30万吨年煤（焦炭）合成氨生产工艺.doc

四川理工学院课程设计 30万吨/年煤（焦炭）合成氨生产工艺学 生：孙明贤 学 号：07101010120 专 业：过程装备与控制工程 班 级：过控2007级2班指导教师：周 敏 四川理工学院机械工程学院二O一一年一月四 川 理 工 学 院课 程 设 计 设计题目： 30万吨/煤（焦炭）合成氨生产工艺学院： 机械工程学院 专业： 过程装备与控制工程 班级：07级2班学生： 孙明贤 指导教师： 周 敏 系主任: （签名）一、设计要求：1、根据设计题目，进行生产实际调研或查阅有关技术资料，选定合理的流程方案和设备类型，并进行简要论述。（字数不小于8000字）2、设计说明书内容：封面、目录、设计题目、概述与设计方案简介、工艺方案的选择与论证、工艺流程说明、专题论述、参考资料等。3、图纸要求：工艺流程图1张（图幅2号）；设备平面或立面布置图1张（图幅3号）。二、进度安排：教学内容学时地点备注查资料、说明书提纲、流程论证、工艺流程图第一周设计室设备布置图、说明书整理、答辩。第二周设计室三、指定参考文献与资料过程装备成套技术设计指南（兼用本课程设计指导书）、过程装备成套技术、 化工单元过程及设备课程设计摘 要氮是植物生长的第一需要，也是动物生存所必需的。氨肥能为植物生长提供所必需的氮元素。本设计为以煤（焦炭）为原材料，年产能力为30万吨合成氨生产工艺流程。原料气为半水煤气，采用常压固定床间歇制气法，合成氨的条件为高温、高压并需要添加催化剂。选择合适的工艺流程，做到合理利用材料，节约能源。关键词：煤（焦炭）;合成氨；半水煤气；固定床；工艺流程；设计目 录 摘要 1第1章 绪论 3 1.1 合成氨概述 3 11.1 合成氨的工业生产方法 3 11.2 合成氨生产工艺的特点 6第2章 工艺流程论证 7 2.1 原料气的制备 72.1.1 煤化气原理 72.1.2 对制气用煤的质量要求 82.1.3 间歇法制取半水煤气生产过程 9 2.2 一氧化碳的变换 122.2.1 影响一氧化碳变换率的主要因素 122.2.2 变换工艺 13 2.3 脱酸性气体 132.3.1 低温甲醇洗法脱硫 132.3.2 NHD脱硫脱碳 14 2.4 氨合成 152.4.1 氨合成反应的特点和催化剂 152.4.2 最佳工艺条件的选择 162.4.3 合成氨工艺流程 17第3章 典型机器和设备选型与论证 19参考文献 22致谢 23第1章 绪论1.1 合成氨概述氮是自然界里分布较广的一种元素。人们对农作物需要养分的研究发现，碳、氧、氢、氮、磷、钾六种元素是作物生长的主要养分，其中碳、氧、氢可由植物自身的光合作用或通过根部组织所吸收的水分获得，而氮元素则主要从土壤中吸收。因此可以说氮是植物生长的第一需要，从而也就成为动物生存所必需的。由此可见氮素对生命的重要性。空气中含氮量约为79%（体积分数）。但是，空气中的氮是呈游离状态存在的，不能供植物吸收。植物只能吸收化合物中固定状态的氮。因而必须把空气中游离的氮转变为氮的化合物。把空气中游离的氮转变为氮的化合物的过程在工业上成为固定氮。固定氮的方法很多，以氮和氢为原料合成氨，是目前世界上采用最广泛，也是最经济的一种方法。1.1.1 合成氨的工业生产方法1.合成氨的原料为了合成氨，必须有合乎要求的氮和氢的混合气，它可以由分别制得的氢和氮混合而成，也可以直接制得。 氮主要来源于空气。 氢气的主要来源是水、碳氢化合物（烃）中的氢元素和含氢的工业气体中的混合氢。制造氢气的原料可以分为下列几类： (1) 以固体燃料为原料，如焦炭、无烟煤、烟煤、褐煤等； (2)以气体烃为原料，如焦炉气、天然气、油田气、石油废气、有机合成废气、电解副产氢气等； (3)以液体烃为原料，如原油、轻油、重油等。2.合成氨原料气的生产方法 (1)用空气制氮时一般有下列两种方法： 化学法。在高温下，以固体燃料、液体烃或气体烃与空气作用，燃烧耗用其中的氧后，剩下的氮即可作为氮氢混合气中的氮。 物理法。将空气冷却至液化温度，使之液化，再利用氮气和氧气沸点的不同进行分离，制得高纯度的氮和氧。该法即为深度冷冻法。(2)从含氢化合物、含氢工业气体中制氢的方法有：固体燃料气化。水蒸气通过灼热的焦炭或煤，即被还原而生成主要含氢和CO的水煤气。如要制备合成氨用的氮、氢气，在水蒸气通过灼热的焦炭或煤的同时，加人空气或富氧空气，以制得主要组分为N2、H2、CO的半水煤气。而半水煤气中的CO再与水蒸气反应还可转化为等体积的氢，使半水煤气中H2含量得到提高。以含甲烷为主的气体烃制氢。