【《合成氨的工艺流程方案的确定分析案例》2700字】

合成氨的工艺流程方案的确定分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u9902合成氨的工艺流程方案的确定分析案例 173121流程方案的确定 1319081.1生产原理 1278831.2合成氨的生产方法 1106211.3合成工段工艺条件的确定 220163（1）操作压力 21135（2）反应温度 23998（3）空速 221356（4）入塔气的组成 3230752工艺流程 423182.1合成工段工艺流程简述 4181212.2工艺流程方框图 41流程方案的确定1.1生产原理氨合成反应：氨合成是体积减小的放热反应。氨的合成反应的条件是高压和催化剂，常压、常温下反应速度十分缓慢。通过反应过程中平衡氨含量的计算，可以得出两点：（1）温度降低，反应向右移动生成氨气，但反应速率较慢；温度升高，反应不利于生成氨气，平衡氨含量下降，但反应速率加快；（2）压力升高，平衡时得到的氨气的量增加，升高压力有利于生成氨气，这是因为反应自身的反应分子数减少。氨合成反应需要催化剂，没有催化剂，反应在高压也很难进行，常用催化剂是铁基催化剂，其中对反应有催化活性的成分是金属铁。1.2合成氨的生产方法合成氨的工艺流程：一是原料气的制取；二是原料气的净化；三是氨气的合成。冷却分离得到的合成混合气，得到产品氨和其他气体，分离后的气体再送回合成系统，补充在原料气中。目前氨合成的方法根据采用的压力不同，可分为低压法、中压法和高压法三种[9]。（1）低压法工作压力小于20MPa，该方法可以选择亚铁氰化物作为催化剂，亚铁氰化物催化剂活性强，对毒物敏感，对合成气的成分要求高。也可以选择磁铁矿作为催化剂，反应温度要求在450~550℃。该方法可以在较低的温度和压力进行操作，对设备的材质要求低，生产过程可控，但得到气体中氨的含量不高，出口气体中氨气占8%~10%，生产能力低。低压法还需要设置冷冻装置将循环气降温到-20℃，使氨液化，才能分离出混合气中的氨。（2）高压法工作压力在60MPa以上，反应温度在550~650℃。该方法合成氨的效率高，出口气体中氨的体积分数约在25%~30%，生产能力高。高压法不需要设置氨冷设备，直接用冷却水降温，就可以实现氨气的分离。该方法要求高压高温的环境下进行，要求设备材质必须优良。合成塔采用高镍优质合金钢材质，也不能避免合成塔内产生裂纹，同时催化剂层内的反应热不易移除导致催化剂失活。（3）中压法操作压力在20~35MPa，反应温度在450~550℃。该方法技术比较成熟，优势和不足介于上述两种方法之间，综合经济效益来看，投资成本费用合理。工艺设计需要根据投资费用、能源消耗、设备性能和实际生产操作等多方面综合考虑，选择的压力不应过高或过低，现在大多数合成氨工厂都采取中压法。本设计也采用中压法，操作压力为32MPa。1.3合成工段工艺条件的确定（1）操作压力从化学平衡可看出来，提高压力对反应是有利的，出口气体中的氨浓度增大，生产能力增加，所以一般选择较高压力。高压不仅能提高产量，还能简化流程，有利于氨的分离，不需要设置复杂的氨冷流程。但对设备和管道的材质要求高，影响催化剂的使用寿命，操作安全性低，不利于生产管理。综合多方面因素考虑，操作压力一般在30~35MPa，本设计的操作压力为32MPa。（2）反应温度合成氨是一个可逆放热反应。降低温度，平衡向右移动，生成氨气的量增加；升高温度，平衡向左移动，生成氨气的量减少。因此合成反应需要降低合成塔的温度。氨的合成反应不能缺少催化剂，操作温度的确定还需要考虑到对催化剂活性的影响，氨合成催化剂活性温度在[10]，反应温度也应该在这个范围。在生产过程中，反应温度的控制还需要考虑到催化剂的使用时长，新的催化剂活性较高，操作温度可以适当降低，时间长了，催化剂活性下降，需要提高操作温度，控制反应温度不能低于活性温度，反应温度最终取决于催化剂和合成塔材质结构。（3）空速空速指单位时间里，停留在催化层的原料气量，单位为L/h。空速增加[11]，气体停留在催化层的时间减小，部分反应物很快就离开了催化剂表面，还没有发生反应。合成塔出口气中氨的体积分数下降，氨净值降低。同时空速大系统阻力大，功率消耗增大。实际生产中空速不可能无限增加，一般压力在32MPa时，空速控制在20000~30000L/h[12]。（4）入塔气的组成氢气、氮气、氨气以及不参与反应的杂质一起输送到合成塔。①氢氮比要使平衡氨含量能达到最高，氢氮比为反应方程式的化学计量数之比（3：1）[13]。从氨的生成反应动力学机理的角度可知，最适氢氮比随着氨浓度的变化而变化，氨的生成反应的控制步骤是氨的活性吸附过程，适当提高氨气的含量，对反应有利。实际生产中有其他因素影响，当平衡氨含量达到最大时，氢氮比也不会为3，实际进料气的氢氮比的适宜值在2.8~2.9之间。②惰性气体根据原料气净化工艺，难免有CH4等不参与反应的气体留在原料气，随着氢氮气一起进入合成工段，它们不参与反应而累积在系统里不断增加。惰性气体含量不断增加相对于反应物的分压在下降，这与高压有利于合成反应的结论相违背[14]。惰性气体对生产过程都是不利的，一般采取部分放空的办法减少惰性气体。排放时氢气、氮气和氨气也会随着惰性气体一起排放掉，损失了原料气。惰性气体对生产没有一点好处，理论上应该越少越好，但CH4和N2、H2的分离非常困难，是难以解决的问题，想要分离出原料气中的惰性气体就需要增加工艺流程，使工艺复杂化，大大加重投资成本，经济效益不高。在实际生产中，一般要求原料气中含惰性气体0.5~1.0%，在循环气中占10%~15%。③初始氨含量初始氨含量的高低主要取决于分离氨时的冷凝温度和分离效果。冷凝温度越低，分离效果越好，初始氨含量也就越低。进口气的氨含量减少，从化学平衡的角度来看，平衡向右移动，生成氨气的含量增加，产率增大。要使初始氨含量过低，则需要过分降低冷凝温度，导致过多的增加冷冻功耗，经济上不可取。在实际生产中，一般操作压力设定在30MPa左右的氨合成工段，初始氨值在2.5%~3.5%之间。2工艺流程2.1合成工段工艺流程简述从上一个工段送来新鲜气（35℃~45℃）经压缩机压缩后，与冷交换器出口的冷气体混合，两股气体混合后温度下降到17℃，送到氨冷器Ⅰ。气体管内流动，液氨在管外蒸发带走了混合气大量的热，使管内气体的温度下降到0℃左右，进入氨冷器Ⅱ进一步将温度降至-10℃左右得到气液混合物，气液混合后的下一步分离是送到冷交换器下部的分离器中，分离后的液氨送到液氨储罐。剩下的气体在上部换热器壳程与热气体进行热量交换至22℃后离开冷交换器送到循环压缩机，再送到合成塔。在合成塔发生反应，氨气的体积分数增加到16.7%，再经塔内换热器降低温度，后进入废热锅炉。换热产生蒸汽后进入热交换器，当蒸汽的温度下降至112℃后送到水冷器，水冷器内混合气温度下降到35℃，混合气中的部分氨气将液化，在氨分离器中将分离从水冷器出来的气液混合物，液氨和气体分离后，液氨送到