【正文】 以 100kmol 入爐天然氣為基準(zhǔn)計(jì)算： 設(shè) Nco、 Nco NH2分別代表轉(zhuǎn)化爐出口氣中 CO、 CO和 H2的 kmol 數(shù)， NH2O為反 應(yīng)了的蒸汽 kmol 數(shù)， V為干轉(zhuǎn)化氣的 kmol 數(shù)） 碳平衡（以 kmol 計(jì)） 總碳指數(shù)： ∑ C=+（ 2+ 3+ 4） 247。 100 = m3/h （ 4）加入的水蒸汽量： 原料天然氣的總碳： 1 +2 +3 +4 （ +） = 蒸汽用量： 18247。 24=（ t/h） 已知新鮮氣量 G=2780 m3/ 鈷鉬加氫 25 (1) 天然氣量： Nx=2780247。 根據(jù)計(jì)算，只需原料氣中含有碳 氧化物 ~%，甲烷化反應(yīng)放出的熱量就可足夠?qū)⑦M(jìn)口氣體預(yù)熱到所需要的溫度。 甲烷化脫除微量的 CO及 CO2 甲烷化法是在催化劑存在下使 CO 和 CO2加氫生成甲烷的一種方法。在再生塔頂部，溶液閃蒸出部分水蒸汽和 CO2，經(jīng)過(guò)三層洗滌板，冷凝液引出塔外，經(jīng)低變出口氣預(yù)熱后，經(jīng)過(guò)四個(gè)噴射泵和一臺(tái)四級(jí)閃蒸槽，閃蒸出的氣體又引回再生塔，在塔內(nèi)回收熱量并放出殘余的 CO2。 變換氣經(jīng)吸收塔底部 的氣體分布管進(jìn)入吸收塔，在塔內(nèi)分別用 105℃的半貧液和71℃的貧液進(jìn)行洗滌。低變氣分為兩路，一路經(jīng)低變出口鍋爐給水預(yù)熱器預(yù)熱鍋爐給水，另一路經(jīng)過(guò)串聯(lián)的兩個(gè)換熱器，兩路工藝氣經(jīng)降溫匯合后，進(jìn)入 CO2吸收塔。 流程：含 CO 的原料氣經(jīng)廢熱鍋爐降溫，進(jìn)入高變爐，因原料氣中水蒸汽含量較高，一般不需添加蒸汽。從第二廢鍋出來(lái)的氣體送往變換工序。反應(yīng)：在一段爐和二段爐中，催化劑加速兩個(gè)同時(shí)進(jìn)行的平衡反應(yīng) CH4+2H2O CO2+4H2 CH4+2H2O CO +4H2 流程：天然氣經(jīng)脫硫后，總硫含量小于 ，根據(jù)水碳比配入工藝蒸汽后進(jìn)入對(duì)流段加熱到 500~520℃，然后送到輻射段頂部 ，分配進(jìn)入各轉(zhuǎn)化管，氣體自上而下流經(jīng)催化劑。 產(chǎn)原理與本設(shè)計(jì)生產(chǎn)流程的綜述 原料氣的脫硫 原料氣中含有硫化物，主要以 H2S、硫醇、硫醚、噻吩形式存在，這些硫化物可用下述方法除去：即在過(guò)量 H2存在條件下，催化轉(zhuǎn)化成 H2S，然后，再用熱的 ZnO 催化劑床層吸附以進(jìn)一步脫除干凈。在脫碳方面，它們采用 BASF 的 MDEA 工藝。e）公司 與凱洛格相似，托普索的節(jié)能也多半是基于現(xiàn)有的氨生產(chǎn)并逐步進(jìn)行優(yōu)化，而很少引用全新的技術(shù)。 帝國(guó)化學(xué)公司（ ICI） 英國(guó) ICI 公司 AMV 工藝的基本設(shè)計(jì)理念與布朗公司有很多相似之處，其主要特點(diǎn)為： A. 采用 20%的過(guò)量空氣供給二段轉(zhuǎn)化，從而使一段轉(zhuǎn)化操作溫和，水碳比由傳統(tǒng)的 降至 ~，使噸氨耗汽由 噸下降到 噸，雖然由此增加了輸送空氣的動(dòng)力，仍是經(jīng)濟(jì)的因一段爐操作改善，轉(zhuǎn)化溫度下 降，操作壓力提高。這樣設(shè)置有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是節(jié)約燃料，可省 1/3。 F. 氨合成塔內(nèi)件改造：僅改變催化劑筐結(jié)構(gòu)，使氣流由原軸向流改為軸徑向流。又增設(shè)一低壓冷凝液鍋爐和鍋爐給水換熱器，進(jìn)一步回收低變氣的余熱。這樣，排煙溫度由原 260℃降至 130℃，提高了轉(zhuǎn)化爐的熱效率。 本設(shè)計(jì)取甲烷化入口溫度為 316℃。 目前常用的消泡劑有硅酮型、聚醚型以及高級(jí)醇類等。