化工合成氨工藝原理及流程分析(ppt 34頁).ppt

1、2021/1/27,合成氨流程簡介-32,1,30萬噸仿真合成氨工藝原理流程簡介,2010.10,2021/1/27,合成氨流程簡介-32,2,本模型是以德國伍德公司生產(chǎn)工藝，以天然氣為原料的日產(chǎn)合成氨1000噸（年產(chǎn)30萬噸）縮微仿真模型。整個裝置主要包括,1）天然氣脫硫與壓縮； （2）工藝空氣壓縮； （3）天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化； （4）CO變換； （5）CO2脫除； （6）甲烷化； （7）合成氣壓縮； （8）氨合成； （9）冷凍； （10）氨回收； （11）氫回收,2021/1/27,合成氨流程簡介-32,3,2021/1/27,合成氨流程簡介-32,4,一、原料氣壓縮和脫硫,原料天然氣進入壓縮

2、機，經(jīng)四段壓縮至51105Pa，溫度加熱至390，進入鈷-鉬加氫反應器中反應，將有機硫轉(zhuǎn)化為無機硫，然后入氧化鋅脫硫槽將硫脫除，控制硫含量小于0.1ppm,2021/1/27,合成氨流程簡介-32,5,二、轉(zhuǎn)化,經(jīng)脫硫后的原料氣在鎳催化劑作用下進行一段、二段蒸汽轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化氣溫度在983左右，殘余CH4在0.9以下入廢熱鍋爐回收工藝氣熱量,2021/1/27,合成氨流程簡介-32,6,三、變換,工藝氣溫度降為370左右進入鐵鉻系催化劑的高溫變換爐頂部，從底部流出高變氣溫度降為204再入低溫變換爐。低溫變換在銅鋅系催化劑中進行反應，CO含量降到0.36,2021/1/27,合成氨流程簡介-32,7

3、,四、脫碳,低變氣經(jīng)冷卻進入吸收塔下部，經(jīng)吸收氣體中CO2含量降到0.4，再經(jīng)上塔吸收，從塔頂逸出的脫碳后的CO2含量0.1工藝氣去甲烷化工序。 吸收塔底流出富液，經(jīng)水力透平做功后送至再生塔頂部，溶液減壓閃蒸出水蒸汽和CO2，然后向下流經(jīng)再生塔四層填料。 再生溶液（貧液）從再生塔底部流出，經(jīng)溶液泵升壓后分兩路（頂部和中部）送入吸收塔,2021/1/27,合成氨流程簡介-32,8,五、甲烷化,來自吸收塔頂?shù)拿撎細猓M入甲烷化爐反應，從爐底流出進入熱交換器冷卻，甲烷化氣中（CO+ CO2）小于10ppm,2021/1/27,合成氨流程簡介-32,9,六、合成氣的壓縮,甲烷化后的工藝氣進入合成氣壓縮

4、機低壓缸、高壓缸壓縮到101105Pa，冷卻到40后入第一氨冷器冷卻至5，與一氨冷出口的循環(huán)氣在管路中匯合，進入二氨冷降溫到-10，此時大部分氣氨被冷凝。 出循環(huán)段的氣體經(jīng)熱交換器升溫后進入合成塔,2021/1/27,合成氨流程簡介-32,10,七、氨的合成,壓力104105Pa、溫度239、氨含量4.12的循環(huán)氣，流經(jīng)合成塔在鐵催化劑上進行合成反應。 出塔氣的壓力為100105Pa，414，氨含量16.3入廢熱鍋爐回收熱量，部分氣氨在換熱器內(nèi)冷凝為液氨，然后合成氣再進入一氨冷，然后與新鮮氣匯合成為循環(huán)氣，形成合成循環(huán)回路,2021/1/27,合成氨流程簡介-32,11,八、冷凍,來自一氨冷、