如天然气一般含甲烷在90以上，焦炉气含甲烷在25以上、氢气在50以上，石油加工废气也含有大量氢或甲烷。利用水蒸气或氧将甲烷转化，或利用氧将甲烷不完全氧化等方法均可获得氢气。深度冷冻法分离焦炉气或石油加工废气制氢。焦炉气含氢约50，其他组分可经深冷使之冷凝、分离得以除去，最终获得气态氢。石油加工废气也可采用同样方法加以分离，从而获得气态氢 重油或原油与水蒸气和氧作用制氢。油的气化可制得氢气和一氧化碳为主要成分的混合气体，而混合气中CO再与水蒸气反应可转化为等体积的氢，使混合气中氢含量得到提高。其他方法如电解水制氢、铁水蒸气法等。除电解水以外，不论用什么原料制取的氢、氮原料气，都含有硫化物、一氧化碳、二氧化碳等杂质。这些杂质不但能腐蚀设备，而且能使氨合成催化剂中毒。因此，把氢、氮原料气送入合成塔之前，必须进行净化处理，除去各种杂质，获得纯净的氢、氮混合气。(3)生产工序不同的合成氨厂，生产工艺流程不完全相同。但是，无论哪种类型的合成氨厂，生产过程均包括几个主要生产工序：原料气制备工序 其任务是制备生成合成氨所需的氢、氮原料气。脱硫工序 用脱硫剂除去原料中的硫化物。 变换工序 利用一氧化碳与水蒸气作用，生成氢和二氧化碳的变换反应，除去原料气中大部分一氧化碳。脱碳工序 在变换工序之后原料气中含有较多的二氧化碳，其中既有原料气制备过程生成的，也有变换生成的。脱碳工序的任务是除去原料气中大部分二氧化碳。精制工序（少量一氧化碳及二氧化碳的脱除） 原料气经变换和脱碳后，除去了大部分一氧化碳和二氧化碳，但仍含有03%3%一氧化碳和0.1%0.3%二氧化碳。本工序的目的是除去原料中残余的一氧化碳和二氧化碳，得纯氢、氮混合气。压缩工序 首先将原料气压缩到净化所需要的压力，分别进行气体净化，得到纯净的混合气，然后将纯净混合气压缩到氨合成反应所需的压力。氨合成工序 在高温、高压和有催化剂的条件下，将氢氮气合成为氨。在合成氨厂，原料气的制备也称为造气；脱硫、变换、脱碳、少量一氧化碳及二氧化碳脱除四个工序称为原料气的净化。由于所有原料不同，原料气的制备和净化方法也是不同，因而生产合成氨的过程亦有差别。在合成氨过程中引入联醇生产时，原料气经脱硫、变换、脱碳处理后，进入联醇生产，醇后气再经精制、压缩，送入氨合成。3.合成氨生产的几种典型工艺流程目前工业上采用的不同原料制造合成氨的生产过程示意框图如图1-1图1-3所示图1-1 以固体燃料为原料合成氨的生产示意框图图1-2 以天然气为原料合成氨的生产示意框图图1-3 以油为原料合成氨的生产示意框图1.1.2 合成氨生产工艺的特点 (1)能量消耗高。合成氨工业是能耗较高的行业，由于原料品种、生产规模和技术先进程度的差异，吨氨能耗在2866 GJ之间。因此，当原料路线确定后，市场规模和所采用的先进技术营役总体生产节能为目标，即能耗是评价合成氨工艺先进性的重要指标之一。 (2)技术要求高。氨合成的反应式很简单，但实现工业生产过程却非常复杂。一方面由于制取粗原料气比较困难，另一方面原料气净化过程比较长，而且高温高压操作条件对氨合成设备要求也比较高。因此，合成氨工业是技术要求很高的系统工程。 (3)高度连续化。合产氨工业具有高度连续化大生产的特点，它要求原料供应充足连续，有比较高的自动控制水平和科学管理水平，确保长周期运行，以获得较高的市场效率和经济效益。(4)生产工艺典型。合成氨生产中既有气固相、气液相非催化反应，又有气固相、气液相催化反应过程，同时工艺中还包括了流体疏松、传热、传质、分离、冷冻等化工单元操作，是比较典型的化学工业过程。 第2章 工艺流程论证2.1原料气的制备自然界中有丰富的空气和水。可采用空气分离法制得氮气；电解水获得氢，但这种方法不经济。目前生产合成氨是以焦炭、无烟煤、烟煤、褐煤等固体燃料，或以原油、轻油、重油等液体烃，或以焦炉气、天然气、油田气、石油废气等气体烃为原料制取氢气，在制氢过程中直接加入空气来获得氮。 除电解水的方法以外，不管用什么原料制取的氮、氢原料气都会产生如硫化物、二氧化碳、一氧化碳等气体、必须将这类杂质彻底脱除，以防止在合成氨生产过程中的催化剂中毒。因此，合成氨原料气的制取过程一般可分为： 造气即制取含有氮、氢气的原料气。 净化即对原料气进行净化处理，脱除氮、氢气以外的有害杂质。这里重点介绍以固体煤为原料制取合成氨原料气的工艺过程原理。主要设备及净化技术。2.1.1煤气化原理固体煤在煤气发生炉中受热分解，释放出低分子量的碳氢化合物并使自身逐渐焦化，把这种焦化物近似地视为碳，碳与气化剂发生一系列的化学反应生成气体产物称为工业煤气。随着气化剂的不同则工业煤气又有如下几种。