2022年化工合成氨工藝原理及流程分析(共32張PPT)課件

1、2022/7/24合成氨流程簡介-32130萬噸仿真合成氨工藝原理流程簡介2010.102022/7/24合成氨流程簡介-322本模型是以德國伍德公司生產(chǎn)工藝，以天然氣為原料的日產(chǎn)合成氨1000噸（年產(chǎn)30萬噸）縮微仿真模型。整個(gè)裝置主要包括（1）天然氣脫硫與壓縮；（2）工藝空氣壓縮；（3）天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化；（4）CO變換；（5）CO2脫除；（6）甲烷化；（7）合成氣壓縮；（8）氨合成；（9）冷凍；（10）氨回收；（11）氫回收2022/7/24合成氨流程簡介-3232022/7/24合成氨流程簡介-324一、原料氣壓縮和脫硫原料天然氣進(jìn)入壓縮機(jī)，經(jīng)四段壓縮至51105Pa，溫度加熱至390，進(jìn)

2、入鈷-鉬加氫反應(yīng)器中反應(yīng)，將有機(jī)硫轉(zhuǎn)化為無機(jī)硫，然后入氧化鋅脫硫槽將硫脫除，控制硫含量小于0.1ppm。 2022/7/24合成氨流程簡介-325二、轉(zhuǎn)化經(jīng)脫硫后的原料氣在鎳催化劑作用下進(jìn)行一段、二段蒸汽轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化氣溫度在983左右，殘余CH4在0.9以下入廢熱鍋爐回收工藝氣熱量。 加氫轉(zhuǎn)化不能達(dá)到直接脫硫的目的，但經(jīng)轉(zhuǎn)化后就大大的利于硫的脫除。反應(yīng)具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：氨吸收塔底部流出的氨水，經(jīng)加熱后入汽提塔，從汽提塔頂蒸出的氣氨在冷凝器中冷凝為液氨。在實(shí)際生產(chǎn)中，轉(zhuǎn)化反應(yīng)分別是在一段爐和二段爐中完成。甲烷化后的工藝氣進(jìn)入合成氣壓縮機(jī)低壓缸、高壓缸壓縮到101105Pa，冷卻到40后入第一氨冷器

3、冷卻至5，與一氨冷出口的循環(huán)氣在管路中匯合，進(jìn)入二氨冷降溫到-10，此時(shí)大部分氣氨被冷凝。即在氫氣和氮?dú)夥磻?yīng)生成氨的同時(shí)，氨也分解成氫氣和氮?dú)?。每反?yīng)1CO2，溫升60左右。同時(shí)，在合成塔出口設(shè)置了合成廢鍋，利用合成氨余熱產(chǎn)生125105 Pa的高壓蒸汽，能量回收更為充分。在催化劑作用下將CO、CO2 加氫反應(yīng)生成對(duì)合成觸媒無害的甲烷。這樣即能把一氧化碳變?yōu)橐子谇宄亩趸?，同時(shí)又可制得合成需要的原料氫。經(jīng)脫硫后的原料氣在鎳催化劑作用下進(jìn)行一段、二段蒸汽轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化氣溫度在983左右，殘余CH4在0.6105Pa，100，經(jīng)水冷器冷卻至40后，氣氨液化為液氨入氨收集器，再入氨閃蒸槽、產(chǎn)品氨加熱

4、器與來自閃蒸槽的冷氨進(jìn)行交換使之冷卻過冷至13，重新作為冷凍劑送往第一、二氨冷裝置，構(gòu)成冷凍循環(huán)回路。脫碳溶液中 K2CO3在低溫、加壓的條件下吸收了CO2生成KHCO3 ，KHCO3又在加熱、減壓的條件下放出CO2，重新變成K2CO3。2022/7/24合成氨流程簡介-326三、變換工藝氣溫度降為370左右進(jìn)入鐵鉻系催化劑的高溫變換爐頂部，從底部流出高變氣溫度降為204再入低溫變換爐。低溫變換在銅鋅系催化劑中進(jìn)行反應(yīng)，CO含量降到0.36。 2022/7/24合成氨流程簡介-327四、脫碳低變氣經(jīng)冷卻進(jìn)入吸收塔下部，經(jīng)吸收氣體中CO2含量降到0.4，再經(jīng)上塔吸收，從塔頂逸出的脫碳后的CO2含

