合成裝置仿真培訓系統(tǒng)軟件說明書

1、合成氨工藝合成工段仿真軟件操作手冊四川大學化工學院工程實驗中心2009年1月目 錄第一章 工藝原理2一、氨合成反應的特點2二、氨合成反應的化學平衡2三、氨合成動力學3四、影響合成塔操作的各種因素4五、氨合成主要設備11第二章 裝置概況15第一節(jié) 工藝流程簡述15第二節(jié) 工藝仿真范圍17第三節(jié) 控制回路一攬表17第三章 裝置冷態(tài)開工過程19一、合成系統(tǒng)開車19二、冷凍系統(tǒng)開車20第四章 正常操作規(guī)程21第五章 裝置正常停工過程24第六章 事故列表25第七章 自動保護系統(tǒng)27第八章 下位機畫面設計28第九章 操作評分信息35第一章 工藝原理氨的合成是氨廠最后一道工序，任務是在適當?shù)臏囟?、壓力和有?/p>

2、化劑存在的條件下，將經(jīng)過精制的氫氮混和氣直接合成為氨。然后將所生成的氣體氨從未合成為氨的混和氣體中冷凝分離出來，得到產(chǎn)品液氨，分離氨后的氫氮氣體循環(huán)使用。一、 氨合成反應的特點 氨合成的化學反應式如下：這一化學反應具有如下幾個特點：（1） 是可逆反應。即在氫氣和氮氣反應生成氨的同時，氨也分解成氫氣和氮氣。（2） 是放熱反應。在生成氨的同時放出熱量，反應熱與溫度、壓力有關(guān)。（3） 是體積縮小的反應。（4） 反應需要有催化劑才能較快的進行。二、 氨合成反應的化學平衡 1、 平衡常數(shù) 氨合成反應的平衡常數(shù)可表示為： =式中p(NH3)、p(H2)、p(N2)-為平衡狀態(tài)下氨、氫、氮的分壓。由于按合成

3、反應是可逆、放熱、體積縮小的反應，根據(jù)平衡移動定律可知，降低溫度，提高壓力，平衡向生成氨的方向移動，因此平衡常數(shù)增大。2、平衡氨含量 反應達到平衡時按在混和氣體中的百分含量，稱為平衡氨含量，或稱為氨的平衡產(chǎn)率。平衡氨含量是給定操作條件下，合成反應能達到的最大限度。 計算平衡常數(shù)的目的是為了求平衡氨含量。平衡氨含量與壓力、平衡常數(shù)、惰性氣體含量、氫氮比例的關(guān)系如下：式中-平衡時氨的體積百分數(shù) -惰性氣體的體積百分數(shù) p-總壓力 -平衡常數(shù) r-氫氮比例由式可見，溫度降低或壓力升高時，等式右方增加，因此平衡氨含量也增加。所以，在實際生產(chǎn)中，氨的合成反應均在加壓下進行。三、 氨合成動力學 （一）反應

4、機理氮與氫自氣相空間向催化劑表面接近，其絕大部分自外表面向催化劑毛細孔的內(nèi)表面擴散，并在表面上進行活性吸附。吸附氮與吸附氫及氣相氫進行化學反應，一次生成NH、NH2、NH3。后者至表面脫附后進入氣相空間。可將整個過程表示如下：在上述反應過程中，當氣流速度相當大，催化劑粒度足夠小時，外擴散光和內(nèi)擴散因素對反應影響很小，而在鐵催化劑上吸附氮的速度在數(shù)值上很接近于合成氨的速度，即氮的活性吸附步驟進行的最慢，是決定反應速度的關(guān)鍵。這就是說按得合成反應速度是由氮的吸附速度所控制的。（二）反應速度反應速度是以單位時間內(nèi)反應物質(zhì)濃度的減少量或生成物質(zhì)濃度的增加量來表示。在工業(yè)生產(chǎn)中，不僅要求獲得較高的氨含量

5、，同時還要求有較快的反應速度，以便在單位時間內(nèi)有較多的氫和氮合成為氨。根據(jù)氮在催化劑表面上的活性吸附是氨合成過程的控制步驟、氮在催化劑表面成中等覆蓋度、吸附表面很不均勻等條件，捷姆金和佩熱夫?qū)У玫乃俣确匠淌饺缦拢篧-反應的瞬時總速度，為正反應和逆反應速度之差、-正、逆反應速度常數(shù)-為氫、氮、氨氣體的分壓。（三）內(nèi)擴散的影響 當催化劑的顆粒直徑為1mm時，內(nèi)擴散速度是反應速度的百倍以上，故內(nèi)擴散的影響可忽略不計。但當半徑大于5mm時，內(nèi)擴散速度已經(jīng)比反應速度慢，其影響就不能忽視了。催化劑毛細孔的直徑愈小和毛細孔愈長（顆粒直徑愈大），則內(nèi)擴散的影響愈大。實際生產(chǎn)中，在合成塔結(jié)構(gòu)和催化層阻力允許的情

6、況下，應當采用粒度較小的催化劑，以減小被擴散的影響，提高內(nèi)表面利用率，加快氨的生成速度。四、 影響合成塔操作的各種因素 1、影響合成塔反應的條件：催化的合成反應可用下式表示：在推薦的操作條件下，合成塔出口氣中氨含量約13.9%（分子）沒有反應的氣體循環(huán)返回合成塔，最后仍變?yōu)楫a(chǎn)品。（一）溫度：溫度變化時對合成氨反應的影響有二方面，它同時影響平衡濃度及反應速度。因為合成氨的反應是放熱的，溫度升高使氨的平衡濃度降低，同時又使反應加速，這表明在遠離平衡的情況下，溫度升高時合成效率就比較高，而另一方面對于接近平衡的系統(tǒng)來說，溫度升高時合成效率就比較低，在不考慮觸媒衰老時，合成效率總是直接隨溫度變化的，合

