（化学工程专业论文）氨合成塔的模拟与操作优化.pdf

沈阳化工学院硕士学位论文摘要 摘要 氨是一种重要的化工原料，它在农业、工业、国防、医药、冶金等方面有着重要用 途，同时对我国国民经济的发展也有重要的作用。合成氨工业是基础化学工业之一，其 产量居各种化工产品的首位。氨合成塔是合成氨厂生产过程中的关键设备，其性能尽管 主要取决于合成塔内件的结构，但其操作性能的好坏直接影响原料气和动力消耗的高低 及设备性能的发挥。本文采用一维拟均相数学模型，即认为反应气体以活塞流通过催化 床层，不存在径向流速分布和轴向流体的返混，将催化剂的中毒、衰老、还原等因素合 并成校j 1 = = 系数，并且对四段校正系数进行了反算。本文模拟计算了国内具有代表性的日 产千吨的k e l l o g g 氨合成塔操作工况，在此基础上对该塔的操作工况进行优化。结果表 明：当反应器填装a 1 1 0 1 型催化剂时，氨合成塔第二段、第三段、第四段入口温度分 别为7 0 3 k 、6 8 9 k 、6 9 9 k 时，第一段入口温度在6 5 8 k 时出口氨含量最大。在第一段、 第二段、第三段、第四段入口温度分别为6 8 4 k 、7 0 3 k 、6 8 9 k 、6 9 9 k 时，循环气氢氮 比在2 , 6 时产量最大。 本文共分三大部分，第一部分主要阐述我国和国际合成氨工业发展概况、合成氨生 产的典型流程、模拟和优化的基本概念、数学模型的分类以及建模的方法。第二部分主 要阐明一维拟均相模型原理建模过程及求解模型所需的各种基础数据的求取方法，同时 运用m a t l a b 语言对一维拟均相模型进行模拟计算，并且利用计算结果绘出各床层压力、 温度、氨含量随各床层高度的变化阻及各个床层温度、氨含量、压力的相互关系。第三 部分是在其它条件不变的情况下，分别改变第一段入口温度、氢氮比、空速时对出口氨 含量的影响，并绘出相应的关系图。最后本文运用单纯形法进行多维搜索，找到在原料 气组成和入塔气量一定的条件下，四段入口温度分别为6 9 1 k 、6 8 3 k 、6 8 0 k 、6 9 7 k 时， 日产量最大为1 1 4 7 2 吨。 关键词数学模型氨合成塔模拟操作优化 h 沈阳化工学院硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t t h ea m m o n i ai st h ec h e m i c a ie n g i n e e r i n gr a wm a t e r i a l i th a sb e e nw i d e l yu s e di n a g r i c u l t u r e ，i n d u s t r y , n a t i o n a ld e f e n s e ，m e d i c i n e ，m e t a l l u r g y , e t c a t t h es a m et i m e ，i th a s p l a y e d a n i n p o r t a n tr o l e i nt h e d e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r yo fn a t i o n a le c o n o m y t h e a m m o n i a s y n t h e s i z i n gi n d u s t r yi so n eo f t h ei m p o r t a n tf o u n d a t i o nc h e m i s t r yi n d u s t r i e s i t s y i e l d i s b e y o n da n yo t h e rk i n do fc h e m i c a le n g i n e e r i n gp r o d u c t t l l ea m m o n i as y n t h e s i s c o n v e r t e ri st h em a i nk e ye q u i p m e n t s ，a l t h o u g hi t sm a i nf u n c t i o nd e p e n do nc o n s t r u c t i o n ， w h e t h e rt h eo p e r a t i o nf u n c t i o ni sg o o do rn o t ，i t so p e r a t i o nf u n c t i o ni sd i r e c t l yi n f l u e n c er a w m a t e r i a lt oc o n s u m ej l i g ha n dl o w w i t ht h ec o n s t a n ti n c r e a s e s e so fw o r l dt h ep o p u l a t i o n ， m a k i n gc h e m i c a lf e r t i l i z e ra n do t h e ri n d u s t r i a lc h e m i c a l sn e e d al o to