【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 國(guó)氮肥原料以煤為主，天然氣僅占 20%，我國(guó)氮肥行業(yè)急需解決采用成熟的粉煤氣化技術(shù)，以本地粉煤代替無(wú)煙塊煤。建議針對(duì)不同企業(yè)采用不同的技術(shù)路線。內(nèi)技術(shù)進(jìn)行改造。同時(shí)，對(duì)于有廉價(jià)天然氣資源的地區(qū)，鼓勵(lì)采用天然氣改造現(xiàn)有裝置或建設(shè)天然氣化肥基地。二是企業(yè)結(jié)構(gòu)不合理，產(chǎn)業(yè)集中度低，技術(shù)水平不高。在氮肥行業(yè)，要推廣新型煤氣化技術(shù)，包括粉煤氣化、水煤漿氣化技術(shù)等；新型凈化技術(shù)，如低溫變換、低溫甲醇洗 MDEA 等凈化技術(shù)；新型氨合成塔及大型低壓合成的成套技術(shù)和裝備。 襄樊學(xué)院 2021屆學(xué)士學(xué)位設(shè)計(jì) （ 論文 ） 報(bào)告紙 10 合成氨工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì) 合成氨工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)： ① 原料路線的變化方向。煤的儲(chǔ)量約為石油、天然氣總和的 10 倍，自從 70 年代中東石油漲價(jià)后 ,從煤制氨路線重新受到重視 ,但因以天然氣為原料的合成氨裝置投資低、能耗低、成本低的緣故 ,預(yù)計(jì)到 20 世紀(jì)末 ,世界大多數(shù)合成氨廠仍將以氣體燃料為主要原料。 ② 節(jié)能和降耗。合成氨成本中能源費(fèi)用占較大比重，合成氨生產(chǎn)的技術(shù)改進(jìn)重點(diǎn)放在采用低能耗工藝、充分回收及合理利用能量上，主要方向是研制性能更好的催化劑、開發(fā) 新的原料氣凈化方法、降低燃料消耗、回收和合理利用低位熱能等。 ③ 與其他產(chǎn)品聯(lián)合生產(chǎn)。合成氨生產(chǎn)中副產(chǎn)大量的二氧化碳，不僅可用于冷凍、飲料、滅火，也是生產(chǎn)尿素、純堿、碳酸氫銨的原料。如果在合成氨原料氣脫除二氧化碳過程中能聯(lián)合生產(chǎn)這些產(chǎn)品，則可以簡(jiǎn)化流程、減少能耗、降低成本。 到 2021 年，力爭(zhēng)組建 50 家大型企業(yè)集團(tuán)，大型氮肥廠合成氨平均規(guī)模達(dá) 40萬(wàn)噸 /年以上，中型氮肥廠平均規(guī)模達(dá) 20 萬(wàn)噸 /年以上。其產(chǎn)品集中度達(dá)到 50%，并形成 35 家在國(guó)際上有一定影響的大型企業(yè)集團(tuán)。同時(shí)，調(diào)整企業(yè)結(jié)構(gòu)，減少基礎(chǔ)肥料生產(chǎn)廠數(shù)量， 提高單套裝置的規(guī)模，使合成氨工業(yè)朝現(xiàn)代化又邁進(jìn)一步。 設(shè)計(jì)任務(wù)的項(xiàng)目來(lái)源 本課題是指導(dǎo)老師為提高畢業(yè)生設(shè)計(jì)能力而選定的。 