【文章內(nèi)容簡(jiǎn)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(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、xxxx 畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 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)合成氨工業(yè)的發(fā)展概況 中國(guó)合成氨生產(chǎn)是從 20世紀(jì) 30年代開始的，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)東北后在大連開辦的滿洲化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社 ，最高年產(chǎn)量不超過 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，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(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)， 1999 年總產(chǎn)量為 氨， 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(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)、制造了 ，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(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、xxxx 畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 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(guó)是世界上人口最多的農(nóng)業(yè)大國(guó)，為了在 2020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(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，合成氨總能力為 。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]。 合成氨轉(zhuǎn)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(chǎn)過程包括三個(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(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→H 2+CO2 ΔH =； xxxx 畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 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)?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(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。 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(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。 粗原料氣經(jīng) 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(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，即精制過程。 目前在工業(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) )一般應(yīng)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(yīng)如下： xxxx 畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(chǎn)品的工序，是整個(gè)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(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 H CO 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 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(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+3H2 CH4+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)。 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(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。 xxxx 畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 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，第二步是低溫變換簡(jiǎn)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(shè)計(jì)方案的確定 原料的選擇 合成氨生產(chǎn)的原料有焦炭、煤、焦?fàn)t氣、天然氣、石腦油、重油等。本設(shè)計(jì)選擇天然氣作為原料，主要考慮到我國(guó)天然氣資源豐富 及清潔節(jié)能等原因，詳如下述。 首先，我國(guó)天然氣資源比較豐富，寧夏地區(qū)有得天獨(dú)厚的區(qū)位優(yōu)勢(shì)。地質(zhì)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(chǔ)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(guó)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(diǎn)勘探和增加產(chǎn)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(shì)。 其次， 我國(guó)天然氣工業(yè)高速發(fā)展方興未艾 。 據(jù)最新的《石油與勘探開發(fā)》介紹，目前，我國(guó)天然氣工業(yè)正處于發(fā)展高峰時(shí)期，且發(fā)展速度越來越快 。 近年來，國(guó)家對(duì)環(huán)境問題越來越重視。 天然氣作為一種清潔優(yōu)質(zhì)的能源，在我國(guó)改善能源結(jié)構(gòu)，以及 我國(guó)在 大力推動(dòng)低碳經(jīng)濟(jì)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(chǎn)區(qū)，還是在新的天然氣 勘探開發(fā)區(qū)，近幾年，我國(guó)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(shì) 。我國(guó)將大力提高天然氣在我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)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(yīng)高于煤炭與石油。在目前我國(guó)的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)里，煤炭占 67％，石油占20％，而天然氣卻只占 ％，遠(yuǎn)低于 ％的世界平均水平。加大天然氣在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的比重，既有利于促進(jìn)節(jié)能減排，又能夠維持經(jīng)濟(jì)與社會(huì)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(jù)計(jì)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(jià)格分別按 1800元 /t、 1400 元 /t、 元 /m3和 260 元 /t計(jì)，中壓蒸汽價(jià)格按 78元 /t計(jì)，對(duì)應(yīng)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(shè)計(jì) 10 煤為原料制氨成本最低 ,然而，以煤為原料 合成氨 能耗遠(yuǎn)大于天然氣（見表 11）。 天然氣工藝技術(shù)目前最可靠 ， 天然氣合成氨工藝成熟、生產(chǎn)可靠、連續(xù)。煤頭技術(shù)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(yán)重、難以達(dá)標(biāo)、廠區(qū)環(huán)境惡劣；水煤漿氣化技術(shù)對(duì)煤種要求特別高，包括煤的活性，灰份含量、灰熔點(diǎn) 、固定碳含量 。 工藝流程的選擇 本設(shè)計(jì)主要是轉(zhuǎn)化和變換工序的工藝設(shè)計(jì)，所選流程為： 天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化和變換工序是合成氨生產(chǎn)中的第一步，也是較為關(guān)鍵的一步，因?yàn)槟芊裾Ｉa(chǎn)出合格的變換氣，是后面的所有工序正常運(yùn)轉(zhuǎn)的前提條件。在本設(shè)計(jì)中，甲烷和其他烴類轉(zhuǎn)化為 CO 和 H2的轉(zhuǎn)化工序采用的是兩段爐催化轉(zhuǎn)化，經(jīng)過二段轉(zhuǎn)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(jīng)過低溫變換后的氣體中 CO含量為 %左右。 工藝參數(shù)的確定 以天然氣為原料合成氨生產(chǎn)裝置轉(zhuǎn)化變換工序設(shè)計(jì)，其主要參數(shù)是一、二段轉(zhuǎn)化工藝和 CO 高 低變串聯(lián)流程的溫度和壓力。天然氣經(jīng)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(dá)到水碳比為