氨合成分析點(diǎn)講義

氨合成分析點(diǎn)講義第1頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一內(nèi)蒙古天潤(rùn)化肥股份有限公司年產(chǎn)30萬(wàn)噸合成氨和52萬(wàn)噸尿素，是以煤為原料，采用西北化工研究院多元料漿6.5MPa氣化技術(shù)、國(guó)內(nèi)華陸公司的耐硫變換技術(shù)、國(guó)內(nèi)大連理工的低溫甲醇洗技術(shù)、國(guó)內(nèi)環(huán)球公司的液氮洗技術(shù)、瑞士卡薩利的氨合成和氨冷凍技術(shù)、意大利斯納姆的氨氣提法尿素技術(shù)以及配套的公用工程和輔助設(shè)施。本裝置操作彈性：70～110%。本裝置年操作7200小時(shí)。第2頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一氨合成崗位任務(wù)1.氨合成工段任務(wù)2.冷凍工段任務(wù)氨合成工藝原理1.氨合成反應(yīng)原理2.氨冷凍原理氨合成工藝流程敘述1.氨合成工藝流程敘述2.氨合成PID圖氨合成各分析點(diǎn)說(shuō)明第3頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一概述內(nèi)蒙古天潤(rùn)化肥股份有限公司年產(chǎn)30萬(wàn)噸合成氨，是以煤為原料，采用瑞士卡薩利的氨合成和氨冷凍技術(shù)。氨合成裝置的設(shè)計(jì)規(guī)模：1000t/d（液氨）。本裝置年操作7200小時(shí)。第4頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一氨合成崗位任務(wù)來(lái)自液氮洗的合格氫氮?dú)猓?jīng)合成氣壓縮機(jī)C1801升壓后進(jìn)入合成回路，在合成塔內(nèi)進(jìn)行催化反應(yīng)，部分合成為氣氨，再經(jīng)冷卻、冷凝、分離為產(chǎn)品液氨，送往尿素工段，未反應(yīng)的氣體經(jīng)C1801升壓之后循環(huán)返回合成塔。氨合成反應(yīng)產(chǎn)生的反應(yīng)熱，用于生產(chǎn)4.0MPaG的過(guò)熱蒸汽，送入中壓蒸汽（S2）管網(wǎng)。第5頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一氨冷凍崗位任務(wù)接受氨合成回路送來(lái)的產(chǎn)品液氨，進(jìn)一步閃蒸精制之后，輸送到尿素裝置供生產(chǎn)所用；或送入液氨收集槽V1826，經(jīng)冷卻閃蒸后制得冷氨，送常壓氨罐V9401進(jìn)行產(chǎn)品貯存。與氨合成配合送出四個(gè)溫度等級(jí)10℃、1℃、－10℃、－38℃和壓力等級(jí)0.51MPaG、0.31MPaG、0.17MPaG、－0.03MPaG的冷凍用液氨，供低溫甲醇洗、氨合成回路及空分裝置氨冷器使用。各個(gè)氨冷器蒸發(fā)的氣氨，經(jīng)C1802壓縮后，經(jīng)循環(huán)冷卻水冷凝成液氨，實(shí)現(xiàn)冷凍循環(huán)。第6頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一氨合成反應(yīng)原理氨合成反應(yīng)原理氨合成反應(yīng)是一個(gè)放熱的、體積縮小的、有催化劑參與的可逆反應(yīng)。反應(yīng)方程式為：N2+3H2≒2NH3+Q氨合成反應(yīng)是一個(gè)可逆反應(yīng),經(jīng)催化劑床層的氫氮?dú)庵挥幸徊糠帜軌蚝铣蔀榘?合成反應(yīng)的化學(xué)平衡受溫度和壓力的影響。下面就壓力、溫度、入口氣體組成、空間速度對(duì)合成反應(yīng)的影響作進(jìn)一步的說(shuō)明。第7頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一壓力提高壓力從化學(xué)平衡角度看，有利于增加裝置的生產(chǎn)能力，而且壓力高時(shí)，有利于氨從混合氣中分離出來(lái)，減少冷凍裝置的負(fù)荷。但是壓力高時(shí)，對(duì)設(shè)備材質(zhì)加工制造要求也高，設(shè)備投資費(fèi)用增加。我公司合成反應(yīng)操作最高壓力為14.3MPa。