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年产10万吨合成氨变换工序毕业设计完整说明书 目录摘要IIIAbstractIV第一章 总论局部11.1设计对象规格1 1.2产品品种和产品性质11.2.1产品品种11.2.2产品性质11.3原料的来源和规格11.4合成氨在国民经济中的地位和用途11.5建厂位置选择21.6全厂生产路线的选择论证31.6.1煤气化及造气炉选择31.6.2本设计造气根本原理71.6.3本设计造气工艺流程71.7原料气的净化81.7.1脱硫81.7.2变换101.7.3脱碳101.7.4精制121.8氨合成141.9年工作日和工作制度确实定16第二章 工艺局部172.1 重点设计工序(变换工序)的根本原理172.1.1变换反响的特点172.1.2化学平衡172.1.3催化剂的选择212.1.4化学动力学272.2变换工序生产方法选择论证292.2.1工艺技术路线选择292.2.2全低变工艺流程302.3变换炉主要参数312.4工艺操作条件确实定322.4.1温度322.4.2压力332.4.3 H2O/CO33第三章 工艺计算.343.1物料及热量计算353.1.1计算基准及条件353.1.2全工段物料及变换率计算353.1.3 1#变换炉一段计算373.1.4 1#变换炉二段计算423.1.5 2#变换炉计算493.1.6 增湿器物料及热量衡算523.2设备计算573.2.1主换热器573.2.2 次换热器593.2.3 催化剂计算62第四章 非工艺局部714.1环境保护及三废处理724.1.1废水724.1.2 废气724.1.3 废渣734.1.4噪声734.2技术经济指标73参考文献.73致谢.74附录.75 年产10万吨合成氨工程工程工艺设计 (重点工序:变换工序,CO进口含量:28.0%) 摘要 合成氨生产工序主要有原料气的制取、原料气的净化和氨合成,原料气的净化又分为原料气的脱硫、CO变换、脱碳和精制。本设计采用UGI炉制气,栲胶法脱硫,全低变工艺去除CO,变压吸附法脱碳,醇烃化法精制原料气。变换工序的作用是去除掉原料气中的CO。CO不是氨合成的原料,它能使氨合成催化剂中毒而失去活性。因此,原料气进入氨合成系统前必须除去掉CO。 本设计主要分为总论局部、工艺局部、工艺计算和非工艺局部。总论局部主要介绍了设计对象规格,建厂位置的选择,全厂生产路线的选择论证等;工艺局部着重介绍变换工序,工艺计算局部确定了变换系统进、出口温度,CO转换率,总蒸汽用量,催化剂用量及催化剂阻力等。非工艺局部主要介绍了工厂废物的处理。 全低变工艺优点:催化剂的起始活性温度低;变换炉系统处于较低的温度范围内操作,降低了入炉蒸汽量,使全低变流程蒸汽消耗降低。关键词:合成氨,变换工序,全低变 Technological design of 100kt/a synthetic ammonia engineering project key process : transform process,CO content:28.0% Abstract Ammonia production processes are mainly the production, gas material feedgas of purification and ammonia synthesis gas purification, raw material is divided again the gas material for desulphurization and CO transformation, decarburization and refined. This design USES the UGI furnace gasification, vegetable tannin extracts desulphurization process, all the low change remove CO, variable