7、成效率的定義是：反應后的氣體中實際的氨的百分數(shù)與所討論的條件下理論上可能得到的氨的百分數(shù)之比。 (二) 壓力：氨合成時體積縮小(分子數(shù)減少)，所以氨的平衡百分數(shù)將隨壓力提高而增加，同時反應速度也隨壓力的升高而加速，因此提高壓力將促進反應。(三) 空速：在較高的工藝氣速(空間速度)下，反應的時間比較少，所以合成塔出口的氨濃度就不象低空速那樣高，但是，產(chǎn)率的降低百分比上是遠遠小于空速的增加的，由于有較多的氣體經(jīng)過合成塔，所增加的氨產(chǎn)量足以彌補由于停留時間短，反應不完全而引起的產(chǎn)量的降低，所以在正常的產(chǎn)量或者在低于正常產(chǎn)量的情況下，其它條件不變時，增加合成塔的氣量會提高產(chǎn)量。 通常是采取改變循環(huán)氣量

8、的辦法來改變空速的，循環(huán)量增加時(如果可能的話)，由于單程合成效率的降低，觸煤層的溫度會降低，由于總的氨產(chǎn)量的增加，系統(tǒng)的壓力也會降低，MIC-22關(guān)小時，循環(huán)量就加大，當MIC-22完全關(guān)閉時，循環(huán)環(huán)量最大。 (四) 氫氮比：送往合成部分的新鮮合成氣的氫氮比通常應維持在3.0：1.0左右，這是因為氫與氮是以3.0：1.0的比例合成為氨的，但是必須指出：在合成塔中的氫氮比不一定是3.0：1.0，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)合成塔內(nèi)的氫氮比為2.53.0：1.0時，合成效率最高。為了使進入合成塔的混合氣能達到最好的H2：N2比、新鮮氣中的氫氮比可以稍稍與3.0：1.0不同。 (五) 惰性氣體：有一部分氣體連續(xù)地從循

9、環(huán)機的吸入端往吹出氣系統(tǒng)放空，這是為了控制甲烷及其它惰性氣體的含量，否則它們將在合成回路中積累使合成效率降低，系統(tǒng)壓力升高及生產(chǎn)能力下降。 (六) 新鮮氣的：單獨把新鮮氣的流量加大可以生產(chǎn)更多的氨并對上述條件有以下影響： I系統(tǒng)壓力增長； II觸媒床溫度升高； III 惰性氣體含量增加； H2：N2比可能改變。 反之，合成氣量減少，效果則相反。 在正常的操作條件下，新鮮氣量是由產(chǎn)量決定的，但在，合成部分進氣的增加必須以工廠造氣工序產(chǎn)氣量增加為前提。 2、合成反應的操作控制合成系統(tǒng)是從合成氣體壓縮機的山口管線開始的，氣體(氫氮比為3：l的混合氣)的消耗量取決于操作條件、觸媒的活性以及合成同路總的

10、生產(chǎn)能力，被移去的或反應了的氣體是由壓縮機來的氣體不斷進行補充的，如果新鮮氣過量，產(chǎn)量增至壓縮機的極限能力，新鮮氣就在一段壓縮之前從104-F吸入罐處放空，如果氣量不足，壓縮機就減慢， 回路的壓力下降直至氨的產(chǎn)量降低到與進來的氣量成平衡為止。為了改變合成回路的操作，可以改變一個或幾個條件，且較重要的控制條件如下： 新鮮氣量 合成塔的入口溫度 循環(huán)氣量 氫一氮比 高壓吹出氣量 新鮮氣的純度 觸媒層的溫度 注意這里沒有把系統(tǒng)的壓力作為一個控制條件列出，因為壓力的改變常常是其他條件變化的結(jié)果，以提高壓力為唯一目的而不考慮其他效果的變化是很少的，合成系統(tǒng)通常是這樣操作的，即把壓力控制在極限值以下適當處

11、，把吹出氣量減少到最小程度，同時把合成塔維持在足夠低的溫度以處長觸媒壽命，在新鮮氣量及放空氣量正常以及合成溫度適宜的條件下，較低的壓力通常是表明操作良好。 下面是影響合成回路各個條件的一些因素，操作入員要注意檢查它們的過程中是否有不正常的變化，如果把這些情況都弄清楚了，操作人員就能夠比較容易地對操作條件的變化進行解釋，這樣，他就能夠改變一個或幾個條件進行必要的調(diào)正。 合成塔的壓力：能單獨地或綜合地使用合成回路壓力增加的主要因素有：（一）新鮮氣量增加；（二）合成塔的溫度下降；（三）合成回路中的氣體組成偏離了最適宜的氫氮比（2.53.0：1）（四）循環(huán)氣中氨含量增加；（五）循環(huán)氣中隋性氣體含量增加

12、：（六）循環(huán)氣量減少；（七）由于合成氣不純引起觸媒中毒（八）觸媒衰老。反過來明，與上述這些作用相反就會使壓力降低。觸媒的溫度，能單獨地或綜合地使觸媒溫度升高的主要因素有：(一) 新鮮氣量增加；(二) 循環(huán)氣量減少； (三) 氫氮比比較接近于最適比值：1； (四) 循環(huán)氣中氨含量降低； (五) 合成系統(tǒng)的壓力升高； (六) 進入合成塔的冷氣近路(冷激)流量減少； (七) 循環(huán)氣中惰性氣的含量降低； (八) 由于合成氣不純引起觸媒暫時中毒之后，接著觸媒活性又恢復。 返過來說，與上述這些作用相反就會使觸媒的溫度下降。 穩(wěn)定操作時的最適宜溫度就是使氨產(chǎn)量最高時的最低溫度，但溫度還是要足夠高以保證壓力波

13、動時操作的穩(wěn)定性，超溫會使觸媒衰老并使觸媒的活性很快下降。 氫氮比：能單獨地或者綜合地使循環(huán)氣中的H2：N 2比變化的主要因素有： (一) 從轉(zhuǎn)化及凈化系統(tǒng)來的合成氣的組成有變化； (二) 新鮮氣量變化： (三) 循環(huán)氣中氨的含量有變化； (四) 循環(huán)氣中惰性氣的含量有變化。 進合成塔的循環(huán)氣中氫氮比應控制在：1.0左右，氫氮比變化太快會使溫度發(fā)生急劇變化。 循環(huán)氣中氨含量：能單獨地或綜合地使合成塔進氣氨濃度變化的因素有： (一) 高壓氨分離器106- F前面的氨冷器中冷卻程度的變化； (二) 系統(tǒng)的壓力 予期的合成塔出口氣中的氨濃度約為1 3.9，循環(huán)氣與新鮮氣混合以后，氨濃度變?yōu)?.1 5

