合成氨装置合成工段工艺设计

合成氨装置合成工段工艺设计内容摘要：

位 , 现已掌握了以焦炭、无烟煤、焦炉气、天然气及油田伴生气和液态烃多种原料生产合成氨、尿素的技术 , 形成了特有的煤、石油、天然气原料并存和大、中、小生产规模并存的生产格局。 目前合成氨总生产能力为 4500万吨 /年左右 , 氮肥工业已基本满足了国内需求 , 在与国际接轨后 , 具备与国际合成氨 产品竞争的能力 , 今后发展重点是调整原料和产品结构 , 进一步改善经济性。 我国目前有大型合成氨装置共计 34套 , 生产能力约 1000万吨 /年。 其下游产品除 1 套装置生产硝酸磷肥之外 , 均为尿素。 按照原料类型分 : 以天然气 ( 油田气 ) 为原料的 17套 , 以轻油为原料的6套 ,以重油为原料的 9套 , 以煤为原料的 2套。 我国目前有中型合成氨装置 55套 , 生产能力约为 500万吨 /年。 其下游产品主要是尿素和硝酸铵。 其中以煤、焦为原料的装置有 34套 , 以渣油为原料的装置有 9套 , 以气为原料的装置有 12套。 目前有小型合成 氨装置 700多套 , 生产能力约为 3000万吨 /年。 其下游产品原来主要是碳酸氢铵 , 现有112套经过改造生产尿素。 原料以煤、焦为主 , 其中以煤、焦为原料的占 96%, 以气为原料的仅占4%。 合成氨技术未来的发展趋势 根据合成氨技术发展的情况分析 , 估计未来合成氨的基本生产原理将不会出现原则性的改变 , 其技术发展将会继续紧密围绕 ―降低生产成本、提高运行周期 , 改善经济性 ‖ 的基本目标 , 进一步集中在 ―大型化、低能耗、结构调整、清洁生产、长周期运行 ‖等方面进行技术的研究开发。 以 ―油改气 ‖和 ―油改煤 ‖为核心的原料结构调整和以 ―多联产和再加工 ‖为核心的产品结构调整 , 是合成氨装置 ―改善经济性、增强竞争力 ‖的有效途径。 全球原油供应处于递减模式 , 正处于总递减曲线的中点 , 预计到 2020年原油将出现自然短缺 , 需用其他能源补充。 实施与环境友好的清洁生产是未来合成氨装置的必然和惟一的选择。 生产过程中不生成或很少生成副产物、废物 , 实现或接近 ―零排放 ‖的清洁生产技术将日趋成熟和不断完善。 提高生产运转的可靠性 , 延长运行周期是未来合成氨装置 ―改善经济性、增强竞争力 ‖的必要保证。 有利于 ―提高装置生产运转率、延长 运行周期 ‖的技术 , 包括工艺优化技术、先进控制技术等将越来越受到重视。 我国合成氨的未来展望 原料路线的变化方向 煤的储量约为石油、天然气总和的 10 倍，自从 70 年代中东石油涨价后，从煤制氨路线重新受到重视但因以天然气为原料合成氨厂不需储备原料、流动资金占用少，加之能耗低，基建投资省，比以煤为原料的厂生产尿素成本低得多，所以天然气原料的大型合成氨的装置是最佳选择。 目前世界各国用天然气为原料占 80%，美国和前苏联分别占 %和 %，而我国仅占22%~25%。 我国天然气产地基本集中 在四川、新疆、陕甘宁和海南，我国石油资源并不丰富，近年受世界石油价格攀升的影响使中国合成氨尿素生产成本增高。 我国煤炭资源丰富，分布地区广，用煤为原料生产氨约占氨总产量的 67%，预期我国合成氨原料在一段时间内仍然是煤、油、气并存的态势。 节能和降耗 合成氨，除原料为天然气、石油、煤炭等一次能源外，整个生产过程还需要较多的电力、蒸汽等二次能源，而且量又很大。 现在合成氨能耗约占世界能源消费总量的 3%，中国合成氨生产能耗约占全国能耗的 4%。 由于吨氨生产成本中能源费用占 70%以上，因而能耗是衡量合成氨技术 水平和经济效益的重要标志。 合成氨生产的技术改进重点放在采用低能耗工艺、充分且吸收合理利用能量上，主要方向是研制性能更好的催化剂、开发新的原料气净化方法、降低消耗、回收和合理利用低位热能等。 合成氨要转向大型化， 根据中国氮肥工业协会的统计， 1979 年全国小型氮肥生产厂有 1539家，到 1998年仅剩 828 家，实际生产厂家 661 家，其中约 250 家进入中型氮肥厂行列。 小型合成氨厂生产能力约 2020 万 t／ a，其产量为 l724． 