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1、（中职）合成氨工艺及设备项目九教学课件项目九原料气合成任务一任务一 认识原料气合成流程认识原料气合成流程任务要求任务要求 氨合成工艺流程安排原则氨合成工艺流程安排原则 中、小型合成氨厂工艺流程中、小型合成氨厂工艺流程 大型合成氨厂工艺流程大型合成氨厂工艺流程 惰性气体排出及有用气体的回收惰性气体排出及有用气体的回收一、氨合成工艺流程安排原则一、氨合成工艺流程安排原则H2与N2合成反应是在高温、高压、催化剂作用下可逆放热反应，实际生产中净化后H2与N2仍含有微量杂质及惰性气体，工业生产中氨合成过程包括以下几个步骤：氨的合成、氨的分离、新鲜氢氮气的补入、未反应气体的压缩与循环、惰性气体的排放与反应
2、热的回收等，考虑到消耗、节能及系统长周期运行等情况，工艺流程中需合理确定循环压缩机、新鲜气补入及惰性气体放空的位置以及氨分离的冷凝级数和热能的回收。1、进入合成系统的新鲜气体须清除油水，以保证系统不堵塞及催化剂活性。故需设置油水分离器。2、气体在进催化剂床层前，其温度需达到催化剂起活温度。故需设置换热器、加热器，目前采用冷交预热、塔前换热、塔内热交换器、电炉及催化剂床层内的冷管加热。3、合成反应生成的氨必须冷却以冷凝分离出来。故需设置水冷器、氨冷器、氨分离器等。4、出塔后未经反应的氢氮混合气，需再次进入合成塔继续反应。故需设循环压缩机。5、系统中的惰性气体必须进行排放，以稳定H2与N2分压，利
3、于氨的合成。同时设置放空气回收装置，以达到节能减排的目的。6、合成过程有热量放出，需冷量冷却，考虑节能须对热量、冷量回收。故需设置冷交及热回收设备。二、中小型氨厂氨合成工艺流程二、中小型氨厂氨合成工艺流程1中小型氨厂副产蒸汽氨合成工艺流程 我国中小型合成氨厂，采用副产蒸汽中压法氨合成工艺流程较多，其操作压力为32MPa，流程中设置副产蒸汽锅炉，水冷器和氨冷器两次分离产品液氨，新鲜气和循环气均由往复式压缩机加压。其常见的副产蒸汽氨合成工艺流程如图9-1所示。由压缩工序送来的新鲜氢氮混合气(压力32MPa，温度为3045)，与循环压缩机7来的合成循环气汇合，进入油水分离器。在油分离器1内，气体中的
4、油、水、等杂质被除去，同时带进来的微量C02和水，与循环气中氨作用生成的碳酸氢铵结晶，也一同在油分离器1中除去。除去油水混合气出油分离器，进入冷交换器2上部的冷交换器管内，在此处被从冷交换器下部氨分离器上升的冷气体冷却到1020后进入氨冷器8。在氨冷器8内，气体在高压管内流动，液氨在管外蒸发，由于氨蒸发吸收了大量的热量，气体进一步被冷却至0一10，混合气中的气氨部分转化为液氨。从氨冷器8出来的带有液氨的循环气，进入冷交换器2下部的氨分离器分离出液氨，同时气体中残余的微量水蒸气、油分及碳酸氢铵等被液氨洗涤随之除去。分离掉氨后的循环气上升到冷交换器2，再分成两路进入氨合成塔3，一路经主阀由塔顶进入
5、，另一路经副阀从塔底进入，用以调节催化剂床层的温度。图9-1副产蒸汽氨合成工艺流程1-油水分离器 2-冷交换器 3-氨合成塔 4-副产蒸汽锅炉5-水冷器 6-氨分离器 7-循环压缩机 8-氨冷器进入氨合成塔的循环气中，含氨量一般为2，0%一3.5%。经过氨合成反应出催化剂床层的气体，温度约450500，在塔内先经第一段热交换器，加热进催化剂床层的气体，而本身冷却至380以下，再引出塔外。气体出塔后，进入副产蒸汽锅炉4，产生1.01.6MPa的饱和蒸汽回收合成气热量，气体被冷却至300以下，再返回氨合成塔，进人第二热交换器，加热进催化剂床层的气体后，温度降至180以下出氨合成塔外（氨含量为13%