14、，經(jīng)過氨冷及1 06-F把氨冷凝和分離下來以后，進合成塔時混合氣中的氨濃度約為2.42。循環(huán)氣中的循環(huán)性氣含量：循環(huán)氣中惰性氣體的主要成份是氬及甲烷，這些氣體會逐步地積累起來而使系統(tǒng)的壓力升高，從而降低了合成氣的有效分壓，反映出來的就是單程的合成率下降，控制系統(tǒng)中惰性氣體濃度的方法就是引出一部分氣體經(jīng)125-C與吹出氣分離罐108-F后放空，合成塔入口氣中惰性氣體(甲烷和氬)的設計濃度約為13.6(分子)，但是，經(jīng)驗證明：惰性氣體的濃度再保持得高一些，可以減少吹出氣帶走的氫氣，氮的總產(chǎn)量還可以增加。 從上面的合成氨操作的討論中可以看出：合成的效率是受這一節(jié)“(2)”開頭部分列出的各種控制條件的

15、影響的，所有這些條件都是相互聯(lián)系的，一個條件發(fā)生變化對其他條件都會有影響，所以好的操作就是要把操作經(jīng)驗以及對影響系統(tǒng)操作的各種因素的認識這兩者很好結(jié)合起來，如果其中有一個條件發(fā)生了急劇的變化，經(jīng)驗會作出判斷為了彌補這個變化應當采取什么步驟，從而使系統(tǒng)的操作保持穩(wěn)定，可能是任何變化都要緩慢地進行以防引起大的波動。 3、合成觸媒的性能 觸媒的活化：合成觸媒是由融熔的鐵的氧化物制成的，它含有鉀、鈣和鋁的氧化物作為穩(wěn)定劑與促進劑，而且是以氧化態(tài)裝到合成塔中去的，在進行氨的生產(chǎn)以前，觸媒必須加以活化，把氧化鐵還原成基本上是純的元素鐵。 觸媒的還原是在這樣的條件下進行的：即在氧化態(tài)的觸媒上面通以氫氣，并逐

16、步提高壓力及溫度，氫氣與氧化鐵中的氧化合生成水，在氣體再次循環(huán)到觸媒床以前要盡可能地把這些水除凈，活化過程中的出水量觸媒還原進展情況的一個良好的指標，在還原的開始階段生成的水量是很少的，隨著觸媒還原的進行，生成的水量就增加，為促進觸媒的還原需要采用相當高的溫度并控制在一定的壓力，出水量會達到一個高峰，然后逐步減少直至還原結(jié)束。 還原的溫度應當始終保持在觸媒的操作溫度以下，避免由于以下的原因而脫活，即：(1)循環(huán)氣中的水汽濃度過高，(2)過熱，但是溫度太低，觸媒的還原就進行得太慢，如果溫度降得過分低，還原就會停止。在觸媒的還原期間，壓力與(或)壓力變化的影響是一個關(guān)鍵，當還原向下移動時，如果各層

17、觸媒的活化是不均勻的，則提高壓力就可能產(chǎn)生“溝流”：即在觸媒床的局部地方還原較徹底的觸媒會促進氫與氮生成氮的反應，反應放出的熱量會使這局部觸媒的溫度變得太高而難以控制。觸媒還原期間應當維持這樣在壓力：即使還原能夠均勻地進行而且在觸媒床的同一個水平面上的溫度差不要太大，提高壓力時，生成氨的反應加速，降低壓力時，生成氨的反應會減慢。 觸媒的還原可以相當?shù)偷目账傧逻M行，但是空速愈高，還原的時間愈短，而且在較高的空速下可以消除溝流。 觸媒還原期間，合成氣是循環(huán)通過合成塔的，當反應已經(jīng)開始進行時，非常重要的是循環(huán)氣要盡可能地加以冷卻(但設備中不能結(jié)冰的危險)，把氣體中的水份加以冷凝開除去以后再重新進入合

18、成塔，否則，水汽濃度高的氣體將進入已經(jīng)還原了的觸媒床，水蒸汽會使已經(jīng)還原過的觸媒和活性降低或中毒，一旦合成氨的反應開始進行，生成的氨就會使冰點下降，這就可以在更低的溫度下把氣流中的水分除去。 精心控制觸媒活化時的條件，可以使還原均勻地進行，這就有助于延長觸媒的使用壽命。 合成觸媒的還原是在工廠的原始開車時進行的，推薦的指導程序見第三部分。 觸媒的熱穩(wěn)定性：即性是采用純的合成氣，氨觸媒也不能無限期地保持它的活性。一些數(shù)據(jù)表明，采用純的氣體時，溫度低于550對觸媒?jīng)]有影響，而當溫度更高時，就會損害觸媒，這些數(shù)據(jù)還表明：經(jīng)受過輕度過熱的觸媒，在400時活性有所下降，而在500時，活性不變，但是應當著

19、重指出：不存在有這樣一個固定的溫度極限，低于這個溫度觸媒就不受影響，在溫度一定，但是壓力與空速的條件變得苛刻時，也會使觸媒的活性比較快的降低。 觸媒的衰老首先表現(xiàn)在溫度較低、壓力與(或)空速較高的條件下操作時效率下降，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)：觸媒的活性和開始時相比下降得越多，則要進一步受到損壞所需要的時間就會越長或者所需要的條件也會越加苛刻。觸媒的毒物：合成氣中能夠使觸媒和活性或壽命降低的化合物稱為毒物，這些物質(zhì)通常能夠與觸媒的活性組份形成穩(wěn)定程度不同的化合物，永久性的毒物會使觸媒的活性不可逆地永久下降，這些毒物能夠與觸媒的活性分部形成穩(wěn)定的表面化合物，另一些毒物可以使活性暫時下降，在這些毒物從氣體中除去以