fm a t e r i a l so fa n n o m i n a a n di n c r e a s e e d g r a d u a l l y t h er a wm a t e r i a l so ft h es y n t h e t i ca m m o n i aa r en i t r o g e na n d h y d r o g e n t h en i t r o g e nc o m e f r o mt h ea i r n l es o u r c eo f t h e h y d r o g e n i sr e l a t i v ew i d e s u c ha s t h ec o a l ，p e t r o l e u m ，t h en a t u r a lg a s ，t h eh e a v yo i l ，w a t e r , e t c 1 1 1 ec o u r s eo f s y n t h e t i ca m m o n i a n e e d st oc o n s u m eal a r g ea m o u n to fe n e r g y n o w d a y st h ee n e r g yb e c o m es h o r t a g e t h e e n e r g y c o n s e r v i n gt e c h n o l o g yi sm o r ee x t e n s i v ep o p u l a r , i nt h i sa r t i c l e ，m a t h e m a t i c a lm o d e l o fa m m o n i a s y n t h e s i sc o n v e r t e rw i t hf o r a x i si nl a r g e s c a l es y n t h e s i sa m m o n i ap l a n t h a sb e e n p r e s e n t e d ，w h i c hd e s c r i b e st h ei s t r i b u t i o n so fg a s e o u sc o m p o s i t i o n s ，t e m p e r a t u r e s , p r e s s u r e s a l o n gw i t ht h ea x i so f t h ec o n v e r t e r o nb a s eo ft h e s ed a t a ，a d o p t i n gm a t l a b ，t h eo p e r a t i o n c o n d i t i o n so ft h i sk i n dw a s o p t i m i z e d i no r d e rt oi n c r e a s e p r o d u c t s t l l i st e x td i v i d e st h r e em a j o rp a r t sa l t o g e t h e r i nt h ef i r s tp a r t i te x p l a i nm a i n l yt h e c o n d i t i o n so ft h e s y n t h e t i c a m m o n i ai n d u s t r i a l d e v e l o p m e n tg e n e r a l s i t u a t i o n s e so fo u r c o u n t r ya n da n d o t h e rc o u n t r i e s ，t y p i c a lf l o w , b a s i cc o n c e p t i o no fs i m u l a t i o na n d o p t i m i z a t i o n ， m a t h e m a t i c a lm o d e la n dm o d e l i n gm e t h o d t l l cs e c o n dp a r te x p o u n dt h em o d e lp r i n c i p l e m o d e l i n g c o u r s ea n ds o l v ew h a tm o d e ln e e do f d i f f e r e n tb a s i cd a t a n e e d e d ，u s i n gl a n g u a g eo f m a t l a bt os o l v em a t h e m a t i c a lm o d ea tt h es a n l et i m e u t i l i z i n gr e s u l to fc a i c u l a t i o nt od r a w t h er e l a t i o n so fa m m o n i ac o n t e n t e ro f t e m p e r a t u r e t h et l i i r dp