30萬噸合成氨畢業(yè)設(shè)計論文

1、<p><b>　　前 言</b></p><p>　　本設(shè)計是年產(chǎn)30萬噸合成氨轉(zhuǎn)化、凈化工段的設(shè)計。</p><p>　　設(shè)計說明書分兩部分。</p><p>　　第一部分是綜述，分九章討論了氨的性質(zhì)、用途及其在國民經(jīng)濟中的地位，合成氨工業(yè)的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢，現(xiàn)代大型氨長的生產(chǎn)特點，設(shè)計方案的論證，生產(chǎn)方法的綜述與選擇，本設(shè)計主要

2、工藝參數(shù)的論證與確定，生產(chǎn)工藝流程的評述與選擇，合成氨生產(chǎn)原理與本設(shè)計生產(chǎn)流程的敘述及本設(shè)計主要設(shè)備一覽表。</p><p>　　第二部分是工藝設(shè)計計算，分別進行了消耗定額，返氫量的計算、天然氣催化轉(zhuǎn)化的計算、CO變換、氣體凈化、甲烷化過程的物料與熱量衡算，換熱器熱負荷計算，最后進行了設(shè)備計算-----加壓兩段填料吸收塔工藝設(shè)計計算。</p><p>　　本設(shè)計附有轉(zhuǎn)化、凈化工段帶控制點的

3、工藝流程圖、CO2吸收塔的裝配圖。</p><p>　　本設(shè)計選用Kellogg節(jié)能型流程，具有能耗低、流程簡單的特點。</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第一章.綜述4</b></p><p>　　1.1 氨的性質(zhì)、用途及其在國民經(jīng)濟中的地位6</p

4、><p>　　1.2合成氨工業(yè)的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢6</p><p>　　1.3現(xiàn)代大型氨廠的生產(chǎn)特點8</p><p>　　1.4設(shè)計方案的論證10</p><p>　　1.4.1原料的選擇10</p><p>　　1.4.2原料的脫硫10</p><p>　　1.4.3造氣12<

5、/p><p>　　1.4.4一氧化碳變換15</p><p>　　1.4.5 CO2的脫除16</p><p>　　1.4.6微量CO、CO2的脫除18</p><p>　　1.5本設(shè)計主要工藝參數(shù)的確定與論證20</p><p>　　1.5.1水碳比20</p><p>　　1.5.2轉(zhuǎn)

6、化爐出口氣甲烷含量21</p><p>　　1.5.3轉(zhuǎn)化壓力21</p><p>　　1.5.4高低變換出口氣中的CO含量22</p><p>　　1.5.5脫碳后CO2 殘余含量22</p><p>　　1.5.6吸收、再生的溫度、再生塔的水汽比及溶液組成23</p><p>　　1.5.7甲烷化爐入口溫

7、度25</p><p>　　1.6生產(chǎn)工藝流程的評述與選擇25</p><p>　　1.6.1 M.W凱洛格公司26</p><p>　　1.6.2布朗公司27</p><p>　　1.6.3帝國化學(xué)公司（ICI）27</p><p>　　1.6.4托普索（Hald TopsØe）公司28&

8、lt;/p><p>　　1.6.5伍德（Uhde）公司28</p><p>　　1.7合成氨生產(chǎn)原理與本設(shè)計生產(chǎn)流程的綜述28</p><p>　　1.7.1原料氣的脫硫28</p><p>　　1.7.2烴類蒸汽轉(zhuǎn)化29</p><p>　　1.7.3 CO變換30</p><p>　

9、　1.7.4原料氣中CO2的脫除31</p><p>　　1.7.5甲烷化脫除微量的CO及CO232</p><p>　　第二章 工藝設(shè)計計算34</p><p>　　2.1設(shè)計依據(jù)：34</p><p>　　2.2消耗定額、返氫量的計算34</p><p>　　2.2.1計算條件：35</p>

10、<p>　　2.2.2計算變量35</p><p>　　2.2.3求解變量35</p><p>　　2.2.4計算35</p><p><b>　　2.3轉(zhuǎn)化38</b></p><p>　　2.3.1一段轉(zhuǎn)化爐物料衡算38</p><p>　　2.3.2二段爐物料、熱量衡

11、算42</p><p><b>　　2.4變換50</b></p><p>　　2.4.1高變物料、熱量計算50</p><p>　　2.4.2低變爐物料、熱量衡算53</p><p>　　2.4.3 102-F排水量計算56</p><p>　　2.5 CO2吸收塔原料氣系統(tǒng)物料

12、衡算58</p><p>　　2.5.1計算條件：58</p><p>　　2.5.2.計算58</p><p><b>　　2.6甲烷化61</b></p><p>　　2.6.1甲烷化爐的物料衡算61</p><p>　　2.6.2甲烷化爐熱量衡算62</p><

13、;p>　　2.6.3校核64</p><p>　　2.6.4 104-F排水量的計算65</p><p><b>　　2.7凈化66</b></p><p>　　2.7.1本菲爾溶液循環(huán)量的計算66</p><p>　　2.7.2 1103-F排水量及回流水量的計算68</p><

14、;p>　　2.7.3 1110-C、1104-C熱負荷的計算72</p><p>　　2.7.4吸收、再生系統(tǒng)的熱平衡75</p><p>　　2.8換熱器熱負荷的計算84</p><p>　　2.8.1 103-C熱負荷計算84</p><p>　　2.8.2 104-C熱負荷計算85</p>&

15、lt;p>　　2.8.3 1107-C的熱負荷85</p><p>　　2.8.4 114-C熱負荷計算86</p><p>　　2.8.5 144-C熱負荷計算87</p><p>　　2.8.6 115-C的熱負荷計算89</p><p>　　2.8.7 1115-C熱負荷計算90</p>

16、;<p>　　2.8.8 136-C熱負荷計算92</p><p>　　第三章加壓兩段填料吸收塔設(shè)計94</p><p>　　3.1設(shè)計項目：94</p><p>　　3.2設(shè)計條件94</p><p>　　3.3設(shè)計計算96</p><p>　　3.3.1塔型設(shè)計96</p>

17、;<p>　　3.3.2 流體接觸方式及噴淋96</p><p>　　3.3.3填料選擇96</p><p>　　3.3.4上塔塔徑計算97</p><p>　　3.3.5上塔填料高度計算102</p><p>　　3.3.6下塔塔徑計算及下塔填料計算105</p><p>　　3.3.7校核計

18、算110</p><p><b>　　第1章 綜 述</b></p><p>　　氮（N），是植物生長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)氮的過程，稱為“氮的固定”。合成氨是固定氮的主要方法。</p>&