20、后，在一個比較短的時間之內(nèi)就可以恢復到原有的活性。 合成氨觸媒最主要的毒物是氧的化合物，這些化合物不能看作是暫時性毒物，也不是永久性毒物，當合成氣中含有少量的氧化物，例如CO時，觸媒的一些活性表面就與氧結(jié)合使觸媒的活性降低，當把這種氧的化合物從合成氣中除去以后，觸媒就再一次完全還原，但是并不能使所有的活性中心都完全恢復到原始的狀態(tài)，或者恢復到它的最初的活性，因此，氧的化合物能引起嚴重的暫時性中毒以及輕微的永久性中毒，通常能使觸媒中毒的氧的化合物有： 水蒸汽、(H)、CO2，及分子02。其它的重要的毒物有H2S（永久性的）及油霧的沉積物，后者并不是真正的毒物，但是由于觸媒表面被復蓋和堵塞，它能使

21、觸媒的活性降低。 觸媒的機械強度：合成觸媒的機械強度是很好的，但是操作入員也不應該過份隨便地對待，錯誤的操作會引起十分急速的溫度波動，從而使觸媒碎裂，在觸媒還原期間，任何急劇的溫度變化都應小心防止，據(jù)認為在這個期間，觸媒對機械粉碎及急劇變化都是特別敏感的。 在工廠的原始開車期間，合成觸媒的還原是在工廠前面的工序已經(jīng)接近于設計的條件和設計的流量時才進行的。 詳細的觸媒裝填程序詳見觸媒生產(chǎn)廠，氨合成塔的觸媒裝填方法。極其重要的是：在觸媒裝填之前，必須先進行一些試驗，氯化物與不銹鋼的觸媒接觸會引起合成塔內(nèi)件的應力腐蝕脆裂，所以在裝填之前，每一批觸媒的氯含量都必須加以檢驗，觸媒中允許的最高的水溶性氯的

22、含量為10.0ppm，在裝觸媒的容器有損壞的情況下，可能會帶入雜質(zhì)，所以每一個容器都應當進行檢查。 三合成氣中無水液氨的分離在合成塔中生成的氨會很快地達到不利于反應的程序，所以必須連續(xù)地從進塔的合成循環(huán)氣中把它除去，這是用系列的冷卻器和氨冷器來冷卻循環(huán)氣，從而把每次通過合成塔時生成的凈氨產(chǎn)品冷卻下來，循環(huán)氣進入高壓氨分離器時的溫度為-21.3，在-11.7MPa的壓力下，合成回路中氣體里的氨冷凝并過冷到-2 33以后，循環(huán)氣中的氨就降至2.42，冷凝下來的液氨收集在高壓氨分離器(106-F)中，用液位調(diào)節(jié)器(LC-13)調(diào)節(jié)后就送去進行產(chǎn)品的最后精制。五、氨合成主要設備1合成塔1.1 結(jié)構(gòu)特點

23、氨合成塔是合成氨生產(chǎn)的關(guān)鍵設備，作用是氫氮混和氣在塔內(nèi)催化劑層中合成為氨。由于反應是在高溫高壓下進行，因此要求合成塔不僅要有較高的機械強度，而且應有高溫下抗蠕變和松弛的能力。同時在高溫、高壓下，氫、氮對碳鋼有明顯的腐蝕作用，使合成塔的工作條件更為復雜。氫對碳鋼的腐蝕作用包括氫脆和氫腐蝕。所謂氫脆是氫溶解于金屬晶格中，使鋼材在緩慢變形時發(fā)生脆性破壞。所謂氫腐蝕是氫滲透到鋼材內(nèi)部，使碳化物分解并生成甲烷： FeC+2H23Fe+CH4+Q反應生成的甲烷積聚于晶界原有的微觀空隙內(nèi),形成局部壓力過高,應力集中,出現(xiàn)裂紋,并在鋼材中聚集而形成鼓泡,從而使鋼的結(jié)構(gòu)遭到破壞,機械強度下降。在高溫高壓下,氮與

24、鋼材中的鐵及其它很多合金元素生成硬而脆的氮化物,使鋼材的機械性能降低。為了適應氨合成反應條件，合理解決存在的矛盾，氨合成塔由內(nèi)件和外筒兩部分組成，內(nèi)件置于外筒之內(nèi)。進入合成塔的氣體（溫度較低）先經(jīng)過內(nèi)件與外筒之間的環(huán)隙，內(nèi)件外面設有保溫層，以減少向外筒散熱。因而，外筒主要承受高壓（操作壓力與大氣壓之差），但不承受高溫，可用普通低合金鋼或優(yōu)質(zhì)碳鋼制成。內(nèi)件在500左右高溫下操作，但只承受環(huán)系氣流與內(nèi)件氣流的壓差，一般只有12兆帕，即內(nèi)件只承受高溫不承受高壓，從而降低對內(nèi)件材料和強度的要求。內(nèi)件一般用合金鋼制作，塔徑較小的內(nèi)件也可用純鐵制作。內(nèi)件由催化劑筐、熱交換器、電加熱器三個主要部分組成，大型

25、氨合成塔的內(nèi)件一般不設電加熱器，而由塔外加熱爐供熱。1.2分類和結(jié)構(gòu)由于氨合成反應最適宜溫度隨氨含量的增加而逐漸降低，因而隨著反應得進行要在催化劑層采取降溫措施。按降溫方法不同，氨合成塔可分為以下三類：（1）冷管式。在催化劑層中設置冷卻管，用反應前溫度較低的原料氣在冷管仲流動，移出反應熱，降低反應溫度，同時將原料氣預熱到反應溫度。根據(jù)冷管結(jié)構(gòu)不同，又可分為雙套管、三套管、單管等不同形式。冷管式合成塔結(jié)構(gòu)復雜，一般用于小型合成氨塔。（2）冷激式。將催化劑分為多層，氣體經(jīng)過每層絕熱反應溫度升高后，通入冷的原料氣與之混合，溫度降低后再進入下一層催化劑。冷激式結(jié)構(gòu)簡單，但加入未反應得冷原料氣，降低了氨

