合成氨循環(huán)氣分離工藝設(shè)計

1、文獻(xiàn)綜述氨的性質(zhì)及主要用途氨是一種無色、有刺激性氣味的氣體，極易溶于水（1:700），密度比空氣小，易液化（在 常壓下冷卻至-33.5C或常溫下加壓至70-80bar）。氨是制造化肥、硝酸、炸藥的重要原料。 氨對地球上的生物相當(dāng)重要，它是許多食物和肥料的重要成分。氨也是所有藥物直接或間接 的組成。氨有很廣泛的用途，同時它還具有腐蝕性等危險性質(zhì)。由于氨有廣泛的用途，氨是 世界上產(chǎn)量最多的無機(jī)化合物之一，多于八成的氨被用于制作化肥。世界（或國內(nèi)）合成氨的生產(chǎn)現(xiàn)狀及發(fā)展前景2.1 合成氨的生產(chǎn)現(xiàn)狀國際肥料工業(yè)協(xié)會在第七十七屆年會上發(fā)布全球肥料和原材料供需展望報告，預(yù)期全球合成氨產(chǎn)量將由2008年的1

2、.809億噸（實物量NH3,下同）增長至2013年的2.178億噸， 屆時全球合成氨海運(yùn)貿(mào)易總量將達(dá)到2060萬噸。其中，全球新建合成氨裝置中有三分之一 來自中國，其余來自阿爾及利亞、特立尼達(dá)、委內(nèi)瑞拉、沙特、巴基斯坦、印度等國家。隨 著新建合成氨裝置的投產(chǎn)，區(qū)域合成氨貿(mào)易將繼續(xù)增加，全球合成氨生產(chǎn)和海運(yùn)貿(mào)易都將迎 來新的增長期。據(jù)IFA對全球合成氨產(chǎn)量的調(diào)查顯示,2008年全球合成氨產(chǎn)量接近1.528億噸，比2007 年減少了 1%。中國、澳大利亞、歐洲、俄羅斯、特立尼達(dá)和多巴哥、印度、沙特等國均由 于市場需求疲軟而減少，伊朗、加拿大、印度尼西亞、墨西哥、委內(nèi)瑞拉等需求繼續(xù)增加。 2008年

3、全球合成氨產(chǎn)能達(dá)到1.809億噸，比2007年增加500萬噸，主要來自于中國、非洲、 西亞等地區(qū)。目前，約有 80%的合成氨用來生產(chǎn)化學(xué)肥料，其余作為生產(chǎn)其他化工產(chǎn)品的原料。 除 了生產(chǎn)尿素，硝酸及硝酸銨等產(chǎn)品間接用于工業(yè)生產(chǎn)外，合成氨還直接用于丙烯腈、己內(nèi)酰 胺等產(chǎn)品的生產(chǎn)。同時，在其他工業(yè)領(lǐng)域也有十分廣泛的應(yīng)用，如用作制冰箱、空調(diào)、冷藏 系統(tǒng)的制冷劑，在冶金工業(yè)中用來提煉礦石中的銅、鎳等金屬、在醫(yī)藥和生物化學(xué)方面用作 生產(chǎn)磺胺類藥物、維生素、蛋氨酸和其他氨基酸等1。2.2我國合成氨及下游產(chǎn)品工業(yè)消費現(xiàn)狀與預(yù)測我國是世界上最大的合成氨生產(chǎn)國，產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量的1/3?！笆晃濉逼陂g，合成

4、氨及下游產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)模繼續(xù)保持快速增長。根據(jù)中國氮肥工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，2010 年合成氨產(chǎn) 量達(dá)到5220.9萬噸。合成氨、尿素、硝酸及硝酸銨是重要的無機(jī)化工產(chǎn)品，在國民經(jīng)濟(jì)中具有基礎(chǔ)地位。除 了用于化肥生產(chǎn)，在農(nóng)業(yè)上使用外，合成氨等產(chǎn)品在工業(yè)上的應(yīng)用領(lǐng)域也十分廣泛。尤其是 在石化行業(yè)中，下游產(chǎn)品涉及基礎(chǔ)化工原材料、合成材料、國防化工品、新型材料、專用化 學(xué)品和精細(xì)化工品等方面。預(yù)計，隨著替代產(chǎn)品的出現(xiàn)，合成氨在其他工業(yè)領(lǐng)域的需求將有所下降，年均增長率為 2.5%。綜上所述，“十二五” 期間，我國合成氨在工業(yè)領(lǐng)域的需求仍將基本保持穩(wěn)定。 預(yù) 計未來5年需求年均增長率為0.9%，2015年用于工業(yè)生產(chǎn)