6、一17%）。出氨合成塔后气体进入水冷却排管5被冷却至2550，使合成气中的部分气氨因冷却转化为液氨。带有液氨的合成气进入氨分离器6分离出液氨。出氨分离器6的气体，经循环压缩机补偿系统压力损失以后，进入油分离器1又开始下一个循环。未反应的氢氮混合气如此进行循环连续生产。氨分离器6和冷交换器2下部分离出来的液氨，减压至1.41.6MPa后，由液氨总管输送至液氨贮槽。氨冷器8所用液氨是由液氨贮槽送来的。蒸发后的气氨经分离器除去液氨雾滴后，由气氨总管输送至冰机进口，经压缩后再冷凝成液氨。为了降低系统中惰性气体的含量，在氨分离之后设有气体放空管（称为“塔后放空”)，可以定期排放一部分气体（称为“放空气”
7、)。2、中、小型氨厂氨合成工艺流程选择合成氨厂工艺流程的选择主要是合理地确定循环压缩机、新鲜原料气补人及惰性气体放空的位置，冷热交换的安排和热能回收的方式，以及确定氨分离的冷凝级数（冷凝法)。、循环机位置、新鲜气补入位置放空位置、氨合成反应热的回收利用表9-1前置式、中置式、后置式废热锅炉副产蒸汽比较 副产蒸汽压力MPa 蒸汽产量kg/t NH3 余热回收品位结构材质要求前置式2.5-3.5700-900高耐氮、氢腐蚀耐高温中置式1.0-1.5800较高耐氢腐蚀耐高温后置式0.5-1.0500低无特殊要求三、大型合成氨厂氨合成工艺流程三、大型合成氨厂氨合成工艺流程净化后的新鲜气在离心式压缩机1
8、5的第一段汽缸中压缩至6.5MPa，依次进入新鲜气甲烷化气换热器1、水冷器2及氨冷器3被冷却至8，经水分离器除水分后新鲜气进入离心式压缩机15的第二段汽缸与合成循环气汇合，继续压缩压力升至15.5MPa，温度为69，出第二段汽缸后进入水冷器5，气体温度降至38。气体出水冷器后分为两路：一路约50%的气体经过两级串联的氨冷器6和7，气体经一级氨冷器（6中液氨在13下蒸发）被冷却至22，再进入二级氨冷器（7液氨在-7下蒸发）被进一步冷却至1。另一路气体与高压氨分离器12来的-23的气体在冷热换热器9内换热，温度降至-9，而来自氨分离器的冷气体则升高温度至24。两路气体汇合后温度为-4，再经过第三级
9、氨冷器（8液氨在-33下蒸发）被冷却到-23，然后送往高压氨分离器12。分离液氨后的循环气（含氨2%）经冷热交换器9和塔前换热器10预热至141进轴向冷激式氨合成塔13进行氨的合成。合成塔出口合成气气体温度为284，首先进入锅炉给水预热器14，经塔前换热器10与进塔气体换热，被冷却至43，其中绝大部分气体回到离心式压缩机第二段汽缸与第一段汽缸来的冷却后的新鲜气汇合压缩，完成了整个循环过程。为了维持合成系统惰性气体含量指标，另一小部分气体在放空气冷凝器17中被液氨冷却，经放空气分离器18分离液氨后去氢回收系统。高压氨分离器中的液氨经减压后进入冷冻系统，弛放气与回收氨后的放空气一并用作燃料或去排放
10、气回收处理系统.该流程特点：、采用离心式压缩机并回收氨合成反应热预热锅炉给水；、采用三级氨冷，逐级将气体降温至-23，冷冻系统的液氨亦分三级闪蒸，三种不同压力的氨蒸气分别返回离心式氨压缩机相应的压缩段中，冷冻系数大，功耗小；、流程中弛放气排放位于离心式压缩机循环段之前，此处惰性气体含量最高，气体排放量小，排放气中的氨经过回收处理，氨损失不大；四、放空气与弛放气的回收处理四、放空气与弛放气的回收处理 合成系统补充的新鲜气体中总含有少量的惰性气体（甲烷和氩)，因不参与反应，在系统循环过程中不断积累，这些惰性气体的积累不仅消耗压缩功，还降低有效气体分压，不利于氨反应及氨的分离。积累的这部分惰性气体需
