合成氨工艺概述初稿.doc

云南广播电视大学云南国防工业职业技术学院毕业论文说明书作 者王艺姣学 号20091108224学院化学工程学院专 业应用化工技术题 目合成氨工艺概述讲师张正惠指导者： 评阅者： 20112年7月11合成氨工艺概述摘要：合成氨工业诞生于本世纪初，其规模不断向大型化方向发展。德国化学家哈伯1909年提出了工业氨合成方法，即“循环法”，这是目前工业普遍采用的直接合成法。合成氨反应式如下：N2+3H22NH3合成氨指由氮和氢在高温高压和催化剂存在下直接合成的氨。别名：氨气。分子 式NH3英文名：syntheticammonia。世界上的氨除少量从焦炉气中回收副产 外，绝大部分是合成的氨。合成氨主要用作化肥、冷冻剂和化工原料。氨是化学工业中产量最大的产品之一，是化肥工业和其他化工产品的主要原料现约有80的氨用于制造化学肥料，除氨本身可用作化肥外，可以加工成各种氮肥和含氮复合肥料，如尿素、硫酸铵、磷酸铵、氯化铵、硝酸铵等。可以生产硝酸、纯碱、含氮无机盐等。氨还被广泛用于有机化工、制药工业、 化纤和塑料工业以及国防工业中。因此，氨在国民经济中占有重要地位。关键字：合成氨 工艺流程 氮肥 原料气目录一引言.4 (一)工艺流程概括.5 (二)氨合成.5 1氨合成概述.6 2原料气的制备.7 3脱硫工段.8 3.1基本原理.8 3.2加氢转化.8 3.3氧化锌脱硫.8 3.4甲烷化处理.9 3.5主要设备特点.9 4碳化工段.10 4.1碳化工段的基本流程及特点.10 4.2碳化工段流程图.11 4.3碳化设备的主要特点.12 5净化合成气的压缩与氨的合成.13 6碳化工艺.13 6.1基本原理.14 6.2工艺流程图.14 6.3工艺流程.14 6.4干法脱碳简介.15 6.5主要设备特点.16 7合成氨工艺.16 7.1氨的主要特点.17 7.2合成氨的工艺流程.17 7.3合成氨的工艺流程图.17 7.4合成氨的工艺条件.18 7.5氨的净化与输送. 19 7.6主要设备特点.20 8节能措施.23 9世界合成氨工业近期进展及前景展望.2410参考文献.241引言氨是一种无色气体，有强烈的刺激气味。极易溶于水，常温常压下1体积水可溶解700倍体积氨。氨对地球上的生物相当重要，它是所有食物和肥料的重要成分。氨也是所有药物直接或间接的组成。氨有很广泛的用途，同时它还具有腐蚀性等危险性质。由于氨有广泛的用途，氨是世界上产量最多的无机化合物之一，多于八成的氨被用于制作化肥。由于氨可以提供孤对电子，所以它也是一种路易斯碱。20世纪初，工业上开发了氰化法和合成氨法生产氨，前者因能耗远大于后者而被淘汰。目前,世界上的氨,除从焦炉气中回收一些外，绝大部分是在高压、高温和催化剂存在下由氮气和氢气合成制得。氮气主要来源于空气；氢气主要来 于含氢和一氧化碳的合成气。由氮气和氢气组成的混合气即为合成氨原料气。从燃料化工来的原料气含有硫化合物和碳的氧化物，它们对于合成氨的催化剂是有毒物质，在氨合成前要经过净化处理。德国化学家哈伯1909年提出了工业氨合成方法，即“循环法”，这是目前工业普遍采用的直接合成法。反应过程中为解决氢气和氮气合成转化率低的问题，将氨产品从合成反应后的气体中分离出来，未反应气和新鲜氢氮气混合重新参与合成反应。合成氨反应式如下：N2+3H22NH3（工艺概括） 尽管氨合成工艺流程各异，但合成基本原理相同，故有许多相同之处。由于氨合成率不高，大量氢气、氨气未反应，需循环使用，故氨合成是带循环的系统。氨合成的平衡氨含量取决于反应温度、压力、氢氨比及惰性气体含量，当这些条件一定时，平衡氨含量就是一个定值，不论进口气体中有无氨存在，出口气体中氨含量总是一定值。因此反应后的气体必须冷凝以分离所含的氨，使循环回合成塔入口的混合气体中氨含量尽量少，以提高氨净值。 当循环系统惰性气体积累达到一定浓度值时，会降低合成率和平衡氨含量。因此，应定期或连续排放定量的循环气，使惰性气体含量保持在要求的范围内。 氨合成系统是在高压下进行的，必须用压缩机加压。管道、设备及合成塔床层压力降以及氨冷凝等阻力的原因，使循环气与合成塔进口气间产生压力差，需采用循环压缩机弥补压力降的损失。 