【正文】 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（簡稱高變）使大部分 CO 轉(zhuǎn)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。在合成氨工藝流程中起著非常重要的作用 。 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)。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 HCO 和 CO2。氨合成反應(yīng)式如下： N2+3H2 2NH3(g) ΔH=； 2． 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。氨的合成是提供 12 液氨產(chǎn)品的工序，是整個合成氨生產(chǎn)過程的核心部分。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。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。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。 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。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。 一般采用溶液吸收法脫除 CO2。 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。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。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。變換反應(yīng)如下： CO+H2O→H 2+CO2 ΔH=； 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。 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%。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(zhuǎn)化法制取合成氣。 （三） 合成氨轉(zhuǎn)變工序的工藝原理 1． 合成氨的典型 工藝流程介紹 合成氨的生產(chǎn)過程包括三個主要步驟：原料氣的制備、凈化和壓縮和合成。 10 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，成都的兩套國產(chǎn)化裝置，合成氨總能力為 。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)時的國際先進(jìn)水平。 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、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。 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)展時期。 20 世紀(jì) 60 年代隨著石油、天然氣資源的開采，又從英國引進(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，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 萬噸合成氨系統(tǒng)，以川化的創(chuàng)建為標(biāo)志。經(jīng)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(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 9 成氨生產(chǎn)格局。此外在上海還有一個電解水制氫生產(chǎn)合成氨、硝酸的小型車 間。所以高速發(fā)展合成氨工業(yè)仍是一項(xiàng)緊迫的任務(wù)。按人口平均的化肥產(chǎn)量（噸 /人 近年來，由于透平式離心壓縮機(jī)和電子計(jì)算機(jī)自動控制等新技術(shù)的應(yīng)用，使我國合成氨工業(yè)朝現(xiàn)代化方向邁進(jìn)了一步。 改革開放以來，我國合成氨工業(yè)發(fā)展很快，產(chǎn)量不斷增加，在原料氣制造方面，基本掌握了煤、油、氣不同原料的氣化技術(shù)。在以后的生產(chǎn)過程中，人們對合成氨的生產(chǎn)工藝進(jìn)行了不斷改進(jìn)和完善，如變換工藝的改進(jìn)。查得利開創(chuàng)性地提出氨合成的條件是高溫、高壓，催化劑存在。 19 世紀(jì)末，在化學(xué)熱力學(xué)、動力學(xué)和催化劑等領(lǐng)域取得一定進(jìn)展后，對合成氨反應(yīng)的研究有了新的進(jìn)展。 