工业合成氨工艺技术手册

合成氨装置流程介绍 化肥一部 技术概况 中海石油天野化工是年产30万吨合成氨 52万吨尿素联产20万吨甲醇的大型化工企业 原设计合成氨装置空分采用林德精馏工艺 气化采用Shell渣油部分氧化法 原料气净化采用LVRGI两步法低温甲醇洗和液氮洗工艺 合成采用凯洛格卧式合成塔 全部工艺设计由日本东洋公司承担完成 1996年11月投产 投产后经九年多的摸索总结 工艺操作逐渐成熟 但随着国际油价的不断上涨 油头合成氨的成本越来越高 已失去市场竞争力 国内油头合成氨装置纷纷改成了煤头或气头 2005年3月天野化工对合成氨装置实施了原料路线由渣油向天然气的改造 并于2005年10月改造完毕 和原工艺比较 主要将气化炉烧嘴由五环四通道改成四环三通道 冷却方式由夹套式改成盘管式 净化低温甲醇洗部分增加了真空系统 投产至今运行平稳 改造比较成功 合成氨装置总述 空分装置 空分装置 空分简介一 岗位任务二 工艺原理流程简介 空气的预冷与净化 精馏 膨胀制冷 氮压机及氮气用户 仪表空气获得 事故处理 膨胀透平的跳车 液氧泵的跳车 防主冷中总烃超标 空分简介 一 岗位任务1 生产6 6MPa的高压氧气供天燃气气化2 生产0 65MPa低压氮气 供分子筛再生后去CO2汽提塔作气提气 另外还供装置的置换 密封 触媒保护等 3 生产3 4MPa氮气经减压到2 1MPa去尿素车间 4 生产5 2MPa的高压氮气送氮洗工号 供氮洗配氮及GB102 还供变换 合成工号的开车用氮 5 取出装置的液氮到液氮储罐 供事故用氮 另外一部分液氮到液氮洗工号不冷用 6 生产0 7MPa仪表空气 工厂空气 供全厂使用 空分简介 二 工艺原理1 空气的组成空气主要有氧 氮组成 在气态下 均匀混合在一起 还含有微量的氩 氖 氦 氪 氙等稀有气体 根据地区条件的不同空气中含有少量CO2 水蒸气以及乙炔等碳氢化合物 2 分离的原理以空气为原料 先将空气液化 然后利用各组分沸点的不同将其分离 将空气液化 必须将空气温度降到临界温度 140 7 以下才能实现 在标准状态下氧气的沸点 183 氮气的沸点 193 相差进13 故采用精馏方法将氧 氮分离成纯组分 空分简介 3 低温的获得 1 回收氧 氮产品冷量空分后 产品氧和氮在低温下 180 190 排出的 它们带有大量的冷量 因此被加的空气就是通过换热器回收这些冷量来获得低温 2 减少辐射的损失空分装置的操作温度与环境温度之间有相当大的差异 因此设备必须布置在尽可能小的空间内 以减少换热面积 还要对设备进行保温 用珠光砂 以减少传热系数 空分简介 3 制取冷量由于换热器和保温材料的效果都是非理想的 即换热器存在热端温差 设备保温后仍存在辐射损失 固在生产过程中必须补充冷量来弥补这些损失 另外装置在热开车时 也必须得到大量冷量 采用普通相变制冷不能使空气达到液化温度 必须采用深度制冷方法 全低压空分装置获得低温方法有两种 即不对外做功的节流膨胀 等焓过程 即对外做功的绝热膨胀 等熵过程 前者是通过节流阀实现的 后者是通过膨胀机中实现的 4 空气精馏由于空气中的氧 氮沸点的不同 用精馏方法将其分离 分离出氧 氮是空分的主要产品 空气的预冷与净化 P2467E2422 P2466循环水 循环水 E3117E3119 E2416 A2626A A2626A 冷热交换 GB004 T3211 E3616氮气 A2626A B E3117A D E3119A D T3211 T3211 T3316 A2626A B E2417 精馏 E3119E3117 E3616 E3616 E3117 氮气 500 液氮洗 液氮储罐 P3568A B E3316 E3216 T3211 T3212 膨胀制冷 天然气气化 放空 GB004 GB004 GB004 T3211 T3212 P3568A B 氮气 C3461 X3471 E3421 E3616A