此外，还有反应气体的预热和反应后气体热能的回收等。工艺流程是上述步骤的合理组合，下图是氨合成的原则工艺流程。合理确定循环机、新鲜气体的补入及惰性气体排放位置以及氨分离的冷凝级数、冷热交换器的安排和热能回收方式，是流程组织与设计的关键。五 实习内容 （一）氨合成1合成氨概述合成氨工业诞生于本世纪初，其规模不断向大型化方向发展，目前大型氨厂的产量占世界合成氨总产量的80%以上。氨是重要的无机化工产品之一，在国民经济中占有重要地位。除液氨可直接作为肥料外，农业上使用的氮肥，例如尿素、硝酸铵、磷酸铵、氯化铵以及各种含氮复合肥，都是以氨为原料的。合成氨是大宗化工产品之一，世界每年合成氨产量已达到1亿吨以上，其中约有80%的氨用来生产化学肥料，20%作为其它化工产品的原料。德国化学家哈伯1909年提出了工业氨合成方法，即“循环法”，这是目前工业普遍采用的直接合成法。反应过程中为解决氢气和氮气合成转化率低的问题，将氨产品从合成反应后的气体中分离出来，未反应气和新鲜氢氮气混合重新参与合成反应。合成氨反应式如下：N2+3H22NH3合成氨的主要原料可分为固体原料、液体原料和气体原料。经过近百年的发展，合成氨技术趋于成熟，形成了一大批各有特色的工艺流程，但都是由三个基本部分组成，即原料气制备过程、净化过程以及氨合成过程。现代大型合成氨厂大多数以天然气为原料，生产过程中，天然气经脱硫、转化及变换等工序，制得合成氨的粗原料气，它的主要成分为H2,N2,CO2。粗原料气经净化（包括脱碳和甲烷化工序），制得合成氨所需的H2,N2混合气体。H2、N2混合气体经压缩后送入合成工序合成制得氨，后由冷冻工序提供冷源值得分离产品氨。上述工艺过程大致可分为制气、净化和合成三个部分。此外还有一套完整的蒸汽动力系统穿插于各个工序内。其基本流程图如下：2原料气的制备：以天然气为原料和燃料，在铁锰脱硫剂和氧化锌脱硫剂的作用下，将天然气中的无机硫和有机硫脱除到0.5ppm以下，配入一定量的水蒸汽和空气分别在一、二段转化触媒和一定温度条件下将甲烷转化为氢气，制取合成氨所需的氢气和氮气，在一定的温度和变换触媒的催化作用下，使CO变换成CO2和H2，为尿素车间提供富余的中间蒸汽，同时净化碳化气体中残余的CO2和CO，为后工段输出合格的原料气和净化气（其中CO和CO2的含量25ppm）。由界区外供给合成氨装置用作原料和燃料的天然气，其压力为3.5kg/cm2G。把天然气引入进料分离罐144-F中，把天然气夹带的液态烃分离掉，后气流流经过滤器102-LA或102-LB，除去悬浮的固体杂质，从过滤器出来的天然气分成两股，一股作为转化炉的原料天然气，另一股作为合成氨装置的燃料天然气。经计量的原料天然气在原料气压缩机102-J的一段缸中压缩后，与一股来自合成气压缩机吸入罐104-F的富氢合成气循环气混合。3脱硫工段：3.1基本原理从原料气压缩机一段缸出来的天然气在压缩机段间冷却器137-C与冷却水进行换热。从原料气压缩机出口出来的混合气进入一段转化炉101-B的对流段，被预热约399,接着进入加氢器102D，在加氢器中有机硫化合物被氢化，生成硫化氢。在加氢器中，基本上所有的有机硫都变成硫化氢。接着气体再进入氧化锌脱硫槽108-DA/DB,每一个脱硫槽内装有21的条状氧化锌脱硫剂，气体中的硫化氢与氧化锌反应而被氧化锌所吸附。脱硫的最好方法是在过量氢气存在的情况下，将这硫化物催化转化成硫化氢然后再使硫化氢与氧化锌反应达到脱除的目的。以焦炉煤气为原料,压缩至2.1 MPa后进入精脱硫装置,将气体中的总硫脱至0.1 ppm以下.焦炉气中甲烷含量达22.4,采用纯氧催化部分氧化转化工艺,将气体中甲烷及少量多碳烃转化为合成甲醇用的一氧化碳和氢;经压缩进入甲醇合成装置.甲醇合成采用5.3 MPa低压合成技术,精馏采用3塔流程3.2加氢转化天然气加氢转化处理就是在有钴、钼催化剂尊在的条件下，与加入的氢气进行转化反应，主要化学反应如下：3.3氧化锌脱硫这种方法用氧化锌做脱硫剂，在一定条件下，它能迅速脱硫，由于氧化锌脱硫剂使用后不能用简单方法再生，因此只运用于低浓度硫的脱除，并作为最后一级脱硫。主要化学反应如下：脱硫后的原料气在镍催化剂作用下进行反应以制取合成氨所用的原料气。