合成氨工艺与仿真简介2011-简

2020 4 6 合成氨流程简介 33 1 30万吨仿真合成氨工艺原理流程简介 2011 10 化学化工学院 2020 4 6 合成氨流程简介 33 2 本模型是以德国伍德公司生产工艺 以天然气为原料的日产合成氨1000吨 年产30万吨 缩微仿真模型 整个装置主要包括 1 天然气脱硫与压缩 2 工艺空气压缩 3 天然气蒸汽转化 4 CO变换 5 CO2脱除 6 甲烷化 7 合成气压缩 8 氨合成 9 冷冻 10 氨回收 11 氢回收 2020 4 6 合成氨流程简介 33 3 30万吨合成氨 年缩微仿真模型 2020 4 6 合成氨流程简介 33 4 一 原料气压缩和脱硫 原料天然气进入压缩机 经四段压缩至51 105Pa 温度加热至390 进入钴 钼加氢反应器中反应 将有机硫转化为无机硫 然后入氧化锌脱硫槽将硫脱除 控制硫含量小于0 1ppm 压缩 脱硫 2020 4 6 合成氨流程简介 33 5 二 转化 经脱硫后的原料气在镍催化剂作用下进行一段 二段蒸汽转化 转化气温度在983 左右 残余CH4在0 9 以下入废热锅炉回收工艺气热量 一段转化 二段转化 2020 4 6 合成氨流程简介 33 6 三 变换 工艺气温度降为370 进入铁铬催化剂的高温变换炉顶部从底部流出高变气温度降为204 再入低温变换炉 低温变换在铜锌催化剂中进行反应 CO含量降到0 36 变换炉 2020 4 6 合成氨流程简介 33 7 四 脱碳 低变气经冷却进入吸收塔下部 经吸收后气体中的CO2含量降到0 4 再经上塔吸收 从塔顶逸出的脱碳后的CO2含量0 1 工艺气去甲烷化工序 吸收塔底流出的富液 经水力透平做功后送至再生塔顶部 溶液减压闪蒸出部分水蒸汽和CO2 然后向下流经再生塔四层填料 再生后溶液 贫液 从再生塔底部流出 经溶液泵升压后分两路 顶部和中部 送入吸收塔 从吸收塔底部流出的富液 经水力透平送入再生塔上部 从而构成循环 吸收 再生系统 2020 4 6 合成氨流程简介 33 8 五 甲烷化 来自脱碳系统吸收塔顶的脱碳气 加热进入甲烷化炉反应 从炉底流出依次进入热交换器冷却 甲烷化气中 CO CO2 小于10ppm 甲烷化工段 2020 4 6 合成氨流程简介 33 9 六 合成气的压缩 甲烷化后的工艺气进入合成气压缩机低压缸压缩后 进入高压缸压缩到101 105Pa 冷却到40 后入第一氨冷器冷却至5 与一氨冷出口的循环气在管路中汇合 进入二氨冷降温到 10 此时大部分气氨被冷凝 从氨分离器分离出的冷气 经冷热交换器回收冷量 然后入循环段进行压缩以补充回路压降的损失 出循环段的气体经热交换器升温后进入合成塔 合成气压缩装置 2020 4 6 合成氨流程简介 33 10 七 氨的合成 压力104 105Pa 温度239 氨含量4 12 的循环气 流经合成塔在铁催化剂上进行合成反应 出塔气的压力为100 105Pa 414 氨含量16 3 入废热锅炉回收热量 部分气氨在换热器内冷凝为液氨 然后合成气再进入第一氨冷器 尔后与合成气压缩机高压缸来的新鲜气相汇合成为循环气 这样形成合成循环回路 合成氨塔 2020 4 6 合成氨流程简介 33 11 八 冷冻 来自第一氨冷器 第二氨冷器及气体冷却器的气氨分别进入冰机 经一段压缩后再与从氨闪蒸槽来的气氨相汇合 进入二段压缩至15 6 105Pa 100 经水冷器冷却至40 后 气氨液化为液氨入氨收集器 