NJUT合成氨仿真实习报告2012.11

PAGEPAGE6南京工业大学城市建设与安全工程学院 AAAAAA1000000000安全工程系化学化工实验教学中心2012年11月

一、实习目的本次氨合成仿真实习是实习计划的组成部分，通过实习使学生了解化工生产一般特点、规律和工艺参数的控制，获得化工生产实践知识，培养运用化工专业理论知识，分析和解决实际问题的能力，为适应今后所从事的化工企业工作打下良好的实践基础。合成仿真实习是理论联系实际，应用和所学专业知识的一项重要环节，是培养我们动手能力和学习能力的一个重要手段。仿真实习是以仿真的实习模式，在既保证学生安全又能完美提供实习机会的情况下，学校给予我们的一次专业实践的机会。是我们在学习专业知识后进行实际运用的重要环节，它对培养我们的动手能力有很大的意义，同时也能使我们了解化工工艺的重点要素，仿真实习是我们走向工作岗位的必要前提。二、实习要求1.实习装置为合成氨生产仿真装置。要求了解并熟悉生产过程及控制，包括：生产方法和原理，原料、催化剂及产品特性；生产工艺流程（流程中设备、主副管线，过程操作和控制）；各工序工艺条件及控制：主要设备操作温度、压力和组成；主要设备型式、结构；主要设备及管线上的控制仪表及调节方法。三、实习内容仿真实习的主要内容是：以河南化肥厂为原型的大型合成氨全流程仿真模型和以宁夏化工厂为原型的合成氨大工段DCS控制系统仿真软件。两者均以天然气为原料的合成氨工艺，通过仿真实习了解合成氨工艺原理与流程，掌握合成氨生产中的主要参数和DCS控制系统的操作。四、合成氨的工艺原理与流程(1)合成氨装置转化工段转化工段包括下列主要部分:原料气压缩和脱硫→原料气的一段蒸汽转化、转化气的二段转化→CO变换。1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。加氢转化主要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。在采用钴钼催化剂的条件下，主要进行如下反应：R-SH+H2=RH+H2SR-S-R’+2H2=RH+R’H+H2SC4H4S+4H2=C4H10+H2SRC=CR’+H2=RCH2-CH2R’氧化锌是一种内表面积颇大，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。氧化锌脱硫反应：ZnO+H2S=ZnS+H2O原料天然气在原料气预热器（141－C）中被低压蒸汽预热后，进入活性碳脱硫槽（101－DA、102－DA一用一备），进行初脱硫后，经压缩机（102－J）加压。在一段炉对流段低温段加热到230℃左右与103-J段来的氢混合后进入Co－Mo加氢和氧化锌脱硫槽（108－D）终脱硫后，天然气中的总硫≤2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：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℃脱硫后的原料气与中压蒸汽混和后，经对流段高温段加热后，进入一段炉（101－B）的336根触媒反应管进行蒸汽转化，管外由顶部的144个烧嘴提供反应热，经一段转化后，气体中残余甲烷在10％左右。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。一段转化气进入二段炉（103－D），在二段炉中同时送入工艺空气，工艺空气来自空气压缩机（101－J）加入少量中压蒸汽并经对流段高温段预热，转化气中的H2和空气中的氧燃烧产生的热量供给转化气中的甲烷在二段炉触媒床中进一步转化，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。5CO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在有催化剂存在的条件下与水蒸汽反应：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。整个变换过程是由高温变换和低温变换组成。高温变换所用的催化剂是以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。