D 低压氮 E3119 氮压机及氮气用户 E3616E3119 尿素 膨胀透平 空分 氮洗 放空 FA109FA117 放空 低压氮用户 脱碳 氮洗 工厂空气 仪表空气 C0101A B C451 I GB101 V451 D0101A B D451A B V452 大气 大气 GB001 工厂空气 仪表空气 中压氮气 高压氮气 事故处理及注意事项 膨胀透平跳车防液氧泵及氮压机跳车膨胀透平是空分冷量来源的重要途径 是空分重要设备之一 因此膨胀透平的跳车处理由为重要 并且在日常操作中必须做到精细化巡检和精细化操作 处理原因 由于膨胀透平跳车后 E3616少了一股热气流 不及时调整会使氧气温度TA3925低于 10 引起P3568A B跳车 同时大量氮气退回氮压机 不及时放空就会导致氮压机跳车 防范措施 当遇到膨胀透平跳车时 1 开氮压机FA053放空保证P057在5 0 5 2MPa 2 两分钟内关HC3930至小于10 减少进E3616冷量 保证氧气温度不低于 10 同时全开TC3966保证氮压机入口压力 3 密切关注T3925 10 及各换热器热端温差 事故处理及注意事项 单台液氧泵跳车如何防止氮压机跳车液氧泵的作用是给气化提供高压液氧 经换热成高压气氧 液氧泵的运行情况关系着气化负荷以及长周期运行的关键 处理原因 一台液氧泵跳车时 如果FC3925与HC3637和HC3547不投串级 另一台就不会自动加负荷 气化炉就会因氧流量低跳车 防范措施 1 FC53925与HC3637和HC3547串级不能摘 2 FC53925PID参数不能随意改动 P 40 I 110 D 0 3 一台液氧泵跳车后确认另一台自动加负荷 事故处理及注意事项 防主冷 液空中总烃 乙炔含量超标在上塔主冷中氧气含量在98 下塔液空中氧气含量在39 正常生产中微量乙炔 甲烷就混合在主冷 液空中 根据负荷及液位的高低不同乙炔 甲烷的含量也会发生变化 处理原因 主冷器中乙炔 总烃超标 易发生爆炸 防范措施 1 主冷液位大于90 2 每天中化分析一次主冷 液空中的甲烷及乙炔含量 3 正常情况下 主冷及液空中乙炔含量应小于0 01PPm 若大于0 01PPm而小于0 1PPm时 应加大制冷量 适当排放部分液氧 如果超过0 1PPM要立即停车排液 4 总烃含量应控制在100PPm以下 高于100PPm应加大制冷量适当排液 若大于250PPm时要停车排液 气化装置 气化装置任务及原理 一 气化任务本岗位是以天然气为原料与氧气 蒸汽通过共环式烧嘴雾化后在气化炉内约1350 6 0MPa高温 高压下进行部分氧化反应制取以CO H2 95 5 为主要成分的工艺气给合成氨提供原料气 并同时进行热量回收 付产10MPa 315 饱和蒸汽和进行原料气降温和洗涤 以脱除原料气中所含碳黑和部分有害气体 气化装置任务及原理 二 反应原理与工艺原理1 反应原理将天然气 氧气 蒸汽通过共环式烧嘴雾化后 在气化炉内1200 1350 高温下部分氧化反应制取CO H2 甲烷部分氧化反应为 CH4 2O2 CO2 2H2O Q 1 CH4 H2O 2CO 3H2 Q 2 CH4 CO2 2CO 2H2 Q 3 反应 1 为燃烧反应 其反应的时间尺度毫秒级 在数十毫秒内即可以完成 反应 2 快于 3 但只要温度维持在1200 1350 左右 它们在1 2秒内即可完成 总之 在气化反应条件下 反应速度是很快的 而过程的控制步骤是混合过程 气化装置任务及原理 2 工艺原理1 烧嘴功能 1 促进天然气与氧气混合 2 与炉体匹配形成适宜流畅 进行形成适宜的温度分布 达到保护烧嘴和炉顶耐火砖的双重目的 2 气化炉操作弹性烧嘴最低操作负荷为70 最高操作负荷为110 固气化炉负荷范围为70 110 但低负荷下不宜长时间操作 否则会因烧嘴喷口速度太低而影响烧嘴寿命 在工艺条件许可的情况下负荷可以大于110 但最高不能超过120 