再入氨闪蒸槽 产品氨加热器与来自闪蒸槽的冷氨进行交换使之冷却过冷至13 重新作为冷冻剂送往第一 二氨冷器装置和气体冷却器使用 构成冷冻循环回路 2020 4 6 合成氨流程简介 33 12 九 氨回收 合成回路来的驰放气入吸收塔底部 被水吸收 吸收后气体中含氨量为0 02 大部分气体送往氨冷器冷却后送氢回收装置 闪蒸槽来的驰放气入吸收塔底部 出吸收塔气体送往燃料气系统 吸收塔底部流出的氨水 经加热后入汽提塔与此同时从吸收塔底部流出的氨水也同样加入汽提塔 从汽提塔顶蒸出的气氨在冷凝器中冷凝为液氨 汽提塔底流出的氨水浓度为0 1 经冷却后分别送往吸收塔作吸收剂循环使用 2020 4 6 合成氨流程简介 33 13 十 氢回收 经氨回收后的气体进入分子筛干燥器 将气体中的NH3 H2O彻底清除 然后送入冷箱 CH4 Ar 部分N2液化为液体与未液化的氢气进入分离器 氢气被富集为富氢气 送往合成气压缩机循环段入口 2020 4 6 合成氨流程简介 33 14 十一 氨的贮存 本装置设有两台球型氨罐 每个贮存量为2500吨 操作压力与温度分别为3 8 105Pa和3 球形氨罐 2020 4 6 合成氨流程简介 33 15 工艺说明 转化工段 2020 4 6 合成氨流程简介 33 16 天然气 预热器 脱硫 预热 一段转化 二段转化 废热锅炉 蒸汽 预热 蒸汽 空气 去变换 1 天然气蒸汽转化工艺流程 2020 4 6 合成氨流程简介 33 17 2 原料气脱硫 天然气中含有少量硫化物 这些硫化物可以使多种催化剂中毒而不同程度地使其失去活性 硫化氢能腐蚀设备管道 因此 必须尽可能地除去原料气中的各种硫化物 加氢转化指在加入氢气的条件下使原料气中有机硫转化为无机硫 加氢转化不能达到直接脱硫的目的 但经转化后就大大的利于硫的脱除 在有机硫转化的同时 也能使烯烃类加氢转化为烷氢类从而可减少下一工序蒸汽转化催化剂析炭的可能性 氧化锌是一种内表面积大 硫容较高的接触反应型脱硫剂 除噻吩及其衍生物外 脱除硫化氢及各种有机硫化物的能力极高 可将出口气中硫含量降至0 1ppm以下 2020 4 6 合成氨流程简介 33 18 3 原料气的一段蒸汽转化 经脱硫后的原料气的总硫含量降至0 1ppm以下 与水蒸汽混合后进行转化反应 生成氢气和CO CO将在下一变化中去除 CH4 H2O CO 3H2CnH2n 2 nH2O nCO 2n 1 H2由于转化反应是吸热反应 在高温条件下有利于反应平衡及反应速度 在实际生产中 转化反应分别是在一段炉和二段炉中完成 在一段炉中 烃类和水蒸气的混合气在反应管内镍催化剂的作用下进行转化反应 管外有燃料气燃烧供给反应所需热量 出一段炉转化气温度控制在800 左右 2020 4 6 合成氨流程简介 33 19 4 转化气的二段转化 为了进一步转化 需要更高的温度 在二段炉中加入预热后的空气 利用H2和O2的燃烧反应 产生高热 促使CH4进一步转化 出二段炉的工艺气残余甲烷含量0 3 左右 经并联的两台第一废热锅炉回收热量 再经第二废热锅炉进一步回收余热后 送去变换 2020 4 6 合成氨流程简介 33 20 5 变换 经蒸汽转化后的工艺气含有12 15 的CO 变换工序的任务是使CO在催化剂存在的条件下与水蒸汽进行反应 CO H2O CO2 H2这样即能把一氧化碳变为易于清除的二氧化碳 同时又可制得合成需要的原料氢 变换反应是一个可逆 放热 