a r t u n d e rt h ec o n d i t i o nt h a t o t h e rc o n d i t i o n sa r en o tt u r n e d ，c h a n g et h ef i r s te n t r yt e m p e r a t u r e ，t h er a t i oo f h y d r o g e na n d n i t r o g e n ，s t u d yt h ea m m o n i a a n d e x p o r t c o n t e n t sc h a n g e ，a n dd r a wt h e c o r r e s p o n d i n gr e l a t i o n p i c t u r e t h i st e x tu s e st h es i m p l es h a p et oc a r r yo nt h em u l t i d i m e n s i o n a ls e a r c ha tl a s t ，a n d f i n de n t r yt e m p e r a t u r eo ft h ef o u rb a n gu n d e rt h ec o n d i t i o n so fc e r t a i nc o n s i g so fr f l w m a t e r i a l sa n dt h ea m o u n t o f g a s ，w h e n t h eo u t p u ti st h el a r g e s t k e y w o r d s ：m a t h e m a t i c a lm o d ea m m o n i a s y n t h e s i s c o n v e r t e rs i m u l a t i o n o p e r a t i o no p t i m i z a t i o n l 沈阳化工学院硕士学位论文声明 沈阳化工学院学位论文独创性声明 本人声明所里交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。除文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献也已在论文中作了明确的说明并表 示了谢意。 研究生签名： 日期： 沈阳化工学院学位论文使用授权声明 沈阳化工学院有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。在保密 期外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的 共布( 包括刊登) 授权沈阳化工学院研究生部办理。 研究生签名_ 一导师签名： 一日期： 沈阳化：【学院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景 第一章绪论 合成氨工业是基础化学工业之一。其产量居各种化工产品的首位。氨本身是重要 的氮素肥料，氮素肥料一般都是先合成氨，然后加工成各种铵盐或尿素。将氨氧化制 成硝酸，不仅可用来制造肥料( 硝酸铵、硝酸磷肥等) ，亦是重要的化工原料，可制成 各种炸药。氨、尿素和硝酸又是氨基树脂、聚酰胺树脂、硝化纤维素等高分子化合物 的原料。以其为原料可制得塑料、合成纤维、油漆、感光材料等产品。作为生产氨的 原料的一氧化碳和氢气，可进行综合利用。物尽其用，减少排放物对环境的污染，提高 企业生产的经济效益，已成为当今合成氨工业生产技术发展的方向。国际上对合成氨 的需求，随着人口的增长而对农作物增产的需求和环境绿化面积的扩大而不断增加。 据资料统计：1 9 9 7 年世界合成氨年产量达1 0 3 9 m r 。2 0 0 0 年产量达1 11 8 m t 。其化肥 用氨分别占氨产量的8 1 7 和8 2 6 。我国1 9 9 6 年合成氨产量已达3 0 6 4 m t ，专家预 测2 0 2 0 年将增加至4 5 m t 。即今后2 0 年问将增加到现在的1 5 倍。因而合成氨的持续 健康发展还有相当长的路要走。未来我国合成氨氮肥的实物产量将会超过石油和钢 铁。 合成氨工业在国民经济中举足轻重。“国以民为本，民以食为天”。农业五谷丰登， 国家就繁荣昌盛，人民就能安定团结，经济就会快速大发展，社会才能欣欣向荣。所 以，合成氨工业是农业的基础。它的发展将对国民经济的发展产生重大影响。世纪之 交，我国氮肥工业的发展，面临着机遇和挑战，市场和民族工业成为竞争的焦点。在 我国，要以占世界7 的土地来养活占世界2 2 的入口。今后随着人民消费水平的提 高，人口的增加，耕地面积的减少，荒生和绿化面积的扩大，化肥用量需不断地增加。 因此，我国现有众多的化肥生产装置应成为改造扩建增产的基础。我国七十至九十年 代先后重复引进3 0 多套大化肥装置，耗费巨额资金，在提高了化肥生产技术水平的 同时，也受到国外的制约。今后应利用国内开发和消化吸收引进的工艺技术，自力更 生，立足国内，走出一条具有中国特色的社会主义民族工业的发展道路。过去引进建 设一套大型化肥装置，耗资数十亿元。