30萬(wàn)噸合成氨畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)論文年產(chǎn)30萬(wàn)噸合成氨轉(zhuǎn)化、凈化工段前 言本設(shè)計(jì)是年產(chǎn)30萬(wàn)噸合成氨轉(zhuǎn)化、凈化工段的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)分兩部分。第一部分是綜述，分九章討論了氨的性質(zhì)、用途及其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位，合成氨工業(yè)的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)，現(xiàn)代大型氨長(zhǎng)的生產(chǎn)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)方案的論證，生產(chǎn)方法的綜述與選擇，本設(shè)計(jì)主要工藝參數(shù)的論證與確定，生產(chǎn)工藝流程的評(píng)述與選擇，合成氨生產(chǎn)原理與本設(shè)計(jì)生產(chǎn)流程的敘述及本設(shè)計(jì)主要設(shè)備一覽表。第二部分是工藝設(shè)計(jì)計(jì)算，分別進(jìn)行了消耗定額，返氫量的計(jì)算、天然氣催化轉(zhuǎn)化的計(jì)算、co變換、氣體凈化、甲烷化過(guò)程的物料與熱量衡算，換熱器熱負(fù)荷計(jì)算，最后進(jìn)行了設(shè)備計(jì)算-加壓兩段填料吸收塔工藝設(shè)計(jì)計(jì)算。本設(shè)計(jì)附

2、有轉(zhuǎn)化、凈化工段帶控制點(diǎn)的工藝流程圖、co2吸收塔的裝配圖。本設(shè)計(jì)選用kellogg節(jié)能型流程，具有能耗低、流程簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。目 錄第一章.綜述41.1 氨的性質(zhì)、用途及其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位61.2合成氨工業(yè)的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)61.3現(xiàn)代大型氨廠的生產(chǎn)特點(diǎn)81.4設(shè)計(jì)方案的論證101.4.1原料的選擇101.4.2原料的脫硫101.4.3造氣121.4.4一氧化碳變換151.4.5 co2的脫除161.4.6微量co、co2的脫除181.5本設(shè)計(jì)主要工藝參數(shù)的確定與論證201.5.1水碳比201.5.2轉(zhuǎn)化爐出口氣甲烷含量211.5.3轉(zhuǎn)化壓力211.5.4高低變換出口氣中的co含量221.5.

3、5脫碳后co2 殘余含量221.5.6吸收、再生的溫度、再生塔的水汽比及溶液組成231.5.7甲烷化爐入口溫度251.6生產(chǎn)工藝流程的評(píng)述與選擇251.6.1 m.w凱洛格公司261.6.2布朗公司271.6.3帝國(guó)化學(xué)公司（ici）271.6.4托普索（hald topse）公司281.6.5伍德（uhde）公司281.7合成氨生產(chǎn)原理與本設(shè)計(jì)生產(chǎn)流程的綜述281.7.1原料氣的脫硫281.7.2烴類(lèi)蒸汽轉(zhuǎn)化291.7.3 co變換301.7.4原料氣中co2的脫除311.7.5甲烷化脫除微量的co及co232第二章 工藝設(shè)計(jì)計(jì)算342.1設(shè)計(jì)依據(jù)：342.2消耗定額、返氫量的計(jì)算342.2

4、.1計(jì)算條件：352.2.2計(jì)算變量352.2.3求解變量352.2.4計(jì)算352.3轉(zhuǎn)化382.3.1一段轉(zhuǎn)化爐物料衡算382.3.2二段爐物料、熱量衡算422.4變換502.4.1高變物料、熱量計(jì)算502.4.2低變爐物料、熱量衡算532.4.3 102-f排水量計(jì)算562.5 co2吸收塔原料氣系統(tǒng)物料衡算582.5.1計(jì)算條件：582.5.2.計(jì)算582.6甲烷化612.6.1甲烷化爐的物料衡算612.6.2甲烷化爐熱量衡算622.6.3校核642.6.4 104-f排水量的計(jì)算652.7凈化662.7.1本菲爾溶液循環(huán)量的計(jì)算662.7.2 1103-f排水量及回流水量的計(jì)算682.

