毕业设计论文-合成氨工业的主要工艺分析及安防设计

毕业设计论文-合成氨工业的主要工艺分析及安防设计内容摘要：

一方面会使设配性能发生变化。 10 同时增大压力也会使气体转化率提高。 合成氨的基本理论： 一、 合成氨的基本特点 3H2+N2=2NH3+Q （ 1） 是可逆反应。 即在氢气与 氮气合成生成氨气的同时，氨也分解生成氢气和氮气。 （ 2） 是放热反应。 在生成氨的同时放出热量，反应热与温度、压力有关。 （ 3） 是体积缩小的反应。 （ 4） 反应需要有催化剂才能较快的进行。 二、 氨合成反应的化学平衡 （ 1） 平衡常数： 降温、加压平衡常数增大。 （ 2） 平衡氨含量 反应达到平衡时氨在混合气体中的百分含量，称为平衡氨含量，或氨的平衡产率。 氢氮混合气体所含的甲烷和氩等不参加氨合成反应的气体成分，称为惰性气体。 提高平衡氨含量的措施为降低温度，提高压力，保持氢氮比等于 3，并减少惰性气体含量。 三、 氨合成动力学 反应机理 在催化剂的作用下，氢与氮 生成的反应是一种多相气体催化反应。 由以下几个步骤所组成： （ 1） 气体反应物扩散到催化剂外表面； （ 2） 反应物自催化剂外表面扩散到毛细孔内表面； （ 3） 气体被催化剂表面（主要是内表面）活性吸附（与普通吸附的区别在于有化学力参与在内，并放出热量）； 11 （ 4） 吸附状态的气体在催化剂表面上起化学反应，生成产物； （ 5） 产物自催化剂表面解吸； （ 6） 解吸后的产物从催化剂毛细孔向外表面扩散； （ 7） 产物由催化剂外表面扩散至气相主流。 以上七个步骤中，（ 1）、（ 7）为外扩散过程；（ 2）、（ 6）为内扩散过程；（ 3）、（ 4）和（ 5）总称为化学动力学的过程。 氨气的转化率实际上就是氮氢比的控制问题，目前，国内以天然气为原料的大型装置采用的是 Kellogg 传统蒸汽转化合成氨工艺的大约占 50％；在此工艺中氮氢比调节大都由 DCS 实现，由于该控制回路的基本单元未能脱离常规 PID 控制算法，同时常规 PID 控制算法也不能实现参数自整定；故不能及时将工况控制在最佳状态，有时反而造成系统波动，不得不将回路切到手动，导致目前氢氮比自控投用率极低；进而影响合成氨装置的稳定和产量。 N2（气相） N2（吸附） 2NH（吸附） 2NH2(吸附） 2NH3（吸附 ） 2NH3(气相 ) 气相中的 H2 气相中的 H2 气相中的H2 脱 吸 12 氮氢比是 Kellogg 工艺合成氨装置最为关键的参数之一，保持其始终处于最佳状态是提高合成氨产量的有效措施。 氨合成反应式为 N2+3H2— 2NH3+Q，其特点是反应放热，体积缩小，反应可逆。 从氨合成催化剂的活性角度分析进塔气最适宜的氮氢比在 左右；而从平衡角度则以 3 为最高，所以 氮 氢比在 — 3 范围内最有利于氨的合成，正常的最佳氮氢比为 —。 低于 或大于 会使合成塔床层温度下降，若持续时间较长，可能导致床层温度失控。 目前，国内多数 Kellogg传统蒸汽转化工艺合成氨装置氮氢比控制由 DCS常规 PID控制算法实现，在波动较大、干扰较强、大时滞的情况下， PID 参数不适应此状况。 同时常规 PID 控制算法也不能实现参数自整定，故不能及时将工况控制在最佳状态，有时反而造成系统波动，不得不将回路切到手动，导致目前氮氢比自控投用率极低。 而操作工手动调节氮氢比一次要 10— 40min 才能反映出调节效果，几个周期下来，就会使系统长时间处于非优化控制状态，从而影响合成氨的稳定和产量。 [5] 控制方法 先进控制 先进控制是对那些不同于常规控制，并具有比常规 PID 控制更好的控制效果策略的统称，而非专指某 种计算机控制算法。 通过实施先进控制，可以改善过程动态控制的性能、减少过程变量的波动幅度；使之更能接近其优化目标值，从而使生产装置在接近其约束边界的条件下运行，最终达到增强装置运行的稳定性和安全性、保证产品质量的均匀性、提高目标产品收率、增加装置处理量、降低运行成本、减少环境污染。 13 优化控制 优化控制技术是一门针对过程控制的实用技术，优化控制技术只有投入到实际应用中并显示出较好的控制效果才能真正体现出优化控制技术的意义。 