碳与含氧21(体积)、含氮79(体积)的空气 (气化剂)相互作用生成空气煤气；在1000赤热的碳层内碳与水蒸汽(气化剂)作用生成水煤气；与空气和适量蒸汽的混合气(气化剂)反应后生成混合煤气；用水蒸汽加适量空气或富氧空气作为气化剂，生成的气体成分为(CO十H2)N23.13.2(摩尔比)时，称为半水煤气。半水煤气是合成氨的原料气。工业煤气的组成如表2-1。表2-1 工业煤气组成煤气名称气体组成，体积%H2COCO2N2CH4。O2H2S。空气煤气0.933.40.664.40.5-水煤气50.037.36.55.50.30.20.2混合煤气11.027.56.055.00.30.2-半水煤气37.033.36.622.40.30.20.2。CH4含量随燃料及操作条件而变，H2S含量随燃料中硫量而变。合成氨工业制取半水煤气方法主要有固定层间歇气化法、固定层连续气化法、沸腾气化法及气流层气化法。我国以固体燃料为原料的合成氨厂大部分采用固定层间歇气化法。固定层间歇气化法制取半水煤气是将固体煤从炉顶以间歇方式加入煤气发生炉中，空气(或富氧空气)从炉底加入，自下而上通过燃料层，在燃料层内进行气化反应生成半水煤气。气化后的灰渣从炉底徘出。由固体煤组成的燃料层划分为干燥层、于馏层、气化层和灰渣层。气化层又划分为还原层和氧化层。如图21所示。由炉顶间歇加入的固体煤自上而下逐一向下移动时，在高温下发生一系列的物理化学变化。1干燥层 新补充的燃料煤与热煤气接触将夹带的水分蒸发。2干馏层 由于温度继续升高燃料煤在此受热分解，释放出低分子量的碳氢化合物，煤焦化变为炭。3气化层 气化层具有很高的温度，是煤气发生炉中气化煤的最主要的区域。空气通过气化层时，在氧化层内碳与氧作用生成二氧化碳与一氧化碳。4灰渣层 固体残渣在煤气发生炉的底部形成灰渣层，它一方面预热和均匀分布气化剂，另一方面起到对炉算的保护作用，以避免炉算过热发生过大的变形。灰渣最终从炉底诽出。2.1.2对制气用煤的质量要求2.1.2对制气用煤的质量要求1.煤的水分含量 在煤中存有三种状态的水：化合水，系煤中有机质经过热分解而产生的，不作为水分的影响因素；外在水分(又称湿存水)；内在水分(又称吸附水)，其量不仅直接影响到煤的热值和煤的实用价值，而且对气化操作也有一定影响。工业生产中，采用水当量的概念，若以W燃表示：单位时间内使一定数量物料的温度升高1C所需要的热量，它相当于水的公斤数，则W燃即表示煤的水当量，用W燃表示气体的水当量。若W气W燃1时，煤中所含水分为临界水分。为了保证正常的气化状态，要求煤中的水分含量应远远低于临界水分，否则气化指标将会受到严重影响。一般焦炭和无烟煤正常水分含量均在临界水分以下。遇暴雨或表面吸附水特别高时，气化指标就会恶化，必须采取措施加速放热过程，如提高气化剂的氧含量等。 2.对挥发分的要求 煤中所含挥发分的多少与煤的碳化程度有关。用含高挥发分的煤制取的半水煤气中甲烷含量很高，它即消耗动力又浪费了原料，并且降低炉子的生产能力。一般，煤的挥发分含量不允许超过6。 3.灰分二氧化硅、氧化铁、氧化铝、氧化钙和氧化镁等无机物质是煤中灰分的主要成分。这些物质的含量对灰熔点起到决定性影响。灰分含量过高时，会降低燃料的反应活性，降低热效率，甚至因灰分过多而引起炉子不易排渣。一般要求煤中灰分含量不得超过1520。 4.硫分含量在气化过程中煤中所含的硫有7080转化成含硫气体，其余3020转入灰渣中，进入灰渣的硫有降低灰渣溶点的作用。含硫化合物腐蚀金属，并且导致催化剂中毒。在合成氨生产中，根据流程的特点对含琉量有一定的要求。以上四点是对煤化学组分的要求，除此以外，还要求有足够的机械强度、热稳定性、低的粘结性和一定的粒度等2.1.3间歇法制取半水煤气生产过程1.工艺流程在半水煤气生产过程中，中型生产厂一般采用直径2.74m、3m和3.6m的煤气发生炉。为了提高热效率；均采用回收吹风气热量和上吹煤气显热的流程。从上吹开始送入空气至下一次再送入空气时止包括五个阶段，即：(1)吹风阶段，(2)上吹制气阶段，(3)下吹制气阶段，(4)二次上吹制气阶段，(5)空气吹净阶段，称为一个工作循环。半水煤气制取的工艺流程中，主要包括煤气发生炉，余热回收装置，煤气除尘装置，降温及储存设备，按装着两套管路系统轮流使用以分别进行吹风及制气作业，部分吹风气排空。一个工作循环的实施如图22所示，是通过自动控制机开启管路阀的程序进行的。可根据图22表中所列阀门的开与闭确定五个阶段作业时气体的流向。煤气护制取半水煤气的工艺流程如图23所示。燃料由煤气发生炉的顶部加入炉内，炉渣从炉底排出。