当今走老厂改造扩建的道路，可使投资节省1 2 2 3 。节省的巨额资金，用作农田水利建设和农产品深加工，将在加速农村经济发展， 提高农民生活水平，缩小城乡差距起着重要作用。 沈阳化工学院硕士学位论文 第一章绪论 1 2 课题研究的意义 氨合成塔是合成氨厂生产过程中的主要关键设备，其性能尽管主要取决于合成塔 内件的结构，但其操作性能的好坏直接影响原料气和动力消耗的高低及设备性能的发 挥，在不改变生产装置得条件下，本文对四段绝热段闻冷激式氨台成塔进行了模拟分 析与优化的研究，以便进一步提高产量。 氨合成塔触媒管内件可分为两大类，一类是在连续触媒床层中设置移热冷管，另 一类是设置多段绝热反应层，段间移热降温。段问移热交往的方式又有原料气冷激降 温和通过热交换器间接换热降温两种，而以段问原料气冷激降温方式为多。 从氨合成塔高压容器的使用效率来说，冷管连续换热的触媒管中由于有相当一部 分容积被冷管占用，因此对于相同尺寸高压筒体所装的触媒量较少，而多段绝热段间 冷激式氨合成塔，则因为内件结构简单，故所装填的触媒量比前者要大许多，这对于 节能降耗是有利的。从合成塔的操作来说，在入塔气量和入塔气组成不变的条件下， 冷管连续换热氨成塔的操作变量只有一个，即入口温度，它一旦确定，整个床层的温 度与氨浓度分布就相应确定。而对于多段绝热段间冷激式氨合成塔来说，在入塔气量 和入塔气组成不变条件下，每一段的入口温度都是独立操作变量。而且因为每一段的 入口温度都是通过调节段间冷气量来控制的，所以每一段问的温度调节都会相应的导 致该段入口的气体组成变化，从而导致全塔各床层反应状况的改变。 有关氨合成塔的模拟与优化，前人已作过了不少的工作 i - 1 63 。有关文献对四段冷 激式氨合成塔的模拟研究作过指导 1 7 - 1 8 但对四段冷激式氨合成塔零米温度操作优 化的问题，迄今未见发表，本文采用计算机模拟技术对合成塔进行模拟分析，在此基 础上，采用单纯形法进行多变量优化搜索，找到在原料气组成和入塔气量一定的条件 下，使产量达到最大时的最佳四段入口温度。 1 3 我国合成氨工业的发展 中国合成氨生产是在2 0 世纪3 0 年代开始的“”，经过几十年的努力，我国已拥 有多种原料、不同流程的大、中、小型合成氨厂1 0 0 0 多个1 9 9 9 年总产量为3 4 5 2 m t 氨，居世界第一。我国的合成氨工业的发展可以分为如下几个阶段：恢复和新建中型 氨厂、小型氨厂的发展、大型氨厂的崛起。至今3 2 套引进装置中，原料为天然气、 油田气的1 7 套，石脑油5 套、榨油7 套，煤2 套和尤里卡沥青1 套，加上上海吴泾， 成都的两套国产化装置，合成氨总能力为1 0 2 2 m t ”。目前我国正大力推广先进合成 氨技术和装置的国产化，积极开展热能回收利用，降低合成氨能耗，优化合成氨原料 结构，合理布局，调整经济规模。我国百万合成氨工业科技工作者及生产大军，应对 占世界人口近1 4 的中国，应用科学技术更好地发挥土地、资源、环境条件的作用， 2 沈阳化工学院硕士学位论文 箜二里堑堡 在合成氨工业生产科学创造出辉煌业绩，以为人类丰衣足食、绿化环境的美好生活， 载入人类史册。 l i4 国际合成氨工业的发展船1 ”“”1 自本世纪2 0 年代第一座合成氨装置投产以来，到6 0 年代中期，合成氨工业在欧 洲、美国、日本等地区已发展到相当高的技术水平。美国k e l l o g g 公司首先开发出以 天然气为原料、日产干吨的大型合成氨装置，在美国投产后，使吨氨能耗达到4 2 0 g j 的先进水平。与此同时，美国b r a u n 公司、丹麦t o p s o e 公司、英国( 2 公司、日本 r o y o 公司等世界各大制氨公司，也都积极从事制氨技术的开发工作，形成了与k e l l o g g 公司工艺各具特色的工艺路线，如丹麦t o p s o e 公司和英国i c i 公司在以轻油为原料的 制氨技术方面，处于世界领先地位，这是合成氨工业发展史上第一次技术变革和飞跃。 7 0 年代中期，由于世界石油危机，能源价格不断上涨，严重冲击着世界石油危机，能 源价格不断上涨，严重冲击着会成氨工业，造成成本上升、经济效益下降，在这种严 峻的形势下，世界上各合成氨大公司都以节能为目标，竞相开发出各具特色的节能型 新工艺流程，合成氨工业在8 0 年代又经历了第二次突破性的技术变革。如美国k e l l o g g 公司、b r a u n 公司、k t i 公司、丹麦t o p s o e 公司、英国i c i 公司、德国u h d e 公司、 意大利m o n t e d s o n 公司等都积极开发新流程及与新流程相适应的高效催化剂和新设 备，借以提高制氨技术在世界上的竞争能力。同时，还积极采用新技术改造老装置， 井扩大原料来源，发展重油气化、煤气化技术，形成了合成氨生产技术的新特点。在 8 0 年代，合成氨装置的总能耗：以天然气为原料、采用蒸汽转化新工艺的吨氨能耗最 低达到2 8 g j 左右；以重油为原料、采用部分氧化新技术的吨氨能耗最低达到3 8 g j 左右；以煤为原料采用部分氧化工艺的吨氨能耗最低达到4 8 g j 左右。近几年，合成 氨装置专利商在继续开发节能型新技术、新设备、新催化剂的同时，又在装置操作灵 活性、生产可靠性、节省投资上取得了新进展，在用新技术改造旧装置扩大生产能力、 提高装置运转效率、降低能耗方面也在不断努力开拓。 