（化工过程机械专业论文）氨合成系统和主要设备工艺设计软件的研究开发.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 氨合成系统和主要设备 工艺设计软件的研究开发 摘要 国外的大型氨合成装置，无论是整个氨合成系统还是单个设备， 都有配套的设计软件。而国内众多中小型氨合成装置，都是自行设计 制造的，有的是凭经验进行放大增产，并没有合适的软件指导设计。 现在随着计算机技术的发展和应用，研究开发氨合成系统设计软件是 设计制造单位急需解决的问题。本论文结合浙江工业大学机械厂设计 制造的相关资料和实际需要，以可视化的v i s u a lb a s i c 为开发平台，进 行了氨合成系统和主要设备工艺设计软件的研究开发，所做的主要研 究和开发工作如下： 1 编写了整个氨合成系统的工艺计算程序，包括相关设备的物料衡算 和热量衡算； 2 运用计算机程序快速、准确的优点，对氨合成塔触媒床层的氨浓度 分布和温度分布进行了积分计算和合成塔内的阻力降计算； 3 编写了氨合成系统中相关设备的换热面积以及压缩机、循环机电耗 的计算程序。 本文的创新之处有如下两点： 1 将几种典型氨合成工艺流程的计算汇总到一起，使程序具有比较强 的适应性； 2 优化了合成工艺中冷交换器的冷气出口温度、氨合成塔内上下行冷 浙江工业大学硕士学位论文 管的配比、零米温度及进下行冷管的温度。 关键词：氨合成；触媒；物料衡算：热量衡算；程序设计 浙江工业大学硕士学位论文 s t u d ya n dd e v e l o p m e n to nt e c h n o l o g i c d e s i g no fa m m o n i as y n t h e s i z i n g s y s t e ma n dm a i ne q u i p m e n t s a b s t r a c t w h e t h e ra m m o n i as y n t h e s i z i n gs y s t e mo rs i n g l ee q u i p m e r i t ，t h el a r g e f o r e i g ne q u i p m e n t sa l lh a v em a t c h e ds o f t w a r e b u ta m m o n i as y n t h e s i z i n g e q u i p m e n t si nm a n ym i d d l ea n ds m a l la m m o n i a f a c t o r i e sw e r ea l ld e s i g n e d b yt h e m s e l v e sa n de x p a n d e db ye x p e r i e n c ew i t h o u tp e r f e c ts o f t w a r et o d e s i g n w i t ht h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fc o m p u t e r , c o m p i l i n gt h e p r o g r a ma b o u td e s i g no fa m m o n i as y n t h e s i z i n gs y s t e mi s a l le m e r g e n c y t h i n g f o rf a c t o r i e s b a s e do nt h er e l a t e dd a t aa n da c t u a ld e m a n do f m e c h a n i c a lf a c t o r i e si nz h e j i a n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y , t h ep r o g r a m a b o u tt e c h n i c so fa m m o n i as y n t h e s i z i n gs y s t e ma n dm a i ne q u i p m e n t sw e r e s t u d i e du s i n gv i s u a lb a s i ca sp l a t f o r mi nt h i st h e s i s t h em a i nw o r ko f s t u d ya n dd e v e l o p m e n ta r ea sf o l l o w s ： 1 p r o g r a m o ft e c h n o l o g i cc a l c u l a t i o n sa b o u ta m m o n i a s y n t h e s i z i n g s y s t e mw a sd e v e l o p e d ，i n c l u d i n gm a t e r i a lb a l a n c ea n dt h e r m a lb a l a