气化装置任务及原理 3 气化操作条件 1 温度气化炉出口温度设计值为1250 出于对于废锅安全的考虑气化炉出口温度不应高于1350 出于后续工段对气化炉出口CH4含量的要求 气化炉出口温度最低不低于950 气化炉出口温度主要受的影响 设计氧 天然气比为0 6588 氧 天然气比每升高0 01 气化炉出口温度升高20 30 2 压力气化炉的操作压力主要取决于后续工序的要求 设计压力为6 1MPa 气化装置任务及原理 3 汽 气比蒸汽主要起保护烧嘴的作用 汽 气比为0 06Kg Nm3 在保持气化炉操作温度不变的前提下 增加汽气比有利于气化炉出口甲烷含量 但氧气耗量相应增加 因此从节氧角度讲汽气比不宜太高 4 氧 气比设计氧 天燃气比为0 6588 氧 天燃气比每升高0 01 气化炉出口温度升高20 30 氧 天燃气的选择应有一个最佳值 对容积大 平均停留时间长的气化炉 相应可以在较低的温度下操作随 天燃气组成不同 氧 天燃气比在0 66 0 68之间为宜 气化装置任务及原理 三 安全保护系统为确保气化炉在开车 停车和正常操作过程的安全可靠 每台气化炉都有一套联锁安全保护系统 这套系统是由可编逻辑控制器 PLC 组成 监控编入系统的阀位 压力 流量 液位等等参数 从而确保气化炉安全 可靠的运行和开停车 根据气化炉处于不同阶段 状态下进行不同等级的安全保护 分为四部分 1 手动模式 2 自动开车模式 3 操作模式 4 停车模式 三物料流程 DC101A B DC101A B DC101A B T230 T244 P7 0MPa P7 0MPa T250 天燃气压缩机 空分装置 蒸汽管网 放空 放空 放空 放空 放空 放空 放空 EB102A B E02201A B 气化炉与废锅 蒸汽 氧气 天燃气 GA104A B T02201 DC101A B EC101A B 废锅排放 E02202A B 锅炉水 氮气 放空 过热炉 EA101A B 喉管 火管 拱顶 拱顶温度分布图共52个点 炉膛内共有8个温度点 氮气供置换吹扫气密 1350 原料气降温洗涤 EA101A B E02202A B S02201A B FA101A B FA102A B 锅炉水 锅炉水 GA103A B FA105A B 放空 EA102 工艺水 工艺水 DA101塔 净化工序 放空 FA102A B EA104 EA103 T42 T45 T59 FA101A B 循环水 循环水 洗涤水 污水处理 脱盐水 工艺水 GA103A B EA102 DA101 水系统 GA106A B EA112 EA110 FA102A B 循环水 循环水 污水处理 FA105A B 放空去火炬 循环水 EA109 GA112A B 污水处理 废气去火炬 0 4MPa蒸汽 污水处理 烧嘴结构 氧气 天然气 蒸气 烧嘴结构 氧气 天然气 蒸气 烧冷水 上 烧冷水 回 事故预案 一 防止DC101A B停车后进氧或进天然气 现象1 进天然气后炉温下降 不进氧 2 进氧 不进天然气 炉温上升 如系统封闭PIC103A B压力上升 防范措施 停车后关闭XV02201A B后截止阀 15分钟后确认FCV02201A B关 关闭100 二楼氧入工段大阀及旁路阀 确认UV104A B 关 UV107A B 开 MOV105A B 关 MOV108A B 开 开位 如出现停车后氧阀均未切换则中控停液氧泵 事故预案 二 防止气化炉超温爆炸现象 中控气化炉壁温 炉膛温度声光报警 温度升高 现场测炉壁温温度上升 超过300 防范措施 1 每半小时中控记录一次气化炉拱顶温度和喉管温度 2 温度点报警时必须确认真假 3 炉膛大于1400 壁温大于350 或每小时上涨速率达60 作停车处理 事故预案 三 防气化炉烧嘴盘管泄漏 炉内高温气体外漏现象 FA115A B流量波动 TIA02208A B温度上升 