5 万 t／ a，约占全国合成氨总产量的 ％，氮肥产量 万 t／ a(拆纯 )，占全国氮 肥总量的 ％。 小型氮肥厂是建国初具有中国特色社会主义国产化民族工业，虽然存在工艺落后、能耗高、污染大、技术水平低、缺乏市场竞争能力等缺点，但其优势是可以利用我国丰富的无烟煤作为原料，而且小规模的煤气化技术国外无可借鉴，是自力更生开发创造出来的。 由于其生产装备规模小、能耗高、环保差、效率低，煤制小型氨厂生产碳铵时可以达到氨碳平衡，而生产尿素时吨尿素产品排放的 CO2可达 400kg，从而对大气环境造成危害。 小型氮肥厂今后将逐步由现代化大型氮肥厂所代替，这是当代科技发展的必然趋势。 与其他产品联合生 产 合成氨生产中副产大量的二氧化碳，不仅可用于冷冻、饮料、灭火，也是生产尿素、纯碱、碳酸氢铵的原料。 如果在合成氨原料气脱除二氧化碳过程中能联合生产这些产品，则可以简化流程、减少能耗、降低成本。 5 第二章 技术基础 工艺原理 氨合成反应的特点 氨合成的化学反应式如下： QNHN21H23 322  这一化学反应具有如下几个特点： （ 1） 是可逆反应。 即在氢气和氮气反应生成氨的同时，氨也分解成氢气和氮气。 （ 2） 是放热反应。 在生成氨的同时放出热量，反应热与温度、压力有关。 是体积缩小的反应。 （ 3） 反应需要有催化剂才能较快的进行。 （ 4） 反应需要有催化剂才能较快的进行。 氨合成反应的化学平衡 平衡常数 氨合成反应的平衡常数 pK 可表示为： pK =)N(p)H(P )NH(p 3 式中 p(NH3)、 p(H2)、 p(N2)为平衡状态下氨、氢、氮的分压。 由于按合成反应是可逆、放热、体积缩小的反应，根据平衡移动定律可知，降低温度，提高压力，平衡向生成氨的方向移动， 因此平衡常数增大。 平衡氨含量 反应达到平衡时按在混和气体中的百分含量，称为平衡氨含量，或称为氨的平衡产率。 平衡氨含量是给定操作条件下，合成反应能达到的最大限度。 计算平衡常数的目的是为了求平衡氨含量。 平衡氨含量与压力、平衡常数、惰性气体含量、氢氮比例的关系如下：223 3 )1()](1[)( rrPKYNHY NHY pi  式中 )( 3NHY 平衡时氨的体积百分数 iY 惰性气体的体积百分数 p总压力 pK 平衡常数 r氢氮比例 由式可见，温度降低或压力升高时，等式右方增加，因此平衡氨含量也增加。 所以，在实际生产中，氨的合成反应均在加压下进行。 工艺流程简述 合成系统 从甲烷化来的新鲜气（ 40℃ 、 、 H2/N2=3： 1）先经压缩前分离罐 (104F)进合成气压缩机 (103J)低压段， 在压缩机的低压缸将新鲜气体压缩到合成所需要的最终压力的二分之一左右，出低压段的新鲜气先经 106C用甲烷化进料气冷却 至 ℃ ，再经水冷器 (116C)冷却至38℃ ,最后经氨冷器 (129C)冷却至 7℃ ,后与氢回收来的氢气混合进入中间分离罐 (105F)，从中间分离罐出来的氢氮气再进合成气压缩机高压段。 合成回路来的循环气与经高压段压缩后的氢氮气混合进压缩机循环段，从循环段出来的合成气进合成系统水冷器 (124C)。 高压合成气自最终冷却器 124C出来后，分两路继续冷却，第一路串联通过原料气和循环气一级和二级氨冷器 117C 和 118C 的管侧，冷却介质都是冷冻用液氨，另一路通过就地的 MIC23 节流后，在合成塔进气和循 环气换热器 120C 的壳侧冷却，两路会合后，又在新鲜气和循环气三级氨冷器 119C 中用三级液氨闪蒸槽 112F 来的冷冻用液氨进行冷却，冷却至 ℃。 冷却后的气体经过水平分布管进入高压氨分离器（ 106F），在前几个氨冷器中冷凝下来的循环气中的氨就在 106F 中分出，分离出来的液氨送往冷冻中间闪蒸槽 (107F)。 从氨分离器出来后，循环气就进入合成塔进气 新鲜气和循环气换热器 120C 的管侧，从壳侧的工艺气体中取得热量，然后又进入合成塔进气 出气换热器 (121C)的管侧，再由HCV11 控制进入合 成塔 (105D)，在 121C 管侧的出口处分析气体成分。 SP35 是一专门的双向降爆板装置，是用来保护 121C 的换热器，防止换热器的一侧卸压导致压差过大而引起破坏。 