它的变换温度一般在200～250℃由第二废热锅炉来的转化气约含有12－14％的CO，进入高变炉（104－DA），在高变触媒的作用下将部分CO转化成CO2，经高温变换后CO含量降到3％左右，然后经第三废热锅炉（103－C）回收部分热能，经换热器（104－C）进入低变炉（104－DB）在低变触媒的作用下将其余CO转化为CO2，出低变炉的工艺气中CO含量约为0.3％左右。图1合成氨转化阶段总图(2)合成氨装置净化工段1脱碳经变换工序后的工艺气，CO2含量一般在17％左右。本装置采用改良苯菲尔法脱除工艺气中的二氧化碳，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，后一个过程是再生过程。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％。从变换工序来变换气温度60℃，压力2.799MPa进入CO2吸收塔(101-E)下部，在吸收塔中经塔板逆流向上与塔顶加入的贫液（40℃）接触，脱去工艺气中所含二氧化碳，再经塔顶洗涤段后出CO2吸收塔，出吸收塔净化气在管路上由喷射器喷入变换气分离器(102-F)来的工艺冷凝液进一步洗涤，经净化气分离器(121-F)分离出喷入的工艺冷凝液，温度从CO2吸收塔塔底出来的富液（74℃）先经溶液换热器(109-CB)加热，再经溶液换热器(109-CA)进一步升温至105℃后，进入CO2汽提塔(102-E)顶部，102-E为筛板塔，共10块塔板，在CO2汽提塔中靠变换气煮沸器(105-CA.B)蒸汽煮沸器(111-C)提供的热量蒸发出大量水蒸汽，由下向上逐板汽提出溶液中的CO2，气体经过CO2汽提塔冷凝器(110-C)，再经CO2汽提塔回流液槽(103-F)分离出液体后，CO从CO2汽提塔底部出来的热贫液先经溶液换热器(109-CA)与富液换热降温后进贫液泵，经贫液泵(107-JA/JB/JC)升压后的贫液再经溶液换热器(109-CB)降温，并经贫液冷却器(108-C)进一步冷却至40℃左右进CO2从CO2汽提塔回流液槽底部出来的冷凝液，先经回流液泵(108-J)升压，一部分去冷凝液处理装置，另一部分去CO2吸收塔顶部洗涤净化气中夹带出的溶液，洗涤后的冷凝液回CO2汽提塔顶部进入系统。图2脱碳系统现场图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CO3冷凝液回收系统自低变104-D来的工艺气（260℃）经102-F底部冷凝液萃冷后，再经105-C，106-C换热至60℃，进入102-F，其中工艺气中所带的水分沉积下来，脱水后的工艺气进入CO2吸收塔101-E脱除CO2。102-F的水一部分进入103-F，一部分经换热器C66401换热后进入E66401，由管网来的327(3)合成氨装置合成工段氨的合成是整个合成氨流程中的核心部分。前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。氨合成的化学反应式如下：1/2N2+3/2H2＝NH3+热量这是一个放热和体积减少的可逆反应。1合成系统从甲烷化来的新鲜气（40℃、2.6Mpa、H2/N2=3：1）先经压缩前分离罐(104-F)，分离气体中的水后，进合成气压缩机(103-J)低压段，在压缩机的低压缸将新鲜气体压缩到合成所需要的最终压力的二分之一左右，出低压段的新鲜气先经热交换器（106-C，（现场图中错标为136-C）与甲烷化进料气换热）冷却至93.3℃，再经水冷器(116-C)冷却至38℃,最后经氨冷器(129-C)冷却至7合成回路来的循环气与经高压段压缩后的氢氮气混合进压缩机循环段，从循环段出来的合成气进合成系统水冷器(124-C)。高压合成气自水冷却器124-C出来后，分两路继续冷却，第一路串联通过原料气和循环气一级和二级氨冷器117-C和118-C的管侧，冷却介质都是冷冻用液氨，另一路通过就地的MIC-23节流后，在合成塔进气和循环气换热器120-C的壳侧冷却，两路会合后，又在新鲜气和循环气三级氨冷器119-C中用三级液氨闪蒸槽112-F来的冷冻用液氨进行冷却，冷却至-23.3℃。