襄樊學(xué)院 2021屆學(xué)士學(xué)位設(shè)計(jì) （ 論文 ） 報(bào)告紙 11 第二章 流程方案的確定 生產(chǎn)原理 氨是由氣態(tài)氮和氫在適宜溫度壓力 ,并有觸媒的作用下發(fā)生反應(yīng)的 ,其反應(yīng)式為： 3/2H2+1/2N2 NH3+ kJ 此式為一不可逆，放熱，體積縮小的反應(yīng)，其反應(yīng)過程為： N2（擴(kuò)散） 2N（吸附） 2NH（吸附） 2NH2（吸附）2NH3（附） 2NH3（擴(kuò)散到氣相） 氨合成的反應(yīng)特點(diǎn)： ⑴ 反應(yīng)過程要在高壓下進(jìn)行，壓力越高，越有利于氨的合成。 ⑵ 溫度低時(shí)，反應(yīng)有利于向氨合成的方向進(jìn)行，但反應(yīng)速度較慢，提高溫度不利于反應(yīng)平衡，但可以加快反應(yīng)速度，在實(shí)際操作中，溫度的選擇取決于觸媒的活性。 ⑶ 必須借助觸媒，以加快反應(yīng)速度。 ⑷ 混合氣中氫、氮含量越高越有利于反應(yīng)，因此，氣體中惰性氣體含量越少越好。 各生產(chǎn)方法及特點(diǎn) 合成氨的生產(chǎn)主要包括三個(gè)步驟 ： 第一步是造氣，即制備含有氫、氮的原料氣；第二步是凈化，不論選擇什么原料，用什 么方法造氣，都必須對(duì)原料氣進(jìn)行凈化處理，以除去氫、氮以外的雜質(zhì)；第三步是壓縮和合成，將純凈的氫、氮混合壓縮到高壓，在鐵催化劑與高溫條件下合成為氨。 目前氨合成的方法，由于采用的壓力、溫度和催化劑種類的不同，一般可分為低壓法、中壓法和高壓法三種。 ⑴ 低壓法 操作壓力低于 20 MPa 的稱低壓。采用活性強(qiáng)的亞鐵氰化 物作催化劑，但它對(duì)毒物很敏感，所以對(duì)氣體中的雜質(zhì)（ CO、 CO2）要求十分嚴(yán)格。也可用磁鐵礦作催襄樊學(xué)院 2021屆學(xué)士學(xué)位設(shè)計(jì) （ 論文 ） 報(bào)告紙 12 化劑，操作溫度 450～ 550 ℃ 。該法的優(yōu)點(diǎn)是由于操作壓力和溫度較低，對(duì)設(shè)備、管道的材質(zhì)要求低生產(chǎn)容易 管理，但低壓法合成率不高，合成塔出口氣體中含氮約8％ ～ 10％，所以催化劑的生產(chǎn)能力比較低；同時(shí)由于壓力低必須將循環(huán)氣準(zhǔn)至20℃ 的低溫才能使氣體中的氨液化，分離比較完全，所以需要設(shè)置龐大的冷凍設(shè)備，使得流程復(fù)雜，且生產(chǎn)成本較高。 ⑵ 高壓法 操作壓力為 60 MPa 以上的稱為高壓法，其操作溫度大致為 550～ 650 ℃ 。高壓法的優(yōu)點(diǎn)是，氨合成的效率高，合成氨出口氣體中含氨達(dá) 25％～ 30％，催化劑的生產(chǎn)能力較大。由于壓力高，一般用水冷的方法氣體中的氨就能得到完全的分離，而不需要氨冷。從而簡(jiǎn)化了流程；設(shè)備和流程 比較低緊湊，設(shè)備規(guī)格小，投資少，但由于在高壓高溫下操作，對(duì)設(shè)備和管道的材質(zhì)要求比較高。合成塔需用高鎳優(yōu)質(zhì)合金鋼制造，即使這樣，也會(huì)產(chǎn)生破裂。高壓法管理比較復(fù)雜，特別是由于合成率高，催化劑層內(nèi)的反應(yīng)熱不易排除而使催化劑長(zhǎng)期處于高溫下操作，容易失去活性。 ⑶ 中壓法 操作壓力為 20～ 35 MPa 的稱為中壓法，操作溫度為 450～ 550 ℃ 。中壓法的優(yōu)缺點(diǎn)介于高壓法與低壓法中間，但從經(jīng)濟(jì)效果來(lái)看，設(shè)備投資費(fèi)用和生產(chǎn)費(fèi)用都比較低。 氨合成的上述三種方法，各有優(yōu)缺點(diǎn)，不能簡(jiǎn)單的比較其優(yōu)劣。