NJUT合成氨仿真實習(xí)報告2012.11

PAGEPAGE6南京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)與安全工程學(xué)院 AAAAAA1000000000安全工程系化學(xué)化工實驗教學(xué)中心2012年11月

一、實習(xí)目的本次氨合成仿真實習(xí)是實習(xí)計劃的組成部分，通過實習(xí)使學(xué)生了解化工生產(chǎn)一般特點、規(guī)律和工藝參數(shù)的控制，獲得化工生產(chǎn)實踐知識，培養(yǎng)運用化工專業(yè)理論知識，分析和解決實際問題的能力，為適應(yīng)今后所從事的化工企業(yè)工作打下良好的實踐基礎(chǔ)。合成仿真實習(xí)是理論聯(lián)系實際，應(yīng)用和所學(xué)專業(yè)知識的一項重要環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)我們動手能力和學(xué)習(xí)能力的一個重要手段。仿真實習(xí)是以仿真的實習(xí)模式，在既保證學(xué)生安全又能完美提供實習(xí)機(jī)會的情況下，學(xué)校給予我們的一次專業(yè)實踐的機(jī)會。是我們在學(xué)習(xí)專業(yè)知識后進(jìn)行實際運用的重要環(huán)節(jié)，它對培養(yǎng)我們的動手能力有很大的意義，同時也能使我們了解化工工藝的重點要素，仿真實習(xí)是我們走向工作崗位的必要前提。二、實習(xí)要求1.實習(xí)裝置為合成氨生產(chǎn)仿真裝置。要求了解并熟悉生產(chǎn)過程及控制，包括：生產(chǎn)方法和原理，原料、催化劑及產(chǎn)品特性；生產(chǎn)工藝流程（流程中設(shè)備、主副管線，過程操作和控制）；各工序工藝條件及控制：主要設(shè)備操作溫度、壓力和組成；主要設(shè)備型式、結(jié)構(gòu)；主要設(shè)備及管線上的控制儀表及調(diào)節(jié)方法。三、實習(xí)內(nèi)容仿真實習(xí)的主要內(nèi)容是：以河南化肥廠為原型的大型合成氨全流程仿真模型和以寧夏化工廠為原型的合成氨大工段DCS控制系統(tǒng)仿真軟件。兩者均以天然氣為原料的合成氨工藝，通過仿真實習(xí)了解合成氨工藝原理與流程，掌握合成氨生產(chǎn)中的主要參數(shù)和DCS控制系統(tǒng)的操作。四、合成氨的工藝原理與流程(1)合成氨裝置轉(zhuǎn)化工段轉(zhuǎn)化工段包括下列主要部分:原料氣壓縮和脫硫→原料氣的一段蒸汽轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)化氣的二段轉(zhuǎn)化→CO變換。1原料氣壓縮和脫硫原料天然氣進(jìn)入壓縮機(jī)，經(jīng)四段壓縮至51×105Pa，溫度加熱至390℃，進(jìn)入鈷-鉬加氫反應(yīng)器中反應(yīng)，將有機(jī)硫轉(zhuǎn)化為無機(jī)硫。加氫轉(zhuǎn)化主要指在加入氫氣的條件下使原料氣中有機(jī)硫轉(zhuǎn)化為無機(jī)硫。加氫轉(zhuǎn)化不能達(dá)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(jī)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。在采用鈷鉬催化劑的條件下，主要進(jìn)行如下反應(yīng)：R-SH+H2=RH+H2SR-S-R’+2H2=RH+R’H+H2SC4H4S+4H2=C4H10+H2SRC=CR’+H2=RCH2-CH2R’氧化鋅是一種內(nèi)表面積頗大，硫容較高的接觸反應(yīng)型脫硫劑。除噻吩及其衍生物外，脫除硫化氫及各種有機(jī)硫化物的能力極高，可將出口氣中硫含量降至0.1PPm以下。氧化鋅脫硫反應(yīng)：ZnO+H2S=ZnS+H2O原料天然氣在原料氣預(yù)熱器（141－C）中被低壓蒸汽預(yù)熱后，進(jìn)入活性碳脫硫槽（101－DA、102－DA一用一備），進(jìn)行初脫硫后，經(jīng)壓縮機(jī)（102－J）加壓。在一段爐對流段低溫段加熱到230℃左右與103-J段來的氫混合后進(jìn)入Co－Mo加氫和氧化鋅脫硫槽（108－D）終脫硫后，天然氣中的總硫≤2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(jìn)行轉(zhuǎn)化反應(yīng)：CH4+H2O＝CO+3H2CnH2n+2+nH2O＝nCO+（2n+1）H2由于轉(zhuǎn)化反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，在高溫條件下有利于反應(yīng)平衡及反應(yīng)速度。