11、要排放，但又不能排放太多（太多有效气体损失大，消耗高），需保持合成气中惰性气体的合理浓度，排放的这部分气体称为“放空气”或“排放气”；另从氨贮槽中排放出的一部分溶解于液氨中的氢氮气、氨、甲烷、氩气等，在压力降低后，也从液氨中释放出来，这部分的气体称为“弛放气”或“贮槽气”。表9-2放空气与弛放气组成组分HNNHCHAr放空气组成50601620810132068弛放气组成15255840601020341.氨的回收放空气与弛放气中的氨采用等压回收。合成的排放气及液氨贮槽中的弛放气，进入与液氨贮槽压力相等的吸收塔，以高压水循环吸收其中的氨。在加压下回收，提高了气相氨的分压，有利于氨的吸收，氨水浓
12、度高达180tt(滴度对于氨水：ltt=0.05mol/L)。回收的氨量约为3040kg/t NH3 吸氨后的气体，或进一步去回收其中H2或用作燃料。部分厂家放空气采用中空纤维膜法氢回收，其中的氨采用高压水吸收；驰放气采用无动力氨回收。2.氢气的回收放空气与弛放气的氢气损失，一般约占合成 氨厂氢损失的10，如采取措施回收，可增产合成氨2%一5%，可节能17.123.9kg标煤/t NH3。目前氢气回收有中空纤维膜分离、变压吸附和深冷分离技术.（1）中空纤维膜分离(2)变压吸附分离法（3）深冷分离法任务小结任务小结氨合成工艺流程原料气的预热原料气的压缩原料气的合成预热的回收利用氨的分离惰气的排放
13、和回收思考与练习思考与练习1.氨合成工工艺流程安排的原则是什么？2.画出中小型氨厂带中置锅炉的合成系统工艺流程图。3.中小型氨厂工艺流程选择时，主要确定哪几个位置点？4.放空气和驰放气为什么要回收？任务二任务二 认识原料气合成设备认识原料气合成设备任务要求任务要求 了解原料气合成所需主要设备了解原料气合成所需主要设备 掌握合成塔特点、分类、生产对合成塔内件要求掌握合成塔特点、分类、生产对合成塔内件要求 了解中小型合成氨厂常用合成塔内件情况了解中小型合成氨厂常用合成塔内件情况 掌握水冷器、氨分离器、氨冷器、冷凝塔各自的掌握水冷器、氨分离器、氨冷器、冷凝塔各自的作用作用一、氨合成塔一、氨合成塔氨合
14、成塔是合成氨生产的关键设备，其作用是使氢氮混合气在催化剂存在的条件下反应生成氨。1.氨合成塔的特点 氨合成是在高温、高压及催化剂存在的条件下进行的。高温高压下，氢气、氮气对碳钢设备有明显的腐蚀作用。氢造成的腐蚀有氢脆和氢腐蚀。氢脆是指氢溶解于金属晶格中，使钢材在缓慢变形时发生脆性破坏；氢腐蚀是指氢渗透到钢材内部，使碳化物分解并生成甲烷，甲烷聚积于晶界微孔内形成高压，导致局部应力集中，沿晶界出现破坏裂纹，有时还会出现鼓泡，从而使钢材的结构遭到破坏，机械强度下降。温度超过221、氢分压超过1.4MPa，氢腐蚀就开始产生 Fe3C+2H2=3Fe+CH4+Q 氮造成腐蚀的原因是氮腐蚀，即在高温高压下
15、，氮与钢中的铁及其他很多合金元素生成硬而脆的氮化物，导致金属机械性能降低。为避免氢、氮腐蚀合成塔，实际生产中就必须使承受高温的部件不承受高压（如内件），承受高压的部件不承受高温（如外筒)，氨合成塔通常都由内件和外筒两部分组成。氨合成塔内件包括下列部件。催化剂筐它是装填催化剂的容器。为了移出反应热，使反应温度按理想状态分布，筐内设有冷却装置，如冷管、或冷激气管、或水冷盘管等。催化剂筐内气体的流向有轴向的、有径向的。热交换器 作用是使进催化剂床层气体被加热到起活温度的换热设备。其结构有列管式的、螺旋板式的、波纹板式的。电加热器 作用是在催化剂升温还原或系统不正常情况下，为进催化剂床层气体提供给热量
