日产600吨化为800吨合成氨塔的设计

1、 日产600吨化为800吨合成氨塔的设计王生银 摘要：介绍了合成氨各种原料制造气工艺路线，比较各种工艺路线及技术经济指标，提出合理的合成氨改造建议。关键词：合成氨 原料 改造Nissan 600 tons of 800 tonstower design of Synthetic AmmoniaWangshengyinA BSTRACT Introduced all kinds of material of Synthetic Ammonia, craft line with all kinds of craft line and economic indicators, reasonable

2、reform proposals of Synthetic Ammonia.KEYWORDS synthetic ammonia raw material reform1. 前言 由于市场的需要和技术的进步，日产600吨合成氨的产量已经跟不上时代的要求，所以我厂准备增加产量，将日产600吨改造为日产800吨，由于合成氨原料不同所采用的工艺路线和经济成本大不相同，所以根据我厂的具体情况将设计成本最低，合成路线最简单的合成路线。2. 各种合成氨原料造气工艺路线及制造成本的比较A. 以天然气为原料工艺流程：以天然气为原料合成氨工艺流程简图（1）天然气进入转化工序之前，需将天然气中的硫化物脱致0.10

3、.510-6，天然气的精脱硫可采用氧化锌法（中温脱除法）或加氢转化串接氧化锌法。脱硫后接下来就开始将天然气转化为合成气，这道工序是整个合成氨的关键工序，投资占总投资的50%以上，而且转化工序的能耗在总能耗中也处于决定性地位，转化工序通常包涵两段，第一段为蒸汽转化，第二段是配入适量空气，提供合成氨所需要的氮，以及使氧与一段未转化的甲烷发生不完全燃烧，产生高温，供残余甲烷继续转化，就热力学平衡而言，天然气的蒸汽转化要在低压下进行，升高压力对转化不利。但事实上转化仍在较高压力下进行，目的是降低整个装置的能耗、缩小装置尺寸和提高催化剂床层的给热系数。压力的升高需要以提高温度来弥补对转化率不利的影响。要

4、使反应后CH4含量达到0.3%，温度需达到1000，作为一个吸热反应，所需反应热通过炉管传递，要达到如此高的温度，炉管材质受蠕强度限制无法解决，为此安排两段反应，第一段反应温度为790820，此时炉管管壁温度为900920；第二段补入适量空气，使CH4发生不完全燃烧反应，自热致1200，可提供进一步蒸汽转化所需的热量。在转化过程中的水碳比（是蒸汽和甲烷的质量比）应超过化学计量要求，这不仅是为了加速反应更主要的是为了防止产生析碳反应，然而高的水碳比回事装置的能耗增加，为此需要改进催化剂的抗析碳性能。理想的天然气蒸汽转化催化剂应具有以下性能： 对转化反应具有高的活性， 选择性好，尤其是抗析碳性好，

5、 优良的几何形状，可降低压降，提高床层给热系数，充分发挥活性组分的作用， 要有足够的使用寿命。合成气中CO变换需要使用催化剂，高温变换使用铁系催化剂，主要组分是Fe2O3，还原成Fe3O4而具有活性，低温变换常用Cu-Zn-Al催化剂。合成气经过变换后就进行脱碳工序，主要是除去合成气中的CO2。脱碳有碳酸丙烯酯法、低温甲醇洗发、用聚乙二醇二甲醚作息首页的工艺等物理吸收法和烷基醇氨溶液法、热钾碱溶液法、联合工艺等化学吸收法。然后再除去合成气中少量的CO2、CO、O2和水分。压缩然后通入合成塔中进行氨的合成。B.以煤为原料工艺流程：以煤为原料合成氨工艺流程简图（2）以煤为原料制取氨的原料气，此过程

6、称之为煤的气化，。它是以煤为原料，以氧气和水蒸气等为气化剂，在高温条件下，在高温条件下，通过化学反应把煤或焦炭中的可燃部分转化为气体的过程，气化时所得的气体即为煤气，其有效成分包括一氧化碳，氢气和甲烷等。煤的气化过程十分复杂，主要化学反应有：C+O2CO C+O2CO2 C+H2OCO+H2 C+2H2OCO2+H2 C+CO22CO C+2H2CH4 粗煤气经过脱硫后就进入下一道工序，脱硫气的变换，合成氨原料气中的CO一般分两次除去，大部分先通过变换反应：（3） CO+H2OCO2+H2， 这样，既能把CO转化为易于清除的CO2，同时又能制得与反应了的CO等摩尔的H2，而所消耗的只是廉价的水

