毕业设计论文-工业合成氨研究进展

毕业设计论文-工业合成氨研究进展内容摘要：

但功耗决不但取决于压力一项，还要看其它工艺指标和流程的布置情况。 总的来看，在 15～ 30Pa 的范围内，功耗的差别是不大的，因此世界上采用此法的很多。 （ 3）低压法 操作压力 10MPa 左右，温度 400～ 450℃。 由于操作压力和温度都比较低，故对设备要求低，容易管理，且催化剂的活性较高，这是此法的优点。 但此法所用催化剂对毒物很敏感，易中毒，使用寿命短，因此对原料气的精制纯度要求严格。 又因操作压力低，氨的合成效率低，分离较困难，流程复杂。 实际工业生产上此 7 法已不采用了。 合成氨生产工艺 流程 工业上由于制造粗原料气的方法与气体净化方法的不同，而导致生产合成氨的工艺流程也不尽相同。 现将我国目前以煤、天然气和重油为原料，生产合成氨的常用流程介绍如下。 我国以煤为原料的中型合成氨厂多数采用 20世纪 60年代开发的三催化剂净化流程，即采用脱硫、变换及甲醇化三种催化剂来净化气体，以代替传统的铜氨液洗涤工艺。 以煤为原料的小型氨厂则采用碳化工艺，用浓氨水吸收二氧化碳，得到碳酸氢铵产品，将脱碳过程与产品生产过程结合起来。 以无烟煤为原料的中型合成氨厂，将粒度为 25～ 100mm 的无烟煤（或焦 炭）加到固定床煤气发生炉中，交替地向炉内通入空气和蒸汽，气化所产生的半水煤气经燃烧室，废热锅炉回收热量后，送到气柜储存，半水煤气经电除尘器除去其中固体小颗粒后，通过风机送到半水煤气脱硫塔中，用栲胶（或其他脱硫剂）脱硫，以除去气体中硫化氢；依次进入原料气压缩机的前三段，加压到 ～，然后气体进入饱和塔，用热水使气体变成饱和水蒸汽，经热交换器被由变换炉来的变换气加热后，进入变换炉，用蒸汽使气体中一氧化碳变换成氢气，变换后的气体返回换热器与半水煤气换热后，再经热水塔使气体冷却，进入变换气脱硫塔用栲胶 溶液脱硫，以脱除变换时有机硫转化而成的硫化氢。 此后，气体进入原料气压缩机的后两段，加压到 12～ 13MPa，依次进入铜洗塔和碱洗塔中，使气体中的 CO 和 CO2的含量降至 20 106以下。 净化后的氢氮混合气进入原料气压缩机最后一段，压缩到 30～ 32MPa，进入油分离器，在此与循环气压缩机来的循环气混合并除去其中油雾后，进入冷凝塔和氨冷器的管内，再进入冷凝塔上部的管间。 8 3 合成氨生产工艺 传统型蒸汽转化制氨工艺阶段 从 20 世纪 20 年代世界第一套合成氨装置投产 , 到 20 世纪 60 年代中期 , 合成氨 工业在欧洲、美国、日本等国家和地区已发展到了相当高的水平。 美国Kellogg 公司首先开发出以天然气为原料、日产 1 000 t 的大型合成氨技术 , 其装置在美国投产后每吨氨能耗达到了 GJ 的先进水平。 Kellogg 传统合成氨工艺首次在合成氨装置中应用了离心式压缩机 , 并将装置中工艺系统与动力系统有机结合起来 ,实现了装置的单系列大型化 ( 无并行装置 ) 和系统能量自我平衡 ( 即无能量输入 ) , 是传统型制氨工艺的最显著特征 , 成为合成氨工艺的“经典之作”。 之后英国 ICI、德国 Uhde、丹麦 Topsoe、德国 Braun 公司等合成氨技术专利商也相继开发出与 Kellogg 工艺水平相当、各具特色的工艺技术 , 其中 Topsoe、 ICI 公司在以轻油为原料的制氨技术方面处于世界领先地位。 这是合成氨工业历史上第一次技术变革和飞跃。 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 段天然气蒸汽转化工艺的主要特点是 : ① 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。 ②副产高压蒸汽 , 并将回收的氨合成反应热预热锅炉给水。 ③ 用一段转化炉烟道气预热二段空气 , 提高一段转化压力 , 将部分转化负荷转移至二段转化。 �采用轴向冷激式氨合成塔和三级氨冷 , 逐级将气体降温至 23 ℃ , 冷冻系统的液氨亦分为三级闪蒸。 在传统型两段蒸汽转化制氨工艺中 , Kellogg 工艺技术应用最为广泛 , 约有 160 套装置 , 其能耗为 ~ 41. 8 GJ/ t。 经过节能改 造后平均能耗已经降至 GJ/t 左右。 9 低能耗制氨工艺阶段 低能耗制氨工艺 具有代表性的低能耗制氨工艺有 4 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。 与上述 4 种代表性低能耗工艺同期开发成功的工艺还包括 : ① 以换热式转化工艺为核心的 ICI 公司 LCA 工艺、俄罗斯 GIAP 公司的 Tandem 工艺、Kellogg 公司的 KRES 工艺、 Uhde 公司的 CAR 工艺 ； ②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 ； ③ 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 : ① 温和转化。 一段转化炉采用低水碳比、低出口温度、较高的出口 CH4 含量操作 , 将负荷转移至二段转化炉 ； 同时二段转化炉引入过量空气 , 以提高转化系统能力。 ② 燃气轮机。 