在實際生產(chǎn)中，轉(zhuǎn)化反應(yīng)分別是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(yīng)管內(nèi)鎳催化劑的作用下進(jìn)行轉(zhuǎn)化反應(yīng)，管外有燃料氣燃燒供給反應(yīng)所需熱量，出一段爐轉(zhuǎn)化氣溫度控制在800℃脫硫后的原料氣與中壓蒸汽混和后，經(jīng)對流段高溫段加熱后，進(jìn)入一段爐（101－B）的336根觸媒反應(yīng)管進(jìn)行蒸汽轉(zhuǎn)化，管外由頂部的144個燒嘴提供反應(yīng)熱，經(jīng)一段轉(zhuǎn)化后，氣體中殘余甲烷在10％左右。4轉(zhuǎn)化氣的二段轉(zhuǎn)化為了進(jìn)一步轉(zhuǎn)化，需要更高的溫度。在二段爐中加入預(yù)熱后的空氣，利用H2和O2的燃燒反應(yīng)，產(chǎn)生高熱，促使CH4進(jìn)一步轉(zhuǎn)化。一段轉(zhuǎn)化氣進(jìn)入二段爐（103－D），在二段爐中同時送入工藝空氣，工藝空氣來自空氣壓縮機(jī)（101－J）加入少量中壓蒸汽并經(jīng)對流段高溫段預(yù)熱，轉(zhuǎn)化氣中的H2和空氣中的氧燃燒產(chǎn)生的熱量供給轉(zhuǎn)化氣中的甲烷在二段爐觸媒床中進(jìn)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(jìn)一步回收余熱后，送去變換。5CO變換經(jīng)蒸汽轉(zhuǎn)化后的工藝氣含有12～15％的CO，變換工序的任務(wù)是使CO在有催化劑存在的條件下與水蒸汽反應(yīng)：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(yīng)是一個可逆、放熱、反應(yīng)前后氣體體積不變的化學(xué)反應(yīng)。整個變換過程是由高溫變換和低溫變換組成。高溫變換所用的催化劑是以Fe3O4為活性組分的，它的活性溫度在300℃以上（一般在350～430℃）。在此溫度下，可以取得較高的反應(yīng)速度，但不能達(dá)到較低的CO濃度。為了進(jìn)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(jìn)行低溫變換。它的變換溫度一般在200～250℃由第二廢熱鍋爐來的轉(zhuǎn)化氣約含有12－14％的CO，進(jìn)入高變爐（104－DA），在高變觸媒的作用下將部分CO轉(zhuǎn)化成CO2，經(jīng)高溫變換后CO含量降到3％左右，然后經(jīng)第三廢熱鍋爐（103－C）回收部分熱能，經(jīng)換熱器（104－C）進(jìn)入低變爐（104－DB）在低變觸媒的作用下將其余CO轉(zhuǎn)化為CO2，出低變爐的工藝氣中CO含量約為0.3％左右。圖1合成氨轉(zhuǎn)化階段總圖(2)合成氨裝置凈化工段1脫碳經(jīng)變換工序后的工藝氣，CO2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二氧化碳，吸收劑為碳酸鉀溶液，溶液的吸收和再生可以用如下反應(yīng)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，后一個過程是再生過程。經(jīng)過吸收塔的脫碳?xì)怏w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％。從變換工序來變換氣溫度60℃，壓力2.799MPa進(jìn)入CO2吸收塔(101-E)下部，在吸收塔中經(jīng)塔板逆流向上與塔頂加入的貧液（40℃）接觸，脫去工藝氣中所含二氧化碳，再經(jīng)塔頂洗滌段后出CO2吸收塔，出吸收塔凈化氣在管路上由噴射器噴入變換氣分離器(102-F)來的工藝?yán)淠哼M(jìn)一步洗滌，經(jīng)凈化氣分離器(121-F)分離出噴入的工藝?yán)淠?