n c e o fp e r t i n e n te q u i p m e n t 2 u s i n gc o m p u t e r sa d v a n t a g e so fs p e e d i n e s sa n dp r e c i s i o n ，t h ei n t e g r a l c a l c u l a t i o n so fa m m o n i ac o n c e n t r a t i o na n dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i n gi n t h ec a t a l y s tb a s k e ta n dt h ec a l c u l a t i o n so fp r e s s u r ed r o pi nt h es y n t h e s i s i i i 浙江工业大学硕士学位论文 r e a c t o rw e r ed o n e 3 p r o g r a mo f h e a te x c h a n g e ra r e ao fp e r t i n e n te q u i p m e n ta n dt h ep o w e ro f c o m p r e s s o rw a ss t u d i e d t h ei n n o v a t i o n so ft h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： 1 g a t h e r i n gt h ec a l c u l a t i o n so fs e v e r a lt y p i c a lt e c h n o l o g i cf l o w so f a m m o n i a s y n t h e s i z i n g ，m a d et h ep r o g r a mm o r ea d a p t a b l e 2 o p t i m i z e dt h ec o o lg a st e m p e r a t u r ea to u t l e to fc o l dh e a te x c h a n g e gt h e s c a l eo fn u m b e ro fg a s a s c e n d i n g c o o l i n gt u b e sa n dg a s - d e s c e n d i n g c o o l i n gt u b e s ，t h et e m p e r a t u r ea tt h ez e r o m e t e ra n dt h et e m p e r a t u r ea t i n l e to fg a s - d e s c e n d i n gc o o l i n gt u b e so fa m m o n i as y n t h e s i z i n gs y s t e m k e yw o r d s -a m m o n i as y n t h e s i z i n g ，c a t a l y s t ，m a t e r i a lb a l a n c e ， t h e r m a lb a l a n c e ，p r o g r a md e s i g n 浙江工业大学硕士学位论文 主要符号表 宰理想气体( p o ) 时的平衡常数 2 绝对温度，k t 摄氏温度， p 压力，m p a ) ，二3 氨平衡浓度，分子 t q 水蒸气温度， n a 反应时生成的氨量，m o l 置绝热指数 匕雄混合气体平均临界压力，m p a 丁傩混合气体平均临界温度，k c o r n混合气体平均偏心因子 g 气体热容，k j ( m o l k ) z 压缩因子 功耗，w a h 氨合成反应热，k c a l k m o l a h r氨合成表观反应热，k c a l k m o l 鲰触媒床层对管壁的给热系数， k 1 ( m 2 s ) 名 导热系数，k j ( m s ) ； 功 触媒床层直径，m ； d p 触媒当量直径，m ； 三 触媒床高度，m 。 d p 触媒颗粒平均直径，m 九 触媒形状系数，无因次。 胎 雷诺准数，无因次； 厅 普朗特准数，无因次。 管内给热系数，w ( m 2 ) 管外给热系数，w m 2 ) 污垢热阻，( m 2 c ) w 瞬时反应速度，k m o f m 2 s ； 单位时间内生成得氨量，k m o l s ； 触媒内表面积，m 2 ； 正反应速度常数 逆反应速度常数 触媒反应速度常数，p a o 5 ，s 以氨分解基计算的惰性气体浓度 标准状态下氨分解基气体体积流量， o 母。由 换热器螺旋通道的当量直径，m 螺旋板参与传热部分的高度，m 为螺旋通道间距，m 触媒层高度，m ； 气体密度，k g m s ： 气体流速，m s ； 五 泄漏系数 温度系数 实际压力比。 