5、二氨冷及氣體冷卻器的氣氨分別進入冰機，經(jīng)壓縮后與從氨閃蒸槽來的氣氨相匯合，進入二段壓縮至15.6105Pa，100，經(jīng)水冷器冷卻至40后，氣氨液化為液氨入氨收集器，再入氨閃蒸槽、產(chǎn)品氨加熱器與來自閃蒸槽的冷氨進行交換使之冷卻過冷至13，重新作為冷凍劑送往第一、二氨冷裝置，構(gòu)成冷凍循環(huán)回路,2021/1/27,合成氨流程簡介-32,12,九、氨回收,合成馳放氣入吸收塔底部，被水吸收，吸收后氣體中含氨量為0.02，大部分氣體送往氨冷器冷卻后送氫回收裝置。 氨吸收塔底部流出的氨水，經(jīng)加熱后入汽提塔，從汽提塔頂蒸出的氣氨在冷凝器中冷凝為液氨。 汽提塔底流出的氨水濃度為0.1經(jīng)冷卻后分別送往吸收塔作吸收

6、劑循環(huán)使用,2021/1/27,合成氨流程簡介-32,13,十、氫回收,經(jīng)氨回收后的氣體進入分子篩干燥器，將氣體中的NH3，H2O徹底清除，然后送入冷箱，CH4、Ar、部分N2液化為液體與未液化的氫氣進入分離器，氫氣被富集為富氫氣，送往合成氣壓縮機循環(huán)段入口,2021/1/27,合成氨流程簡介-32,14,十一、氨的貯存,本裝置設有兩臺球型氨罐，每個貯存量為2500噸，操作壓力與溫度分別為3.8105 Pa和 3,2021/1/27,合成氨流程簡介-32,15,轉(zhuǎn)化工段,2021/1/27,合成氨流程簡介-32,16,天然氣,預熱器,脫硫,預熱,一段轉(zhuǎn)化,二段轉(zhuǎn)化,廢熱鍋爐,蒸汽,預 熱,蒸汽

7、,空氣,去變換,1.天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化工藝流程,2021/1/27,合成氨流程簡介-32,17,2. 原料氣脫硫,天然氣中含有少量硫化物，這些硫化物可以使多種催化劑中毒而不同程度地使其失去活性，硫化氫能腐蝕設備管道。因此，必須盡可能地除去原料氣中的各種硫化物。 加氫轉(zhuǎn)化 指在加入氫氣的條件下使原料氣中有機硫轉(zhuǎn)化為無機硫。加氫轉(zhuǎn)化不能達到直接脫硫的目的，但經(jīng)轉(zhuǎn)化后就大大的利于硫的脫除。在有機硫轉(zhuǎn)化的同時，也能使烯烴類加氫轉(zhuǎn)化為烷氫類從而可減少下一工序蒸汽轉(zhuǎn)化催化劑析炭的可能性。 氧化鋅 是一種內(nèi)表面積大，硫容較高的接觸反應型脫硫劑。除噻吩及其衍生物外，脫除硫化氫及各種有機硫化物的能力極高，可將出口氣

8、中硫含量降至0.1PPm以下,2021/1/27,合成氨流程簡介-32,18,3原料氣的一段蒸汽轉(zhuǎn)化,經(jīng)脫硫后的原料氣的總硫含量降至0.1PPm以下，與水蒸汽混合后進行轉(zhuǎn)化反應，生成氫氣和CO （CO 將在下一變化工序中去除）： CH4+H2O CO+3H2 CnH2n+2+nH2O nCO +（2n+1）H2 由于轉(zhuǎn)化反應是吸熱反應，在高溫條件下有利于反應平衡及反應速度。在實際生產(chǎn)中，轉(zhuǎn)化反應分別是在一段爐和二段爐中完成。 在一段爐中 ，烴類和水蒸氣的混合氣在反應管內(nèi)鎳催化劑的作用下進行轉(zhuǎn)化反應，管外有燃料氣燃燒供給反應所需熱量，出一段爐轉(zhuǎn)化氣溫度控制在800左右,2021/1/27,合成氨

9、流程簡介-32,19,4轉(zhuǎn)化氣的二段轉(zhuǎn)化,為了進一步轉(zhuǎn)化，需要更高的溫度。在二段爐中加入預熱后的空氣，利用H2和O2的燃燒反應，產(chǎn)生高熱，促使CH4進一步轉(zhuǎn)化。 出二段爐的工藝氣殘余甲烷含量0.3左右，經(jīng)并聯(lián)的兩臺第一廢熱鍋爐回收熱量，再經(jīng)第二廢熱鍋爐進一步回收余熱后，送去變換,2021/1/27,合成氨流程簡介-32,20,5變換,經(jīng)蒸汽轉(zhuǎn)化后的工藝氣含有1215的CO，變換工序的任務是使CO在有催化劑存在的條件下與水蒸汽進行反應： CO + H2O CO2 + H2 這樣即能把一氧化碳變?yōu)橐子谇宄亩趸?，同時又可制得合成需要的原料氫。 變換反應是一個可逆、放熱、反應前后氣體體積不變的化

