合成氨仿真转化工序操作手册.doc

毕业设计（论文）题 目 合 成 氨 仿 真 转 化 工 序 操 作 手 册 系 （部） 化 学 工 程 系 专 业 应 用 化 工 指导教师 作 者 完成日期 2013年6月2日 目 录1 概述11.1氯碱国内外现状11.1.1国外氯碱生产现状和发展分析11.1.2国内发展生产现状和发展分析21.2氯碱的性质及用途41.3离子交换膜法制烧碱工艺流程42 盐水制备62.1盐水流程示意图62.2盐水制备62.3盐水的精制62.3.1一次精制82.3.2二次精制93盐水电解113.1电解原理113.2 电解制碱的主要生产流程123.3北化机电解工艺设备184 片碱204.1片碱的性质及用途204.2片碱产生原理204.4烧碱制片机215 生产安全及环保225.1氯碱生产安全措施22参考文献23致谢241 概述转化装置转化工段仿真以主工艺物流的工艺过程和设备为主，对于公用工程和附属系统不进行过程定量模拟，只做事故定性仿真(如：停冷却水，停蒸汽等)，具体包括如下过程在内：原料气脱硫、原料气的一段转化、转化气的二段转化、变换、蒸汽系统、燃料气系统。由于本仿真系统主要以仿DCS操作为主，因而，在不影响操作的前提下，对一些不很重要的现场操作进行简化，简化主要内容为：不重要的间歇操作，部分现场手阀，现场盲板拆装，现场分析及现场临时管线拆装等等。另外，根据实际操作需要，对一些重要的现场操作也进行了模拟，并根据DCS画面设计一些现场图，在此操作画面上进行部分重要现场阀的开关和泵的启动停止。对DCS的模拟，以化工厂提供的DCS画面和操作规程为依据，并对重要回路和关键设备在现场图上进行补充。1.1合成氨转化技术1.1.1本仿真所采用的转化技术1.1.2国内发展生产现状和发展分析1.2氨的性质及用途1.3合成氨转化工段工艺流程图 预热器 脱硫 天然气 预热 预热 空 蒸 蒸 气 汽 汽去变换 废热锅炉一段转化二段转化 图1-1 天然气蒸汽转化工艺流程图1.3.1合成氨转化工段总图1.3.2脱硫DCS图1.3.3一段DCS图1.3.4二段DCS1.3.5蒸汽系统DCS图 2 原料气脱硫2.1原理 天然气中含有少量硫化物，这些硫化物可以使多种催化剂中毒而不同程度地使其失去活性，硫化氢能腐蚀设备管道。因此，必须尽可能地除去原料气中的各种硫化物。（1）加氢转化 指在加入氢气的条件下使原料气中有机硫转化为无机硫。加氢转化不能达到直接脱硫的目的，但经转化后就大大的利于硫的脱除。在有机硫转化的同时，也能使烯烃类加氢转化为烷氢类从而可减少下一工序蒸汽转化催化剂析炭的可能性。（2）氧化锌 是一种内表面积大，硫容较高的接触反应型脱硫剂。除噻吩及其衍生物外，脱除硫化氢及各种有机硫化物的能力极高，可将出口气中硫含量降至0.1ppm以下。2.2各脱硫剂影响因素2.2.1铁钼加氢脱硫的影响因素 在350430的操作温度范围内，有机硫的转化率很高，加氢反应速率与温度和氢气分压有关，温度升高，氢气分压增大，加氢反应速率加快。2.2.2氧化锌脱硫的影响因素 氧化锌脱硫的化学反应速度很快。硫化物从脱硫剂的外表面通过毛细孔到达脱硫剂的内表面，内扩散速度较慢，他是脱硫反应过程的控制步骤。因此，脱硫剂粒度越小，孔隙率越大，越有利于反应的进行。同样，压力高也能提高反应速率和脱硫剂的利用率。2.3本仿真转化工段脱硫工艺原料天然气中含有6.0ppm左右的硫化物，这些硫化物可以通过物理的和化学的方法脱除。天然气首先在原料气预热器（141-C）中被低压蒸汽预热，流量由FR30记录，温度由TR21记录，压力由PRC1调节，预热后的天然气进入活性碳脱硫槽（101-DA 、102-DA一用一备）进行初脱硫。然后进用蒸汽透平驱动的单缸离心式压缩机（102-J），压缩到所要求的操作压力。压缩机设有FIC12防喘振保护装置，当在低于正常流量的条件下进行操作时，它可以可以把某一给定量的气体返回气水冷器（130-C），冷却后送回压缩机的入口。