【正文】 2 16 5 合計 100 100 100 100 100 0 100 5 100 0 100 5 100 6. 其它 19 18 15 60 5. 0. 1. 3 22 65 39 53 37 8 20 53 65 5. 71 75 80 85 90 191919191919191919 石腦油 20 6 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。因為天然氣便于管道運輸，用作合成氨的原料具有投資省、能耗低等明顯優(yōu)點。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。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。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。由表可見，雖然各國資源不同，但選用原料的基本方向相同。首先應(yīng)考慮天然氣和油田氣，其次采用石腦油。 (二 ) 生產(chǎn)規(guī)模大型化 20 世紀 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。大型化的優(yōu)點是投資費用低，能量利用率高，占地少，勞動生產(chǎn)率高。但是，大型的單系列合成氨裝置要求能夠長周期運行，對機器和設(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?，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)。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。由于噸氨生產(chǎn)成本中能源費用占 70%以上，因此能耗是衡量合成氨技術(shù)和經(jīng)濟效益的重要標志。 (四 ) 生產(chǎn)自動化 [3] 合成氨生產(chǎn)特點之一是工序多、連續(xù)性強。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)備和機器都是一臺。 自從 20世紀 70年代計算機技術(shù)應(yīng)用到合成氨生產(chǎn)以后，操作控制上產(chǎn)生了飛躍。 DCS是現(xiàn)代計算機技術(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。操作 人員對于人一控制點、控制單元、生產(chǎn)設(shè)備、車間以及全廠的運作情況進行隨機或定勢的觀察，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)。與此同時，報警、連鎖系統(tǒng)，程序控制系統(tǒng)，采用了微機技術(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，實現(xiàn)自動或手動的 “開 ”或 “停 ”和復雜程序不同的各種邏輯控制，計時、計數(shù)、模擬控制等。因此，用 “可編程序控制器 ”（ PC）這一名稱較為確切。若能用仿真技術(shù)進行操作人員的 6 吉林化工學院化工綜合設(shè)計 模擬培訓只需在一臺高性能的計算機上配合相應(yīng)的軟件以代替實際生產(chǎn)裝置的控制、運作設(shè)備，這樣就可以在較短的時間內(nèi)學習開 停車、正常操作和事故狀態(tài)操作。 中國合成氨生產(chǎn)是從 20世紀 30年代開始的，但當時僅在南京、大連兩地建有氨廠，一個是由著名愛國實業(yè)家范旭東先生創(chuàng)辦的南京永利化學工業(yè)公司铔廠—— 永利寧廠，現(xiàn)南京化學工業(yè)公司的前身；另一個是日本占領(lǐng)東北后在大連開辦的滿洲化學工業(yè)株式會社，最高年產(chǎn)量不超過 50Kt（ 1941年）。 中華人民共和國成立以來，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。 中國合成氨工業(yè)的發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個階段。到 60 年代中期中氮已投產(chǎn)了 15 家。 第二、小型氨廠的發(fā)展 從 20世紀 60年代開始在全國各地建設(shè)了一大批小型氨 廠， 1979年最多時曾發(fā)展到 1539座氨廠。由于大型合成氨裝置的優(yōu)越性，1972年 2月中國作出了成套引進化學肥料技術(shù)和設(shè)備的決定。 中國是世界上人口最多的農(nóng)業(yè)大國，為了在 2020 年氮肥產(chǎn) 量達到基本自給自足，最近十年先后陸續(xù)引進 14 套具有 20 世紀 90 年代先進水平的年產(chǎn) 300kt 合成氨成套設(shè)備，同時從 20世紀 70年代起，我國開始了大型合成氨成套裝置的自行設(shè)計、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)。從而掌握了世界上幾乎所有先進的工藝和先進技術(shù)如低能耗的凱洛格工藝、布朗工藝等，通過對引進技術(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的步伐，而且促進了國 ΔH=； 8 吉林化工學院化工綜合設(shè)計 由于 CO變換過程是強放熱過程，必須分段進行以利于回收反應(yīng)熱，并控制變換段出口殘余 CO含量。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。