触媒颗粒系数 对数平均温度， 阻力降，p a 气体平均分子量 换热面积，m 2 管壁厚度，m 嘶 尺 钿 & b 如 幻 儿日易 厶 厂 4 a舻s万 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包 含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大 学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名：参东斩 f 日期：啮年芗月，g 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 l 、保密耐，在3年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“4 ) 作者签名：杏东新 导师签名痧络蜊 日期：口年岁月，e 1 日期：0 ：5 年多月仍日 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 课题的背景 1 1 1 合成氨发展历史 第一章绪论 合成氨是一门发展较早、研究较深、且已有百余年历史的工艺，它在农业发 展中起着重要的作用。 氨是制造氮肥的重要原料之一【1 1 。它是由氢气和氮气合成制得的。虽然大气中 氮的含量非常丰富( 7 8 ) ，但却不能直接利用，因此固氮成为加速自然界氮素循 环的一个重要手段，氨合成也成为经济发展的重要部分。 利用氢、氮为原料实现合成氨工业的发展，从第一次实验室研究到工业化投 产，前后经历了一百多年的时间。1 8 8 5 - - 一1 9 0 0 年间，由于物理化学的研究有了巨 大的进展，质量作用定律、化学平衡原理及化学动力学等基础理论的研究成果， 为解决合成氨研究中所遇到的困难指明了方向。1 9 1 2 年巴登苯胺纯碱公司在德国 堡建成世界上第一座日产3 0 吨合成氨的装置，1 9 1 3 年开始运转【2 】。人们称这种合 成氨法为哈伯博施法。随着科学技术的发展，经典的合成氨生产逐步发展成 为大型的现代化生产。 我国的合成氨生产是从2 0 世纪3 0 年代开始的【3 1 ，到新中国成立前夕，只有永 利化学工业公司钲厂，天利氮气制品厂，以及鞍山和抚顺两个炼焦副产硫酸铵车 间等，既使这仅有的五个生产点，有的因遭到破坏不能生产，有的因原材料供不 上而停产。所以新中国成立前夕，中国氮肥工业底子十分薄弱，氮肥的实际产量 只有6 0 0 0 t 。 新中国成立后，国家非常重视发展氮肥工业，不仅恢复并扩建了老厂，而且 建设了大批新厂，目前已经形成了遍布全国大、中、小型相结合的氮肥工业布局。 到2 0 0 2 年，中国合成氨的实际产量已达3 6 7 5 m t 。氮肥的实际产量2 7 4 2 6 m t ，合 成氨产量和氮肥产量均占世界第一位 3 1 ，这是很了不起的一件事。 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 2 我国化肥的应用趋势 氨的主要用途是生产氮肥，而我国是个化肥消费大国【3 】，目前化肥使用量居世 界首位。2 0 0 2 年我国化肥消费量达4 3 3 9 m t ，占世界总消费量的1 3 ，其中氮肥 2 1 5 7 m t 、磷肥7 1 2 m t 、钾肥4 2 2 m t 、复合肥1 0 4 6 m t ：氮、磷、钾投入比例为1 ： 0 3 9 ：0 2 2 。但从单位面积化肥投入的水平来看，以耕地面积1 9 5 亿亩计，化肥平 均亩施用量为2 2 2 k g ；若按2 3 4 亿亩( 复种指数为1 2 0 ) ，化肥平均用量为1 8 5 k g t 亩，我国的施肥水平在世界范围内处于一个中等水平，较日本和欧洲一些国家还 有一段差距。 众所周知，氮肥对粮食增产效果显著，尽管我国部分地区的氮肥投入量明显 偏高，但由于西部地区粮食农作物的氮肥投入水平还不能满足农业生产的需要。 综合看来，氮肥的消费量基本稳定，氮肥生产还有很大的发展空间。 1 2 合成氨的现状及发展趋势 氨合成是一门传统工艺，自从投入工业化生产以来，其工艺流程及系统的设 备一直在不断地完善。现在氨合成工艺向着降低能耗、回收高品位热能的方向发 展。而氨合成塔作为核心设备，发展更是迅速。合成反应在这里进行，所以氨合 成塔内件的结构、运行情况的好坏。直接影响着整个系统的生产能力及产品的成本 消耗。 展望国内氨合成塔内件可以说是形形色色，五花a f - l t 4 1 。国内现有中、小型氨 厂近千家，大型氨厂也有几十家，绝大多数的氨厂合成压力为3 0 m p a 左右。合成 塔内件的结构形式也品种繁多。从移热方式的不同来分类，主要有冷管型、冷激 型及复合型；从气体流动方式来分类，主要有轴向、径向及轴径向。塔内换热器 大部分为列管式，也有少数为螺旋板式、波纹板式。小型氨厂大部分采用, 6 0 0 、 , 8 0 0 直径塔，日产合成氨8 0 t 、1 0 0 t 、1 5 0 t 等。中型氨厂大部分采用巾1 0 0 0 、, 1 2 0 0 直径塔，高压筒体高度为1 3 5 一- 1 6 m ，生产能力为日产合成氨2 0 0 t 、2 5 0 t 、2 9 0 t 等。 传统型内件氨净值大部分在9 - 1 2 之间，改进型内件在1 3 , - 一1 6 之间。