吹风操作由风机送来压力为(1825)kPa的空气；从炉底收入煤气炉中，空气中的氧与碳燃烧生成含氮和二氧化碳、少量一氧化碳的混合气体，放出热量提高了燃料层温度。为了回收一氧化碳的反应热，将吹风气送入燃烧室，同时在燃烧室内加入二次空气。吹入气中学一氧化碳与二次空气在燃烧室内燃烧释放出的热量由燃烧室蓄热砖吸收，吹风气中的部分细尘同时在燃烧室锥底沉降。吹风气经过废热锅炉回收显热后由烟囱排至大气层。一次上吹制气操作 吹气后的燃烧层已具有很高的温度，蒸汽与来自鼓风机的加氮空气温合由炉底加入，经灰渣层预热后进入气化区与碳反应生成半水煤气。半水煤气自炉顶进入燃烧室(此时不加二次空气)和废热锅炉回收显热后，经洗气箱和洗气塔除尘降温后送入气柜。 制气阶段给蒸汽加入空气的目的主要是为了得到氮气，制取(H2十CO)N23.13.2的半水煤气，因此把由鼓风机送来的空气称之为加氮空气。下吹制气操作只进行上吹制气，由于气化剂温度较低且气化反应大量吸热，致使气化层底部温度显著下降，有造成熄火的可能。另一方面，气化层变薄后，燃料层上部温度不断被高温煤气加热，气化层上移，煤气炉上部温度升高，煤气带走的显热损失增加。因此，改变吹气方向即下吹制气是避免上述现象发生的有效方法。下吹制气操作是将混合的蒸汽与加氮空气送入燃气室内进行预热后，从煤气发生炉顶部送入燃料层至气化层。反应生成的半水煤气经过灰渣层，一部分热量被灰渣层吸收后从炉底排出，提高了热效率。半水煤气经洗气箱和洗涤塔除尘和降温后送入气柜。二次上吹制气操作 二次上吹制气操作过程与上吹制气操作过程相同。 由于在下吹制气操作完成后，燃料温度下降幅度很大，需要进行吹风操作加以提高炉温。但由于刚刚结束的下吹制气操作，煤气炉下部及燃料层残存着大量的半水煤气，立即吹风有可能发生爆炸。因此，采取二次上吹制气操作是为了用空气置换炉底的半水煤气。空气吹净操作 二次上吹后，煤气炉上部空间及管道充满半水煤气。在炉内通入空气吹净是为了回收产品和防止爆炸。吹净气经燃烧室(不加二次空气)、废热锅炉、洗气箱及洗气塔除尘降温后送入气柜。2.工艺条件操作温度 间歇法生产半水煤气工艺过程中，炉温范围一般为11501200为宜。 在煤气发生炉中，最高温度点是在氧化层处，燃料层温度沿炉轴向而变。炉温高时，有利于生成一氧化碳和氢气，反应速率增快，能生产质量高的半水煤气和具有较高的产气量。若炉温过高，以致达到灰熔点时，炉内结疤会影响正常操作，一般炉温控制点是比燃料的灰熔点低50100。吹风速度 为了减少热量损失而最大限度地降低煤的消耗，要求吹风阶段应在最短的时间内将炉温升至气化过程所需的温度。加大吹风速度以供给氧化层足够的氧气会加速碳的燃烧反应，使炉温迅速提高缩短二氧化碳在还原层的停留时间，降低一氧化碳在吹风气中的含量以减少热损失。但吹风速度过大，会把小块燃料吹出炉外，燃料损失加大甚至吹成风洞使气化条件恶化。一般，对于直径2.74m的煤气炉，使用大块煤时吹风量控制在1800032000Nm3/h，使用小块煤时，吹风量整制在1300032000 Nm3/h。蒸汽用量 制取高质量高产量的半水煤气，需要确定合适的蒸汽用量及上吹制气、下吹制气速度和吹气时间。一般，上映制气的吹气时间不宜过长，而下吹制气可比上吹制气时间长。内径2.74m的煤气发生炉蒸汽用量为57t/h。 燃料层高度对于2.7m内径的煤气炉，从风帽算起燃料层高度为1.61.8m。循环时间及分配 一般一个循环时间为2.53min。 工作循环时间取决于燃料的性质和各阶段的操作要求。不同燃料循环时间分配百分比例表2-2所示。表2-2 不同燃料循环时间分配百分比燃料种类工作循环中各阶段时间分配，%吹风上吹下吹二次上吹空气吹净无烟煤，粒度2575mm24.525.5252636.537.57934无烟煤，粒度1525mm25.526.5262735.536.77934焦 炭，粒度1550mm22.523.5242640.542.57934炭化煤球27.529.5252636.537.57934气体成分用做合成氨原料的半水煤气要求(CO十H2)N23.13.2，(CO十H2)68。可通过改变加氯空气用量，增加回收阶段时间，变化被回收的吹风气量来调节氮含量。此外，应尽量降低甲烷、二氧化碳和氧含量，不允许O20.5。 以煤为原料，间歇法气化过程生成半水煤气的组成，按体积百分比计应为：CO30.31，CO28.35，H238.73，N221.58，CH40.73，O230及H2S1.276gNm3 2.2一氧化碳的变换一氧化碳是氨合成的有毒气体。在生产中，变换是净化气体中一氧化碳的过程，也是制取氢气的过程。所以一氧化碳的变换率对合成氨的正常生产起着非常重要的作用。