5、7.3 1110-c、1104-c熱負(fù)荷的計(jì)算722.7.4吸收、再生系統(tǒng)的熱平衡752.8換熱器熱負(fù)荷的計(jì)算842.8.1 103-c熱負(fù)荷計(jì)算842.8.2 104-c熱負(fù)荷計(jì)算852.8.3 1107-c的熱負(fù)荷852.8.4 114-c熱負(fù)荷計(jì)算862.8.5 144-c熱負(fù)荷計(jì)算872.8.6 115-c的熱負(fù)荷計(jì)算892.8.7 1115-c熱負(fù)荷計(jì)算902.8.8 136-c熱負(fù)荷計(jì)算92第三章加壓兩段填料吸收塔設(shè)計(jì)943.1設(shè)計(jì)項(xiàng)目：943.2設(shè)計(jì)條件943.3設(shè)計(jì)計(jì)算963.3.1塔型設(shè)計(jì)963.3.2 流體接觸方式及噴淋963.3.3填料選擇963.3.4上塔塔徑計(jì)算973

6、.3.5上塔填料高度計(jì)算1023.3.6下塔塔徑計(jì)算及下塔填料計(jì)算1053.3.7校核計(jì)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?；适寝r(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。1.1 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0.771kg/m3

7、，比重0.5971，沸點(diǎn)-33.35，固體氨溶點(diǎn)-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(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?000ppm的氨含量既能使人在短時(shí)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(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

8、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)cu、ag、zn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

9、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?？梢?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

10、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)。1.2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

11、廠。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，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

12、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ici、kellogg、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

13、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)

14、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)?，使能量利用更合理。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1.53mm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hk-40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

15、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。1.3現(xiàn)代大型氨廠的生產(chǎn)特點(diǎn)現(xiàn)代大型氨廠的生產(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)在世界新建氨廠大都采用單系列大型裝置。但大型合成氨裝置超過(guò)一

16、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

17、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(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)大型化的合成氨廠造成的經(jīng)

18、濟(jì)損失也是巨大的。1.4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)。1.4.1原料的選擇表1-1 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35.61石腦油加壓蒸汽轉(zhuǎn)化36.81.15重油加壓蒸汽轉(zhuǎn)化41.61.5煤加壓連續(xù)氣化48.61.82.1煤常壓連續(xù)氣化58.61.82.1水電解117.32.2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。1.4.2原料的脫硫無(wú)論哪種原料，都含有一定的硫分。硫主要以h2

19、s、cs2、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。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0.5ppm。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2-2 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

20、、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?；钚蕴棵摮裏o(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

21、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倭縣2s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0.02ppm。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。1.4.3造氣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

22、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)：c+o2 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

23、完全氧化反應(yīng)，以重油為例，其反應(yīng)式如下：cmhn+m/2o2 mco+n/2h2(h0)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)：ch4+2h2o co2+4h2 (1)ch4+2h2o co +4h2 (2) ch4+co2 2co+2h2 (3)c

24、h4+2co2 3co + h2+h2o (4) ch4+3co2 4co+2h2o (5) co+h2o co2+ h2 (6)副反應(yīng)：ch4 c+2h2 (7)2co c+co2 (8) co+h2 c+h2o (9)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(dú)立反應(yīng)數(shù)為6-3=3，因此用(1)、(6)、(7)三個(gè)方程式就可表示這一系列反應(yīng)。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(duì)合成氨而言，大都采用二段轉(zhuǎn)化流程。這是因?yàn)椋簾N類(lèi)作為制氨原料，要求盡可能轉(zhuǎn)化完全。同時(shí)，甲烷在氨合成過(guò)程為一惰性氣體，它會(huì)在合成回路中逐漸積累，

25、有害無(wú)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(jì)合理，一般要求轉(zhuǎn)化氣中殘余甲烷0.5%（干基）。為了達(dá)到這項(xiàng)目標(biāo)，在加壓操作條件下，相應(yīng)的蒸汽轉(zhuǎn)化溫度需在1000以上。對(duì)于吸熱的蒸汽烴類(lèi)轉(zhuǎn)化反應(yīng)，要在高溫下進(jìn)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800900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(guò)程分段進(jìn)行的流程。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，再進(jìn)一步進(jìn)行蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)，使二段爐出口氣中甲烷徹底反應(yīng)。本設(shè)計(jì)采用二段轉(zhuǎn)化流程。1.

