合成氨工艺与设备

合成氨工艺与设备宜化化机崔娟2016年3月各工段工艺与设备基本概念合成氨工艺流程简述结束语1234目录什么是合成氨？1、基本概念-合成氨氮是自然界分布较广的一种元素，氮是植物生长的第一需要，由于植物只能吸收化合物中固定状态的氮，因而必须把空气中游离的氮转变为氮的化合物。由于采用合成的方法生产氨，所以习惯上称为合成氨。什么是合成氨？1、基本概念-合成氨性质：无色有辛辣臭味气体，化学式为NH3,分子量为17.03，沸点-33.35℃,熔点-77.7℃,比重(液态)0.597。气氨常温加压液化为液氨（25℃—1.0MPa）,易溶于水,酒精等,溶解时放出大量的热，氨是一种可燃性气体，氨与空气混合可以形成爆炸性气体，爆炸极限为15.5～27%。什么是合成氨？1、基本概念-合成氨发展简史：世界上第一个合成氨厂于1913年在德国噢堡建成，实现了工业化生产（30吨/天）。我国第一个合成氨厂上世纪三十年代在永利公司（就是现在的吉化公司）建成，到1949年我国合成氨年产量为0.6万吨，2008年产量达到了4500万吨,占世界总产量的1/3.为世界第一。为什么要合成氨？①制造氮肥和复合肥料（化肥加工）：占80～90%，主要品种有尿素、碳铵、硝酸铵、硫酸铵、氯化铵等氮肥，以及磷酸一铵、磷酸二铵和NPK复合肥等含氮复合肥。②作为工业原料和氨化饲料：用量约占世界产量的10％。各种含氮的无机盐及有机中间体、磺胺药、聚氨酯、聚酰胺纤维和丁腈橡胶等都需直接以氨为原料生产。其他如纯碱、硝酸、甲铵、冶金、医药、石油加工等；③液氨作为制冷剂在冷冻行业也得到广泛应用。1、基本概念-合成氨怎样合成氨？1、基本概念-合成氨怎样合成氨？N2+3H2=2NH3+Q2NH3（液）+CO2（气）CO（NH2）2（液）+H2O（液）+Q1、基本概念-合成氨2、工艺流程-氨的生产过程合成氨生产的三个过程：①原料气的制造（制气），包括原料工段和造气工段；②原料气的净化，包括脱硫、变换、变脱、脱碳、精炼等工段；③气体的压缩和合成，主要是压缩和合成工段。2、工艺流程-氨的生产原料合成氨生产的原料：氮气来自空气，氢气来自原料气制取，原料有固体（煤、焦炭等）、液体（石脑油、重质油等）和气体（天然气、焦炉气等）三种。小氮肥一般以煤为原料。2、工艺流程-小氮肥工艺流程一段二段六段三段五段粗甲醇六段四段电机脱硫气柜造气原料制棒变换PSA脱碳CO2压缩尿素精炼合成氨库煤空气蒸汽煤气蒸汽CO2气氨产品尿素4M20-75/31.4压缩机PC脱碳产品粗醇液氨煤棒3、各工段工艺及设备-造气工段岗位任务：就是将空气和水蒸汽通入固定层煤气发生炉中,在高温下将固体燃料进行气化制得合格的半水煤气。（CO29%、H240%、CO28%、N221%、CH41.5%、O20.4%、H2S0.5-2.0g/m3）主要设备:煤气发生炉、旋风除尘器、显热回收器、洗气塔、蒸汽缓冲罐、夹套汽包、空气鼓风机、煤气气柜等。工艺原理：在固体燃料气化过程中，分别通入空气和水蒸汽制得空气煤气和水煤气,并成为具有一定比例的混合气体。这种混合气体称之为半水煤气，它是生产合成氨的基本原料气。3、各工段工艺及设备-造气工段煤气发生炉壳牌炉3、各工段工艺及设备-造气工段流程简述：向煤气发生炉内交替通入空气和蒸汽，与炉内灼热的炭进行气化反应，吹风阶段生成的吹风气根据要求送三气岗位回收热量或直接由烟囱放空，并根据需要回收一少部分入气柜，用以调节循环氢，煤气炉出来的煤气经显热回收、洗气塔冷却和除尘后，在气柜中混合，然后去脱硫，3、各工段工艺及设备-造气工段以空气为气化剂制取的空气煤气—粉煤直接气化：荷兰壳牌技术（鲁奇炉）：C+O2CO2+Q；2C+O22CO；C+CO22CO-Q；CO+O2CO2-Q以蒸汽为气化剂制取的半水煤气：型煤、间歇式制气C+O2CO2+Q（吹风气）供热；C+H2O（g）2CO+H2；2C+H2O（g）2CO2+2H2；CO+H2O（g）CO2+H23、各工段工艺及设备-脱硫工段为什么脱硫？