16、的装置，中小型合成氨使用，大型氨合成塔的内件一般不设电加热器，而是由外加热炉供热。热电偶温度计 它是测量催化剂床层温度的装置。冷气副线 用于调节催化剂床层的温度。氨合成塔内件形式很多，任何形式的可逆放热反应器，其开始都是绝热反应，直至达到催化剂的热点温度为止，此时的氨含量仅有7一8，即只占全塔反应量的36%左右，要继续进行反应，必须移走反应热，降低反应温度。就其反应热移走的方式进行分类。目前常用的有冷管式（冷管气流连续换热式)、冷激式（多段冷激式）和段间换热式三种塔型。(1)(1)冷管式冷管式 在催化剂床层设置冷却管，反应前温度较低的原料气在冷管中流动，移出反应热，降低反应温度，并将原料气预热
17、到反应温度。优点是接近最适宜温度曲线，氨净值较高，缺点是比冷激式结构复杂，冷管占据了部分空间，催化剂装填量少，其次有管壁效应，冷管直通床层底部，一部分气体沿着管壁流下，致使这部分气体未达到较高的合成率而流出去了。因此旧式冷管式内件，实际氨净值不高。旧式冷管式内件管子太长，又是与筒体或中心管连接的，在温度变化时，冷管容易拉裂。根据冷管的结构不同，分为双套管、三套管、单管等。冷管式合成塔结构复杂，一般用于直径为6001200mm的中小型氨合成塔。(2)(2)冷激式冷激式 一般多用于大型氨合成塔，近年来有些中小型合成塔也采用了冷激式。将催化剂分为多层(一般不超过5层），气体经每层绝热反应后，温度升高
18、，采取通入冷激原料气与之混合，温度降低后再进入下一层。冷激式合成塔优点:一是结构简单，催化剂床层内每段除了冷热气混合分布器之外，没有其他部件；二是催化剂装填得多，利于反应。缺点：加入未反应的冷原料气，降低了氨合成率，；操作弹性也小，总气量、冷激气量、温度、氨含量关联太密切和太灵敏，以致操作调节的速率难于跟上温度变化速率；热回收率也是较低的。(3(3）段间换热式段间换热式 在催化剂床层间设置间接换热器，绝热反应一次，温度升高，在换热器内冷却，再绝热反应。它的优点是在段数多的情况下，反应接近最适宜温度曲线。段数越多越接近。因而反应速率越快，相同产能的氨净值越高，但它的缺点是换热器占了一定的空间，催
19、化剂装填量少，且段数越多，催化剂越少。例如三段段间换热器内件，比其他型式三段内件要少装i525催化剂量。按气体在塔内的流动方向不同，氨合成塔可分为三类。(1)轴向塔(2)径向塔(3)轴径向塔3 3、氨合成塔的基本要求、氨合成塔的基本要求氨合成塔是合成工序最重要的设备，其对合成氨净值、电耗、操作平稳性、安全、催化剂使用效果等有很大影响。氨合成塔除了在结构上应力求简单可靠，满足高温高压的要求外，在工艺上对氨合成塔内件结构有下列要求：(1）使单塔生产能力高(2）使用生产强度大的催化剂(3)反应热利用率高(4)流体阻力低(5)操作上便于调节和控制4 4、中小型氨厂氨合成塔、中小型氨厂氨合成塔 中小型氨
20、厂冷管式氨合成塔使用较多，冷管式氨合成塔催化剂床层内设置冷管，未反应的冷气体进入冷管，通过间壁换热将催化剂床层内的反应热移出，而后进入催化剂床层反应。这种移热方法又分为逆流式、错流式、并流式三种。（1）双套管并流式氨合成塔（2）三套管并流式氨合成塔三套管（3）传统改进型内件图9-2双套管并流式催化剂床层及轴向温度分布图9-3三套管并流式氨合成塔1-外筒体；2-催化剂筐；3-热交换器；4-电加热炉；5-催化剂；6-热交换管；7-三套管内管（双管组成）；8-三套管外管；9-上盖；10-压瓦；11-支持圈；12-电炉小盖；13-导电棒；14-温度计外套；15-压盖；16、17-螺栓；18-催化剂筐盖
