合成氨生产实习

, 德国UHDE 公司负责工程设计, 在加拿大白克特尔公司首次采用, 吨氨总能耗为28. 27 GJ。 6、德国Uhde公司的低能耗工艺 7、德国Linde公司的LAC工艺 3、内蒙古化肥厂采用哪种制取合成气的技术? 内蒙古化肥厂气化Shell渣油部分氧化法 4、有哪些条件影响合成气的组成? 1.压力:压力是决定合成回路构成的重要因素。从化学平衡角度考虑,提高 压力有利于提高平衡氨含量,并能加快反应速度,增加装置的生产能力;另外,提高压力有利于氨分离,并减少冷冻功耗。但压力的提高对设备的材质,加工制造的要求提高,原料气压缩功耗也增加,所以工厂对压力的选择要综合考虑技术经济效果。取决于动力消耗,基建投资喝工厂成本几个发面。目前,国内合成压力在15.0—32.0MPaG之间,本工段在13.8MPaG下操作。 2.温度:氨合成反应是放热反应,所以降低反应温度有利于平衡向生成氨的 方向进行。但反应速度则随温度降低而减慢。同时氨合成反应使用活性催化剂,所以反应温度的选择要首先考虑到适合催化剂的活性温度范围,一般在380—525℃之间。另外,对于可逆反应,对于一定的反应物系组成具有最大总反应速度的温度称之为对应于该组成的最适宜温度,因此对应整个合成塔的反应过程存在着一条最适温度,因此对应整个合成塔的反应过程存在着一条最适温度线。最适温度随着反应的进行而不断降低。为此,对氨合成这一放热反应,在反应同事采取不同手段及时移走反应热,使反应温度尽可能接近最适温度线,以达到较好的技术、经济效益。实际生产中,一般是控制出没床入口温度略高于触媒的活性其实温度,最高温度不超过催化剂的耐热温度,触媒使用的前期略低一些,以防触媒过早老化,而在后期则依据提温利用等高温活性。 3.入塔气体组成:合成塔进口原料气组成包括氨含量,惰性气体含量及氢氮 气含量等方面。入塔气组成对合成反应有很大的影响。 (1)氢氮比的影响(H2/N2)合成氨反应,氢氮比为3时,可得到最大氨 平衡浓度。而且其它条件一定时,氢氮比为3,可使氨合成反应的瞬间速度最大。 新鲜气中的氢和氮除了部分合称为氨外,有少量溶解于液氨中,还有一些因泄漏和放空而损失,其余则在系统内循环使用。但这几项损失的氢和氮,其比例不一定为3:1;另外,在实际生产中,原料气及配氮压力也有波动而影响H2/N2,因此,为了保持金塔原料气氢氮比为3:1,就要根据回路中气体成分的变化来调节新鲜气中氢和氮的比例,以使其保持最适比例。实践, H2/N2为3时,反应速度最快,产量亦最高。 (2)氨含量的影响:根据化学平衡理论,合成塔进口循环气中氨含量低,则 催化反应速度高,生成的氨量大,与此同时,分离氨所需冷量大。不同操作压力的合成塔,选用的进口氨含量不同。对于操作压力较高的合成塔,其平衡氨含量喝催化反应速度均较高,可以控制较高的进口氨含量,这样对氨冷温度也就可以控制得高一些;对于操作压力较低的塔,为了保证一定的生产能力和氨净值,进口氨含量控制较低,分离氨所需冷量也较大。 (3)惰性气体的影响: 合成系统中惰性气体含量的高低,影响到合成有效气体成分的高低,惰性气体含量降低,可以相对提高氢、氮气体的分压,有利于氨合成反应的平衡及氨合成反应的速度,即有利于提高合成塔的氨净值及产量。但排放过多会增加新鲜气的消耗量,损失原料气有效成分。合成系统中惰性气体含量,取决于知趣合成气工艺过程所需入工艺新鲜气中惰性气体的多少和从合成系统的气量。调节惰性气体含量可以改变触媒床的温度分布和系统总压力。 4.空速:指单位时间通过单位体积催化剂的流体体积。空速的大小意味着气 体与催化剂接触时间的长短,在数值上,空速与接触时间互为倒数。一般来说,催化剂活性愈高,对同样的生产负荷所需的接触时间就愈短、空速愈大。 合成所选用的空速的大小,既涉及合成反应的氨净值、合成塔的生产强度、循环气量的大小和系统压力降的大小,又涉及到反应热的合理利用。