配 置的余热回收装置吨氨副产蒸汽为8 0 0 - - - 1 0 0 0 k g t n h 3 ，压力为1 3 2 5 m p a 。 传统的冷管型内件( 主要是三套管、双套管、单管并流等内件) 是在触媒层 2 浙江工业大学硕士学位论文 内设置冷管，管内流通的冷气体一方面及时将反应热移走，保证触媒的活性：另 一方面使自身升温，以达到氨合成反应所需的温度。 传统的冷管型内件主要有以下缺点： ( 1 ) 具有冷管效应；( 2 ) 冷管温度调节困难；( 3 ) 还原不易彻底：( 4 ) 氨净值低； ( 5 ) 阻力大；( 6 ) 温差应力大。 目前一些冷管型内件已在克服上述不足之处做了大量的工作，主要改进如下： ( 1 ) 解决升温还原问题使冷气先进入中心管经电加热器加温再入冷管，从而 改善了升温还原不彻底的缺陷； ( 2 ) 解决温差应力将冷管束设计成可部分自由伸缩的结构，并可更换，以解 决由于膨胀而遭到破坏的冷管束； ( 3 ) 解决温度调节采取分流原理，冷管和下换热器并联，通过调节冷管流量 来解决温度调节难的问题； ( 4 ) 解决阻力采用轴径向，经缩短流通路径，提高流通面积，或者变单塔为 双塔，以降低阻力； ( 5 ) 提高触媒装填量为了提高合成塔生产能力，应尽可能利用高压空间，多 装填触媒。 这些改进的冷管型内件的主要优点是：( 1 ) 触媒层的温度分布较能接近最佳操 作温度曲线；( 2 ) 操作比较稳定；( 3 ) 由于设置了冷管，相应减少了塔内换热器的负 荷和换热面积；( 4 ) 制造比较简单。 1 2 ，1 中小型合成氨厂塔内件及发展趋势 国内中、小型合成氨厂家较多，内件使用较复杂，根据使用结构分传统型、传 统改进型、全冷激型网。 1 传统型内件 传统型内件为单层轴向内冷式内件，得到广泛应用，据对全国4 8 家中型合成氨 厂统计，使用的有1 1 家。传统型合成氨内件系列中有单管并流、并流三套管、三套 管等，因触媒层有冷却列管统称为冷管型内件。 2 传统改进型内件 由于传统冷管型内件存在上述缺点，国内设计单位研究开发了众多冷管型改 3 浙江工业大学硕士学位论文 进系列内件。例如：轴径向冷管型、j 型内冷分流式、内冷一绝热式等。 3 全冷激型内件 多层绝热式内件是近几年来开发并在中小型合成氨厂推广使用的一种新型内 件，它与传统内件( f l 冷式内件) 有本质区别，原触媒中的冷管予以取消，将一个大 的催化反应床分割为若干个小的催化反应床，床间采取冷激式将反应热移走。几种 全冷激内件有：y d 型、n c 型、三段径向冷激型等。 强化氨合成塔生产能力的主要方向是增大空速和提高氨净值。前者要求有较 低的压力降，后者要求具备优良的触媒层温度分布和使用高活性的小颗粒触媒， 而小颗粒触媒的使用对降低压力降又提出更高的要求，所以氨合成塔内件以后的 发展方向是开发复合式内件。 1 2 2 大型合成氨厂塔内件及发展趋势 为了提高合成氨生产能力及技术水平，我国从国外引进了大型氨合成装置，同 时也引进了合成塔专利技术 6 1 ，目前我国大型氨合成装置所使用的氨合成塔有 k e l l o g g 型、t o p s o e 型、b r a u n 型等几种。这些塔型根据气体流向不同，分为轴向 流型、径向流型和轴径向流型，各有所长。 1 k e l l o g g 型合成塔内件 2 0 世纪7 0 年代，我国引进的大型氨合成装置普遍采用美国k e l l o g g 公司的四 层触媒轴向冷激合成塔，该塔结构简单，密封性好，装卸触媒方便，用冷激气调温操 作方便，运行平稳：但由于采用冷激降温，使合成塔出口氨净值较低( 约l o ) ，阻力 较大( 约0 6 。2 0 世纪8 0 年代，我国对引进的k e l l o g g i 为件进行技术改造，采用 c a s a l e 公司的专利技术将原轴向塔改为径向塔为主的径一轴混流式内件，经使用获 得成功。 2 t o p s o e 型氨合成塔内件 丹麦t o p s o e 公司开发的合成塔内件开始引进时大都采用s - 1 0 0 型，最后逐步 改造采用s 一2 0 0 型。s - 2 0 0 型合成塔由上下两层触媒床和中间换热器构成，把s 一1 0 0 型的直接冷激降温改为中间间接换热方式降温，从而提高了合成塔的氨净值。现在 更新的s 一2 5 0 型也投入使用。它综合了s - 5 0 和s - 2 0 0 的优点。 3 b r a u n 型氨合成塔内件 4 浙江工业大学硕士学位论文 国内有几家使用b r a u n 型氨合成塔，其合成塔为2 - - 3 个独立的绝热型合成塔 串联，两塔之间采用塔外换热器降温回收蒸汽。其合成塔结构简单，合成氨净值高， 但设备较多。 为了增产节能，国内外不断研究和改进氨合成的工艺技术，目的是提高氨合 成转化率、降低合成压力、减少系统阻力、合理利用能量网。 现在我国大型氨合成装置上使用的合成塔绝大部分已进行改造忉。改造后产量 提高1 0 - 2 0 ，节能效果显著。 大型氨合成塔以后的发展以大型化、单系列、节能型、低压合成、轴径向塔、 小颗粒为趋势，不断进行改进，趋于成熟1 8 1 。主要体现为：( 1 ) 大型化、单系列、适 宜的操作压力；( 2 ) 适宜的塔型；( 3 ) 小颗粒触媒；“) 大型氨合成塔的国产化。 