【正文】 負(fù)荷計(jì)算 89 1115C 熱負(fù)荷計(jì)算 90 136C 熱負(fù)荷計(jì)算 92 第三章加壓兩段填料吸收塔設(shè)計(jì) 94 31 設(shè)計(jì)項(xiàng)目 94 32 設(shè)計(jì)條件 94 33 設(shè)計(jì)計(jì)算 96 計(jì) 96 流體接觸方式及噴淋 96 擇 96 徑計(jì)算 97 料高度計(jì)算 102 徑計(jì)算及下塔填料計(jì)算 105 算 110 第 1 章 綜 述 氮 N 是植物生長(zhǎng)所必需的重要元素之一空氣的主要成分是氧和氮其中氮占78 體積但是大多數(shù)植物不能直接 吸收這種游離態(tài)的氮只有當(dāng)?shù)c其他元素化合以后才能為植物所利用這種使空氣中游離態(tài)氮轉(zhuǎn)變成化合態(tài)氮的過(guò)程稱(chēng)為氮的固定合成氨是固定氮的主要方法 化肥是農(nóng)作物增產(chǎn)的重要手段對(duì)發(fā)展中國(guó)家尤其如此而合成氨工業(yè)是化肥生產(chǎn)的主要組成部分對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)的增產(chǎn)起著舉足輕重的作用 11 氨的性質(zhì)用途及其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位 氨為無(wú)色有強(qiáng)烈刺激性氣味的氣體 氨的密度 0771kgm3 比重 05971 沸點(diǎn) 3335℃固體氨溶點(diǎn) 777℃臨界溫度1329℃臨界壓力 1123atm 液氨比重 066720℃液氨揮發(fā)性很強(qiáng)汽化熱較大 氨有毒而且易爆它不象 一般的毒氣具有累積的毒害作用但對(duì)人體組織有很大的灼傷性正?？諝庵腥艉?5000ppm 的氨含量既能使人在短時(shí)間內(nèi)窒息只要有 2021ppm 的氨含量就有可能在幾秒內(nèi)灼燒皮膚使它起泡并可能造成嚴(yán)重的肺水腫濃度超過(guò) 700ppm 將會(huì)損傷眼睛如不及時(shí)治療便會(huì)失去視力 氨在空氣中的可燃極限是 1625 體積在 O2 中是 1579 雖然 NH3空氣的混合氣不易燃燒但很容易引起爆炸氨的自燃點(diǎn)是 630℃燃燒時(shí)生成藍(lán)色火焰 氣相或液相的干氨對(duì)大部分物質(zhì)沒(méi)有腐蝕性但如摻入水分后便對(duì) CuAgZn 等金屬有腐蝕作用氨和水銀可構(gòu)成爆炸混合物 液氨的重 量相當(dāng)于水的 60它易溶于水可制成商品氨水其含量在 1530范圍內(nèi)氨也可溶于鹽類(lèi)水溶液和各種有機(jī)溶液但都低于在水里的溶解度 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)是其中的一種氨在高溫下燃燒生成一氧化氮和水一氧化氮再氧化并溶解于水制成硝酸使用氨作為肥料時(shí)植物對(duì)氨態(tài)氮和硝酸態(tài)氮都能吸收 還原劑通常不與 NH3 作用 工業(yè)上氨主要是和酸進(jìn)行中和反應(yīng)生成鹽類(lèi)譬如氨與硝酸作用生成硝酸銨與 CO2 作用生成氨基甲酸銨然后脫水成尿素 氨是一種重要的含氮化合物工業(yè)上采用 N2和 H2直接合成的方法生產(chǎn)氨用合成的方法生產(chǎn)的氨稱(chēng)為合成氨 氨是基本化工產(chǎn)品之一用途很廣無(wú)論是直接用或作為中間體主要均在化肥領(lǐng)域以氨為原料可制造各種氮素肥料此外液氨本身就是一種高效氮素肥料可以直接施用可見(jiàn)合成氨工業(yè)是氮肥工業(yè)的基礎(chǔ)對(duì)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)起著很大的作用 另外氨也是重要的化工原料廣泛應(yīng)用于制藥煉油純堿合成纖維合成樹(shù)脂含氮無(wú)機(jī)鹽等工業(yè)部門(mén)將氨氧化可以制硝酸而硝酸又是生產(chǎn)炸藥燃料等產(chǎn)品的重要原料生產(chǎn)火箭的推進(jìn)劑和氧化劑同樣也離不開(kāi)氨此外氨還是常用的冷凍劑 合成氨工業(yè)大的迅速發(fā)展也促進(jìn)了高壓催化特殊金屬材料固體燃料氣化低溫等科學(xué)技術(shù)的發(fā)展同時(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)的氨和氨加工工業(yè)已成為現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的一個(gè)重要的組成部分 