10、學反應,2021/1/27,合成氨流程簡介-32,21,5變換,整個變換過程是由高溫變換和低溫變換組成。 高溫變換爐，所用的催化劑是以Fe3O4為活性組分的，它的活性溫度在300以上（一般在350430）。在此溫度下，可以取得較高的反應速度，但不能達到較低的CO濃度。 為了進一步取得較低的CO濃度，還要以銅為活性組分的催化劑作用下，進行低溫變換 。它的變換溫度一般在200250，這樣的低溫下，就能使CO的變換進行的比較徹底，可以使CO濃度降至0.3以下,2021/1/27,合成氨流程簡介-32,22,2021/1/27,合成氨流程簡介-32,23,凈化工段,1、脫碳 經(jīng)變換工序后的工藝氣，CO

11、2含量一般在17左右。本裝置采用改良苯菲爾法脫除工藝氣中的CO2 ，吸收劑為碳酸鉀溶液，溶液的吸收和再生可以用如下反應方程式表示： K2CO3 + CO2 + H2O 2KHCO3 + 熱量 這是一個可逆過程。脫碳溶液中 K2CO3在低溫、加壓的條件下吸收了CO2生成KHCO3 ，KHCO3又在加熱、減壓的條件下放出CO2，重新變成K2CO3。前一個過程是吸收過程，后一個是再生過程。 經(jīng)過吸收塔的脫碳氣體要求CO2小于0.1；經(jīng)過再生塔的CO2氣體要求純度大于98.5,2021/1/27,合成氨流程簡介-32,24,2、甲烷化,碳氧化物（CO、CO2）是合成觸媒的毒物，在工業(yè)生產(chǎn)中要求入合成工

12、序的氫氮氣中的CO、CO2含量小于10PPm。在催化劑作用下將CO、CO2 加氫反應生成對合成觸媒無害的甲烷。 在鎳觸媒存在的條件下，進行如下化學反應： CO + 3H2 CH4 + H2O + 206.16kJ/mol CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O + 165.08kJ/mol 甲烷化反應是可逆強放熱反應，溫升很大，每反應1CO，溫升72左右；每反應1CO2，溫升60左右。 因此，要嚴格控制低變出口CO含量及脫碳出口CO2含量，在規(guī)定指標范圍內(nèi)，嚴防甲烷化觸媒超溫,2021/1/27,合成氨流程簡介-32,25,2021/1/27,合成氨流程簡介-32,26,反應具有如下幾個特點

13、： 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。 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。 是體積縮小的反應。 反應需要有催化劑才能較快的進行,氨合成反應的特點,氨合成的化學反應式如下,2021/1/27,合成氨流程簡介-32,27,合成工段,氨的合成是整個合成氨流程中的核心部分。前面工序制得的合格氮氫氣在高溫高壓及鐵催化劑作用下合成為氨。 由于在反應過程中只有少部分氮氫氣合成為氨，因此反應后的氣體混合物分離氨后，經(jīng)加壓又送回合成塔，構(gòu)成合成回路。 本裝置的合成塔采用了三段間接換熱式徑向合成塔，這樣合成塔觸媒層的溫度分布就更為合理，更加接近最佳溫度分布曲線，觸媒層的阻力降也更小。 同時，在合成塔出口設置了合成廢鍋，利用合成氨余熱產(chǎn)生125105 Pa的高壓蒸汽，能量回收更為充分。 但是，由于轉(zhuǎn)化工序加入過量空氣，使合成系統(tǒng)氮過剩，加大了合成排放氣量。為此增加了氫回收裝置加以彌補，回收的氫返回合成系統(tǒng),2021/1/27,合成氨流程簡介-32,28,本裝置的合成塔采用了三段間接換熱式徑向合成塔，這樣合成塔觸媒層的溫度分布就更為合理，更加接近最佳溫度分布曲線，觸媒層的阻力降也更小。 同時，在合成塔出口設置了合成廢鍋，利用合成氨余熱產(chǎn)生125105 Pa的高壓蒸汽，能量回收更為充分。 但是，由于轉(zhuǎn)化工