【《KBR生产合成氨的流程分析综述》4800字】

KBR生产合成氨的流程分析综述目录TOC\o"1-3"\h\u28244KBR生产合成氨的流程分析综述 1151051.1美国凯洛格布朗公司KBR工艺流程 1113741.2英国帝国化学公司ICI工艺流程 2313601.3丹麦托普索公司拓扑索工艺流程 2284631.4美国布朗公司布朗工艺流程 3252471.5生产工艺流程比较 423731.6生产工艺流程确定 51.1美国凯洛格布朗公司KBR工艺流程典型凯洛格工艺的主要特点是转化压力高，总压缩成本降低，热回收系统简化。重整器采用专用管网系统和悬挂装置，所用燃烧器安装在重整器顶部；充分回收转化炉的废气的余热，并用来生产高压蒸汽；在重整装置与两段重整装置之间采用专用管路系统，减少了热损失；具备了承受复杂运行条件的能力；离心压缩机采用背压式汽轮机作为驱动电机，降低投资和运行成本；冷激式合成塔可用于拆卸塔内换热器而不妨碍其他部件。但这种方法也有其缺点:变换器的高电压不利于变换平衡，使变换器管承受较大的应力。生产高压蒸汽的锅炉水处理系统成本较高；离心压缩机的相对效率较低。上世纪70年代，我国从国外引进先进的氨合成生产装置，当时这些装置都利用采用锅炉给水预热技术，本世纪中叶，我国从从美国凯洛引进合成氨装置都采用水管型废热锅炉如图4所示，水管型废热锅炉采用立式U型管式，此废热锅炉相比锅炉给水预热技术有很大提升，下图5为水管型废热锅炉中管板堆焊结构示意图。1.合成气入口 1.合成气出口 3.气液混合物出口 4.锅炉给水入口图4水管型废热锅炉1.堆焊层 1.U型换热管 3.管板 4.拉杆 5.堆焊层 6.堆焊层 7.堆焊层图5管板堆焊结构1.2英国帝国化学公司ICI工艺流程基本ICI合成电路，工作压力可达400大气压。新鲜气体冷却下来。如果采用往复式压缩机，在冷却器前将油导入回路前对油进行过滤脱脂，达到脱除CO2和残余水分的目的。压缩机的位置根据类型不同安装的位置也有差异，循环压缩机位置安装在合成塔之前最佳，若该工艺使用往复式压缩机，应该在循环压缩机和合成塔之间安装滤油器。也可以在排放点与进出口换热器之间安装循环压缩机。气体通过合成塔后，冷却成一系列冷却器和热交换器，可以根据企业的不同需求进行专门设计。英国帝国化学公司使用的合成塔主要有冷管式、冷激式两种。冷管式属于“TVA”型。气体由合成塔上方进入，向下由筒体的冷却环隙冷却，再向上经过气体换热器和冷却管，向下经过催化剂床层，再通过换热器向下。采用温度旁路控制，即部分进气不能通过合成塔单元换热器，效率较高，维护成本较低。1.3丹麦托普索公司拓扑索工艺流程合成塔中的气体经过催化剂床层一般是轴向流动。离心压缩机的使用条件需要满足，高生产能力和设备内压力极低，因此增大合成氨塔的内径，使塔压差保持在合适的压力左右。由于高压筒体在制造过程有一定的要求，筒体开口应小于筒体直径。在最简单的径向合成塔上，只有一个催化剂床，气体由高压筒体顶部进入，然后流入绝热层和高压筒体之间的间隙，然后流过热交换器，继续向上流动。进入催化剂床内的多孔中心管。气体通过中心管分布，径向经过催化剂床层。再进入换热器，最后离开合成塔由底部出口。随着合成氨工艺不断发展，托普索公司生产出一系列合成氨装置，下图6为托普索公司双管程火管式结构废热锅炉示意图，该锅炉管板运用Cr-Mo钢、Cr-Ni材料制成，具有耐高温、高压的高性能。图6双管程结构废热锅炉1.4美国布朗公司布朗工艺流程布朗工艺不同于大多数氨工艺。其主要优点在于制备合成气，其主要优点是采用低温净化装置位于甲烷转化炉与合成气压缩机之间，布朗工艺合成的特点是合成气经过压缩机,至预热器，最后直接进入合成塔，实际操作中一般经过氨冷凝器。经过净化后的气体不含其杂质，因此减少了冷凝和洗涤的步骤。