合成氨工艺及设备技术

北京化工大学北方学院毕业设计（论文）北京化工大学北方学院NORTHCOLLEGEOFBEIJINGUNIVERSITYOFCHEMICALTECHNOLOGY（09）届本科生毕业论文姓名：刘力豪专业：高分子材料与工程班级：高材0901学号：090103011毕业（论文）题目：合成氨工艺及设备技术指导教师：蔡立刚2013年5月北京化工大学北方学院毕业设计（论文）3诚信申明本人申明：我所呈交的本科毕业设计（论文）是本人在导师指导下对四年专业知识而进行的研究工作及全面的总结。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中创新处不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京化工大学或其它教育机构的学位或证书而已经使用过的材料。与我一同完成毕业设计（论文）的同学对本课题所做的任何贡献均已在文中做了明确的说明并表示了谢意。若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名：年月日北京化工大学北方学院毕业设计（论文）3合成氨工艺及设备技术刘力豪高分子材料与工程专业高材0901班学号090103011指导教师蔡立刚摘要本文主要从高分子合金，涂料，絮凝剂这三种高分子材料在钢铁行业中的应用情况。高分子合金在能有效的抑制金属所产生的裂纹，涂料能在金属表面形成一种膜式结构，能保护了金属因为阳光，水分空气等因素对金属表面活金属结构造成的破坏，很大的提高的金属的使用寿命。同时，能在涂料中加入金属颗粒，能提高涂料的利用性能。因为钢铁生产工艺复杂，各过程中会产生不同种类的工业废水，高分子絮凝剂能有效的处理这些废水，能提高钢铁废水的利用率。本文还指出了高分子材料应用于钢铁行业中的存在的缺点，通过改变高分子合金的相容体系能有效的提高高分子合金的性能。传统的涂料因其成分中含有大量对环境和人体有害的物质，还需要对其结构进行改进，生产对“绿色涂料”。无机高分子絮凝剂用量大，沉渣多。有机高分子絮凝剂因其结构的特殊性，能麻醉人体的中枢神经。对人体造成伤害。关键词：高分子合金涂料高分子絮凝剂北京化工大学北方学院毕业设计（论文）3目录北京化工大学北方学院毕业设计（论文）3第1章绪论1.1研究背景合成氨工业是基础化学工业的重要组成部分，在国民经济中占有相当重要的位置。氨是化学工业的重要原料之一，具有十分广泛的用途。氨在国民经济中占有重要地位。现在约有80%的氨用来制造化学肥料，其余作为生产其他化工产品的原料。除液氨可直接作为肥料外，农业上使用的氨肥，例如尿素、硝酸铵、磷酸铵、硫酸铵、氯化铵、氨水以及各种含氮混肥和复肥，都是以氨为原料的。氨在工业上主要用来制造炸药和各种化学纤维及塑料，从氨可以制的硝酸，进而再制造硝酸铵、硝化甘油、三硝基甲苯和硝基纤维素等。在化纤和塑料工业中，则以氨、硝酸和尿素等作为氮源，生产己内酰胺、尼龙6单体、己二胺、人造丝、丙烯腈、酚醛树脂和脲醛树脂等产品。氨的其他工业用途也十分广泛，例如，用作冰、空调、冷藏等系统的制冷剂，在冶金工业中用来提取矿石中的铜、镍等金属，在医药和生物化学方面用作生产磺胺类药物、维生素、蛋氨酸和其他氨基酸等等。世界合成氨技术的发展经历了传统型蒸汽转化制氨工艺、低能耗制氨工艺、装置单系列产量最大化三个阶段。根据合成氨技术发展的情况分析,未来合成氨的基本生产原理将不会出现原则性的改变,其技术发展将会继续紧密围绕“降低生产成本、提高运行周期,改善经济性”的基本目标,进一步集中在“大型化、低能耗、结构调整、清洁生产、长周期运行”等方面进行技术的研究开发。本课题就以合成氨工艺及设备技术为题，探讨合成氨技术的现状及发展。1.2研究意义和研究方法1.2.1研究意义北京化工大学北方学院毕业设计（论文）3我国合成氨产量虽然已跃居世界第1位，但单系列装置规模较小，合成氮平均规模为5万t/a，无法适应世界合成氨的发展趋势。据有关资料统计，俄罗斯约有35套合成氨装置，合成氮平均规模为40万t/a；美国有50多套合成氨装置，合成氨平均规模30万t/a以上。近年来合成氨装置大型化是世界合成氨的主流发展趋势，目前世界最大单系列合成氨装置规模已达130万t/a。所以为了拉近与国际氨工业生产的距离，我们必须加强科技研究，这对我们国家以后的发展具有很重要的目的和意义。1.2.2研究方法本文的主要研究方法如下：（1）问卷调查法以书面提出问题的方式搜集资料的一种研究方法，即调查者就调查项目编制成表式，分发或邮寄给有关人员，请示填写答案，然后回收整理、统计和研究。对企业资本结构和融资行为进行有计划的、周密的和系统的了解，并对调查搜集到的大量资料进行分析、综合、比较、归纳，从而为人们提供规律性的知识。（2）文献研究法根据一定的研究目的或课题，通过调查文献来获得资料，从而全面地、正确地了解掌握所要研究问题的一种方法。主要作用：1）能了解有关问题的历史和现状，帮助确定研究课题。2）能形成关于研究对象的一般印象，有助于观察和访问。3）能得到现实资料的比较资料。4）有助于了解事物的全貌。（3）访谈法访谈法是指分析人员通过与被访谈者进行面对面的交流，加深对被访谈者工作的了解以获取工作信息的一种工作分析方法。具体方法包括个人访谈、同种工作员工的群体访谈和主管人员访谈。北京化工大学北方学院毕业设计（论文）3第2章世界合成氨技术的现状和进展第2.1节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1000t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42.0GJ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。(4)、采用轴向冷激式氨合成塔和三级氨冷，逐级将气体降温至-230C，冷冻系统的液氨亦分为三级闪蒸。北京化工大学北方学院毕业设计（论文）3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37.7~41.8GJ/t。经过节能改造后平均能耗已经降至35.7GJ/t左右。第2.2节低能耗制氨工艺阶段2.2.1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二工艺、Kellogg公司的KRES工艺、Uhdle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α-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-ICI-AMV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。2.2.2以部分氧化工艺为核心的重油或煤气化北京化工大学北方学院毕业设计（论文）3(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，世界上先后建成了140多套装置，用于合成氨、甲醇、纯氢和羟基合成等。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:结构多样化、气化压力提高、设备大型化；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；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；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so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。2.2.3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由41.87GJ降至35.7GJ左右，传统轻油合成氨装置每吨氨的能耗下降为37.16GJ。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120ot以上，传统天然气合成氨装置吨氨能耗进一步降至32.7GJ，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径薄壁HP5管;一段转北京化工大学北方学院毕业设计（论文）3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。北京化工大学北方学院毕业设计（论文）3第2.3节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28GJ的水平，接近了理论能耗数值(22GJ)，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