经压缩后的原料天然气在一段炉（101-B）对流段低温段加热到230（TIA37）左右与103-J段间来氢混合后，进入Co-Mo加氢和氧化锌脱硫槽（108-D），经脱硫后，天然气中的总硫含量降到0.5ppm以下，用AR4记录。3原料气的转化 3.1转化原理 经脱硫后的原料气在镍催化剂作用下进行一段、二段蒸汽转化，转化气温度在983左右，残余CH4在0.9以下入废热锅炉回收工艺气热量。 制取合成氨原料气的方法主要有以下几种：1.固体燃料气法；2.重油气法；3.气态烃法。其中气态烃法又有蒸汽转化法和间歇催化转化法。本仿真软件是针对蒸汽转化法制取合成氨原料气而设计的。制取合成氨原料气所用的气态烃主要是天然气（甲烷、乙烷、丙烷等）。蒸汽转化法制取合成氨原料气分两段进行，首先在装有催化剂（镍触媒）的一段炉转化管内，蒸汽与气态烃进行吸热的转化反应，反应所需的热量由管外烧嘴提供。3.2 原料气的一段蒸汽转化 经脱硫后的原料气的总硫含量降至0.1ppm以下，与水蒸汽混合后进行转化反应，生成氢气和CO （CO 将在下一变化中去除）： CH4+H2O CO+3H2 206.4 kj/molCH4+2H2O CO2+4H2 - 165.1 kj/mol CnH2n+2+nH2O nCO +（2n+1）H2 由于转化反应是吸热反应，在高温条件下有利于反应平衡及反应速度。在实际生产中，转化反应分别是在一段炉和二段炉中完成。在一段炉中 ，烃类和水蒸气的混合气在反应管内镍催化剂的作用下进行转化反应，管外有燃料气燃烧供给反应所需热量，出一段炉转化气温度控制在800左右。气态烃转化到一定程度后，送入装有催化剂的二段炉，同时加入适量的空气和水蒸汽，与部分可燃性气体燃烧提供进一步转化所需的热量，所生成的氮气作为合成氨的原料。 3.3原料气的二段蒸汽转化 二段转化反应方程式如下：1.催化床层顶部空间的燃烧反应2H2 + O2 2H2O（g）+ 484 kj/molCO+ O2 CO2 + 566 kj/mol2. 催化床层的转化烧反应CH4+H2O CO+3H2 206.4 kj/molCH4+ CO2 2CO+2H2 247.4 kj/mol二段炉的出口气中含有大量的CO，这些未变换的CO大部分在变换炉中氧化成CO2，从而提高了H2的产量。变换反应方程式如下：CO+ H2O CO2 +H2 + 566 kj/mol为了进一步转化，需要更高的温度。在二段炉中加入预热后的空气，利用H2和O2的燃烧反应，产生高热，促使CH4进一步转化。 出二段炉的工艺气残余甲烷含量0.3左右，经并联的两台第一废热锅炉回收热量，再经第二废热锅炉进一步回收余热后，送去变换。 4 变换4.1仿真变换流程 变换炉104-D由高变和低变两个反应器，中间用蝶形头分开，上面是高变炉，下面是低变炉。低变炉底部有蒸汽注入管线，供开车时以及短期停车时触媒保温用。从第二废热锅炉（102-C）来的转化气约含有12-14的CO，进入高变炉，在高变触媒的作用下将部分CO转化成CO2，经高温变换后CO含量降到3（AR9）左右，然后经第三废热锅炉（103-C）回收部分热能，传给来自101-F的锅炉水，气体从103-C出来，进换热器（104-C）与甲烷化炉进气换热，从而得到进一步冷却。104-C之前有一放空管，供开车和发生事故时高变出口气放空用的，由电动阀MIC26控制。103-C设置一旁路，由TRC11调节低变炉入口温度。进入低变炉在低变触媒的作用下将其余CO转化为CO2，出低变炉的工艺气中CO含量约为0.3（AR10）左右。开车或发生事故时气体可不进入低变炉，它是通过关闭低变炉进气管上的SP4、打开SP5实现的。4.2变换原理（1）变换反应的方程式如下： CO + H2O(g) CO2 + H2 H= - 41.19KJ/mol2 l: 这是一个可逆放热反应这是一个等体积、可逆、放热反应。