优化控制与先进控制完成的目标是一致的，先进控制较优化控制层次高。 优化控制是在 DCS 的单回路控制基础之上，利用 DCS 内部现有的功能块构建出一个优化控制回路，协调控制多个关键参数；适应负荷大范围的波动。 优化控制实施成本较低，可以为实施先进控制打下基础。 氮 氢 比控制方案设计 基于先进控制算法的 氮 氢 比控制 y(k+1)y(k)= Φ（ k） T[u(k)u(k1)] (1) 公式（ 1）是黑龙江大学韩志刚教授提出的无模型先进控制算法所依赖的“泛模型”公式。 “泛模型”的含义是希望其能描述所有或绝大多数控制对象的行 为和特性。 式中 y、ψ、 u 是向量， y 是系统输出， u 是系统输入，ψ是时变增益参数。 公式（ 2）是根据“泛模型”公式（ 1）推导出来适用于氢氮比控制的无模型先进控制算法公式。 式中 y、ψ、 u 是向量， y（ k）是系统输出， u（ k）是系统输入，ψ（ k）是时变增益参数，α是正参数，λ k 是人为可调整的参数， （ k）是ψ（ k）的估计值。 氮氢比无模型先进控制算法是由基于公式（ 1）泛模型对特征参量ψ（ k）的辨识算法和公式（ 2）基本控制算法在线交互进行二组成的。 当经过辨识到 （ k） 14 值之后，即可以应用公式（ 2）基本控制算法对系 统进行反馈控制，控制的结果将得到一组新的观测数据，在已有数据中添加这一组新的数据，再对 （ k+1）进行辨识如此继续下去就可实现辨识与控制的一体化。 基于先进控制软件包的氮 氢 比控制 伴随着预测启发式控制、模型算法控制、动态矩阵控制在工业过程控制中的大量实际运用，出现了许多非参数模型预估控制的工程化软件包。 经过模型辨识、优化算法、控制结构分析、参数整定和有关稳定性和鲁棒性等一系列研究，基于非参数模型预估控制的工程化软件包成为目前过程中应用最成功，也最具有前途的先进控制策略。 [13] 国外许多著名的软 件公司推出了基于非参数模型预估控制的多变量约束协调控制软件包，如 Stpoin Inc 的 SMAC 及其核心软件 IDCOMM。 上述控制软件包均可实现氢氮比控制，但购买控制软件包费用昂贵，对使用方技术人员素质要求高，同时对使用方技术人员而言实施控制过程为“黑箱”，伴随工艺变化需要软件公司技术支持，服用费用较高。 基于优化常规过程控制（ PID）的氮氢比控制 基于优化常规过程控制（ PID）的氮氢比控制的设计思路，是利用 DCS 内部现有的工程的功能块构建出优化控制回路。 C 回路的基于优化常规过程控制（ PID） 的氮氢比内部复杂控制是一套具有较强的自适应能力、抗干扰能力和客服大时滞现象的“前馈 比值 三串级”调节系统。 控制系统以水 \碳控制系统的总碳流量 FX0204 ＰＶ作为该系统的前馈信号，由合成气Ｈ２∕Ｎ２调节器 AIC41新鲜气的Ｈ２∕Ｎ２调节器 AIC410 与工艺空气流量调节器ＦＩＣ００３组成三串级调节系统，对进入二段炉（１０３－Ｄ）的工艺空气流量进行控制；以此来调节新鲜气Ｈ２∕Ｎ２和合成气Ｈ２∕Ｎ２。 15 氢氮比控制方案比较 上述三种氢氮比控制方案设计思路不同，控制目标相同，不同之处如下： 表 2 三种氢氮比控制比较 设计 方案 基于先进控制算法的氢氮比控制 基于先进控制软件的氢氮比控制 基于优化常规过程控制（ PID）的氮氢比控制 A公司 B 公司 Ｃ公司 设计成本（万元） ８０ ２００ １５ 外设成本 （万元） ３ ２０ 无 优点 基于过程数学控制；适用于大滞后多变量；适用于常规控制无法满足要求的复杂控制和基于工艺原理的模型顶估；可以实现控制目标 基于非参数模型预估控制的工程化软件包是目前过程控制中应用最成功的先进策略；经验丰富，技术实力雄厚；可以实现控制目标 实现简单无模型单回路技术人员较容易理解，实施有把握；投资少可充分利用 C 公司技术人员可自行维护控制 缺点 数学方法过于复杂，核心算法掌握在开发商手里， Ａ公司员工无人掌握该核心内容；系统的维护和调整十分被动，在工况发生变化的情况下只能靠源源不断的投资进行调整；投资较大。 