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1、年产12万吨合成氨合成工段的工艺引 言液氨称为无水氨，是一种无色液体。具有强烈刺激性气味，极易气化为气氨。相对密度0.667g/cm,相对分子质量17.03，沸点-33.33，溶点-77.7，爆炸极限为15.7%27%（体积分数），液氨在工业上应用广泛，而且具有腐蚀性，容易挥发。合成氨是化学工业的基础，也是我国化学工业发展的重要先驱。其产量居于各种化工产品的首位，同时是能源消耗的大户。氨产品分为农业用氨和工业用氨两大类。农业用氨主要用于生产尿素、硝铵、碳铵、硫酸铵、氯化铵、磷酸一铵、磷酸二铵、硝酸磷肥等多种含氮化肥产品。用于生产尿素和碳铵的消费量约占合成氨总消费量的75%，用于生产硝铵、氯化铵
2、等其他肥料的合成氨约占合成氨总消费量的15%；工业用氨主要用于生产硝酸、纯碱、丙烯腈、己内酰胺等多种化工产品，占总消费量的10%。合成氨生产的原料在20世纪末是以气体燃料和液体燃料为主。近年来，固体原料的比重大幅上涨。合成氨传统生产方法是在低温下将空气液化并分离制取氮，氢气则由电解水制取或在高温下将各种燃料与水蒸气反应制得。由于这两种制氢法能耗大，成本高，因此未能在工业中得到应用，因此，迫切需要改进生产工艺，降低成本，提高经济效益。世界合成氨的技术发展经历了传统型蒸汽转化制氨工艺阶段、低能耗制氨工艺阶段、装置单系列产量最大化阶段。未来合成氨的基本生产原理将不会出现原则性的改变，其技术发展将会紧
3、紧围绕“降低生产成本、提高运行周期、改善经济性”的基本目标，进一步集中在“大型化、低能耗、结构调整、清洁生产、长周期运行”等方面进行技术的研究开发。 第1章 概述1.1 研究背景1.1.1 氨的性质 物理性质 常温常压下，氨是一种具有特殊刺激性气味的无色气体，有强烈的毒性。空气中含有0.5%（体积分数）的氨，就能使人在几分钟内窒息而死。在0.1MPa、-33.5，或在常温下加压到0.7到0.8MPa，就能将氨变成无色液体，同时放出大量的热量。氨的临界温度为132.9，临界压力为11.38MPa。液氨的相对密度为0.667g/cm（20）。若将液氨在0.101MPa压力下冷至-77.7，就能凝结
4、成略带臭味的无色结晶。液氨容易气化，降低压力可急剧蒸发，并吸收大量的热。氨极溶于水，可制成含氨在15%至30%（质量分数）的商品氨水。氨溶解时放出大量的热。氨的水溶液呈碱性，易挥发。 化学性质 氨的化学性质活泼，能与酸反应生成盐。如与磷酸反应生成磷酸铵；与硝酸反应生成硝酸铵；与二氧化碳反应生成氨基甲酸铵，脱水后成为尿素；与二氧化碳和水反应生成碳酸氢铵。在有水的条件下，氨对铜、银、锌等金属有腐蚀作用。氨的自燃点为630。氨与空气或氧按一定比例混合后，遇火能爆炸。常温常压下，氨在空气中的爆炸极限为15.5%到28%，在氧气中为13.5%到82%。1.1.2 氨的用途 制造化学肥料的原料氨是重要的氮
5、素肥料，农业上使用的所有氮肥、含氮混合肥和复合肥，都是以氨为原料。其它氮素肥料也大多是先合成氨，再加工成尿素或各种铵盐肥料。在氮肥需求量中，尿素约185010t，折实物量约402010t.加上工业用尿素，国内市场对尿素的总需求量为410010t实物量。预计近几年全国氮肥生产对合成氨的需求量每年约475010t；其它方面（主要是浓硝酸和铵盐等）的需求量，估计将以每年5%的速度增长，需要合成氨约55010t.现在有87%的氨用来制造化肥，其余均为生产其它化工产品的原料。 生产其他化工产品的原料 基本化学工业中的硝酸、纯碱、含氮无机盐，有机化学工业中的含氮中间体，制药工业中的磺胺类药物、维生素、氨基
