合成氨循環(huán)氣分離工藝設(shè)計(jì)

1、文獻(xiàn)綜述氨的性質(zhì)及主要用途氨是一種無(wú)色、有刺激性氣味的氣體，極易溶于水（1:700），密度比空氣小，易液化（在 常壓下冷卻至-33.5C或常溫下加壓至70-80bar）。氨是制造化肥、硝酸、炸藥的重要原料。 氨對(duì)地球上的生物相當(dāng)重要，它是許多食物和肥料的重要成分。氨也是所有藥物直接或間接 的組成。氨有很廣泛的用途，同時(shí)它還具有腐蝕性等危險(xiǎn)性質(zhì)。由于氨有廣泛的用途，氨是 世界上產(chǎn)量最多的無(wú)機(jī)化合物之一，多于八成的氨被用于制作化肥。世界（或國(guó)內(nèi)）合成氨的生產(chǎn)現(xiàn)狀及發(fā)展前景2.1 合成氨的生產(chǎn)現(xiàn)狀國(guó)際肥料工業(yè)協(xié)會(huì)在第七十七屆年會(huì)上發(fā)布全球肥料和原材料供需展望報(bào)告，預(yù)期全球合成氨產(chǎn)量將由2008年的1

2、.809億噸（實(shí)物量NH3,下同）增長(zhǎng)至2013年的2.178億噸， 屆時(shí)全球合成氨海運(yùn)貿(mào)易總量將達(dá)到2060萬(wàn)噸。其中，全球新建合成氨裝置中有三分之一 來(lái)自中國(guó)，其余來(lái)自阿爾及利亞、特立尼達(dá)、委內(nèi)瑞拉、沙特、巴基斯坦、印度等國(guó)家。隨 著新建合成氨裝置的投產(chǎn)，區(qū)域合成氨貿(mào)易將繼續(xù)增加，全球合成氨生產(chǎn)和海運(yùn)貿(mào)易都將迎 來(lái)新的增長(zhǎng)期。據(jù)IFA對(duì)全球合成氨產(chǎn)量的調(diào)查顯示,2008年全球合成氨產(chǎn)量接近1.528億噸，比2007 年減少了 1%。中國(guó)、澳大利亞、歐洲、俄羅斯、特立尼達(dá)和多巴哥、印度、沙特等國(guó)均由 于市場(chǎng)需求疲軟而減少，伊朗、加拿大、印度尼西亞、墨西哥、委內(nèi)瑞拉等需求繼續(xù)增加。 2008年

3、全球合成氨產(chǎn)能達(dá)到1.809億噸，比2007年增加500萬(wàn)噸，主要來(lái)自于中國(guó)、非洲、 西亞等地區(qū)。目前，約有 80%的合成氨用來(lái)生產(chǎn)化學(xué)肥料，其余作為生產(chǎn)其他化工產(chǎn)品的原料。 除 了生產(chǎn)尿素，硝酸及硝酸銨等產(chǎn)品間接用于工業(yè)生產(chǎn)外，合成氨還直接用于丙烯腈、己內(nèi)酰 胺等產(chǎn)品的生產(chǎn)。同時(shí)，在其他工業(yè)領(lǐng)域也有十分廣泛的應(yīng)用，如用作制冰箱、空調(diào)、冷藏 系統(tǒng)的制冷劑，在冶金工業(yè)中用來(lái)提煉礦石中的銅、鎳等金屬、在醫(yī)藥和生物化學(xué)方面用作 生產(chǎn)磺胺類藥物、維生素、蛋氨酸和其他氨基酸等1。2.2我國(guó)合成氨及下游產(chǎn)品工業(yè)消費(fèi)現(xiàn)狀與預(yù)測(cè)我國(guó)是世界上最大的合成氨生產(chǎn)國(guó)，產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量的1/3?！笆晃濉逼陂g，合成

4、氨及下游產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)模繼續(xù)保持快速增長(zhǎng)。根據(jù)中國(guó)氮肥工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2010 年合成氨產(chǎn) 量達(dá)到5220.9萬(wàn)噸。合成氨、尿素、硝酸及硝酸銨是重要的無(wú)機(jī)化工產(chǎn)品，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中具有基礎(chǔ)地位。除 了用于化肥生產(chǎn)，在農(nóng)業(yè)上使用外，合成氨等產(chǎn)品在工業(yè)上的應(yīng)用領(lǐng)域也十分廣泛。尤其是 在石化行業(yè)中，下游產(chǎn)品涉及基礎(chǔ)化工原材料、合成材料、國(guó)防化工品、新型材料、專用化 學(xué)品和精細(xì)化工品等方面。預(yù)計(jì)，隨著替代產(chǎn)品的出現(xiàn)，合成氨在其他工業(yè)領(lǐng)域的需求將有所下降，年均增長(zhǎng)率為 2.5%。綜上所述，“十二五” 期間，我國(guó)合成氨在工業(yè)領(lǐng)域的需求仍將基本保持穩(wěn)定。 預(yù) 計(jì)未來(lái)5年需求年均增長(zhǎng)率為0.9%，2015年用于工業(yè)生產(chǎn)