主要反应式如下：转化工序分为两段进行，在一段转化炉里，烃类和水蒸气在反应管内的镍触媒上反应，由管外供给热量。出口气体残余甲烷浓度约为813%，一段氧化后的气体进入二段转化炉，在那里加入空气燃烧放热，又继续进行转化反应。二段炉出口温度在810870之间，经二段转化后可使粗原料气达到反应标准。氢氮比（分子比）：2.83.1 残余甲烷（干基）：0.30.6%转化气中的H2与空气中的O2发生燃烧反应：H2 + 1/2O2 = H2O + 241.16KJ在二段炉内除氢气外一氧化碳和甲烷也能燃烧，但H2燃烧反应的速度比其它可燃气体快34倍，所以在二段炉内催化剂上部的非催化剂空间里，首先是空气中的氧与一段转化气中的氢气进行燃烧，故大量的热用于转化气中的残余甲烷的继续转化34甲烷化处理出二段炉原料气中含有大量的CO，变换工序就是使CO在催化剂的作用下与水蒸气反应生成CO2和H2.既除去对后段工序有害的CO，又能制得尿素原料之一的CO2。反应式为：CO + H2O(g) CO2 + H2 + 9.8KJ/mol这是一个等体积、可逆、放热反应，降低温度和提高蒸汽浓度均有利于变换反应的进行。催化剂是铁铬系催化剂，还原后具有催化活性的是Fe3O4，低变采用铜锌系催化剂，还原后具有活性的是Cu。中变在360380，在催化剂的作用下，反应速度很快，中变炉出口CO3.0%，然后通过换热降温到180左右，在低变催化剂的作用下，工艺中的CO含量进一步降到0.3%，以满足甲烷化对CO含量的要求。经过中、低变换和碳化、脱碳的气体尚含有少量的CO2和CO，这些气体会使合成氨触媒中毒丧失活性，所以在送往合成前必须对原料气作进一步净化处理。即将碳化气中残余的CO2和CO与原料气中的H2，在一定温度和镍触媒催化作用下反应生成对合成氨无害的气体甲烷。以上反应有以下特点：1、反应是强放热反应，每0.1%CO、CO2、O2（体积含量）所造成的温升分别为：CO7.4，CO26.1，O216.5；2、反应是体积缩小的反应，因此，提高压力向正方向进行3.5主要设备特点（1）脱硫槽玉龙化工厂使用中石油提供的天然气，四川地区的天然气含硫量比较高，合成氨原料气中的硫化物主要以硫化氢的形式存在，含量其次的是COS、CS2和有机硫化物等。因为硫能使合成氨的铁基催化剂及变换和甲烷化的催化剂中毒，因而需要在变换和甲烷化工序之前设置脱硫工序将之除去。玉龙化工厂采用了氧化锌，氧化锰及加氢来脱硫。混合气体在有氢气的条件下在加氢转化器中转化为无机硫，加氢转化器直径约为2m，全高约14米，催化剂分为两层，每层高4m。下层的下边和上层的上边各铺一层氧化铝球作为过滤和分布气流之用。所有的无机硫在脱硫槽中与氧化锌脱硫剂反应生成硫化锌被除去。氧化锌脱硫槽是立式圆筒形容器，脱硫剂分为两层，上下都有氧化铝球层，槽上部设有气体分布器，下部有集气器。有机硫转化为无机硫时温度一般控制在340-400；一般氢气与有机硫化物摩尔比为250：1-1000：1；压力一般为0.6-3.8Mpa；空间速度一般选用空速范围为500-1500h-1.无机脱硫时升温对脱硫有利，但不能太高，温度一般控制在小于400；汽/气比应该小于0.3；较低空速，400h-1。（2）甲烷化装置甲烷化炉为圆筒形立式设备，由于甲烷化炉内气体氢的分压较高，而且有时会发生超温事故，故壳体采用低合金钢制成。催化剂上下层都有氧化铝球层和钢丝网，以免气体将催化剂层吹翻，同时增大阻力利于气体分布。为防止催化剂过热，准确掌握催化剂的温度变化，在催化剂层不同平面设有热电偶温度计套管。（3）方箱炉玉龙化工厂是中小型化工厂，所以转化炉和大型化工厂的转化炉有所不同，为双一段转化炉。一段转化炉分为方箱炉和换转炉。方箱炉内有56根转化管，在底部变径后引出。因为方箱炉内温度很高，在停产时容易产生热胀冷缩，为了防止热胀冷缩带来的危害，变径后的转化管做成弯形并悬挂与方箱炉下方。方箱炉通过燃烧天然气进行加热，加热后的废气进入换热设备放出余热对进入反应器的气体和软水预热，温度下降达到放空条件后放空。经过脱硫后的反应气60%进入方箱炉40%进入换转炉。换转炉利用二段出口高温气体余热（夹套加热）进行加热。