【正文】 潔生產(chǎn)是未來合成氨裝置的必然和惟一的選擇。生產(chǎn)過程中不生成或很少生成副產(chǎn)物、廢物 , 實現(xiàn)或接近“零排放”的清潔生產(chǎn)技術(shù)將日趨成熟和不斷完善。 第三 ,提高生產(chǎn)運轉(zhuǎn)的可靠性 , 延長運行周期是未來合成氨裝置“改善經(jīng)濟性、增強競爭力”的必要保證。有利于“提高裝置生產(chǎn)運轉(zhuǎn)率、延長運行周期”的技術(shù) , 包括工藝優(yōu)化技術(shù)、先進控制技術(shù)等將 越來越受到重視。 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 合成氨常見工藝方法 氨的合成是合成氨生產(chǎn)的最后一道工序，其任務(wù)是將經(jīng)過精制的氫氮混合氣在催化劑的作用下多快好省地合成為氨。對于合成系統(tǒng)來說，液體氨即是它的產(chǎn)品。工業(yè)上合成氨的各種工藝流程一般以壓力的高低來分類。 高壓法 操作壓力 70～ 100MPa，溫度為 550～ 650℃。這種方法的主要優(yōu)點是氨合成效率高，混合氣中的氨易被分離。故流程、設(shè)備都比較緊湊。但因為合成效率高，放出的熱量 多，催化劑溫度高，易過熱而失去活性，所以催化劑的使用壽命較短。又因為是高溫高壓操作，對設(shè)備制造、材質(zhì)要求都較高，投資費用大。目前工業(yè)上很少采用此法生產(chǎn)。 中壓法 操作壓力為 20～ 60MPa，溫度 450～ 550℃，其優(yōu)缺點介于高壓法與低壓法之間，目前此法技術(shù)比較成熟，經(jīng)濟性比較好。因為合成壓力的確定，不外乎從設(shè)備投資和壓縮功耗這兩方面來考慮。從動力消耗看，合成系統(tǒng)的功耗占全廠總功耗的比重最大。但功耗決不但取決于壓力一項，還要看其它工藝指標和流程的布置情況?？偟膩砜?，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。 低壓法 操作壓力 10MPa 左右，溫度 400～ 450℃。由于操作壓力和溫度都比較低，故對設(shè)備要求低，容易管理，且催化劑的活性較高，這是此法的優(yōu)點。但此法所用催化劑對毒物很敏感，易中毒，使用壽命短，因此對原料氣的精制純度要求嚴格。又因操作壓力低，氨的合成效率低，分離較困難，流程復(fù)雜。實際工業(yè)生產(chǎn)上此法已不采用了。合成氨工藝流程大概可以分為：原料氣的制備；原料氣的凈化；氣體壓縮和氨的合成四大部分。 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 設(shè)計條件 (1)生產(chǎn)能力：液氨產(chǎn)量為 30kt/a。 (2)新鮮氮氫氣組成如下表： 組成 H2 N2 CH4 Ar 合計 摩爾分數(shù) /% 100 (3)合成塔入口氣： 為 %，為 %。 (4)合成塔出口氣： 為 17%。 (5)合成操作壓力： 31MPa。 (6)新鮮氣溫度： 35。 (7)其他部位的溫度和壓力，見流程圖。 (8)水冷卻器的冷卻器溫度： 25。 (9)以下各項再計算中，有些部位略去不計。 (i)溶解液氨中的氣體量； (ii)部分設(shè)備和管道的阻力； (iii)部分設(shè)備和管道的熱損失。 物料流程 示意圖 流程簡介：在油分離器出口的循環(huán)氣中補充從凈化工序送來的新鮮氮氫氣，進入冷交換器和氨冷器進一步冷卻，使其中的氨氣絕大部分被冷凝分離出去。循環(huán)氣進入合成塔，進塔走塔內(nèi)間隙，溫度稍升高，引出到外部熱交換器再次升高溫度。第二次入合成塔，經(jīng)塔內(nèi)熱交換器加熱并在催化作用下發(fā)生合成反應(yīng)，溫度升高出塔后一次經(jīng)廢熱鍋爐、熱交換器和軟水預(yù)熱器回收熱量，然后再經(jīng)水冷卻器冷卻，使氣體中部分氨液化，進到氨分離器分離出液氨。氣體則進入循環(huán)壓縮機補充壓力形成循環(huán)回路。在油分離器出口補充了新鮮氮氫氣入冷交換器。從冷交換器中的氨分離 器分離出的液氨與由氨分離器分出的液氨匯合入液氨貯槽。由于液氨貯槽壓力降低，則溶于液氨的氣體和部分氨被閃蒸出來，即所謂馳放氣送出另外處理。另外為限制循環(huán)氣中惰氣含量的積累，使其濃度不致于過高，故在氨分離器后放出一部分循環(huán)氣，成為放空氣。