合成氨生產(chǎn)原料確定張杰華ppt課件

1、合成氨消費(fèi)原料確實(shí)定合成氨消費(fèi)原料確實(shí)定小組成員：駱驍 張杰華 包二 劉燦 劉江霞一、 合成氨消費(fèi)條件的比較 目前，合成氨的消費(fèi)方法主要有固體燃料氣化法煤或焦炭的氣化，烴類蒸汽轉(zhuǎn)化法天然氣，石腦油，重油部分氧化法。由于合成氨原料氣中的氮?dú)馊菀撰@得，所以原料氣的制備主要是制取氫氣，而CO在變換過(guò)程能產(chǎn)生同體積的氫氣，因此把原料氣中的CO和H2看作有效氣體成分。 氨的合成需求H2：N2為3:1的原料氣，要求造氣制得的煤氣中有效氣成分與氮?dú)獗壤秊?.13.2：1，這就是通常所說(shuō)的半水煤氣。一固體燃料氣化法 工業(yè)上用氣化劑對(duì)煤或焦炭進(jìn)展熱加工，將碳轉(zhuǎn)換為可燃性氣體的過(guò)程，稱為固體燃料的氣化。氣化所得的

2、可燃性氣體通稱為煤氣 空氣煤氣：以空氣為汽化劑制得的煤氣。主要成分為 N2+CO(CO2) 水煤氣：以水為氣化劑,主要成分為H2+CO 混合煤氣：以空氣和水為汽化劑所得煤氣。 半水煤氣：以適量空氣或富氧空氣和水蒸汽作為氣化劑，所得氣體的組成符合CO+H2)/N2=3.13.2(摩爾比)以能滿足消費(fèi)合成氨對(duì)氫氧比的要求.1.1.固體燃料氣化的根本原理固體燃料氣化的根本原理molkJHCOOC/8 .393022molkJHCOOC/6 .1102102molkJHCOCOC/3 .172202molkJHCOOCO/2 .2832 1022 由反響原理可知：碳與水蒸氣的反響為吸熱反響，而碳與空氣

3、的反響為放熱反響，假設(shè)控制空氣和水蒸氣的比例，使碳與空氣反響放出的熱量等于碳與水蒸氣反響所需的熱量，那么制氣過(guò)程可以維持自熱運(yùn)轉(zhuǎn)，但消費(fèi)的氣體組成難以滿足要求。2.固體燃料氣化法的條件分析 固體燃料中的碳和汽化劑在煤氣發(fā)生爐中所進(jìn)固體燃料中的碳和汽化劑在煤氣發(fā)生爐中所進(jìn)展的反響屬于氣固相系統(tǒng)的多相反響。其反響速度的展的反響屬于氣固相系統(tǒng)的多相反響。其反響速度的大小不僅與碳和汽化劑的化學(xué)反響速度有關(guān)，同時(shí)還大小不僅與碳和汽化劑的化學(xué)反響速度有關(guān)，同時(shí)還受汽化劑向碳的外表分散速度的影響。受汽化劑向碳的外表分散速度的影響。碳和氧的反響碳和氧的反響實(shí)際證明：實(shí)際證明： 、在溫度高于、在溫度高于1000

4、時(shí)，熄滅產(chǎn)物主要是時(shí)，熄滅產(chǎn)物主要是CO、在、在500以下時(shí)主要是以下時(shí)主要是CO， 、溫度低于、溫度低于775 ，屬動(dòng)力學(xué)控制；，屬動(dòng)力學(xué)控制； 、溫度高于、溫度高于900 ，分散控制加劇。，分散控制加劇。碳和水蒸氣的反響碳和水蒸氣的反響實(shí)際證明：實(shí)際證明： 、t4001100 ，屬動(dòng)力學(xué)控制；，屬動(dòng)力學(xué)控制； 、t大于大于1100 ，屬分散控制。，屬分散控制。由圖可知：壓力一定、溫度升高時(shí)，由圖可知：壓力一定、溫度升高時(shí)，H2及及CO含量添含量添加；加；CO2及及CH4等減小。等減小。由上述熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析可知，溫度必需在由上述熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析可知，溫度必需在900以以上才有稱心的氣化