冷却后的气体经过水平分布管进入高压氨分离器（106-F），在前几个氨冷器中冷凝下来的循环气中的氨就在106-F中分出，分离出来的产品液氨送往低压氨分离器(107-F)。从高压氨分离器出来后，循环气就进入合成塔进气—图3合成氨工段现场图2冷冻系统合成来的液氨进入中间闪蒸槽(107-F，即低压氨分离器)，闪蒸出的不凝性气体通过PICA-8排出，作为燃料气送一段炉燃烧。分离器107-F装有液面指示器LI-12。液氨减压后由液位调节器LICA-12调节进入三级闪蒸罐(112-F)，进一步闪蒸，闪蒸后作为冷冻用的液氨进入系统中。冷冻的一、二、三级闪蒸罐操作压力分别为：0.4MPa(G)、0.16MPa(G)、0.0028MPa(G)。三台闪蒸罐与合成系统中的第一、第二、第三氨冷器相对应，它们是按热虹吸原理进行冷冻蒸发循环操作的。液氨由各闪蒸罐流入对应的氨冷器，吸热后的液氨蒸发形成的气液混合物又回到各闪蒸罐进行气液分离，气氨分别进氨压缩机(105-J)各段气缸，液氨分别进各氨冷器。由液氨接收槽(109-F)来的液氨逐级减压后补入到各闪蒸罐。一级闪蒸罐(110-F)出来的液氨除送第一氨冷器(117-C)外，另一部分作为合成气压缩机(103-J)一段出口的氨冷器(129-C)和液氨接收槽(109-F)的氨冷器(126-C)的冷源（126-C冷却管道图中省略）。氨冷器(129-C)和(126-C)蒸发的气氨进入二级闪蒸罐(111-F)，110-F多余的液氨也送往111-F。111-F的液氨除送第二氨冷器(118-C)和弛放气氨冷器(125-C)作为冷冻剂外，其余部分送往三级闪蒸罐(112-F)。112-F的液氨除送119-C作为冷冻剂外，还可以由冷氨产品泵(109-J)作为冷氨产品送液氨贮槽贮存。图4冷冻工段DCS图3.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。4.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。五、合成氨合成工段的工艺仪表流程图六、合成氨合成工段自动控制的要点1、整个塔的温度控制:工艺气正常进气后，关小进气总阀HCV11，由于反应气进料量减少，反应放热减少，整个塔的温度都将有所下降。2、塔的各段温度控制：开大MIC13,由于塔的上部冷激气量增加，塔的上部温度将降低；同理，开大MIC14,塔的中部温度将降低；开大MIC15、MIC16,塔的下部温度将降低。3、闪蒸罐液位控制总原则：看清闪蒸罐的流入管路和流出管路，“开源节流”则液位上升，反之则下降。4、冷冻工段的各液位控制先进行手动调节，待达到正常值稳定后，再切换到自动。5、109F液位无法进行自动控制，只能通过VV066手动控制。即打开VV066，不做其它操作，看到液位升高到约70%，即关闭VV066。反之液位低于30%，即打开VV066补充液位。6、合成工段与冷冻工段是一个整体，在反应器升温时开始进行冷冻工段的操作。合成工段106F的液体流至冷冻工段的107F。七、实习思考题1．为什么天然气要预先脱硫才能进行转化？答：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。2．影响氨平衡浓度的因素有哪些？答：温度、压力、空速、氢氮比3．温度和压力对氨合成反应速率的影响？答：温度升高、压力增大均能使氨合成反应速率加快。4．氨合成塔的主要结构？答：按降温方法不同，氨合成塔可分为以下三类：（1）冷管式。在催化剂层中设置冷却管，用反应前温度较低的原料气在冷管仲流动，移出反应热，降低反应温度，同时将原料气预热到反应温度。根据冷管结构不同，又可分为双套管、三套管、单管等不同形式。冷管式合成塔结构复杂，一般用于小型合成氨塔。（2）冷激式。将催化剂分为多层，气体经过每层绝热反应温度升高后，通入冷的原料气与之混合，温度降低后再进入下一层催化剂。冷激式结构简单，但加入未反应的冷原料气，降低了氨合成率，一般多用于大型氨合成塔。（3）中间换热式。将催化剂分为几层，在层间设置换热器，上一层反应后的高温气体进入换热器降温后，再进入下一层进行反应。5．在仿真装置中，氨合成塔的反应温度如何控制？答：（1）、整个塔的温度控制:工艺气正常进气后，关