19、lt;p>　　化肥是農(nóng)作物增產(chǎn)的重要手段，對發(fā)展中國家尤其如此。而合成氨工業(yè)是化肥生產(chǎn)的主要組成部分，對我國農(nóng)業(yè)的增產(chǎn)起著舉足輕重的作用。</p><p>　　1.1 氨的性質(zhì)、用途及其在國民經(jīng)濟中的地位</p><p>　　氨為無色、有強烈刺激性氣味的氣體。</p><p>　　氨的密度0.771kg/m3，比重0.5971，沸點-33.35℃，固體氨溶點-

20、77.7℃，臨界溫度132.9℃，臨界壓力112.3atm，液氨比重0.667（20℃），液氨揮發(fā)性很強，汽化熱較大。</p><p>　　氨有毒而且易爆。它不象一般的毒氣具有累積的毒害作用，但對人體組織有很大的灼傷性，正常空氣中若含有5000ppm的氨含量既能使人在短時間內(nèi)窒息；只要有2000ppm的氨含量就有可能在幾秒內(nèi)灼燒皮膚，使它起泡，并可能造成嚴重的肺水腫；濃度超過700ppm將會損傷眼睛，如不及時治療

21、，便會失去視力。</p><p>　　氨在空氣中的可燃極限是16~25%（體積），在O2中是15~79%。雖然NH3-空氣的混合氣不易燃燒，但很容易引起爆炸。氨的自燃點是630℃，燃燒時生成藍色火焰。</p><p>　　氣相或液相的干氨對大部分物質(zhì)沒有腐蝕性，但如摻入水分后便對Cu、Ag、Zn等金屬有腐蝕作用，氨和水銀可構(gòu)成爆炸混合物。</p><p>　　液氨的

22、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15~30%范圍內(nèi)，氨也可溶于鹽類水溶液和各種有機溶液，但都低于在水里的溶解度。</p><p>　　氨是活潑的化合物，可與多種物質(zhì)進行反應(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，植物對氨態(tài)氮和硝酸態(tài)氮都能吸收。</p><p>　　還原劑通常不與NH3作用。&

23、lt;/p><p>　　工業(yè)上氨主要是和酸進行中和反應(yīng)，生成鹽類。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。</p><p>　　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)的氨稱為合成氨。</p><p>　　氨是基本化工產(chǎn)品之一，用途很廣，無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

24、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?？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)起著很大的作用。</p><p>　　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、合成樹脂、含氮無機鹽等工業(yè)部門。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)火箭的推進劑和氧化劑，同樣也離不開氨。此外，氨還是常用的冷凍劑。</p><p&g

25、t;　　合成氨工業(yè)大的迅速發(fā)展，也促進了高壓、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，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)展起來的。氨和氨加工工業(yè)已成為現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的一個重要的組成部分。</p><p>　　合成氨工業(yè)是化肥生產(chǎn)的重要組成部分，對我國農(nóng)業(yè)的增產(chǎn)起著舉足輕重的作用。我國人口密度大，可耕面積少，人均耕地面積少，糧食需求量大。為了能在國民經(jīng)濟穩(wěn)步

26、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)。</p><p>　　1.2合成氨工業(yè)的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢</p><p>　　自從1754年普里斯特利（priestly）加熱氯化銨和石灰時發(fā)現(xiàn)氨以后，直到20世紀初才由哈伯（haber）等人研究成功了合成氨法，于1913年在德國奧堡建成世界上第一個合成氨工廠。第一次世界大戰(zhàn)后，德國因戰(zhàn)敗而被迫把合成氨技術(shù)公開。有些國家還在這個

27、基礎(chǔ)上做了一些改進，從此合成氨工業(yè)得到了迅速的發(fā)展。</p><p>　　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。</p><p>　　解放前，全國合成氨工業(yè)與其它工業(yè)一樣，是十分落后的。那時只有兩個規(guī)模不大的合成氨工廠，不僅生產(chǎn)能力低而且技術(shù)水平也很落后。解放后，我國合成氨工業(yè)發(fā)展十分迅速，尤其是八十年代后期，通過

28、技術(shù)引進與消化吸收，我國合成氨發(fā)展向大工業(yè)化、自動化控制方向發(fā)展。目前的合成氨技術(shù)與過去相比較，從各種原料生產(chǎn)合成氨的總流程并沒有新的變化。歸納一下，流程分為三類：一是烴類蒸汽轉(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。</p><p>　　由于國外企業(yè)間的競爭更為激烈，為了爭取更大的利潤，于是開始引用煉油裝置在機械、設(shè)備、儀

29、表和熱能綜合利用等方面成熟的經(jīng)驗，在合成氨工業(yè)進行一場重大改革，主要內(nèi)容為生產(chǎn)規(guī)模大型化、能量綜合利用、高度自動化控制。</p><p>　　目前合成氨新工藝層出不窮，有ICI、Kellogg、伍德、Brown、及KBR流程。</p><p>　　英國ICI公司的LCA合成氨工藝于1988年在英國建成兩套日產(chǎn)450噸的合成氨裝置，經(jīng)一年試運轉(zhuǎn)，證明是成功的。LCA工藝的主要特點是簡化了工藝

30、流程，改進了催化劑的化學(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)省壓縮機功耗，減少壓縮機段數(shù)，使離心壓縮機可在中型氨廠采用。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

31、的要求。這些改進使LCA工藝可在簡單和溫和的條件下操作。</p><p>　　Brown公司的布朗工藝，降低一段爐負荷，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荷降低，操作更穩(wěn)定；為滿足合成氨生產(chǎn)熱量需求，加重二段爐負荷，空氣加入過量50%，后端采用冷箱脫除過量的氮氣，使能量利用更合理。</p><p>　　瑞士卡薩利公司對氨

32、合成塔進行改造，其特點是合成塔內(nèi)件中采用軸徑向結(jié)合的氣體流向和專門的氣體分布器。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1.5~3mm的顆粒催化劑，可提高氨凈值增加生產(chǎn)能力。</p><p>　　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。</p><p>　　一段爐的改造體現(xiàn)在轉(zhuǎn)化管的使用上，原有的HK-40厚

33、壁管改用高強度的HNb薄壁管，這使轉(zhuǎn)化管在相同外徑時，催化劑容積增加，在100~110%負荷下，轉(zhuǎn)化管壁溫下降45~50℃，轉(zhuǎn)化管的阻力降降低。</p><p>　　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，合成氨工業(yè)的發(fā)展都是增產(chǎn)、節(jié)能、降耗。</p><p>　　目前，我國化肥行業(yè)繼續(xù)推廣一系

34、列行之有效的節(jié)能方法，大氮肥長周期穩(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。</p><p>　　1.3現(xiàn)代大型氨廠的生產(chǎn)特點</p><p>　　現(xiàn)代大型氨廠的生產(chǎn)特點主要有：</p><p>　　生產(chǎn)規(guī)模的大型化。這里所說的大型化是指規(guī)模為日產(chǎn)1000噸合成氨的單系列規(guī)模。大型氨廠具有投資省、成本低、占地少、勞動效率高的特點