26、合成率，一般多用于大型氨合成塔。（3）中間換熱式。將催化劑分為幾層，在層間設置換熱器，上一層反應后的高溫氣體進入換熱器降溫后，再進入下一層進行反應。2.合成壓縮機大型氨廠的合成壓縮機均采用以汽輪機驅(qū)動的離心式壓縮機，其機組主要由壓縮機主機、驅(qū)動機、潤滑油系統(tǒng)、密封油系統(tǒng)和防喘振裝置組成。2.1離心式壓縮機工作原理離心式壓縮機的工作原理和離心泵類似，氣體從中心流入葉輪，在高速轉(zhuǎn)動的葉輪的作用下，隨葉輪作高速旋轉(zhuǎn)并沿半徑方向甩出來。葉輪在驅(qū)動機械的帶動下旋轉(zhuǎn)，把所得到的機械能轉(zhuǎn)通過葉輪傳遞給流過葉輪的氣體，即離心壓縮機通過葉輪對氣體作了功。氣體一方面受到旋轉(zhuǎn)離心力的作用增加了氣體本身的壓力，另一方

27、面又得到了很大的動能。氣體離開葉輪后，這部分速度能在通過葉輪后的擴壓器、回流彎道的過程中轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?，進一步使氣體的壓力提高。離心式壓縮機中，氣體經(jīng)過一個葉輪壓縮后壓力的升高是有限的。因此在要求升壓較高的情況下，通常都有許多級葉輪一個接一個、連續(xù)地進行壓縮，直到最末一級出口達到所要求的壓力為止。壓縮機的葉輪數(shù)越多，所產(chǎn)生的總壓頭也愈大。氣體經(jīng)過壓縮后溫度升高，當要求壓縮比較高時，常常將氣體壓縮到一定的壓力后，從缸內(nèi)引出，在外設冷卻器冷卻降溫，然后再導入下一級繼續(xù)壓縮。這樣依冷卻次數(shù)的多少，將壓縮機分成幾段，一個段可以是一級或多級。2.2離心式壓縮機的喘振現(xiàn)象及防止措施離心壓縮機的喘振是操作不當

28、，進口氣體流量過小產(chǎn)生的一種不正?，F(xiàn)象。當進口氣體流量不適當?shù)販p小到一定值時，氣體進入葉輪的流速過低，氣體不再沿葉輪流動，在葉片背面形成很大的渦流區(qū)，甚至充滿整個葉道而把通道塞住，氣體只能在渦流區(qū)打轉(zhuǎn)而流不出來。這時系統(tǒng)中的氣體自壓縮機出口倒流進入壓縮機，暫時彌補進口氣量的不足。雖然壓縮機似乎恢復了正常工作，重新壓出氣體，但當氣體被壓出后，由于進口氣體仍然不足，上述倒流現(xiàn)象重復出現(xiàn)。這樣一種在出口處時而倒吸時而吐出的氣流，引起出口管道低頻、高振幅的氣流脈動，并迅速波及各級葉輪，于是整個壓縮機產(chǎn)生噪音和振動，這種現(xiàn)象稱為喘振。喘振對機器是很不利的，振動過分會產(chǎn)生局部過熱，時間過久甚至會造成葉輪破

29、碎等嚴重事故。當喘振現(xiàn)象發(fā)生后，應設法立即增大進口氣體流量。方法是利用防喘振裝置，將壓縮機出口的一部份氣體經(jīng)旁路閥回流到壓縮機的進口，或打開出口放空閥，降低出口壓力。2.3離心式壓縮機的結(jié)構(gòu)離心式壓縮機由轉(zhuǎn)子和定子兩大部分組成。轉(zhuǎn)子由主軸、葉輪、軸套和平衡盤等部件組成。所有的旋轉(zhuǎn)部件都安裝在主軸上，除軸套外，其它部件用鍵固定在主軸上。主軸安裝在徑向軸承上，以利于旋轉(zhuǎn)。葉輪是離心式壓縮機的主要部件，其上有若干個葉片，用以壓縮氣體。氣體經(jīng)葉片壓縮后壓力升高，因而每個葉片兩側(cè)所受到氣體壓力不一樣，產(chǎn)生了方向指向低壓端的軸向推力，可使轉(zhuǎn)子向低壓端竄動，嚴重時可使轉(zhuǎn)子與定子發(fā)生摩擦和碰撞。為了消除軸向推

30、力，在高壓端外側(cè)裝有平衡盤和止推軸承。平衡盤一邊與高壓氣體相通，另一邊與低壓氣體相通，用兩邊的壓力差所產(chǎn)生的推力平衡軸向推力。離心式壓縮機的定子由氣缸、擴壓室、彎道、回流器、隔板、密封、軸承等部件組成。氣缸也稱機殼，分為水平剖分和垂直剖分兩種形式。水平剖分就是將機殼分成上下兩部分，上蓋可以打開，這種結(jié)構(gòu)多用于低壓。垂直剖分就是筒型結(jié)構(gòu)，由圓筒形本體和端蓋組成，多用于高壓。氣缸內(nèi)有若干隔板，將葉片隔開，并組成擴壓器和彎道、回流器。為了防止級間竄氣或向外漏氣，都設有級間密封和軸密封。離心式壓縮機的輔助設備有中間冷卻器、氣液分離器和油系統(tǒng)等。2.4汽輪機的工作原理汽輪機又稱為蒸汽透平，是用蒸汽做功的

31、旋轉(zhuǎn)式原動機。進入汽輪的高壓、高溫蒸汽，由噴嘴噴出，經(jīng)膨脹降壓后，形成的高速氣流按一定方向沖動汽輪機轉(zhuǎn)子上的動葉片，帶動轉(zhuǎn)子按一定速度均勻地旋轉(zhuǎn)，從而將蒸汽的能量轉(zhuǎn)變成機械能。由于能量轉(zhuǎn)換方式不同，汽輪機分為沖動式和反動式兩種，在沖動式中，蒸汽只在噴嘴中膨脹，動葉片只受到高速氣流的沖動力。在反動式汽輪機中，蒸汽不僅在噴嘴中膨脹，而且還在葉片中膨脹，動葉片既受到高速氣流的沖動力，同時受到蒸汽在葉片中膨脹時產(chǎn)生的反作用力。根據(jù)汽輪機中葉輪級數(shù)不同，可分為單極或多極兩種。按熱力過程不同，汽輪機可分為背壓式、凝氣式和抽氣凝氣式。背壓式汽輪機的蒸汽經(jīng)膨脹做功后以一定的溫度和壓力排出汽輪機，可繼續(xù)供工藝使