pressure adsorption decarburization, alcohol alkylating method refined raw gas. Transformation process is the role of the CO feedgas away. CO not ammonia synthesis of raw materials, it can make ammonia synthesis catalyst poisoning and lose activity. Therefore, the feedgas into ammonia synthesis system must be in addition to remove CO. Before This design mainly divided into general part, process parts, technical calculation and the craft parts. General parts mainly introduced the design object specifications, selection of factory position, selection of plant production line argument; Technology part introduced emphatically transform process, determine the transformation process calculation part of inlet and outlet temperature system, total steam conversion of CO catalyst and catalyst dosage, resistance, etc. The process of the main introduces factory waste treatment The low shift process: 1 the advantages of low temperature catalyst starting activity; 2 transform furnace system at low temperature range operation, reduces the charging and make the ZhengQiLiang variable flow steam consumption reduce lowKey words: Synthetic ammonia, commutation process, the low-temperature shift process 第一章 总论局部1.1设计对象规格 年产10万吨合成氨工程工程工艺设计(重点工序:变换工序,CO进口含量:28.0%)1.2产品品种和产品性质1.2.1产品品种 产品为液氨,其中氨含量为99.8% ,残留物含量为0.2%。1.2.2产品性质 液氨为无色液体,25时其密度为0.6028kg/l,标准大气压下沸点为-33.4,它是一种有腐蚀性、有毒的物质;极易挥发成气氨,具有强烈的刺激性,对人体能引起腐蚀和窒息作用,与空气混合浓度到达15%17%范围时,形成爆炸混合气体。介于液氨的以上性质,储存时要用专门的液氨储罐,用液氨槽车装运或液氨瓶充装。 表1.1合成氨指标示意表 指标名称 一级品 二级品 氨(NH3)含量 /% 99.8 99.5 水份?油含量/% 0.2 0.51.3原料的来源和规格 生产合成氨的主要原料有天然气、石脑油、重质油和煤(或焦炭)等。各个合成氨厂原料的选择受多方面因素制约,尤其是厂区附近资源分布情况。鉴于我国能源结构、储量、供给和消耗情况,加之厂所处位置西南地区煤矿丰富,所以本合成氨厂选用煤为原料,采用贵州六盘水市钟山区大湾镇无烟煤。原料煤的规格见表1.2。