21、；19-中心管；20-多孔板；21-分气盒；22-下盖；23-小盖；24-冷气管5 5、大型氨厂氨合成塔、大型氨厂氨合成塔轴向冷激式合成塔 轴向冷激式合成塔是将催化剂床层分为若干段，在段间通入未预热的氢、氮混合气直接冷却。典型的凯洛格，凯洛格(Kellogg)四层轴向冷激式氨合成塔，塔外筒形状呈上细下粗的瓶式，在缩口部位密封，克服了大塔径不易密封的困难。内件包括四层催化剂、层间气体混合装置（冷激管和挡板）及列管式换热器。气体在氨合成塔内的流程：气体由塔底部封头接管进入 4一r 塔内，经催化剂筐和外筒之间的环隙，向上流动以冷却外筒，再经过上部热交换器的管间，被预热到约400进入第一层催化剂床层进
22、行绝热反应。经反应后气体温度升高至约500，在第一、二层间，反应气与冷激气混合降温，然后人第二层进行催化绝热反应。依此类推，最后气体从第四层催化剂床层底部流出，折流向上通过中心管进入热交换器的管内，换热后由塔顶排出。该塔的优点是该塔的优点是：用冷激气调节床层温度，省去许多冷管，结构简单可靠、操作平稳方便等，合成塔筒体与内件上开设人孔，更换催化剂装卸时不必将内件吊出，催化剂装卸也比较容易，外筒密封在缩口处，法兰密封易得到保证。该塔缺点：因内件无法吊出，致使塔体较重，运输和安装较困难，维修与更换零部件极为不便，催化剂筐外的保温层损坏后很难检查、维修；塔的阻力较大，冷激气的加入，降低氨含量，而且不能
23、获得更高的氨合成率，这是冷激塔的一个严重缺点。从热回收效果来看，也就影响了它的回收效率。由于冷激气是几个进口同时进入塔内，当气体净化不好，催化剂一旦中毒，即全塔中毒，因此，气体质量不能保证的合成氨厂不要选用这种塔型。5 5、大型氨厂氨合成塔、大型氨厂氨合成塔径向冷激式合成塔径向中间换热式合成塔是20世纪70年代后期，世界能源出现短缺，托普索(TopscDe)公司改进原两段径向合成塔结构的设计，采用了中间冷气换热的托普索S-200型内件而形成的。进塔气体流程：气体从塔顶进入，向下流经内外筒之间的环隙，再入下部换热器的管间，冷气副线由塔底封头接口进入，二者混合后沿中心管进入第一催化剂床层。气体沿径
24、向呈辐射状流经催化剂床层后进入环形通道，在此与由塔顶来的冷激气混合，再进入第二段催化剂床层，从外部沿径向向里流动，最后由中心管外面的环形通道向下流经换热器管内从塔底流出塔外。5 5、大型氨厂氨合成塔、大型氨厂氨合成塔 该塔的优点：用床层间换热器代替了有层间冷激的内件，轴向冷激相比不存在因冷激而降低氨浓度的不利因素，可使合成塔出口氨含量有较大提高；生产能力一定时，减小了循环量，降低了循环气功耗和冷冻功耗；采用大盖密封便于运输、安装与检修等。该塔的缺点：在结构上比轴向冷激式氨合成塔稍为复杂。该塔关键处是如何有效地保证气体均匀流经催化剂床层，防止气体偏流。7 7、氨合成塔易发故障、原因与处理、氨合成
25、塔易发故障、原因与处理 序序号号故故 障障原原 因因处处 理理 方方 法法 1 合成塔气体外泄漏（大盖小盖、下盖、热电偶导电棒处、气体管道与塔体连接法兰）安装时螺栓紧的力量不够、螺栓紧的力量不均匀，塔的操作压力、温度波动大等降低压力，紧固漏点处螺栓，若该处理仍不行，停车继续降低压力处理。2 合成塔气体内泄漏（包括催化剂筐顶盖泄漏、塔内换热器管板换热管泄漏、热电偶套管泄漏、冷管泄漏、合成塔上部下部填料泄漏）与这些部件加工焊接质量、安装质量、操作情况有关 根据情况加负荷或停车处理。3合成塔塔壁温度高1、仪表系统有故障，测量不准2、安装时外筒壁间隙不均匀、进塔气体流量少、内件外保温效果不好、内件外保