第8頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一溫度溫度對(duì)合成反應(yīng)影響較大。溫度升高時(shí)反應(yīng)速度加快，但平衡氨濃度降低，并且催化劑在一定的溫度范圍內(nèi)才具有催化活性，因此催化劑活性高時(shí)，氨濃度已接近平衡，應(yīng)著眼于提高平衡濃度，即在較低的溫度下操作。催化劑活性差時(shí)，氨濃度遠(yuǎn)離平衡濃度。應(yīng)著眼于提高反應(yīng)速度，即在較高的溫度下操作。我公司使用的合成催化劑其活性溫度在330—510℃范圍內(nèi)。第9頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一入口氣體組成氨含量當(dāng)其他條件一定時(shí)，進(jìn)塔氣體中氨含量越高，氨凈值則越低，生產(chǎn)能力也越低。但降低進(jìn)塔氣體中氨含量需要增加冷凍負(fù)荷，因此應(yīng)權(quán)衡得失全面考慮。我公司設(shè)計(jì)合成塔入口氣體氨含量為2.78%第10頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一惰性氣體惰性氣體（CH4、Ar、He）來(lái)源于新鮮原料氣，它們不參與反應(yīng)，因此會(huì)在合成回路中積累。惰性氣體的存在降低了氣體中氫氣和氮?dú)獾姆謮海瑢?duì)合成反應(yīng)的化學(xué)平衡和反應(yīng)速度均不利。實(shí)際操作過(guò)程中，需要排放惰性氣體，以控制循環(huán)氣中的惰性氣體含量。但是維持過(guò)低的惰性氣體含量又需要排放大量的循環(huán)氣，造成原料氣的浪費(fèi)。因此，循環(huán)氣中惰性氣體含量應(yīng)根據(jù)新鮮氣中惰性氣體含量、操作壓力、催化劑活性等條件而定。第11頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一氫氮比當(dāng)氫氮比為3時(shí)，對(duì)于氨合成反應(yīng)可得到最大平衡氨含量，但從反應(yīng)速度分析，最適宜氫氮比隨氨含量的不同而變化。氨含量增大，最適宜氫氮比也增大，當(dāng)氨含量接近平衡值時(shí)，最適宜氫氮比趨近于3。生產(chǎn)實(shí)踐表明，控制進(jìn)塔氣體的氫氮比為2.8—2.9比較合適。新鮮氣中氫氮比的微小變化，會(huì)造成循環(huán)氣中氫氮比的較大變化。因此新鮮氣中的氫氮比通常應(yīng)維持在2.8—3.1范圍內(nèi)。第12頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一空間速度空速的大小意味著氣體與催化劑接觸時(shí)間的長(zhǎng)短。在其他條件一定時(shí)，增加空速能提高催化劑的生產(chǎn)強(qiáng)度，提高氨產(chǎn)量。但空速的增加，會(huì)使合成回路阻力增大，壓縮機(jī)功耗增加，氨分離所需的冷凍負(fù)荷增大，同時(shí)合成塔出口氨含量下降，所獲得的反應(yīng)熱相應(yīng)減小，空速過(guò)大時(shí),可能拉垮催化劑床層溫度。因此,在不同的工況條件下，應(yīng)選擇最佳的空速，以獲得最高的氨產(chǎn)量。第13頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一氨冷凍主要是通過(guò)典型的壓縮制冷循環(huán)（壓縮――冷凝――節(jié)流――蒸發(fā)）。液氨通過(guò)調(diào)節(jié)閥節(jié)流降壓，在蒸發(fā)器內(nèi)低壓液氨吸收被冷卻介質(zhì)的熱量而形成低壓低溫的氣氨，然后進(jìn)入壓縮機(jī)，壓縮到冷凝壓力后進(jìn)入水冷器把氣氨冷凝為液氨，繼續(xù)經(jīng)調(diào)節(jié)閥節(jié)流降壓，如此循環(huán)往復(fù)。第14頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一來(lái)自液氮洗裝置的新鮮氣（109728Nm3/h、30℃、4.95MPaG）與V1802來(lái)的閃蒸氣混合后，進(jìn)入合成氣壓縮機(jī)（C1801）。