35、，現(xiàn)在世界新建氨廠大都采用單系列大型裝置。但大型合成氨裝置超過一定規(guī)模以后，優(yōu)越性就不十分明顯了。一般以日產(chǎn)1000~1500噸氨為主。</p><p>　　熱能的綜合利用。合成氨工業(yè)是一個消耗原料、燃料和動力很大的部門。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)計上十分注意利用余熱產(chǎn)

36、生高壓蒸汽用于驅(qū)動高壓蒸汽透平并抽氣到中壓管網(wǎng)作為工藝蒸汽、中壓用戶蒸汽以及小透平的驅(qū)動蒸汽，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。</p><p>　　高度的自動化水平。因為大型合成氨裝置中每種機器和設(shè)備基本上都是單臺，造成設(shè)備尺寸的大型化。另一方面，為了經(jīng)濟起見，不再像過去那樣分成幾個獨立的車間，而是把工廠設(shè)計為露天操作，將全流程控制點的二次儀表集中到中控室，整個過程采用

37、自動化控制，降低了勞動強度，減少了人員。不過，大型合成氨裝置對操作人員的技術(shù)水平、管理水平和責(zé)任心，都提出了更高的要求。</p><p>　　綜上所述，在二十世紀六十年代開始的合成氨廠大型化是其發(fā)展史上的一次飛躍。但是，大型氨廠也具有它的弱點：作為一個單系列裝置而言，只要生產(chǎn)過程中任何一個環(huán)節(jié)發(fā)生故障，都會影響整系列裝置，甚至?xí)斐扇盗械耐＼?；由于作為動力的蒸汽主要依靠回收工藝余熱，如果在裝置低負荷狀態(tài)下，勢必

38、導(dǎo)致蒸汽的不平衡而無法生產(chǎn)；由于未能預(yù)見的原因而臨時停車，對大型化的合成氨廠造成的經(jīng)濟損失也是巨大的。</p><p>　　1.4設(shè)計方案的論證</p><p>　　本設(shè)計是以天然氣為原料，年產(chǎn)30萬噸合成氨轉(zhuǎn)化工序與凈化工序的設(shè)計。</p><p>　　1.4.1原料的選擇</p><p><b>　　表1-1 原料列表</

39、b></p><p>　　由上表所知，水電解法最不經(jīng)濟，與其它方法不具有競爭力。最經(jīng)濟的是天然氣，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。</p><p>　　本設(shè)計選用天然氣為原料。</p><p>　　1.4.2原料的脫硫</p><p>　　無論哪種原料，都含有一定的硫分。硫主要以H2S、CS

40、2、COS、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。</p><p>　　在以天然氣為原料的合成氨生產(chǎn)過程中，需要應(yīng)用多種不同的催化劑，這些催化劑都沒有抗硫性，且無論哪種硫化物都會使催化劑中毒，嚴重地影響催化劑的活性和使用壽命，H2S還對管道具有腐蝕性。</p><p>　　以烴類為原料的蒸汽轉(zhuǎn)化法制取原料氣，鎳催化劑對硫含量限制十分嚴格，要求烴類原料

41、氣中總硫＜0.5ppm。因此，在合成氨生產(chǎn)中，硫化物應(yīng)盡量除凈。</p><p>　　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：</p><p>　　表2-2 脫硫方法分類</p><p>　　下面簡要介紹幾種主要的脫硫方法</p><p>　　干法脫硫活性碳法可用于脫除無機硫和有機硫。活性炭脫除無機硫，過程比較

42、復(fù)雜，分為脫硫、再生和硫的回收幾個步驟。而脫除有機硫則主要用于脫除了大量的H2S之后，除去硫醇等有機硫化物及少量的H2S。因反應(yīng)機理不同分為吸附法、氧化法、催化法三種。</p><p>　　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，有機硫化物于活性炭表面進行氧化反應(yīng)，其生成物被活性炭吸附，該法對氧硫化碳十分有效。催化法是在活性炭中浸了銅、鐵等重金屬，使有機硫催化生成

43、硫化氫，而后H2S被活性炭吸附。</p><p>　　吸附法與氧化法脫除有機硫時都不希望有氧存在，因為氧能將少量H2S氧化成硫磺，覆蓋在活性炭表面，影響脫硫能力、</p><p>　　鈷鉬加氫轉(zhuǎn)化是脫除含氫原料中有機硫十分有效的預(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硫化物全部轉(zhuǎn)化為H2S，再用氧化鋅吸收可把總硫脫除到0.02ppm。在有機硫轉(zhuǎn)化的同時，也能使烯烴加氫轉(zhuǎn)

44、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。</p><p>　　本設(shè)計選擇鈷鉬加氫與氧化鋅吸收方法同時進行。</p><p><b>　　1.4.3造氣</b></p><p>　　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。因為這些反應(yīng)都是吸熱的，根據(jù)熱量來源不同而有以下兩種主要的造氣方

45、法。</p><p>　　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)。</p><p>　　內(nèi)部蓄熱的間歇轉(zhuǎn)化。分為吹風(fēng)和制氣兩個階段，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)：</p><p>　　C+O2 CO2，接著通入蒸

46、汽進行氣化反應(yīng)，隨后進入下一循環(huán)的吹風(fēng)、制氣。因此，生產(chǎn)煤氣的操作是間歇的。</p><p>　　為了能利用燃料燃燒的反應(yīng)熱達到連續(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。</p><p>　　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：</p><p>　　CmHn+m/2O2

47、mCO+n/2H2(△H＜0)</p><p>　　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，過程簡單，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。</p><p>　　本設(shè)計以天然氣為原料，故采用烴類蒸汽轉(zhuǎn)化法。天然氣是各種烴類的混合物，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。此

48、外，當(dāng)烴類與蒸汽作用時，幾個反應(yīng)同時發(fā)生。一般包括以下幾個反應(yīng)：</p><p><b>　　主反應(yīng)：</b></p><p>　　CH4+2H2O CO2+4H2 (1)</p><p>　　CH4+2H2O CO +4H2 (

49、2)</p><p>　　CH4+CO2 2CO+2H2 (3)</p><p>　　CH4+2CO2 3CO + H2+H2O (4)</p><p>　　CH4+3CO2 4CO+2H2O (5)&l

50、t;/p><p>　　CO+H2O CO2+ H2 (6)</p><p><b>　　副反應(yīng)：</b></p><p>　　CH4 C+2H2 (7)</p><p>　　2CO