26、温脱落、内件变形等1、处理仪表系统2、根据情况加负荷或停车处理。4 合成系统阻力大1、仪表系统有故障，测量不准2、系统阀门阀头脱落或堵塞，系统滤油器、冷凝塔有结晶堵塞，氨合成塔阻力大。1、处理仪表系统2、根据不同情况排除障碍物，必要时更换或检修内件。二、水二、水 冷冷 器器 水冷器是合成气的冷却设备，作用是用水间接冷却合成塔出口的高温气体，使200 C左右合成气体温度降至35左右，这时有部分气氨冷凝为液氨。水冷器结构有喷淋式、套管式和列管式。喷淋式水冷器 由高压无缝钢管弯成，可自由伸缩，一般采用多组并联使用。从合成塔出口来的热气体，进入水冷器入口气总管然后进入各排管管内，气体向上流动，最后由上
27、部集气管流出水冷器。水冷器的顶上安置有锯齿形边缘的水槽，水由上而下喷淋，下面设有水收集槽。喷淋式水冷器优点构造简单，检修和清洗比较方便，对水质要求不高。缺点占地面积很大，露天安装，冷却过程生成大量的水蒸汽，对其高压管道及附近设备有腐蚀作用；冷却水分布不均匀，溅失较多，水利用率差，废热也无法回收利用。套管式水冷器 由双套管组成，内管为高压管，外管为低压管。高温合成气由上部进入高压管内，从下部出来去氨冷器。冷却水自下而上在外管与内管的环隙流动，冷却高压管内的合成气。内外管间的环隙很小，水流速度快，传热效率较高。一般在上部几排，因合成气体温度较高，所以采用软水冷却，软水经加热后送给锅炉使用，这样既可
28、回收部分废热，又可防止高压管的外壁在高温下结垢。套管式水冷器传热效率较高，可回收一部分热量，对水质的要求较高。列管式水冷器 由筒体，小直径高压管及高压封头组成。高压气体从高压列管内通过，冷却水在管间流动与高压气体气体换热。列管式水冷器优点占地面积小，传热效率高，缺点结构比较复杂，清洗比较困难，冷却水质要求高。三、氨分离器三、氨分离器 氨合成塔出来的高压合成气中的氨需要从高压合成气中分离出来，其方法就是通过降低合成气温度，使其中的气氨传化为液氨，液氨从高压合成气中分离出来。工业生产中实现液氨分离的设备就是氨分离器。氨分离器结构有多层同心圆筒式和填充套筒式等形式。多层同心圆筒式氨分离器由高压筒体和
29、内件两大部分组成。内件由四层同心圆筒组成，圆筒壁上沿径向开有很多长方形孔，且每层孔的位置相互错开，使气体穿过各层圆筒时改变方向，增加气体停留时间。带有液氨的混合气气体，由筒体上部侧面进入，沿筒体及套筒的环隙向下流动。当气体出环隙到达筒体中部时，流速降低，气体中颗粒较大的液氨因重力作用而下降。气体即从内件最外层圆筒上的长方孔进入，顺次曲折流经第二、三，四层。由于气体不断改变方向，及与圆筒壁的撞击，则有更多的液滴被分离，较小的液滴也会凝聚长大，都沿着圆筒流下。分离后的高压混合气体从中心圆筒上部出去经筒体上部侧面流出。分离下来的液氨积存在分离器底部，通过排出阀门控制排入氨槽。填充套管式分离器是在高压
30、外套里面套入一圆筒形内套，内套的外壁绕有螺旋式导向管，内部装有拉西铁环填料，待分离的高压合成气气体由顶部顺内外筒的环隙，沿导向管盘旋而下，至分离器底又折流而上，经填料阻挡后从上部流出。高压合成气在上述流动过程中，液氨因重力及填充物填料的阻挡滴至器底，完成液氨与高压混合气体分四、氨四、氨 冷冷 器器 氨冷器的作用是利用液氨蒸发吸热，将经过水冷后的循环气进一步冷却，使气体中残留的气氨部分继续冷凝下来。氨冷器分立式和卧式两种。立式氨冷器由外筒和高压蛇管组成，外筒是钢制的中压圆筒，有数层具有同心圆的高压蛇管放置于中压圆筒内，高压蛇管上下端分别与气体进出口总管相连。氨冷器上面设有液氨除沫器，用以除去出氨