26、4.4一氧化碳變換合成氨原料氣中的co，一般分兩次除去，大部分先通過(guò)變換反應(yīng)：co+h2o(g) co2+h2 h2980=-41.19kj/molco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(shí)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(jià)的水蒸汽。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(duì)氨的合成不利，更嚴(yán)重的是生成的水會(huì)使鐵催化劑中毒，所以轉(zhuǎn)化氣中的co必須除去，通過(guò)co變換成co2的方法來(lái)除去co，再設(shè)法除去co2，最后少量殘余的co再

27、通過(guò)其它凈化法加以脫除。工業(yè)中，co變換反應(yīng)均在催化劑存在下進(jìn)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350550，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(lái)，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高而抗毒性差的cuo催化劑，操作溫度200280，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(guò)程，將前者稱(chēng)為中溫變換，而后者則稱(chēng)為低溫變換。合成氨廠二段爐出口氣中co含量在1015%左右，變換反應(yīng)又是一個(gè)強(qiáng)放熱反應(yīng)，而高溫變換催化劑操作溫度高壽命長(zhǎng)，適于脫除大量的co。根據(jù)進(jìn)入變換系統(tǒng)原料氣

28、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(lái)確定變換的具體形式。下面簡(jiǎn)述兩種變換流程以作出分析。高變低變串聯(lián)流程。采用此流程時(shí)，一般與甲烷化方法配合。天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化法制氨過(guò)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1315%的原料氣經(jīng)廢熱鍋爐降溫，進(jìn)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(mǎn)足低變催化劑溫度使用要求，通過(guò)加熱鍋爐給水的方式來(lái)達(dá)到余熱的利用，同時(shí)高變出口氣被冷卻到低變催化劑使用的溫度。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

29、中溫變換，且由于進(jìn)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。以天然氣為原料制氨，原料氣中co含量較低，故本設(shè)計(jì)采用高變低變串聯(lián)流程。1.4.5 co2的脫除無(wú)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。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(chē)間處理。習(xí)慣上把脫除氣體中co2的過(guò)程稱(chēng)為“脫碳”。目前，脫碳方法很多，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

30、及物理化學(xué)吸收法三種。物理吸收法是利用co2能溶解于水或有機(jī)溶劑這一性質(zhì)來(lái)完成的。國(guó)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(lái)決定。吸收co2后的溶液再生較為簡(jiǎn)單，一般單靠減壓解析即可?；瘜W(xué)吸收法是利用氨水、k2co3、有機(jī)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(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而將其吸收?；瘜W(xué)吸收法種類(lèi)繁多，例如：在用k2co3溶液吸收co2時(shí)，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(guò)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

31、，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(gè)操作費(fèi)用中占有相當(dāng)?shù)谋壤?，這是評(píng)價(jià)和選擇脫碳方法的一個(gè)主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。此外，吸收后氣體的凈化度、吸收劑的物理化學(xué)性質(zhì)、價(jià)值和來(lái)源，都是應(yīng)考慮的問(wèn)題。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(duì)co2是一個(gè)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(shí)，以化學(xué)吸收為主，而當(dāng)氣相中的co2分壓較高時(shí)，則物理吸收、化學(xué)吸收同時(shí)進(jìn)行，這樣既能保持溶液對(duì)co2有較大的吸收能力，又可保證對(duì)氣體有較高的凈化度。在選擇脫碳方

32、法時(shí)，既要著眼于方法本身的特點(diǎn)，也需從整個(gè)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(fèi)用等方面去考慮。當(dāng)采用高碳?xì)浔鹊闹赜?、煤為原料，部分氧化法制取原料時(shí)，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?yàn)楦咛細(xì)浔鹊脑希杳摮腸o2量較多，而低溫甲醇洗法在低溫加壓的條件下可以達(dá)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(jì)。當(dāng)采用以低碳?xì)浔鹊奶烊粴?、石腦油為原料，蒸汽轉(zhuǎn)化法制取原料氣時(shí)，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?yàn)闊岱撎夹枰^多的熱量，溶

33、液的吸收能力又不如低溫甲醇洗法等物理吸收法。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(lái)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(jì)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(wèn)題具體對(duì)待。本設(shè)計(jì)采用活化劑為醇胺的本菲爾熱鉀堿法脫碳。1.4.6微量co、co2的脫除經(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(duì)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