51、 C+CO2 (8)</p><p>　　CO+H2 C+H2O (9)</p><p>　　這里共有CH4、H2O、H2、CO及C六種物質(zhì)由C、H、O三種元素構(gòu)成，故獨立反應(yīng)數(shù)為6-3=3，因此用(1)、(6)、(7)三個方程式就可表示這一系列反應(yīng)。&l

52、t;/p><p>　　在工業(yè)生產(chǎn)中，含烴原料采用蒸汽催化轉(zhuǎn)化法制取合成氣分為一段和二段轉(zhuǎn)化流程。對合成氨而言，大都采用二段轉(zhuǎn)化流程。這是因為：</p><p>　　烴類作為制氨原料，要求盡可能轉(zhuǎn)化完全。同時，甲烷在氨合成過程為一惰性氣體，它會在合成回路中逐漸積累，有害無利。因此，首先要求轉(zhuǎn)化氣中殘余甲烷含量要低?？紤]到經(jīng)濟合理，一般要求轉(zhuǎn)化氣中殘余甲烷＜0.5%（干基）。為了達到這項目標，在加

53、壓操作條件下，相應(yīng)的蒸汽轉(zhuǎn)化溫度需在1000℃以上。對于吸熱的蒸汽烴類轉(zhuǎn)化反應(yīng)，要在高溫下進行，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。由于目前耐熱合金鋼管還只能在800~900℃以下工作，考慮到制氨不僅要有氫，而且還應(yīng)有氮，于是工業(yè)上提出轉(zhuǎn)化過程分段進行的流程。</p><p>　　在內(nèi)襯耐火襯里的固定床中，在催化劑的作用下，加入空氣與一段爐出口氣中的H2發(fā)生爆炸反應(yīng)生成水，再

54、進一步進行蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)，使二段爐出口氣中甲烷徹底反應(yīng)。</p><p>　　本設(shè)計采用二段轉(zhuǎn)化流程。</p><p>　　1.4.4一氧化碳變換</p><p>　　合成氨原料氣中的CO，一般分兩次除去，大部分先通過變換反應(yīng)：</p><p>　　CO+H2O(g) CO2+H2 △H2980=-41.19kJ/mol<

55、/p><p>　　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的水蒸汽。</p><p>　　合成氨的原料氣是N2和H2，CO不但不是合成氨生產(chǎn)的有效成分，而且當(dāng)溫度為300℃左右和在有鐵催化劑存在的條件下，能與氫反應(yīng)生成CH4和水，使惰性氣體增加，對氨的合成不利，更嚴重的是生成的水會使鐵催化劑中毒，所以轉(zhuǎn)

56、化氣中的CO必須除去，通過CO變換成CO2的方法來除去CO，再設(shè)法除去CO2，最后少量殘余的CO再通過其它凈化法加以脫除。</p><p>　　工業(yè)中，CO變換反應(yīng)均在催化劑存在下進行。六十年代以前，主要應(yīng)用以Fe2O3為主體的催化劑，使用溫度范圍為350~550℃，由于操作溫度的限制，氣體經(jīng)變換后仍有3%左右的CO。六十年代以來，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

57、高而抗毒性差的CuO催化劑，操作溫度200~280℃，殘余CO可降至0.3%左右。為了區(qū)別上述兩種溫度范圍的變換過程，將前者稱為中溫變換，而后者則稱為低溫變換。合成氨廠二段爐出口氣中CO含量在10~15%左右，變換反應(yīng)又是一個強放熱反應(yīng)，而高溫變換催化劑操作溫度高壽命長，適于脫除大量的CO。根據(jù)進入變換系統(tǒng)原料氣的溫度及汽氣比，考慮氣體的預(yù)熱及增濕，合理利用預(yù)熱。根據(jù)變換出口氣的CO需求量來確定變換的具體形式。下面簡述兩種變換流程以作出

58、分析。</p><p>　　高變低變串聯(lián)流程。采用此流程時，一般與甲烷化方法配合。天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化法制氨過程中，由于原料氣中CO含量較低，高變催化劑只需布置一段。含CO為13~15%的原料氣經(jīng)廢熱鍋爐降溫，進入高變爐，因原料氣中水蒸汽含量較高，一般不需增濕。反應(yīng)后氣體中的CO含量降至3%左右，高變出口氣溫度較高，為滿足低變催化劑溫度使用要求，通過加熱鍋爐給水的方式來達到余熱的利用，同時高變出口氣被冷卻到低變催化劑使

59、用的溫度。</p><p>　　多段變換流程。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。</p><p>　　以天然氣為原料制氨，原料氣中CO含量較低，故本設(shè)計采用高變低變串聯(lián)流程。</p><p>　　1.4.5 CO2的脫除</p><p>　　

60、無論何種原料制氨，經(jīng)CO變換后，粗原料氣中都含有一定的CO2。</p><p>　　為了將粗原料氣加工成純凈的N2、H2，必須將這些CO2從原料氣中脫除。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。因此，從粗原料氣中分離的CO2大都需要回收，以送到相應(yīng)的車間處理。習(xí)慣上把脫除氣體中CO2的過程稱為“脫碳”。</p><p>　　目前，脫碳方法很多，

61、但工業(yè)上常用的是吸收法。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。</p><p>　　物理吸收法是利用CO2能溶解于水或有機溶劑這一性質(zhì)來完成的。國內(nèi)采用的方法有水洗法、低溫甲醇洗法、碳酸丙烯酯法等。吸收劑的最大吸收能力由在該溶劑中的溶解度來決定。吸收CO2后的溶液再生較為簡單，一般單靠減壓解析即可。</p><p>　　化學(xué)吸收法是利用氨水、K2CO3

62、、有機胺等堿性溶液為吸收劑，基于CO2是酸性氣體，能與溶液中的堿性物質(zhì)進行化學(xué)反應(yīng)而將其吸收?；瘜W(xué)吸收法種類繁多，例如：在用K2CO3溶液吸收CO2時，由于向溶液中添加不同的活化劑，分為改良砷堿法、本菲爾熱鉀堿法、催化熱鉀堿法等。在化學(xué)吸收過程中，溶液的吸收能力由反應(yīng)的化學(xué)平衡決定。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。再生的耗熱量在整個操作費用中占有相當(dāng)?shù)谋壤?，這是評價和選擇

63、脫碳方法的一個主要經(jīng)濟指標。此外，吸收后氣體的凈化度、吸收劑的物理化學(xué)性質(zhì)、價值和來源，都是應(yīng)考慮的問題。</p><p>　　環(huán)丁砜法和聚乙二醇二甲醚是既有物理吸收又有化學(xué)吸收的物理化學(xué)吸收方法。其中，環(huán)丁砜對CO2是一個良好的物理吸收劑，而烷基醇胺則很容易與CO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。用一定比例的環(huán)丁砜-醇胺-水溶液吸收CO2，當(dāng)氣體中CO2分壓較小時，以化學(xué)吸收為主，而當(dāng)氣相中的CO2分壓較高時，則物理吸收、化學(xué)吸