5、的合成氨將達(dá)到 405.9萬噸。合成氨的生產(chǎn)工藝及分離方法3.1氨目前主要生產(chǎn)工藝方法生產(chǎn)合成氨的主要原料有天然氣、石腦油、重質(zhì)油和煤（或焦炭）等。天然氣制氨。天然氣先經(jīng)脫硫，然后通過二次轉(zhuǎn)化，再分別經(jīng)過一氧化碳變換、二氧化碳脫除等工序，得到的氮氫混合氣，其中尚含有一氧化碳和二氧化碳約0.1%0.3%（體 積），經(jīng)甲烷化作用除去后，制得氫氮摩爾比為3 的純凈氣，經(jīng)壓縮機(jī)壓縮而進(jìn)入氨合成回 路，制得產(chǎn)品氨。以石腦油為原料的合成氨生產(chǎn)流程與此流程相似。重質(zhì)油制氨。重質(zhì)油包括各種深度加工所得的渣油，可用部分氧化法制得合成氨原料 氣，生產(chǎn)過程比天然氣蒸氣轉(zhuǎn)化法簡單，但需要有空氣分離裝置。空氣分離裝置制

6、得的氧用 于重質(zhì)油氣化，氮作為氨合成原料外，液態(tài)氮還用作脫除一氧化碳、甲烷及氬的洗滌劑。煤（焦炭）制氨。隨著石油化工和天然氣化工的發(fā)展，以煤（焦炭）為原料制取氨的 方式在世界上已很少采用，但隨著能源格局的變化，現(xiàn)在煤制氨又被重視起來，外國主要是 粉煤氣化技術(shù)發(fā)展很快，國內(nèi)則轉(zhuǎn)向型煤制氣技術(shù)已非常成熟3。3.2合成氨的生產(chǎn)工藝技術(shù)的改進(jìn)裝置改進(jìn)現(xiàn)階段我國合成氨設(shè)備的生產(chǎn)效率低下是阻礙合成氨生產(chǎn)工藝發(fā)展的一大障礙，因此可 以積極的借鑒國際上先進(jìn)的合成氨設(shè)備的設(shè)計原理和技術(shù)，或者積極推薦企業(yè)從國外引進(jìn)國 外先進(jìn)的流程和設(shè)備，比如中國四川化工總廠引進(jìn)的美國KeH。99公司的節(jié)能型合成氨工 藝軟件包，山

7、東魯南化肥廠水煤漿加壓氣化裝置工藝軟件包等國際先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備，對于提 高合成氨的生產(chǎn)效率有很大幫助。原料結(jié)構(gòu)改進(jìn)除了提高生產(chǎn)設(shè)備的生產(chǎn)效率之外，積極的探索新的原料結(jié)構(gòu)也是一項重要的工作。上 述提到的Kell。99公司的節(jié)能型合成氨工藝軟件包就是以天然氣為主要原料進(jìn)行生產(chǎn)，經(jīng) 詳細(xì)測算，這種方法能夠大大的降低能耗和環(huán)境污染。此外還可以探索以水煤氣為主要原料 的生產(chǎn)工藝，由于水煤氣具有比較好的穩(wěn)定性,因此對于生產(chǎn)合成氨也是重要的原料。尋找新型催化劑催化劑在合成氨的過程中起到了不可取代的作用，它能夠極大地減少合成氨所使用的時 間，并且能夠提高原料的使用效率，因此，開發(fā)新型催化劑也是能夠?qū)铣砂惫に嚫?/p>

8、進(jìn)的一 個重要方面。同時有的催化劑還能夠在生產(chǎn)過程中起到脫硫脫碳的作用，從另一個側(cè)面提高 了原料的使用效率。工藝流程的改進(jìn) 在合成氨的過程中,會產(chǎn)生很多廢氣廢渣，這些廢氣廢渣就是造成原料浪費的主要方面,研究怎樣對廢氣廢渣進(jìn)行循環(huán)利用,或者三次利用，也是一個能夠極大地提高合成氨生產(chǎn)效 率的重要方面。工藝流程的改進(jìn)可以和設(shè)備的改進(jìn)有機(jī)的結(jié)合起來,從而達(dá)到更好的效果4。3.3 合成氨的分離方法隨著合成氨工業(yè)的發(fā)展和各種節(jié)能型流程的推出，許多研究者對氨分離方法進(jìn)行了研究 典型的氨分離方法有冷凝法、吸收法和吸附法三種。3.3.1 冷凝法 該法是通過冷卻合成循環(huán)氣，使氣相中的氨冷凝成液氨，從而達(dá)到與其它不