34、，還需要有一個(gè)最后凈化的步驟。由于co不是酸性氣體也不是堿性氣體，在各種無(wú)機(jī)、有機(jī)液體中的溶解度又很小，所以要脫除少量co并不容易。這個(gè)問(wèn)題的解決，最初是引用氣體分析中以銅鹽氨溶液測(cè)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。銅氨液吸收法：這是1913年就開(kāi)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(chēng)為“銅洗”，銅鹽氨溶液稱(chēng)為“銅氨液”或“銅液”，凈化后的氣體稱(chēng)為“銅洗氣”或“精煉氣”。液氮洗滌法：二十世紀(jì)二十年代以后，制氨原料擴(kuò)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(jí)冷凝焦?fàn)t氣中各個(gè)

35、高沸點(diǎn)組分，最后用液體氮把少量co及殘余的ch4脫除。這是一個(gè)典型的物理過(guò)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(chēng)為“氮洗”?，F(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。甲烷化法：這是上世紀(jì)六十年代開(kāi)發(fā)的新方法。雖然在催化劑的作用下用氫氣把co還原成甲烷的研究工作早已完成，但因反應(yīng)過(guò)程要消耗氫氣，生成對(duì)合成氨反應(yīng)無(wú)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。1965年以后，國(guó)外新建合成氨廠全用甲烷化法和氮洗法替代銅洗法。國(guó)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

36、當(dāng)多的原有中小型氨廠仍在繼續(xù)使用銅洗法。過(guò)去，以烴類(lèi)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(dú)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%。在本設(shè)計(jì)中是以氣態(tài)烴類(lèi)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(jì)采用甲烷化法脫除氣體中微量的co和co2。1.5本設(shè)計(jì)主要工藝參數(shù)的確定與論證1.5.1水碳比所謂水碳比s/c，是指進(jìn)口氣體中水蒸汽占含烴原料中碳分子數(shù)之比。這個(gè)指標(biāo)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

37、烷平衡含量愈低。若工業(yè)上要提高轉(zhuǎn)化壓力而又不提高轉(zhuǎn)化溫度的話(huà)，一般都采用提高水碳比的辦法來(lái)降低殘余甲烷含量。另一方面，提高水碳比，對(duì)析碳反應(yīng)有抑制作用。但是，烴類(lèi)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(huì)上升，為了保證一段爐出口殘余甲烷不變，勢(shì)必要通過(guò)加大燃?xì)饬縼?lái)補(bǔ)充缺少的熱量，又增加了燃?xì)獾南?。所以，在?jīng)濟(jì)方面考慮，要選擇一個(gè)合適的水碳比，目前一般選擇水碳比3.54。本設(shè)計(jì)取水碳比=3.5。1.5.2轉(zhuǎn)化爐出口氣甲烷含量烴類(lèi)作為制氨原料，要求盡可能轉(zhuǎn)化完全。同時(shí)，甲烷在氨合成過(guò)程為一惰性氣體，有害無(wú)利。因此，要求轉(zhuǎn)化氣中殘余甲烷含量要低?？紤]到經(jīng)

38、濟(jì)合理，一般要求轉(zhuǎn)化氣中甲烷少于0.5%（干基）。考慮到目前合金鋼管只能在800900下工作，把轉(zhuǎn)化分為兩段進(jìn)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%設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)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%。1.5.3轉(zhuǎn)化壓力從烴類(lèi)蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)的化學(xué)平衡考慮，宜在低壓下進(jìn)行。轉(zhuǎn)化壓力從上世紀(jì)50年代初開(kāi)始提高，逐漸提高到3540atm下操作，其原因是：可以節(jié)省動(dòng)力消耗。烴類(lèi)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(shí)，由于氨是在高壓下合成，氫、氮混合氣壓縮機(jī)的吸入壓力愈高，功耗愈低?？梢蕴岣?/p>

39、過(guò)量蒸汽余熱的利用價(jià)值。由于轉(zhuǎn)化是在過(guò)量的水蒸汽條件下進(jìn)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，水蒸汽分壓愈高，因此其冷凝溫度也愈高，蒸汽冷凝液的利用價(jià)值愈高?？梢詼p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。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?yàn)檎羝D(zhuǎn)化反應(yīng)是體積擴(kuò)大的反應(yīng)，提高轉(zhuǎn)化壓力，反應(yīng)向體積縮小的方向進(jìn)行對(duì)。為了達(dá)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，就只有采用提溫來(lái)補(bǔ)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