换转炉结构特点是炉拱填装镍触媒，在拱与触媒之间摆有耐火球，炉拱，篦子板和耐火球是为支撑触媒和是气体能在触媒层均匀分布而设计的。触媒层有热电偶测温点三个（上层两个，下层一个），下部有压力表管一个。二段转化炉的壳层为耐火砖，中间无有管道。4碳化工段4.1碳化工段的基本流程及特点有造气车间转化岗位中低变工序送来的（压力0.85MPa，CO2含量为17%）低变气从碳化主塔底部进入塔内，气体由下而上与塔顶加入的副塔液逆流鼓泡吸收大部分CO2，含CO25%10%的尾气从塔顶导出，经碳化副塔底部进入塔内，与塔顶加入的浓氨水进一步逆流吸收，使CO2含量降至1.6%，尾气由塔顶导出，有固定副塔底部进入塔内，与塔顶加入的浓氨水或回收塔稀氨水进一步逆流吸收，使CO2降至小于等于0.4%，NH320g/m3气体从尾气管导出再从回收段底部进入回收清洗塔，与由清洗塔顶部加入或回收塔加入的软水再次逆流吸收，去除气体中所含的NH3和CO2使CO2含量0.2g/m3气体由清洗塔顶部尾气管导出，经汽水分离器出去后，然后送压缩机三段压缩。由吸收送来的浓氨水经加压至1.01.2Mpa,由副塔顶部加入塔内，与碳化主塔出口气中的CO2反应生成碳酸铵溶液，再用泵从塔底抽出，加压至1.41.6Mpa, 由碳化主塔顶部加入塔内，进一步吸收变换气中的而生成碳酸氢铵悬浮液，由塔底部取出送稠厚器供离心机分离。由于反应时放出大量热量，碳化塔内设冷水箱，用河泵送来压力为0.05-0.10Mpa的冷水控制碳化温度。由软水岗位送来的0.7-1.2Mpa软水，由顶部加入清洗塔内，清洗塔气体中的氨后，经回收塔顶部与清洗塔底部的溢流管由回收塔顶部进入回收塔内。清洗回收固定副塔出口气中的NH3和CO2后，生成的稀氨水一部分由回收塔底部抽出，加压至0.81.2Mpa，由固定副塔顶部加入塔内吸收副塔出气中的NH3和CO2后，稀氨水压往吸收。回收清洗塔另一部分稀氨水加压至0.80.9Mpa，送往洗氨塔吸收合成驰放气中的氨后，通过自动气动薄膜阀，压往吸收母液贮槽或稀氨水贮槽。在碳化工段中，主塔与副塔是相对的。因为在工作8小时后，主塔与副塔要对换一次，在主塔中，有大量的碳氨晶粒存在，容易在主塔壁上沉淀下来，时间过长后，容易造成堵塞。而在副塔中，有浓氨水喷入，因而对换后，主塔变为副塔，在其中由浓氨水，可以清洗壁上的沉淀。主塔和副塔结构上是一样的没有什么区别4.2碳化工段流程图4.3碳化主要设备特点（1）碳化塔 碳化塔是碳化工段最主要的设备。工作原理是伴有化学反应的吸收过程，在塔内氨水吸收变换气中二氧化碳生成碳酸氢铵氮肥。冷却系统采用小水箱结构，拆装容易，便于清理堵管和换管；设备具有操作方便、控制容易、运行稳定的优点。目前加压碳化系统所采用的均为钢制。碳化塔顶部温度30左右，一般30-35较好，因为此温度下，能加速反应和吸收，减少晶核生成。下部温度20-28较好：利于碳化反应的平衡；提高氨转化率；利于结晶析出，提高产品的产量、质量；得到的碳化母液碳化度低，利于循环使用。（2）回收清洗塔 大多数厂的回收清洗塔均采用泡罩塔，泡罩塔将塔分成若干层，每层塔板保持不同的浓度(不像碳化塔会纵向返混)。因而，可以用少量软水连续操作，自上至下，氨水渐浓，既有利于氨的吸收又可以保证原料气中二氧化碳含量合格。同时泡罩塔操作弹性大(最大允许操作气速与最小允许操作气速之比称为操作弹性)，特别在低负荷下操作时，泡罩塔也能保持较高的塔板效率。达两点都很适合于碳化工段氨的回收。（3）稠厚器 主要起中间贮槽的作用。它解决碳化塔取出与离心机分离之间的不平衡而起缓冲作用。上部为圆筒形，下部为圆锥形。稠厚器顶部有碳酸氢铵悬浮液入口。筒体侧面上部有溢流口。圆锥体下部有悬浮液出口与离心机连接。 （4）离心机 利用离心力分离固体和液体或液体和液体的机械。主要部分是一可以旋转的圆筒，叫“转鼓”。置物料于鼓内，使鼓高速旋转，所产生的离心力将比重不同的物质分离。玉龙化工厂使用的应该是壁上无空的转鼓，操作时固体被甩出而附于内壁，液体则由中央导管连续排出。离心机转速越高，分离效果也越好。综上表述为天然气合成与净化的大致工序，概括如下：由天然气制备粗合成气分四个主要步骤：1， 原料天然气脱硫2， 脱硫后的天然气在一段转化炉中进行烃类的部分转化3， 二段转化炉内的转化。