变换反应可以用下式表示CO+H2O（g）=CO2+H2 HOR=-41.19kJmol-12.2.1影响一氧化碳变换率的主要因素1、温度变换反应系可逆放热反应，温度降低，平衡向正方向移动，平衡常数Kp 值增大。不。不同反应温度下的平衡常数可用下式计算：1gKP=2185/T-0.1102lgT+0.621810-3T-1.060410-7T2-2.218不同温度下的平衡变换率见表2-3。表2-3 不同温度下CO 平衡变换率温度（）平衡变换率（%）温度（）平衡变换率（%）1809934087200983608422097380812409640079260954207628093440733009146071所以对炉温的控制非常重要，炉温过高不仅降低了平衡变换率，而且也容易烧毁催化剂。当然随着温度升高反应速率不断增加，但当速率达到最大值后就随温度的升高而降低。原因是在温度较低时平衡常数较大，而随着温度的升高平衡常数逐渐降低，最终使得反应速率随着温度的升高而降低。所以存在一个最适宜的温度，这个温度就是当温度升高而反应速率不再增加的温度。2、H2O/CO H2O/CO比是指入变换炉水蒸汽与原料气中一氧化碳气的体积比，对一定气体而言，体现了水蒸汽的用量。无论是中温变换或低温变换，一氧化碳平衡变换率都是随H2O/CO提高而增加。其趋势都是先快后慢。同样的变换率温度不同所需的H2O/CO 不同，以低变为例，一氧化碳变换率为90%时，360H2O/CO比为0.8，而260H2O/CO比为0.4。因此在实际生产中采用低温变换可以减少蒸汽用量，达到节能降耗的目的。3、压力压力对变换反应平衡几乎没有影响，但提高压力将发生析碳等副反应，所以单就变换的反应平衡来看加压没有好处。可从动力学角度分析，加压可提高反应速率。另外，原料气体积小于变换气体积，所以先给原料气加压可以节能动力。具体操作压力根据大、中、小型氨厂的不同特点而定。一般小型氨厂为0.71.2MPa、中型氨厂为1.21.8MPa、大型氨厂压力可达5.2MPa，如果以烃类为原料的大型氨厂压力为3.0MPa左右。4、二氧化碳和氢气根据反应式可知一氧化碳变换反应过程中若能除去产物二氧化碳，可使反应平衡向生成H2的方向移动，从而提高一氧化碳的变换率。如果在一氧化碳变换反应中间增加一个脱碳装置，可以大大提高变换率。或先把变换气中的氢气单独提出加到后面工序中去，同样可以提高变换率。不过由于在变换气中氢气含量比较大，所以把氢气提出的方案不经济。5、催化剂活性催化剂的低温活性越好，就可以得到更快的反应速率和变换率。总之，在催化剂、压力和工艺是一定的条件下要控制好一氧化碳的变换率，就要选好适宜的温度和H2O/CO进行控制。2.2.2变换工艺 在合成氨及制氢工业生产过程中，原料气中的一氧化碳一般分两次脱除。大部分一氧化碳通过变换反应，将不可利用、较难脱除的一氧化碳变换为较易脱除的二氧化碳可以利用，同时得到与一氧化碳等量的氢气。因此一氧化碳变换既是原料气的净化过程，又是原料气制造的继续。少量残留的一氧化碳再通过后续的净化方法(如铜洗、甲烷化、液氮洗等)加以脱除。一氧化碳变换反应均需在催化剂作用下进行，目前工业上使用的变换催化剂主要有FeCr系中温变换催化剂、Cuzn系低温变换催化剂和CoMo系耐硫变换催化剂。 以煤为原料，采用间歇制气的制气工艺，所制得的半水煤气的典型组成如表2-4所示。表2-4 半水煤气的典型组成组分H2COCO2N2CH4ArO2含量/%40308201.50.5此类工艺的后续净化方法(脱除少量一氧化碳、二氧化碳)主要有铜洗净化工艺和甲烷化净化工艺，两种工艺对变换工序的一氧化碳含量有不同的要求，铜洗净化工艺要求变换工序出口变换气中一氧化碳含量在1.2左右，而甲烷化净化工艺则要求变换工序出口变换气中一氧化碳含量小于0.3。变换工艺因此而有所不同2.3脱酸性气体酸性气脱除的工艺较多，在以油、煤为原料的大型合成氨装置中，碳技术最为常用，国产NHD法脱硫脱碳技术也有工业化应用。2.3.1低温甲醇洗法脱硫低温甲醇洗是用低温的甲醇洗涤变换后工艺气，达到脱除工艺气中CO2、H2S等组分的目的。利用甲醇在低温、高压的条件下，对CO2、H2S有较高的吸收能力，对不欲除去的组分N2、H2等有较低的溶解度，将原料气中大部分的CO2、H2S吸收下来，然后通过减压、加热将CO2、H2S从甲醇溶液中解吸出来，同时甲醇溶剂得到再生。1）耐硫变换和一步法甲醇洗流程：来自气化的粗合成气送入耐硫变换，经变换反应生成以H2、CO2为主要成分的变换气，来自气化的粗合成气送入耐硫变换，经变换反应生成以H2、CO2为主要成分的变换气，变换气经回收反应热量并分离富余水气后送低温甲醇洗，变换单元选用耐硫变换催化剂。