表1.2 原料煤的规格灰分/%平均挥发份/%含硫/%发热量/J/g12%7.6%2.8%34000 1.4合成氨在国民经济中的地位和用途 氨是一种含氮化合物,氨是化学工业中产量最大的产品之一,合成氨用氢气约占氢气生产总量的50%。氨的用途很广,除氨本身可用作化肥外,还可以加工成各种氮肥和含氮复合肥料,如氨与二氧化碳合成尿素,与多种无机酸反响制得硫酸铵,硝酸铵,磷酸铵等。氨还可以用来制造硝酸,纯碱,氨基塑料,聚西铵纤,丁晴橡胶,黄铵类药物及其他含氮的无机和有机化合物。在国防和尖端科学部门用氨来制造硝化甘油,硝化纤维,三硝基甲苯(TNT),三硝基苯酚等炸药,及岛弹推进剂和氧化剂等。氨还是常用的冷冻剂之一。由于氨在工业的生产中的特殊地位,故在国民经济中占有重要的地位。1.5建厂位置选择 厂址: 贵州省六盘水市钟山区岩口。 图1.1 厂址地理区位图 厂区及附近地方地理概况:钟山区交通较为兴旺,铁路公路纵横交错,创造了“东进西出、“北上南下的有利条件。铁路运输:贵阳昆明铁路横穿东西,株州六盘水在区内接轨,内江昆明铁路纵贯北南,二级三级编组站在区内建成,钟山区地处铁路运输的“大十字交汇处,特别是内江昆明与南宁昆明铁路相接,构成了西北各省、区通达出海口之捷径;公路运输:贵阳烟堆山、水城盘县、水城毕节、水城煤炭包、水城南开等公路由区内通往四面八方。便利的交通使得原料和产品的快捷运输成为可能。以窖上水库为水源,为生产提供充足水源。 厂区及其附近气候概况:该地区属北亚热带季风温暖湿润气候区,冬无严寒,夏无酷暑,雨量充分,气候宜人。年平均温度12.3,年均降水量1182.8mm,年日照时数在12531556小时之间,无霜期在230298天之间,年平均相对湿度8l%。1.6全厂生产路线的选择论证1.6.1煤气化及造气炉选择 煤气化是一个热化学过程。以煤或煤焦为原料,以氧气(空气、富氧或纯氧)、水蒸气或氢气等作气化剂,在高温条件下通过化学反响将煤或煤焦中的可燃局部转化为气体燃料的过程。煤的气化类型可归纳为五种根本类型:自热式的水蒸气气化、外热式水蒸气气化、煤的加氢气化、煤的水蒸气气化和加氢气化结合制造代用天然气、煤的水蒸气气化和甲烷化相结合制造代用天然气。 本设计以无烟煤为原料制取合成氨原料气。半水煤气的制取方法:分别以空气和水蒸气做气化剂然后将分别制得的空气煤气和水煤气两者按混合后气体中(H2+CO) 与 N2 摩尔比为3.13.2的比例进行配比所得煤气即为半水煤气 。煤在气化炉中进行的气化过程:枯燥,热解以及气化生成碳与气化剂反响三个阶段。煤的主要反响式:煤C+CH4 +CO+CO2+H2+H2O+焦炭。几乎所有制取工艺都需要在较高的温度下供给热量进行,供热的方式主要有储能法:此法是将空气和水蒸气分别送入炭层,先送入空气入炉燃烧煤提高温度,换言之是将气化产生的热量储存在煤层里,生成的吹风气经热量回收后大局部放空而后通入蒸汽进行煤气化反响,所得的水煤气配入局部吹风气即为半水煤气,由于水蒸气气化煤层是吸热反响因而煤层温度下降故需要重新通入空气以提高炉温在通入水蒸气进行气化反响,使整个制气过程反复进行(间歇制气法) 富氧制气法:用富氧空气或纯氧代替空气进行煤气化,此气化法的最大优点就是在同炉温的状况下可以实现连续制气,假设用纯氧制合成氨原料气时在后继工段中需要补充氮气,使氢氮比满足工艺要求由外界供热。 工业中由于气化剂和气化炉的不同,对煤的要求也不同,以下是几种常见固定床气化炉的介绍: 固定床气化又称为移动床气化,属于逆流操作。分为常压与加压两种。常压法比拟简单,但要求用块煤,低灰熔点的煤难以使用。加压法是常压法的改进和提高,常用O2与水蒸气为气化剂,对煤种适应性大大提高。属于这类炉型的气化炉有UGI炉、鲁奇Lurgi炉和液态排渣鲁奇BGL炉等。1UGI炉 UGI煤气化炉以美国联合气体改进公司命名的煤气化炉,是一种常压固定床煤气化设备。原料通常采用无烟煤或焦炭,其特点是可以采用不同的操作方式(连续或间歇)和气化剂,制取空气煤气、半水煤气或水煤气。 UGI气化炉炉子为直立圆筒形结构。炉体用钢板制成,下部设有水夹套以回收热量、副产蒸汽,上部内衬耐火材料,炉底设转动炉篦排灰。