1 3 国内外合成氨软件应用的进展 2 0 世纪7 0 年代以来，国外关于计算机模拟及优化合成氨系统的报道开始多起 来了。因为运用计算机技术可以更好的对设计、生产过程进行优化，以提高生产 力，如7 0 年代末美国m o n s a n t o 公司开发的化工流程模拟系统f l o w t r a n ，起 初就是针对合成氨厂工艺改造设计建立的。k e l l o g g 公司、t e x a c o 公司、t o p s o e 公司等均有专用合成氨流程模拟系统软件。另外还有专门针对合成工艺中的某一 设备进行优化的软件等，如优化合成塔中触媒筐的软件。国内部分设计、研究部 门是引进或开发了合成氨流程模拟系统软件，但也有很多中、小型氮肥厂没有适 合自己生产情况的改造设计软件。 1 国外 2 0 世纪9 0 年代初嘲，a j k o n t o p o u l o s ，b k a l i t v e n t z e f f ，j r e i u l o t t e a n dj l b o v e n s 就曾对一种基于k e m i r a s 型的真实工况的软件进行了测试，他们运用优化 法找到了氨的最大产量以及此时的蒸汽和动力消耗值。该软件的指导思想是用连 续性二次方程式来进行优化。后来又有新的发展，此时不仅应用了两个标准的方 法，而且用到了分析性的派生信息、主链控制及自动单元顺序检测等方法，这样 就可以节约大量的计算时间( 在此氨合成循环检测中节约6 0 ，在其它过程中可 达9 5 ) 。 j o h nc m o r u d t l 川等也曾就氨合成塔的稳定性进行过分析。如果氨反应塔快速 5 浙江工业大学硕士学位论文 地从3 0 0 - 5 0 0 之间波动时，就会失稳。用一个简单的动力学模型就可以模拟 这一行为。工业生产中，经常用一种传统的稳态分析方法h e e r d e n 法分析塔的稳 定性。这个模型对于优化氨合成具有很好的使用价值。但是如果系统中存在一点 稳态的空白，对于这个系统，不稳定性就会发生。 s i m a n tr u p r e t i t l l l 等用遗传学的运算规则进行了氨合成塔的最优化设计。因为 这个方法曾被成功应用于许多工程优化问题。忽略目标函数的一些条件后，他们 用程序模拟的方法找到了在不同进气温度的情况下反应塔的最佳长度。因为采用 了计算机模拟的方法，这就在一定程度上避免了主观性因素，更好的找出运行的 最佳状况。 2 国内 山东化工研究院的张克城1 刁等结合国内小氮肥厂应用较广泛的三套管式氨合 成塔，以济宁化肥厂合成工段为例建立了工艺流程模拟系统，对实际生产进行了 生产工况、生产参数灵敏度和合成塔热稳定性分析，给出了合成塔的适宜操作区 域及优化操作曲线。结果表明该系统与生产实际符合较好，可用于指导该厂合成 工段生产管理、技术改造及生产操作。 云南工业大学的角仕云和刘丽娅拯1 研究建立了单管逆流式氨合成塔的数学模 型，并开发设计了相应的计算机模拟软件，该软件对特定生产规模的合成氨生产过 程进行了模拟，模拟结果与实际工业生产过程吻合得较好。该模拟软件可用于单 管逆流式合成氨生产工艺的过程设计。 金陵石化公司化肥厂的陈晓捷【1 4 1 针对本厂的s - 2 0 0 型氨合成塔触媒筐做了模 拟计算，建立了该型合成塔触媒筐的数学模型，进行了反应器的模拟计算，最后 可由具体的计算机程序求解。在当时的工艺条件下模拟计算的结果表明，模型基 本是正确的。 另外还有华南理工大学的董新法1 习等以模拟为基础，以氨净值为目标函数， 编制了设计优化的程序，优化了上绝热层、冷管层和下绝热层高度。该法具有简 单、可靠、快速等特点。适用于具有此种结构的氨合成塔的内件高度优化问题， 但其它参数如冷管数目等则未涉及。 国内在合成氨设计软件方面的起步较晚，虽然设计出了一些计算程序，但还 有待进一步完善。距离国际水平还有较长的一段路要走。关于冷管根数、冷管配 比、冷交换器冷气出口温度等优化问题，还未见报道。 6 浙江工业大学硕士学位论文 1 4 研究意义 合成氨工业技术在不断进步，世界各国的氨合成塔均向低能耗，高效益的方 向发展。 现在国外的大型氨合成装置，都有配套的设计软件，以指导生产。我国资金 雄厚的企业在引进时，其配套软件可以直接应用。但国内还有中、小型氮肥企业 近千家。他们所用的设备大都是自行开发设计的，一般凭经验进行放大增产改造， 并没有完善的计算软件。如果运用计算机技术的先进性和优越性，对工艺及设备 进行优化设计，那么就可以得到系统的最优运行状况，同时也可以节约生产资本， 达到资源的合理配置。 合成氨反应是氨生产的核心工段，合成塔运行地好坏首先取决于该工段设计 的合理性和先进性，若用开发出的良好软件进行设计，可以在能耗方面做出比较 精确的计算，优化企业的能源配置，对节能、降耗有着积极的意义。 原来利用人工计算时，由于氨合成的计算比较繁琐，并且循环计算时也会有 许多重复的过程，所以设计人员需要付出许多劳动，既浪费时间和精力，也不能 保证其准确性。众所周知，求解积分时，所取变量的份数越多越好，人工计算触 媒床内的温度分布时，只能计算有限的几个数值，然而利用计算机，就可以比较 详细的计算出更多位置的温度值，从而使模拟的结果更接近真实情况的温度分布。 