3、各工段工艺及设备-脱硫工段为什么脱硫？不论是以固体原料，还是以天然气、重油为原料制备的氢氮原料气中，都含有一定成分的硫化物。煤气化半水煤气中硫化物主要是H2S（90%）,其次是CS2,COS,RSH等有机硫。其含量取决于原料的含硫量及其加工方法，以煤为原料时，所得原料气中H2S含量一般为1～3g/m3，有的高达8～15g/m3。硫的危害：硫化物对合成氨生产有着严重的危害，它对设备和管道有腐蚀作用，可使变换、甲醇及合成系统的催化剂中毒，还可使铜洗系统的低价铜生成硫化亚铜沉淀，使操作恶化，增加铜耗。对产品质量产生影响（硫脲-红尿素；FeS-黑碳铵；黑重碱）3、各工段工艺及设备-脱硫工段脱硫方法的分类：按脱硫剂的状态可分为干法和湿法两种。干法是用固体脱硫剂(如氧化铁、活性炭、分子筛等)将气体中的硫化物吸收除掉；湿法用碱性物质或氧化剂的水溶液即液体脱硫剂(如氨水法、碳酸盐法、乙醇胺法、腐酸二磺酸钠法及砷碱法等)吸收气体中的硫化物。3、各工段工艺及设备-脱硫工段反应原理：1）吸收：半水煤气中的酸性气体H2S被碱性溶液（Na2CO3）吸收生成NaHS和NaHCO3,其反应方程式如下：碱的溶解(Na2CO3+H2O→NaHCO3+NaOH/NaHCO3+H2O→NaOH+H2O+CO2）Na2CO3＋H2S→NaHS+NaHCO3/H2S+NaOH→NaHS+H2ONH3+H2S→NH4HS（氨水脱硫）2）再生：溶液中的HS-被氧化析出硫(催化剂作用下)：NaHS+O2=NaOH+S↓NH4HS+O2→NH3+S↓+H2O3、各工段工艺及设备-脱硫工段静电除焦静电除焦结构：静电除焦由塔体部分和电器部分组成。塔体为同心圆式结构。电器部分由高压电源、控制系统、电晕电极组成。静电除焦工作原理：静电除焦利用强电场的作用，使半水煤气中的尘埃、油雾等细微粒带上负电向电极移动，中和后被吸附排出，达到净化气体的目的。3、各工段工艺及设备-脱硫工段脱硫塔813脱硫塔直径5.0m，高38m，装三段填料，每段填料高5m。脱硫塔中气体和液体两相逆流，脱硫液从上进，从下出，而半水煤气从底部进，从顶部出。规整填料使气液分布更均匀，接触更好，使硫化氢更好的被脱硫液吸收。3、各工段工艺及设备-脱硫工段冷却清洗塔冷却清洗塔分为两段，下端为冷却塔，上端为清洗塔。设置冷却塔是为了降低从静电除焦来的半水煤气温度，保证脱硫的效果。半水煤气和冷却水换热，降低温度。设置清洗塔是为了除去从脱硫塔出来半水煤气携带的脱硫液等杂质。3、各工段工艺及设备-脱硫工段罗茨鼓风机罗茨鼓风机主要起输送气体的作用。并起一定的加压作用。罗茨机在机体内通过同步齿轮的作用使两叶轮呈反方向旋转，腔体与叶轮构成相互隔绝的进气腔与排气腔，借助于叶轮旋转将机体内的气体由进气腔压缩推送至排气腔，排出气体，达到强制输送气体的目的。3、各工段工艺及设备-压缩工段压缩机的岗位任务：（1）氨的合成：因为在合成氨生产中，原料气的净化及氨的合成都是在一定压力下进行的，为此要用压缩机提高压力、输送气体。通过压缩机将脱硫来的半水煤气逐步压缩到各工段要求压力，并畅通送到各工段最后合成氨。（2）尿素的合成：将脱碳或变压吸附送来的二氧化碳气体经分离器除去水后，经压缩机一，二级压缩提压后送脱硫槽除去硫化氢，再经三、四、五级压缩提压送至尿素岗位作为生产尿素的主要原料气。3、各工段工艺及设备-压缩工段活塞式压缩机的工作原理根据气体状态方程：P·V=n·R·T（n——物质的量；R——常量）当气体的温度（T）保持不变时，我们可以通过压缩气体的体积（V）来提高气体的压力（P）。利用气体的可压缩性，通过压缩机各段活塞的往复动作而达到提高气体压力的目的。3、各工段工艺及设备-压缩工段3、各工段工艺及设备-压缩工段联化公司大压缩机-价值1.5个亿3、各工段工艺及设备-变换工段变换岗位任务将来自压缩的加压半水煤气，在一定的温度和压力条件下借助变换催化剂的催化作用，使半水煤气中CO与水蒸气发生反应，转化为CO2和H2。