世界上合成氨總的發(fā)展趨勢(shì)多 采用中壓法，其壓力范圍多數(shù)為 30～ 35 MPa。本設(shè)計(jì)采用中壓法，操作壓力為 32 MPa。 工藝流程的選擇 合成氨的生產(chǎn)工藝條件必須滿足產(chǎn)量高，消耗低，工藝流程及設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便及安全可靠等要求。決定生產(chǎn)條件最主要的因素有操作壓力、反應(yīng)溫度、空間速度和氣體組成等。 ⑴ 最適宜的操作壓力 氨合成反應(yīng)是氣體體積縮小的反應(yīng)，提高壓力有利于反應(yīng)平衡向右移動(dòng)。壓力增加平衡常數(shù)增大，因而平衡氨含量也增大。所以，提高壓力對(duì)氨合成反應(yīng)的平衡和反應(yīng)速度都有利，在一定空速下，合成壓力越高，出口氨濃度越高， 氨凈值越襄樊學(xué)院 2021屆學(xué)士學(xué)位設(shè)計(jì) （ 論文 ） 報(bào)告紙 13 高，合成塔的生產(chǎn)能力也越大。氨合成壓力的高低，是影響氨合成生產(chǎn)中能量消耗的主要因素之一。主要能量消耗包括原料氣壓縮功、循環(huán)氣壓縮功和氨分離的冷凍功。提高操作壓力，原料氣壓縮功增加，合成氨凈值增高，單位氨所需要的循環(huán)氣量減少，因而循環(huán)氣壓縮功減少，同時(shí)壓力高也有利于氨的分離，在較高氣溫下，氣氨即可冷凝為液氨，冷凍功減少。但是壓力高、時(shí)，對(duì)設(shè)備的材料和制造的要求均高。同時(shí)，高壓下反應(yīng)溫度一般較高，催化劑使用壽命也比較短，操作管理比較困難。所以。要根據(jù)能量消耗、原料費(fèi)用、設(shè)備投資等綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果來(lái)選擇操作壓力。目前我國(guó)中小型合成氨廠合成操作壓力大多采用 20~32 MPa。 ⑵ 最適宜的反應(yīng)溫度 合成氨反應(yīng)是一個(gè)可逆放熱反應(yīng)，當(dāng)溫度升高時(shí)，平衡常數(shù)下降，平衡氨含量必定減少。因此從化學(xué)平衡角度考慮，應(yīng)盡可能采用較低的反應(yīng)溫度。實(shí)際生產(chǎn)中還要考慮反應(yīng)速率的要求。為了提高反應(yīng)速率，必須使用催化劑才能實(shí)現(xiàn)氨合成反應(yīng)。而催化劑必須在一定的溫度范圍內(nèi)才具有活性，所以氨合成反應(yīng)溫度必須維持在催化劑的活性范圍內(nèi)。合成氨生產(chǎn)所用的催化劑活性溫度在 400~500 ℃ 。反應(yīng)溫度不能低于活性溫度，在活性溫度范圍內(nèi)選用較低溫度 ，也有利于延長(zhǎng)催化劑的使用壽命。在合成氨生產(chǎn)過程中，對(duì)應(yīng)于任意一個(gè)瞬時(shí)轉(zhuǎn)化率都存在一個(gè)最大的反應(yīng)速率的溫度，即最佳溫度。就整個(gè)反應(yīng)過程來(lái)說(shuō)，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，轉(zhuǎn)化率不斷增加，最佳溫度隨轉(zhuǎn)化率增加而降低。在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)盡可能沿著最佳溫度曲線進(jìn)行。 反應(yīng)溫度的控制還與催化劑的使用時(shí)間有關(guān)。新的催化劑因活性比較高，可采用較低的溫度。