2． 中國合成氨工業(yè)的發(fā)展概況 1784 年，有學(xué)者證明氨是由氮和氫組成的。如高壓低溫技術(shù)、催化和特殊金屬材料的應(yīng)用、固體燃料氣化、液體和氣體燃料的合理使用，以及尿素、甲醇、高級醇的合成，石油加氫，高壓聚合物（如高壓聚乙烯）的生產(chǎn) 等， 8 都是在合成氨工業(yè)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來或應(yīng)用其生產(chǎn)技術(shù)成就而獲得成功的。生產(chǎn)導(dǎo)彈、火箭的推進(jìn)劑和氧化劑，同樣也離不開氨。 氨還應(yīng)用于國防和尖端科學(xué)技術(shù)部門。制藥工業(yè)中的磺胺類藥物和高分子化學(xué)工業(yè)中的氨基塑料、聚酰胺纖維、 丁腈橡膠等，都需直接或間接以氨為原料。工業(yè)用氨量已占合成氨產(chǎn)量的百分之十以上。對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有重大意義?？梢?，合成氨工業(yè)是氮肥工業(yè)的基礎(chǔ)，對農(nóng)業(yè)增產(chǎn)起著十分重要的作用。以氨為 主要原料可以制造各種氮素肥料和復(fù)合肥料。以氮和氫為原料合成氨，是目前世界上采用最廣泛，也是最經(jīng)濟(jì)的一種方法。 （ 5）合成氨工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中的重要地位 合成氨是化工的重要組成部分，在國民經(jīng)濟(jì)中有相當(dāng)重要的位置。若能用仿真技術(shù)進(jìn)行操作人員的模擬培 訓(xùn)只需在一此外，若配置有高一級管理、控制功能的上位機(jī)系統(tǒng)，還能進(jìn)行全廠綜合優(yōu)化控臺高性能的計(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、運(yùn)作設(shè)備，這樣就可以在較短的時間內(nèi)學(xué)習(xí)開停車、正常操作和事故狀態(tài)操作。因此，用 “可編程序控制器 ”（ PC）這一名稱較為確切。與此同時，報警、連鎖系統(tǒng)，程序控制系統(tǒng) ，采用了微機(jī)技術(shù)的可編程序邏輯控制器（ PLC）代替過去的繼電器，采用由用戶編寫的程序，實(shí)現(xiàn)自動或手動的 “開 ”或 “停 ”和復(fù)雜程序不同的各種邏輯控制，計(jì)時、 7 計(jì)數(shù)、模擬控制等。操作人員對于人一控制點(diǎn)、控制單元、生產(chǎn)設(shè)備、車間以及全廠的運(yùn)作情況進(jìn)行隨機(jī)或定勢的觀察，只要通過鍵操作調(diào)出相應(yīng)的畫面，即可把所需內(nèi)容顯示在 CRT 上，以便監(jiān)視、控制和修改某些參數(shù)。 DCS 是 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊技術(shù)和熒光顯示技術(shù)（ CRT）相結(jié)合的產(chǎn)物。 自從 20世紀(jì) 70年代計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到合成氨生產(chǎn)以后，操作控制上產(chǎn)生了飛躍。自從出現(xiàn)單系 列裝置的大型氨廠，除泵類有備用外，其它設(shè)備和機(jī)器都是一臺。 （ 4）生產(chǎn)自動化 合成氨生產(chǎn)特點(diǎn)之一是工序多、連續(xù)性強(qiáng)。由于噸氨生產(chǎn)成本中能源費(fèi)用占 70%以上，因此能耗是衡量合成氨技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益的重要標(biāo)志。整個生產(chǎn)過程還需消耗較多的電力、蒸汽等二次能 源，而用量又很大?，F(xiàn)在世界上規(guī)模最大的合成氨裝置為日產(chǎn) 1800t 氨， 1991 年在比利時的安特衛(wèi)普建成投產(chǎn)。但是，大型的單系列合成氨裝置要求能夠長周期運(yùn)行，對機(jī)器和設(shè)備質(zhì)量要求很高，而且在超過一定規(guī)模以后，優(yōu)越性并不十分明顯了。大型化的優(yōu)點(diǎn) 是投資費(fèi)用低，能量利用率高，占地少，勞動生產(chǎn)率高。 （ 2）生產(chǎn)規(guī)模大型化 20世紀(jì) 50年代以前，氨合成塔的最大能力為日產(chǎn) 200t氨，到 60年代初期為 400t。首先應(yīng)考慮天然氣和油田氣，其次采用石腦油。由表可見，雖然各國資源不同，但選用原料的基本方向相同。從此比石腦油價廉、來源廣泛的重油和減壓渣油開始作為合成氨的另一種原料。但石腦油價格比天然氣高，而且又 是石油化工的重要原料，用于制氨受到一定限制。一些沒有天然氣資源的國家，如日本、英國在解決了石腦油蒸汽轉(zhuǎn)化過程的析碳問題后， 1962 年開發(fā)成功石腦油為原料生產(chǎn)合成氨的方法。