向二段转化炉内引入足量的空气以提供氨合成所需化学计量的氨，并降低二段转化炉出口气中甲烷的含量4， 在变换炉内，转化气中的一氧化碳与蒸汽反应生成二氧化碳，同时产生当量的氢气一段转化炉炉顶在炉管管排之间装有顶部燃烧烧嘴，火焰向下喷射，使工艺火在炉管出口处的温度达到803。炉管出口设有集气管，集气管位于一段转化炉的辐射段。工艺火在上升管内温度继续升高，出一段转化炉的工艺火温度约为820、压力为34.5kg/cm2G。二段转化炉燃烧所需工艺空气由离心式空压机101-J提供。空压机由燃气透平101-JGT驱动，把燃气透平约477的热排放气送至一段转化炉辐射段用作燃料空气，提供一段转化炉辐射段所需燃烧空气量的65%左右。从低温变换炉出来的工艺气的温度大约为231、压力为31.9kg/cm2G，在低变给水预热器131-G中加热锅炉给水，然后在再生塔喷射蒸汽发生器111-C中产生低压蒸汽用于二氧化碳再生塔喷射器，接着在再沸器105-C中再沸苯菲尔溶液，在热交换器106-C中预热低压锅炉给水，最后工艺气被冷却至81。经冷却的工艺气在分离器的中下将上述热交换器内冷凝出来的冷凝液从工艺气中分离掉。天然气的净化工序中，对粗合成气进行处理，除去其中的二氧化碳和一氧化碳，生产出高纯度的富氢/氮合成气。采用改良苯菲尔脱碳工艺技术，该工艺技术带半贫液四级闪蒸，从而使外部供热减至最少。用甲烷化法脱除合成气中残余额二氧化碳和一氧化碳，在甲烷化炉中，碳的氧化物在催化床上与氢反应转化成甲烷和水。5净化合成气的压缩与氨的合成：净化后的合成气中含有氢气和氨气，在大约29.9kg/cm2G的压力和37的温度下送至合成气压缩机103-J的进口。此合成气压缩机是一蒸汽透平驱动的二缸，段间冷却离心式压缩机，二段缸内有一分隔开的循环叶轮。经一段缸压缩后的合成气在段间冷却器116-C中被冷却水冷却，然后在段间氨冷器129-C中被氨冷降温，氨冷后的合成气补充气中冷凝下来的水，在段间分离罐105-F中分离出去，分离器顶部设有一根管线可以把气体回流至压缩机一段缸。分离器底有一根管线可以把合成气中分离出来的水返回至合成气压缩机进口罐104-F，以调节其液位。用段间冷却器和氨冷器冷却去压缩机二段缸的气体，以获得最佳的体积效率，并保证去压缩机的气体不带水，除水步骤能延长合成塔内催化剂的使用寿命，并能获得高纯度的产品氨。6脱碳工艺：6.1基本原理 MDEA(N-Methyldiethanolamine) 即N-甲基二乙醇胺，分子式为：分子量119.2，沸点246-248，闪点260，凝固点-21，汽化潜热519.16KJ/Kg，能与水和醇混溶，微溶于醚。在一定条件下，对二氧化碳等酸性气体有很强的吸收能力，而且反应热小，解吸温度低,化学性质稳定,无毒不降解。纯MDEA溶液与CO2不发生反应，但其水溶液与CO2可按下式反应： 式受液膜控制，反应速率极慢，式则为瞬间可逆反应，因此式为MDEA吸收CO2的控制步骤，为加快吸收速率，在MDEA溶液中加入1%-5%的活化剂DEA（）后，反应按下式进行：+：由式-可知，活化剂吸收了CO2，向液相传递CO2，大大加快了反应速度，而MDEA又被再生。6.2工艺流程图6.3工艺流程变换气经过三段加压到1.8Mpa，温度小于40，由进口阀导入，经变换气分离器分离油水后进入吸收塔低部。在塔内与半贫液，贫液逆流接触，被吸收CO2后，由塔顶引出。出塔顶的气体被净化器冷却器冷却，再经净化器分离器分离出水分，温度小于40，气体中CO20.2%，经净化器出口阀到甲烷化工序。 吸收塔内吸收CO2的MDEA溶液称为富液，温度约80、1.8Mpa，经减压阀减压到0.4Mpa，经过富液预热器预热后进入常压解析塔的顶部，解析出CO2后从塔底出来的被称为半贫液，约2/3的半贫液到半贫液冷却器降温后经过泵加压到2.2Mpa进入吸收塔中部吸收CO2，约1/3的半贫液被常压泵加压到0.6Mpa，经调节阀进入溶液过滤器。过滤完机械杂质后流入溶液换热器管内，出溶液换热器（94）进入气提塔上部，解析出部分CO2后溶液从中部出来流入溶液再沸器，在蒸汽作用下，出再沸器温度升高到113的气液混合物，再次进入气提塔下部，溶液中CO2几乎全部解析，从气提塔底部出来的溶液被称为贫液，温度为113进入溶液换热器管间与半贫液换热，降温到93进入贫液冷却器管间，被水冷却后的贫液控制在60，由贫液泵加压到2.4Mpa经调节阀送到吸收塔顶部吸收CO2。