合成氨过程设计.doc

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1、化工过程分析与优化课程设计合成氨过程设计专业：应用化学班级：08级2班指导老师：徐慧远小组成员：陈敏蹇孝和樊小波魏小明易博郑永兵马万民袁孝林罗贵宾肖松林合成氨过程设计1.寻求最优断裂组氨合成工艺流程是从合成气开始，以氨合成反应塔为核心，生产产品按得高压合成回路流程。它是合成氨工艺流程中继原料气制备、净化之后的部分流程。氨的合成工艺流程中存在诸多的回路流程，在用序贯模块发实施氨合成工艺流程的模拟，首先需要确定断裂物流，以打开流程中循环物流的回路。氨合成的过程单元模块主要包括以下几点：氨合成催化但应单元、换热单元、循环气压缩单元、节流单元、液氨分离单元等。早在20

2、世纪60年代初，Rubin就提出了断裂的思想。此后，随着流程模拟技术的不断发展，有关研究断裂的文章不断出现。他们判断最佳断裂的准则分为以下几类：1)断裂的物流数量最少；2)断裂物流的变量数最少；3)断裂物流的权重因子之和最少；4)断裂回路的总次数最少。由于在需求最优断裂组时，需要先根据合成工艺流程确定合成的模块简易流程，但根据各个模块之间的物流关系确定模块之间的回路的关系，在确定回路后，针对于各模块之间的物流关系确定各物流之间与回路之间的关系，并建立相应的矩阵关系，在通过对矩阵中不同物流在此模块流程中的重要程度和主要意义确定其权重。在模块的各回路进行断裂，并确

3、定相应断裂方式对应的物流数，最终通过各种断流方式对应物流数的权重比较，从而确定权重数最小的断裂物流方式为最优的断裂方式进而得出最优断裂组。由于对于氨合成工艺过程相关物流对应的权重因子，以我目前的知识和阅历还无法确定，故无法确定各物流的权重因子之和，因而将判断最佳断裂的准则修改为不含第三条的初步判断方式以对氨合成的工艺回路进行断裂方式的确定。氨的合成工艺较为复杂，在本设计中仅选取主体的单元进行简单的判断。本设计只针对于由原料到氨的主体单元流程如下：液氨液氨氨冷器S6S3油分离器水冷器氨分离器原料S2S2S1冷热交换器氨合成塔S5循环压缩机S4图1.1合成氨主体单

4、元流程根据上述的模块流程和物流关系可以得出如下的相关矩阵：流股回路123456A110010B111100C100000权重Wi由于权重的确定无法确定，因而只能通过其他方式进行判断。如断裂的物流数量最少，断裂物流的变量数最少，断裂回路的总次数最少。因而最佳断裂方式为仅断裂物流S1。其断裂得物流数量最少，断裂回路总次数最少。2.对合成氨过程分析2.1合成氨工艺流程各合成氨工艺流程大同小异，大致包括：天然气压缩及脱硫、一段转化、工艺空气压缩、二段转化、一氧化碳变换、二氧化碳脱出、甲烷化、干燥、深冷净化、压缩、氨合成及冷冻等工段（如图2.1）。原料气压缩及脱硫一段转

5、化二段转化工艺空气压缩一氧化碳变换二氧化碳脱出甲烷化干燥深冷净化压缩氨合成氨冷冻图2.1合成氨工艺流程图下面分别简要介绍一下各个工段。(1)天然气压缩及脱硫合成氨原料气为从天然气公司送来的经过湿法脱硫的以甲烷为主的天然气，还含有一定量的硫化氢和有机硫化物，这些都会使合成氨一系列催化剂中毒失去活性。为了减小设备体积和便于输送，原料气需要经过压缩到一定压力后送出。经过三段压缩、冷却和分离，一部分原料气从压缩机二段段间抽出，用作燃气透平的燃料，一部分进入脱硫工序。原料气氧化锌干法精脱硫分三步完成。经过过滤和压缩的原料气通过氧化锌分子筛床层，即可脱除全部硫化氢和硫醇；

6、脱除硫化氢和硫醇的原料气还含有少量的氧硫化碳和二硫化碳，与来自合成回路的少量氢混合，并分两步加热后，再经过钴一钼催化加氢的过程转化为硫化氢；出钴一钼加氢器后，原料气中所生成的硫化氢，在氧化锌保护床被立即脱除。(2)一段转化脱硫后的原料气与水蒸气按气(水蒸气)碳(甲烷)比为2．7的比例混合后进入一段转化炉，转化反应使水蒸气与碳氢化合物在催化剂作用下发生反应生成氢气和碳氧化物。一段转化炉出口气中有大约30％(摩尔，干基)左右未转化的甲烷，该出口气送至二段转化炉的项部。(3)工艺空气压缩工艺空气压缩机向二段转化炉提供工艺空气，并向合成氨装置提供仪表空气和公用空气。工

7、艺空气经过虑压缩并在一段转化炉对流段进一步加热后，进入二段转化炉。(4)二段转化压缩工艺空气在一段转化炉对流段预热后送入二段转化炉。在二段转化炉的上段，空气中的氧气与一段转化炉出口气反应，生成碳氧化物和水；放出的大量热能使气体温度升高到800℃左右；空气中带来的氮气作为合成氨的原料。燃烧后的气体混合物向下通过镍转化触媒层，在此高温和催化剂作用下，将更多的甲烷转化为氢和碳氧化物。在传统的二段转化炉内，空气量是按在合成气中的氢氮比为3:1来控制的。深冷净化工艺使用大约50％的过量空气。过量的空气增加了反应热。另外，残余甲烷含量比传统的0.25％～0.30％要高的多

8、。这就减轻了转化条件的苛刻性，并降低了