后来在d o s 下进行计算时，又出现了新的问题。因为程序一旦运行就无法重新回 到上一步去更改数据，这一弊病就使得计算过程趋于单调、反复。运用现在流行 的可视化的、面向对象的编程语言v i s u a lb a s i c ，进行优化计算，则可以大大避免 这些缺陷，不但可以得到比较准确的温度分布值，而且具有形象、直观的特点。 本课题的研究对象为浙江工业大学机械厂自行研制开发的、目前常用的z f 内冷一 绝热型内件，主要用于中、小型氨厂的合成生产。因为针对具体情况编写，所以 该程序对于本校机械厂的设计生产有很好的指导作用，并有重要的现实意义和实 用价值。 1 5 研究内容 氨合成系统包括氨合成塔、塔前预热器、废热锅炉、水冷器、氨分离器、冷 7 浙江工业大学硕士学位论文 交换器、氨冷凝器、循环机、油分离器等设备，有的还在软水迸废锅前设置软水 加热器。其中氨合成塔是整个合成工段的核心设备。 氨合成的反应热为5 6 x 1 0 4 k j k m o l ，除了用来预热进塔气体至触媒的活性温度 外，还可以用来副产蒸汽，进一步回收热量。常用的副产蒸汽的锅炉有三种形式， 主要是根据反应后气体抽气位置而定n 6 1 ，可分为前置式、中置式和后置式三种。 a 前置式：抽气位置设在反应气体进换热器之前，反应气体副产蒸汽后再返 回合成塔内进行换热。 b 中置式：抽气位置在反应气体进入换热器后，在换热器中部抽出，副产蒸 汽后再返回合成塔内换热器中部继续换热，以致塔内换热器被分为两段。 c 后置式：抽气位置在反应气体出换热器后，即气体离开合成塔后进入锅炉 副产蒸汽。 各种型式的指标对比如下： 表卜1 三种不同位置的回收蒸汽的性能指标1 0 i l 由于前置锅炉反应后的气体出塔时，温度太高( 4 4 0 - - 4 6 0 c ) ，材料不能满足 要求，现在以中置和后置式为主，其中又以后置式居多。 本论文受浙江工业大学机械厂委托，对氨合成系统和主要设备的工艺软件进 行开发。针对其自行研发并生产的z f 型内冷一绝热复合式塔内件，用w i n d o w s 风格的界面进行对几种流程的氨合成工艺进行程序设计。这样可以大大减少设计 8 浙江工业大学硕士学位论文 过程的枯燥和乏味，并且可以避免由于错误输入而带来的不必要的麻烦，在一定 程度上方便设计人员的操作，对以后工厂的实际生产也有很大的帮助。本程序所 要计算的合成塔内件结构如图1 - 1 和图1 2 ，中上部为冷管层，中部为绝热层，底 部为螺旋板换热器。 j i i j _、 点 f 习 目 a葡 n j； j 。 吾9 _ e i 囊 !_ ： _ l i !】 一 _ !i = - ! i ： 圳- 纠兰链 i _。 f 一黼镉 ； 。了 h _ i ii l jl 1 一lli l 螭彩 助堂 鼍 堕 l 图1 - 1 轴径向塔内件图1 - 2 轴向塔内件 程序中所要计算的内容包括以下三部分： 1 基本的工艺计算 基本的工艺计算包括氨合成系统中各设备的物料衡算、热量衡算。物料衡算 是指相关设备进出口的气体成分组成和流量。热量衡算主要包括各设备进出口的 温度及热负荷，它的计算依据是各设备的热量平衡。 2 氨合成塔内件的优化计算 这部分主要是由已知的进口氨含量、温度及塔内件参数等数据，对氨合成塔 9 浙江工业大学硕士学位论文 内触媒床层温度分布进行积分计算。氨合成塔有轴向塔和轴径向塔之分，轴向塔， 气体在整个合成塔内都是轴向流动；轴径向塔，气体在冷管层轴向流动，在绝热 层为径向流动。 此外，合成塔内件设计还包括合成塔内阻力和螺旋板换热器的工艺设计计算。 3 各设备工艺的计算 设备的工艺计算是工厂进行设备生产的依据，有了热负荷的数据，则可以进 行此部分计算。设备的工艺设计主要是计算设备的换热面积。 另外还包括循环机和压缩机的电耗，这是合成氨工艺的主要能耗。 1 6 创新之处 v i s u a lb a s l e6 0 t 1 刀是目前应用最为广泛的、易学易用的面向对象的开发工具， 它提供了大量的控件。这些控件可用于设计界面和实现各种功能，减少了编程人 员的工作量，也简化了界面的设计过程。v b 语言的基础是b a s i c ，对于以前学过 b a s i c 的人员来学v b ，有很大的方便；并且v b 提供了与许多其它程序的接口， 如w o r d 、e x c e l 、t x t 文件等；还可以与许多大型数据库相连接，如：a c c e s s 、s q l 矗盘 寸。 本课题即以v b 为开发平台进行程序设计。它的登录界面如下： 图1 3 登录界面 输入用户名称和密码即可进入氨合成设计系统。用户名称和密码写在a c c e s s 文件里，可以自行设定。 本课题以v i s u a lb a s i c 为工具进行开发，在总结以前经验的基础上，所作创新 如下： 1 将主要几种流程写在一个程序里，用户可以运用菜单，计算出自己所选择 的流程的工艺参数。具体操作界面如下所示： 1 0 渐江i 业大学硕学位论文 图l _ 4 流程进择界面 2 优化了氨合成工艺中冷交换器的冷气出口温度。在此以冷气出口温度为目 标函数让其自行循环计算。