64、收同時進行，這樣既能保持溶液對CO2有較大的吸收能力，又可保證對氣體有較高的凈化度。</p><p>　　在選擇脫碳方法時，既要著眼于方法本身的特點，也需從整個流程，結(jié)合制氨原料、加工方法、副產(chǎn)CO2的用途、公用工程費用等方面去考慮。</p><p>　　當(dāng)采用高碳氫比的重油、煤為原料，部分氧化法制取原料時，由于需要純氧而設(shè)有空分裝置，一般多用液氮洗滌法脫除少量的殘余CO。在這種條件下考慮

65、脫碳方法，就可以選用低溫甲醇洗等物理吸收法較為合適。這是因為高碳氫比的原料，需脫除的CO2量較多，而低溫甲醇洗法在低溫加壓的條件下可以達到比其它任何熱法都大的吸收能力，且系統(tǒng)能量利用比較經(jīng)濟。</p><p>　　當(dāng)采用以低碳氫比的天然氣、石腦油為原料，蒸汽轉(zhuǎn)化法制取原料氣時，脫除CO2及殘余CO多選用熱鉀堿—甲烷化的所謂“熱法”流程。這是因為熱法脫碳需要較多的熱量，溶液的吸收能力又不如低溫甲醇洗法等物理吸收法。

66、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。反之，若脫碳采用低溫操作（冷法），而脫除殘余CO用高溫操作（甲烷化法），則從全流程來看，在變換之后先把氣體冷卻，而脫碳之后再把氣體加熱，這樣從能量利用上是不經(jīng)濟的。至于在熱鉀堿法中究竟選擇哪種活化劑流程，則需具體問題具體對待。</p><p>　　本設(shè)計采用活化劑為醇胺的本菲爾熱鉀堿法脫碳。</p><p

67、>　　1.4.6微量CO、CO2的脫除</p><p>　　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。為了防止它們對合成催化劑的毒害，規(guī)定CO和CO2的含量不得多于10ppm。因此，原料氣送往合成工序之前，還需要有一個最后凈化的步驟。</p><p>　　由于CO不是酸性氣體也不是堿性氣體，在各種無機、有機液體中的溶解度又很小，所以要脫除少量CO并不容易。這個問題

68、的解決，最初是引用氣體分析中以銅鹽氨溶液測定CO的方法。以后，又研究成功了低溫液氮洗滌法和甲烷化法。</p><p>　　銅氨液吸收法：這是1913年就開始采用的方法，在高壓和低溫下用銅鹽氨溶液吸收CO并生成新的絡(luò)合物，然后溶液在減壓加熱條件下再生。通常把銅氨液吸收CO的操作稱為“銅洗”，銅鹽氨溶液稱為“銅氨液”或“銅液”，凈化后的氣體稱為“銅洗氣”或“精煉氣”。</p><p>　　液氮

69、洗滌法：二十世紀二十年代以后，制氨原料擴大到焦?fàn)t氣。于是在空氣液化分離技術(shù)的基礎(chǔ)上，在低溫下逐級冷凝焦?fàn)t氣中各個高沸點組分，最后用液體氮把少量CO及殘余的CH4脫除。這是一個典型的物理過程，可以比銅洗法制得純度更高的氫氮混合氣。通常把用液體氮洗滌CO的操作稱為“氮洗”。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。</p><p>　　甲烷化法：這是上世紀六十年代開發(fā)的新方法。雖然在催化劑

70、的作用下用氫氣把CO還原成甲烷的研究工作早已完成，但因反應(yīng)過程要消耗氫氣，生成對合成氨反應(yīng)無用的甲烷，所以此法只能適用于CO含量較少的原料氣，直到低溫變換工藝成熟之后，才為CO的甲烷化反應(yīng)提供了條件。</p><p>　　1965年以后，國外新建合成氨廠全用甲烷化法和氮洗法替代銅洗法。國內(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。</p><p&

71、gt;　　過去，以烴類為原料的蒸汽轉(zhuǎn)化法制氨流程很少采用液體氮作為脫除CO的洗滌劑。六十年代后期出現(xiàn)了獨特的布朗凈化新流程，于甲烷化后再串聯(lián)液氮洗滌，從而制得了純度很高的氫氮混合氣，其中含惰性氣體甲烷、氮只有0.2%。</p><p>　　在本設(shè)計中是以氣態(tài)烴類為原料的蒸汽轉(zhuǎn)化法造氣的，并采用高溫變換串聯(lián)低溫變換的CO變換裝置，使變換氣中最終出口含量很低，因此本設(shè)計采用甲烷化法脫除氣體中微量的CO和CO2。<

72、;/p><p>　　1.5本設(shè)計主要工藝參數(shù)的確定與論證</p><p><b>　　1.5.1水碳比</b></p><p>　　所謂水碳比S/C，是指進口氣體中水蒸汽占含烴原料中碳分子數(shù)之比。這個指標表示轉(zhuǎn)化操作所用的工藝蒸汽量。在給定條件下，水碳比愈高，甲烷平衡含量愈低。</p><p>　　若工業(yè)上要提高轉(zhuǎn)化壓力而又

73、不提高轉(zhuǎn)化溫度的話，一般都采用提高水碳比的辦法來降低殘余甲烷含量。另一方面，提高水碳比，對析碳反應(yīng)有抑制作用。但是，烴類蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，如果提高水碳比，將降低一段爐出口溫度，一段爐出口殘余甲烷含量會上升，為了保證一段爐出口殘余甲烷不變，勢必要通過加大燃氣量來補充缺少的熱量，又增加了燃氣的消耗。所以，在經(jīng)濟方面考慮，要選擇一個合適的水碳比，目前一般選擇水碳比3.5~4。本設(shè)計取水碳比=3.5。</p><p&g

74、t;　　1.5.2轉(zhuǎn)化爐出口氣甲烷含量</p><p>　　烴類作為制氨原料，要求盡可能轉(zhuǎn)化完全。同時，甲烷在氨合成過程為一惰性氣體，有害無利。因此，要求轉(zhuǎn)化氣中殘余甲烷含量要低?？紤]到經(jīng)濟合理，一般要求轉(zhuǎn)化氣中甲烷少于0.5%（干基）。</p><p>　　考慮到目前合金鋼管只能在800~900℃下工作，把轉(zhuǎn)化分為兩段進行。一般情況下，一段爐、二段爐轉(zhuǎn)化氣中殘余甲烷分別按10%、0.5%