5、速度，且上才有稱心的氣化速度，且H2、CO含量較高，普通操作含量較高，普通操作溫度在溫度在1100以上。近年來(lái)新工藝采用以上。近年來(lái)新工藝采用15001600進(jìn)展氣化，使消費(fèi)強(qiáng)度大大提高。進(jìn)展氣化，使消費(fèi)強(qiáng)度大大提高。1溫度2壓力 溫度一定、壓力升高時(shí)，溫度一定、壓力升高時(shí)，H2及及CO含量添加；含量添加；CO2 CH4等減??；降低壓力有利于提高等減小；降低壓力有利于提高CO和和H2的平衡濃度，的平衡濃度，但加壓有利于提高反響速率并減小反響體積，目前氣化普但加壓有利于提高反響速率并減小反響體積，目前氣化普通采用通采用2.53.2MPa，其，其CH4含量較常壓高些。含量較常壓高些。3水蒸氣和氧氣

6、的比水蒸氣和氧氣的比 氧的作用是與煤熄滅放熱供應(yīng)水蒸氣與煤的氣氧的作用是與煤熄滅放熱供應(yīng)水蒸氣與煤的氣化反響，化反響，H2O/O2H2O/O2比值對(duì)溫度和煤氣組成有影響，其比值對(duì)溫度和煤氣組成有影響，其比值要根據(jù)采用煤氣化消費(fèi)方法而定。比值要根據(jù)采用煤氣化消費(fèi)方法而定。4 4吹風(fēng)速度吹風(fēng)速度 提高爐溫的主要手段是提高入爐空氣量。入爐空氣量是由吹風(fēng)速度和吹風(fēng)時(shí)間來(lái)決議的。在氧化層中，碳的熄滅速度很快，屬于分散控制。所以提高吹風(fēng)速度，有利于碳的熄滅反響，還可縮短二氧化碳與灼熱碳層的接觸時(shí)間，以減少一氧化碳的生成量，從而減少了熱損失，添加了爐內(nèi)的蓄熱量。在入爐空氣量一定的情況下，提高吹風(fēng)速度，還可以

7、延伸制氣時(shí)間，有利于提高煤氣發(fā)生爐的消費(fèi)才干。但吹風(fēng)速度過(guò)大，將導(dǎo)致吹出物量添加，燃料損失加大，嚴(yán)重時(shí)，出現(xiàn)風(fēng)洞甚至吹翻，呵斥氣化條件惡化。3.3.固體燃料氣化法的消費(fèi)方法及主要設(shè)備固體燃料氣化法的消費(fèi)方法及主要設(shè)備消費(fèi)方法分類消費(fèi)方法分類 煤氣化過(guò)程需求吸熱和高溫，工業(yè)上采煤氣化過(guò)程需求吸熱和高溫，工業(yè)上采用熄滅煤來(lái)實(shí)現(xiàn)。氣化過(guò)程按操作方式分為：用熄滅煤來(lái)實(shí)現(xiàn)。氣化過(guò)程按操作方式分為：間歇式和延續(xù)式，前者的工藝較后者落后，間歇式和延續(xù)式，前者的工藝較后者落后，現(xiàn)正在被淘汰?，F(xiàn)普通按采用的反響器類型現(xiàn)正在被淘汰?，F(xiàn)普通按采用的反響器類型分為：固定床挪動(dòng)床、流化床、氣流床分為：固定床挪動(dòng)床、流化

8、床、氣流床和熔融床。前三種以被工業(yè)消費(fèi)采用，而熔和熔融床。前三種以被工業(yè)消費(fèi)采用，而熔融床處于中試階段。融床處于中試階段。間歇式制取半水煤氣的任務(wù)循環(huán)及設(shè)備間歇式制取半水煤氣的任務(wù)循環(huán)及設(shè)備 固定床間歇式氣化制半水煤氣的操作方式為熄固定床間歇式氣化制半水煤氣的操作方式為熄滅與制氣分階段進(jìn)展，所用設(shè)備稱煤氣發(fā)生爐。爐滅與制氣分階段進(jìn)展，所用設(shè)備稱煤氣發(fā)生爐。爐中填滿塊狀煤或焦炭，首先吹入空氣使煤完全熄滅中填滿塊狀煤或焦炭，首先吹入空氣使煤完全熄滅生成生成CO2并放出大量的熱并放出大量的熱,使煤層升溫，煙道氣放空；使煤層升溫，煙道氣放空；待煤層溫度達(dá)待煤層溫度達(dá)1200左右，停頓吹風(fēng)，轉(zhuǎn)吹水蒸氣，