迄今为止，k e l l o g g 建的大型氨厂共有1 5 0 多个，占世界生产能力的3 0 以上。 最近几年，k e l l o g g 又开发出以先进合成氨工艺k e l l o g g a d v a n c e da m m o n i ap r o c e s s ， 简称k a a p ) 和转化换热系统( k e l l o g gr e f o r m i n ge x c h a n g e rs y s t e m ，简称k r e s ) 为代 表的第二代合成氨工艺，被评价为合成氨工艺的重大突破。k e l l o g g 于6 0 年代初期在 密西西比河建成新的合成氨厂，对原技术进行了改进，提高了产品质量，吨氨能耗降 低到2 9 1 9 g j 。但由于催化剂要求对设计的限制，开发低温低压下高活性的催化剂就 成为一个十分重要的问题，k e l l o g g 便从这里着手改进工艺。英国石油公司( b p ) 于1 9 7 7 年向k e l l o g g 提供了一种新型氨催化剂体系，两公司在1 9 7 9 年进行初次接触，主要讨 论了催化剂对合成氨生产的影响，签订一项联合开发新型不含铁的钌基催化剂合同， 由b p 公司负责新催化剂开发。k e l l o g g 公司负责与萁霞褰的低能耗翕成氨工艺开发。 沈阳化工学院硕士学位论文第一章 绪论 而后于1 9 8 0 年双方对催化剂进行了评价，提出了制备新型催化剂的初步流程图。经 过长达1 0 年的合作，终于开发成功高效能钌基催化剂和低能耗的凯洛格先进合成氨 工艺k a a p 工艺。 k e l l o g g 的合成塔技术一直在不断改进，除将氨合成塔由立式改为卧式合成塔外， 另一项重大革新则是在一段转化部分建立了新的转化换热系统，即采用换热式转化炉 代替原有一段火焰式转化炉和换热器的k r e s 技术。该技术代表9 0 年代的合成氨先 进生产技术，是k a a p 的补充和深化。原有活管转化炉缺点是：操作需要十分认真， 维修量相当大，其5 0 的效率用于产生废热蒸汽。k r e s 新工艺采用独一无二的工艺 路线和换热器设计，内部采用开口管式换热，与二段自热转化同步进行。来自绝热式 二段转化炉的热炉气通过热交换可提供转化换热器所需的全部能量，从而可在生产过 程中彻底取消需加热的一段转化炉。为了使反应满足热力学平衡和物料平衡，二段转 化采用富氧空气。k r e s 使氧化氮产生量也有所减少。k e l l o g g 认为，这一优点对该工 艺是非常有利的。在电力费用低的合成氨厂，操作费用也可随之下降。k r e s 的工艺、 设备开发工作均已完成，k e l l o g g 已在o e e l o r 合成氨公司氨厂安装了有k r e s 的新蒸 汽转化装置，以增加该厂的合成气生产能力。该装置已于1 9 9 4 年1 1 月实现工业化应 用。 随着世界人口的不断增大，制造化肥和其他化工原料产品耗氨量逐渐增加，在能 原紧缺的今天，节能工艺越来越受欢迎。 1 _ 5 世界合成氨工业能耗综述 合成氨生产能耗大体上可队分为两大部分，即原料能耗和燃料能耗。加热 用燃料、蒸汽、循环冷却水及机泵所耗动力等属于燃料能耗范畴。 1 9 9 7 年全国大型合成氨平均综合能耗为3 2 3 2 g j ，t ，1 9 9 8 年平均为3 9 4 5 g j t ，略 有上升，主要是新装置运行不够稳定，消耗偏高，而1 6 个老厂的合成氨综合能耗均 保持下降趋势，1 9 9 7 年平均为3 8 7 3 g j t ，同比下降0 5 9 g j t ，1 9 9 8 年降到3 8 5 3 g m 。 云天化氨厂节能降耗成绩最好，该厂从1 9 9 0 年始吨氨综合能耗保持同行最低，1 9 9 8 年实际为3 5 5 3 g j t 。海南、建峰、锦天化等新建厂中，能耗随着运转水平的提高而降 低，最低的是建峰厂为3 2 1 9 g j t ，与设计的四2 9 3 1 g j t 相比，尚有差距。 自7 0 年代以来，世界大型氨厂吨氨能耗己从4 1 8 6 g j 降至2 9 3 1 g j l 2 6 ，降幅达 3 0 ，这主要是通过改进工艺设计而获得的。1 9 9 5 年g a r lf o n k 等人在美国开展了一 项全国性合成氨厂的调查，接受调查的氨厂半数建于1 9 8 0 年以前，结果表明几乎所 有的氨厂自1 9 9 0 年以来都进行过重大改造。 七十年代我国倔起的大型合成氨工业，至今方兴未艾。己经投产的工厂不但在掌 握技术方面各有所长，而且都毫不例外地实施过技术改进。在中国大型合成氨工业中， 特别是早期投产的企业中，没有任何一家工厂保持着初勰建设魄蘧貌七五至八五期 4 沈阳化工学院硕士学位论文第一章 绪论 间多数厂都进行了一轮或二轮改造，采用国际和国内先进技术。第一轮改造以节能为 主合成氨综合能耗普遍由4 1 8 7 g j t 降到3 7 7 g j t 或更低。湖北、洞氯恢复了日产 千吨，云天化还进行了第二轮改造。赤天化厂“七五”期间仅做过局部改造，“八五” 时做第一轮技术改造，目标是增产与节能相结合，以取得更好的经济效率。