气化剂可以从底部或顶部进入炉内,生成气相应地从顶部或底部引出。因采用固定床反响,要求气化原料具有一定块度,以免堵塞煤层或气流分布不匀而影响操作。 UGI 炉用空气生产空气煤气或以富氧空气生产半水煤气时,可采用连续式操作方法,即气化剂从底部连续进入气化炉,生成气从顶部引出。以空气、蒸汽为气化剂制取半水煤气或水煤气时,都采用间歇式操作方法。在中国,除少数用连续式操作生产发生炉煤气(即空气煤气)外,绝大局部用间歇式操作生产半水煤气或水煤气。 UGI炉的优点是设备结构简单,易于操作,一般不需用氧气作气化剂,热效率较高;缺点是生产强度低,每平方米炉膛面积的半水煤气发生量约1000m3/h,对煤种要求比拟严格,采用间歇操作时工艺管道比拟复杂。 图1.2 UGI造气炉 2 Lurgi鲁奇加压气化炉 鲁奇碎煤加压气化技术是20世纪30年代由联邦德国鲁奇公司开发的,是目前世界上建厂数量最多的煤气化技术。Lurgi加压气化炉压力2.54.0MPa,气化反响温度800900,固态排渣,以小块煤对入炉煤粒度要求是6mm以上,其中13mm以上占87%,613mm占13%为原料、蒸汽-氧气连续送风制取中热值煤气。以下是鲁奇炉的一些特点:鲁奇碎煤气化技术对煤种和煤质的要求较高,只能使用弱黏结烟煤和褐煤,灰熔点氧化气氛大于1500。对强黏结性、热稳定性差、灰熔点低以及粉状煤那么难以使用;生产能力大,自工业化以来,单炉生产能力持续增长;气化炉结构复杂,炉内设有破黏和煤分布器、炉箅等转动设备,制造和维修费用的;进料用灰锁上、下阀的使用寿命最长仅为56个月,而且长期依赖进口;出炉煤气中含有焦油、酚等,煤气净化和污水处理工艺复杂、流程长、设备多,炉渣含碳5%左右。3 液态排渣鲁奇BGL炉 1984年鲁奇公司和英国煤气公司联合开发了BGL液态排渣鲁奇炉,该炉操作压力2.53.0MPa,气化反响温度14001600。炉结构比传统的Lurgi炉简单,取消了转动炉箅。 与固态排渣法相比拟,液态排渣加压气化法的主要特点是:气化强度高,生产能力大;水蒸气耗量低,水蒸气分解率高;煤气中可燃组分增加,热值提高;煤种适应性增强;碳转化率、气化效率和热效率均有提高;对环境污染减少。 液态排渣法固定床加压气化具有一系列优点,因而受到广泛重视。但是由于高温、高压的操作条件,对于炉衬材料、熔渣池的结构和材质以及熔渣排出的有效控制都有待于不断改进。 综合考虑后本设计选择UGI气化炉造气。选择理由:?UGI炉的设备结构简单,易于操作,操作费用低,一般不需用氧气作气化剂,加之固定床间歇式气化工艺的优点是气化剂由下而上与原料煤逆流接触,有利于换热,热效率较高。采用间歇式操作方法。1.6.2本设计造气根本原理 热法制半水煤气分两个阶段。即:空气吹风阶段与制气阶段,这两个阶的反响如下: 吹风阶段即空气送风阶段: 2C+O2=2CO+59.4Kcal 2CO+O2=2CO2+97.8Kcal 2CO2+C=2CO-38.4Kcal 实际上前两式可合并成C+O2=CO+热量 制气阶段即吹蒸汽制水煤气或吹蒸汽?空气混合物制半水煤气: C+2H2O=CO+2H2-17.9Kcal C+H2O=CO+H2-28.15Kcal CO+H2OCO2+H2+10.3Kcal 1.6.3本设计造气工艺流程 制半水煤气的工艺流程如图1.3所示。由煤焦运输局部运来的焦炭,送至煤气发生炉1顶上的焦炭贮仓中。贮仓的容量,能保证煤气发生炉连续制气16小时。这样,在方案检修皮带运输机时,不致影响燃料的供给。 贮仓中的炭,定期由煤气发生炉自动控制器控制加至自动加焦机的焦槽中,再定期每循环一次参加炉中也由煤气发生炉自动控制器控制。煤气制造各阶段的流程如下: 1)吹风 自空气鼓风机送来的空气压力1.11.7米水柱,经过平安阀、吹风阀自炉底送入,由炉顶出来后,经除尘器2入燃烧室3底部,并在燃烧室内和自二次空气阀送来的二次空气燃烧,使燃烧室温度升高。气体出燃烧室顶后,入废热锅炉5的火管中,将显热传给管壁,使管间的水蒸发,产生压力为12气压的水蒸气,然后在220左右离开废热锅炉,自烟囱放入大气中。