32、用；凝氣式蒸汽輪機的進氣在膨脹做功后，全部排入冷凝器凝結(jié)為水；抽氣凝氣式汽輪機的進氣在膨脹做功時，一部分蒸汽在中間抽出去作為其它用，其余部分繼續(xù)在氣缸中做功，最后排入冷凝器冷凝。第二章 裝 置 概 況第一節(jié) 工藝流程簡述一、合成系統(tǒng)從甲烷化來的新鮮氣（40、2.6Mpa、H2/N2=3：1）先經(jīng)壓縮前分離罐(104-F)進合成氣壓縮機(103-J)低壓段，在壓縮機的低壓缸將新鮮氣體壓縮到合成所需要的最終壓力的二分之一左右，出低壓段的新鮮氣先經(jīng)106-C用甲烷化進料氣冷卻至93.3，再經(jīng)水冷器(116-C)冷卻至38,最后經(jīng)氨冷器(129-C)冷卻至7,后與氫回收來的氫氣混合進入中間分離罐(10

33、5-F)，從中間分離罐出來的氫氮氣再進合成氣壓縮機高壓段。合成回路來的循環(huán)氣與經(jīng)高壓段壓縮后的氫氮氣混合進壓縮機循環(huán)段，從循環(huán)段出來的合成氣進合成系統(tǒng)水冷器(124-C)。高壓合成氣自最終冷卻器124-C出來后，分兩路繼續(xù)冷卻，第一路串聯(lián)通過原料氣和循環(huán)氣一級和二級氨冷器117-C和118-C的管側(cè)，冷卻介質(zhì)都是冷凍用液氨，另一路通過就地的MIC-23節(jié)流后，在合成塔進氣和循環(huán)氣換熱器120-C的殼側(cè)冷卻，兩路會合后，又在新鮮氣和循環(huán)氣三級氨冷器119-C中用三級液氨閃蒸槽112-F來的冷凍用液氨進行冷卻，冷卻至-23.3。冷卻后的氣體經(jīng)過水平分布管進入高壓氨分離器（106-F），在前幾個氨冷

34、器中冷凝下來的循環(huán)氣中的氨就在106-F中分出，分離出來的液氨送往冷凍中間閃蒸槽(107-F)。從氨分離器出來后，循環(huán)氣就進入合成塔進氣-新鮮氣和循環(huán)氣換熱器120-C的管側(cè)，從殼側(cè)的工藝氣體中取得熱量，然后又進入合成塔進氣-出氣換熱器(121-C)的管側(cè)，再由HCV-11控制進入合成塔(105-D)，在121-C管側(cè)的出口處分析氣體成分。SP-35是一專門的雙向降爆板裝置，是用來保護121-C的換熱器，防止換熱器的一側(cè)卸壓導致壓差過大而引起破壞。合成氣進氣由合成塔105-D的塔底進入，自下而上地進入合成塔，經(jīng)由MIC-13直接到第一層觸媒的入口，用以控制該處的溫度，這一近路有一個冷激管線，和

35、兩個進層間換熱器付線可以控制第二、第三層的入口溫度必要時可以分別用MIC-14、15和16進行調(diào)節(jié)。氣體經(jīng)過最底下一層觸媒床后，又自下而上地把氣體導入內(nèi)部換熱器的管側(cè)，把熱量傳給進來的氣體，再由105-D的頂部出口引出。合成塔出口氣進入合成塔-鍋爐給水換熱器123-C的管側(cè)，把熱量傳給鍋爐給水，接著又在121-C的殼側(cè)與進塔氣換熱而進一步被冷卻，最后回到103-J高壓缸循環(huán)段(最后一個葉輪)而完成了整個合成回路。合成塔出來的氣體有一部分是從高壓吹出氣分離缸108-F經(jīng)MIC-18調(diào)節(jié)并用Fl-63指示流量后，送往氫回收裝置或送往一段轉(zhuǎn)化爐燃料氣系統(tǒng)。從合成回路中排出氣是為了控制氣體中的甲烷化和

36、氬的濃度，甲烷和氬在系統(tǒng)中積累多了會使氨的合成率降低。吹出氣在進入分離罐108-F以前先在氨冷器125-C冷卻，由108-F分出的液氨送低壓氨分離器107-F回收。合成塔備有一臺開工加熱爐(102-B)，它是用于開工時把合成塔引溫至反應溫度，開工加熱爐的原料氣流量由FI-62指示，另外，它還設有一低流量報警器FAL-85與FI-62配合使用，MIC-17調(diào)節(jié)102-B燃料氣量。二、冷凍系統(tǒng)合成來的液氨進入中間閃蒸槽(107-F)，閃蒸出的不凝性氣體通過PICA-8排出作為燃料氣送一段爐燃燒。分離器107-F裝有液面指示器LI-12。液氨減壓后由液位調(diào)節(jié)器LICA-12調(diào)節(jié)進入三級閃蒸罐(112

37、-F)進一步閃蒸，閃蒸后作為冷凍用的液氨進入系統(tǒng)中。冷凍的一、二、三級閃蒸罐操作壓力分別為:0.4MPa(G)、0.16MPa(G)、0.0028MPa(G)，三臺閃蒸罐與合成系統(tǒng)中的第一、二、三氨冷器相對應，它們是按熱虹吸原理進行冷凍蒸發(fā)循環(huán)操作的。液氨由各閃蒸罐流入對應的氨冷器，吸熱后的液氨蒸發(fā)形成的氣液混合物又回到各閃蒸罐進行氣液分離，氣氨分別進氨壓縮機(105-J)各段氣缸，液氨分別進各氨冷器。由液氨接收槽(109-F)來的液氨逐級減壓后補入到各閃蒸罐。一級閃蒸罐(110-F)出來的液氨除送第一氨冷器(117-C)外，另一部分作為合成氣壓縮機(103-J)一段出口的氨冷器(129-C)