合成气进气由合成塔 105D 的塔底进入，自下而上地进入合成塔，经由 MIC13 直接到第一层触媒的入口，用以控制该处的温度，这一近路有一个冷激管线，和两个进层间换热器付线可以控制第二、第三层的入口温度必要时可以分别用 MIC1 15 和 16 进行调节。 气体经过最底下一层触媒床后，又自下而上地把气体导入内部换热器的管侧，把热量传给进来的气体，再由 105D 的顶部出口引出。 合成塔出口气进入合成塔 锅炉给水换热器 123C 的管侧，把热量传给锅炉给水，接着又在 121C 的壳侧与进塔气换热而进一步被冷却，最后回到 103J 高压缸循环段 (最后一个叶轮 )而完成了整个合成回路。 合成塔出来的气体有一部分是从高压吹出气分离缸 108F经 MIC18调节并用 Fl63指示流量后，送往氢回收装置或送往一段转化炉燃料气系统。 从合成回路中排出气是为了控制气体中的甲烷化和氩的浓度，甲烷和氩在系统中积累多了会使氨的合成率降低。 吹出气在进入分离罐108F 以前先在氨冷器 125C 冷却，由 108F 分出的液氨送低压氨分离器 107F 回收。 合成塔备有一台开工加热炉 (102B)，它是用于开工时把合成塔引温至反应温度，开工加热炉的原料气流量由 FI62指示，另外，它还设有一低流量报警器 FAL85与 FI62配合使用， MIC17调节102B燃料气量。 冷却系统 合成来的液氨进入中间闪蒸槽 (107F)，闪蒸出的不凝性气体通过 PICA8 排出作为燃料气送一段炉燃烧。 分离器 107F装有液面指示器 LI12。 液氨减压后由液位调节器 LICA12 调节进入三级闪蒸罐 (112F)进一步闪蒸，闪蒸后作为冷冻用的液氨进入系统中。 冷冻的一、二、三级闪蒸罐操作压力分别为 :(G)、 (G)、 (G)，三台闪蒸罐与合成系统中的第一、二、三氨冷器相对应，它们是按热虹吸原理进行冷冻蒸发循环操作的。 液氨由各闪蒸罐流入对应的氨冷器，吸热后的液氨蒸发形成的气液混合物又回到各闪蒸罐进行气液分离，气氨分别进氨压缩机 (105J)各段气缸，液氨分别进各氨冷器。 由液氨接收槽 (109F)来的液氨逐级减压后补入到各闪蒸罐。 一级闪蒸罐 (110F)出来的液氨除送第 一氨冷器 (117C)外，另一部分作为合成气压缩机 (103J)一段出口的氨冷器 (129C)和闪蒸罐氨冷器 (126C)的冷源。 氨冷器 (129C)和 (126C)蒸发的气氨进入二级闪蒸罐 (111F)， 110F多余的液氨送往 111F。 111F 的液氨除送第二氨冷器 (118C)和弛放气氨冷器 (125C)作为冷冻剂外，其余部分送往三级闪蒸罐 (112F)。 112F 的液氨除送 119C 外，还可以由冷氨产品泵 (109J)作为冷氨产品送液氨贮槽贮存。 由三级闪蒸罐 (112F)出来的气氨进入氨压缩机 (105J)一段压缩，一段出口与 111F来的气氨汇合进入二段压缩，二段出口气氨先经压缩机中间冷却器 (128C)冷却后， 与 110F来的气氨汇合进入三段压缩，三段出口的气氨经氨冷凝器 (127CA、 CB)，冷凝的液氨进入接收槽 (109F)。 109F中的闪蒸气去闪蒸罐氨冷器 (126C)，冷凝分离出来的液氨流回 109F，不凝气作燃料气送一段炉燃烧。 109F中的液氨一部分减压后送至一级闪蒸罐 (110F)，另一部分作为热氨 经热氨产品泵 (13P1,2)送往尿素装置。 7 第三 章 工艺计算 物料衡算 合成塔当量氨产量及出塔气组成的计算 以 1kmol合成塔进口气为计算基准。 (1) VP的计算 32H2 + 31N2 = NH3 (10) 由图 2 和化学方程式 9 可知： VP = (1 VP) ya,5 yb,5 () 式中： VP —— 合成塔当量氨含量， kmol/kmol； ya,5—— 合成塔出塔气中氨的摩尔分率， %； yb,5—— 合成塔入塔气中氨的摩尔分率， %。 由式 ()及表 1 中 yb,5=(初值 ), ya,5= 得： VP= (ya,5yb,5)(1+ya,5) =)( )(   = 0..084105kmol/kmol (2) ya,i 的计算 由图 2 和化学方程式 9 可知： ya,1(1VP 21 VP=yb,1 ()。