当进塔气体压力、组成一定时对于既定结构的合成塔,增大空速将使出口气体中氨含量降低,即氨净值降低,催化剂床层中既定部位的氨含量与平衡氨浓度之差增大,反应速度也相应增大。由于氨净值降低的程度比空速增大的倍数要小从而合成塔的生产强度在增大空速的情况下有所提高,因此可以增大空速以增加氨产量。但实际生产中空速也不能太大。 5. 催化剂的活性。催化剂的活性是影响氨合成反应速度的关键因素之一,催 化剂衰老或中毒时,氨合成反应速度将大大减慢,甚至不能反应。 5、谢尔气化工艺由哪几个系统组成? 谢尔气化工艺包括:过滤系统、碳黑回收系统、气化炉、废热回收系统6、简述和初步分析谢尔气化工艺流程 S G P 是一种无催化剂、部分氧化工艺。该工艺原料范围广, 能生产以 CO+ H2为主的合成气。烃类原料的S G P 分为3 个主要步骤。 1、气化气化反应分3 个阶段。 1)加热及热裂解渣油离开雾化器与0 2 、蒸汽在气化炉顶部均匀混合, 燃 烧前被火焰及气化炉壁的热辐射加热气化, 同时烃类热裂解为碳、甲烷及烃类衍生物。 2 )反应燃烧温度下, 部分烃类与o : 反应, 放热;因0 2 不足, 其余烃类 与中间产物c o Z 、H 2 0反应, 最终生成C O + H : , 放热。气化炉燃烧室混合效果好, 避免局部高温; 操作温度1 3 0 0一1 4 0 0‘C、压力6.OMPa (A ) 。 3 )均热气化炉其它部位, 高温条件下, 甲烷、碳分别与C 0 2 和H Zo 二 次反应; 并发生水气转化反应, 但反应速度慢; 若停留时间足够, 气化残碳理论上会完全消失。 2、废热回收 SGP的重要特征是气化炉与独立的废锅紧靠结合, 因而sG P 也叫“废锅流程”。气化炉高温出气直接进入废锅, 从1 3 0 0 ℃冷至3 50 ℃ , 回收大部分显热; 再在省煤器中冷至20 0 ℃ , 部分回收热量。锅 炉给水先在CO变换工段预热, 然后进入省煤器加热升温, 最后进入废锅产生 10 . SM Pa ( A ) 或更高的高压蒸汽。 3、碳黑脱除冷却后的粗合成气在激冷管内由激冷水进一步冷至露点温度 以下, 送至碳黑分离器分离大部分碳黑。排出的粗合成气经锅炉给水预热器回收余热后, 进入碳黑洗涤塔作最终脱除及冷却。无碳合成气以约45 ℃离开气化工段, 进入甲醇洗工段净化, 洗涤水一路经过滤送至激冷管作激冷水; 一路冷至4 5 ‘C 作洗涤塔循环水。4 碳黑回收S G P 从灰水中回收碳黑有两种方法: 一是谢尔造粒系统(s PS ) , 此法较简单, 在大气压下操作, 也叫“开路系统” ; 另一种是谢尔石脑油碳黑回收系统(N S U ) , 此系统完全封闭,也叫“闭路系统”。 三、低温甲醇洗 1、为什么对天然气部分氧化法制取的粗合成气进行低温甲醇洗? 天然气部分氧化法制取的粗合成气中含有大量酸性气体,在氨的生产过程中不但会引起合成氨催化剂中毒、设备腐蚀、低温下堵塞管道等事故,导致生产中止,而且还会占据造价昂贵的高压容器空间,增加不必要的动力消耗。 低温甲醇洗可实现既脱除对氨生产有害的CO2、H2S、COS等酸性气体,同时又充分回收其他化工产品的原料。 2、为什么低温甲醇洗工艺能在天然气和煤为原料的大型氨厂中得到普遍应用? 低温甲醇洗法具有以下特点: (1) 溶解度高, 甲醇在低温高压下, 对CO2、H2S、COS 和H2O 有较大的溶解度, 是热钾 碱溶液的10 倍。而且不用化学法再生时的大量热能, 大大降低了净化成本, 减少了设备投资。(2) 选择性强, 甲醇对CO2、H2S、COS 和H2O的溶解度大, 但对其它组分的溶解度小, 这样就可以同时将有害物质吸收分离掉(3) 化学稳定性和热稳定性好, 在吸收过程中不起泡, 有利于稳定生产。( 4) 在低温下甲醇粘度小, 具有良好的传热、传质性能。( 5) 腐蚀性小, 不需要特殊的防腐材料, 节省设备投资。( 6) 甲醇价廉易得。 3、低温甲醇洗工艺流程的基本类型 原料气冷却、 酸性气洗涤脱除、 中压闪蒸回收有效气、 HZS气提富集(含CO:低压闪蒸)、 甲醇再生及尾气洗涤放空 4、低温甲醇洗工艺流程配置主要应考虑哪些问? 