从气提塔顶部出来的102压力0.05Mpa的在生气被称为汽提气，进入常压解析塔顶部，在常压解析塔与富液解析出来的气体一道从顶部出来，称为再生气。再生气进入再生气冷却塔后冷却后，在进入再生气分离器分离水分，分离后的再生气CO298%温度40压力5-10kpa，送入尿素生产车间做为尿素的原料。苯菲尔溶液吸CO2的化学反应活化钾碱溶液接化学反应吸收二氧化碳，二氧化碳经水合成碳酸，它再与一个碳酸根离子反应，生成重碳酸根离子，其反应式如下：苯菲尔系统具有的优点包括：提高反应速度，导致所需再生热耗量少采用无挥发性的洗涤介质；使氢损失大大减少；投资费用和操作费用低6.4干法脱碳简介在合成氨和尿素生产过程中，都需要除去大量的CO2组份，其脱碳过程均在变换工序后。经变换后的变换气，CO2含量通常在1835。脱除变换气中CO2的方法很多，从大类来分，可分为湿法和干法，湿法可根据吸收机理的不同，分为化学吸收法、物理吸收法和物理化学综合吸收法；干法即变压吸附(PSA)法。变压吸附法脱除变换气中CO2是利用吸附剂对CO2的吸附力很强，而对H2、N2、CO等的吸附力相对较弱的特性，压力状态下(一般为0.71.5MPa)吸附CO2以及吸附力更强的H2O、硫化物等杂质，在真空状态下脱附这些杂质，使CO2与H2、N2等组分得以有效的分离，同时使吸附剂获得再生。 PSA干法脱碳技术在1991年开始进入工业应用，由于其显著的优越性，目前已得到越来越广泛的应用。PSA干法脱碳技术主要有以下特点：（1）操作方便，流程简单，无设备腐蚀问题，能耗低，操作中不消耗蒸汽，装置运行费用低。（2）CH4在变换气中一般为0.70.9%，经PSA脱碳后CH4含量可降低到0.20.4%，使合成系统的弛放气大大减少。（3）以煤为原料的氨厂变换气中一般H2S约为50200mg/m3，有机硫为2050ppm，其主要组分为COS、CS2、硫醇、硫醚等，在经PSA脱碳后净化气中H2S含量可降至0.5mg/m3，有机硫除COS外可全部除去。（4）由于PSA技术对变换气净化度高（氢氮气中CO2含量0.2%），可采用甲烷化代替铜洗，节省蒸汽和冷冻量消耗，免除铜洗液污染环境。由于气体净化度高，硫化物、NH3等杂质均为ppm级，使有联醇工序的合成氨厂甲醇质量大大提高，且将延长甲醇催化剂使用寿命。 针对合成氨生产厂家的不同需要，在脱碳工序，变压吸附脱碳技术的用于主要有以下三种类型：1、用来替代碳化以增产液氨为目的的PSA脱碳工艺。2、配甲醇生产的PSA脱碳工艺。3、同时制取脱碳净化气和纯度为98以上气体CO2的工艺。玉龙化工厂主要是用来替代碳化以增产液氨为目的的PSA脱碳工艺。PSA装置分为提纯系统和净化系统。整个工艺流程简述如下，由造气车间送来的半水煤气经过湿法脱硫，加压后进入中低变系统，变换气组成：CO2 28.7%、CO 0.2%、H2 50.4%、CH2 1.1%、N2 19.6%。变换气送PSA提纯系提纯产品CO2纯度为98%，中间气经压缩后去脱除CO2，便净化气中CO20.2%，净化气加压后去铜洗，然后再加压去氨合成。纯CO2经压缩后去脱除，再压缩后去尿素生产。6.5主要设备特点（1）吸收塔吸收塔是加压吸收设备。由于采用两段吸收，进入上塔的溶液量仅为整个溶液量的四分之一到五分之一，同时气体中大部分二氧化碳又都在塔下部被吸收掉，因此全塔分成上下两段：上塔直径较小而下塔直径较大。整个塔内装有填料。为了使溶液均匀的润湿填料表面，除了在填料层上部装有液体分布器以外，上下塔的填料又多分成两层，每层中间没有液体再分布器。每层填料都置于支撑板上，支撑板是特殊设计的，称为气体喷射式支撑板。支撑板里波纹状，上面开有长条圆形孔，其截面积可与塔的截面积相当，气体由波形上面和侧而的小孔进入填料而液体由波形下部的小孔流出。这样，气液分布均匀，不易液泛，面且刚性较好，承重量大。 在下塔底部的存液段中设有消泡器，以消除由填料层流出的液体中所形成的泡沫。