变换气进入甲醇洗涤塔脱除气体中的CO2、H2S等杂质，在下塔脱除H2S，在上塔脱除CO2，脱除酸性气后的工艺气然后送气体精制单元。吸收了CO2、H2S的甲醇先通过减压，解吸出部分CO2，再通过减压、气提解吸出部分CO2，最后通过加热使甲醇中H2S和残余的CO2得以全部析出，甲醇得以再生，并循环使用.一次减压解吸的CO2作为产品输出，二次气提解吸的CO2纯度较低，一般作为尾气放空，热再生产生的H2S气体送出界区进行处理。此甲醇洗工艺因脱硫、脱碳一步完成，因此称一步法。2）非耐硫变换和二步法甲醇洗流程：来自气化的粗合成气先送往甲醇洗单元H2S洗涤塔脱除H2S等硫组分；再送往非耐硫变换单元，通过补人水蒸气后在变换催化剂(非耐硫)作用下生成以H2、CO2为主要成分的变换气，变换气经回收反应热量并分离富余水气，再送低温甲醇洗；变换气再经低温甲醇洗变换气再经低温甲醇洗的CO2洗涤塔脱除CO2后送气体精制单元。吸收H2S后的甲醇和吸收CO2的甲醇均通过减压、加热，解吸出H2S和CO2后循环使用，H2S和CO2气体分别送出界区。此甲醇洗工艺因脱硫、脱碳分两步完成，因此称二步法。2.3.2NHD脱硫脱碳NHD溶剂吸收H2S和CO2是一个典型的物理过程。利用H2S和CO2在NHD溶剂中的溶解度随着压力升高及温度降低而增大，当压力降低、温度升高时，H2S和CO2从溶剂中解吸出来等特点，用NHD溶剂在高压、低温下洗涤变换后的工艺气，脱除H2S和CO2等物质，然后通过减压、加热使溶剂得到再生。NHD溶剂对H2S的吸收有较好的选择NHD脱硫脱碳优点(1)吸收气体能力强、净化度高。在正常操作工况下脱硫净化后的气体中总硫含量510-6,脱碳净化后的气体中CO2体积分数仅为0. 05% 0. 2%,总硫含量可小于0. 110-6。(2)溶剂的化学稳定性和热稳定性好，不氧化、不降解、不起泡，溶剂蒸汽压极低，使用过程中挥发损失少，运行中不需添加消泡剂、活化剂，生产运行稳定，操作方便，且运行及维修费低。(3) NHD溶液无毒、挥发少、对环境无污染，可在自然界中分解，装置设计中对静、动密封泄漏点采用全封闭收集，可使运行中的泄漏降为零。(4)溶剂无腐蚀性,吸收能力强。因低温吸收可使溶液循环量减少，设计中采用多台水力透平回收能量，装置设备运行周期长，故总能耗较低。工艺流程如图2.4 氨合成2.4.1氨合成反应的特点和催化剂1、氨合成反应的特点 氨的合成是氨厂最后一道工序，任务是在适当的温度、压力和有催化剂存在的条件下，将经过精制的氢氮混合气直接合成成氨。然后将所产的气氨从未合成为氨的混合气体中冷凝分离出来，得到产品液氨，分离氨后的氢氮气体循环使用。氨合成的化学反应式如下：1/2 N2 + 3/2 H2 = NH3这一化学反应具有如下几个特点： 该反应是可逆反应：在氯气和氢气反应生成氨的同时，氨也分解成氢气和氮气，前者称为正反应，厅者称为逆反应。该反应是放热反应：在生成氨的同时放出热量反应热与温度、压力有关。该反应是体积缩小的反应：从反应式可以看出，由1.5个分子的氢和0.5个分子的氮，反应后生成1分子的氨，在化学反应过程中，体积减少。反应需要有催化剂：实践证明，在没有催化剂存在的条件下，生成氨的反应速度相当缓慢，在300500的条件下，氨合成反应需要若干年才能达到平衡。但在适当催化剂的作用下，减少了氢氮气化合时所需要的能量，因此大大加快了反应速度。2、氨合成铁系催化剂在工业催化过程中，氨的合成是研究得最多，最深入的典型过程之一。近年来合成氨工业的进展，很大程度上是由于催化剂质量的提高而取得的，氨合成中的工艺条件也大都取决于所选用催化剂的性质。可见，催化剂的作用事十分重要的。通过研究发现，对氨合成反应具有活性的一系列金属中，以铁为主体，并添加有促进剂的铁系催化剂，价廉易得，活性良好，使用寿命长。因而铁系催化剂获得了广泛应用。热力学计算表明，低温、高压对合成氨反应是有利的，但无催化剂时，反应的活化能很高，反应几乎不发生。当采用铁催化剂时，由于改变了反应历程，降低了反应的活化能，使反应以显著的速率进行。目前认为，合成氨反应的一种可能机理，首先是氮分子在铁催化剂表面上进行化学吸附，使氮原子间的化学键减弱。接着是化学吸附的氢原子不断地跟表面上的氮分子作用，在催化剂表面上逐步生成NH、NH2和NH3，最后氨分子在表面上脱吸而生成气态的氨。