通过改造， 生产能力提高2 2 ，合成氨综合能耗降到3 3 4 9 g j t 3 5 5 9 g j t ，实现了稳产达标和 节能增产两个目标，技术水平向前迈进了一大步。 1 6 合成氨生产的典型流程 焦炭 蒸汽( 无烟煤) 空气天然气 圳 + 回 + 回 + 网 + + 臣卫 i 氡 叫囹一匮司 + 蒸汽乇圃 + 空气+ 圆一园 + 圆 i 圆 + 二氧化碳一臣函 + 圃 + 氨一臣玉) 一圆 图1 1 以焦炭( 无烟煤) 为原料的制氨流程图1 2 以天然气为原料的制氨流程 沈阳化工学院硕士学位论文第一章 绪论 空气氧气重油蒸汽 去硫回收一匝困 叵 + i回 氨一固 + 如圆 ( a ) 德士古激冷流程( b ) 谢尔废热锅炉 图1 3 以重油为原料的制氨流程 上图1 1 是以焦炭( 无烟煤) 为原料的流程，2 0 世纪5 0 年代以前，世界上大多 数合成氨厂采用哈伯一博施法流程( 示意流程图如图1 1 所示) ，以焦炭为原料的吨氨 能耗为8 8 g j ，比理论能耗高4 倍多。 中国在哈伯一博施流程基础上于2 0 世纪5 0 年代束、6 0 年代初开发了碳化工艺和 三催化剂净化流程。 碳化工艺流程将加压水洗改用氨水脱除c 0 2 ，碳化同时得到的碳酸氢铵，经 结晶、分离后作为产品。所以，流程的特点是气体净化与氨加工结合起来。 催化剂净化流程采用脱硫、低温变换及甲烷化三种催化剂来净化气体，以代 替传统的铜氨液洗涤工艺。 上图1 2 是以天然气原料的流程，此流程适用于天然气或油田气、炼厂气等气体 燃料，稍加改进也适用于石脑油为原料。流程中使用了七、八种催化剂，这些不同类 型催化剂的应用，又要求有高度化度的气体净化技术配合。 上图1 3 是以重油为原料的流程，此流程采用部分氧化法造气。因回收高热量方 式不同，又分为：a 德土古冷激流程，采用先耐硫变换后甩甲醇洗同时脱硫、脱碳； 旨 7 一 丑 沈阳化： 学院硕士学位论文 第一章绪论 b 谢尔废热锅炉流程，采用先脱硫，常规变换之后再脱c o ：。 1 7 国外氨合成塔的分类及其结构特点 1 7 1 主要氨合成塔及其特点 氨合成塔按降温方式可分为，冷管冷却型、冷激型和中间换热型：按流动方式可 分为轴向和径向。按型号可分为大、中、小型。其中大型氨合成塔主要有：托普索氨 合成塔、凯洛格氨合成塔、卡萨里氨合成塔、伍德氨合成塔和布朗氨合成塔。 1 1 1 托普索氨合成塔 ( 1 ) 在床层中呈径向流动，流速低，并允许采用小颗粒催化剂，保证维持较低压力。 ( 2 ) 小颗粒触媒保证容积的最大利用，触媒床各部分的流体扩散阻力可忽略不计， 并且迸一步采用更小颗粒触媒时阻力降也不显增加。 ( 3 ) 由于合成塔的空速较高，催化剂生产强度也较大，所以相同生产能力时，塔径 小，即使对大型合成氨塔，也采用大盖密封，使之便于运输、安装与检修。 f 2 1 卡萨里氨合成塔 这种氨合成塔，取消原有传统的径向层催化剂密封装置，采用中心集气管上 端部分不开孔，已迫使气体在顶部处于轴径向混合流动的状态，下部则仍处于纯 径向流动。这种轴径向流动工艺，即简化了原有径向层密封结构，有充分利用所 有催化的活性( 原纯径向流动时，催化剂密封处是无效的) 。此种结构的催化剂 筐易于装拆，对于多层结构十分方便，且节能显著。但是，升温还原时，为冷却 保护塔壁中间换热器不能停用，致使第二段催化剂床层温度提不起来，如陡然增 加还原时间，也不能达到催化荆所要求的极限还原温度，影响第二段催化剂的还 原性，这是此塔的重要缺陷。 【3 】3 布朗氨合成塔 此塔是有三个独立的绝热反应器组合而成，其间有预热器和废热锅炉相连接。这 种塔具有结构简单，不设置敞口大法兰，仅设检修人孔，密封面小制造和检修容易。 为了使外筒尽可能处于较低的温度，入口气由下套管环隙进入，并缘内外简上升，然 后进入催化剂床层。 4 】凯洛格多段冷激型氨合成塔 凯洛格多段冷激型氨合成塔的外壳为瓶形，分上下两段，上小下大。由法兰连接， 内件有四层催化剂层，床层间有冷气体冷激装置。催化剂层上部有列管式热交换器。 气体在塔内的流向为：反应气体由底封头接管进入塔内，向上流动，经过催化剂筐与 简体之间的环隙，以冷却塔壁。气体穿过催化剂筐所口处的孔眼，经换热器外罩与上 部简体之间的环隙通道向上，起冷却小筒壳壁的作用，然后折返，经过换热器壳程流 进到催化剂筐。气体首先在第一层催化床中反应，生成氨，同时使气温升高，流出第 一床层催化荆的支撑板，在屡阕空隙与来基顼部球形封头礤上的接管进入的冷激气混 夸 沈阳化工学院硕士学位论文第一章绪论 合。为了保证混合均匀，在环形管旁设有挡板。混合后汽温降低，氨含量也相应降低， 随后进入第二床层催化剂起反应，以此类推，最后气体从第四层催化剂底部流出，折 返由中心管向上，穿过换热器管内，经波纹连接管出塔。 从工艺与机械结构上来看，凯洛格多段冷激型氨合成塔有如下主要优缺点。 凯洛格多段冷激型氨合成塔优点： ( 1 ) 采用直接冷激法控制催化床温度，床层中不设置冷管，为绝热反应，所以径 向温度和气体分布比较均匀。采用冷激法调节温度，床层温度调节灵活，操作平稳。 ( 2 ) 内件结构比较简单，不需要高大框架和大吊车。在合成塔简体与内件上开设 人孔，检修内件及装卸催化剂时，不必将整个内件拉出。 ( 3 ) 采用球形封头，上小下大两段结构。省去敞口式简体顶盖的大锻件。