經(jīng)合成氣壓縮機(jī)(C1801)加壓到14.3MPaG、溫度升至79.9℃進(jìn)入熱氣-氣換熱器（E1803）。在E1803中，合成氣被鍋爐給水預(yù)熱器（E1802）出來(lái)的循環(huán)氣預(yù)熱到200℃。合成塔的進(jìn)塔溫度由E1803、E1802的旁路控制，同時(shí)也控制了合成塔第三床層催化劑的入口溫度。該氣體進(jìn)入氨合成塔（R1801）,在催化劑作用下進(jìn)行氨合成反應(yīng)。第15頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一合成塔出口氨含量19.9vol%、溫度450℃的氣體進(jìn)入中壓蒸汽過(guò)熱器(E1801A)管程將中壓飽和蒸汽過(guò)熱到400℃，該氣體被冷卻到415℃；進(jìn)入中壓蒸汽發(fā)生器（E1801）副產(chǎn)中壓飽和蒸汽，自身溫度降到266℃，進(jìn)入E1802與中壓鍋爐給水換熱，自身溫度降到229℃，再進(jìn)入到熱氣-氣換熱器（E1803）的管程，加熱合成塔進(jìn)口氣體，自身被冷卻到100.7℃。經(jīng)過(guò)水冷卻器（E1804），進(jìn)一步冷卻到40℃。再在冷氣-氣換熱器（E1805）中與來(lái)自高壓氨分離器（V1801）的循環(huán)氣換熱，氣氨繼續(xù)冷凝。第16頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一氣體冷卻到35℃后，進(jìn)入一級(jí)氨冷凝器（E1806），通過(guò)氨冷凍送來(lái)的液氨在10℃下蒸發(fā)吸熱，氣體進(jìn)一步被冷卻到15℃。最后在二級(jí)氨冷凝器E1807中液氨在-10℃下蒸發(fā)，氣體被冷卻到-5℃。再進(jìn)入高壓氨分離器（V1801）中分離出液氨。分離氨后的循環(huán)氣送到E1805殼程加熱到31℃，然后送到C1801的循環(huán)段入口。經(jīng)加壓后送往合成塔繼續(xù)參與反應(yīng)。第17頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一從V1801出來(lái)的液氨經(jīng)減壓到5.1MPaG后進(jìn)入中壓分離器（V1802）。從V1802出來(lái)的閃蒸氣與新鮮氣混合后進(jìn)入C1801合成氣壓縮機(jī)。V1802出來(lái)的液氨經(jīng)減壓到2.7MPaG后進(jìn)入低壓分離器（V1803），V1803出來(lái)的閃蒸氣送往氨收集罐（V1826）回收氨，產(chǎn)品液氨經(jīng)過(guò)氨加熱器(E1824)復(fù)熱并回收冷量后，直接輸送到下游的尿素裝置。第18頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一氨冷凍工段的目的是提供冷量以滿足氨合成回路中一級(jí)氨冷凝器（E1806）和二級(jí)氨冷凝器（E1807）的冷量要求,同時(shí)還給低溫甲醇洗和空分裝置提供不同規(guī)格的冷量。氨壓縮機(jī)是分四段完成壓縮，第四段出口壓力為1.7MPa(G)，氣氨在水冷器(E1822)中冷凝成液氨，送至氨收集罐（V1826）。氨冷凍和氨合成回路中累積的惰性氣通過(guò)氨收集罐（V1826）頂部進(jìn)入惰性氣體激冷器（E1823）中冷凝回收大部分氨，液氨回到氨收集罐（V1826），不凝氣體送至氨火炬。第19頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一從V1826出來(lái)的液氨送往氨加熱器（E1824）與產(chǎn)品氨進(jìn)行換熱。液氨被冷卻到23℃，然后進(jìn)入一級(jí)氨冷凝器（E1806），在10℃、0.51MPaG壓力下蒸發(fā)冷卻循環(huán)氣，循環(huán)氣中部分氣氨的冷凝為液氨，蒸發(fā)的氣氨返回氨壓縮機(jī)第四段入口，其余液氨分兩股送下游設(shè)備，其中絕大部液氨送至二級(jí)氨冷凝器（E1807），液氨在-10℃、0.17MPaG壓力下蒸發(fā)進(jìn)一步冷卻循環(huán)氣，把循環(huán)氣中的氣氨冷凝為液氨，同時(shí)蒸發(fā)的氣氨返回壓縮機(jī)第二段入口；另一股液氨約2700kg/h直接送到空分裝置，液氨在1℃、0.31MPa壓力下蒸發(fā)，蒸發(fā)后的氣氨返回壓縮機(jī)的第三段入口。