而在正常生產(chǎn)時(shí)，溶液中的釩主要用于維持和“修補(bǔ)”已生成的鈍化膜，溶液中總釩含量可保持在 %左右，其中五價(jià)釩的含量為總釩含量的 10%以上即可。 2) 活化劑的含量：溶液中除含有 K2CO3，還含有一定量的活化劑、緩蝕劑和消泡劑。但溶液 K2CO3 的濃度越高，高溫下對(duì)設(shè)備的腐蝕性也越大，更為主要的是溶液中 K2CO3 的結(jié)晶點(diǎn)隨溶液濃度的增加而提高。 生產(chǎn)上多用分析再生塔頂出口氣中的水氣比（ H2O/CO2）來(lái)判斷再沸器供熱是否充足，塔頂 H2O/CO2越大，說(shuō)明從溶液中蒸發(fā)出來(lái)的水分越多，即表明再沸器的熱負(fù)荷越大。 在再生過(guò)程中，提高溶液的溫度可以加快 KHCO3的分解速度，這對(duì)再生是有利的。 吸收、再生的溫度、再生塔的水汽比及溶液組成 1. 吸收溫度 提高吸收溫度可以使吸收系數(shù)加大，但卻使吸收的推動(dòng)力降低。同時(shí)合理地確定殘余 CO 含量，可以降低變換過(guò)程的水蒸汽消耗。所以工業(yè)生產(chǎn)上綜合考慮，根據(jù)材質(zhì)的限制，目前的轉(zhuǎn)化壓力大都采用 14~40atm 操作。轉(zhuǎn)化壓力提高后，可提高轉(zhuǎn)化、變換的反應(yīng)速度，減少催化劑用量。 可以提高過(guò)量蒸汽余熱的利用價(jià)值。轉(zhuǎn)化壓力從上世紀(jì) 50 年代初開(kāi)始提 高，逐漸提高到 35~40atm下操作，其原因是： 可以節(jié)省動(dòng)力消耗。 考慮到目前合金鋼管只能在 800~900℃下工作，把轉(zhuǎn)化分為兩段進(jìn)行。 轉(zhuǎn)化爐出口氣甲烷含量 烴類作為制氨原料，要求盡可能轉(zhuǎn)化完全。另一方面，提高水碳比，對(duì)析碳反應(yīng)有抑制作用。 水碳比 所謂水碳比 S/C，是指進(jìn)口氣體中水蒸汽占含烴原料中碳分子數(shù)之比。國(guó)內(nèi)新建氨廠幾乎全部采用甲烷化法脫除少量的 CO,但在相當(dāng)多的原有中小型氨廠仍在繼續(xù)使用銅洗法。現(xiàn)在，此法主要用在焦?fàn)t氣分離以及重油部分氧化、煤富氧氣化的制氨流程中。 液氮洗滌法：二十世紀(jì)二十年代以后，制氨原料擴(kuò)大到焦?fàn)t氣。這個(gè)問(wèn)題的解決，最初是引用氣體分析中以銅鹽氨溶液測(cè)定 CO 的方法。 微量 CO、 CO2的脫除 經(jīng) CO 變換和 CO2脫除后的原料氣尚含有少量殘余的 CO 與 CO2。而蒸汽轉(zhuǎn)化法流程中余熱較多，需脫除的 CO2量又較少，所以采用熱鉀堿溶液的熱法脫碳是適宜的。在這種條件下考慮脫碳方法，就可以選用低溫甲醇洗等物理吸收法較為合適。其中，環(huán)丁砜對(duì) CO2是一個(gè)良好的物理吸收劑，而烷基醇胺則很容易與 CO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。單純靠常溫減壓不能使吸收 CO2后的溶液充分再生， 通常都采用“熱法”再生，所以再生需消耗一定的熱量。吸收 CO2后的溶液再生較為簡(jiǎn)單，一般單靠減壓解析即可。根據(jù)所用吸收劑的性質(zhì)不同，可分為物理吸收法、化學(xué)吸收法及物理化學(xué)吸收法三種。此外，CO2是制造尿素、純堿、碳酸氫銨等產(chǎn)品的原料，而且還可以加工成干冰作于其它用途。以固體燃料氣化制得的合成氨原料氣， CO 含量較高，需采用多段中溫變換，且由于進(jìn)入的原料氣溫度與濕含量較低，流程中設(shè)有原料氣余熱及增濕裝置。天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化法制 12 氨過(guò)程中，由于原料氣中 CO 含量較低，高變催化劑只需布置一段。根據(jù)變換出口氣的 CO 需求量來(lái)確定變換的具體形式。六十年代以來(lái)，由于脫硫技術(shù)的發(fā)展，氣體中總硫含量可降低到 1ppm以下，有可能在更低溫度下使用活性高而抗毒性差的 CuO 催化劑，操作溫度 200~280℃，殘余 CO 可降至 %左右。 