上述反应途径可简单地表示为：xFe + N2FexNFexN +H吸FexNHFexNH +H吸FexNH2FexNH2 H吸FexNH3xFe+NH3铁系催化剂的主要成分是FeO和Fe2O3并加入少量的其他金属氧化物A12O3、K2O、Cao等为促进剂(又称助催化剂)。催化剂的活性组分是金属铁，而不是铁的氧化物。因此，使用前在一定的温度下，用氢氮混合气使其还原，即使氧化铁被还原为具有活性的型纯铁。催化剂还原反应为：FeOFe2O3+4H2=3Fe+4H2O H149.9(kJmo1-1)加入A12O3的作用：它能与氧化铁生成 FeOA12O3晶体，其晶体结构与FeOFe2O3相同。当催化剂被氢氯混合气还原时，氧化铁被还原为型纯铁，而A12O3不被还原，它覆盖在-Fe品粒的表面，防止活性铁的微晶在还原时及以后的使用中进一步长大。这样。-Fe的品粒间就出现了空隙，形成纵横交错的微型孔道结构，大大地增加了催化剂的表面积，提高了活性。加入MgO的作用与A12O3有相似之处。在还原过程中，MgO也能防止活性铁的微晶进一步长大。但其主要作用是增强催化剂对硫化物的抗毒能力，并保护催化剂在高温下不致因晶体破坏而降低活性，故可延长催化剂寿命。加入Cao的作用：为了降低熔融物的熔点和粘度，并使A12O3易于分散在FeOFe2O3中，还可提高催化剂的热稳定性。氨合成铁催化剂是一种黑色、有金属光泽、带磁性、外形不规则的固体颗粒。铁催化剂在空气中易受潮，引起可溶性钾盐析出，使活性下降。经还原的铁催化剂若暴露在空气中则迅速燃烧，立即失掉活性。一氧化碳、二氧化碳、水蒸气、油类、硫化物等均会使铁催化剂暂时或永久中毒。长时间的含氧化合物中毒亦会造成永久中毒。各类铁催化剂都有一定的起始活性温度、最佳反应温度和耐热温度。2.4.2最佳工艺条件的选择氨合成的生产工艺条件必须满足产量高，消耗定额低、工艺流程及设备结构简单、操作方便及安全可靠等要求。决定生产条件员主要的因素是操作压力、温度、空间速度、气体组成和催化剂等。1、压力工业上合成氨的各种工艺流程，一般都以压力的高低来分，从化学平衡和化学反应速度的角度看，提高操作压力对氨的合成是有利的。在一定的空间速度下，合成压力越高，氨净值(合成塔出入口氨含量之差)越高，合成塔的生产能力也就越大。从图26可以看出，氨产率是随着压力的升高而上升的。同时压力高也有利于氨的分离，在较高温度下气氨即可冷凝为液氨，冷冻功减少。氨合成压力高，设备紧凑，流程简单，但对设备的材质和制造的要求较高。同时，高压下反应温度较高，催化剂使用寿命短，操作管理也比较困难，因此压力不宜过高。目前我国中小型合成氨厂操作压力大多数采用2032MPa，而采用离心式压缩机的大型合成氨厂的操作压力一般为U=27MPa。2、温度 氨合成反应必须在催化剂的存在下才能进行，而催化剂必须在一定的温度范围内才具有催化活性，所以氨合成反应温度必须维持在催化剂的活性温度范围内。目前工业上使用的铁催化剂的活性温度范围大体在400525之间。3、空间速度 单位体积催化剂在单位时间内处理的气体量称为空间速度。空间速度大小意味着处理气量的大小，在一定的温度、压力下，增大空间速度，就加快了气体通过催化剂的速度，气体与催化剂接触时间缩短，在确定条件下，出塔气体中氨含量要降低。一般操作压力在30MPa的中压法合成氨，空间速度选择在2000030000m3/h之间。空间速度，处理的气量大，能增大产量，但氨净值有所降低。空间速度过大，氨分离不完全，增大设备负荷，增大动力消耗。4、合成塔入口气体组成 合成塔入口气体组成包括氢氮比、惰性气体含量与初始氨含量。从反应平衡的角度来看，当氢氮比接近3时，可获得最大的平衡氨浓度。在实际生产中，进塔循环气的氢氯比控制在2.52.9比较合适。2.4.3合成氨工艺流程实现氨合成的循环，必须包括如下几个步骤：氢、氮原料气的压缩并补入循环系统，循环气的预热与氨的合成，氨的分离，热能的回收利用，对未反应气体补充压力并循环使用，排放部分循环气以维持循环气中情性气体的平衡等。由于采用压缩机的型式、氨分离冷凝级数、热能回收形式以及各部分相对位置的差异，而形成不同的工艺流程。 (1)两次分离液氨产品的典型流程液氨产品两次分离的流程，即液氨在两个部位水冷器及氨冷器中冷凝分离。这类流程按是否副产蒸汽而分为不副产蒸汽和副产蒸汽两种流程，分别示于图2-7和图2-8。合成塔出口气体先经水冷却器冷却到一定程度，使其中大部分氨冷凝下来，从第一氨分离器中分出来。气体随即进入循环压缩机，提高压力并与新鲜气混合后，流入冷交换器和氨冷却器中。气体中余下的氨在冷却、冷凝、并在第二氨分离器中分出。分离氨后的气体即进入合成塔。