第20頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一其余的液氨送至氨分離器（V1823）進(jìn)行常壓閃蒸，液氨的溫度降低到-32.9℃。在V1823中的冷氨通過(guò)氨產(chǎn)品泵（P1821A/B）加壓至0.48MPaG送至低溫甲醇洗，為低溫甲醇洗提供冷量。在正常生產(chǎn)中，產(chǎn)品熱氨全部送至尿素裝置，當(dāng)尿素裝置停車或生產(chǎn)不正常時(shí)就有冷氨產(chǎn)品通過(guò)氨產(chǎn)品泵（P1821A/B）輸送到氨罐第21頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一來(lái)自低溫甲醇洗、V1823、氨罐的氣氨匯合后進(jìn)入氨壓縮機(jī)一段入口分離器，進(jìn)入氨壓縮機(jī)一段入口，經(jīng)氨壓縮機(jī)一段壓縮后與二段入口分離器來(lái)的氣氨匯合后，進(jìn)入氨壓縮機(jī)二段壓縮，壓縮后與來(lái)自氨壓縮機(jī)三段入口分離器的氣氨匯合送至氨壓縮機(jī)三段入口，經(jīng)三段壓縮后，通過(guò)段間冷卻器冷卻后與來(lái)自氨壓縮機(jī)四段入口分離器的氣體匯合后送入壓縮機(jī)四段，進(jìn)一步壓縮至1.7MPaG,完成一個(gè)氨冷凍回路循環(huán)。第22頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一來(lái)自鍋爐給水泵的132℃、5.0MPaG鍋爐給水，經(jīng)預(yù)熱器（E1802）加熱至235.8℃，進(jìn)入蒸汽發(fā)生器E1801中，產(chǎn)生4.0MPaG的飽和蒸汽，再通過(guò)E1801A殼程被過(guò)熱到400℃，送入S2管網(wǎng)。開(kāi)工加熱爐用于觸媒升溫還原和開(kāi)車。開(kāi)工加熱爐用的燃料氣來(lái)自液氮洗工段出口經(jīng)減壓后的氫氮?dú)狻?lái)自E1803出口的一股工藝氣進(jìn)入F1801爐膛的換熱管內(nèi),被換熱管外高溫?zé)煔饧訜岬阶罡?75℃后直接進(jìn)入合成塔的第一床觸媒層，對(duì)觸媒進(jìn)行升溫。第23頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第24頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第25頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第26頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第27頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第28頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第29頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第30頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第31頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第32頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一S18001（進(jìn)料新鮮氣）：被測(cè)組分及合格標(biāo)準(zhǔn)：H2：74.99N2：25.01CH4：5ppmAr：15ppmCO+CO2≤3ppm總硫≤0.1ppm分析頻率：開(kāi)車初期按照需求，正常操作1次/日原因：H2/N2＝2.8～3.1CO+CO2→H2O+GH4H2O會(huì)把已還原好的鐵系催化劑反復(fù)氧化，使活性降低。第33頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一S18002：檢測(cè)氨合成塔進(jìn)料氣被測(cè)組分及合格標(biāo)準(zhǔn)：H2：72.89N2：24.29NH3：2.54ppmCH4：0.03ppmAr：0.25ppmH2O：＜200ppm（2h/一次或更短）分析頻率：開(kāi)車初期按照需求，正常操作1次/日原因：