9、左右，停頓吹風(fēng)，轉(zhuǎn)吹水蒸氣，與高溫煤層反響，生成與高溫煤層反響，生成CO、H2等氣體，制成水煤等氣體，制成水煤氣，送入氣柜。氣化吸熱使煤層溫度下降，當(dāng)降至氣，送入氣柜。氣化吸熱使煤層溫度下降，當(dāng)降至950時(shí)，停頓送蒸汽，重新進(jìn)展熄滅階段。如此時(shí)，停頓送蒸汽，重新進(jìn)展熄滅階段。如此交替操作，完成制氣。交替操作，完成制氣。吹風(fēng)吹風(fēng) 蒸汽吹凈蒸汽吹凈 一次上吹制氣一次上吹制氣下吹制氣下吹制氣空氣空氣 蒸汽蒸汽 蒸汽蒸汽二次上吹制氣二次上吹制氣空氣吹凈空氣吹凈 蒸汽蒸汽 空氣空氣 煤氣發(fā)生爐內(nèi)，燃煤氣發(fā)生爐內(nèi)，燃料層自上而下分為：料層自上而下分為：枯燥區(qū)、枯燥區(qū)、 干餾區(qū)干餾區(qū) 復(fù)原區(qū)和氧化區(qū)、復(fù)原區(qū)

10、和氧化區(qū)、灰渣區(qū)?；以鼌^(qū)。 間歇操作是經(jīng)過(guò)控制閥門的開(kāi)啟順序和間歇操作是經(jīng)過(guò)控制閥門的開(kāi)啟順序和開(kāi)啟時(shí)間到達(dá)制氣的目的開(kāi)啟時(shí)間到達(dá)制氣的目的- -氣體組成及熱量的氣體組成及熱量的利用。間歇法制氣非制氣時(shí)間較多，消費(fèi)強(qiáng)利用。間歇法制氣非制氣時(shí)間較多，消費(fèi)強(qiáng)度低，而且閥門開(kāi)關(guān)頻繁，閥件易損壞，故度低，而且閥門開(kāi)關(guān)頻繁，閥件易損壞，故工藝落后。優(yōu)點(diǎn)是不用純氧只用空氣，消費(fèi)工藝落后。優(yōu)點(diǎn)是不用純氧只用空氣，消費(fèi)本錢和投資費(fèi)用低。本錢和投資費(fèi)用低。固定床延續(xù)式氣化制水煤氣固定床延續(xù)式氣化制水煤氣 固定床延續(xù)式氣化制水煤氣法由德國(guó)魯奇公司開(kāi)發(fā)。燃固定床延續(xù)式氣化制水煤氣法由德國(guó)魯奇公司開(kāi)發(fā)。燃料塊狀煤或焦

11、炭由爐頂定時(shí)參與，氣化劑為水蒸氣和純氧混料塊狀煤或焦炭由爐頂定時(shí)參與，氣化劑為水蒸氣和純氧混合氣，在汽化爐中同時(shí)進(jìn)展碳與氧的熄滅放熱反響和碳與蒸合氣，在汽化爐中同時(shí)進(jìn)展碳與氧的熄滅放熱反響和碳與蒸汽的氣化吸熱反響，調(diào)汽的氣化吸熱反響，調(diào)H2O/O2H2O/O2比例，就可延續(xù)制氣，消費(fèi)強(qiáng)比例，就可延續(xù)制氣，消費(fèi)強(qiáng)度較高，且煤氣質(zhì)量穩(wěn)定。但因煤氣中度較高，且煤氣質(zhì)量穩(wěn)定。但因煤氣中CH4CH4和和CO2CO2含量高，含量高，COCO含量低，普通作城市煤氣。含量低，普通作城市煤氣。氣流床延續(xù)式氣化制水煤氣氣流床延續(xù)式氣化制水煤氣 劇烈返混和氣化，強(qiáng)化了傳熱和傳質(zhì)，水煤漿在爐中僅停劇烈返混和氣化，強(qiáng)化

12、了傳熱和傳質(zhì)，水煤漿在爐中僅停留留57S57S，液態(tài)排灰。當(dāng)壓力為，液態(tài)排灰。當(dāng)壓力為4MPa4MPa時(shí)，出口氣的體積組成為時(shí)，出口氣的體積組成為CO4451%,H23536%,CO21318%CO4451%,H23536%,CO21318%，CH40.1%.CH40.1%.碳轉(zhuǎn)化率達(dá)碳轉(zhuǎn)化率達(dá)9799%9799%?；厥崭邷爻隹跉怙@熱的方式有廢熱鍋爐式和冷激式氨廠采回收高溫出口氣顯熱的方式有廢熱鍋爐式和冷激式氨廠采用。用。4.固體燃料氣化法消費(fèi)合成氨工藝流程圖二烴類蒸汽轉(zhuǎn)化法 該法是在催化劑存在下與水蒸汽反響轉(zhuǎn)化制氣。 1.烴類蒸汽轉(zhuǎn)化法根本反響原理 主要發(fā)生下述反響： CH4H2OCOH2