從整個系統(tǒng)而言，進入系統(tǒng)的是新鮮氮氫氣，離開系統(tǒng)的是產(chǎn)品液氨、馳放氣、和空氣。 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 圖 氨合成工序物料流程示意圖 1— 新鮮氮氣； 12— 放空氣； 20— 馳放氣； 21— 產(chǎn)品液氨 為計算方便起見，在流程圖中各不同部位的物料，用數(shù)字編號表示。 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 年產(chǎn)三萬噸雙極氨冷式合成氨 物料衡算部分 1 總論 氨是最為重要的基礎(chǔ)化工產(chǎn)品之一，其產(chǎn)量居各種化工產(chǎn)品的首位 。 同時也是能源消耗的大戶，世界上大約有 10 %的能源用于生產(chǎn)合成氨。氨主要用于農(nóng)業(yè) ,合成氨是氮肥工業(yè)的基礎(chǔ)，氨本身是重要的氮素肥料，其他氮素肥料也大多是先合成氨、再加工成尿素或各種銨鹽肥料，這部分約占 70 %的比例，稱之為“化肥氨”；同時氨也是重要的 無機化學(xué)和有機化學(xué)工業(yè)基礎(chǔ)原料，用于生產(chǎn)銨、胺、染料、炸藥、制藥、合成纖維、合成樹脂的原料，這部分約占 30 %的比例 ,稱之為“工業(yè)氨”。 世界合成氨技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了傳統(tǒng)型蒸汽轉(zhuǎn)化制氨工藝、低能耗制氨工藝、裝置單系列產(chǎn)量最大化三個階段。根據(jù)合成氨技術(shù)發(fā)展的情況分析 , 未來合成氨的基本生產(chǎn)原理將不會出現(xiàn)原則性的改變 , 其技術(shù)發(fā)展將會繼續(xù)緊密圍繞“降低生產(chǎn)成本、提高運行周期 , 改善經(jīng)濟性”的基本目標 , 進一步集中在“大型化、低能耗、結(jié)構(gòu)調(diào)整、清潔生產(chǎn)、長周期運行”等方面進行技術(shù)的研究開發(fā) [1]。 的依據(jù) 設(shè)計任務(wù)書是項目設(shè)計的目的和依據(jù)： 產(chǎn)量： 30 kt/a 液氨 放空氣（惰性氣 Ar +CH4 ）： 17% 原料：新鮮補充氣 N2 %， H2 %， CH4 % 合成塔進出口氨含量： %， % 合成塔入口惰性氣含量 :（惰性氣 Ar +CH4 ）～ 17% 年工作日 330 d 計算基準 生產(chǎn) 30000t 氨 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 產(chǎn)品方案 產(chǎn)品的名稱：氨 (NH3)； 產(chǎn)品的質(zhì)量規(guī)格：氨含量≥ %（ wt%）； 產(chǎn)品的規(guī)模： 30kt/a 液氨； 產(chǎn)品 的包裝方式：氨為高壓低溫液體，合成后直接送到下一工段作為原料繼續(xù)生產(chǎn)，多余部分設(shè)立氨儲槽儲存起來。 2 技術(shù)分析 ＋ ==NH3 Δ Hθ = kJ mol1 (1)是可逆反應(yīng)。即在氫氣和氮氣反應(yīng)生成氨的同時，氨也分解成氫氣和氮氣。 (2)是放熱反應(yīng)。在生成氨的同時放出熱量，反應(yīng)熱與溫度、壓力有關(guān)。 (3)是體積縮小的反應(yīng)。 (4)反應(yīng)需要有催化劑才能較快的進行。 動力學(xué)過程 氨合成為氣固相催化反應(yīng)，它的宏觀動力 學(xué)過程包括以下幾個步驟 : a．混合氣體向催化劑表面擴散 (外 ,內(nèi)擴散過程 )； b．氫 ,氮氣在催化劑表面被吸附，吸附的氮和氫發(fā)生反應(yīng)，生成的氨從催化劑表面解吸 (表面反應(yīng)過程 )； c. 氨從催化劑表面向氣體主流體擴散 (內(nèi) ,外擴散過程 )。 對整個氣固相催化反應(yīng)過程，是表面反應(yīng)控制還是擴散控制，取決于實際操作條件。低溫時可能是動力學(xué)控制，高溫時可能是內(nèi)擴散控制； 大顆粒的催化劑內(nèi)擴散路徑長，小顆粒的路徑短，所以在同樣溫度下大顆?？赡苁莾?nèi)擴散控制，小顆?？赡苁腔瘜W(xué)動力學(xué)控制。 