控制过程对Ｂ公司技术人员基本是“黑箱”；维护基本需要软件开发公司支持；适用于大型炼油化工 装置 系统 优化；投资大。 各控制之间的参数 计算和系统各串级回路的参数计算复杂。 16 推荐合成氨装置氢氮比优化控制设计方案 优化控制与先进控制完成的目标是一致的，但先进控制较优化控制层次高，他是借助计算机的飞速发展，通过计算机高速的计算能力，利用现代控制理论，用数学模型模拟出装置的特点，预测出整个装置各个参数的关联变化，统一协调优化整个系统。 但ＤＣＳ的单回路控制水平较高，单回路调节要求灵敏准确，都投在自动状态，装置在高负荷状态下运行，通过传统的控制手段已无法提高生产能力、节能降耗，所以必须借助于先进控制。 [8] 比较而言，优化控制更适合目 前装置的运行水平，适合负荷大范围波动，能够协调控制几个关键参数；实施成本较低，并且为最终实施先进控制打下基础。 17 3． 温度 反应速度 反应速度 随温度升高显著加快，将某种催化剂在一定成产条件下具有最高生产率的温度称为最适宜温度，最适宜温度与空间速度、压力等有关。 经生产实践得出氨合成操作温度控制在 470— 520 度较为适宜。 [14] 对温度的控制 对合成氨温度的控制实际上 是对氨合成塔温度的控制。 在我国，中小型合成氨装 18 置占绝大多数，但装置自动化程度非常低。 主要原因是：过去爱先进控制软件售价昂贵，国内中小型企业承担不起，中小型装置硬件水平低，设备与仪表缺乏维护与保养，可靠性差，生产不稳定，增加了自动化控制软件的投运难度。 连续冷管换热式氨合成塔由于全塔只有一个热点，不存在段间耦合，控制复杂度较小，因此有部分此类氨合成塔温度实现了自动控制，其控制方案主要有：串级 PD控制、前馈反馈控制、分程控制和增益调度控制等。 但这些控制方案难以推广到多段冷激式氨合成塔上，主要原因在于：①氨合 成塔温度控制回路是一个大惯性、大纯滞后系统， PD 控制器在这类系统中应用效果不佳。 ②没有考虑多段冷激式氨合成塔内部各段温度之间的耦合作用。 ③对氨合成塔床层温度的影响因素考虑不够全面。 多段冷激式氨合成塔温度先进控制 根据多段冷激式氨合成塔 工艺特点，设计全塔温度先进控制方案： [9] ①阶梯式广义预测控制器对于大惯性、大纯滞后、强干扰工业过程对象应用效果好。 使用它代替 PD 控制器，在氨合成塔床层温度控制上会取得良好的控制效果。 ②充分考虑四段床层温度之间的耦合作用，将每段热点温度作为下一段热点温度控 制回路的前馈。 ③一段床层温度是全塔温度控制的关键，采用选择控制方案，对冷副热气阀、冷副冷气阀、循环近路阀分别设计 GPC（ generalized predictive control）控制器，选择按控制顺序的要求判断并选择当前控制器和控制阀。 ④充分考虑影响合成塔床层温度的外部因素，分析他们对各段温度影响的强弱，对一段温度引入操作压力、入塔气体温度、循环氢、氨冷温度前馈，消除这些因素对床层温度的影响，稳定一段温度，在一段温度稳定的前提下，二、三、四段只需引入操作压力和循环前馈，保证床层温度能够应对负荷大幅度 加量或减量即可。 四段冷激式氨合成塔温度先进控制方案如图 3 所示： 19 图 3 四段冷激式氨合成塔温度先进控制方案 20 强 对于一个反应前后系数不相等的化学反应来说，压力在整个反应过程中起着非常重要的作用。 合成氨反应是一个气体体积缩小的反应，在反应过程中，依据化学平衡的基本规律，增加反应物的量能使气体向气体体积缩小的方向移动，使生成物的量加大。 由于压缩机型式、操作压力、氨分离析冷凝级数、热能回收形式以及各部分相对位置差异，氨合成工艺流程也不相同。 操作压力在 6001000 MPa 称高压法，在 2040MPa 称中压法。 1020 MPa 称为低压法。 中压法氨合成的工艺流程，在技术和经济上都比较优越，因此目前国内外普遍采用中压法，在一定空速下，合成压力越高，出口氨浓度越高，氨净值（合成塔出入口氨含量之差）越高，合成塔的生产能力也就越大。 氨合成系统的能量消耗主要包括原料气压缩，循环气压缩功和氨分离的冷冻功。 实践证明，。