为了防止溶液产生旋涡将气体带到再生塔内，在吸收塔下部富液出口管上装有破旋涡装置。（2）解析塔解析塔的结构和吸收塔的结构差不多，也分为两段也是填料塔。但是他的塔身上下一样大。而且是个常压设备没有其他的吸收的的要求高。而且是从塔的下面进液，上面出塔是解析后的CO2气体。6.6工艺操作技术指标进系统变换气压力 1.8MPa 出系统净化气温度 40 出系统净化气CO2 0.05%0.15% 再生气压力 4-10kpa 出系统再生气温度 35 出系统再生气CO2 98% 进吸收塔半贫液温度 802 半贫液含CO2 15-25L/L(V) 进吸收塔贫液温度 64-70 贫液CO2 1.5-3.0 L/L(V) 出再沸器溶液温度 106-1107合成氨工艺7.1氨的主要特点氨在标准状态下是无色气体，比空气密度小，具有刺激性气味。会灼伤皮肤、眼睛，刺激呼吸器官粘膜。空气个氨质量分数在0.5-1.0%时，就能使人在几分钟内窒息。 氨的相对分子质量为17.3沸点(0.1013MPa)-33.5C冰点一777C,临界温度132.4C，临界压力ll28MPa液氨的密度0.1013MPa、-334C为0.6813kg?L。标准状态下气氨的密度771410E4kg-L摩尔体积2208L?mol-1液氨挥发性很强。气化热较大。氨基易挥发，可生产含氨15%30%(质量)的商品氨水，氨溶解时放出大量的热。氨水溶液呈弱碱性，易挥发。液氨和干燥的气氨对大部分材料没有腐蚀性，但是在有水存在的条件下。对铜、银、锌等金属有腐蚀性。 氨是一种可燃性物质，自然点为630C，一般较难点燃。氨与空气或氧的混合物在一定范围内能够发生爆炸，常压，室温下的爆炸范围分别为15.5%28%和13.5%82%氨的化学性质较活泼，能与碱反应生成盐。 7.2合成氨工艺的流程1、分流进塔：反应气分成两部分进塔，一部分经塔外换热器预热，依次进入塔内换热管、中心管，送到催化剂第一床层，另一部分经环隙直接进入冷管束，两部分气体在菱形分布器内汇合，继续反应，这样使低温未反应气直接竟如冷管束，稍加热后，作为一、二段间的冷激气，从而减少冷管面积和占用空间，提高了催化剂筐的有效容积，并强化了床层温度的可调性。同时仅有6570%的冷气进入塔内换热器和中心管，减轻了换热器负荷，因而减少了换热面积，相对增加了有效的高压容积，也使出塔反应气温度提高（310340），即回收热品位提高。气体分流进塔还使塔阻力和系统阻力比传流程小。2、进塔外换热器的冷气不经环隙，这样温度更低，使进水冷器的合成气温度更低（约75左右），提高了合成反应热的利用率，降低了水冷器的负荷和冷却水的消耗。3、水冷后的合成气直接进入冷交管间，由上而下边冷凝边分离，液氨在重力和离心力的作用下分离，既提高了分离效果，又减小了阻力。4、塔后放空置于水冷、冷交后，气体经连续冷却，冷凝量多，因此气体中氨含量低，惰气含量高，故放空量少，降低了原料气消耗。5、塔前补压：循环机设于冷交之后，气体直接进塔，使合成反应处于系统压力最高点，有利于反应，同时循环机压缩的温升不消耗冷量，降低了冷冻能耗。6、设备选用结构合理，使消耗低，运行平稳，检修量减少，工艺趋于完善。7、选用先进的自控手段，如两级放氨，氨冷加氨，废锅加水，系统近路的控制，均用了DCS计算机集散系统自动化控制，冷交、氨分用液位检测采用国内近几年问世的电容式液位传感器等新技术使操作更加灵活、平稳、可靠，降低了操作强度。7.3合成氨工艺流程图74氨合成工艺条件（1）温度：合成塔壁 150进塔主气流 175-185分流气出塔 150-160零米 360-380一段热点 460-470二段进口 400-430废锅进口 310-340废锅出口 190-200水冷进口 75水冷出口 30氨冷出口 05（2）压力：系统压力 31.4 Mpa输氨压力 1.9 Mpa放氨压力 2.55 Mpa氨蒸发压力 2.45 Mpa废锅蒸汽压力 1.3 Mpa总回收压力： 0.4-0.7 Mpa（3）气体成分：补充气CO+CO2 20PPm进塔H2/N2 2.0-2.8进塔CH4+Ar 20%进塔NH3%： 2.5% 7.5氨的净化和输送 由合成车间液氨仓库经液氨升压泵加压后的原料液氨，压力大于（表压），温度约20直接送入尿素生产车间27米楼面的液氨过滤器，进入液氨缓冲槽原料室。