淺談合成氨工藝

化工原理課程論文PAGEPAGE4資源環(huán)境淺談合成氨工藝氮肥生產(chǎn)是高能耗的工業(yè)，其生產(chǎn)成本主要取決于系統(tǒng)的能耗，系統(tǒng)能耗除了與采用的工藝流程有關(guān)外，在很大程度上取決于系統(tǒng)控制的算法及穩(wěn)定性，因此，化肥生產(chǎn)過程的控制系統(tǒng)對整個生產(chǎn)成本具有關(guān)鍵意義。本文比較詳細的介紹了合成氨的工藝流程，并對化肥的生產(chǎn)做了介紹，并且從再生產(chǎn)的角度介紹了鋼鐵廠的副產(chǎn)業(yè)——硫酸銨的生產(chǎn)。最終對我國合成氨技術(shù)的發(fā)展做了展望。氨是重要的無機化工產(chǎn)品之一，在國民經(jīng)濟中占有重要地位。除液氨可直接作為肥料外，農(nóng)業(yè)上使用的氮肥，例如尿素、硝酸銨、磷酸銨、氯化銨以及各種含氮復(fù)合肥，都是以氨為原料的。合成氨是大宗化工產(chǎn)品之一，世界每年合成氨產(chǎn)量已達到1億噸以上，其中約有80%的氨用來生產(chǎn)化學(xué)肥料，20%作為其它化工產(chǎn)品的原料。本次化工見習(xí)，我們參觀了玉溪新興鋼鐵有限公司和峨山化肥廠，對合成氨工藝，以及化肥生產(chǎn)工藝，有了質(zhì)的認識。詳細的工業(yè)流程又可分為一下幾步：（1）以無煙煤為原料合成氨常見的工藝過程是：造氣->半水煤氣脫硫->壓縮機1，2工段->變換->變換氣脫硫->壓縮機3段->脫硫->壓縮機4，5工段->銅洗->壓縮機6段->氨合成->產(chǎn)品NH3（2）采用甲烷化法脫硫除原料氣中CO.CO2時,合成氨工藝流程圖如下：造氣->半水煤氣脫硫->壓縮機1,2段->變換->變換氣脫硫->壓縮機3段->脫碳->精脫硫->甲烷化->壓縮機4,5,6段->氨合成->產(chǎn)品NH3一、合成氨工藝德國化學(xué)家哈伯1909年提出了工業(yè)氨合成方法，即“循環(huán)法”，這是目前工業(yè)普遍采用的直接合成法。反應(yīng)過程中為解決氫氣和氮氣合成轉(zhuǎn)化率低的問題，將氨產(chǎn)品從合成反應(yīng)后的氣體中分離出來，未反應(yīng)氣和新鮮氫氮氣混合重新參與合成反應(yīng)。合成氨反應(yīng)式如下：N2+3H2≈2NH3在合成氨的所有流程中，核心圍繞此方程式展開，用最低的能耗量，得到最高質(zhì)量的產(chǎn)品。合成氨的主要原料可分為固體原料、液體原料和氣體原料。經(jīng)過近百年的發(fā)展，合成氨技術(shù)趨于成熟，形成了一大批各有特色的工藝流程，但都是由三個基本部分組成，即原料氣制備過程、凈化過程以及氨合成過程。原料氣制備，即將煤和天然氣等原料制成含氫和氮的粗原料氣。對于固體原料煤和焦炭，通常采用氣化的方法制取合成氣；渣油可采用非催化部分氧化的方法獲得合成氣；對氣態(tài)烴類和石腦油，工業(yè)中利用二段蒸汽轉(zhuǎn)化法制取合成氣。凈化是對粗原料氣進行凈化處理，除去氫氣和氮氣以外的雜質(zhì)，主要包括變換過程、脫硫脫碳過程以及氣體精制過程。氨合成將純凈的氫、氮混合氣壓縮到高壓，在催化劑的作用下合成氨。合成氨系統(tǒng)是由一個個相對獨立的單元（工段）組成的。各單元之間具有密切關(guān)系。上一單元的產(chǎn)品或輸出，即為下一單元的原料或輸入，各個單元相互緊密聯(lián)系形成一個連續(xù)的生產(chǎn)過程。各個單元在地域上相互分散，但距離又不很遠?，F(xiàn)將整個生產(chǎn)過程分為造氣、脫硫、壓縮、變換、脫碳、合成、等主要單元（工段）進行合成氨工藝的簡要介紹。上述各單元（工段）的操作在工藝上密切聯(lián)系，但在地域上分散、在控制上相對獨立。1、造氣造氣一般是以塊煤為原料，采用間歇式固定層常壓氣化法，在高溫和程控機油傳動控制下，交替與空氣和過熱蒸汽反應(yīng)。反應(yīng)方程式：吹風(fēng)C+O2→CO2+QCO2+C→2CO-Q上、下吹C+H2O(g)→CO+H2-QA、吹風(fēng)階段吹風(fēng)階段的主要作用是產(chǎn)生熱量，提高燃料溫度。