离开反应塔的气体用于产生105kg/cm2的蒸汽，然后与进入塔的气体交换热量，最后用水和氨冷却。为了去除补充气体引入的少量氩气，需要释放少量排出的气体，回收回路排放气中的合成气，提高合成气利用率，减小补充气体的用量。该工艺采用三种合成塔:改进型托普索:“TVA”型；冷激型；有一种新的合成塔是布朗开发的。布朗合成塔由两个绝热反应器自上而下串联气体组成，两个反应器的入口温度均为400℃；第一反应器出口温度约为520℃；二是480℃，反应器中的气体经过换热器回收热量，使气体达到进入各反应器所需的温度。锅炉给水用于传热和进一步加热的各种工艺流程。空气压缩机可由燃气轮机驱动，操作更简单，降低了燃气中的可回收热量，从而降低了整体燃气消耗。布朗公司早期的合成氨装置带有换热器、二台布朗合成塔、以及连接合成塔的废热锅炉构成，如下图7所示，该废热锅炉管板采用的是波尔西希公司的专利，管板保护结构如图8所示。1.合成气入口 1.合成气出口 3.汽包图7伍德-波西尔希公司废热锅炉图8波西尔希公司废热锅炉管板热保护结构图1.5生产工艺流程比较与国外发展的新型合成氨技术相比较，丹麦托普索技术存在氨净值低（9%-11%），压力变化范围较大（0.6-0.7MPa）等缺点，美国凯洛格合成氨生产工艺也有类似的缺点，托普索S-100存在催化剂易泄漏，床层结构易破环等不足。当前世界上应用较多的工艺有四种；布朗公司串联三塔和三废锅合成氨工艺、德国伍德公司二塔二废锅合成氨工艺、托普索S-250型废锅合成氨工艺以及卡萨利合成氨工艺。托普索冷激式合成塔不同于凯洛格轴向气体塔；气体流量是经向的。反应气体从塔顶进入，通过内外筒间隙向下流动。再到换热器管道，冷分离管道通过塔底部界面进入。两者在第一段催化剂床层混合，气体沿轴向流过催化剂层后，进入环形通道，与进入塔顶的反应气混合，继续第二段催化剂床层，径向流动沿外部，再由中心管外环形通道向下流动，经过换热器后从塔底流过。相比于轴向冷激式合成塔，具有流速小的优势。即使使用面积较小的催化剂，压降依然控制较小，因此可以提高空间速度，提高氨的合成率，实际操作中，使用催化剂的粒径为1.6-1.6mm，催化剂比表面积较大，对内扩散影响可以忽略不计，氨净值增大，有利于反应的进行。压力较小的情况下，使用离心压缩机来降低能量消耗。该塔面临的缺点是不能确定气体均匀地流过催化剂床层，气体会发生偏流的情况，更不能出现短路的情况，因为这极大降低催化剂的利用率。因此，径向塔适合中、大型塔。为了克服上不足，设置双层圆筒在催化剂筐外，开大量小孔与催化剂接触，另一圆筒的开孔数很少。当气流高速流过时受到阻力影响，气体分布均匀，另外，上下两段催化剂层，安装多空圆筒筒于一定高度，催化剂高度高于空心圆筒，防止气体短路。卡萨里轴相氨合成塔是由三层重叠的催化剂组成的轴径混流合成塔。床层顶部不封闭，两层之间简单密封，可方便的装卸催化剂。催化剂用金属丝网包裹并装在内外筒壁间隙间，内外筒壁上间隔一定距离开孔。筒体外壁开孔，管内壁上端不开孔，强制气体径轴向流过，管的内壁带有多孔桥壁洞，除了均匀的气流外，还能达到缓冲气流的目的，大约5%-10%的气流轴径向流动，剩余的径向流动，球星催化剂具有活性高、收缩性低、利用率及压降小的优势，此工艺使用这个催化剂效果十分显著。凯洛格氨合成塔的气体流向为轴向,外筒体如保温瓶，存在密封困难的问题，通常在缩口部位密封可以起到良好的作用。合成塔主要由管式换热器、层间气体混合装置以及四层催化剂构成。合成气通过塔底进入塔内，经过内筒与外筒之间的环形间隙向上流动，到达外筒冷却的效果。气体通过催化剂筐流过换热器与筒体上部环形空间。再向下流过换热器管道，进入第一层催化剂之前需至温度达到400℃。经过反应温度达500℃左右，第一层和第二层之间的反应气体和冷激式冷气体进行混合。达到降温的效果，再进入第二层催化剂。