9、凝性氣體 （N2、H2、CH4、Ar）分離的目的。要使氣相中的氨分離并達(dá)到預(yù)定的效果，必須將合成 循環(huán)氣冷卻到很低的溫度，所需的冷量一般采用壓縮制冷方法獲得。當(dāng)合成壓力在2030MPa范圍內(nèi)時，在夏季水冷僅能分出部分氨，氣相中其余部分的 氨需進(jìn)一步通過氨冷使氣相中氨含量降至24%；當(dāng)壓力在15MPa以下時，在夏季水冷幾 乎不能分離出液氨，整個氨冷凝過程放出的熱量幾乎全靠制冷方法移出，并且所需的冷凝溫 度須達(dá)到-20C左右才能達(dá)到分離要求。如再進(jìn)一步降低合成壓力會對氨的分離造成很大的 困難，因為溫度的降低和冷凝的氨量并不成線性關(guān)系，溫度越低，每降低1C所冷凝的氨量 就越小，氨分離也就越困難。由此

10、可見，隨著合成壓力的降低，靠降低制冷溫度達(dá)到所需的 分離效果是有很大限制的。冷凝法分離氨是絕大多數(shù)合成氨廠采用的一種氨分離方法，但由 于其能耗高、分離不徹底、且限制合成氨壓力的降低等原因，有必要開發(fā)新的氨分離技術(shù)。3.3.2 吸收法吸收法是化工生產(chǎn)過程中分離氣體混合物的重要方法之一。它根據(jù)混合物各組分在所選 擇的溶劑中溶解度的不同而達(dá)到分離的目的。氨吸收分離是用適當(dāng)?shù)奈談┨幚戆焙铣蓺怏w混合物，利用不同氣體組分（NH3、N2、 H2、CH4、Ar）在吸收劑（如水、有機(jī)溶劑、無機(jī)鹽等）中溶解度的差異使氨從氣體混合 物中分離出來。它是一種溶質(zhì)由氣相轉(zhuǎn)移到液相的傳質(zhì)過程。氨吸收操作的逆過程稱為解吸。

11、 在此過程中，吸收劑的選擇對氨的吸收具有極其重要的影響，主要從以下三個方面考慮（：1） 吸收劑對氨吸收選擇性好；（2）吸收劑具有較大的吸收容量；（3）選擇不會引起合成氨催化 劑中毒的吸收劑。3.3.3 吸附法吸附法分離氨是利用吸附劑對混合氣體中各組分的吸附能力的差異而實現(xiàn)分離的。其吸 附原理為當(dāng)氨分子運(yùn)動到固體吸附劑（如活性炭、硅膠、沸石分子篩、堿土金屬氯化物等） 表面時，由于氨分子與固體表面之間的相互作用，氨分子便會附在固體表面，使其在固體表 面上濃度增大，即發(fā)生氨分子被固體表面吸附的現(xiàn)象。對吸附氨后的吸附劑進(jìn)行脫附，即可 將氨分離5 。本課題欲采用的合成氨分離原理、分離方法及其工藝路線簡述

12、4.1本課題合成氨的分離原理和方法.本課題中氨合成回路排放的尾氣（弛放氣）主要組分為氫氣、氮氣 ,另有摩爾分?jǐn)?shù)為 5.63%左 右的氨和微量氬氣。采用吸收分離的方法用水吸收尾氣中的氨，使氫氮氣與氨分離，使得氨吸收 塔塔頂出口氣體中的NH3體積含量500 ppm，氫氮氣返回前工序重新再利用，粗氨經(jīng)汽提精餾 提純后送至成品氨中。4.2本課題氨回收的流程簡述圖 4-2.模擬流程主要有高壓吸收塔和低壓汽提塔組成6 GAS-IN為合成氨的尾氣，由吸收塔的 塔底進(jìn)料；WAT-IN為吸收劑純水，由塔頂進(jìn)料，兩者逆流進(jìn)行物料交換后，塔頂排出吸收 后的尾氣GAS-OUT，塔底為稀氨水WAT-OUT。經(jīng)過減壓閥VAL減壓后，稀氨水FEED由低壓汽 提塔RADFRAC中上部進(jìn)料，經(jīng)汽提后氨和水分離，塔頂為高濃度的液氨PRODUCT，塔底幾乎 為純水 WATER。參考文獻(xiàn)：十方. 未來 5 年全球合成氨產(chǎn)能增加.中外能源.2009， 6（14）104賈亮. 我國合