6、酸、化纤和塑料工业中的己内酰胺。己二胺、人造丝、丙烯腈、酚醛树脂等都需要直接或间接以氨为原料。 应用于国防工业和尖端技术中作为制造三硝基甲苯、三硝基苯酚、硝化甘油、硝化纤维等多种炸药的原料；作为生产导弹、火箭的推进剂和氧化剂。 应用于医疗、食品行业中作为医疗食品行业中的冷冻、冷藏系统的制冷剂。1.2 合成氨生产基本过程和特点 合成氨生产具有传统产业和现代技术的双重特征，其生产工艺具有能量消耗高、技术要求高、高度连续化、生产工艺典型的特点。合成氨生产过程包括以下几个主要生产工序。原料气的制备工序 其任务是制备生产合成氨所用的氢、氮原料气。除电解水外，不论用何种原料制取的氢、氮原料气，都含有硫化物
7、、一氧化碳、二氧化碳等杂质。这些杂质不但能腐蚀设备，还能使氨合成催化剂中毒。因此，把原料气送入合成塔之前，必须进行净化处理，除去各种杂质，获得纯净的氢、氮原料气。 脱硫程序 用脱硫剂除去原料气中的硫化物。 变换工序 利用一氧化碳与蒸汽作用，生成氢和二氧化碳的变换反应，除去原料气中大部分一氧化碳。 脱碳工序 在变换工序之后，原料气中含有较多的二氧化碳，其中既有原料气制备过程生成的，也有变换生成的。脱碳工序的任务是利用脱碳溶液除去原料气中大部分二氧化碳。 少量一氧化碳和二氧化碳的脱除工序 原料气经变换和脱碳后，除去了一大部分一氧化碳和二氧化碳，但仍有少量残余。本工序的任务是脱除原料气中残余的一氧化
8、碳和二氧化碳，得到纯净的氢、氮混合气。 压缩工序 首先将原料气压缩到净化所需要的压力，分别进行气体净化，得到纯净的氢氮混合气，然后将纯净的氢氮混合气压缩到氨合成反应所需要的压力。 氨合成工序 在高温高压，有催化剂存在的条件下，将氢氮气合成为氨。1.3 合成氨生产工艺合成氨生产方法按原料的不同，主要分为天然气（或轻油）蒸汽转化法、重油部分氧化法和固体燃料气化法，技术发展经历了传统型蒸汽转化制氨工艺阶段、低能耗制氨工艺阶段、装置单系列产量最大化阶段。 传统型蒸汽转化制氨传统型合成氨工艺以Kellogg工艺为代表，其以两段天然气蒸汽转化为基础，包括如下工艺单元：合成气制备（有机硫转化和ZnO脱硫+两
9、段天然气蒸汽转化）、合成气净化（高温变换和低温变换+湿法脱碳+甲烷化）、氨合成（合成气压缩+氨合成+冷冻分离）。传统型两段天然气蒸汽转化主要特点：采用离心式压缩机，用蒸汽轮机驱动，首次实现了工艺过程与动力系统的有机结合；副产高压蒸汽，并将回收的氨合成反应热预热锅炉给水；用一段转化炉烟道气预热二段空气，提高一段转化压力；采用轴向冷激式氨合成塔和三级氨冷，逐渐将气体降温至-23，冷冻系统的液氨亦分为三级闪蒸。 低能耗制氨工艺阶段 具有代表性的制氨工艺有四种：Kellogg公司的KREP工艺、Braun公司的低能耗深冷净化工艺、UHDE-ICI-AMV工艺、Topsoe工艺。以及以换热式转化工艺为核
10、心的ICI公司LCA工艺、俄罗斯GIAP公司的Tandem工艺；基于“一段蒸汽转化+等温变换+PSA”制氢工艺单元和“低温制氮”工艺单元，再加上高效氨合成工艺单元等成熟技术结合而成的德国Linde公司LAC工艺；以“钌基催化剂”为核心的Kellogg公司的KAPP工艺。低能耗制氨工艺技术主要以节能降耗为目的，立足于改进和发展工艺单元技术，其主要技术进展包括温和转化、燃气机轮、深冷净化、效率更高的合成回路。 装置单系列产量最大化世界级合成氨装置的规模越来越大，以利用较大的产量带来规模经济效益。至今为止，Uhde公司已经推出了日产3300t合成氨技术，KBR、Topsoe、Lurgi公司均推出了日
