【文章內容簡介】 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、控制功能的上位機系統(tǒng)，還能進行全廠綜合優(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)的復雜自控系統(tǒng)。若能用仿真技術進行操作人員的模擬培訓只需在一臺高性能的 計算機上配合相應的軟件以代替實際生產裝置的控制、xxxx 畢業(yè)設計 5 運作設備，這樣就可以在較短的時間內學習開停車、正常操作和事故狀態(tài)操作。這些都表示氨生產技術自動化進入新的階段，改變了幾十年合成氨生產控制的面貌。 中國合成氨工業(yè)的發(fā)展概況 中國合成氨生產是從 20世紀 30年代開始的，但當時僅在南京、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)辦的南京永利化學工業(yè)公司铔廠 —— 永利寧廠，現(xiàn)南京化學工業(yè)公司的前身；另一個是日本占領東北后在大連開辦的滿洲化學工業(yè)株式會社 ，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。 中華人民共和國成立以來，化工部門貫徹為農業(yè)服務的方針，把發(fā)展化肥生產放在首位。經過 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， 1999 年總產量為 氨， 已 躍居世界第 1位，已掌握 了以焦炭、無煙煤、褐煤、焦爐氣、天然氣及油田氣和液態(tài)烴等氣固液多種原料生產合成氨的技術，形成中國大陸特有的煤、石油、天然氣原料并存和大、中、小生產規(guī)模并存的合成氨生產格局。 中國合成氨工業(yè)的發(fā)展經歷了以下幾個階段。 第一、 恢復老廠和新建中 型氨廠 20 世紀 50 年代初，在恢復和擴建老廠的同時，從原蘇聯(lián)引進以煤為原料、年產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 自行設計、制造了 ，以川化的創(chuàng)建為標志。到 60 年 代中期 中氮 已 投產了 15家。 20世紀 60年代隨著石油、天然氣資源的開采，又從英國引進一套以天然氣為原料的加壓蒸汽轉化法年產 100kt 合成氨裝置 (即瀘天化 )；從意大利引進一套以重油為原料的部分氧化法年產 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 60 年代開始在全國各地建設了一大批小型氨廠， 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 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化學肥料技術和設備的決定。 1973 年開始，首批引進 13套年產 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、xxxx 畢業(yè)設計 6 云南、貴州等地 )，為了擴大原料范圍， 1978 年又開始第二批引進 4 套年產 300kt 合成氨裝置。 中國是世界上人口最多的農業(yè)大國，為了在 2020年氮肥產量達到基本自給自足，最近十年先后陸續(xù)引進 14 套具有 20世紀 90年代先進水平的年產 300kt 合成氨成套設備， 同時從 20 世紀 70年代起，我國開始了大型合成氨成套裝置的自行設計、自行制造工作，第一套年產 30 萬噸的合成氨裝置于 80 年在上海建成投產。特別是于 90 年代初在川化建成投產的年產 20萬噸合成氨裝置達到了當時的國際先進水平。 從而掌握了世界上幾乎所有先進的工藝和先進技術如低能耗的凱洛格工藝、布朗工藝等，通過對引進技術的消化吸收和改造創(chuàng)新，不但使合成氨的技術水平跟上了世界前進的步伐，而且促進了國內中小型 氨廠的技術發(fā)展。 至今 ， 在 32 套引進裝置中，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，成都的兩套國產化裝置，合成氨總能力為 。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，對海南鶯歌海域蘊藏的天然氣已決定在新世紀初新建一套引進的年產 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]。 合成氨轉變工序 的 工藝原理 合成氨 的典型 工藝流程 介紹 合成氨的生產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)中利用二段蒸汽轉化法制取合成氣。 (2)凈化 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 =； xxxx 畢業(yè)設計 7 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?yōu)?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(xù)，又是凈化的過程，為后續(xù)脫碳過程創(chuàng)造條件。 ② 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，以重油和煤為原料的部分氧化法，根據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。 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 (Rectisol)，聚乙二醇二甲醚法 (Selexol)，碳酸丙烯酯法。