38、和閃蒸罐氨冷器(126-C)的冷源。氨冷器(129-C)和(126-C)蒸發(fā)的氣氨進入二級閃蒸罐(111-F)，110-F多余的液氨送往111-F。111-F的液氨除送第二氨冷器(118-C)和弛放氣氨冷器(125-C)作為冷凍劑外，其余部分送往三級閃蒸罐(112-F)。112-F的液氨除送119-C外，還可以由冷氨產(chǎn)品泵(109-J)作為冷氨產(chǎn)品送液氨貯槽貯存。由三級閃蒸罐(112-F)出來的氣氨進入氨壓縮機(105-J)一段壓縮，一段出口與111-F來的氣氨匯合進入二段壓縮，二段出口氣氨先經(jīng)壓縮機中間冷卻器(128-C)冷卻后，與110-F來的氣氨匯合進入三段壓縮，三段出口的氣氨經(jīng)氨冷凝器

39、(127-CA、CB)，冷凝的液氨進入接收槽(109-F)。109-F中的閃蒸氣去閃蒸罐氨冷器(126-C)，冷凝分離出來的液氨流回109-F，不凝氣作燃料氣送一段爐燃燒。109-F中的液氨一部分減壓后送至一級閃蒸罐(110-F)，另一部分作為熱氨產(chǎn)品經(jīng)熱氨產(chǎn)品泵(1-3P-1,2)送往尿素裝置。第二節(jié) 工藝仿真范圍 A 合成氨系統(tǒng)1）反應器：105D2）爐子：102B3）換熱器：124C、120C、121C、117C（管側(cè)）、118C（管側(cè)）、119C（管側(cè)）、123C、125C（管側(cè)）4）分離罐：105F、106F、108F5）壓縮機 ： 103J（工藝管線）B 冷凍系統(tǒng)） 換熱器： 12

40、7C、147C、117C（殼側(cè)）、129C（殼側(cè)）、118C（殼 側(cè)）、119C（殼側(cè)）、125C（殼側(cè)） ）分離罐：107F、109F、110F、111F、112F ）泵：13p1、109JA/JB）壓縮機：105J（工藝管線部分）第三節(jié) 控制回路一攬表寧夏化工廠合成氨裝置合成工段仿真培訓系統(tǒng)共涉及到儀表控制回路如下，這些回路的詳細內(nèi)容見下表，該表給出了儀表回路的公位號、回路描述、工程單位元、正常設定及正常輸出。這些內(nèi)容僅供操作參考。儀表回路一覽表合成系統(tǒng)回路名稱回路描述工程單位元設定值輸出PIC182104-F壓力控制MPA2.6 50PRC6103-J轉(zhuǎn)速控制MPA2.6 50PIC19

41、4107-F壓力控制MPA10.5 50FIC7104-F抽出流量控制KG/H11700 50FIC8105-F抽出流量控制KG/H12000 50FIC14壓縮機總抽出控制KG/H67000 50LICA14121-F罐液位元控制%50 50回路名稱回路描述工程單位元設定值輸出PIC7109-F壓力控制MPA1.4 50PICA8107-F壓力控制MPA1.86 50PRC9112-F壓力控制KPA2.8 50FIC9112-F抽出氨氣體流量控制KG/H24000 0FIC10111-F抽出氨氣體流量控制KG/H19000 0FIC11110-F抽出氨氣體流量控制KG/H23000 0FIC

42、18109-F液氨產(chǎn)量控制KG/H50 50LICA15109-F罐液位元控制%50 50LICA16110-F罐液位元控制%50 50LICA18111-F罐液位元控制%50 50LICA19112-F罐液位元控制%50 50LICA12107-F罐液位元控制%50 50冷凍系統(tǒng)第三章 裝置冷態(tài)開工過程一、合成系統(tǒng)開車 1. 投用LSH109(104-F液位高聯(lián)鎖)，LSH111（105-F液位高聯(lián)鎖）（輔助控制盤畫面）2. 打開SP71（合成工段現(xiàn)場）,把工藝氣引入104-F,PIC-182（合成工段DCS）設置在2.6Mpa投自動 3. 顯示合成塔壓力的儀表換為低量程表（合成工段現(xiàn)場合成

43、塔旁） 4. 投用124-C(圖1合成工段現(xiàn)場開閥VX0015進冷卻水)，123-C(圖1合成工段現(xiàn)場開閥VX0016進鍋爐水預熱合成塔塔壁) ,116-C(合成工段現(xiàn)場開閥VX0014)，打開閥VV077，VV078投用SP35(在圖1合成工段現(xiàn)場合成塔底右部進口處)。5. 按103-J復位（輔助控制盤畫面），然后啟動103-J（合成工段現(xiàn)場啟動按鈕）,開泵117-J注液氨（在冷凍系統(tǒng)圖的現(xiàn)場畫面） 6. 開MIC23,HCV11,把工藝氣引入合成塔105-D,合成塔充壓（合成工段現(xiàn)場圖）7. 逐漸關(guān)小防喘振閥FIC7,FIC8,FIC14 8. 開SP1付線閥VX0036均壓后（一小段時間

44、），開SP1,開SP72（在合成塔現(xiàn)場圖畫面上）及SP72前旋塞閥VX0035（合成塔現(xiàn)場圖）9. 當合成塔壓力達到1.4Mpa時換高量程壓力表（現(xiàn)場圖合成塔旁） 10. 關(guān)SP1付線閥VX0036，關(guān)SP72及前旋塞閥VX0035，關(guān)HCV-1111. 開PIC-194設定在10.5MPa，投自動（108-F出口調(diào)節(jié)閥）12. 開入102-B旋塞閥VV048，開SP70。13. 開SP70前旋塞閥VX0034,使工藝氣循環(huán)起來。14. 打開108-F頂MIC18閥（開度為100（合成現(xiàn)場圖）15. 投用102-B聯(lián)鎖FSL85（輔助控制盤畫面）16. 打開MIC17（合成塔系統(tǒng)圖）進燃料氣,