5、量0.1工藝氣去甲烷化工序。吸收塔底流出富液，經(jīng)水力透平做功后送至再生塔頂部，溶液減壓閃蒸出水蒸汽和CO2，然后向下流經(jīng)再生塔四層填料。再生溶液（貧液）從再生塔底部流出，經(jīng)溶液泵升壓后分兩路（頂部和中部）送入吸收塔。2022/7/24合成氨流程簡介-328五、甲烷化來自吸收塔頂?shù)拿撎細(xì)?，進(jìn)入甲烷化爐反應(yīng)，從爐底流出進(jìn)入熱交換器冷卻，甲烷化氣中（CO+ CO2）小于10ppm。2022/7/24合成氨流程簡介-329六、合成氣的壓縮甲烷化后的工藝氣進(jìn)入合成氣壓縮機(jī)低壓缸、高壓缸壓縮到101105Pa，冷卻到40后入第一氨冷器冷卻至5，與一氨冷出口的循環(huán)氣在管路中匯合，進(jìn)入二氨冷降溫到-10，此時(shí)

6、大部分氣氨被冷凝。出循環(huán)段的氣體經(jīng)熱交換器升溫后進(jìn)入合成塔。2022/7/24合成氨流程簡介-3210七、氨的合成壓力104105Pa、溫度239、氨含量4.12的循環(huán)氣，流經(jīng)合成塔在鐵催化劑上進(jìn)行合成反應(yīng)。出塔氣的壓力為100105Pa，414，氨含量16.3入廢熱鍋爐回收熱量，部分氣氨在換熱器內(nèi)冷凝為液氨，然后合成氣再進(jìn)入一氨冷，然后與新鮮氣匯合成為循環(huán)氣，形成合成循環(huán)回路。2022/7/24合成氨流程簡介-3211八、冷凍來自一氨冷、二氨冷及氣體冷卻器的氣氨分別進(jìn)入冰機(jī)，經(jīng)壓縮后與從氨閃蒸槽來的氣氨相匯合，進(jìn)入二段壓縮至15.6105Pa，100，經(jīng)水冷器冷卻至40后，氣氨液化為液氨入氨

7、收集器，再入氨閃蒸槽、產(chǎn)品氨加熱器與來自閃蒸槽的冷氨進(jìn)行交換使之冷卻過冷至13，重新作為冷凍劑送往第一、二氨冷裝置，構(gòu)成冷凍循環(huán)回路。 2022/7/24合成氨流程簡介-3212九、氨回收合成馳放氣入吸收塔底部，被水吸收，吸收后氣體中含氨量為0.02，大部分氣體送往氨冷器冷卻后送氫回收裝置。氨吸收塔底部流出的氨水，經(jīng)加熱后入汽提塔，從汽提塔頂蒸出的氣氨在冷凝器中冷凝為液氨。汽提塔底流出的氨水濃度為0.1經(jīng)冷卻后分別送往吸收塔作吸收劑循環(huán)使用。 2022/7/24合成氨流程簡介-3213十、氫回收經(jīng)氨回收后的氣體進(jìn)入分子篩干燥器，將氣體中的NH3，H2O徹底清除，然后送入冷箱，CH4、Ar、部分

8、N2液化為液體與未液化的氫氣進(jìn)入分離器，氫氣被富集為富氫氣，送往合成氣壓縮機(jī)循環(huán)段入口。2022/7/24合成氨流程簡介-3214十一、氨的貯存本裝置設(shè)有兩臺(tái)球型氨罐，每個(gè)貯存量為2500噸，操作壓力與溫度分別為3.8105 Pa和 3。 2022/7/24合成氨流程簡介-3215轉(zhuǎn)化工段 反應(yīng)需要有催化劑才能較快的進(jìn)行。經(jīng)脫硫后的原料氣的總硫含量降至0.9以下入廢熱鍋爐回收工藝氣熱量。變換反應(yīng)是一個(gè)可逆、放熱、反應(yīng)前后氣體體積不變的化學(xué)反應(yīng)。本裝置采用改良苯菲爾法脫除工藝氣中的CO2 ，吸收劑為碳酸鉀溶液，溶液的吸收和再生可以用如下反應(yīng)方程式表示：這樣即能把一氧化碳變?yōu)橐子谇宄亩趸?，?/p>