40、，目前的轉(zhuǎn)化壓力大都采用1440atm操作。本設(shè)計(jì)一段爐出口壓力為34atm(絕)。1.5.4高低變換出口氣中的co含量工業(yè)中，co變換反應(yīng)均在催化劑存在下進(jìn)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350550，由于操作溫度的限制，氣體經(jīng)高溫變換后仍有3%左右的co，低變催化劑一般用活性高的cuo催化劑，操作溫度在200280，殘余co可降至0.3%左右。同時(shí)合理地確定殘余co含量，可以降低變換過(guò)程的水蒸汽消耗。本設(shè)計(jì)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%。1.5.5脫碳后co2 殘余含量本設(shè)計(jì)采用的是兩段吸收、兩段再生的本菲爾溶液脫碳流程。這種流

41、程的優(yōu)點(diǎn)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(guò)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(guò)進(jìn)一步再生的、并經(jīng)過(guò)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。1.5.6吸收、再生的溫度、再生塔的水汽比及溶液組成1. 吸收溫度提高吸收溫度可以使吸收系數(shù)加大，但卻使吸收的推動(dòng)力降低。通常應(yīng)在保持有足夠的推動(dòng)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

42、操作壓力和溶液組成，約為110115，而貧液的溫度，則根據(jù)吸收壓力和要求的凈化氣濃度來(lái)確定，通常為7080。本設(shè)計(jì)采用的是半貧液經(jīng)過(guò)四級(jí)閃蒸后進(jìn)入吸收塔的節(jié)能流程，進(jìn)吸收塔的半貧液溫度設(shè)計(jì)為105，貧液71。2.再生溫度在再生過(guò)程中，提高溶液的溫度可以加快khco3的分解速度，這對(duì)再生是有利的。但是在生產(chǎn)上，再生塔是在沸點(diǎn)下操作的，當(dāng)溶液的組成一定時(shí)，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(jì)。因?yàn)椴僮鲏毫β晕⑻岣?，將使解析推?dòng)力明顯下降，再生的耗熱量以及溶液對(duì)設(shè)備的腐蝕性也大大增加，同時(shí)要求再沸器有更大的傳熱面積。3.再生塔頂水氣比生產(chǎn)上多用分析再生塔頂出口氣中的

43、水氣比（h2o/co2）來(lái)判斷再沸器供熱是否充足，塔頂h2o/co2越大，說(shuō)明從溶液中蒸發(fā)出來(lái)的水分越多，即表明再沸器的熱負(fù)荷越大。此時(shí)塔內(nèi)各點(diǎn)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(fù)荷加大也意味著再生的耗熱量增加。本設(shè)計(jì)中，用h2o/co2的值檢驗(yàn)再沸器供熱是否合理，再生塔頂h2o/co2計(jì)算值若在1.82.2之間，說(shuō)明再生塔再生效果好，設(shè)計(jì)合理。4.吸收液組成1) k2co3濃度：溶液對(duì)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(duì)co2的吸收能力，同時(shí)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

44、后溶液的轉(zhuǎn)化度越低，吸收推動(dòng)力越大。但溶液k2co3的濃度越高，高溫下對(duì)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(diǎn)隨溶液濃度的增加而提高。在操作不慎或開(kāi)停車(chē)時(shí)，易生成結(jié)晶，造成操作困難和對(duì)設(shè)備的摩擦腐蝕。因此，通常為此k2co3濃度為2730%（wt）。本設(shè)計(jì)取k2co3濃度為27%。2) 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2.55%，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(jì)加入3%的活化劑dea。3) 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(kāi)車(chē)

45、時(shí)，為了在設(shè)備表面生成牢固的鈍化膜，此時(shí)溶液中總釩濃度應(yīng)為0.70.8%以上（wt，以kvo3計(jì)）。而在正常生產(chǎn)時(shí)，溶液中的釩主要用于維持和“修補(bǔ)”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(jià)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(guò)200ppm時(shí)，不可向系統(tǒng)中補(bǔ)入v2o5，以免發(fā)生鐵釩共沉，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定。本設(shè)計(jì)中總釩含量保持在0.5%。4) 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(gè)到幾十個(gè)ppm。目前常用的消泡劑有硅酮型、聚醚型以及高級(jí)醇類(lèi)等。本設(shè)計(jì)采用硅酮型。1.5.7甲烷化爐入口溫度用作甲烷化