使用燃气轮机驱动空气压缩机 ,并与 一段转化炉紧密结合。 ③ 低热耗脱碳。 采用低热耗 Benfield 或 a MDEA 脱碳 , 以降低能量消耗。 ④ 深冷净化。 Braun 公司采用深冷净化 , 在合成气进入氨合成回路之前脱除其中的 CH4 和部分 Ar,并调节合成气中 H2 与 N2 摩尔比为 3： 1； Uhde ICIAMV采用深冷净化 , 在氨合成回路之中回收弛放气中的 H2。 ⑤ 效率更高的合成回路。 采用新型氨合成塔和低压高活性催化剂 , 以提高氨合成转化率、降低合成压力、减小回路压降、合理利用能量。 Kellogg 公司采用卧式径向合成塔和小颗粒、高活性催化剂 ； Uhde 公司和 Topsoe 公司均采用了立式径向流动合成塔和小颗粒、高活性催化剂。 以部分氧化工艺为核心的重油或煤气化 (1) 重油气化。 以部分氧化工艺为核心的重油气化技术 , 主要有 Shell 和Texaco 两家公司的技术。 自 1956 年开发出第一台渣油气化炉至今 , 世界上先 10 后建成了 140 多套装置 , 用于合成氨、甲醇、纯氢和羰基合成等。 由于国外以重油为原料的合成氨装置所占比例很小 , 且近年来受到石油危机和洁净煤气化技术的挑战 , 竞争力较差 , 其技术进展不大。 主要的进展包括 : ① 结构多样 化、气化压力提高、设备大型化 ； ②改进气化炉烧嘴 , 以降低氧 / 油比、蒸汽 / 油比 , 从而降低氧耗、汽耗 , 改善经济性 ； ③改进雾化喷嘴的结构和材质 , 以适应石油深加工带来的重油重度加重的问题 ； ④炭黑回收部分开路 , 以适应石油深加工带来的重油原料中重金属含量升高的问题。 (2) 煤气化。 20 世纪 80 年代初到 90 年代末 , 煤气化技术再度引起人们重视 , 对洁净煤气化技术进行了大量的开发研究 , 取得了重大的进展 , 开发出众多的煤气化技术 , 包括 : 以 Texaco 公司和 Destec 公司为代表的水煤浆气化、以 Shell 公司和德国 Prenflo 公司为代表的粉煤气化、以 Lurgi 公司为代表的固定床煤气化等。 并率先在 IGCC 领域进行了示范性大型化商业化装置的运转 ,Texaco 工艺和 Lurgi 工艺在合成氨生产中也得以应用 , 并取得了良好的效果。 传统型制氨装置的节能增产改造 以节能降耗为目的的技术开发成果 , 在传统型合成氨装置的节能改造和增产改造中也得到了广泛的应用 ； 同时针对传统型合成氨装置 , 也开发出了许多新的节能和增产技术。 在 20 世纪 80 年代中期到 90 年代中期 , 传统型合成氨装置大多 进行了 2 轮技术改造 , 基本实现了节能增产的目标 , 技术水平大大提高 , 缩小了与低能耗制氨工艺的差距。 ( 1) 第一轮改造。 主要采用节能降耗新技术 , 改造后 , 传统天然气合成氨装置每吨氨的能耗 GJ 降至 GJ 左右 , 传统轻油合成氨装置每吨氨的能耗下降为 GJ。 其采用的技术主要包括 : 一段转化炉烟气余热回收预热燃烧空气 ； 增设转化炉蒸汽过热烧嘴 ； 脱碳改为低热 Benfield； 合成气压缩机前加氨冷器 ； 采用 Casale 或 Topsoe 轴径向内件对合成塔内件进行改造。 ( 2) 第二轮改造。 主要采用节能增产新技术 , 将产量扩充至日产 1 200 t 以上 , 传统天然气合成氨装置吨氨能耗进一步降至 GJ, 其采用的技术主要包括 : 空气压缩机、合成气压缩机汽轮转子扩能增效 ； 一段转化炉管更新为大口 11 径薄壁 HP50 管 ； 一段转化炉对流段空气预热器盘管改造 ； 二段转化炉更换新型烧嘴 ； 高温变换炉和低温变换炉安装内件 , 成为轴径向炉 ； 增设小低变炉 ； 脱碳在四级闪蒸的基础上进一步改造。 装置单系列产量最大化 阶段 近 10 年来 , 由于低能耗装置吨氨能耗已经降至 28 GJ 的水平 , 接近了理论能耗数值 ( 22 GJ) , 节能降耗的余地已经很小 ( 预计合成氨装置吨氨能耗将难以降低到 26 GJ 以下 )，而且即使能够降低 , 其对装置的经济性也将很小。 基于此 , 为了进一步改善装置的经济性 , 技术专利商均开始转向以实现单系列合成氨装置产量最大化为首要目标的研究开发。 与此同时 , 在高油价背景下 , 用煤等劣质原料制氨重新受到重视 , 以 Texaco 水煤浆气化和 Shell 粉煤气化为代表的煤气化技术在改造和新建装置中得到了使用。 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。 20 世纪 80 年代投产的世界级合成氨装置的平均产量为 1120 t/d, 而最近投产的世界级合成氨装置的产量大多已接近 2020 t/d, 且主要按照现有技术进行放大。 至今为止 ,Uhde 公司已经推出了日产 3300 t 合成氨技术 ,KBR、 Topsoe、 Lurgi 公司均推出了日产 2020 t 合成氨技术。 (1)Uhde 技术 ① 加氢脱硫原料气在脱硫工段对加氢反应器和脱硫反应器的尺寸没有限制 , 很容易增加气体流量。 必要时可以安装 2 台脱硫反应器 , 从而允许装置运行 时更换反应器中的氧化锌。 ② 工艺实践证明 ,离心式压缩机和整体齿轮式离心压缩机适用于产量高达3000 t/d。