合成氨工業(yè)是化肥生產(chǎn)的重要組成部分對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)的增產(chǎn)起著舉足輕重的作用我國(guó)人口密度大可耕面積少人均耕地面積少糧食需求量大為了能在國(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) 12 合成氨工業(yè)的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì) 自從 1754 年普里斯特利 priestly 加熱氯化銨和石灰時(shí)發(fā)現(xiàn)氨以后直到 20世紀(jì)初才由哈伯 haber 等人研究成功了合成氨法于 1913 年在德國(guó)奧堡建成世界上第一個(gè)合成氨工廠(chǎng)第一次世界大 戰(zhàn)后德國(guó)因戰(zhàn)敗而被迫把合成氨技術(shù)公開(kāi)有些國(guó)家還在這個(gè)基礎(chǔ)上做了一些改進(jìn)從此合成氨工業(yè)得到了迅速的發(fā)展 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 解放前全國(guó)合成氨工業(yè)與其它工業(yè)一樣是十分落后的那時(shí)只有兩個(gè)規(guī)模不大的合成氨工廠(chǎng)不僅生產(chǎn)能力低而且技術(shù)水平也很落后解放后我國(guó)合成氨工業(yè)發(fā)展十分迅速尤其是八十年代后期通過(guò)技術(shù)引進(jìn)與消化吸收我國(guó)合成氨發(fā)展向大工業(yè)化自動(dòng)化控制方向發(fā)展目前的合成氨技術(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)有新的變化歸納一下 流程分為三類(lèi)一是烴類(lèi)蒸汽轉(zhuǎn)化制氣低變串甲烷化凈化流程一是重油部分氧化富氧氣化制氣冷法凈化流程一是煤氣化耐硫變換與低溫甲醇洗低溫液氮洗凈化流程 由于國(guó)外企業(yè)間的競(jìng)爭(zhēng)更為激烈為了爭(zhēng)取更大的利潤(rùn)于是開(kāi)始引用煉油裝置在機(jī)械設(shè)備儀表和熱能綜合利用等方面成熟的經(jīng)驗(yàn)在合成氨工業(yè)進(jìn)行一場(chǎng)重大改革主要內(nèi)容為生產(chǎn)規(guī)模大型化能量綜合利用高度自動(dòng)化控制 目前合成氨新工藝層出不窮有 ICIKellogg 伍德 Brown 及 KBR 流程 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 LCA 工藝的主要特點(diǎn)是簡(jiǎn)化了工藝流程改進(jìn)了催化劑的化學(xué)反應(yīng)工程它利用二段轉(zhuǎn)化后的反應(yīng)熱作為一段爐的熱源轉(zhuǎn)化管僅受很小的壓力差省去龐大和昂貴的一段轉(zhuǎn)化爐節(jié)省燃料天然氣采用新型的轉(zhuǎn)化和變換催化劑降低原料氣中的水碳比進(jìn)而節(jié)省了工藝蒸汽采用變壓吸附凈化工藝省去復(fù)雜的溶劑脫 CO2裝置采用壓力為 80bar的低壓氨合成系統(tǒng)節(jié)省壓縮機(jī)功耗減少壓縮機(jī)段數(shù)使離心壓縮機(jī)可在中型氨廠(chǎng)采用該工藝取消了復(fù)雜的高壓蒸汽系統(tǒng)改用壓力為 60bar 的中壓蒸汽降低鍋爐給水的要求這些改進(jìn)使 LCA工藝可在簡(jiǎn)單和溫和的條件下操作 Brown 公司的布朗 工藝降低一段爐負(fù)荷一段爐出口溫度由 Kellogg 的 950℃降低到 696℃一段爐出口甲烷含量為 30 熱量的減少使一段爐負(fù)荷降低操作更穩(wěn)定為滿(mǎn)足合成氨生產(chǎn)熱量需求加重二段爐負(fù)荷空氣加入過(guò)量 50 后端采用冷箱脫除過(guò)量的氮?dú)馐鼓芰坷酶侠? 