因?yàn)樘烊粴獗阌诠艿肋\(yùn)輸，用作合成氨的原料具有投資省、能耗低等明顯優(yōu)點(diǎn)。 表 世界合成氨原料構(gòu)成（ %） 原料 1929 1939 1953 1965 1971 1975 1980 1985 1990 焦炭、煤 37 焦?fàn)t氣 22 20 天然氣 26 60 77 石腦油 20 6 重油 3 其它 19 18 15 16 合計(jì) 100 100 100 100 100 100 100 100 100 由表 11 可知，合成氨的原料構(gòu)成是從以固體燃料為 主轉(zhuǎn)移到以氣體燃料和液體原料為主。傳統(tǒng)方法還是采用高溫下將各種燃料和水蒸氣反應(yīng)制造氫。傳統(tǒng)的制氮方法是在低溫下將空氣液化、分離，以及水電解制氫。氮來自空氣，氫來自水。在化學(xué)工業(yè)中合成氨工業(yè)已經(jīng)成為重要的支柱產(chǎn)業(yè) [1]。 隨著世界人口的不斷增加，用于制造尿素、硝酸銨、磷酸銨、硫酸銨以及其它化工產(chǎn)品的氨用量也在增長。 合成氨是大宗化工產(chǎn)品之一，世界每年合成氨產(chǎn)量已達(dá) 到 1 億噸以上，其中約有80%的氨用來生產(chǎn)化學(xué)肥料， 20%作為其它化工產(chǎn)品的原料。硝酸、各種含氮的無機(jī)鹽及有機(jī)中間體、磺胺藥、聚氨酯、聚酰胺纖維和丁腈橡膠等都需直接以氨為原料生產(chǎn)。氨主要用于農(nóng)業(yè)，合成 氨是我化肥工業(yè)的基礎(chǔ)，氨本身是最重要的氮素肥料，其他氮素肥料也大都是先合成氨，再加工成尿素或各種銨鹽肥料，這部分均占 70%的比例，稱之為 “化肥氨 ”； 同時氨也是重要的無機(jī)化學(xué)和有機(jī)化學(xué)工業(yè)基礎(chǔ)原料，用于生產(chǎn)銨、胺、染料、炸藥、合成纖維、合成樹脂的原料，這部分約占30%的比例，稱之為 “工業(yè)氨 ”。合成氨指由 氮 和 氫在高溫高壓和催化劑存在下直接合成的氨。氨的性質(zhì)比較活 潑，能與各種無機(jī)酸反應(yīng)生成鹽。具有可燃性，自然點(diǎn)為 630℃ ，一般較難點(diǎn)燃。液氨和干燥的氨氣對大部分物質(zhì)沒有腐蝕性，但在有水的條件下，對銅、銀、鋅等金屬有腐蝕作用。 氨的主要物理性質(zhì)有：極易溶于水，溶解時放出大量的熱。 關(guān)鍵字 ： 合成氨，天然氣，轉(zhuǎn)化，變換 3 一、綜述 （一）氨的性質(zhì)、用途及重要性 1．氨的性質(zhì) 氨分子式為 NH3，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下是無色氣體，比空氣輕，具有特殊的刺激性臭味。 本設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于選擇較為良好的廠址和原料路線，確定良好的工藝條件、合理的催化劑和能源綜合利用。工藝計(jì)算部分主要包括轉(zhuǎn)化段和變換段的物料衡算、熱量衡算、平衡溫距及空速計(jì)算。 設(shè)計(jì)采用的工藝流程簡介：天然氣經(jīng)過脫硫壓縮進(jìn)入一段轉(zhuǎn)化爐，把 CH4 和烴類轉(zhuǎn)化成 H2，再經(jīng)過二段爐進(jìn)一步轉(zhuǎn)化后換熱進(jìn)入高變爐，在催化劑作用下大部分 CO 和水蒸氣反應(yīng)獲 H2 和 CO2，再經(jīng)過低變爐使 CO 降到合格水平，去甲烷化工序。 本設(shè)計(jì)是 以天然氣為原料年產(chǎn)二十萬噸合成氨轉(zhuǎn)變工序的設(shè)計(jì)。 氨是重要的基礎(chǔ)化工產(chǎn)品之一， 在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。為了生產(chǎn)氨，一般均以各種燃料為原料。 指導(dǎo)教師第二次指導(dǎo)意見 指導(dǎo)教師第三次指導(dǎo)意見 指導(dǎo)教師評語及評分 成績： 簽字（蓋章） 年 月 日 答辯小組評價意見及評分 成績： 簽字（蓋章） 年 月 日 教學(xué)系畢業(yè)實(shí)踐環(huán)節(jié)指導(dǎo)小組意見 簽字（蓋章） 年 月 日 學(xué)院畢業(yè)實(shí)踐環(huán)節(jié)指導(dǎo)委員會審核意見 簽字（蓋章） 年 月 日 2 20 萬噸合成氨轉(zhuǎn) 變工序工藝設(shè)計(jì) 摘 要 ： 氨是一種重要的化工原料，特別是生產(chǎn)化肥的原料，它是由氫和氮合成。在內(nèi)容上注意文章的邏輯性和層次性。 酒 泉 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 級 應(yīng)用化工技術(shù) 專業(yè) 題 目： 20 萬噸合成氨轉(zhuǎn)變工 序設(shè)計(jì) 畢業(yè)時間： 20xx 屆 學(xué)生姓名： 張建黨 指導(dǎo)教師： 李發(fā)達(dá)