烧嘴冷却水罐顶取样分析则含有可燃气 防范措施 1 控制烧嘴上水流量FA114A B为13 2T h PIAS02209 4 0MPaG 且保持稳定 2 炉膛温度大于900 保证烧嘴通道有相应的冷却介质通过 3 控制烧嘴回水温度在 95 4 停电时保证高位槽有水 净化装置 净化装置 净化简介一 岗位任务二 工艺原理流程简介 低温甲醇洗 一氧化碳的变换 液氮洗 事故处理 CO2压缩机跳车防甲醇循环中断跑甲醇 400 CO2超标导致500 换热器堵塞 净化简介 一 岗位任务1 200 400 岗位任务 通过低温甲醇洗将工艺气中的硫化物 二氧化碳脱除干净 给尿素装置输送合格的CO2产品 2 300 岗位任务 利用CO转化成C02的反应 除掉对氨合成催化剂有毒的CO气体 使出变换工艺气中CO含量降到3 2 利用转化反应进一步为合成氨制取氢气 3 500 岗位任务 用分子筛吸附器将400 净化气中微量的C02 CH3OH全部吸附掉 脱除净化气中的CO2 Ar CH4 使出工号的合成气中CO 1PPm CH4 0 1PPm Ar 20PPm 将高压氮配入工艺气中 使出工号的合成气H2 N2达3 1 向300 送出含C0为45 左右的富CO气 向锅炉送出含CO CH4尾气 向400 送出分子筛再生后N2作气提用 净化简介 二 工艺原理1 200 400 的低温甲醇洗原理甲醇洗单元是利用甲醇在低温高压的情况下 有良好的物理吸收特性来吸收气体中的H2S与CO2 各种气体在甲醇中的溶解度差异较大 溶解度的大小依次为 H2S CO2 CH4 CO N2 H2 且H2S与CO2的溶解度远大于其它几种气体的溶解度 在脱除H2S CO2的过程中 溶液吸收的各种组分是通过逐步减压闪蒸以及附加的热再生 氮气气提来除去的 其中有效气体CO H2 CH4占较大比例 经重新压缩后返回原料气系统 热再生后分离的酸性气体送燃煤锅炉燃烧或送火炬燃烧或送甲醇车间脱硫后回收利用 气提气送甲醇车间回收利用或送燃煤锅炉燃烧 采用真空解析法使甲醇再生出的CO2量增加 净化简介 2 300 变换工艺原理一氧化碳变换反应是一个放热反应CO H2O CO2 H2 H298 一45KJ mol 1 反应温度的影响根据化学平衡移动原理 对于放热反应 升高温度可使平衡向左方移动 降低温度使平衡向右方移动 但降低反应温度必须与反应速度和催化剂性能一并考虑 对CO含量较高的原料气 开始反应时为了加快反应速度 一般在较高温度下进行 而在反应的后一阶段 为了反应比较完全 就必须使反应温度降低一些 工业上采用分段变换就是基于这一原因的 反应温度与催化剂的活性温度有很大关系 一般工业上用的变换催化剂在低于活性温度时 变换反应便不能正常进行 但高于某一温度时催化剂将会被损坏 因此 CO的变换反应必须在催化剂的适宜温度范围内选择最佳反应温度 净化简介 2 汽 气比从CO变换反应平衡看 增加蒸汽用量 可以提高平衡变换率 增加蒸气量有对平衡有利影响的一面 也有由于接触时间减少所引起不利的另一面 适宜的汽 气比取决于以下几个因素 催化剂性能 在相同变换率的情况下 性能好的催化剂所需蒸汽量比性能差的催化剂要少 系统的平衡状态 在温度 压力和空速一定的条件下 当系统受平衡控制时 特别在较低温度下 加大汽 气比不会提高变换率 甚至会因接触时间的减少而使出口CO含量增加 系统的反应温度为了获得相同的出口平衡浓度 温度越高 所需汽 气比越大 净化简介 析碳反应 一氧化碳在某种条件下会发生分解反应生成游离碳和C02 2CO C CO2生成的游离碳极易附着在催化剂表面 使催化剂活性降低 严重时将使催化剂不能使用 而且此负反应还消耗子一部分一氧化碳 析碳反应是放热反应和体积缩小的反应 所以在降低浓度和增加压力的条件下 使反应向生成碳的方向进行 金属铁和碳化铁的存在也会加速此反应的进行 另一方面 析碳反应和变换催化剂的组成与反应日时气体中的水蒸汽含量有关 