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 反應(yīng)機理 氮、氫氣在催化劑表面反應(yīng)過程的機理，可表示為： N2(g)+Cate — → 2N(Cate) H2(g)+Cate — → 2H(Cate) N(Cate) + H(Cate) — → NH(Cate) NH(Cate) + H(Cate) — → NH2(Cate) NH2(Cate) + H(Cate) — → NH3(Cate) NH3(Cate)— → NH3(g) + (Cate) 實驗結(jié)果證明 ,N2活性吸附是最慢的一步，即為表面反應(yīng)過程的控制步驟。 考慮氨合成工段的工藝和設(shè)備問 題時，必須遵循三個原則：一是有利于氨的合成和分離；二是有利于保護催化劑，盡量延長使用壽命；三是有利于余熱回收降低能耗。 氨合成工藝選擇主要考慮合成壓力、合成塔結(jié)構(gòu)型式及熱回收方法。氨合成壓力高對合成反應(yīng)有利 , 但能耗高。中壓法技術(shù)比較成熟，經(jīng)濟性比較好，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 , 大型廠壓力較低 ,為 10～ 20MPa。由于近來低溫氨催化劑的出現(xiàn) , 可使合成壓力降低。 合成反應(yīng)熱回收是必需的 , 是節(jié)能的主要方式之一。除盡可能提高熱回 收率 ,多產(chǎn)蒸汽外 , 應(yīng)考慮提高回收熱的位能 , 即提高回收蒸汽的壓力及過熱度。高壓過熱蒸汽的價值較高 , 當(dāng)然投資要多 , 根據(jù)整體流程統(tǒng)一考慮。 本次設(shè)計選用中壓法（壓力為 32MPa）合成氨流程，采用預(yù)熱反應(yīng)前的氫氮混合氣和副產(chǎn)蒸汽的方法回收反應(yīng)熱，塔型選擇見設(shè)備選型部分。 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 氫氮混合氣經(jīng)過氨合成塔以后，只有一小部分合成為氨。分離氨后剩余的氫氮氣，除為降低惰性氣體含量而少量放空以外，與新鮮原料氣混合后，重新返回合成塔，再進行氨的合成，從而構(gòu)成了循環(huán)法生產(chǎn)流程。由于氣體在設(shè)備、管道中流動時，產(chǎn)生了壓力損失。為補償這一損失，流程中必須設(shè)置循環(huán)壓縮機。循環(huán)機進出口壓差約為 20~30 大氣壓，它表示了整個循環(huán)系統(tǒng)阻力降的大小。 進 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，一是水吸法，二是冷凝法，將合成氣體降溫，使其中的氨氣冷凝成液氨，然后在氨分離器中，從不凝氣體中分離出來。 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)減壓后送至液氨貯槽。在氨冷凝過程，部分氫氮氣及惰性氣體溶解在液氨中。當(dāng)液氨在貯槽內(nèi)減壓后，溶解的氣體大部分釋放出來，通常成為“貯罐氣”。 3 生產(chǎn)流程簡述 氣體從冷交 換器出口分二路、一路作為近路、一路進入合成塔一次入口，氣體沿內(nèi)件與外筒環(huán)隙向下冷卻塔壁后從一次出口出塔，出塔后與合成塔近路的冷氣體混合，進入氣氣換熱器冷氣入口，通過管間并與殼內(nèi)熱氣體換熱。升溫后從冷氣出口出來分五路進入合成塔、其中三路作為冷激線分別調(diào)節(jié)合成塔。二、三、四層 (觸媒 )溫度，一路作為塔底副線調(diào)節(jié)一層溫度，另一路為二入主線氣體，通過下部換熱器管間與反應(yīng)后的熱氣體換熱、預(yù)熱后沿中心管進入觸媒層頂端，經(jīng)過四層觸媒的反應(yīng)后進入下部換熱器管內(nèi)，從二次出口出塔、出塔后進入廢熱鍋爐進口，在廢熱鍋爐中副產(chǎn) 25MPa 蒸氣送去管網(wǎng)，從廢熱鍋爐出來后分成二股，一股進入氣氣換熱器管內(nèi)與管間的冷氣體換熱，另一股氣體進入鍋爐給水預(yù)熱器在管內(nèi)與管間的脫鹽，脫氧水換熱，換熱后與氣氣換熱器出口氣體會合，一起進課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 入水冷器。在水冷器內(nèi)管被管外的循環(huán)水