反应前后气体体积不变的化学反应 2020 4 6 合成氨流程简介 33 21 5 变换 整个变换过程是由高温变换和低温变换组成 高温变换炉 所用的催化剂是以Fe3O4为活性组分的 它的活性温度在300 以上 一般在350 430 在此温度下 可以取得较高的反应速度 但不能达到较低的CO浓度 为了进一步取得较低的CO浓度 还要以铜为活性组分的催化剂作用下 进行低温变换 变换温度在200 250 这样的低温下 就能使CO的变换进行的比较彻底 可以使CO浓度降至0 3 以下 2020 4 6 合成氨流程简介 33 22 2020 4 6 合成氨流程简介 33 23 净化工段 1 脱碳经变换工序后的工艺气 CO2含量在17 采用改良苯菲尔法脱除工艺气中的CO2 吸收剂为碳酸钾溶液 溶液的吸收和再生可以用如下反应方程式表示 K2CO3 CO2 H2O 2KHCO3 热量这是一个可逆过程 脱碳溶液中K2CO3在低温 加压的条件下吸收了CO2生成KHCO3 KHCO3又在加热 减压的条件下放出CO2 重新变成K2CO3 前一个过程是吸收过程 后一个是再生过程 经过吸收塔的脱碳气体要求CO2小于0 1 经过再生塔的CO2气体要求纯度大于98 5 2020 4 6 合成氨流程简介 33 24 2 甲烷化 碳氧化物 CO CO2 是合成触媒的毒物 在工业生产中要求入合成工序的氢氮气中的CO CO2含量小于10ppm 在催化剂作用下将CO CO2加氢反应生成对合成触媒无害的甲烷 在镍触媒存在的条件下 进行如下化学反应 CO 3H2 CH4 H2O 206 16kJ molCO2 4H2 CH4 2H2O 165 08kJ mol甲烷化反应是可逆强放热反应 温升很大 每反应1 CO 温升72 左右 每反应1 CO2 温升60 左右 因此 要严格控制低变出口CO含量及脱碳出口CO2含量 在规定指标范围内 严防甲烷化触媒超温 2020 4 6 合成氨流程简介 33 25 2020 4 6 合成氨流程简介 33 26 反应的几个特点 是可逆反应 即在氢气和氮气反应生成氨的同时 氨也分解成氢气和氮气 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 是体积缩小的反应 反应需要有催化剂才能较快的进行 氨合成反应的特点 氨合成的化学反应式如下 2020 4 6 合成氨流程简介 33 27 合成工段 氨的合成是整个合成氨流程中的核心部分 前面工序制得的合格氮氢气在高温高压及铁催化剂作用下合成为氨 由于在反应过程中只有少部分氮氢气合成为氨 因此反应后的气体混合物分离氨后 经加压又送回合成塔 构成合成回路 本装置的合成塔采用了三段间接换热式径向合成塔 这样合成塔触媒层的温度分布就更为合理 更加接近最佳温度分布曲线 触媒层的阻力降也更小 同时 在合成塔出口设置了合成废锅 利用合成氨余热产生125 105Pa的高压蒸汽 能量回收更为充分 但是 由于转化工序加入过量空气 使合成系统氮过剩 加大了合成排放气量 为此增加了氢回收装置加以弥补 回收的氢返回合成系统 2020 4 6 合成氨流程简介 33 28 本装置的合成塔采用了三段间接换热式径向合成塔 这样合成塔触媒层的温度分布就更为合理 更加接近最佳温度分布曲线 触媒层的阻力降也更小 同时 在合成塔出口设置了合成废锅 利用合成氨余热产生125 105Pa的高压蒸汽 能量回收更为充分 但是 由于转化工序加入过量空气 使合