45、102-B點火（合成現(xiàn)場圖）,合成塔開始升溫17. 開閥MIC14調(diào)節(jié)合成塔中層溫度,開閥MIC15,MIC16,控制合成塔下層溫度，（合成塔現(xiàn)場圖）18. 停泵117-J,停止向合成塔注液氨19. PICA8設定在1.68MPa投自動。(冷凍工段DCS圖)20. LICA14設定在50%投自動，LICA13設定在40%投自動。(合成工段DCS圖)21. 當合成塔入口溫度達到反應溫度380時,關(guān)MIC17,102-B熄火,同時打開閥門HCV11預熱原料氣。22. 關(guān)入102-B旋塞閥VV048，現(xiàn)場打開氫氣補充閥VV060。23. 開MIC13進冷激起調(diào)節(jié)合成塔上層溫度24. 106-F液位L

46、ICA-13達50%時,開閥LCV13,把液氨引入107-F二、冷凍系統(tǒng)開車 1. 投用LSH116(110-F液位高聯(lián)鎖),LSH118(111-F液位高聯(lián)鎖),LSH120(112-F液位高聯(lián)鎖),PSH840,841聯(lián)鎖（輔助控制盤）；2. 投用127-C (冷凍系統(tǒng)現(xiàn)場開閥VX0017進冷卻水)；3. 打開109-F充液氨閥門VV066，建立80%液位（LICA15 至80%）后關(guān)充液閥； 4. PIC7設定值為1.4MPa，投自動； 5. 開三個制冷閥(在現(xiàn)場圖開閥VX0005，VX0006，VX0007)；6. 按105-J復位按鈕,然后啟動105-J（在現(xiàn)場圖開啟動按鈕），開出口

47、總閥VV084。） 7. 開127-C殼側(cè)排放閥VV067 ； 8. 開閥LCV15（打開LICA15）建立110-F液位 9. 開出129-C的截止閥VV086 （在現(xiàn)場圖） 10. 開閥LCV16（打開LICA16）建立111-F液位，開閥LCV18（LICA18）建立112-F液位 ；11. 投用125-C（打開閥門VV085） 12. 當107-F有液位時開MIC24，向111-F送氨 13. 開LCV-12（開LICA12）向112-F送氨 14. 關(guān)制冷閥(在現(xiàn)場圖關(guān)閥VX0005，VX0006，VX0007) 15. 當112-F液位達20%時,啟動109-J/JA向外輸送冷氨1

48、6. 當109-F液位達50%時,啟動1-3P-1/2向外輸送熱氨 第四章 正常操作規(guī)程合成崗位主要指標A、溫度設計值序號位號說明設計值（單位）1TR6_15出103-J二段工藝氣溫度 1202TR6_16入103-J一段工藝氣溫度403TR6_17工藝氣經(jīng)124-C后溫度384TR6_18工藝氣經(jīng)117-C后溫度105TR6_19工藝氣經(jīng)118-C后溫度-96TR6_20工藝氣經(jīng)119-C后溫度-23.37TR6_21入103-J二段工藝氣溫度388TI1_28工藝氣經(jīng)123-C后溫度1669TI1_29工藝氣進119-C溫度-910TI1_30工藝氣進120-C溫度-23.311TI1_3

49、1工藝氣出121-C溫度14012TI1_32工藝氣進121-C溫度23.213TI1_35107-F罐內(nèi)溫度-23.314TI1_36109-F罐內(nèi)溫度4015TI1_37110-F罐內(nèi)溫度416TI1_38111-F罐內(nèi)溫度-1317TI1_39112-F罐內(nèi)溫度-3318TI1_46合成塔一段入口溫度40119TI1_47合成塔一段出口溫度480.820TI1_48合成塔二段中溫度43021TI1_49合成塔三段入口溫度38022TI1_50合成塔三段中溫度40023TI1_84開工加熱爐102-B爐膛溫度80024TI1_85合成塔二段中溫度43025TI1_86合成塔二段入口溫度41

50、9.926TI1_87合成塔二段出口溫度465.527TI1_88合成塔二段出口溫度465.528TI1_89合成塔三段出口溫度434.529TI1_90合成塔三段出口溫度434.530TR1_113工藝氣經(jīng)102-B后進塔溫度38031TR1_114合成塔一段入口溫度40132TR1_115合成塔一段出口溫度48033TR1_116合成塔二段中溫度43034TR1_117合成塔三段入口溫度38035TR1_118合成塔三段中溫度40036TR1_119合成塔塔頂氣體出口溫度30137TRA1_120循環(huán)氣溫度14438TR5_(13-24)合成塔105-D塔壁溫度140.0B、重要壓力設計值

51、序號位號說明設計值（單位MPA）1PI59108-F罐頂壓力10.52PI65103-J二段入口流量6.03PI80103-J二段出口流量12.54PI58109-J/JA后壓2.55PR621_3P-1/2后壓4.06PDIA62103-J二段壓差5.0C、重要流量設計值序號位號說明設計值（單位KG/H）1FR19104-F的抽出量110002FI62經(jīng)過開工加熱爐的工藝氣流量600003FI63弛放氫氣量75004FI35冷氨抽出量200005FI36107-F到111-F的液氨流量3600第五章 裝置正常停工過程一、 合成系統(tǒng)停車1、 關(guān)閥MIC18弛放氣 (圖2 108-F頂) 2、

52、停泵1-3P-1/2 （圖3現(xiàn)場） 3、 工藝氣由MIC-25放空（圖1）,103-J降轉(zhuǎn)速（此處無需操作）4、 依次打開FCV14,FCV8,FCV7,注意防喘振5、 逐關(guān)MIC14，MIC15，MIC16，合成塔降溫 6、 106-F液位 LICA-13降至5%時,關(guān)LCV-137、 108-F液位 LICA-14降至5%時,關(guān)LCV-148、 關(guān)SP1,SP70 9、 停125-C,129-C （圖3現(xiàn)場關(guān)閥VV085，VV086） 10、 停103-J 二、 冷凍系統(tǒng)停車 1、 漸關(guān)閥FV11，105-J降轉(zhuǎn)速（此處無需操作） 2、 關(guān)MIC-24 3、 107-F液位LICA-12降至5%時關(guān)LCV-12 4、 圖3現(xiàn)場開三個制冷閥VX0005，VX0006，VX0007,提高溫度,蒸發(fā)剩余液氨5、 待112-F液位LICA-19降至5%時,停泵109-JA