46、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(lái)確定溫度。實(shí)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(jì)溫度，一般在280420的范圍。本設(shè)計(jì)取甲烷化入口溫度為316。1.6生產(chǎn)工藝流程的評(píng)述與選擇以天然氣為原料的蒸汽轉(zhuǎn)化工藝流程方塊圖如下轉(zhuǎn)化反應(yīng)變換脫碳甲烷化壓縮氨合成蒸汽ch4空氣圖1-1 蒸汽轉(zhuǎn)化工藝流程方塊圖在天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化法生產(chǎn)合成氨過(guò)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(guó)際、國(guó)內(nèi)均已經(jīng)工業(yè)化，主要有下列幾種流程，現(xiàn)分述

47、如下：1.6.1 m.w凱洛格公司20世紀(jì)70年代以后，凱洛格公司開(kāi)始研究并推出了凱洛格節(jié)能流程。其具體特點(diǎn)如下：a. 在對(duì)流段出口與引風(fēng)機(jī)入口之間，增加一臺(tái)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(jìn)行的是：爐頂燒嘴及輔鍋燒嘴由原自吸式改成強(qiáng)制鼓風(fēng)式，節(jié)省了大量燃料，爐頂燒嘴由原200個(gè)，減為160個(gè)。b. 一段爐增設(shè)蒸汽過(guò)熱燒嘴：在對(duì)流段過(guò)熱蒸汽盤(pán)管高溫段上方，增加20個(gè)過(guò)熱燒嘴（強(qiáng)制鼓風(fēng)式），使過(guò)熱蒸汽溫度，由原440提至460，使過(guò)熱蒸汽作功能力增大。c. 脫除co2采用改良本菲爾溶液吸收，再生采用多級(jí)閃蒸，

48、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(jìn)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(tái)換熱器與原有換熱器串聯(lián)。d. 合成氣壓縮機(jī)入口增設(shè)氨冷器，同時(shí)又增設(shè)一臺(tái)低壓鍋爐給水預(yù)熱器。e. 增設(shè)普利森氫回收裝置，回收馳放氣中的h2。f. 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。凱洛格流程具有低能耗、流程簡(jiǎn)單的特點(diǎn)而被廣泛利用。1.6.2布朗公司brown流程是繼合成氨裝置大型化后，與20世紀(jì)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(lái)的，它有兩個(gè)特點(diǎn)：a. 降低s/c，降低一

49、段爐轉(zhuǎn)化負(fù)荷，提高二段爐負(fù)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(guò)量50%的空氣，利用h2與空氣中氧氣的強(qiáng)反應(yīng)熱繼續(xù)轉(zhuǎn)化，這樣減少了一段爐的負(fù)荷，并將一段的反應(yīng)熱后移，從而降低了一段爐的出口溫度（由原來(lái)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(gè)優(yōu)點(diǎn)：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(lái)厚度的1/2左右，從而節(jié)約投資。b. 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(jī)之前增設(shè)冷箱除去多余的n2。布朗流程的能耗比一般流程低約10%。1.6.3帝國(guó)化學(xué)公司（ici）英國(guó)ici公司amv工藝的基本設(shè)

50、計(jì)理念與布朗公司有很多相似之處，其主要特點(diǎn)為：a. 采用20%的過(guò)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2.72.8，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(dòng)力，仍是經(jīng)濟(jì)的因一段爐操作改善，轉(zhuǎn)化溫度下降，操作壓力提高。b. 為消除由于過(guò)量空氣帶來(lái)的過(guò)量氮?dú)?，?duì)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(jìn)行，回收的氫氣直接返回循環(huán)機(jī)入口，加壓后繼續(xù)利用。c. 合成工序采用ici獨(dú)立開(kāi)發(fā)的低壓（60110bar）、低溫（400）高活性催化劑。1.6.4托普索（hald topse）公司與凱洛格相似，托普索的節(jié)能也多半是基