9、時(shí)又可制得合成需要的原料氫。高溫變換爐，所用的催化劑是以Fe3O4為活性組分的，它的活性溫度在300以上（一般在350430）。6105Pa，100，經(jīng)水冷器冷卻至40后，氣氨液化為液氨入氨收集器，再入氨閃蒸槽、產(chǎn)品氨加熱器與來自閃蒸槽的冷氨進(jìn)行交換使之冷卻過冷至13，重新作為冷凍劑送往第一、二氨冷裝置，構(gòu)成冷凍循環(huán)回路。工藝氣溫度降為370左右進(jìn)入鐵鉻系催化劑的高溫變換爐頂部，從底部流出高變氣溫度降為204再入低溫變換爐。在實(shí)際生產(chǎn)中，轉(zhuǎn)化反應(yīng)分別是在一段爐和二段爐中完成。但是，由于轉(zhuǎn)化工序加入過量空氣，使合成系統(tǒng)氮過剩，加大了合成排放氣量。2022/7/24合成氨流程簡介-3216 天然氣

10、 預(yù)熱器 脫硫 預(yù)熱一段轉(zhuǎn)化二段轉(zhuǎn)化廢熱鍋爐蒸汽預(yù) 熱蒸汽空氣去變換1.天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化工藝流程2022/7/24合成氨流程簡介-32172. 原料氣脫硫天然氣中含有少量硫化物，這些硫化物可以使多種催化劑中毒而不同程度地使其失去活性，硫化氫能腐蝕設(shè)備管道。因此，必須盡可能地除去原料氣中的各種硫化物。加氫轉(zhuǎn)化 指在加入氫氣的條件下使原料氣中有機(jī)硫轉(zhuǎn)化為無機(jī)硫。加氫轉(zhuǎn)化不能達(dá)到直接脫硫的目的，但經(jīng)轉(zhuǎn)化后就大大的利于硫的脫除。在有機(jī)硫轉(zhuǎn)化的同時(shí)，也能使烯烴類加氫轉(zhuǎn)化為烷氫類從而可減少下一工序蒸汽轉(zhuǎn)化催化劑析炭的可能性。氧化鋅 是一種內(nèi)表面積大，硫容較高的接觸反應(yīng)型脫硫劑。除噻吩及其衍生物外，脫除硫化氫

11、及各種有機(jī)硫化物的能力極高，可將出口氣中硫含量降至0.1PPm以下。2022/7/24合成氨流程簡介-32183原料氣的一段蒸汽轉(zhuǎn)化經(jīng)脫硫后的原料氣的總硫含量降至0.1PPm以下，與水蒸汽混合后進(jìn)行轉(zhuǎn)化反應(yīng)，生成氫氣和CO （CO 將在下一變化工序中去除）： CH4+H2O CO+3H2 CnH2n+2+nH2O nCO +（2n+1）H2由于轉(zhuǎn)化反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，在高溫條件下有利于反應(yīng)平衡及反應(yīng)速度。在實(shí)際生產(chǎn)中，轉(zhuǎn)化反應(yīng)分別是在一段爐和二段爐中完成。在一段爐中 ，烴類和水蒸氣的混合氣在反應(yīng)管內(nèi)鎳催化劑的作用下進(jìn)行轉(zhuǎn)化反應(yīng)，管外有燃料氣燃燒供給反應(yīng)所需熱量，出一段爐轉(zhuǎn)化氣溫度控制在800左右。