1、甲醇循环量的控制,循环量应尽可能低。 2、精馏塔底温度的控制,防止系统水含量超标。 3、甲醇温度的控制,甲醇温度不宜太高。 4、系统压力的控制,减少波动。 5、简述和初步分析内蒙古化肥厂合成氨装置的脱硫和脱碳流程。 在脱除H2S、CO2的过程中,溶液吸收的各种组分是通过逐步减压闪蒸以及附加的热再生、氮气气提来除去的。其中有效气体CO、H2、CH4占较大比例,经重新压缩后返回原料气系统。热再生后分离的酸性气体送燃煤锅炉燃烧或送火炬燃烧或送甲醇车间脱硫后回收利用;气提气送甲醇车间回收利用或送燃煤锅炉燃烧;采用真空解析法使甲醇再生出的CO2量增加。 四、C O变换反应 1、为什么对用天然气部分氧化法制取的粗合成气中的CO进行去除?用什么方 法去除? 合成氨需要的两种组分是H2和N2,因此需要除去合成气中的CO。 由于CO变换过程是强放热过程,必须分段进行以利于回收反应热,并控制变换段出口残余CO含量。第一步是高温变换,使大部分CO转变为CO2和H2;第二步是低温变换,将CO含量降至0.3%左右。即采用分段变换的方法。 2、CO变换采用何种催化剂?用什么指标衡量催化剂的性能? 采用铁系催化剂。改变了反应历程,降低了反应的活化能,使反应以显著的速率进行。 催化活性、催化剂选择性、催化剂寿命等 3、国内外制备Fe-Cr催化剂的方法 沉淀法制备 物理混合方式制备 一体化催化剂 沉淀法 溶胶-凝胶法 微乳化制备技术 熔融法 混合法 负载型催化剂 浸渍法 离子交换法 沉积沉淀法 4、CO变换反应考虑哪些工艺条件?试分析这些工艺条件对CO变换反应的影 响。 5、CO变换反应有几种工艺流程?内蒙古化肥厂采用哪种工艺流程? 变换流程有许多种,包括常压、加压,两端中温变换(亦称高变)、高-低变串联等等。 采用一段高变和一段低变的串联流程。 6、CO变换反应过程中的主要设备及其构造和工作原理。 7、内蒙古化肥厂CO变换工序流程设置、流程中采用的各种阀门、仪表的类型 以及用途 8、内蒙古化肥厂CO变换工序各种设备的布置。 五、液氮洗涤 1、在合成氨工艺中为什么对合成气体进行液氮洗涤处理? 来自低温甲醇洗岗位的净化气体中含有少量的CO是合成催化剂的毒物必须除净;CH4和Ar为惰性气体,如不除去会在合成回路中积累,增加操作的能耗,又会降低氨净值。 2、液氮洗涤脱出合成气中哪些组分?依据的原理是什么? 液氮洗涤把净化工艺气中的CO、CH4、Ar脱除干净。液氮洗涤近似于多组分精馏,它是利用氢气与CO、Ar、CH4的沸点相差较大,将CO、CH4、Ar 从气相中溶解到液氮中,从而达到脱除CO、CH4、Ar等杂质的目的 3、液氮洗的工艺条件。 氮的临界温度为-147.1℃,从而决定了液氮洗涤必须在低温下进行。 4、清楚合成气中的CO2为什么大多采用液氮洗涤法? 分子筛对极性分子的吸附力远远大于非极性分子,因此,从400#来的气体中,C02、CH30H因其极性大于H2,就被分子筛选择性的吸附。而H2为非极性分子,因此分子筛对H2的吸附就比较困难。 5、内蒙古化肥厂液氮洗工艺流程。 原料气杂质的去除、合成气的配制、高压氮气的冷凝及配氮、氮洗塔尾液的处理 六、氨的合成 1、氨合成的基本条件是什么? 氨的合成是一个放热、气体总体积缩小的可逆反应。根据化学反应速率的知识,得知升温、增大压强、及使用催化剂都可以是合成氨的化学反应速率增大。合成氨厂一般采用20MPa~50MPa. 从理想条件来看,氨的合成在较低温度下进行有利,但温度过低,反应速率会很小,故在实际生产中,一般选用500°C。采用铁触媒(以铁为主,混合的催化剂),铁触媒在500°C时活性最大,这也是合成氨选在500°C的原因。 2、影响氨合成的工艺条件。 氨合成的生产工艺条件必须满足产量高,消耗定额低,工艺流程及设备结构简单,操作方便及安全可靠等要求。