上部换 热器装入孔直径直径比较小，使塔的密封易于解决。将换热器放在上部的另一优点是 结构紧凑，占用塔的反应空间少，并可采用小直径长管束提高管内气体流速，强化传 热。 ( 4 ) 对内件各部分之间的连接与保温处理得比较合理、有效，可使整个内件在塔 内自由胀缩，避免热效力，提高运转的有效性。 凯洛格多段冷激型氨合成塔主要缺点 ( 1 ) 从工艺上讲，该塔采用3 4 层催化床，中间通入冷激气后，所占用的高压空 间太大，减少了催化剂用量，对合成塔的容积利用不利：而且，冷激气只起降温作用， 与反应气混台时，产生返混，减低氨浓度，影响净值。要达到同样的产量，它比起间 接换热的合成塔多装催化剂。由于冷激气直接通入催化剂层中，所以对气体挣化要求 提高。 ( 2 ) 由于催化剂筐不能从塔内吊出，因而无法全面检查筒体内壁及内件的腐蚀情 况，这时合成塔内件由于氮化腐蚀会发生不同程度的损坏，因而须更换零部件时在塔 内维修及焊接不方便，因而不得不拉长检修时间。影响设备的运转。 凯洛格多段冷激型氨合成塔在设计与操作中的几个问题： ( 1 ) 段数的选择与各段温度分布，催化床段数越多，就越接近最佳温度曲线，但 会造成结构趋于复杂。大型凯洛格氨合成塔一般为3 4 段。段数的多少与操作条件 ( 如压力、净氨值) 相适应。在操作压力为1 5 m p a 时，设备直径6 b 3 1 2 0 m m ，采用四 段，操作压力为2 4 m p a 时，设备直径a b 2 8 7 0 m m ，采用三段。合理选择多段冷激型各段 温度分布，可以得到较高的产量与较长的催化剂使用寿命。在一定的最终氨含量下， 各段始末温度及氨含量分配存在许多方案选择方案时应使各段催化剂用量最小，同 时兼顾催化剂使用寿命。 第一段迸口温度无须由最佳温度曲线确定，因为当氨浓度低时，最佳温度很高， 工艺上无法实现。所以一段进口温度可以偏离最佳温度较远，但要高于催化剂的起始 活性温度。催化剂使用初期，可以稍低些；随着催化剂的活性衰退，可以逐步提高一 段进口温度，一般为3 8 0 4 0 0 。第一段出口温度，也不宜太高，否则会缩短催化剂 各 沈阳化工学院硕士学位论文 第一章绪论 使用寿命，一般不超过5 0 0 c 。第二段以后的各段，其进口温度应低于相应组成的最 佳温度，出口温度高于最佳温度，而且随着氨含量的提高，最佳温度下降，因此，随 着段数增加，各段进出口温度应依次略下将。 ( 2 ) 冷激分布器包括冷激气的均匀分布与冷热器均匀混合两部分。其设计与制作 的好坏，将直接影响到气流均布与床层同平面温差。分布的设计与制造不当时，催化 床同平面温差可达2 0 3 0 c 以上，影响产量。凯洛格人氨合成塔催化床是分层的，在 层问设倒锥形挡板、冷激管和分布板，冷激环形管装在各段床层支承板下的反应空问 中，冷激气由输气管进入冷激环管，并通过小孔均匀喷出。为保证反应气体与冷激气 混合均匀，在环形管旁边设置挡板，两者紧凑贴近。挡板呈倒锥形，其底边与冷激气 的喷射方向垂直。挡板的中心孔较小，从而迫使冷热气体紧密接触，达到混合均匀。 在冷激管下方设有分布板，并留有足够空闯，以便混合气沿整个催化剂层重新分布， 最后在进下一个床层。冷激管开孔大小、数目及角度关系到冷激气是否均匀分布，而 挡板、分布板以及所留的空间关系到冷热气体能否均匀混合。这些数字的确是至关重 要的。 ( 3 ) 为尽量减少热应力，避免发生损坏，对于各种连接件的胀缩问题，人们采 取了许多有效措施。如把整个内件( 催化剂筐与换热器) 悬吊在简体顶部法兰处，并 可沿简体轴向自由胀缩。换热器上管箱通过膨胀节及出口管与顶部法兰连接，向上移 动时由膨胀节吸收。换热器壳体支承板在催化剂筐缩颈的圆筒上，下管箱与中心升气 管相焊，并将中心管的末端插入套管中。冷激管在内件与简体之间有挠性管，当触 媒筐轴向移动时，冷激管不会被拉坏。同时冷激管的直管在套管中也可目由移动。 1 7 2 影响合成塔性能的因素。“4 “ 合成氨反应必须在有催化剂的条件下才能进行，合成塔性能就体现在催化 剂的性能是否充分发挥出来。影响合成塔性能有以下因素： ( 1 ) 温度 温度对反应速度和平衡都有影响温度增加时反应速度加快，但平衡氨浓度下降。 如果可能，应尽量降低温度，以有利于平衡。催化剂只有在一定温度范围内才显示出 活性，合成氨铁触媒活性最佳温度在4 0 0 5 0 0 c 范围( 低活性或旧触媒最低起燃温度 3 7 0 。c ) ，所以在催化剂活性范围内控制温度，对于放热反应既要考虑反应平衡，又要 考虑反应速度。反应初期，主要是考虑如何提高反应速度，故可将温度控制稍高一些。 但在反应后期，则主要考虑如何提高反应平衡氨浓度，此时应将温度控制稍低些。 合成氨反应是放热反应，如果反应热不及时取走，则催化剂床层温度将随反应的 进行而不断上升，当高于5 7 0 c 时，催化剂将很快丧失其活性。凯洛格型合成塔采用 了四段冷激式合成塔，即在两个触媒床层之间加入定量的冷激气，使反应气温度保 持在催化剂的活性范围内，冷激气量可分别由四个冷激阀进行控制调节。 ( 2 ) 压力 压力对平衡和反应速度都有影响。压力增加时，平衡氨浓度积反应速度都增加， 9 沈阳化工学院硕士学位论文 第一章绪论 这二者都有利于转化率的提高。且压力越高，对产品氨的分离也有利。