12、 甲烷化后的工藝氣進(jìn)入合成氣壓縮機(jī)低壓缸、高壓缸壓縮到101105Pa，冷卻到40后入第一氨冷器冷卻至5，與一氨冷出口的循環(huán)氣在管路中匯合，進(jìn)入二氨冷降溫到-10，此時(shí)大部分氣氨被冷凝。在一段爐中 ，烴類和水蒸氣的混合氣在反應(yīng)管內(nèi)鎳催化劑的作用下進(jìn)行轉(zhuǎn)化反應(yīng)，管外有燃料氣燃燒供給反應(yīng)所需熱量，出一段爐轉(zhuǎn)化氣溫度控制在800左右。 是體積縮小的反應(yīng)。由于在反應(yīng)過程中只有少部分氮?dú)錃夂铣蔀榘?，因此反?yīng)后的氣體混合物分離氨后，經(jīng)加壓又送回合成塔，構(gòu)成合成回路。再生溶液（貧液）從再生塔底部流出，經(jīng)溶液泵升壓后分兩路（頂部和中部）送入吸收塔。4，再經(jīng)上塔吸收，從塔頂逸出的脫碳后的CO2含量0.它的變換溫

13、度一般在200250，這樣的低溫下，就能使CO的變換進(jìn)行的比較徹底，可以使CO濃度降至0.甲烷化后的工藝氣進(jìn)入合成氣壓縮機(jī)低壓缸、高壓缸壓縮到101105Pa，冷卻到40后入第一氨冷器冷卻至5，與一氨冷出口的循環(huán)氣在管路中匯合，進(jìn)入二氨冷降溫到-10，此時(shí)大部分氣氨被冷凝。3左右，經(jīng)并聯(lián)的兩臺(tái)第一廢熱鍋爐回收熱量，再經(jīng)第二廢熱鍋爐進(jìn)一步回收余熱后，送去變換。 反應(yīng)需要有催化劑才能較快的進(jìn)行。再生溶液（貧液）從再生塔底部流出，經(jīng)溶液泵升壓后分兩路（頂部和中部）送入吸收塔。CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O + 165.因此，要嚴(yán)格控制低變出口CO含量及脫碳出口CO2含量，在規(guī)定指標(biāo)范圍內(nèi)，

14、嚴(yán)防甲烷化觸媒超溫。碳氧化物（CO、CO2）是合成觸媒的毒物，在工業(yè)生產(chǎn)中要求入合成工序的氫氮?dú)庵械腃O、CO2含量小于10PPm。經(jīng)變換工序后的工藝氣，CO2含量一般在17左右。2022/7/24合成氨流程簡介-32194轉(zhuǎn)化氣的二段轉(zhuǎn)化為了進(jìn)一步轉(zhuǎn)化，需要更高的溫度。在二段爐中加入預(yù)熱后的空氣，利用H2和O2的燃燒反應(yīng)，產(chǎn)生高熱，促使CH4進(jìn)一步轉(zhuǎn)化。 出二段爐的工藝氣殘余甲烷含量0.3左右，經(jīng)并聯(lián)的兩臺(tái)第一廢熱鍋爐回收熱量，再經(jīng)第二廢熱鍋爐進(jìn)一步回收余熱后，送去變換。 2022/7/24合成氨流程簡介-32205變換經(jīng)蒸汽轉(zhuǎn)化后的工藝氣含有1215的CO，變換工序的任務(wù)是使CO在有催化劑

15、存在的條件下與水蒸汽進(jìn)行反應(yīng)：CO + H2O CO2 + H2這樣即能把一氧化碳變?yōu)橐子谇宄亩趸迹瑫r(shí)又可制得合成需要的原料氫。變換反應(yīng)是一個(gè)可逆、放熱、反應(yīng)前后氣體體積不變的化學(xué)反應(yīng)。 2022/7/24合成氨流程簡介-32215變換整個(gè)變換過程是由高溫變換和低溫變換組成。高溫變換爐，所用的催化劑是以Fe3O4為活性組分的，它的活性溫度在300以上（一般在350430）。在此溫度下，可以取得較高的反應(yīng)速度，但不能達(dá)到較低的CO濃度。為了進(jìn)一步取得較低的CO濃度，還要以銅為活性組分的催化劑作用下，進(jìn)行低溫變換 。它的變換溫度一般在200250，這樣的低溫下，就能使CO的變換進(jìn)行的比較徹