13、COH2OCO2H2 CnH2nnH2OnCO2nlH2 反響在800-820下進(jìn)展。從上述反響可知，也有部分氫氣來(lái)自水蒸汽。 由以上反響原理可知：總反響為吸熱、體積增大的可逆反響。提高溫度、添加水蒸氣的配入量，有利于提高甲烷的平衡轉(zhuǎn)化率，而提高壓力那么降低甲烷的平衡轉(zhuǎn)化率。工業(yè)條件下不論何種烴類原料與水蒸氣反響都需求經(jīng)過(guò)甲烷轉(zhuǎn)化這一階段，甲烷是一切烴類中生成自在焓最低的，即最穩(wěn)定的一種低碳烴，因此，它的蒸氣轉(zhuǎn)化最為困難。為此，輕質(zhì)烴類的蒸氣轉(zhuǎn)化可用甲烷蒸氣轉(zhuǎn)化反響來(lái)代表。2.烴類蒸汽轉(zhuǎn)化法的工藝條件分析1溫度由左圖可知：甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化反響時(shí)可逆的吸熱反響，提高溫度，甲烷平衡含量下降；反之，甲烷

14、平衡含量添加。轉(zhuǎn)化溫度每提高10，甲烷平衡含量降低1.0%1.3%。2壓力 甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化為體積增大的可逆反響，壓力添加，甲烷平衡含量也隨之增大。NoImage3水碳比 水碳比是指進(jìn)口氣體中水蒸氣與烴原料中所含碳的物質(zhì)的量之比。在溫度、壓力條件一定的條件下，水碳比愈高，甲烷平衡含量越低。但是水碳比直接關(guān)系到水蒸氣耗費(fèi)，不宜過(guò)大。 總之，提高轉(zhuǎn)化溫度，降低轉(zhuǎn)化壓力和添加水碳比有利于化學(xué)平衡，即平衡時(shí)，剩余甲烷含量低。NoImage3.烴類蒸汽轉(zhuǎn)化法工藝流程N(yùn)oImage 用該法制得的氣體組成中，氫氣含量可達(dá)74體積，其消費(fèi)本錢主要取決于原料價(jià)錢，我國(guó)輕質(zhì)油價(jià)錢高，制氣本錢貴，采用遭到限制。大多數(shù)大

15、型合成氨合成甲醇工廠均采用天然氣為原料，催化水蒸汽轉(zhuǎn)化制氫的工藝。我國(guó)在該領(lǐng)域進(jìn)展了大量有效果的研討任務(wù)，并建有大批工業(yè)消費(fèi)安裝。我國(guó)曾開(kāi)發(fā)采用間歇式天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫工藝，制取小型合成氨廠的原料，這種方法不用用采高溫合金轉(zhuǎn)化爐，安裝投資本錢低。以石油及天然氣為原料制氫的工藝已非常成熟，但因受原料的限制目前主要用于制取化工原料。 三重油部分氧化法 重油部分氧化是指重質(zhì)烴類和氧氣進(jìn)展部分熄滅，由于反響放出的熱量，使部分碳?xì)浠衔锇l(fā)生熱裂解以及裂解產(chǎn)物發(fā)生轉(zhuǎn)化反響，最終獲得了以H2和CO為主體，含有少量CO2和CH4的合成氣。1.重油部分氧化法的反響根本原理 反響條件為12000,3.28.37M

16、Pa，每噸原料參與水蒸氣量為400500Kg，水蒸氣起氣化劑作用，同時(shí)可以緩沖爐溫及抑制炭黑的生成。NoImage2.重油部分氧化法工藝條件分析 重油部分氧化法工藝條件的選擇，應(yīng)滿足在盡能夠低的耗氧量和水蒸氣耗費(fèi)前提下，將重油最大限制地轉(zhuǎn)化為有效成分一氧化碳和氫氣。1溫度 普通以為甲烷與水蒸氣及碳與水蒸氣的轉(zhuǎn)化反響時(shí)重油氣化的步驟。這兩個(gè)反響均為可逆吸熱反響，因此，提高溫度既可提高甲烷和炭黑的平衡轉(zhuǎn)化率，又可加快反響速度，從而降低生成氣體中甲烷和炭黑的含量，提高有效氣體的產(chǎn)量。實(shí)際上重油部分氧化過(guò)程中反響溫度越高越好。但是，反響溫度過(guò)高易燒壞氣化爐的耐火襯和噴嘴。此外，提高溫度普通是經(jīng)過(guò)添加氧