当放空量恒定 时，促使压力上升的因素是新鲜气量增加、循环气量减少等。 ( 3 ) 空速 反应器的进料气量是新鲜气与循环气之和，其变化将影响接触时间和转化率，因 此也就影响氨产量。一般来说，提高空速，通过催化剂床层的气体量增加了，可以提 高氨产量。未反应的氢氮气，经过循环又回到合成塔，最终将全部反应合成氨( 弛放 气带出的除外) 。如果进塔气量减少，则接触时间增长，而转化率相应提高，出口氨 浓度也随之增加。 ( 4 ) 氢氮比 根据合成氨催化剂的动力学实验，进塔气的氢氮比在于2 5 ：l 至3 ：1 的范围最有利 于转化，其合成氨反应的速度最快，改变氢氮比的主要手段是新鲜气的成份。根据本 文理论分析证明氢氮比在2 6 时，反应速度最快。 ( 5 ) 进口氨含量 进口氨含量进口的选定，涉及到冷冻功耗和循环功，也涉及到氨合成塔和氨分离 装置投资的权衡。氨冷级数与氨合成压力有关。在1 0 一1 5 m p 时，合成氨可用二级或 三级氨冷，进塔氨含量为2 左右。 ( 6 ) 惰气 进入合成塔惰气一般指甲烷及氩气。它们对催化剂不是毒物，也不参与反应，但 它的存在降低了氢和氮气的分压，对反应速度和平衡均不利，而且浪费循环功。为了 保持惰性气体含量不致太高，需要把回路气体放出一部分，称为弛放气。通常，新鲜 气中含有的惰性气体为1 1 5 ，与循环气混合后，保持入塔惰气含量在1 3 1 5 ， 弛放气量约为新鲜气量的1 0 左右。 沈阳化工学院硕士学位论文第二章模拟与优化综述 第二章模拟和优化综述_ 鸵一3 阳 2 1 模拟和优化的基本概念 模拟是用另一系统来模仿一个系统，原则上由软件完成，使该模仿系统接收与被模仿 系统相同的数据，执行计算机程序，并得到与被模仿系统相同的结果。 优化或称最优化，是从被优化的过程本身存在的多种运行策略中通过特定的优化方 法找出最优的一种，例如，从甲地到乙地旅行，可以选择不同的路径，不同的旅行工具。 优与不优则是按照某种评价函数来评定的，如时间是否最短，费用是否最省，舒适程度 是否最高等。按照不同的评价函数，得出的最优策略往往是不同的。设评价函数为， 运行变量( 即可以调整的自变量) 的集合是向量x = k ，x2 ，一，x ，。】7 ，则最优化就是调整 的各元素的值以使厂在特定约束条件日( x ) ，g ( z ) ( 等式约束和不等式约束) 下达到极 小或极大值的过程。厂中的各元素与运行变量工之间的关系，以及它们与各环境条件之 间的关系，x ，值的上限或下限约束等，汇合在一起构成优化模型。这种数学模型可以是 定量的，有些时候也可以是定性的。数学模型可以由过程的内在机理导出，也可以由输 入输出数据导出，前者是解析的，后者是经验的或半经验的。将系统工程学的思想与 优化方法应用于生产过程，对生产过程进行优化，使生产过程处于人们所希望的最佳运 行状态，这就是生产过程优化。 2 2 过程优化的基本概念 系统工程学是以系统为对象的一门跨学科的边缘科学。它是根据总体协调的 需要，把自然科学和社会科学中的某些思想、理论、方法、策略和手段等从横的方 面有效地组织起来应用于人类实践中，是应用现代数学和电子计算机等工具对系统 的构成要素、组织结构、信息交换和自动控制等功能进行分析研究，而达到最优设 计、最优控制和最优管理的目标，是为更加合理地研制和运用系统而采取的各种组 织管理技术的总称。 本世纪6 0 年代，随着各项工程技术和运筹学、控制论及计算机技术等的发展， 系统工程的方法开始引入过程系统，为最优化技术的迅速发展提供了理论和手段上 的基础条件，形成一个重要学科分支一一过程系统工程，其研究目标瓤中心内容就 是使整个过程系统最优化，即过程优化。过程优化作为系统工程学科中的一个重要分 支，主要是把最优化技术应用于过程系统，研究过程系统在给定的约束条件下，使 其性能指标达到最优的方法。生产装置经过多年运行，其原料品种和对产品的要求， 都会有不同程度的变化。因此，在不修改工艺流程、不增加生产设备的情况下，仅通过 沈阳化工学院硕士学位论文第二章模拟与优化综述 调整操作参数，就可使整个生产过程处于最佳运行状态。最优操作参数一般指关键控制 系统的设定值。在连续生产过程的控制管理决策一体化即u m s 体系结构中，过 程优化位于监控优化层。其上是以生产经营、调度信息集成为中心的经营决策层与计划 调度层，其下是以生产过程信息集成为中心的集散控制系统。作为中间环节，监控优化 层担负着“承上启下”的作用，它将决策、调度信息转化为生产过程信息，以使装置按 照某种经济指标要求运行在最优生产工况下。 在工业过程中，有可能实现优化的内容很多，评价函数总与经济效益密切相关。生 产过程优化广义的理解主要是指运行中的优化，此时工艺流程、设备类型和尺寸都已基 本确定，只有操作条件可以变动，它们就是生产过程优化命题中的运行变量：当环境条 件发生变化时，运行变量值需要及时作相应的调整。生产过程优化也可能人工进行。知 识和经验丰富的高手可能有能力完成优化任务。但由于被优化过程的高度复杂性，而且 优化需要实时地持续的进行，此时人工就很难完成了，应用电子计算机来实现在线优化 成为现在优化的主流。生产过程优化能带来显著的经济效益，理论分析和现场明应用都 有力的证实了这一点。优化是一种不需要增加设备投资的“软件”手段。按照广义的理 解，生产过程优化可在下面三个方面进行优化：