51、于現(xiàn)有的氨生產(chǎn)并逐步進(jìn)行優(yōu)化，而很少引用全新的技術(shù)。托普索節(jié)能的主要工藝特點(diǎn)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。1.6.5伍德（uhde）公司伍德從事合成氨工藝技術(shù)開(kāi)發(fā)多年，在提高工廠效率和可靠性，降低總成本的開(kāi)發(fā)中，發(fā)展了伍德自己的“低能耗工藝”概念。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)。和其它一些制氨工藝開(kāi)發(fā)一樣，伍德也研究利用工藝熱來(lái)推動(dòng)蒸汽轉(zhuǎn)化，并把轉(zhuǎn)化、部分氧化結(jié)合在一個(gè)容器中，命名為“聯(lián)合自熱式轉(zhuǎn)

52、化器”。本設(shè)計(jì)選用kellogg節(jié)能流程。1.7合成氨生產(chǎn)原理與本設(shè)計(jì)生產(chǎn)流程的綜述1.7.1原料氣的脫硫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方法除去：即在過(guò)量h2存在條件下，催化轉(zhuǎn)化成h2s，然后，再用熱的zno催化劑床層吸附以進(jìn)一步脫除干凈。反應(yīng)如下：cs2+4h2=2h2s+ch4cos+h2=h2s+coh2s+zno= zns+h2o流程：原料天然氣經(jīng)壓縮后，在一段爐對(duì)流段原料氣預(yù)熱盤(pán)管中預(yù)熱，隨即與來(lái)自合成回路的富氫氣體混合，混合后含氫約5%的氣體進(jìn)入加氫轉(zhuǎn)化器，向下經(jīng)過(guò)二層鈷鉬催化劑，從加氫轉(zhuǎn)化器出來(lái)的原料氣通過(guò)串聯(lián)的氧化鋅脫硫槽，所有的

53、s都被吸收成為zns。原料氣自氧化鋅脫硫槽出來(lái)與水蒸汽混合進(jìn)入一段爐對(duì)流段的混和原料氣盤(pán)管。1.7.2烴類(lèi)蒸汽轉(zhuǎn)化脫硫之后，就在高溫、高壓下，用鎳催化劑來(lái)促進(jìn)原料氣與水蒸汽進(jìn)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(gè)同時(shí)進(jìn)行的平衡反應(yīng)ch4+2h2o co2+4h2ch4+2h2o co +4h2流程：天然氣經(jīng)脫硫后，總硫含量小于0.5ppm，根據(jù)水碳比配入工藝蒸汽后進(jìn)入對(duì)流段加熱到500520，然后送到輻射段頂部，分配進(jìn)入各轉(zhuǎn)化管，氣體自上而下流經(jīng)催化劑。在這里進(jìn)行烴類(lèi)蒸汽轉(zhuǎn)化的吸熱反應(yīng)，離開(kāi)反應(yīng)管底部的轉(zhuǎn)化氣溫度為800820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)

54、吸收一些熱量，經(jīng)輸氣總管送往二段爐。工藝空氣經(jīng)壓縮機(jī)加壓到3335atm，也配入少量蒸汽，然后進(jìn)入對(duì)流段的工藝空氣盤(pán)管加熱到450左右，進(jìn)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(guò)催化劑床層繼續(xù)反應(yīng)并吸收熱量。離開(kāi)二段爐的轉(zhuǎn)化氣送入兩臺(tái)并聯(lián)的第一廢熱鍋爐，接著又進(jìn)入第二廢熱鍋爐，這三臺(tái)鍋爐都副產(chǎn)高壓蒸汽。從第二廢鍋出來(lái)的氣體送往變換工序。1.7.3 co變換一氧化碳與水蒸汽共存的系統(tǒng)，是含有c、h、o等三個(gè)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(jìn)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）還可舉出其它反應(yīng)，這一點(diǎn)與甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化、碳?xì)饣认到y(tǒng)中出現(xiàn)的反應(yīng)式有相似之處。但由于所用催化劑對(duì)反應(yīng)（1）具有良好的選擇性，從而抑制了其它反應(yīng)的發(fā)生。本設(shè)計(jì)采用高變串低變流程。流程：含co的原料氣經(jīng)廢熱鍋爐降溫，進(jìn)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(guò)高變廢熱鍋爐，再進(jìn)入低變爐入口換熱器降溫后進(jìn)入低變爐，低變爐出口氣殘余c