進(jìn)塔H2：73～78、N2：23～28、NH3：2.6～3.2，防止損壞氨合成反應(yīng)導(dǎo)致發(fā)生事故。觸媒升溫還原時(shí)控制進(jìn)塔水汽濃度，防止觸媒反復(fù)還原，導(dǎo)致影響以還原觸媒的活性。第34頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一S18003：檢測(cè)氨合成塔出口氣被測(cè)組分及合格標(biāo)準(zhǔn)：H2：59.38N2：19.79NH3：20.5CH4：0.03ppmAr：0.3ppmH2O：0-2500ppm（1h/一次或按需求）分析頻率：開(kāi)車初期按照需求，正常操作1次/日原因：檢測(cè)塔出氣體中的氨含量及觸媒還原時(shí)檢測(cè)塔出口水汽濃度。一床180℃時(shí)＜1000ppm、300℃時(shí)＜1500ppm二、三床400℃以上時(shí)＜2500-3000ppm第35頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一S18004：檢測(cè)循環(huán)氣被測(cè)組分及合格標(biāo)準(zhǔn)：H2：72N2：23.98NH3：3.61CH4：0.04ppmAr：0.36ppm分析頻率：開(kāi)車初期按照需求，正常操作1次/日原因：檢測(cè)循環(huán)氣中的H2/N2來(lái)調(diào)節(jié)新鮮氣中的H2/N2及循環(huán)氣中的氨含量維持氨合成反應(yīng)進(jìn)行正常。觸媒還原要在低壓、高空速、高氫下操作，因此可檢測(cè)H2＞75％。系統(tǒng)氮?dú)庵脫Q時(shí)檢測(cè)氧含量第36頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一S18005：檢測(cè)中壓閃蒸氣被測(cè)組分及合格標(biāo)準(zhǔn)：H2：67.61N2：24.08NH3：7.82CH4：0.02ppmAr：0.47ppm分析頻率：開(kāi)車初期按照需求，正常操作1次/日原因：檢測(cè)中壓閃蒸氣的品質(zhì)或系統(tǒng)氮?dú)庵脫Q時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)氧含量。第37頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

S18006：檢測(cè)產(chǎn)品液氨被測(cè)組分及合格標(biāo)準(zhǔn)：NH3：99.9-100殘留H2O：0-0.1油：0-5mg/kg鐵：0-1mg/kg分析頻率：開(kāi)車初期按照需求，正常操作1次/日（或按需求）原因：當(dāng)觸媒還原時(shí)在系統(tǒng)中充液氨時(shí)，保持循環(huán)氣中的氨含量在2%－3%。當(dāng)氨合成反應(yīng)已進(jìn)行而且氨濃度達(dá)到＞40%時(shí)，排放氨水管線切換為熱氨生產(chǎn)管線把液體送至尿素裝置。第38頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一S18007：檢測(cè)中壓鍋爐給水被測(cè)組分及合格標(biāo)準(zhǔn)：PH值：8.9-9.2電導(dǎo)率：0-10us/cmPO43-:0-15mg/L（每周一次）CL-：0-20ug/L（按需）分析頻率：開(kāi)車初期按照需求，正常操作1次/日原因：防止鍋爐給水品質(zhì)不合格導(dǎo)致?lián)Q熱器結(jié)垢或影響副產(chǎn)蒸汽的品質(zhì)，PH值過(guò)低時(shí)對(duì)材料酸性腐蝕增加，太高時(shí)NaOH引起堿性腐蝕，PH值必須適當(dāng)高時(shí)才能Ca2+等離子形成已派出的水垢，檢測(cè)PO43-的含量跟鍋爐聯(lián)系在給水中適當(dāng)加磷酸鈉使Ca2+更容易形成易排出的水垢。第39頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一S18008：檢測(cè)鍋爐排污水被測(cè)組分及合格標(biāo)準(zhǔn)：PH值：9-12電導(dǎo)率：0-2500us/cmPO43-:0-20mg/L（