在燃烧室内燃烧用的二次空气,是由空气鼓风机出口管上的支管送来的。 2)上吹制气 蒸汽经过蒸汽总阀、上吹蒸汽阀自炉底进入。水煤气自上部炉口出来,经过燃烧室、废热锅炉、克力斯三通阀(图中未画出)入水封槽4,然后去总管。与其它炉出来之煤气集合后进入洗涤塔,用冷水洗涤冷却后送气柜。 在吹蒸汽的同时。加氮用空气鼓风机从吹风用空气鼓风机出口抽一部份空气。此空气加压后2.1米左右水柱,经空气总阀、上吹空气阀在上吹蒸汽管中与水蒸汽混合后入炉。 3)下吹制气 蒸汽和加氮用空气分别经蒸汽总阀、下吹蒸汽阀及空气总阀、下吹空气阀至下吹蒸汽管。混合后,从顶部进入燃烧室,经除尘器入炉顶下行。煤气出炉底后,经克立斯阀此时克立斯阀已开向下吹、水封槽,再至总管与其它炉出来的煤气集合进入洗涤塔,经冷却洗涤后去气柜。 4)二次上吹 路线完全和上吹制气相同。 5)空气吹净 空气的来路及去路完全和吹风相同。不同的是,气体不从烟囱放走而送入气柜,也不加二次空气。 图1.3带有燃烧室的煤气化炉系统流程 1.7原料气的净化1.7.1脱硫 各种原料制取的粗原料气,都含有一些硫的氧化物,为了防止合成氨生产过程催化剂中毒,都必须在氨合成工序前加以脱除,习惯上称为“脱硫。常见脱硫方法:(1)栲胶法 TV法 :TV法是我国特有的脱硫技术 ,是目前国内使用厂家最多的脱硫方法之一 ,主要分碱性栲胶脱硫 以栲胶和偏钒酸钠作催化剂 和氨法栲胶 以氨代替碱 2种。栲胶是由植物的果皮、叶和茎干经水萃液熬制而成 ,主要成份是丹宁。由于来源不同 ,丹宁组成也不同 ,但都是由化学结构十分复杂的多羟基芳烃化合物组成 ,具有酚式或醌式结构。TV法的特点:栲胶资源丰富 ,价廉易得 ,运行费用比改进ADA法低;无硫堵塔问题;栲胶既是氧化剂又是钒的配合剂 ;溶液组成比改进ADA法简单;栲胶脱硫液对设备腐蚀性小;栲胶需要熟化预处理;(2)PDS法:PDS脱硫催化剂是酞菁钴磺酸盐金属有机化合物的混和物 ,主要成份是双核酞菁钴磺酸盐。在碱性溶液条件下 ,由 PDS、碱性物质和助催化剂3种成份组成。PDS法工艺特点: PDS目前在工业上一般还是与 ADA、栲胶法配合使用 ,只需在原脱硫液中参加微量 PDS即可,因此消消耗用很低;PDS活性好 ,用量少;生成的单质硫易别离 ,一般不会发生硫堵;在脱除 H2S的同时能脱除局部有机硫; PDS无毒 ,脱硫液对设备不腐蚀; PDS亦可单独使用 ,可以不加钒 ,副反响少 ,无废液排放。 本设计选择栲胶法脱硫。理由为:栲胶资源丰富 ,价廉易得 ,运行费用比改进ADA法低;无硫堵塔问题;栲胶既是氧化剂又是钒的配合剂,溶液组成比改进ADA法简单;栲胶脱硫液对设备腐蚀性小;栲胶溶液无毒,腐蚀性小,很少有堵硫现象发生,原料价格低廉。 栲胶脱硫的原理:Na2CO3碱液中添加有五氧化二钒,氧化栲胶的脱硫液与半水煤气在填料塔内逆流接触,脱去硫化氢。吸收了硫化氢的溶液,经氧化槽与空气氧化使溶液再生并浮选出单质硫,溶液循环使用。脱硫反响方程式如下: Na2CO3+H2SNaHS+NaHCO3 2NaHS+4NaVO3+H2ONa2V4O9+4NaOH+2S; Na2V4O9+2TQ氧化态+2NaOH+H2O4NaVO3+2THQ复原态 再生:THQ复原态+O2TQ氧化态+H2O 图1.4 栲胶法脱硫工艺流程 1.7.2变换 见重点设计工序(变换工序)局部的生产方法选择论证。1.7.3脱碳 粗原料气经变换工序以后除含有氢、氮外,还含有二氧化碳、一氧化碳、甲烷等组分,其中二氧化碳含量最多。二氧化碳是氨合成催化剂的毒物,在将原料气送入氨合成塔之前必须将二氧化碳脱除掉。此外,二氧化碳又是制造尿素、碳酸氢铵等氮肥的重要原料,可以回收利用,回收本钱。因此,变换气中二氧化碳的脱除必须兼顾到这两个方面。脱除原料气中二氧化碳的过程称为脱碳。 脱碳的方法很多,大局部是溶剂吸收法。根据吸收剂性质的不同,可分为物理吸收法、化学吸收法和物理化学吸收法三大类。 物理吸收法一般用水和有机溶剂为吸收剂,吸收后的溶液可以有效地用减压闪蒸使大局部二氧化碳解吸。