5、的合成氨將達(dá)到 405.9萬(wàn)噸。合成氨的生產(chǎn)工藝及分離方法3.1氨目前主要生產(chǎn)工藝方法生產(chǎn)合成氨的主要原料有天然氣、石腦油、重質(zhì)油和煤（或焦炭）等。天然氣制氨。天然氣先經(jīng)脫硫，然后通過(guò)二次轉(zhuǎn)化，再分別經(jīng)過(guò)一氧化碳變換、二氧化碳脫除等工序，得到的氮?dú)浠旌蠚?，其中尚含有一氧化碳和二氧化碳約0.1%0.3%（體 積），經(jīng)甲烷化作用除去后，制得氫氮摩爾比為3 的純凈氣，經(jīng)壓縮機(jī)壓縮而進(jìn)入氨合成回 路，制得產(chǎn)品氨。以石腦油為原料的合成氨生產(chǎn)流程與此流程相似。重質(zhì)油制氨。重質(zhì)油包括各種深度加工所得的渣油，可用部分氧化法制得合成氨原料 氣，生產(chǎn)過(guò)程比天然氣蒸氣轉(zhuǎn)化法簡(jiǎn)單，但需要有空氣分離裝置?？諝夥蛛x裝置制

6、得的氧用 于重質(zhì)油氣化，氮作為氨合成原料外，液態(tài)氮還用作脫除一氧化碳、甲烷及氬的洗滌劑。煤（焦炭）制氨。隨著石油化工和天然氣化工的發(fā)展，以煤（焦炭）為原料制取氨的 方式在世界上已很少采用，但隨著能源格局的變化，現(xiàn)在煤制氨又被重視起來(lái)，外國(guó)主要是 粉煤氣化技術(shù)發(fā)展很快，國(guó)內(nèi)則轉(zhuǎn)向型煤制氣技術(shù)已非常成熟3。3.2合成氨的生產(chǎn)工藝技術(shù)的改進(jìn)裝置改進(jìn)現(xiàn)階段我國(guó)合成氨設(shè)備的生產(chǎn)效率低下是阻礙合成氨生產(chǎn)工藝發(fā)展的一大障礙，因此可 以積極的借鑒國(guó)際上先進(jìn)的合成氨設(shè)備的設(shè)計(jì)原理和技術(shù)，或者積極推薦企業(yè)從國(guó)外引進(jìn)國(guó) 外先進(jìn)的流程和設(shè)備，比如中國(guó)四川化工總廠引進(jìn)的美國(guó)KeH。99公司的節(jié)能型合成氨工 藝軟件包，山

7、東魯南化肥廠水煤漿加壓氣化裝置工藝軟件包等國(guó)際先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備，對(duì)于提 高合成氨的生產(chǎn)效率有很大幫助。原料結(jié)構(gòu)改進(jìn)除了提高生產(chǎn)設(shè)備的生產(chǎn)效率之外，積極的探索新的原料結(jié)構(gòu)也是一項(xiàng)重要的工作。上 述提到的Kell。99公司的節(jié)能型合成氨工藝軟件包就是以天然氣為主要原料進(jìn)行生產(chǎn)，經(jīng) 詳細(xì)測(cè)算，這種方法能夠大大的降低能耗和環(huán)境污染。此外還可以探索以水煤氣為主要原料 的生產(chǎn)工藝，由于水煤氣具有比較好的穩(wěn)定性,因此對(duì)于生產(chǎn)合成氨也是重要的原料。尋找新型催化劑催化劑在合成氨的過(guò)程中起到了不可取代的作用，它能夠極大地減少合成氨所使用的時(shí) 間，并且能夠提高原料的使用效率，因此，開(kāi)發(fā)新型催化劑也是能夠?qū)铣砂惫に嚫?/p>

8、進(jìn)的一 個(gè)重要方面。同時(shí)有的催化劑還能夠在生產(chǎn)過(guò)程中起到脫硫脫碳的作用，從另一個(gè)側(cè)面提高 了原料的使用效率。工藝流程的改進(jìn) 在合成氨的過(guò)程中,會(huì)產(chǎn)生很多廢氣廢渣，這些廢氣廢渣就是造成原料浪費(fèi)的主要方面,研究怎樣對(duì)廢氣廢渣進(jìn)行循環(huán)利用,或者三次利用，也是一個(gè)能夠極大地提高合成氨生產(chǎn)效 率的重要方面。工藝流程的改進(jìn)可以和設(shè)備的改進(jìn)有機(jī)的結(jié)合起來(lái),從而達(dá)到更好的效果4。3.3 合成氨的分離方法隨著合成氨工業(yè)的發(fā)展和各種節(jié)能型流程的推出，許多研究者對(duì)氨分離方法進(jìn)行了研究 典型的氨分離方法有冷凝法、吸收法和吸附法三種。3.3.1 冷凝法 該法是通過(guò)冷卻合成循環(huán)氣，使氣相中的氨冷凝成液氨，從而達(dá)到與其它不