一氧化碳變換 合成氨原料氣中的 CO，一般分兩次除去，大部分先通過(guò)變換反應(yīng)： CO+H2O(g) CO2+H2 △ H2980=CO 變換的任務(wù)就是在催化劑作用下，將轉(zhuǎn)化氣中的 CO 轉(zhuǎn)化成易于清除的 CO2，同時(shí)又可制得與反應(yīng)了的 CO 等摩爾的 H2，而所消耗的只是廉價(jià)的水蒸汽。對(duì)于吸熱的蒸汽烴類轉(zhuǎn)化反應(yīng)，要在高溫下進(jìn)行，除了采取蓄熱式的間歇催化法以外，大型合成氨廠都采用外熱式的連續(xù)催化轉(zhuǎn)化法。同時(shí)，甲烷在氨合成過(guò)程為一惰性氣體，它會(huì)在合成回路中逐漸積累，有害無(wú)利。一般包括以下幾個(gè)反應(yīng)： 主反應(yīng)： CH4+2H2O CO2+4H2 (1) CH4+2H2O CO +4H2 (2) CH4+CO2 2CO+2H2 (3) CH4+2CO2 3CO + H2+H2O (4) CH4+3CO2 4CO+2H2O (5) CO+H2O CO2+ H2 (6) 副反應(yīng) ： CH4 C+2H2 (7) 2CO C+CO2 (8) CO+H2 C+H2O (9) 這里共有 CH H2O、 H CO 及 C 六種物質(zhì)由 C、 H、 O 三種元素構(gòu)成 ， 故獨(dú)立反應(yīng)數(shù)為 63=3， 因此用 (1)、 (6)、 (7)三個(gè)方程式就可表示這一系列反應(yīng)。它不需要昂貴的合金反應(yīng)管而能連續(xù)操作，過(guò)程簡(jiǎn)單，原料范圍極廣，任何氣態(tài)烴、液態(tài)烴甚至煙煤都可，但部分氧化法需要有空氣分離以供給純氧或富氧空氣。因此，生產(chǎn)煤氣的操作是間歇的。其出口氣在二段爐內(nèi)加入空氣繼續(xù)反應(yīng)。 造氣 合成氨所用原料不同，但他們都可以在高溫下與水蒸汽作用生成以 H2 和 CO 為主體的合成氣。 吸附法與氧化法脫除有機(jī)硫時(shí)都不希望有氧存在，因?yàn)檠跄軐⑸倭?H2S 氧化成硫磺，覆蓋在活性炭表面，影響脫硫能力、 鈷鉬加氫轉(zhuǎn)化是脫除含氫原料中有機(jī)硫十分有效的預(yù)處理措施。因反應(yīng)機(jī)理不同分為吸附法、氧化法、催化法三種。 脫硫方法很多。因所處地區(qū)不同，硫化物的含量在原料中所占比例不同。因此，七十年代以后合成氨 的主要原料是天然氣和石腦油。但是，大型氨廠也具有它的弱點(diǎn)：作為一個(gè)單系列裝置而言，只要生產(chǎn)過(guò)程中任何一個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)生故障，都會(huì)影響整系列裝置，甚至?xí)斐扇盗械耐＼?；由于作為?dòng)力的蒸汽主要依靠回收工藝余熱，如果在裝置低負(fù)荷狀態(tài)下，勢(shì)必導(dǎo)致蒸汽的不平衡而無(wú)法生產(chǎn)；由于未能預(yù)見(jiàn)的原因而臨時(shí)停車，對(duì)大型化的合成氨廠造成的經(jīng)濟(jì)損失也是巨大的。因?yàn)榇笮秃铣砂毖b置中每種機(jī)器和設(shè)備基本上都是單臺(tái)，造成設(shè)備尺寸的大型化。以天然氣為原料的合成氨裝置，每噸氨僅電耗就需 1000 度，以煤、重油為原料的電耗更大。但大型合成氨裝置超過(guò)一定規(guī)模以后，優(yōu)越性就不十分明顯了。 目前，我國(guó)化肥行業(yè)繼續(xù)推廣一系列行之有效的節(jié)能方法，大氮肥長(zhǎng)周期穩(wěn)定生產(chǎn)已在大部分企業(yè)得到全面推廣，使生產(chǎn)合成氨的煤、油、焦、氣和電的消 耗降低。 以天然氣為原料合成氨廠的凈化工序大多采用 Benfiled 熱鉀堿脫碳，采用蒸汽噴射器節(jié)省部分能量。這些改進(jìn)使 LCA 工藝可在簡(jiǎn)單和溫和的條件下操作。 英國(guó) ICI 公司的 LCA 合成氨工藝于 1988 年在英國(guó)建成兩套日產(chǎn) 450 噸的合成氨裝置，經(jīng)一年試運(yùn)轉(zhuǎn)，證明是成功的。