按照此规律，最后气体由第四层催化剂底部排出，经中心管和换热管向上，最后经连接管出塔，该塔的优点是:用冷激气型控制反应温度，操作简单，结构不是很复杂，筒体内开人孔，装填催化剂更容易，缺点是瓶体结构有利于密封，但在合成塔头焊接前必须适当安装零件。1.6生产工艺流程确定合成氨工艺的基本步骤一般包括:原料气的压缩；原料气向循环系统中的补入；原料气的预热过程；氨的合成；生产出氨气分离；没有反应氮氢的循环；热量的回收；惰性气体排放；合成氨反应热利用循环过程，合成氨工艺设计是上述步骤的合理安排。主要是循环压缩机的合理确定，新鲜原料气的补入和排放气的位置，热交换器的安排和热回收方法的确定。本设计为年产合成氨8万吨的中型合成氨工艺设计。通过分析和比较几种典型合成氨工艺流程的优势与不足，选用美国凯洛格－布朗公司KBR合成氨工艺。该工艺以天然气作为生产原料，为提高合成氨的生产率，将天然气含有大量甲烷气体转化为生产合成氨的有效原料气体。天然气转化需采用两个阶段转化。该工艺需要在温度450℃、压力31MPa的条件下进行。关键的操作步骤有：天然气和一定量的蒸汽发生转化反应在一段炉内进行，甲烷与蒸汽经过转化会生成一系列产物，如H2、CO和CO2等，随后一段转化气到二段炉，空气中的氧与原料反应提供热量使二段炉与入口空气反应，并产生合成氨所需的N2，一段转化气中的甲烷在二段炉内进一步转化成氢气及碳氧化物，二段炉出来的原料气经一系列净化处理后，合格的氢氮气送到合成工段，合成气经冷凝器和氨蒸发器冷却冷凝，大量的氨被冷却，氨分离器分离得到液氨的低温合成气，与冷凝器内的进料合成气发生热量交换，使其温度提高进入合成塔，为单轴径向合成塔。反应温度由制冷剂和层间间接传热控制。目前，循环法得到了广泛的应用。氨分离后，还有部分未反应氢气和氮气，将极少量的气体进行放空，达到降低惰性气体含量的效果，其余气体继续进入合成塔，继续进行氨的合成，也达到了提高原料利用率的好处，气体经过反应器、管道中，受到阻力摩擦力的影响降低了压力，故流程中设置循环机。循环压缩机安装的部位设计在工艺中气体流量小、低温的位置，减少能量消耗。由于气体中无油污，采用离心式压缩机，无上述的条件。由于新鲜气加入位置与循环压缩机安装的位置可以是同一处，因此使用无油润滑循环机极为合适。在循环压缩机的后面加了一个油分离器，把从循环机中出来循环气中的油、水及其杂质除去，使循环气达到使用要求。气体经压缩机到油水分离器出来后，分两部分进入合成塔，一股由合成塔顶部进入，一股由合成塔底部进入，通过换热使它的温度有所提高后再进入热交换器，使它的温度得到再次提高后再从合成塔下部进入反应。这样可以大量节约，充分利用反应热，又可使原料气温度提高，使它进入合成塔后再没有很长的温升时间就可参与工艺反应，安装废热锅炉位于合成塔后，用反应后的混合气的热量来副产蒸汽。因为刚从合成塔出来的混合气的温度很高，而合成氨厂很多地方都要用到高压蒸汽。所以这也是充分利用能量的体现。在废热锅炉后面是热交换器。将从废热锅炉出来经过换热的冷气再进行换热，经过加热的冷气体进入合成塔进行反应。经过冷却的热混合气从热交换器出来后进入水冷器。这样做的目的是节省冷却水量和充分利用能量。再经过水冷器的冷却后一部分氨就会冷凝下来。这样我们就需要将这部分氨分离出来。所以我们在水冷器后面又安排了一个旋液分离器。通过旋液分离器分离出液氨，然后进入液氨储罐。剩余的气体中还有一定的氨，而在这里惰性气体的含量又是最高的。从氨分离器出来后要将循环气进行一定量的放空。控制惰性气体在循环气体中的含量在一定的范围，对于驰放气体的排放，满足减少源量浪费，能量损失最低，经济化最优的原则下进行，因此惰性气体的最高、氨含量最低的部位，若循环气中惰性气体的含量太高，降低反应速率，氨产率减小。因此，需要将惰性气进行放空。剩余的部分中的氨要冷凝下来，需要进一