75、設(shè)計。</p><p>　　本設(shè)計取一段轉(zhuǎn)化氣中殘余甲烷含量為10%，二段轉(zhuǎn)化氣則為0.3%。</p><p><b>　　1.5.3轉(zhuǎn)化壓力</b></p><p>　　從烴類蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)的化學(xué)平衡考慮，宜在低壓下進行。轉(zhuǎn)化壓力從上世紀50年代初開始提高，逐漸提高到35~40atm下操作，其原因是：</p><p>　

76、　可以節(jié)省動力消耗。烴類蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)為體積增加的反應(yīng)，而氣體壓縮功是與氣體體積成正比的。所以壓縮含烴原料氣要比壓縮轉(zhuǎn)化氣省功。同時，由于氨是在高壓下合成，氫、氮混合氣壓縮機的吸入壓力愈高，功耗愈低。</p><p>　　可以提高過量蒸汽余熱的利用價值。由于轉(zhuǎn)化是在過量的水蒸汽條件下進行，經(jīng)CO變換冷卻后，可以回收原料氣大量余熱。其中水蒸汽冷凝熱占有相當(dāng)大的比例，這部分熱量與水蒸汽分壓有直接關(guān)系，壓力愈高，水蒸汽分

77、壓愈高，因此其冷凝溫度也愈高，蒸汽冷凝液的利用價值愈高。</p><p>　　可以減少原料氣制備系統(tǒng)的設(shè)備投資。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。</p><p>　　但轉(zhuǎn)化系統(tǒng)提高到一定壓力后就不能再繼續(xù)加壓，因為蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)是體積擴大的反應(yīng)，提高轉(zhuǎn)化壓力，反應(yīng)向體積縮小的方向進行對。為了達到預(yù)期的殘余甲烷含量，必須提高反應(yīng)溫度或增大S/C。若水碳比固定，就只有

78、采用提溫來補償壓力的影響。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。本設(shè)計一段爐出口壓力為34atm(絕)。</p><p>　　1.5.4高低變換出口氣中的CO含量</p><p>　　工業(yè)中，CO變換反應(yīng)均在催化劑存在下進行。高變催化劑主要應(yīng)用Fe2O3為主體的催化劑，使用溫度范圍350~550℃，由于操作溫度的限制，氣體經(jīng)高溫變換后仍有3%左

79、右的CO，低變催化劑一般用活性高的CuO催化劑，操作溫度在200~280℃，殘余CO可降至0.3%左右。同時合理地確定殘余CO含量，可以降低變換過程的水蒸汽消耗。</p><p>　　本設(shè)計取高變出口氣中殘余CO含量為3%，低變出口氣中殘余CO為0.4%。</p><p>　　1.5.5脫碳后CO2 殘余含量</p><p>　　本設(shè)計采用的是兩段吸收、兩段再生的本

80、菲爾溶液脫碳流程。這種流程的優(yōu)點比較明顯：在吸收塔中、下部，由于氣相CO2分壓較大，在此用由再生塔中部取出的具有中等轉(zhuǎn)化度的溶液（半貧液）在較高的溫度下吸收氣體，用半貧液洗滌過的氣體中仍含有一定量的CO2，在吸收塔上部繼續(xù)用在再生塔經(jīng)過進一步再生的、并經(jīng)過冷卻的貧液洗滌，洗滌后氣體中CO2的濃度科大0.1%（體積）以下。</p><p>　　1.5.6吸收、再生的溫度、再生塔的水汽比及溶液組成</p>

81、<p><b>　　1. 吸收溫度</b></p><p>　　提高吸收溫度可以使吸收系數(shù)加大，但卻使吸收的推動力降低。通常應(yīng)在保持有足夠的推動力的前提下，盡量將吸收溫度提高到和再生溫度相同或接近的程度，以節(jié)省再生的耗熱量。在兩段吸收、兩段再生流程中，半貧液的溫度和再生塔中部溫度幾乎相等，取決于再生操作壓力和溶液組成，約為110~115℃，而貧液的溫度，則根據(jù)吸收壓力和要求的凈

82、化氣濃度來確定，通常為70~80℃。</p><p>　　本設(shè)計采用的是半貧液經(jīng)過四級閃蒸后進入吸收塔的節(jié)能流程，進吸收塔的半貧液溫度設(shè)計為105℃，貧液71℃。</p><p><b>　　2.再生溫度</b></p><p>　　在再生過程中，提高溶液的溫度可以加快KHCO3的分解速度，這對再生是有利的。但是在生產(chǎn)上，再生塔是在沸點下操作的

83、，當(dāng)溶液的組成一定時，再生溫度僅與再生壓力有關(guān)。為了提高溶液的溫度而去提高操作壓力顯然不經(jīng)濟。因為操作壓力略微提高，將使解析推動力明顯下降，再生的耗熱量以及溶液對設(shè)備的腐蝕性也大大增加，同時要求再沸器有更大的傳熱面積。</p><p><b>　　3.再生塔頂水氣比</b></p><p>　　生產(chǎn)上多用分析再生塔頂出口氣中的水氣比（H2O/CO2）來判斷再沸器供熱是

84、否充足，塔頂H2O/CO2越大，說明從溶液中蒸發(fā)出來的水分越多，即表明再沸器的熱負荷越大。此時塔內(nèi)各點氣相中CO2分壓也相應(yīng)降低，所以再生速度也必然加快，然而再沸器的熱負荷加大也意味著再生的耗熱量增加。</p><p>　　本設(shè)計中，用H2O/CO2的值檢驗再沸器供熱是否合理，再生塔頂H2O/CO2計算值若在1.8~2.2之間，說明再生塔再生效果好，設(shè)計合理。</p><p><b&

85、gt;　　4.吸收液組成</b></p><p>　　K2CO3濃度：溶液對CO2的吸收能力受溶液中反應(yīng)物的平衡限制，提高K2CO3的濃度可以提高溶液對CO2的吸收能力，同時也可以加快反應(yīng)速度，而且吸收同樣多的CO2以后，所用的溶液含K2CO3越多，吸收后溶液的轉(zhuǎn)化度越低，吸收推動力越大。但溶液K2CO3的濃度越高，高溫下對設(shè)備的腐蝕性也越大，更為主要的是溶液中K2CO3的結(jié)晶點隨溶液濃度的增加而提高

86、。在操作不慎或開停車時，易生成結(jié)晶，造成操作困難和對設(shè)備的摩擦腐蝕。因此，通常為此K2CO3濃度為27~30%（wt）。</p><p>　　本設(shè)計取K2CO3濃度為27%。</p><p>　　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。在本菲爾熱鉀堿脫碳中，活化劑DEA含量約為2.5~5%，溶液中含有更多的活化劑，其活化作用的增加并不明顯，故本設(shè)計加入3