9、凝性氣體 （N2、H2、CH4、Ar）分離的目的。要使氣相中的氨分離并達(dá)到預(yù)定的效果，必須將合成 循環(huán)氣冷卻到很低的溫度，所需的冷量一般采用壓縮制冷方法獲得。當(dāng)合成壓力在2030MPa范圍內(nèi)時(shí)，在夏季水冷僅能分出部分氨，氣相中其余部分的 氨需進(jìn)一步通過(guò)氨冷使氣相中氨含量降至24%；當(dāng)壓力在15MPa以下時(shí)，在夏季水冷幾 乎不能分離出液氨，整個(gè)氨冷凝過(guò)程放出的熱量幾乎全靠制冷方法移出，并且所需的冷凝溫 度須達(dá)到-20C左右才能達(dá)到分離要求。如再進(jìn)一步降低合成壓力會(huì)對(duì)氨的分離造成很大的 困難，因?yàn)闇囟鹊慕档秃屠淠陌绷坎⒉怀删€性關(guān)系，溫度越低，每降低1C所冷凝的氨量 就越小，氨分離也就越困難。由此

10、可見(jiàn)，隨著合成壓力的降低，靠降低制冷溫度達(dá)到所需的 分離效果是有很大限制的。冷凝法分離氨是絕大多數(shù)合成氨廠采用的一種氨分離方法，但由 于其能耗高、分離不徹底、且限制合成氨壓力的降低等原因，有必要開(kāi)發(fā)新的氨分離技術(shù)。3.3.2 吸收法吸收法是化工生產(chǎn)過(guò)程中分離氣體混合物的重要方法之一。它根據(jù)混合物各組分在所選 擇的溶劑中溶解度的不同而達(dá)到分離的目的。氨吸收分離是用適當(dāng)?shù)奈談┨幚戆焙铣蓺怏w混合物，利用不同氣體組分（NH3、N2、 H2、CH4、Ar）在吸收劑（如水、有機(jī)溶劑、無(wú)機(jī)鹽等）中溶解度的差異使氨從氣體混合 物中分離出來(lái)。它是一種溶質(zhì)由氣相轉(zhuǎn)移到液相的傳質(zhì)過(guò)程。氨吸收操作的逆過(guò)程稱為解吸。

11、 在此過(guò)程中，吸收劑的選擇對(duì)氨的吸收具有極其重要的影響，主要從以下三個(gè)方面考慮（：1） 吸收劑對(duì)氨吸收選擇性好；（2）吸收劑具有較大的吸收容量；（3）選擇不會(huì)引起合成氨催化 劑中毒的吸收劑。3.3.3 吸附法吸附法分離氨是利用吸附劑對(duì)混合氣體中各組分的吸附能力的差異而實(shí)現(xiàn)分離的。其吸 附原理為當(dāng)氨分子運(yùn)動(dòng)到固體吸附劑（如活性炭、硅膠、沸石分子篩、堿土金屬氯化物等） 表面時(shí)，由于氨分子與固體表面之間的相互作用，氨分子便會(huì)附在固體表面，使其在固體表 面上濃度增大，即發(fā)生氨分子被固體表面吸附的現(xiàn)象。對(duì)吸附氨后的吸附劑進(jìn)行脫附，即可 將氨分離5 。本課題欲采用的合成氨分離原理、分離方法及其工藝路線簡(jiǎn)述

12、4.1本課題合成氨的分離原理和方法.本課題中氨合成回路排放的尾氣（弛放氣）主要組分為氫氣、氮?dú)?,另有摩爾分?jǐn)?shù)為 5.63%左 右的氨和微量氬氣。采用吸收分離的方法用水吸收尾氣中的氨，使氫氮?dú)馀c氨分離，使得氨吸收 塔塔頂出口氣體中的NH3體積含量500 ppm，氫氮?dú)夥祷厍肮ば蛑匦略倮?，粗氨?jīng)汽提精餾 提純后送至成品氨中。4.2本課題氨回收的流程簡(jiǎn)述圖 4-2.模擬流程主要有高壓吸收塔和低壓汽提塔組成6 GAS-IN為合成氨的尾氣，由吸收塔的 塔底進(jìn)料；WAT-IN為吸收劑純水，由塔頂進(jìn)料，兩者逆流進(jìn)行物料交換后，塔頂排出吸收 后的尾氣GAS-OUT，塔底為稀氨水WAT-OUT。經(jīng)過(guò)減壓閥VAL減壓后，稀氨水FEED由低壓汽 提塔RADFRAC中上部進(jìn)料，經(jīng)汽提后氨和水分離，塔頂為高濃度的液氨PRODUCT，塔底幾乎 為純水 WATER。參考文獻(xiàn)：十方. 未來(lái) 5 年全球合成氨產(chǎn)能增加.中外能源.2009， 6（14）104賈亮. 我國(guó)合