常用的方法有加压水洗法、低温甲醇法和聚乙二醇二甲醚法等。 化学吸收法大多是用碱性溶液为吸收剂中和酸性气体二氧化碳,采用加热再生,释放出溶液中的二氧化碳。常用的方法有氨水法和改进热钾碱法等。 物理化学吸收法兼有物理吸收和化学吸收的特点,方法有环丁砜法和甲基二甲醇胺法等。 1脱碳方法选择:最常用的物理吸收方法为低温甲醇法和变压吸附法,最常用的化学吸收方法为改进热钾碱法,最常用的物理化学洗为甲基二甲醇胺法(MEDA法)。 低温甲醇法 低温甲醇法对二氧化碳净化度高,二氧化碳在甲醇中的溶解度较高,溶液循环量小,能耗低,吸收剂本身不起泡,不腐蚀设备;但是低温操作条件对设备材质要求高,为了回收冷量,换热设备会增多,因此流程会较复杂,而且甲醇有毒,对废水需要进行处理。 变压吸附法:与传统的湿法脱碳装置相比,变压吸附脱碳技术装置具有能耗低、流程简单、自动化程度高、开停车方便、操作本钱低、净化气不需要预处理等优点。 改进热钾碱法:改进热钾碱法具有以下特点:净化度高,技术成熟,生产稳定可靠,溶剂来源广,价格低廉,但是吸收能力受到碱浓度限制,对设备腐蚀大,且二氧化碳再生耗热量较大。 甲基二甲醇胺法(MEDA法):甲基二甲醇胺法(MEDA法)是德国BASF公司20世纪80年代开发的一种低能耗脱碳工艺。该法吸收效果好,能使净化气中的二氧化碳降至100ml/m3,溶液热稳定性好,不降解,挥发性小,对碳钢设备腐蚀性小。MEDA法的工艺流程有一段吸收流程和二段吸收流程,其中二段流程吸收工艺虽然能耗低但是投资费用大。表1.3是我国目前合成氨工业中采用的几种脱碳方法比拟。 表1.3我国目前合成氨工业中采用的几种脱碳方法比拟 分析表1.3中几种脱碳法并对其比拟可知,干法的变压吸附脱碳工艺与湿法的脱碳工艺相比,虽然变压吸附法的投资较高,但变压吸附工艺操作费用极低是诸多脱碳方法中能耗最低的方法,并具有工艺简单、运行稳定、操作调节方便、装置能耗低、占地面积小、吸附剂再生简便、使用寿命长、净化气中不带有任何有机溶剂等显著的优点。而湿法脱碳工艺中如果一旦操作不慎,就会出现严重的跑液、带液、堵管、起泡等生产故障,给生产带来很大的损失和麻烦。综合考虑后,本设计选择变压吸附法对原料气进行脱碳处理。 2变压吸附法: 原理 利用吸附剂对不同气体的吸附容量随压力的不同而有差异的特性,在吸附剂选择性地吸附的条件下,加压吸附混合物中的杂质组分,减压解吸这些杂质,而使吸附剂得到再生,以到达连续制取所需产品气体的目的。相对于氢氮气的强吸附组分二氧化碳等杂质被选择性吸附,而氢氮气作为弱吸附组分通过床层,从而到达氢氮气与二氧化碳等杂质组份的别离。吸附器内的吸附剂对杂质的吸附是定量的,当吸附剂对杂质的吸附到达一定量后,杂质从吸附剂上能有效地解吸,使吸附剂能重复使用时,吸附别离工艺才有实用意义。故每个吸附器在实际过程中必须经过吸附和再生两个阶段。由此可见, 对每个吸附器而言,吸附过程是间歇的,必须采用多个吸附器循环操作。工艺流程图图1.5 变压吸附法脱除CO2的工艺流程1.7.4精制 经变换工序和脱碳工序后的原料气中尚含有少量的一氧化碳和二氧化碳。为了防止过量的一氧化碳和二氧化碳对氨合成催化剂的毒害,在将原料气送往合成系统以前,必须对其作最后的净化处理,通常将此过程称之为原料气的“精制。工业生产上一般有以下几种精制方法:铜氨液洗涤法、甲烷化法、液氮洗涤法、以及近年来开发成功的新技术?醇烃化工艺。 一精制方法介绍及选择 铜氨液洗涤法:铜洗法精制原料气方法消耗高, 主要表现在运行、维修、操作费用高, 物料消耗大, 铜液在净化过程吸收了CO和CO2, 同时亦溶解了原料气H2,致使原料气耗损,这是不可取的。即使设置了再生回收, 仍然存在着气体的损失, 且精制度较低。铜洗法精制原料气方法还有个最大的缺陷就在于环境污染严重,不符合设计环保要求。 甲烷化法:用甲烷化脱除原料气中的CO和CO2可大幅度简化生产流程, 降低建设和操作费用, 操作也较平稳,运行费用缺乏铜洗的20%,占地面积也较铜洗装置要少。