来自一段循环系统冷凝器回收的液氨，自氨冷凝器A、B流入液氨缓冲槽的回流室，其中一部分液氨正常为60%，作为一段吸收塔回流液氨用，而其余液氨经过液氨缓冲槽的中部溢流隔板，进入原料室与新鲜原料液氨混合后一起至高压氨泵，这样可使液氨保持较低的温度以减少高压氨泵进口氨气化。氨缓冲槽压力维持在左右，设置在高为23米平面上，是为了具有足够的压头，使液氨回流进入一段吸收塔，同时也为了保证高压氨泵所需要的吸入压头。氨缓冲槽原料室的液氨，进入高压氨泵（单动卧式三联柱塞泵、打液能力为每台，反复次数180次/分、电动机250KW、三台高压氨泵一台备用）将液氨加压7.6主要设备特点（1）合成塔进入合成塔的其他主要由两部分组成，一部分是占气体总量65%-70%的主反应气，从塔底进入位于塔内最底层的换热器和中心管进行加热，升温至360-370，进入第一催化剂床层反应，反应温度达到470-480，另外一部分为为热护气和冷护气的混合气体，约占总气体量的30%-35%，由下而上进入合成塔内件与壳层的环隙，从塔顶顶部进入催化剂层冷管束，被管外热气加热至250，上升至冷激分气盒进入催化剂第二床层。主反应气与热护气和冷护气的混合气体在第一反应床层混合后依次进入第二、第三床层反应。进入合成塔内件与壳层环隙的气体主要起保护作用：因为合成氨的反应条件为高温高压，而塔设备的材料决定了其只能在反应时承受高温或者高压，而不能同时承受高温高压，进入环隙的保护气在加压后压力和塔内的压力相当，避免了塔内件承受高压而只承受高温，同时气体处于低温状态可以吸收反应放出的热量，避免了塔的壳层承受高温而只承受高压。反应放出的热量对保护气加热也实现了能量的充分利用。（2）一段转化炉 一段转化炉为方格式炉子，整个炉子由辐射段、过渡段、对流段、出口烟道、引风机组成。辐射段是炉子的主体，里面设置完成转化过程的“竖琴” 系统，它由进口急风管、猪尾管、转化管、下集气管、上升管和输气总管组成、炉顶设烧嘴向下喷烧供热，对流段有多组换热器，用烟道气加热其他介质。 原料气脱硫后，则希望以比较经济的方法将原料气转化生成氢气。原料气蒸汽混合气与镍催化剂接触，同时提高温度和压力来促进此反应。该反应是一吸热反应，需要一段炉供给恒定的热量以维持适合一段转化反应的温度。在一段炉和二段炉中，催化剂促使两个同时发生的平衡反应，它们是蒸汽-甲烷反应： 但事实上不是这样的，二段炉出口气中含有大量的CO，大部分未变换的CO再变换中氧化成从而提高产氢率。一段转化炉炉管内装有环状或圆柱状的镍催化剂，各炉管内催化剂装填应均匀，从而保证其压降相等，使通过每根转化管的气体分配均匀。如果某根转化管的压降不正常，则可能会发生过热或转化不充分，造成操作不正常。 （3）二段转化炉二段转化炉为立式圆筒形反应器。受压主体为碳钢制圆筒壳，两端为锥形封头，由于内部温度高，在壳外部有水夹套，这样既可降低壳体温度，也可是壳体受热均匀。空气-蒸汽由混合器均匀喷出，工艺气则通过带孔的环形分布板，这样可保证空气-蒸汽和工艺气均匀混合燃烧。转化炉下部为带孔的耐火金刚玉砖拼成的球形承重拱。出一段炉的经部分转化的气体经过一段有水夹套的输送管线107-D，沿切线方向进入二段炉（103-D）的入口室，二段转化炉进口的温度大约830。一段转化后的气体仍含有较多的甲烷，为了进一步转化则需要更高的温度。这个任务在内热式二段炉里完成。在此加入空气，于是气体中的，同时气体中的、CO也可能燃烧，放出大量的热，温度可达1200-1250，因此，残余的继续转化。出口温度降到900-1000左右。进入二段转化的空气，也为合成提供了N2。（4）热交换器热交换器为管式换热器，进热交换器的冷气不经过合成塔的间隙，这样使温度更低，使进水冷器的合成气温度更低，提高了合成反应热利用，同时也降低了水冷器的负荷和冷却水的消耗。（5）循环机循环机设与冷交换热气之后，气体经循环机加压后直接进塔，使合成反应处于系统压力最高点，有利于反应。气体在设备中流动和反应都会使得整个体系的压力降低，循环机起到补充系统压力的作用7.6氨合成技术的发展近年来,氨合成工艺技术已取得长足进步。特别是市场经济体制的建立,各氮肥企业为了