87、%的活化劑DEA。</p><p>　　緩蝕劑含量：以DEA為活化劑的熱鉀堿脫碳中，多以V2O5為緩蝕劑。在系統(tǒng)開車時，為了在設(shè)備表面生成牢固的鈍化膜，此時溶液中總釩濃度應(yīng)為0.7~0.8%以上（wt，以KVO3計）。而在正常生產(chǎn)時，溶液中的釩主要用于維持和“修補”已生成的鈍化膜，溶液中總釩含量可保持在0.5%左右，其中五價釩的含量為總釩含量的10%以上即可。另外，在溶液中鐵含量超過200ppm時，不可向系統(tǒng)中補

88、入V2O5，以免發(fā)生鐵釩共沉，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定。</p><p>　　本設(shè)計中總釩含量保持在0.5%。</p><p>　　消泡劑：消泡劑的作用是破壞氣泡間液膜的穩(wěn)定性，加速氣泡的破裂，降低溶液的表面張力，溶液中含量約為幾個到幾十個ppm。</p><p>　　目前常用的消泡劑有硅酮型、聚醚型以及高級醇類等。本設(shè)計采用硅酮型。</p><p>

89、　　1.5.7甲烷化爐入口溫度</p><p>　　用作甲烷化的鎳催化劑在200℃已有活性，也能承受800℃的高溫，但是不根據(jù)催化劑性能來確定溫度。實際生產(chǎn)中，低限應(yīng)高于生成毒物羰基鎳的溫度（200℃），高限應(yīng)低于反應(yīng)器材質(zhì)允許的設(shè)計溫度，一般在280~420℃的范圍。</p><p>　　本設(shè)計取甲烷化入口溫度為316℃。</p><p>　　1.6生產(chǎn)工藝流程的

90、評述與選擇</p><p>　　以天然氣為原料的蒸汽轉(zhuǎn)化工藝流程方塊圖如下</p><p><b>　　蒸汽</b></p><p><b>　　CH4</b></p><p><b>　　空氣</b></p><p>　　圖1-1 蒸汽轉(zhuǎn)化工藝流程方塊

91、圖</p><p>　　在天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化法生產(chǎn)合成氨過程中要消耗很多的能量，由于目前世界提倡節(jié)能，因此降低合成氨的能耗成為各公司的主攻方向，各種節(jié)能流程不斷涌現(xiàn)。目前天然氣制氨的新一代節(jié)能流程，國際、國內(nèi)均已經(jīng)工業(yè)化，主要有下列幾種流程，現(xiàn)分述如下：</p><p>　　1.6.1 M.W凱洛格公司</p><p>　　20世紀70年代以后，凱洛格公司開始研究并

92、推出了凱洛格節(jié)能流程。其具體特點如下：</p><p>　　在對流段出口與引風(fēng)機入口之間，增加一臺再生式空氣預(yù)熱器，回收一段爐排煙的熱量，加熱燃燒空氣。這樣，排煙溫度由原260℃降至130℃，提高了轉(zhuǎn)化爐的熱效率。與之配套進行的是：爐頂燒嘴及輔鍋燒嘴由原自吸式改成強制鼓風(fēng)式，節(jié)省了大量燃料，爐頂燒嘴由原200個，減為160個。</p><p>　　一段爐增設(shè)蒸汽過熱燒嘴：在對流段過熱蒸汽盤

93、管高溫段上方，增加20個過熱燒嘴（強制鼓風(fēng)式），使過熱蒸汽溫度，由原440℃提至460℃，使過熱蒸汽作功能力增大。</p><p>　　脫除CO2采用改良本菲爾溶液吸收，再生采用多級閃蒸，閃蒸出的蒸汽用噴射泵加壓去再生塔，用作再生蒸汽。又增設(shè)一低壓冷凝液鍋爐和鍋爐給水換熱器，進一步回收低變氣的余熱。為保證合成塔出口氣與鍋爐給水的換熱面積，維持原有工況，又增設(shè)一臺換熱器與原有換熱器串聯(lián)。</p>&l

94、t;p>　　合成氣壓縮機入口增設(shè)氨冷器，同時又增設(shè)一臺低壓鍋爐給水預(yù)熱器。</p><p>　　增設(shè)普利森氫回收裝置，回收馳放氣中的H2。</p><p>　　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。</p><p>　　凱洛格流程具有低能耗、流程簡單的特點而被廣泛利用。</p><p><b>　

95、　1.6.2布朗公司</b></p><p>　　Brown流程是繼合成氨裝置大型化后，與20世紀60年代末出現(xiàn)的，是在天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化流程基礎(chǔ)發(fā)展起來的，它有兩個特點：</p><p>　　降低S/C，降低一段爐轉(zhuǎn)化負荷，提高二段爐負荷。在一段爐管外加熱的熱效率只有45%，在二段爐內(nèi)加入過量50%的空氣，利用H2與空氣中氧氣的強反應(yīng)熱繼續(xù)轉(zhuǎn)化，這樣減少了一段爐的負荷，并將一段的

96、反應(yīng)熱后移，從而降低了一段爐的出口溫度（由原來的815℃降至696℃），一段轉(zhuǎn)化氣的殘余甲烷從10%升至29.22%。這樣設(shè)置有兩個優(yōu)點：一是節(jié)約燃料，可省1/3。二是爐管管壁厚度可以降至原來厚度的1/2左右，從而節(jié)約投資。</p><p>　　低溫方法的凈化：采用甲烷化作為少量CO與CO2的脫除方法，并在合成氣壓縮機之前增設(shè)冷箱除去多余的N2。</p><p>　　布朗流程的能耗比一般流

97、程低約10%。</p><p>　　1.6.3帝國化學(xué)公司（ICI）</p><p>　　英國ICI公司AMV工藝的基本設(shè)計理念與布朗公司有很多相似之處，其主要特點為：</p><p>　　采用20%的過量空氣供給二段轉(zhuǎn)化，從而使一段轉(zhuǎn)化操作溫和，水碳比由傳統(tǒng)的3.5降至2.7~2.8，使噸氨耗汽由4.6噸下降到2.9噸，雖然由此增加了輸送空氣的動力，仍是經(jīng)濟的因一

98、段爐操作改善，轉(zhuǎn)化溫度下降，操作壓力提高。</p><p>　　為消除由于過量空氣帶來的過量氮氣，對合成回路馳放氣采用深冷回收氫，這一回收是在與合成回路基本等壓的情況下進行，回收的氫氣直接返回循環(huán)機入口，加壓后繼續(xù)利用。</p><p>　　合成工序采用ICI獨立開發(fā)的低壓（60~110bar）、低溫（400℃）高活性催化劑。</p><p>　　1.6.4托普索（