在400°C,压强超过200MPa时,不使用催化剂,氨便可 以顺利合成,但实际生产中,太大的压强需要的动力就大,对材料要求也会增高,这就增加了生产成本,因此,受动力材料设备影响,目前我国合成氨厂一般采用20MPa~50MPa. 3、内蒙古化肥厂氨合成回路的流程。 出塔气体先经水冷却,一部分氨被冷凝,再进入氨分离器。为降低循环气中甲烷、氩的含量,出氨分离器后的气体要少量放空,大部分则进入循环气压缩机,补充压力后进入滤油器,新鲜氮氢混合气也在此加入。混合后气体通过冷交换器内上部的换热器与分离液氨后的循环气体换热,然后在氨冷凝器中冷却到0℃以下,使大部分氨冷凝并返回冷交换器内下部的分离器,在此分离出液氨。分离氨后的气体去上部换热器,被加热到20~30℃进氨合成塔,从而完成一个循环。 4、氨合成塔的种类。 1、内部换热式,又称连续换热式。特点是在催化剂床层中设置冷却管,通过 冷却管进行床层内冷热气流的间接换热,以达到调节床层温度的目的。 2、间断换热式,主要特征是反应和换热间断进行。催化剂床层分为若干段, 在段间通入的未预热的氮氢混合气用以直接冷却,称为多层直接冷激式氨合成塔。按床层内气体流动方向不同,分为沿中心轴方向流动的轴向氨合成塔和沿半径方向流动的径向氨合成塔。它们结构简单,易损部件少,内件比较稳妥,多被大型氨厂采用。 5、氨合成塔的结构。 氨合成塔由耐高压的封头、外筒和装在筒体内耐高温的内件组成。内件外有保温层,操作时进塔的冷气体流过内、外筒间的环隙,内件包括催化剂筐和换热器两个主要部分筐内装铁催化剂,氨合成反应在此进行。中小型氨合成塔内部装有电加热器,大型氨合成塔则采用塔外设置开工加热炉的办法来解决。 6、生产上对氨合成塔结构有何要求? ~30.4MPa、温度400~520℃下进行的,为防止高压、高温下氢气对钢材的腐蚀,氨合成塔由耐高压的封头、外筒和装在筒体内耐高温的内件组成。内件外有保温层,操作时进塔的冷气体流过内、外筒间的环隙,从而避免外筒温度过高。这样,外筒只承受高压,可用低合金高强度钢制作。内件虽然是在高温下操作,但是只承受氨合成塔进出口的压力差,可用耐热镍铬合金钢制作。内件包括催化剂筐和换热器两个主要部分,筐内装铁催化剂,氨合成反应在此进行。从催化剂筐出来的热气体温度通常在460℃以上,进氨合成塔的冷气体温度根据流程的不同,有的为20~ 30℃,有的可达140℃以上。为了使进氨合成塔的气体能加热到反应温度,同时又能冷却反应后气体,在塔内还设有换热器。氨合成催化剂在开车之前必须还原,还原需要提供一定的热量,为此中小型氨合成塔内部装有电加热器,大型氨合成塔则采用塔外设置开工加热炉的办法来解决。为使氨合成反应能在接近最佳温度下进行,需要采取措施移走多余的热量。工业上按传热方式区分催化剂筐的类型。 七、冷冻 1、合成氨生产过程中为什么设置冷冻工序? 氨合成塔只能将一部分氢氮气合成为氨,为了使它与未反应的气体分离,一般采用降温冷凝的方法。若想使分离的更加完全,合成回路气体温度降得更低必须有专门的冷冻系统 2、合成氨厂为何选用氨作为制冷剂? 使液氨在蒸发器内低分压下蒸发向氮中扩散,生成的氨氮混合气中的氨气在吸收器中被水吸收成氨水,再进入发生器经加热氨水中释放出氨气。氨气经冷凝器冷却成液氨,液氨再进入蒸发器蒸发,合成氨同时从外部吸收热量,达到制冷目的,从而形成连续扩散吸收制冷循环。 3、凯洛格流程采用几级氨冷? 从氮压机三段来的525MPa、97 高压氮气进入氨合成系统后, 先进入换热器管程与合成塔出来的气体换热后经HCV620 阀进入合成塔的环隙后进入到合成塔催化剂层, 加热催化剂后出合成塔再经过工艺蒸汽过热器、合成废锅后被加热,最后进到换热器与管程的氮气换热后放空到火炬排掉。采用三级氨冷。 4、冷冻工艺流程。 由氨蒸发器蒸发的气氨经气氨总管进入冰机前分离器,分离出液氨后进入氨压缩机加压,加压后的汽氨经油分离器后进入水冷器,在此气氨冷凝为液氨并回收到冰机液氨贮槽,由支出阀送给氨蒸发器循环使用或氨库。