在较高的蒸汽比条件下 实际上不产生析碳反应 但在低蒸汽比及高温下则会产生析碳反应 净化简介 3 500 液氮洗工艺原理氮洗工段基本原理包括吸附原理 混合制冷原理及液氮洗涤原理 吸附原理吸附是一种物理现象 不发生化学变化 由于分子间引力作用 在吸附剂表面产生一种表面力 当流体流过时 流体与吸附剂充分接触 一些分子由于作不规则运动而碰撞在吸附剂表面 有可能被表面力所吸引 被吸附到固体表面 使流体中这种分子减少 以达到净化的目的 分子筛对极性分子的吸附力远远大于非极性分子 因此 从400 来的气体中 C02 CH30H因其极性大于H2 就被分子筛选择性的吸附 而H2为非极性分子 因此分子筛对H2的吸附就比较困难 净化简介 混合制冷原理众所周知 将一种气体节流膨胀可进行制冷 科学实践已经证明 将一种气体在足够高的压力下与另一种气体混合也能制冷这是因为在系统总压力不变的情况下 气体在混合物中分压是降低的 要确切做到这一点 互相混合气体的主要组分沸点至少平均相差33 最好相差57 液氮洗涤原理液氮洗涤近于多组份精馏 又不同于多组份的精馏 它是利用氢与CO Ar CH4的沸点相差较大 将CO CH4 Ar从气相中溶解到液氮中 从而达到脱除CO CH4 Ar等杂质的目的 流程图 低温甲醇洗 DA201 DA202 FA204 DA203 DA204 DA401 DA402 300 500 GB201 DA103 SM SM SL GA206A B EA203 T02401P02401A B GA401A B 流程图 CO变换 DA301 DA302 DC301 DC301 EA302 EA301 EA303 GA301A B GA302A B EA307 流程图 液氮洗 D501 A501A A501B E504A B E503 T501 P501A B 600 火炬 火炬BA701 火炬300 放空 GB004 400 事故处理及注意事项 二氧化碳压缩机跳车防甲醇循环中断跑甲醇低温甲醇洗的操作直接影响到净化以及后系统的稳定运行 处理原因 当二氧化碳压缩机跳车时 如果PCA402 403 P411压力调整不及时就会导致甲醇循环中断造成系统跑甲醇 防范措施 1 开PC412B PC413A B放空 及时调整PCA402 403的压力2 现场人员开DA402 段放空阀调整压力 3 中控人员将F407流量加到10000NM3 H 17 2 2 4 及时调整LCA409 02401的液位 事故处理及注意事项 400 CO2超标导致500 换热器堵塞DA401塔是CO2吸收塔 它操作的好坏直接到后系统的运行 处理原因 甲醇循环流量偏小 FCA402 404 或甲醇温度偏高 TA417 调整不及时会导致CO2超标 直接影响500 的稳定运行 处理措施 1 控制FCA402 404 405在该负荷下的指标范围内 2 加大各氨冷器的负荷 降低甲醇温度 3 加大F407气提氮量 4 联系仪表校表 AA401 1 联系中化取样分析 如超标500 打闸停车 合成给水装置 合成简介一 岗位任务二 主要设备三 工艺原理流程简介氨的合成 冷冻工艺系统 新旧氨库 蒸汽管网与冷凝液系统 过热炉 除氧器与给水泵事故处理断电处理 管网阀门故障 高锅C炉跳车 BA701与除氧器事故 合成 给水装置 合成给水简介 一 岗位任务1 压缩净化的合成气 经过合成回路与冷冻系统的循环与提纯生成液氨 2 为尿素提供液氨 提供冷 热氨给净化 空分岗位使用 3 液氨的储藏 4 生产部分3 9Mpa过热蒸汽供蒸汽管网使用 5 平衡各级蒸汽管网蒸汽供其他岗位车间使用 6 回收部分蒸汽冷凝液循环使用 合成给水简介 二 合成岗位的设备 1 氨合成塔A DC601 组合式氨冷器A EC601 进出口换热器与出口冷却器A EA601 603 合成废锅A EC604 蒸汽过热器A EA605 开工加热炉A BA601氨分离器A