7、蒸气，因此，CO变换既是原料气的净化过程，又是原料气制造的继续，最后少量的CO再通过其他净化法加以脱除。CO变换完后就进行后续脱碳，脱碳工艺与天然气为原料的脱碳工艺一样，但由于煤的价格高于天然气，并且煤很难再生，所以在原料上增加了合成成本，再加上没得气化对温度和压力要求更高，所以又增加了设备成本，总之，综合各方面的因素，以煤为原料合成氨成本还是较高的。C.以重油为原料： 合成工艺路线：以重油为原料合成氨工艺路线简图（4）以重油为原料，由于重油价格很贵，重油成分复杂，再加上生产工序中多了炭黑清除工序，增加了设备成本和劳动成本，甲醇洗很难将二氧化碳除到标准要求，影响产量，而且工艺路线比较复杂，生产

8、的氨纯度不高，还会有一些易挥发的有机物，所以以重油为原料成本很高，总之用重油合成氨不可取。而以渣油为原料合成氨，由于渣油成分更加复杂，所需的程序更多，况且渣油也很贵，这样成本更高，产品纯度更低，影响经济效益，所以综上所述，我们采取以天然气为原料合成氨。 合成气进入氨合成塔，进行氨的合成，合成氨催化剂种类繁多，性能也各不相同。它们大多以精选的天然磁铁矿加助催化剂熔融、粉碎而制成，故为不规则颗粒，其比表面积仅为14m2/g左右，孔体积约0.1ml/g，助催化剂的加入有助于提高合成氨催化剂的活性及稳定性，常用的助催化剂有AL2O3、K2O、GaO、MgO及SiO2等。合成工艺条件：无论反应的平衡或者

9、速率而言，升高压力对合成氨反应都是有利的，压力升高也有利于氨的分离，反应器的生产能力也相应增加，然而增加压力将增加投资费用及动力消耗，故权衡各种因素确定合成压力，我国大型装置采用14.71MPa和26.38MPa，中性型装置一般采用31.38MPa。升高温度对合成氨的反应也是有利的，但是在近平衡条件下将使转化率下降，因此存在着最适宜温度的选择问题，实际上影响合成温度的还有合成压力、气体组成及扩散过程。且反应器的结构形式也有重要影响。合成氨H2:N2=3:1，但由于整个反应历程中的控制步骤是氮气在催化剂上的活性吸附，同时也受合成反应距平衡的程度及塔内气体空速的影响，因此一般认为氢氮比稍低于3对反

10、应是有利的，但新鲜原料气的氢氮比应为3，否则会造成循环气氢氮比的累积性失调。合成氨回路中的惰性气CH4、Ar是由补充合成气带入的，它们不参与反应，而虽未反应的合成气循环而积累，因此，需从系统中排放一定量的驰放气，这也必然造成有效组分氢气和氮气的损失，此外由于气体循环，未冷凝的氨也将随循环气进入合成塔，其浓度与压力及合成方法有关，通常低压为2%3.2%，中压为2.8%3.8%，高压可达6.5%，如果采用水吸收分氨流程，则可降至0.5%以下。就合成氨过程而言，较高的空速可获得较高的空时产率，但高空速可导致气体中的氨静速下降和系统压降上升等问题，一般低压合成氨的空速为500010000h-1，中压回

11、路的为1500030000h-1，高压回路则可达60000h-1。脱碳装置简图（5）在合成氨中脱碳是很关键的一步，所以我们就着重研究一下脱碳，前面已经说过，脱碳有物理和化学方法，物理吸收法投资省，能耗低，再生容易，PC脱碳由吸收和再生两大部分组成，CO2含量为26的变换气通过吸收塔后，形成合格的净化气供合成氨生产使用，吸收了CO2的碳丙液经减压在解吸塔中解吸出CO2，这就是图中所示PC脱碳，吸收剂是碳酸丙烯酯，是由Fluor公司开发，适用于合成器的脱碳，净化气中CO2含量小于1%。但回收率与纯度不够理想。溶剂碳酸丙烯酯稳定无毒，价格便宜，但具有腐蚀性，能耗较高。低温甲醇洗发对设备管道的材质要求较高，在制造上也有难度，为降低能耗回收冷量，换人设备特多，合成反应器：合成反应器是整个合成氨装置中的核心设备，通常它由外筒和内件组成，外筒承受高压而一般不承受高温，内件则承受高温而不承受高压，氨合成反应器有多种多样的形式结构，按照其流方向可分为轴向流型和径向流型，及将二者混合的混合流型。目前混合流型为大型合