（2）一次分离液氨工艺流程净化合成气在38和2.5MPa条件下进入合成气压缩机，合成气由离心式压缩机压缩，合成循环气进入压缩机第二缸中间氏轮，并经最后一段压缩与合成循环中的新鲜原料气相混合。工艺流程如图。最后，把所制得的合成氨储存到罐里或通往其他地方继续加工生产。第3章 典型机器和设备选型与论证在本设计中所用到的主要典型设备有废热锅炉，压缩机，换热器，分离机，冷凝器，电机，合成塔，贮气罐，贮液罐等。3.1 余热锅炉的选型废热锅炉也叫余热锅炉，就是利用各种装置产生的高温废气来加热水，产生蒸汽或产生热水（即蒸汽余热锅炉、热水余热锅炉），再利用所产生的蒸汽或热水，达到余热再利用的目的。余热锅炉属于节能环保项目，它降低了废物的排放量，大大减轻了环境污染，同时对热量进行了一定的回收。目前，在硝酸、硫酸、合成氨及石油炼制工业等许多生产过程中都普遍使用废热锅炉，使生产过程所需的动力和热能得以全部或部分自给。 废热锅炉分类 根据结构形式，废热锅炉可分为管壳式和烟道式。管壳式废热锅炉的结构与管壳式换热器无多大区别，并同样有固定管板式、浮头式及U型管式等。烟道式废热锅炉的结构与普通锅炉相似，由耐火砖妾成炉膛，炉膛内装设管束，高温气体通过炉膛，将管束内流动的水加热汽化。 根据高温气体通过管内还是管外，废热锅炉分为火管废热锅炉和水管废热锅炉。火管废热锅炉是高温气体在炉管内流动。沸水从汽包经下降流入锅炉底部，在管壁受热变为汽水混合物，由上升返回汽包。火管废热锅炉结构简单，因壳体受蒸汽压力，适用于生产力不高的蒸汽。水管废热锅炉是沸水流过管内，高温气体流经管外。因锅炉壳体不承受蒸汽压力，适用于生产高压蒸汽。根据沸水的流动形式，水管废热锅炉又可分为：自然循环式，管内沸水流动的推动力是下降管内的水与上升管内的汽水混合物之间的重点差。为保证一定的循环量，汽包需有足够的安装高度。强制循环式，在下降管路中安装循环泵，借以提高管内沸水流速，防止气泡停滞恶化传热。因这种锅炉在运转、维修、投资等方面有许多不利因素，仅在特殊场合采用。废热锅炉特点 与普通锅炉相比，废热锅炉的主要特点是：高温高压，如合成氨生产中重油气化炉后的废热锅炉，进口温度为1350，压力为3.2-4.0Mpa；急冷，在某些工艺过程（如石油烃裂解制乙烯）中，为减少副反应，须尽快地将气体降温，因而废热锅炉应具有高的热传速率；严格控制气体的出口温度，高温气体（如裂解气）冷却时，若温度低于高沸点组分的露点，这些组分将冷凝析出。如果其中含有腐蚀气体（如SO3），还会形成酸雾，腐蚀设备；粉尘含量高，某些高温气体含有粉尘（如硫酸厂沸腾炉出口炉气含尘量约200g/m3石油裂解气则含有碳黑等微粒），必须在结构上充分考虑粉尘堵塞和冲刷磨蚀；低的压力降，气体的压力降必须控制在工艺条件许可范围内；密封，有些高温气体是易燃、易爆或有毒的，这时密封成为废热锅炉生产设计中的难题。本设计选用U型换热器3.2 热交换器换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。 换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。在热量交换中常有一些腐蚀性、氧化性很强的物料，因此，要求制造换热器的材料具有抗强腐蚀性能。换热器的分类比较广泛：螺旋板式换热器 波纹管换热器 列管换热器 板式换热器 螺旋板换热器管壳式换热器 容积式换热器 浮头式换热器 管式换热器，要求制造换热器的材料具有抗强腐蚀性能。它可以用石墨、陶瓷、玻璃等非金属材料以及不锈钢、钛、钽、锆等金属材料制成。但是用石墨、陶瓷、玻璃等材料制成的有易碎、体积大、导热差等缺点，用钛、钽、锆等稀有金属制成的换热器价格过于昂贵，不锈钢则难耐许多腐蚀性介质，并产生晶间腐蚀。 比较各种换热器的优缺点和本次设计的要求，我们最后选择列管式换热器。其中：热气体走管程，冷气体走壳程。3.3 氨合成塔常用的反应设备有搅拌反应器、固定床反应器和流化床反应器。搅拌反应器:由容器、搅拌器、传动装置以及夹套等组成，它适应性强、制造方便、装置紧凑，是化学工业中用得最广泛的一种反应设备。可用于液-液相、液-固相和液-气相间物料的反应。搅拌反应器约占反应设备总数的90%。夹套是反应器的外部传热构件。当传热量很大，夹套传热面积不够时，需在筒体内部增设蛇管以强化传热。固定床反应器:多用于气相间反应。参加反应的物料以预定的方向运动，各点的流体间没有沿流动方向的混合。固定床反应器的优点是反应速度快，产量高；床中的催化剂不易磨损，可长期使用（除非失活）；特别适用于大规模生产。但固定床中传热较差，对于热效应较大的反应过程，传热和控温是工艺设计的重要内容。流化床反应器 :细颗粒状的固体物料装填在