17、氣耗費(fèi)到達(dá)的，隨著氧氣耗費(fèi)量的添加，更多的重油或有效氣體被燒掉，不僅添加了重油和氧氣的耗費(fèi)，而且有效氣體產(chǎn)量下降。因此，反響溫度也不能太高，普通控制在13001400.2壓力 重油氣化是體積增大的反響，提高壓力對(duì)化學(xué)平衡不利。但是，目前工業(yè)上普通采用加壓操作。其緣由是：加壓氣化可降低緊縮功耗。由于氧氣用量?jī)H為生成氣量的1/4，所以緊縮氧氣比緊縮生成氣要節(jié)省功耗。加壓氣化可提高氣化爐的消費(fèi)強(qiáng)度，減少設(shè)備容積，降低設(shè)備投資。加壓氣化有利于消除炭黑。加壓氣化噴嘴霧化效果好，有利于降低氣體中炭黑和甲烷含量，提高氣體中有效成分產(chǎn)量。 但是，氣化壓力越高，壓力對(duì)化學(xué)平衡所帶來(lái)的不利影響越顯著，又會(huì)使生成氣

18、中炭黑和甲烷含量升高，并且對(duì)設(shè)備資料及制造要求更嚴(yán)厲，因此，選擇氣化壓力需從全系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果來(lái)思索。目前，我國(guó)小型廠氣化壓力為0.71.3MPa，中型廠為2.03.5MPa，大型廠高達(dá)8.08.5MPa。3氧油比 氧油比是指每千克重油所配入氧氣的規(guī)范立方米數(shù)。氧油比對(duì)重油氣化有決議性的影響，氧耗又是主要的經(jīng)濟(jì)目的，因此氧油比是控制消費(fèi)的主要條件之一。 氧油比提高，可提高反響溫度，減少生成氣中甲烷和炭黑的含量，但氧油比過(guò)高，不僅添加了氧氣的耗費(fèi)，降低了有效氣體產(chǎn)量，而且因反響溫度過(guò)高，容易燒壞噴嘴和氣化層的耐火襯里。氧油比過(guò)低，重油轉(zhuǎn)化不完全，生成氣中甲烷和炭黑含量高。4蒸氣油比 蒸氣油比是

19、指每千克重油所配入水蒸氣的千克數(shù)。水蒸氣在重油部分氧化過(guò)程中能作為氣化劑與各種烴類及炭黑進(jìn)展反響，降低了生成氣中甲烷和炭黑的含量，同時(shí)降低氧耗，添加氫氣的產(chǎn)量，并且對(duì)控制爐溫，提高霧化效果起到了良好的作用。但蒸氣油比過(guò)大，不僅添加水蒸氣的耗費(fèi)，而且會(huì)使反響溫度下降，反而又降低了轉(zhuǎn)化反響速度和有效氣體的產(chǎn)率。假設(shè)蒸氣油比過(guò)小，反響溫度會(huì)迅速上升，并且由于水蒸氣量缺乏，生成氣中甲烷和炭黑的含量迅速添加。5重油預(yù)熱溫度 重油預(yù)熱溫度也是重要的氣化條件。提高重油預(yù)熱溫度有利于氣化爐熱平衡，可減少氣化爐的氧氣耗費(fèi)，并有利于重油的霧化。但假設(shè)預(yù)熱溫度過(guò)高，會(huì)呵斥重油中輕餾分氣化，產(chǎn)生大量油蒸氣，會(huì)使泵抽空，中斷保送，呵斥斷火事故。同時(shí)重油中餾分會(huì)產(chǎn)生裂解，導(dǎo)致析碳而堵塞管道，對(duì)消費(fèi)不利。普通重油預(yù)熱溫度在150260之間。3.重油部分氧化法制取合成氨工藝流程 重油部分氧化法制取合成氨原料氣的工藝流程包括5個(gè)部分：原料油和氣化劑的加壓、預(yù)熱、預(yù)混合；原料油和氣化劑經(jīng)過(guò)噴嘴進(jìn)入氣化爐中，高溫非催化部分氧化；高溫水煤氣余熱的回收；水煤氣的