99、Hald TopsØe）公司</p><p>　　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)并逐步進行優(yōu)化，而很少引用全新的技術(shù)。</p><p>　　托普索節(jié)能的主要工藝特點是轉(zhuǎn)化爐煙道氣熱量回收、本菲爾低熱能脫碳，托普索200型合成塔和新型催化劑的應(yīng)用。</p><p>　　1.6.5伍德（Uhde）公司</p><p&g

100、t;　　伍德從事合成氨工藝技術(shù)開發(fā)多年，在提高工廠效率和可靠性，降低總成本的開發(fā)中，發(fā)展了伍德自己的“低能耗工藝”概念。</p><p>　　伍德在低能耗體現(xiàn)在：轉(zhuǎn)化爐方面和Brown及AMV工藝原理基本相同，只是S/C只降到3.0。在脫碳方面，它們采用BASF的MDEA工藝。合成回路采用和S-250基本相似的雙塔結(jié)構(gòu)。</p><p>　　和其它一些制氨工藝開發(fā)一樣，伍德也研究利用工藝熱

101、來推動蒸汽轉(zhuǎn)化，并把轉(zhuǎn)化、部分氧化結(jié)合在一個容器中，命名為“聯(lián)合自熱式轉(zhuǎn)化器”。</p><p>　　本設(shè)計選用Kellogg節(jié)能流程。</p><p>　　1.7合成氨生產(chǎn)原理與本設(shè)計生產(chǎn)流程的綜述</p><p>　　1.7.1原料氣的脫硫</p><p>　　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

102、方法除去：即在過量H2存在條件下，催化轉(zhuǎn)化成</p><p>　　H2S，然后，再用熱的ZnO催化劑床層吸附以進一步脫除干凈。</p><p><b>　　反應(yīng)如下：</b></p><p>　　CS2+4H2=2H2S+CH4</p><p>　　COS+H2=H2S+CO</p><p>　　

103、H2S+ZnO= ZnS+H2O</p><p>　　流程：原料天然氣經(jīng)壓縮后，在一段爐對流段原料氣預(yù)熱盤管中預(yù)熱，隨即與來自合成回路的富氫氣體混合，混合后含氫約5%的氣體進入加氫轉(zhuǎn)化器，向下經(jīng)過二層鈷鉬催化劑，從加氫轉(zhuǎn)化器出來的原料氣通過串聯(lián)的氧化鋅脫硫槽，所有的S都被吸收成為ZnS。原料氣自氧化鋅脫硫槽出來與水蒸汽混合進入一段爐對流段的混和原料氣盤管。</p><p>　　1.7.2烴

104、類蒸汽轉(zhuǎn)化</p><p>　　脫硫之后，就在高溫、高壓下，用鎳催化劑來促進原料氣與水蒸汽進行吸熱反應(yīng)。反應(yīng)：在一段爐和二段爐中，催化劑加速兩個同時進行的平衡反應(yīng)</p><p>　　CH4+2H2O CO2+4H2</p><p>　　CH4+2H2O CO +4H2</p><p>　　流程：天然氣經(jīng)脫硫后，總硫含量小于0

105、.5ppm，根據(jù)水碳比配入工藝蒸汽后進入對流段加熱到500~520℃，然后送到輻射段頂部，分配進入各轉(zhuǎn)化管，氣體自上而下流經(jīng)催化劑。在這里進行烴類蒸汽轉(zhuǎn)化的吸熱反應(yīng)，離開反應(yīng)管底部的轉(zhuǎn)化氣溫度為800~820℃左右，匯合于集氣管，再沿著集氣管中間的上升管上升，繼續(xù)吸收一些熱量，經(jīng)輸氣總管送往二段爐。</p><p>　　工藝空氣經(jīng)壓縮機加壓到33~35atm，也配入少量蒸汽，然后進入對流段的工藝空氣盤管加熱到45

106、0℃左右，進入二段爐頂部與一段轉(zhuǎn)化氣匯合，在二段爐頂部燃燒區(qū)燃燒、放熱，溫度升到1000℃，再通過催化劑床層繼續(xù)反應(yīng)并吸收熱量。</p><p>　　離開二段爐的轉(zhuǎn)化氣送入兩臺并聯(lián)的第一廢熱鍋爐，接著又進入第二廢熱鍋爐，這三臺鍋爐都副產(chǎn)高壓蒸汽。從第二廢鍋出來的氣體送往變換工序。</p><p>　　1.7.3 CO變換</p><p>　　一氧化碳與水蒸汽共存的

107、系統(tǒng)，是含有C、H、O等三個元素的系統(tǒng)，變換反應(yīng)：CO+H2O(g) CO2+H2（1），從熱力學(xué)角度，不但可能進行上式的反應(yīng)，而且還可產(chǎn)生其它反應(yīng)，如：CO+H2 C+H2O（2） CO+3H2 CH4+H2O（3）</p><p>　　還可舉出其它反應(yīng)，這一點與甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化、碳氣化等系統(tǒng)中出現(xiàn)的反應(yīng)式有相似之處。但由于所用催化劑對反應(yīng)（1）具有良好的選擇性，從而抑制了其它反

108、應(yīng)的發(fā)生。本設(shè)計采用高變串低變流程。</p><p>　　流程：含CO的原料氣經(jīng)廢熱鍋爐降溫，進入高變爐，因原料氣中水蒸汽含量較高，一般不需添加蒸汽。經(jīng)反應(yīng)后氣體中CO降至3%。氣體通過高變廢熱鍋爐，再進入低變爐入口換熱器降溫后進入低變爐，低變爐出口氣殘余CO降至0.4%。</p><p>　　低變氣的余熱還可進一步回收。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

109、串聯(lián)的兩個換熱器，兩路工藝氣經(jīng)降溫匯合后，進入CO2吸收塔。</p><p>　　1.7.4原料氣中CO2的脫除</p><p>　　本設(shè)計采用的是節(jié)能型本菲爾熱鉀堿脫碳，用兩段吸收、兩段再生的流程。本菲爾法是化學(xué)吸收法，用K2CO3水溶液吸收低變氣中的CO2。</p><p>　　反應(yīng)如下：K2CO3+ CO2+H2O 2KHCO3</p>

110、<p>　　生成的KHCO3在減壓和受熱時，又可放出CO2，重新生成K2CO3，因而可循環(huán)使用。</p><p>　　變換氣經(jīng)吸收塔底部 的氣體分布管進入吸收塔，在塔內(nèi)分別用105℃的半貧液和71℃的貧液進行洗滌。出塔的凈化氣溫度71℃，CO2含量為0.1%，經(jīng)凈化氣分離器分離掉氣體夾帶的液滴及少量的冷凝水后，進入甲烷化系統(tǒng)。</p><p>　　富液由吸收塔底引出。為了回收