于兩種水冷器的型式的優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選擇套管式。氨分離器：常見的有兩種，多層套管式和離心金屬絲網(wǎng)過濾組合。鑒于兩種氨分離器的型式的優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選擇多層套管式。冷凝塔：由兩大部分組成。上部是列管換熱器，下部是氨分離器。氨冷器：常用的有兩種，一種是臥式，另一種是立式，鑒于兩種氨冷器的型式的優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選擇立式氨冷器。廢熱鍋爐：分為三種，前置式、中置式和后置式，鑒于三種三種廢熱鍋爐型式的優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用中置式。軟水加熱器：塔外換熱器：油水分離器： 工藝操作條件的確定中壓法技術(shù)比較成熟，經(jīng)濟(jì)性比較好，在15～30Pa的范圍內(nèi)，功耗的差別是不大的，因此世界上采用此法的很多。 一般中小氮肥廠多為32MPa。表2 溫度 Kp102464 472 480 488 504 512 520 而A203催化劑的使用溫度是300—540OC，最適溫度500OC。故本設(shè)計(jì)的氨合成溫度定為500OC。 氫氮比氨合成原料氣中氫氣與氮?dú)獾陌俜直群喎Q氫氮比?！?，否則將不利于氨合成反應(yīng)的進(jìn)行，使氨產(chǎn)量下降。氨合成反應(yīng)方程式為：N2+3H2=2NH3. 進(jìn)塔氨含量和氨分離溫度進(jìn)塔氨含量：當(dāng)其他條件不變時(shí)，進(jìn)塔氨含量越高，則氨凈值越小，由于提高氨濃度，相應(yīng)使推動(dòng)力減小，降低了生產(chǎn)能力。反之，則增大了推動(dòng)力，反應(yīng)速度增加，雖然出口氨含量略有減少，但提高了氨凈值，產(chǎn)量也有明顯的提高。進(jìn)塔氨含量降低，氨凈值升高，循環(huán)氣壓縮功耗低，但冷凍系統(tǒng)負(fù)荷增加，入塔氨含量與冷凝溫度和系統(tǒng)壓力有關(guān)。通常情況下，—%。氨分離器溫度：本設(shè)計(jì)采用一級(jí)氨冷，溫度范圍在0OC — 5OC。 惰性氣體含量惰性氣體的存在，無論從化學(xué)平衡和動(dòng)力學(xué)角度分析都是有弊無利。惰性氣體主要來源于補(bǔ)充氣，保持循環(huán)氣中一定的惰性氣體含量主要是靠放空氣決定?？刂七^低的惰性氣體含量勢必要大量排放，有效氣體的放空損失在經(jīng)濟(jì)上是不合格的。當(dāng)操作壓力較低和催化劑活性較好時(shí)，循環(huán)氣中惰性氣體含量宜保持16%—20%，這樣可以節(jié)省原料氣消耗。反之，宜控制在12%—16%。本設(shè)計(jì)的惰性氣體含量控制在15%。 廢熱回收參數(shù)首先，從合成塔出來的混合氣體溫度達(dá)到330OC，利用這些熱量加熱中置鍋爐，產(chǎn)生蒸汽，溫度降為250OC，再對(duì)軟水加熱器進(jìn)行加熱，使溫度進(jìn)一步下降到190OC，然后進(jìn)入塔外換熱器，與合成塔一次出口的混合氣換熱，使合成塔二次進(jìn)口氣體的溫度升高到170OC，自己降為75OC，這些就是廢熱的回收利用。第三章 合成氨工序物料衡算 氨合成方塊工藝流程圖 120液氨7856放空43新鮮氣油分離器氨冷器塔外換熱器氨分離器水冷器水加熱器中置鍋爐合成塔循環(huán)機(jī)冷凝塔9圖7各組分編號(hào)見表3表3 組分 NH3 H2 N2 CH4 Ar 編號(hào) 0 1 2 3 4注：Ｉ=3+4 計(jì)算基準(zhǔn)100Kmol進(jìn)塔氣V2 已知條件進(jìn)塔氣 =放空氣 15%=%= 合成回路壓力分布（1） 循環(huán)機(jī) Mpa Mpa （2） 油分離器 Mpa Mpa（3） 冷凝塔 一次 Mpa Mpa 二次 Mpa Mpa（4）氨冷器 Mpa （5）氨合成塔 一次 Mpa 二次 Mpa Mpa（6）熱交換器 一次 Mpa Mpa 二次 Mpa Mpa（7）廢熱鍋爐 Mpa Mpa（8）水冷器