瑞士卡薩利公司對(duì)氨合成塔進(jìn)行改造其特點(diǎn)是合成塔內(nèi)件中采用軸徑向結(jié)合的氣體流向和專(zhuān)門(mén)的氣體分布器這樣既降低合成塔的阻力降又能防止氣體短路或分布不均可在塔內(nèi)采用 153mm 的顆粒催化劑可提高氨凈值增加生產(chǎn)能力 以天然氣為原料合成氨廠(chǎng)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 一段爐的改造體現(xiàn)在轉(zhuǎn)化管的使用上原有的 HK40厚壁管改用高強(qiáng)度的 HNb薄壁管這使轉(zhuǎn)化管在相同外徑時(shí)催化劑容積增加在 100110 負(fù)荷下轉(zhuǎn)化管壁溫下降 4550℃轉(zhuǎn)化管的阻力降降低 合成氨工業(yè)是能耗大投資十分客觀的工業(yè)隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展世界化肥需求量與日俱增世界能源日漸減少這就使不論是在世界范圍內(nèi)還是我國(guó)合成氨工業(yè)的發(fā)展都是增產(chǎn)節(jié)能降耗 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 13 現(xiàn)代大型氨廠(chǎng)的生產(chǎn)特點(diǎn) 現(xiàn)代大型氨廠(chǎng)的生產(chǎn)特點(diǎn)主要有 生產(chǎn)規(guī)模的大型化這里所說(shuō)的大型化是指規(guī)模為日產(chǎn) 1000 噸合成氨的單系列規(guī)模大型氨廠(chǎng)具有投資省成本低占地少勞動(dòng)效率高的特點(diǎn)現(xiàn)在世界新建氨廠(chǎng)大都采用單系列大型裝置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一般以日產(chǎn) 10001500 噸氨為主 熱能的綜合利用合成氨工業(yè)是一個(gè)消耗原料燃料和動(dòng)力很大的部門(mén)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在另一方面合成氨生產(chǎn)過(guò)程中都有很多余熱未能充分利用隨著合成氨裝置大型化以后流程設(shè)計(jì)上十分注意利用余熱 產(chǎn)生高壓蒸汽用于驅(qū)動(dòng)高壓蒸汽透平并抽氣到中壓管網(wǎng)作為工藝蒸汽中壓用戶(hù)蒸汽以及小透平的驅(qū)動(dòng)蒸汽約有 85 可由余熱供給再配以輔助鍋爐蒸汽可以自給這樣就大大減少了電耗 高度的自動(dòng)化水平因?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)備尺寸的大型化另一方面為了經(jīng)濟(jì)起見(jiàn)不再像過(guò)去那樣分成幾個(gè)獨(dú)立的車(chē)間而是把工廠(chǎng)設(shè)計(jì)為露天操作將全流程控制點(diǎn)的二次儀表集中到中控室整個(gè)過(guò)程采用自動(dòng)化控制降低了勞動(dòng)強(qiáng)度減少了人員不過(guò)大型合成氨裝置對(duì)操作人員的技術(shù)水平管理水平和責(zé)任心都提出了更高的要求 綜上所述在二十世紀(jì)六十年代開(kāi)始的合成 氨廠(chǎng)大型化是其發(fā)展史上的一次飛躍但是大型氨廠(chǎng)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＼?chē)由于作為動(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(chē)對(duì)大型化的合成氨廠(chǎng)造成的經(jīng)濟(jì)損失也是巨大的 14 設(shè)計(jì)方案的論證 本設(shè)計(jì)是以天然氣為原料年產(chǎn) 30 萬(wàn)噸合成氨轉(zhuǎn)化工序與凈化工序的設(shè)計(jì) 選擇 表 11 原料列表 原料 造氣方法 能耗 106kJ 相對(duì)投資 天然氣 加 壓 蒸 汽 轉(zhuǎn) 化 356 1 石腦油 加壓蒸汽轉(zhuǎn)化 368 115 重油 加 壓 蒸 汽 轉(zhuǎn) 化 416 15 煤 加壓連續(xù)氣化 486 1821 煤 常壓連續(xù)氣化 586 1821 水 電解 1173 22 由上表所知水電解法最不經(jīng)濟(jì)與其它方法不具有競(jìng)爭(zhēng)力最經(jīng)濟(jì)的是天然氣次順序是石腦油重油煤因此七十年代以后合成氨的主要原料是天然氣和石腦油 本設(shè)計(jì)選用天然氣為原料 脫硫 無(wú)論哪種原料都含有一定的硫分硫主要以 H2SCS2COS 硫醇硫醚噻吩等形式存在因所處地區(qū)不同硫化物的含量在原料中所占比例不同 