，溫度從CO2吸收塔塔底出來的富液（74℃）先經(jīng)溶液換熱器(109-CB)加熱，再經(jīng)溶液換熱器(109-CA)進(jìn)一步升溫至105℃后，進(jìn)入CO2汽提塔(102-E)頂部，102-E為篩板塔，共10塊塔板，在CO2汽提塔中靠變換氣煮沸器(105-CA.B)蒸汽煮沸器(111-C)提供的熱量蒸發(fā)出大量水蒸汽，由下向上逐板汽提出溶液中的CO2，氣體經(jīng)過CO2汽提塔冷凝器(110-C)，再經(jīng)CO2汽提塔回流液槽(103-F)分離出液體后，CO從CO2汽提塔底部出來的熱貧液先經(jīng)溶液換熱器(109-CA)與富液換熱降溫后進(jìn)貧液泵，經(jīng)貧液泵(107-JA/JB/JC)升壓后的貧液再經(jīng)溶液換熱器(109-CB)降溫，并經(jīng)貧液冷卻器(108-C)進(jìn)一步冷卻至40℃左右進(jìn)CO2從CO2汽提塔回流液槽底部出來的冷凝液，先經(jīng)回流液泵(108-J)升壓，一部分去冷凝液處理裝置，另一部分去CO2吸收塔頂部洗滌凈化氣中夾帶出的溶液，洗滌后的冷凝液回CO2汽提塔頂部進(jìn)入系統(tǒng)。圖2脫碳系統(tǒng)現(xiàn)場圖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(yīng)生成對合成觸媒無害甲烷。在鎳觸媒存在的條件下，進(jìn)行如下化學(xué)反應(yīng)：CO+3H2＝CH4+H2O+206.16kJ/molCO2+4H2＝CH4+2H2O+165.08kJ/mol甲烷化反應(yīng)是可逆強(qiáng)放熱反應(yīng)，溫升很大，每反應(yīng)1％CO，溫升72℃左右；每反應(yīng)1％CO2，溫升60℃左右。因此，要嚴(yán)格控制低變出口CO含量及脫碳出口CO3冷凝液回收系統(tǒng)自低變104-D來的工藝氣（260℃）經(jīng)102-F底部冷凝液萃冷后，再經(jīng)105-C，106-C換熱至60℃，進(jìn)入102-F，其中工藝氣中所帶的水分沉積下來，脫水后的工藝氣進(jìn)入CO2吸收塔101-E脫除CO2。102-F的水一部分進(jìn)入103-F，一部分經(jīng)換熱器C66401換熱后進(jìn)入E66401，由管網(wǎng)來的327(3)合成氨裝置合成工段氨的合成是整個合成氨流程中的核心部分。前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(yīng)過程中只有少部分氮氫氣合成為氨，因此反應(yīng)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。氨合成的化學(xué)反應(yīng)式如下：1/2N2+3/2H2＝NH3+熱量這是一個放熱和體積減少的可逆反應(yīng)。1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)，分離氣體中的水后，進(jìn)合成氣壓縮機(jī)(103-J)低壓段，在壓縮機(jī)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)熱交換器（106-C，（現(xiàn)場圖中錯標(biāo)為136-C）與甲烷化進(jìn)料氣換熱）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(jìn)壓縮機(jī)循環(huán)段，從循環(huán)段出來的合成氣進(jìn)合成系統(tǒng)水冷器(124-C)。高壓合成氣自水冷卻器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(jìn)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(jìn)行冷卻，冷卻至-23.3℃。冷卻后的氣體經(jīng)過水平分布管進(jìn)入高壓氨分離器（106-F），在前幾個氨冷器中冷凝下來的循環(huán)氣中的氨就在106-F中分出，分離出來的產(chǎn)品液氨送往低壓氨分離器(107-F)。從高壓氨分離器出來后，循環(huán)氣就進(jìn)入合成塔進(jìn)氣—圖3合成氨工段現(xiàn)場圖2冷凍系統(tǒng)合成來的液氨進(jìn)入中間閃蒸槽(107-F，即低壓氨分離器)，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(jìn)入三級閃蒸罐(112-F)，進(jìn)一步閃蒸，閃蒸后作為冷凍用的液氨進(jìn)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、第二、第三氨冷器相對應(yīng)，它們是按熱虹吸原理進(jìn)行冷凍蒸發(fā)循環(huán)操作的。