其目的是通过转化半水煤气中的CO获得合成氨生产所需要的原料H2和尿素（或纯碱）生产所需的原料CO2，并且合理回收系统中的热量。变换岗位生产原理反应方程式：CO+H2O（g）CO2+H2+Q副反应：CO+H2C+H2O+QCO+3H2CH4+H2O+Q3、各工段工艺及设备-变换工段变换催化剂简介：中变催化剂:1)催化剂型号：中变催化剂主要型号有B107、B109、B112、B113、B116、B117等。2)催化剂组成：中变催化剂含Fe2O380-90%，Cr2O37-11%，并有少量的K2O、MgO和Al2O3等成分。Fe2O3被还原形成的具有尖晶石结构的Fe3O4是催化剂的活性组分。催化剂还原：3Fe2O3+H2=2Fe3O4+H2O+9.6kJ3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2+50.8kJ催化剂还原过程为放热反应，为避免温度剧升，要严格控制还原气体量，保护催化剂。3）活性温度：在活性温度范围内进行操作。不同型号的中变催化剂，反应起始温度为320-380℃，热点温度为450-500℃3、各工段工艺及设备-变换工段4）催化剂中毒与老化：催化剂中毒是指催化剂因与杂质发生作用而导致活性下降的现象。变换过程中原料气中的硫化物是引起催化剂中毒的主要原因。Fe3O4+3H2S+H2↔3FeS+4H2O+QCO变换将大部分有机硫转化为H2S，使催化剂受H2S影响。该反应可逆，降低原料气H2S含量，增加水蒸气用量，可恢复催化剂活性。原料气中灰尘及水蒸气中无机盐等，能造成催化剂永久性中毒。催化剂衰老是指催化剂长时间使用后活性逐渐下降的现象。催化剂氧化：4Fe3O4+O2=6Fe2O3+466kJ活性组分Fe3O4在50-60℃以上不稳定，易被氧化剧烈放热，导致飞温，损坏催化剂。因此要严格控制原料气O2含量在0.5%以下。低变催化剂：低温变换是指操作温度比中温变换低的变换工艺。操作温度多在180-300℃左右。低温变换催化剂有Cu-Zn系低温变换催化剂和Co-Mo系宽温变换催化剂两种。Cu-Zn系低温变换催化剂180℃即有很高活性，但其耐硫差，对原料气硫含量要求苛刻。Co-Mo系宽温变换催化剂低温活性好，抗硫性能好。3、各工段工艺及设备-变换工段Co-Mo系宽温耐硫低变催化剂1）催化剂种类：常用有B301、B303等2）催化剂组成：CoO、MoO、K2O3、Al2O3是其主要成分，催化剂经过硫化活化后形成的CoS、MoS2是催化剂的活性组分。3）催化剂硫化：由于未经硫化的催化剂不具备催化活性，因此在生产前用加CS2的半水煤气对催化剂进行硫化，使其具备催化活性。CS2+4H2=2H2S+CH4+240.6kJMoO3+2H2S+H2=MoS2+3H2O+48.1kJCoO+H2S=CoS+H2O+13.4kJ硫化反应为放热反应，为避免超温，气体中硫化物浓度不宜过高。硫化时CS2用量一般按1m3催化剂150kg准备。4）催化剂反硫化：Co-Mo系催化剂反硫化主要是指MoS2的放硫现象。MoS2+2H2O=MoO2+2H2S放硫现象会生成不具备催化活性的MoO2，降低催化剂催化活性。为防止反硫化，进低变的反应气体中H2S不能过低，H2S含量有一个最低值。从化学平衡来看，汽气比越低，最低H2S含量越低，催化剂越不易反硫化。3、各工段工艺及设备-变换工段5）催化剂中毒：半水煤气中的O2会使Co-Mo系催化剂缓慢发生硫酸盐化反应，使CoS、MoS2中S2-氧化成SO42-,导致催化剂活性降低。因此，低变耐硫催化剂前要设置一层保护剂和除氧剂（抗毒剂），避免O2等杂质进入低变催化剂使催化剂活性降低。半水煤气中油污在高温下碳化，沉积在催化剂颗粒中也会降低催化剂活性。水会溶解催化剂中活性组分钾盐，使催化剂永久失活。其他杂质进入低变催化剂也会使催化剂失活。中低低主要设备：中温变换炉、低温变换炉、饱和热水塔、煤气换热器、热水加热器、中低变电炉、软水加热器、变换气冷却器、焦炭过