该法存在的缺乏之处也是会损耗原料气H2,而且甲烷化后甲烷含量增加,造成氨合成放空量增大,甲烷化还要求变换中CO含量0.3%, CO+CO20.7% , 以控制催化剂床层的温度, CO+CO2含量指标的要求对以煤为原料固定层气化的中小氮肥较为苛刻,所以较难普及。 液氮洗涤法:液氮洗涤法的不仅能脱除CO和CO2,还能脱除CH4和Ar,但是由于此方法需要液氮,选用该技术时必须考虑液氮的来源。通常与设有空气别离装置的重油局部气化、烟煤加压气化制备合成气的工艺技术结合使用,以获得充足的液体氮来源。本设计采用以煤为原料的固定床间歇气化技术,而液氮洗涤法需要富氧气化制气,与设计不符。 醇烃化工艺法:醇烃化工艺技术是将合成氨原料气的精制分两步进行。首先将CO和CO2进行甲醇化,使原料气进一步精制,然后将CO和CO2进行甲烷化,以到达原料气的最终精制。作为原料气进一步精制的甲醇化工艺,醇化后气体中CO和CO2的含量越少,甲烷化工艺的H2消耗越少,甲烷化后气体中的CH4才会越少,从而越有利于氨的合成。在保持触媒在最正确的活性范围条件下,甲醇合成反响的系统压力越高,越有利于提高甲醇的合成率,降低醇化后气体中CO和CO2的含量。高压 31.4 MPa甲醇合成CO单程转化率到达90%以上,醇后出口气体中CO+CO2含量体积分数小于200×10- 6。原料气体中这样低的CO+CO2含量,使甲烷化反响原料气中的H2气几乎不被消耗,而CH4几乎没有增加,充分显示出高压醇化精制气体的优势。这种精制工艺技术克服了甲烷化工艺对原料气变换和脱碳工艺过程要求CO和CO2体积分数必须小于0.7%的缺点,可以降低因深度变换和深度脱碳引起的蒸汽消耗,使变换和脱碳的工艺过程控制更为宽松和容易,提高了总氨含甲醇生产过程总体的经济性。 本设计采用固定床间歇技术制气,脱碳不采用低温甲醇法,故不采用需要富氧制气的液氮洗涤法精制原料气;考虑到铜氨法污染环境大以及诸多缺点,也不采用此法;而醇烃化法又是在甲烷化法的根底上开展起来的新技术,克服了甲烷化法的诸多缺点。 综合考虑后,本设计采用醇烃化法精制原料气。 二醇烃化工艺法 原理 醇烃化工艺就是醇醚化、醇烃化精制工艺。第一步将双甲工艺中甲醇化催化剂更换成醇醚复合催化剂, 使CO+CO2与H2反响生成甲醇, 并随即水解为二甲醚, 其反响式为: CO+2H2CH3OH CO2+3H2CH3OH+H2O 2CH3OHCH32O+H2O 2CO+4H2CH32O+H2O 此过程称醇醚化,醇醚化副产物是醇醚混合物,醇醚化后CO+CO2控制在0.2%0.4%。第二步将双甲工艺的甲烷化催化剂更换为烃化催化剂,使CO+CO2与H2反响生成低碳烃化物、低碳醇化物,低碳烃化物、低碳醇化物在水冷温度下可冷凝为液相,与气体别离,烃化后气体CO+CO2 可控制在10mL/m3 左右。 工艺流程图图1.6 醇烃化工艺流程图1.8氨合成 氨的合成为提供液氨产品的工序,是整个合成氨生产过程中的核心局部。氨合成反响是在较高压力和催化剂存在下进行的。由于反响后气体中氨含量不高,一般只有10%20%,故采用别离氨后的氢氮气体循环的回路流程。(1)氨合成催化剂 长期以来,人们对氨合成催化剂作了大量的研究工作,发现对氨合成有活性的一系列金属为Os,U, Fe,Mo,Mn,W等,其中以铁为主体并添加有促进剂的铁系催化剂,价廉易得,活性良好,使用寿命长,从而获得了广泛应用。(2)工艺参数的选择 温度:氨合成反响温度,一般控制在400500之间,催化剂床层的进口温度比拟低,大于或等于催化剂使用温度的下限,依靠反响热床层温度迅速提高,而后温度再逐渐降低。 压力:从化学平衡和化学反响速率的角度看,提高操作压力是有利的。合成装置的生产能力随压力提高而增加,而且压力高时,氨别离流程可以简化。从能量消耗和综合费用分析,可以认为30MPa左右仍是氨合成比拟适宜的操作压力。 空间速度:当操作压力及进塔气体组成一定时,对于既定结构的氨合成塔,提高空速,出口气体的氨含量下降即氨净值降低。但增加空速,合成塔的生产强度有所提高。