FA601 氨排放槽与氨受槽A FA603 604 氨储罐T FB101 氨加热器T EA1012 热氨泵与冷氨泵A GA601 602 氨输送泵T GA101冷凝液泵A GA703 氨喷射泵A EA651 合成给水简介 二 工艺原理1 氨的性质相对分子质量17 031 氨气在标准状况下的密度为0 7081g L氨气极易溶于水 溶解度1 700 无色有刺激性恶臭的气体 蒸汽压506 62kPa 4 7 熔点 77 7 沸点 33 5 易溶于水 相对密度 水 1 0 82 79 相对密度 空气 1 0 6 有毒显弱碱性 比较稳定 2 合成氨的原理氨的合成是在高温高压和催化剂存在下进行的 其反应式放热和摩尔数减少的可逆反应 N2 3H2 2NH3 提高平衡含量的途径为降低温度 提高压力保持H2 N2在2 8 3 1之间 经过在合成塔中的反应生成气氨 从而进入氨冷器进行降温冷凝 合成给水简介 3 冷冻系统1 氨合成塔只能将一部分氢氮气合成为氨 为了使它与未反应的气体分离 一般采用降温冷凝的方法 若想使分离的更加完全 合成回路气体温度降得更低必须有专门的冷冻系统2 冷冻系统配有组合式氨冷器 大冰机 氨经过氨冷器中的三段闪蒸罐进行分级制冷 从组合式氨冷器三段闪蒸罐中闪蒸出不同压力与温度的气氨进入冰机进行分段压缩 压缩后经冷凝生成液氨进入氨受槽供给冷冻系统循环使用3 冷冻系统的特点就是提纯与冷冻的结合 液氨经高压分离器送至低压排放槽时压力下降可以将液氨中的一些惰气闪蒸出来作为燃料使用 从冷冻系统净化出的液氨分为冷 热产品 热氨送至尿素装置使用 冷氨提供给净化岗位氨冷器使用 合成给水简介 4 新旧氨库新旧氨库为合成工段的辅助实施 作用是将多余的冷氨进行储藏备用 另外为氨库专门配备了氨输送泵 小火炬 新旧再冷冻系统 防止大冰机跳车后氨库超压 气氨可以排至小火炬 或是经再冷凝系统进行循环 属于一级危险源 5 蒸汽管网与冷凝液管网分为10 0mpa 7 0mpa 3 9mpa 0 98 0 44mpa几个等级 由减压阀控制将管网压力减压至下一级 10 0 7 0 3 9 7 0 0 98 3 9 0 44 阀后及管线上装有减温水阀和放空阀 防止蒸汽管网超温超压 另外岗位还回收伴热 换热器等所产生的部分冷凝液循环使用 合成给水简介 三 除氧器与锅炉给水泵岗位配有新旧除氧器与两台汽泵一台电泵 脱盐水经合成预热器加热加入联氨后进入新旧除氧器 同时0 44Mpa蒸汽由另一侧进入 完成化学与热力除氧 水中的氧气与氮气由排气口排空 在除氧器出口加入氨水调节水的PH值后经给水泵送往相应的用户 出口分为中压与高压水两种主要用户有 蒸汽减温水 合成废锅 甲醇废锅 气化废锅 高锅等 化学除氧 N2H4 O2 N2 2H2O 合成给水简介 四 BA701将从气化废锅产的饱和蒸汽经过BA701吸收燃料 废气等燃烧释放热量成为过热蒸汽 并送入10 0MPa主蒸汽管网中 设备配有 风机GB701 空气预热器EA701 烧嘴等 合成回路 A DC601 A EC601 A FA601 A EA605 A GB601 A EC604 A BA601 A EA603 A EA601 A EA651 500 P4 52MPAT60 P11 49MPAT66 P10 69MPAT27 T442 蒸汽管网 BF101A B GT101 BA701 GT001 GT004 GT701 PT29301 GT601 GT602 K02101 减温水 减温水 减温水 EA701 GA702 0 44管网 GA102 气化废锅 甲醇转化废锅 气化炉 尿素 BA701 10 0MPa 7 0MPa 0 98MPa 3 9MPa 0 44MPa 合成废锅 减温水 减温水 蒸汽过热炉 热火炬 废气 FA105A B FA603 604 热火炬 天然气 BA701 除氧器与给水泵 U29301 EG701 E014