在中期活性降低，操作溫度應(yīng)比初期適當(dāng)提高 8~10 ℃ 。催化劑使用到末期，活性因衰老而減弱，應(yīng)再適當(dāng)提高溫度。 ⑶ 空間速度 空間速度反映氣體與催化劑接觸時(shí)間的長(zhǎng)短?？臻g速度增加，氣 體與催化劑接觸時(shí)間減少，反應(yīng)物來(lái)不及反應(yīng)就離開了反應(yīng)區(qū)域，因此將是合成塔出口氣體中氨含量降低，即氨凈值降低。但由于氨凈值降低的程度比空間速度的增大倍數(shù)要少，所以當(dāng)空間速度增加時(shí)，合成氨的產(chǎn)量也有所增加。 在其他條件一定時(shí)，增加空間速度能提高合成氨的生產(chǎn)強(qiáng)度。但空間速度增大，將使系統(tǒng)阻力增加，壓縮循環(huán)氣功耗增加，分離氨所需的冷凍量也增大，因此冷凍襄樊學(xué)院 2021屆學(xué)士學(xué)位設(shè)計(jì) （ 論文 ） 報(bào)告紙 14 功耗增加。同時(shí)，單位循環(huán)氣量的產(chǎn)氨量減少。但在一定限度內(nèi)，其他條件不變，增加空間速度，合成氨產(chǎn)量增加，單位時(shí)間所得的總反應(yīng)熱增多，通過水冷器和氨冷器的氣體流量增大，需 要移走的熱量增多，導(dǎo)致冷凝器的冷卻面積要相應(yīng)增大，否則就不能將高流速氣體中的氨冷凝下來(lái)。此外，空間速度增大，使出塔氣體中氨的百分含量降低，為了使氨從混合氣中冷凝分離出來(lái)，必須降低出塔氣體溫度，這樣就要消耗更多的冷凍量，導(dǎo)致冷凍功耗增加。 綜合以上各方面的考慮，空間速度的增加是有限度的。目前，國(guó)內(nèi)一些小型合成氨廠合成壓力在 30 MPa 左右的，空間速度選擇在 2021~3000 每小時(shí)之間。 工業(yè)上采用的氨合成工藝流程雖然很多，而且流程中設(shè)備結(jié)構(gòu)操作條件也各有差異，但實(shí)現(xiàn)氨合成過程的基本步驟是相同的，都必 須包括以下幾個(gè)步驟：氮、氫原料氣的壓縮并補(bǔ)充到循環(huán)系統(tǒng)；循環(huán)氣的預(yù)熱與氨的合成；氨的分離；熱能的回收利用；對(duì)未反應(yīng)氣體補(bǔ)充壓力，循環(huán)使用；排放部分循環(huán)氣以維持循環(huán)氣中惰性氣體的平衡等。 流程設(shè)計(jì)在于合理地配置上述幾個(gè)步驟，以便得到較好的技術(shù)效果，同時(shí)在生產(chǎn)上穩(wěn)定可靠。 從氫氮混合氣體中分離氨的方法大致有兩種：水吸收法、冷凝法。 本設(shè)計(jì)采用冷凝法。一般含氨混合氣體的冷凝分離是經(jīng)水冷卻器和氨冷囂二步實(shí)現(xiàn)的。液氨在氨分離器中與循環(huán)氣體分開，減壓送入貯槽。貯槽壓力一般為 ～ MPa，此時(shí)， 冷凝過程中溶解在液氨中的氫、氮及惰性氣體大部分可減壓釋放出來(lái)。 合成塔進(jìn)口氣的組成 合成塔進(jìn)口氣體組成包括氫氮比、惰性氣體含量和塔進(jìn)口氨含量。 ⑴ 氫氮比 當(dāng)氫氮比為 3:1 時(shí)，對(duì)于氨合成反應(yīng)可以獲得最大的平衡氨濃度，但從動(dòng)力學(xué)角度分析，最適宜氫氮比隨著氨含量的變化而變化。從氨的合成反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理可知，氮的活性吸附是合成氨反應(yīng)過程速度的控制步驟，因此適當(dāng)提高氮?dú)鉂舛?