一般操作压力为30MPa的中压法合成氨,空速在2000030000/h之间,氨净值10%15%。3工艺流程的选择 由于氨的合成反响是个可逆反响,氨的转化率不高,需要一个循环系统。出合成氨塔的气体是含有氨、氢气、氮气等的混合气体,要得到较纯洁的氨还需要个氨别离器。合成氨后,气体的压力降低,要将循环回的氢气和氮气压缩后再与新鲜原料气混合进入合成塔,氨合成反响放出了大量热量,将这局部热量回收可以节能降耗。到氨合成这一工序时,虽然原料气经过几道净化,难免还会夹带些惰性气体,需要将其排放,以免积累给设备和压缩系统造成不必要的负担。 图1.7 总工艺流程简图1.9年工作日和工作制度确实定 每年全厂进行设备大修一次,每次40天,每个季度进行一次中修,每次5天,总计中修20天,小修每两个月进行一次,每次1天,总计6天。 综上 ,每年正常工作日为365-40-20-5300天。 工作制度确实定:除了国家平安生产部门制定的工作制度以外,本着“平安第一,预防为主“的总方针,为了厂里所有生产人员的平安和工厂的顺利生产,厂里也必须制定一些在本厂有效应的工作制度。 本厂生产人员上班采用白班、中班和夜班三班制,每班8小时。白班从每天早上8点至当天下午16点,中班从每天下午16点至当天晚上24点,夜班从每天晚上24至第二天早上8点。 第二章 工艺局部2.1 重点设计工序(变换工序)的根本原理2.1.1变换反响的特点 变换反响的方程式: 变换反响的特点是可逆、放热(41.2KJ)、反响前后体积不变,并且反响速率比拟慢,只有在催化剂的作用下具有较快的反响速率。2.1.2化学平衡(1)平衡常数 在一定条件下,当变换反响的正、逆反响速度相等时,反响即到达平衡状态,其平衡常数为:2-1-1 式中,、?各组分的平衡分压,大气压; 、?各组分的平衡组成,摩尔分数。 平衡常数Kp表示反响到达平衡时,生成物与反响物之间的数量关系,因此,它是衡量化学反响进行完全程度的标志。由式(2-1-1)可以看出,Kp值越大,即与的乘积越大,或与的乘积越小,说明原料气中一氧化碳转化越完全,到达平衡时变换气中剩余一氧化碳量越少。 由于变换反响是放热的,降低温度有利于平衡向右移动,因此平衡常数随温度的降低而增大。平衡常数与温度的关系表达式很多,且数值不同,通常可采用以下简化式: (2-1-2) 式(2-1-2)中,T?温度,单位为K。 假设温度,就能求出Kp值,从而就可以计算出不同温度、压力和气体成分下的平衡组成。(2)变换率 一氧化碳的变换程度通常用变换率表示,其定义为已变换的一氧化碳量与变换前的一氧化碳量的百分比率。假设反响前气体中有a摩尔一氧化碳,变换后气体中剩下b摩尔一氧化碳,那么变换率为:2-1-3 在实际生产中,变换气中除含有一氧化碳外,尚有氢、二氧化碳、氮等组分,其变换率可根据反响前后的气体成分进行计算。由变换反响式可知,每变换掉一个体积的一氧化碳,就生成一个体积的二氧化碳和一个体积的氢,因此变换气的体积干基等于变换前气体的体积加上被变换掉的一氧化碳的体积。设变换前原料气的体积干基为1,并分别以、表示变换前后气体中一氧化碳的体积百分数干基,那么变换气的体积为1+?,变换气中一氧化碳的含量为: 2-1-4移项整理后得: 2-1-5 在一定条件下,变换反响到达平衡时的变换率称为平衡变换率,它是在该条件下变换率的最大值。以l摩尔干原料气为基准时、平衡常数与平衡变换率的关系式为: (2-1-6) 式中,、?反响前原料气中一氧化碳、水蒸气、二氧化碳、氢的含量,摩尔分数;?平衡变换率,%。 由以上式2-1-2和式2-1-6可计算出不同温度和组成条件下的平衡变换率,由式2-1-4求出变换气中剩余一氧化碳的平衡浓度。平衡变换率越高,说明反响到达平衡时变换气中一氧化碳剩余含量越少。在工业生产条件下,由于反响不可能到达平衡,因此变换率实际不可能到达平衡变换率。必要时,可以用实际变换率与平衡变换率的接近程度来衡量生产工艺条件的好坏。(3)影响变换反响化学平衡的因素 1)温度的影响 由式(2-1-2)可知温变降低,平衡常数增大,有利于变换反响向右进行,因而平衡变换率增大,变换气中剩余一氧化碳