工業(yè)脫硫方法種類很多，通常是采用物理或化學吸收的方法，常用的有低溫甲醇洗法 (Rectisol)、聚乙二醇二甲醚法 (Selexol)等。 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。 一般采用溶液吸收法脫除 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。 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。因此，原料氣在進入合成工序前，必須進行原料氣的最終凈化，即精制過程。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 100cm/ m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。甲烷化法可以將氣體中碳的氧化物 (CO+CO2)含量脫除到 10cm/m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。氨的合成是提供液氨產(chǎn)品的工序，是整個合成氨生產(chǎn)過程的核心部分。氨合成反應(yīng)式如下： N2+3H2→2NH3(g) ΔH= ； 天然氣合成氨轉(zhuǎn)化工序 的工藝原理 本設(shè)計中的合成氨轉(zhuǎn)變工序是指轉(zhuǎn)化工序和變換工序的合稱。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。 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比均可達到指標。在合成氨工藝流程中起著非常重要的作用。變換工段主要利用 CO變換反應(yīng)式： 10 吉林化工學院化工綜合設(shè)計 CO+H2O→CO2+H2 ΔH 298= 在不同溫度下分兩步進行，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。 設(shè)計方案的確定 原料的選擇 合成氨生產(chǎn)的原料有焦炭、煤、焦爐氣、天然氣、石腦油、重油等。 首先，我國天然氣資源比較豐富。已探明儲量約 萬億立方米，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。 其次，我國天然氣工業(yè)高速發(fā)展方興未艾。近年來，國家對環(huán)境問題越來越重視。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。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。加大天然氣在能源消費結(jié)構(gòu)中的比重，既有利于促進節(jié)能減排，又能夠維持經(jīng)濟與社會可持續(xù)發(fā)展。根據(jù)計算，若大型氨廠分別用石腦油、渣油、天然氣和煤為原料制氨，其價格分別按 1800元 /t、 1400元 /t、 /m3和 260元 /t計，中壓蒸汽價格按 78元/t計，對應(yīng)的合成氨成本分別為 1721元 /t、 1557元 /t、 1493元 /t和 1021元／ t。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)。 11 吉林化工學院化工綜合設(shè)計 工藝流程的選擇 本設(shè)計主要是轉(zhuǎn)化和變換工序的工藝設(shè)計，所選流程為： 天然氣 變換氣去甲烷化 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，因為能否正常生產(chǎn)出合格的變換氣，是后面的所有工序正常運轉(zhuǎn)的前提條件。 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。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到水碳比為 （ R=），進入一段轉(zhuǎn)化爐的對流段加熱，氣體一邊加熱一邊反應(yīng)，出反應(yīng)管的溫度在 822℃ 左右，最后沿集氣管中間的上升管上升，繼續(xù)吸收一些熱量，使溫度升到 850℃ 左右，經(jīng)輸氣總管送往二段轉(zhuǎn)化爐。 12 吉林化工學院化工綜合設(shè)計 經(jīng)二段轉(zhuǎn)化后的合成氣送入第一換熱器（ 101C），接著又送入第二換熱器（ 102C），使合成氣溫度由 1003℃ 降到 360℃ 左右，利用這些能量制取高壓蒸汽。 含 CO的原料合成氣經(jīng)換熱器降溫，在壓力 MPa、溫度 371℃ 下進入高變爐（因原料氣中水蒸氣含量較高，一般不需要加蒸汽）。氣體通過高變廢熱鍋爐，冷卻到 336℃ 左右，鍋爐產(chǎn)生 的飽和蒸汽。經(jīng)低變處理后，氣體殘余 CO降到 ％～ ％之間，再送入后續(xù)工段繼續(xù)凈化。 列元素平衡式 C 平衡 =nCO + nCO2 + （ 1） 15 3mol（干）％ kmol/h 56 吉林化工學院化工綜合設(shè)計 H2 平衡 +2+563+4+5+6+= nH2 +2+(′H2O ) 化簡為 = nH2+ n′H2O （ 2） O2平衡 1 2=12(′H2O )+1 2nCO +nCO2 化簡為 2nCO2+nCO n′H2O =0 （ 3） 出口總干氣量： V=nCO2+nCO+nH2+nN2+nAr+nCH4 =nCO2+nCO+nH2 +++ 化簡為 V=nCO2+nCO+nH2 ++ 一段轉(zhuǎn)化爐進行的主要反應(yīng)為：