开始计算时，先假定一个放空气温度的初值计算 冷交换器的冷气出口温度，若不符合要求，则自行调整放空气温度，直到计算出 的冷气温度达到我们设定的目标值。 3 优化了氨合成塔内上、下行冷管的配比，零米温度及进下行冷管温度。进 行设计时，输入零米温度范围和冷管根数的范围计算触媒床层内的温度积分， 合乎要求则输出结果，不符合的话自动更改温度值和冷管根数重新进行计算， 直到输出最佳的塔内温度分布为止。 浙江工业大学硕士学位论文 第二章氨合成工艺系统的概述 中置锅炉 ：三向) 二进二出 厂轴向弋 后置锅炉l 篙 l 轴径向j 2 1 氨合成系统的工艺流程简介 在合成氨反应中，比较常用的流程有三种，分别是中置锅炉二进二出式；后 置锅炉一进一出式：后置锅炉二进二出式。它们的简单流程图如下面所示，其主 要区别在于气体进出氨合成塔的方式和废热锅炉的位置。 补充过氢、氮气的循环气，经油分离器后，在塔前预热器升温并进合成塔反 1 2 浙工业 学学位论文 应，反应后的气体经沸热锅炉回收余热后，进软水加热器和水冷器进一步降温， 在水冷器中一部分气氨被冷凝下来，去氨分离器分离液氨，其余的则到冷交换器 和氨冷凝器继续冷却，分离剩余的氪，这两部分得到的即为液氨产品。 图2 - l 中置锅炉二进二出式 此种型式，氨合成塔内的换热器被分为两部分( 螺旋板式换热器分为内换热 器和外换热器) 。反应前的气体在塔前预热器预热后，一进氨合成塔环隙，到达合 成塔底部与反应后的气体换热后进触媒床进行反应。反应后的气体先进内螺旋板 换热器，部分换热后去废热锅炉副产蒸汽；然后二进氨合成塔的外螺旋板换热器 进行换热。换热后出氨合成塔去塔前预热器预热反应气。 氟 巳坠望： 图2 _ 2 田 此种型式，合成气进出氨合成塔一次。经塔前预热器预热后的反应前的气体， 进氮合成塔与反应后的气体换热后，进入触媒筐进行氨合成反应：反应后气体温 度升高，成为高温气体进入合成塔下部的螺旋板换热器换熟，然后一出氨合成 塔进入废热锅炉副产蒸汽。 善 一 磊自薰三 ll一暖鹾鬯一 - 季一 三一 一 丌沁嚏一 厶| | 隆一 蕾，一 浙工n 大学硕士学位话女 图2 3 后置锅炉二进二出式 此种型式是最为通用的一种，气体二进二出氨合成塔。与中置锅炉二进二出 不同的是反应后的气体在合成塔内的螺旋板换热器底部出塔，而不是中部。从油 分离器出来的气体先进台成塔环隙，稍微升温后，一出氨合成塔，进塔前预热器 预热，再二进氨合成塔底部螺旋板换热器进一步换热，最后进触媒筐进行反应。 反应后的气体在螺旋板换热器换热降温后二出氨合成塔去废热锅炉副产蒸汽。 2 2 氨合成塔内件的选型 221 氨合成塔内件设计的指导思想 台成氨工段节能有两条途径州：其一是节约自身的水电和冷冻量消耗；其二是 提高氨合成反应热的回收品味和利用率，实现这两条途径的关键在于提高氨净值。 例如：当氨净值为1 0 左右时，开一台18 1 9 m 3 ，m i n 的循环机，吨氨耗电为 9 0 k w h ，生产能力约为1 5 x 1 0 4 t n e 【出：若氨净值提高到1 5 左右时，仍开一台18 19 m 3 ，m i n 的循环机，生产能力可达( 22 25 ) x 1 0 4 t n i l d a ，此时吨氨耗电为6 0 k w h 。 因为高氨净值可以能使吨氨气体循环量小，从而减少了循环机的负荷量，降低了 电耗。 高氨净值对合成工段的节能有着不可低估的影响“】。故合成塔内件设计的总 体思想应从提高氮净值上考虑。高效节能增产型内件代表着小合成氨厂内件发展 的趋势。合成塔内件要达到上述目的，由于影响很多，并不是一件容易做到的事 情。它取决于原料气净化程度、触媒的活性和使用寿命。还有一些其它的因素 如操作管理等。l j i 件设计的要求如下： 浙江工业大学硕士学位论文 1 - 容积利用率高：即在一定的外筒高压空间内尽可能多装触媒，这意味着生 产能力大。 2 反应热利用率高：氨合成是一个可逆放热反应，吨氨约能放出3 2 x 1 0 6 k j 的热量，此部分热应尽可能用来副产高品位蒸汽，供全厂使用。 3 制造容易：内件在制造、安装、装卸触媒方面简单易行、运行可靠、操作 弹性大。 4 操作容易：内件流程简单，调节手段应尽可能完善，工人操作容易，降低 劳动强度。 5 压力降低：流体阻力低，气体分布均匀，触媒表面积大，与气体接触多， 降低阻力。 6 造价低：内件简单，材料使用少，制造工艺简单，造价低。 这些控制因素之间互相制约，互相影响，当解决一种矛盾时，另一种矛盾又 随之而来。因此要兼顾上述所有因素中的最佳条件，最后达到高效节能增产的目 的。 2 2 2 氨合成塔内件的分类 目前在中、小型合成氨厂使用的内件类型较多，根据触媒床层中的是否设置 冷管可分为五大类n 6 1 。 f 单层轴向内冷式内件 i i 冷管改进型内件 _ 内件类型l 多层绝热冷激式内件 l l 多层绝热复合换热式内件 单层轴向内冷式内件有如下几种： ( 1 ) 单管并流式内件； ( 2 ) 单管逆流式内件； ( 3 ) 单管折流式内件； ( 4 ) u 形管式内件； ( 5 ) 并流双套管式内件； ( 6 ) 逆流双套管式内件； 浙江工业大学硕士学位论文 ( 7 ) 并流三套管式内件。 