降低温度和提高蒸汽浓度均有利于变换反应的进行。（2） 变化所用催化剂工艺气温度降为370进入铁铬催化剂的高温变换炉顶部，从底部流出高变气温度降为230再入低温变换炉。低温变换在铜锌催化剂中进行反应，CO含量降到0.36。 4.3各种工艺条件对其反应的影响4.3.1温度由于CO变换为可逆的放热反应，平衡常数Kp随温度升高而减小。从平衡角度考虑，低温下进行CO变换反应有利于降低出口CO含量，但是必须高于其起活温度并且不能结露。于是人们开发出适用于低温或宽温的多种催化剂和中、低温变换催化剂组合的工艺流程。4.3.2压力 一氧化碳变换是一个等分子反应，如为理想气体时，压力对平衡没有影响。目前的工业操作条件，压力大多在5.0Mpa以上，温度在200500时，压力对变换反应没有显著影响。4.3.3水汽比 水气比即变换原料气中水蒸汽与干粗合成气的摩尔数(或体积)之比。水气比是影响CO变换反应的主要因素之一。提高水蒸汽比例，有利于提高CO变换率，降低CO残留量。另外，过量的水蒸汽还起到热载体的作用，减少催化剂床层的温升。但是，过高的水气比使得变换过程的消耗增加，床层阻力增加，并使余热回收设备负荷加重。所以，选择一个合适的水气比显得尤为重要。水气比的高低还受催化剂的制约。根据催化剂的特性和各段反应出口CO浓度及最终CO浓度的要求，该工程CO变换流程水气比定为1.4。一般情况下可采用提高水气比的方法来提高CO的变换率，但提高水气比也有一定限度，这是因为水气比再往上提高，效果越来越小。当水气比大于一个数值时，以干气为基础的变换率反而下降。工业生产要求最终干气中CO有较低的浓度，同时消耗较少的能量。4.3.4触媒装填量和空速 没有触媒参加反应时，CO变换反应的反应速度很慢，所以在变换反应器中都装填了触媒。当触媒型号确定后，触媒用量也随空速而确定。空速即单位时间单位催化剂处理的工艺气量。空速小，反应时间长，有利于变换率的提高；但空速小，触媒用量多，触媒的生产能力降低。空速的选择与触媒活性以及操作压力有关，触媒活性高，操作压力高，空速可选择得大些，反之，空速则小些。催化剂设计时空速选择的总原理应是，在保证变换率的前提下，应尽可能提高空速，以增加气体处理量，即提高生产能力。4.4变换所需催化剂4.4.1高变催化剂本工序高温变换炉，所用的催化剂是以Fe3O4为活性组分的，它的活性温度在300以上（一般在350430）。在此温度下，可以取得较高的反应速度，但不能达到较低的CO浓度。此催化剂具有选着性高、抗病毒能力强的特点，但存在操作温度高、蒸汽消耗量大的缺点。4.4.2低变催化剂 低变采用铜锌系催化剂，还原后具有活性的是。中变温度在360400，在催化剂的作用下，反应速度很快，中变炉出口3.0。然后通过换热降温到180左右，在低变催化剂的作用下，使工艺气中的含量进一步降到0.3，以满足甲烷化对含量的要求。参考文献1程殿彬.离子膜法制碱生产技术，北京：化学工业出版社，20082北京石油化工工程公司.氯碱工业理化常数手册，北京：化学工业出版社，1988.3方度. 氯碱工艺学.，北京：化学工业出版社, 1990.4危险化学品生产企业从业人员安全技术培训教材委员会，氯碱生产安全操作技术，北京：气象出版社，20065氯碱生产技术编写组.氯碱生产技术，江西：氯碱工业协会，1985 致谢 三年的大学生活，给了我快乐。踏实三年的读书生活在这个季节即将划上一个句号，而于我的人生却只是一个逗号，我将面对又一次征程的开始。三年的求学生涯在师长、亲友的大力支持下，走得辛苦却也收获满囊，在论文即将付梓之际，思绪万千，心情久久不能平静，非常感谢我的指导老师、同学和朋友，在我写论文的过程中给予了我很多素材，还在论文的撰写和排版过程中提供热情的帮助。同时也感谢学院为我提供良好的做毕业设计的环境。最后再一次感谢所有在毕业设计中曾经帮助过我的良师益友和同学，以及在设计中被我引用或参考的论著的作者。2012年6月2日