一類是化學吸收法，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(guī)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。 目前在工業(yè)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。甲烷化反應如下： xxxx 畢業(yè)設計 8 CO+3H2 CH4+H2O ΔH= ； CO2+4H2 CH4+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(huán)的流程。氨合成反應式如下： N2+3H2 2NH3(g) ΔH =； 合成氨 轉 化 工序 的工藝原理 本設計中的合成氨轉變工序是指轉化工序和變換工序的合稱。 轉換工序是指天燃氣中的氣態(tài)烴類轉換成 H CO 和 CO2，并達到要求，合成氨廠的轉化工序分為兩段進行。在一段轉化爐里，大部分烴類與蒸汽于催化劑作用下轉化成 H CO和 CO2。 烷烴： CnH2n+n+nH2O→ nCO+(2n+1)H2 或 C0nH2n+n+2nH2O→ nCO2+(3n+1)H2 烯烴： CnH2n+nH2O→ nCO+2nH2 CnH2n+2nH2O→ nCO2+3nH2 接著一段轉化氣進入二段轉化爐，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)進行甲烷的轉化反應。 CH4+H2O→ CO+3H2 CH4+2H2O→ CO+4H2 二段轉化爐出口氣體溫度約 950～ 1000 ℃，殘余甲烷含量和（ H2+CO） /N2比均可達到指標。 合成氨 變換工 序的工藝原理 變換工序是指 CO 與水蒸氣反應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。 xxxx 畢業(yè)設計 9 目前，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。 變換工段主要利用 CO 變換反應式： CO+H2O→ CO2+H2 ΔH 298=在不同溫度下分兩步進行，第一步是高溫變換（簡稱高變）使大部分 CO轉化為 CO2和H2，第二步是低溫變換簡稱低變，將 CO 含量降到 %左右。因此， CO 變換既是原料氣 制造的繼續(xù)，又是凈化的過程。 設計方案的確定 原料的選擇 合成氨生產的原料有焦炭、煤、焦爐氣、天然氣、石腦油、重油等。本設計選擇天然氣作為原料，主要考慮到我國天然氣資源豐富 及清潔節(jié)能等原因，詳如下述。 首先，我國天然氣資源比較豐富，寧夏地區(qū)有得天獨厚的區(qū)位優(yōu)勢。地質資源總量約 38～ 39 萬億立方米，列世界第十位，其中陸上 30萬億立方米，海上 9萬億立方米。已探明儲量約 ，僅占資源總量的 5%左右，列世界第 16位，天然氣資源勘探潛力很大。近年來我國天然氣勘探取得了重大突破，陸上 已在川渝、陜甘寧、新疆和青海形成四大氣區(qū)；海上氣田以渤海、南海西部地區(qū)和東海西湖凹陷作為重點勘探和增加產量的地區(qū)。 寧夏天然氣資源也十分豐富，所以在選擇天然氣作為原料合成氨有著明顯的區(qū)位優(yōu)勢。 其次， 我國天然氣工業(yè)高速發(fā)展方興未艾 。 據最新的《石油與勘探開發(fā)》介紹，目前，我國天然氣工業(yè)正處于發(fā)展高峰時期，且發(fā)展速度越來越快 。 近年來，國家對環(huán)境問題越來越重視。 天然氣作為一種清潔優(yōu)質的能源，在我國改善能源結構，以及 我國在 大力推動低碳經濟發(fā)展的過程中，獲得了前所未有的大發(fā)展。無論是在傳統(tǒng)的天然氣產區(qū)，還是在新的天然氣 勘探開發(fā)區(qū)，近幾年，我國天然氣工業(yè)的發(fā)展都呈現(xiàn)出前所未有的良好態(tài)勢 。我國將大力提高天然氣在我國能源消費結構中的比重。天然氣作為化石能源中污染最少的能源，熱值相應高于煤炭與石油。在目前我國的能源消費結構里，煤炭占 67％，石油占20％，而天然氣卻只占 ％，遠低于 ％的世界平均水平。加大天然氣在能源消費結構中的比重，既有利于促進節(jié)能減排，又能夠維持經濟與社會可持續(xù)發(fā)展。 第三，以天然氣為原料合成氨工藝比重油和煤為原料的工藝成本低，而且能耗低。 根據計算，若大型氨廠分別用石腦油、渣油、天然氣和煤為原料制氨， 其價格分別按 1800元 /t、 1400 元 /t、 元 /m3和 260 元 /t計，中壓蒸汽價格按 78元 /t計，對應的合成氨成本分別為 1721 元 /t、 1557 元 /t、 1493 元 /t和 1021 元／ t?？梢?，在這 4種原料中，以xxxx 畢業(yè)設計 10 煤為原料制氨成本最低 ,然而，以煤為原料 合成氨 能耗遠大于天然氣（見表 11）。 天然氣工藝技術目前最可靠 ， 天然氣合成氨工藝成熟、生產可靠、連續(xù)。煤頭技術中，固定層氣化流程，雖然工藝成熟，但氣化消耗高，環(huán)保污染嚴重、難以達標、廠區(qū)環(huán)境惡劣；水煤漿氣化技術對煤種要求特別高，包括煤的活性，灰份含量、灰熔點 、固定碳含量 。 工藝流程的選擇 本設計主要是轉化和變換工序的工藝設計，所選流程為： 天然氣蒸汽轉化和變換工序是合成氨生產中的第一步，也是較為關鍵的一步，因為能否正常生產出合格的變換氣，是后面的所有工序正常運轉的前提條件。在本設計中，甲烷和其他烴類轉化為 CO 和 H2的轉化工序采用的是兩段爐催化轉化，經過二段轉化后，甲烷含量約為 %左右。 CO變換工序采用了高變串低變的工藝流程路線，經過低溫變換后的氣體中 CO含量為 %左右。 工藝參數的確定 以天然氣為原料合成氨生產裝置轉化變換工序設計，其主要參數是一、二段轉化工藝和 CO 高 低變串聯(lián)流程的溫度和壓力。天然氣經加氫脫硫，出口總硫量小于 后，在壓力 、溫度 380℃ 左右的條件下配入中壓蒸汽達到水碳比為