，?duì)氨合成反應(yīng)速度有利。在實(shí)際生產(chǎn)中，進(jìn)塔氣體的氫氮比控制在 ~ 比較適宜。 ⑵ 惰性氣體 襄樊學(xué)院 2021屆學(xué)士學(xué)位設(shè)計(jì) （ 論文 ） 報(bào)告紙 15 在混合氣體中含有甲烷和氬氣等，統(tǒng) 稱為惰性氣體。惰性氣體不參與反應(yīng)，也不毒害催化劑，但由于他們的存在會(huì)降低氫氮比的分壓。無(wú)論從化學(xué)平衡還是動(dòng)力學(xué)角度分析，他們都是有弊無(wú)利的，導(dǎo)致氨的生產(chǎn)率下降。 惰性氣體來(lái)源于新鮮氣，隨著合成反應(yīng)的進(jìn)行，它們不參與反應(yīng)而在系統(tǒng)中積累，這樣合成系統(tǒng)中惰性氣體越來(lái)越多，為了提高氨的合成率，必須不斷在循環(huán)氣中將它們排放出去。排放量多，可以使合成系統(tǒng)惰性氣體含量降低，氨的合成率提高。但是氫氮?dú)夂筒糠职币搽S之排放，造成一定損失，故循環(huán)氣體中惰性氣體的控制含量不能過高也不能過低。 循環(huán)氣體中惰性氣體的控制還與操 作壓力和催化劑活性有關(guān)。操作壓力比較高，及催化劑活性比較好時(shí)，惰性氣體的含量可以高一些。相反，則要控制低一些。由于原料氣的制備與凈化方法不同，新鮮氣體中惰性氣體的含量也不同。在生產(chǎn)中，一般要保持新鮮氣中含惰性氣體的體積分?jǐn)?shù)在 %~%之間，并控制循環(huán)氣中惰性氣體的體積分?jǐn)?shù)在 10%~15%之間。 ⑶ 塔進(jìn)口氨含量 進(jìn)塔氣體中氨的含量，主要決定于氨分離時(shí)的冷凝溫度和分離效率。冷凝溫度越低，分離效果越好，則進(jìn)塔氣體中氨含量也就越低。降低進(jìn)口氨含量，可加快反應(yīng)速度，提高氨凈值和生產(chǎn)能力。但將進(jìn)口氨含量降 的過低，會(huì)導(dǎo)致冷凍功耗增加過多，經(jīng)濟(jì)上并不可取。 進(jìn)口氨含量還與合成操作壓力和冷凝溫度有關(guān)。壓力高，氨合成反應(yīng)速度快，進(jìn)口氨含量可適當(dāng)控制高一些；壓力低，為保持一定的反應(yīng)速度，進(jìn)口氨含量可適當(dāng)控制低一些。 綜合考慮的結(jié)果，一般中小型合成氨廠當(dāng)操作壓力在 30 MPa 左右時(shí)，塔進(jìn)口氨含量約控制在 %~%之間。對(duì)于壓力在 15 MPa 的合成氨廠，一般應(yīng)控制在%左右。 襄樊學(xué)院 2021屆學(xué)士學(xué)位設(shè)計(jì) （ 論文 ） 報(bào)告紙 16 第三章 工藝流程簡(jiǎn)述 合成工段工藝流程簡(jiǎn)述 由高壓機(jī)送來(lái)的新鮮氣與冷凝塔一次出口循環(huán)氣混合送入氨冷器，在氨冷器內(nèi)，氣體 過管內(nèi)，液氨過管外，由于液氨的蒸氣吸取熱量，氣體被進(jìn)一步冷卻，并使氣體中部分氣氨冷凝管外蒸氣的氣氨經(jīng)沫除器分離掉液氨后，去氨氣柜或硝銨車間。 氨的高壓混合氣，自氨冷器出來(lái)，進(jìn)入冷凝塔下部的氨 分離器，分離液氨 ,除氨后的混合氣，再經(jīng)過冷凝塔上部的熱交換器與循環(huán)機(jī)氣體換熱，二次出冷凝塔。 自冷凝塔二次出口的循環(huán)氣其中一部分進(jìn)入合成塔上部一次入口，氣體沿著內(nèi)件與外箱間環(huán)隙向下冷卻塔壁后，進(jìn)入下部換熱器管外，另一部分循環(huán)氣直接進(jìn)入塔外氣 氣換熱器冷氣入口，