液氨由各閃蒸罐流入對應(yīng)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(jìn)行氣液分離，氣氨分別進(jìn)氨壓縮機(jī)(105-J)各段氣缸，液氨分別進(jìn)各氨冷器。由液氨接收槽(109-F)來的液氨逐級減壓后補(bǔ)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(jī)(103-J)一段出口的氨冷器(129-C)和液氨接收槽(109-F)的氨冷器(126-C)的冷源（126-C冷卻管道圖中省略）。氨冷器(129-C)和(126-C)蒸發(fā)的氣氨進(jìn)入二級閃蒸罐(111-F)，110-F多余的液氨也送往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作為冷凍劑外，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。圖4冷凍工段DCS圖3.氨回收合成回路來的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。閃蒸槽來的馳放氣入吸收塔底部，出吸收塔氣體送往燃料氣系統(tǒng)。吸收塔底部流出的氨水，經(jīng)加熱后入汽提塔與此同時從吸收塔底部流出的氨水也同樣加入汽提塔，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劑循環(huán)使用。4.氫回收經(jīng)氨回收后的氣體進(jìn)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(jìn)入分離器，氫氣被富集為富氫氣，送往合成氣壓縮機(jī)循環(huán)段入口。五、合成氨合成工段的工藝儀表流程圖六、合成氨合成工段自動控制的要點1、整個塔的溫度控制:工藝氣正常進(jìn)氣后，關(guān)小進(jìn)氣總閥HCV11，由于反應(yīng)氣進(jìn)料量減少，反應(yīng)放熱減少，整個塔的溫度都將有所下降。2、塔的各段溫度控制：開大MIC13,由于塔的上部冷激氣量增加，塔的上部溫度將降低；同理，開大MIC14,塔的中部溫度將降低；開大MIC15、MIC16,塔的下部溫度將降低。3、閃蒸罐液位控制總原則：看清閃蒸罐的流入管路和流出管路，“開源節(jié)流”則液位上升，反之則下降。4、冷凍工段的各液位控制先進(jìn)行手動調(diào)節(jié)，待達(dá)到正常值穩(wěn)定后，再切換到自動。5、109F液位無法進(jìn)行自動控制，只能通過VV066手動控制。即打開VV066，不做其它操作，看到液位升高到約70%，即關(guān)閉VV066。反之液位低于30%，即打開VV066補(bǔ)充液位。6、合成工段與冷凍工段是一個整體，在反應(yīng)器升溫時開始進(jìn)行冷凍工段的操作。合成工段106F的液體流至冷凍工段的107F。七、實習(xí)思考題1．為什么天然氣要預(yù)先脫硫才能進(jìn)行轉(zhuǎn)化？答：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(shè)備管道。因此，必須盡可能地除去原料氣中的各種硫化物。2．影響氨平衡濃度的因素有哪些？答：溫度、壓力、空速、氫氮比3．溫度和壓力對氨合成反應(yīng)速率的影響？答：溫度升高、壓力增大均能使氨合成反應(yīng)速率加快。4．氨合成塔的主要結(jié)構(gòu)？答：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(shè)置冷卻管，用反應(yīng)前溫度較低的原料氣在冷管仲流動，移出反應(yīng)熱，降低反應(yīng)溫度，同時將原料氣預(yù)熱到反應(yīng)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(fù)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(yīng)溫度升高后，通入冷的原料氣與之混合，溫度降低后再進(jìn)入下一層催化劑。冷激式結(jié)構(gòu)簡單，但加入未反應(yīng)的冷原料氣，降低了氨合成率，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(shè)置換熱器，上一層反應(yīng)后的高溫氣體進(jìn)入換熱器降溫后，再進(jìn)入下一層進(jìn)行反應(yīng)。5．在仿真裝置中，氨合成塔的反應(yīng)溫度如何控制？答：（1）、整個塔的溫度控制:工藝氣正常進(jìn)氣后，關(guān)