目前的合成氨技術(shù)與過(guò)去相比較，從各種原料生產(chǎn)合成氨的總流程并沒(méi)有新的變化。 目前合成氨生產(chǎn)技術(shù)已發(fā)展到相當(dāng)高的水平，生產(chǎn)操作高度自動(dòng)化，生產(chǎn)工藝日趨成熟，裝置的不斷 大型化，能源利用越加合理。為了能 在國(guó)民經(jīng)濟(jì)穩(wěn)步發(fā)展的基礎(chǔ)上逐步改善人民的生活水平，就必須大力發(fā)展合成氨工業(yè)。同時(shí)，尿素和甲醇的合成、石油加氫、高壓聚合等工業(yè)，也是在合成氨工業(yè)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。將氨氧化可以制硝酸，而硝酸又是生產(chǎn)炸藥、燃料等產(chǎn)品的重要原料。以氨為原料可制造各種氮素肥料。 工業(yè)上氨主要是和酸 進(jìn)行中和反應(yīng)，生成鹽類。 氨是活潑的化合物，可與多種物質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)，氧化反應(yīng)是其中的一種。雖然 NH3空氣的混合氣不易燃燒，但很容易引起爆炸。 氨的密度 ，比重 ，沸點(diǎn) ℃，固體氨溶點(diǎn) ℃，臨界溫度℃，臨界壓力 ，液氨比重 （ 20℃），液氨揮發(fā)性很強(qiáng)，汽化熱較大。合成氨是固定氮的主要方法。 本設(shè)計(jì)選用 Kellogg 節(jié)能型流程，具有能耗低、流程簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)分兩部分。 第一部分是綜述，分九章討論了氨的性質(zhì)、用途及其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位，合成氨工業(yè)的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)，現(xiàn)代大型氨長(zhǎng)的生產(chǎn)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)方案的論證，生產(chǎn)方法的綜述與選擇，本設(shè)計(jì)主要工藝參數(shù)的論證與確定，生產(chǎn)工藝流程的評(píng)述與選擇，合成氨生產(chǎn)原理與本設(shè)計(jì)生產(chǎn)流程的敘述及本設(shè)計(jì)主要設(shè)備一覽表。 2 目 錄 第一章 .綜述 .................................................................................................................. 4 氨的性質(zhì)、 用途及其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位 ................................................. 6 合成氨工業(yè)的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì) .................................................................. 6 現(xiàn)代大型氨廠的生產(chǎn)特點(diǎn) .............................................................................. 7 設(shè)計(jì)方案的論證 .............................................................................................. 8 原料的選擇 .....................................................................................