在以天然氣為原料的合成氨生產(chǎn)過(guò)程中 需要應(yīng)用多種不同的催化劑這些催化劑都沒(méi)有抗硫性且無(wú)論哪種硫化物都會(huì)使催化劑中毒嚴(yán)重地影響催化劑的活性和使用壽命 H2S 還對(duì)管道具有腐蝕性 以烴類(lèi)為原料的蒸汽轉(zhuǎn)化法制取原料氣鎳催化劑對(duì)硫含量限制十分嚴(yán)格要求烴類(lèi)原料氣中總硫＜ 05ppm 因此在合成氨生產(chǎn)中硫化物應(yīng)盡量除凈 脫硫方法很多按脫硫劑的物理形態(tài)分為干法和濕法而干法和濕法又分很多種 表 22 脫硫方法分類(lèi) 硫化物種類(lèi) 無(wú)機(jī)硫 有機(jī)硫 干法 吸附法 活性炭分子篩 吸附法 活性炭分子篩 接觸反應(yīng)法 氧化鐵氧化鋅氧化錳 接觸反應(yīng)法 氧化鋅 轉(zhuǎn)化法 鈷鉬加氫 濕法 化學(xué)吸附法 氨水催化 ADA 乙醇胺 冷 NaOH 吸收法 物理吸收法 低溫甲醇洗 氧化鈉吸收法 物理化學(xué)綜合吸收法 環(huán)丁砜 下面簡(jiǎn)要介紹幾種主要的脫硫方法 干法脫硫活性碳法可用于脫除無(wú)機(jī)硫和有機(jī)硫活性炭脫除無(wú)機(jī)硫過(guò)程比較復(fù)雜分為脫硫再生和硫的回收幾個(gè)步驟而脫除有機(jī)硫則主要用于脫除了大量的H2S之后除去硫醇等有機(jī)硫化物及少量的 H2S因反應(yīng)機(jī)理不同分為吸附法氧化法催化法三種 吸附法或單純吸附法是利用活性碳選擇吸附的特性以脫除噻吩最為有效氧化 法是基于有氨存在時(shí)有機(jī)硫化物于活性炭表面進(jìn)行氧化反應(yīng)其生成物被活性炭吸附該法對(duì)氧硫化碳十分有效催化法是在活性炭中浸了銅鐵等重金屬使有機(jī)硫催化生成硫化氫而后 H2S 被活性炭吸附 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)處理措施鈷鉬加氫催化劑幾乎可使天然氣石腦油原料中的有機(jī)硫化物全部轉(zhuǎn)化為 H2S 再用氧化鋅吸收可把總硫脫除到 002ppm 在有機(jī)硫轉(zhuǎn)化的同時(shí)也能使烯烴加氫轉(zhuǎn)化為飽和的烷烴從而減少下一工序蒸汽轉(zhuǎn)化催 化劑析碳的可能 本設(shè)計(jì)選擇鈷鉬加氫與氧化鋅吸收方法同時(shí)進(jìn)行 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為主體的合成氣因?yàn)檫@些反應(yīng)都是吸熱的根據(jù)熱量來(lái)源不同而有以下兩種主要的造氣方法 外部供熱的蒸汽轉(zhuǎn)化法在催化劑存在下含烴氣體在耐高溫的合金鋼管內(nèi)部發(fā)生蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)所需熱量由燃料燃燒供給其出口氣在二段爐內(nèi)加入空氣繼續(xù)反應(yīng) 內(nèi)部蓄熱的間歇轉(zhuǎn)化分為吹風(fēng)和制氣兩個(gè)階段先把空氣送入煤氣發(fā)生爐內(nèi)使燃料燃燒為制氣積蓄熱量以焦炭或煤為原料的反應(yīng) CO2 CO2 接著通入蒸汽進(jìn)行氣化反應(yīng)隨后進(jìn) 入下一循環(huán)的吹風(fēng)制氣因此生產(chǎn)煤氣的操作是間歇的 為了能利用燃料燃燒的反應(yīng)熱達(dá)到連續(xù)操作制取合成氣于是發(fā)展了以氧為氣化劑的部分氧化法 自熱反應(yīng)的部分氧化法此法是在高溫下利用氧或富氧空氣與原料進(jìn)行連續(xù)的不完全氧化反應(yīng)以重油為例其反應(yīng)式如下 CmHnm2O2 mCOn2H2 △ H＜ 0 此法生產(chǎn)合成氣同前述二法不同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 本設(shè)計(jì)以天然氣為原料故采用烴類(lèi)蒸汽轉(zhuǎn)化法天然氣是各種烴類(lèi)的混合 物除主要含有甲烷外還含有一些其它烷烴甚至少量的烯烴在這里以甲烷代表烴類(lèi)此外當(dāng)烴類(lèi)與蒸汽作用時(shí)幾個(gè)反應(yīng)同時(shí)發(fā)生一般包括以下幾個(gè)反應(yīng) 主反應(yīng) CH42H2O CO24H2 1 CH42H2O CO 4H2 2 CH4CO2 2CO2H2 3 CH42CO2 3CO H2H2O 4 CH43CO