冷管改进型内件有如下几种： ( 1 ) 一j 型内冷分流式内件； ( 2 ) 双层对向流动式内件； ( 3 ) 轴径向内冷式内件： ( 4 ) z g 型无绝热层单管折流式内件。 多层绝热冷激式内件有以下几种： ( 1 ) n c 型全冷激式内件； ( 2 ) y d 型全冷激式内件； ( 3 ) n c 型轴径向全冷激式内件； 多层绝热复合换热式内件： ( 1 ) 冷激一间冷式内件； ( 2 ) 冷激一间接换热式内件； ( 3 ) n c 轴径向式内件； ( 4 ) 二轴一径层间换热式内件。 随着原料气净化技术和循环分离技术的发展，特别是氨合成塔触媒的改进， 起活温度的降低、活性的提高，使氨净值提高，为将触媒床层中的反应热及时移 走，出现了一些新型塔内件：如皿型、y d 型、n c 型、z f 型等。其中z f 型内 冷一绝热塔内件为浙江工业大学机械厂自己研制成功的。本程序即以此种常用类 型内件进行开发。 2 3 触媒的选择 2 3 1 触媒简述 氨合成反应是在具有活性的铁触媒作用下进行的h 6 】。这种铁系触媒是人们通 过长期研究氨合成触媒后形成的。即以天然的磁铁矿为主体配入一定量的助触媒， 经过熔融、冷却、破碎后制成的。 早在1 9 0 5 年，哈伯1 9 1 发现某些金属如锇、铀等对氨的合成具有高效的催化作 用。但由于储藏量有限，价格昂贵以及其它一些因素未被广泛应用。 1 6 浙江工业大学硕士学位论文 1 9 1 0 年用哈伯法的氨合成触媒研制成功。该触媒以某些天然磁铁矿为原料， 加入一定量的铝、钾等元素促进和稳定铁的催化活性。此后，各国触媒制造商和 研制单位不断致力于提高触媒性能，研究了不少触媒的配方。我国现在已基本定 型先后在各种氨厂广泛使用过的触媒有：a 1 0 2 ，a 1 0 4 ，a 1 0 6 ，a 1 0 9 ，a l l 0 系列 及a 2 0 1 、a 3 0 1 等。近年来氨合成触媒的发展趋势是向低温低压高活性方面发展。 评价氨合成触媒的性能有：活性、选择性和稳定性。由于氨合成反应没有副 反应存在，即选择性可以认为1 0 0 。 触媒的稳定性是一个重要的指标。触媒的稳定性包括：耐热稳定性，机械稳 定性和抗毒稳定性。 2 3 2 国内外触媒的进展和现状，2 1 2 2 2 3 ，矧 目前我国已能生产3 大类型的氨合成触媒产品，包括中温、低温、低压等各 种性能触媒，可用于各种工艺的氨合成。全世界每年生产合成氨约为1 3 1 0 s t ，年 需氨合成触媒约为( 1 3 1 7 ) l o 。我国氨合成触媒的生产能力较大，大约可达 7 0 0 0 t ，近年来产量约为5 0 0 0 - - 一6 0 0 0 t ，其中国内市场需求量为4 5 0 0 - - 5 0 0 0 t ，另外 约1 0 0 0 t 出口到国外。 1 9 8 9 年美国k e n o g g 公司与英国石油公司成立的新合成氨工艺联合开发委员 会宣告第一个以非铁氨合成触媒为基础的氨合成工艺完成了3 f f d 的示范工程。这 一工艺称为k a a p ( k e l l o g ga d v a n c e da m m o n i ap r o c e s s ) i 艺，其核心是高效的、经 过特殊处理的石墨为载体的钌触媒，活性是传统触媒的1 0 - - - 2 0 倍；且在低压、低 温下使用能保持高活性，同时可以在较宽的氢氮比下操作，最佳氢氮比要比使用 传统铁触媒的最佳值低。研究开发钌基触媒及其他非铁系触媒是氨合成触媒的一 个发展方向，但是也必须看到金属钌是非常稀有的贵金属，因此要全面推广使用 钉基触媒还有一段很长的路要走。 当今，预还原氨合成触媒也是一个发展方向【2 5 1 。目前，国外氨合成触媒中预 还原触媒约占3 0 以上，主要有美国的c 7 3 - n h r s 、英国的3 5 - 8 、丹麦的k m i r 、 k m i r 等。我国预还原氨合成触媒起步较晚，目前有辽化集团的a 1 0 3 h 、南化集 团公司的a l l 0 1 一h ，年产量约3 0 0 t 左右，其中南化的a l l 0 1 。h 约为2 0 0 t ，占全 国氨合成触媒产量的6 左右。国产预还原氨合成触媒已在我国2 6 家大型氨厂中 1 7 浙江工业大学硕士学位论文 的2 4 家使用，其中有5 家全炉使用预还原触媒，其它为部分使用。中、小型厂使 用的也不下数百家，均收到很好的效果。 此外，开发能在等压流程中使用的低温低压氨合成触媒也是一个很好的发展 方向。 2 3 3 触媒的选择 中、小型合成氨厂使用的氨合成触媒 2 6 , 2 7 , 2 8 1 ，绝大部分是国产a 系列，主要 有a 1 0 6 、a l l 0 、a 1 1 0 一2 、a 1 1 0 一3 、a 2 0 1 、a 3 0 1 等触媒，其中福州大学研究开 发并通过化工部鉴定的铁钴双活性组分的低温型a 2 0 1 触媒，郑州大学、浙江工业 大学、南京化工研究院开发并通过鉴定的a 1 1 0 一5 q ，a 1 1 0 l q 等球形氨合成触 媒也在部分小合成氨厂应用。 本程序中选用浙江工业大学研制的a 3 0 1 和a 1 1 0 2 两种低温型触媒。触媒的 活化能和反应速度常数是衡量触媒性能的一个重要指标例。本程序中所用的数据 为： a 3 0 1