16、底，可以使CO濃度降至0.3以下。2022/7/24合成氨流程簡介-32222022/7/24合成氨流程簡介-3223凈化工段1、脫碳經(jīng)變換工序后的工藝氣，CO2含量一般在17左右。本裝置采用改良苯菲爾法脫除工藝氣中的CO2 ，吸收劑為碳酸鉀溶液，溶液的吸收和再生可以用如下反應(yīng)方程式表示： K2CO3 + CO2 + H2O 2KHCO3 + 熱量這是一個(gè)可逆過程。脫碳溶液中 K2CO3在低溫、加壓的條件下吸收了CO2生成KHCO3 ，KHCO3又在加熱、減壓的條件下放出CO2，重新變成K2CO3。前一個(gè)過程是吸收過程，后一個(gè)是再生過程。經(jīng)過吸收塔的脫碳?xì)怏w要求CO2小于0.1；經(jīng)過再生塔的C

17、O2氣體要求純度大于98.5。 2022/7/24合成氨流程簡介-32242、甲烷化碳氧化物（CO、CO2）是合成觸媒的毒物，在工業(yè)生產(chǎn)中要求入合成工序的氫氮?dú)庵械腃O、CO2含量小于10PPm。在催化劑作用下將CO、CO2 加氫反應(yīng)生成對(duì)合成觸媒無害的甲烷。在鎳觸媒存在的條件下，進(jìn)行如下化學(xué)反應(yīng)： CO + 3H2 CH4 + H2O + 206.16kJ/mol CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O + 165.08kJ/mol甲烷化反應(yīng)是可逆強(qiáng)放熱反應(yīng)，溫升很大，每反應(yīng)1CO，溫升72左右；每反應(yīng)1CO2，溫升60左右。因此，要嚴(yán)格控制低變出口CO含量及脫碳出口CO2含量，在規(guī)定指標(biāo)

18、范圍內(nèi)，嚴(yán)防甲烷化觸媒超溫。 2022/7/24合成氨流程簡介-32252022/7/24合成氨流程簡介-3226反應(yīng)具有如下幾個(gè)特點(diǎn)： 是可逆反應(yīng)。即在氫氣和氮?dú)夥磻?yīng)生成氨的同時(shí)，氨也分解成氫氣和氮?dú)狻?是放熱反應(yīng)。在生成氨的同時(shí)放出熱量，反應(yīng)熱與溫度、壓力有關(guān)。 是體積縮小的反應(yīng)。 反應(yīng)需要有催化劑才能較快的進(jìn)行。氨合成反應(yīng)的特點(diǎn)氨合成的化學(xué)反應(yīng)式如下：2022/7/24合成氨流程簡介-3227合成工段氨的合成是整個(gè)合成氨流程中的核心部分。前面工序制得的合格氮?dú)錃庠诟邷馗邏杭拌F催化劑作用下合成為氨。由于在反應(yīng)過程中只有少部分氮?dú)錃夂铣蔀榘?，因此反?yīng)后的氣體混合物分離氨后，經(jīng)加壓又送回合成塔，構(gòu)成合成回路。本裝置的合成塔采用了三段間接換熱式徑向合成塔，這樣合成塔觸媒層的溫度分布就更為合理，更加接近最佳溫度分布曲線，觸媒層的阻力降也更小。同時(shí)，在合成塔出口設(shè)置了合成廢鍋，利用合成氨余熱產(chǎn)生125105 Pa的高壓蒸汽，能量回收更為充分。但是，由于轉(zhuǎn)化工序加入過量空氣，使合成系統(tǒng)氮過剩，加大了合成排放氣量。為此增加了氫回收裝置加以彌補(bǔ)，回收的氫返回合成系統(tǒng)。 2022/7/24合成氨流程簡介-3228本裝置的合成塔采用了三段間接換熱式徑向合成