B、上吹（加氮）階段上吹階段的主要作用是置換爐底空氣，吸收熱量、制造半水煤氣，同時加入部分氮氣。C、下吹階段下吹階段作用是制取半水煤氣，吸收熱量，使上吹后上移的氣化層下移。D、二上吹階段二上吹的主要作用是將爐底及進風(fēng)管道中煤氣吹凈并回收，確保生產(chǎn)安全。E、吹凈階段吹凈的主要作用是回收造氣爐上層空間的煤氣及補充適量的氮氣，以滿足合成氨生產(chǎn)對氮氫比的要求。在生產(chǎn)中，一般均是多個造氣爐組成一組。在多臺造氣爐同時投入運行時，為了保證造氣爐在吹風(fēng)階段的風(fēng)量，必須對造氣爐的吹風(fēng)階段進行順序控制。對造氣爐進行吹風(fēng)排序，也就是要實現(xiàn)吹風(fēng)時間自尋優(yōu)及動態(tài)跟蹤。2、變換經(jīng)過壓縮有一定壓力的半水煤氣先經(jīng)過油水分離器，除去煤氣中的油物。然后進入飽和塔的下部與熱水進行交換后升至一定溫度，經(jīng)過氣水分離器分離出煤氣中的水份。去除水分的煤氣進入預(yù)熱交換器，與中變爐出口的高溫煤氣進行兩次熱交換后，進入中變爐，在觸媒的催化作用下，煤氣中的一氧化碳發(fā)生反應(yīng)，生成二氧化碳，中變爐的爐體內(nèi)有三層反應(yīng)區(qū)，在正常的工藝狀況下，第一層的反應(yīng)溫度控制在450℃左右，第二層反應(yīng)溫度控制在400℃左右，第三層的反應(yīng)溫度控制在380變換工藝流程圖在變換工段中，比較典型的控制回路包括入變換氣汽比調(diào)節(jié)，中變爐煤氣副線流量調(diào)節(jié)，中變爐中段溫度噴水控制，中變爐下段溫度噴水控制，飽和塔液位控制，水分出口煤氣溫度的調(diào)節(jié)等幾部分。入變換蒸汽流量與入變換半水煤氣流量的比值調(diào)節(jié)采用先進控制器，對比值控制器的給定值進行修正，并設(shè)置煤氣流量變化速率控制器來防止在系統(tǒng)加減量時，中變爐出口CO超標，達到汽氣比控制的目的。這時濃度提高至96℅。尿液經(jīng)一段蒸發(fā)器分離段出來去二段蒸發(fā)器，在0.0033MPa（絕壓）、140℃的條件下被濃縮成99.7℅的熔融尿素，經(jīng)分離段分離后，熔融，尿素生產(chǎn)控制回路比較多，包括溫度、壓力、流量、液位的控制，其中合成塔壓力調(diào)節(jié)、中壓壓力調(diào)節(jié)、低壓系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)這幾個調(diào)節(jié)回路尤為重要。主要調(diào)節(jié)回路一般都采用1：1冗余方式。其它控制回路有：閃蒸下液溫度調(diào)節(jié)、解吸塔溫度調(diào)節(jié)、解析塔壓力調(diào)節(jié)、解析加液流量調(diào)節(jié)、一分加液位槽液位調(diào)節(jié)、二分加液位槽液位調(diào)節(jié)、解吸塔液位調(diào)節(jié)、二分塔出料溫度調(diào)節(jié)、一分塔底溫度調(diào)節(jié)、一洗塔底溫度調(diào)節(jié)、一段蒸發(fā)溫度調(diào)節(jié)、二段蒸發(fā)溫度調(diào)節(jié)、一分塔液位調(diào)節(jié)、二分塔液位調(diào)節(jié)、一吸塔液位調(diào)節(jié)等。這些調(diào)節(jié)回路一般采用單回路控制即可達到很好的控制效果。四、我國合成氨工業(yè)的發(fā)展情況解放前我國只有兩家規(guī)模不大的合成氨廠，解放后合成氨工業(yè)有了迅速發(fā)展。1949年全國氮肥產(chǎn)量僅0.6萬噸，而1982年達到1021.9萬噸，成為世界上產(chǎn)量最高的國家之一。近幾年來，我國引進了一批年產(chǎn)30萬噸氮肥的大型化肥廠設(shè)備。我國自行設(shè)計和建造的上海吳涇化工廠也是年產(chǎn)30萬噸氮肥的大型化肥廠。這些化肥廠以天然氣、石油、煉油氣等為原料，生產(chǎn)中能