11、产2000t合成氨技术。1.4 合成氨工业发展现状中国合成氨工业经过40多年发展，产量已跃居世界第一位，掌握了以焦炭、无烟煤、褐煤、天然气及油田伴生气和液态烃等气固液多种原料生产合成氨的技术，形成中国大陆特有的煤、石油、天然气原料并存和大、中、小生产规模并存的合成氨生产格局，总设计生产能力为422210t。目前，全国有合成氨企业570多家，大型合成氨设备有30套，设计能力为9.2810t/a，实际生产能力为1.010t/a；中型合成氨设备有55套，生产能力为4.6410t/a；小型合成氨设备有700多套，生产能力为2810t/a。到2010年，合成氨行业节能目标是：单位能耗由目前的1700Kg
12、标煤/t下降到1570Kg标煤/t；能源利用效率由目前的42.0%提高到45.5%；实现节能（570至585）10t标煤，减少二氧化碳排放量。中国作为农业大国，也是化肥生产大国，合成氨大国。最近十多年来合成氨生产能力大幅增长，国内氮肥消费量经过近二十年的高速增长，目前已经进入平稳发展阶段，预计到2013年中国化肥需求增长率约为1.5%，化肥用氨稍有增长，而工业用氨变化不大。今后氮肥工业的发展重点是调整产品结构，对合成氨的需求将缓慢增长。1.5 合成氨工业发展前景20世纪上半叶，合成氨生产经历了从间歇生产向连续生产、从小规模生产向大规模生产的历史性转变，大型化和连续化成为20世纪化工技术进步的一
13、个重要特征，特别是20世纪60年代以后，开发了多种活性好的新型催化剂，能量的回收和利用更趋合理。展望未来，合成氨装置继续朝着大型化、集中化、自动化、低能化与环保型方向发展，主要表现在以下几个方面。 大型化、集中化、自动化，形成经济规模的生产中心、低能耗与环境友好将是未来合成氨装置发展的主流方向。 单系列合成氨装置生产能力将会提高至4000t/d,以天然气为原料制氨吨氨能耗已经接近理论水平，今后将难有大幅度的降低，但以煤、石油为原料制氨，降低能耗还可以有所作为。在合成氨装置大型化的技术开发中，其焦点主要集中在关键性的工序和设备，即合成气制备、合成气净化、氨合成技术、合成气压缩机。 以“油改气”和
14、“油改煤”为核心的原料结构调整和以“多联产和再加工”为核心的产品结构调整，是合成氨装置“改善经济性，增强竞争力”的有效途径。全国原油供应处于递减模式，石油时代将转入煤炭（气体）时代，原油的加工产品轻油，渣油的价格也将随之持续升高。目前以轻油、渣油为原料的制氨装置也已经不具备竞争优势，以“油改气”和“油改煤”为核心的原料结构调整势在必行。借氮肥装置原料结构的调整之机，及时调整产品结构，联产氢气和多种C化工产品亦是装置改善经济性的有效途径。例如洁净煤气化技术、天然气制合成气技术、联产和再加工技术。 实施与环境友好的清洁生产是未来合成氨装置的必然和唯一的选择。生产过程中不生成或很少生成副产物、废物，
15、实现或接近“零排放”的清洁生产技术将日趋成熟和不断完善。 提高生产运转的可靠性，延长运行周期是未来合成氨装置“改善经济性、提高竞争力”的必要保证。有利于“提高装置生产运转率、延长运行周期”的技术，包括工艺优化技术、先进控制技术等将越来越受到重视。1.6 设计的选题意义和任务 氨在国民经济中有着举足轻重的地位，合成氨生产技术的突破有着重要意义。只有降低成本，提高产率，才能进一步提高国产产品的市场竞争力包括和占有率。本设计对安化公司氢、氮直接合成为氨的合成工段工艺流程进行介绍。设计主要完成的任务包括：设计工艺流程，确定工艺参数；对合成工段主要设备进行物料衡算和热量衡算；主要设备的计算、选型和校核；绘制工艺流程图和主体设备图。 第2章 工艺概述2.1 工艺说明 在高温、高压和催化剂存在的条件下，将精制的氢氮混合气直接合成为氨，然后将所得的气氨从未合成为氨的混合气中冷凝分离出来。由于受反应平衡的影响，氢氮混合气不可能全部转化为氨，反应后气体中的氨含量一般只有10%至20%，通常采用冷冻的方法将已经合成的氨分离，然