31、冷器气氨中所夹带的液氨雾滴。五、冷五、冷 凝凝 塔塔 冷凝塔又称冷热交换器，其具有换热与分离作用。其由高压外筒和内件组成，内件的上部是一个列管式热交换器，下部为一氨分离器。气体在冷凝塔流程为：滤油器来的循环气，自冷凝塔顶盖处进入塔内列管式热交换器管内，将热量传给管间的来自氨冷器出口的冷气体，回收部分冷量，使自身温度降低至10一20。然后气体在分气盒汇合，经中心管向上从塔盖上的出口去氨冷器。气体在氨冷器进一步冷却后，出氨冷器进入冷凝塔下部氨分离套筒的中心管，气体从中心管的小孔出来，经各套筒的矩形缝隙曲折流动，因重力沉降及套筒阻碰液氨被分离出来，被分离下来的液氨，自塔底的出口排出，气体则进入上部热
32、交换器的管间，被管内的气体加热至30左右后，从塔上部的出口送到合成塔。任务小结任务小结氨合成设备氨合成塔水冷器氨分离器氨冷器冷凝塔思考与练习思考与练习1.原料气合成所需主要设备有哪些？2.氨合成塔内件一般包括哪些附件？3.工艺上对合成塔内件有什么要求？4.氨合成塔内件正常使用中应注意哪些问题？任务三任务三认识原料气合成基本原理认识原料气合成基本原理任务要求任务要求 掌握氢气与氮气反应的原理及特点掌握氢气与氮气反应的原理及特点 理解合成反应平衡常数及反应速率概念理解合成反应平衡常数及反应速率概念 知道影响合成反应速率的因素知道影响合成反应速率的因素 能说出催化剂的组成及作用能说出催化剂的组成及作
33、用一、氨合成反应的原理及特点一、氨合成反应的原理及特点应需要有催化剂才能较快的进行。在300550的条件下，氨合成反应需要很长时间才能达到平衡，工业生产中需借助催化剂，降低反应活化能，加快反应速率。1、平衡常数氨合成反应是可逆反应，反应不能进行到底，存在化学平衡，也就是说通过催化剂的氢氮混合气，不能全部合成为氨，而只有部分合成为氨。实际生产中，在压力1532MPa、气体温度450左右及催化剂催化条件下，出塔氨含量只有10%一20%，扣除进塔氨含量2%一3.5%，就是说经过催化剂床层的氢氮气有75%左右没有参与反应。2、影响氨合成反应平衡的因素（1）温度 氨合成反应是放热反应，根据化学平衡移动的
34、原理，降低温度可使氨合成率提高，平衡氨含量升高。（2）压力 氨合成反应是体积缩小的反应，根据化学平衡移动的原理，提高压力能增加氨的合成，压力升高，则氨合成率提高。同一温度下，随压力的升高，平衡氨含量提高。合成压力提高可提高氨的合成反应，但压力的提高需消耗更多的压缩功，提高了氨的成本。（3）氢氮比氢氮比（H/N）r对平衡氨含量有影响显著，如果不考虑气体组成对化学平衡常数的影响，当r=3时，平衡氨含量yNH3具有最大值。在催化剂作用下，考虑到反应速率的影响，具有最大平衡氨含量的氢氮比略小于3，其值随压力而异，约在2.682.90之间。(4)惰性气体合成补充气中的甲烷(CH4)和氩(Ar）不参加氨合
35、成的反应，在化工生产过程中称为惰性气体。根据化学平衡移动的原理，增加氢氮气的浓度，化学平衡向生成氨的方向移动。当氢氮混合气中含有惰性气体时，就会使氢氮气的有效分压降低，会使平衡氨含量降低。氨合成反应过程中，混合气体中物质的总体积数随反应进行而逐渐减少，因惰性气体不参与反应，惰性气体体积数不变，因此惰性气体的含量随反应的进行而逐渐升高。(5)入塔气体的氨含量氨合成塔入口气体中含氨，对平衡氨含量没有影响。但会使氨合成率及氨净值降低，进塔氨含量升高1%，则氨净值约下降0.5%。(6)气体中其他杂质制后的原料气体仍含有氨合成不需要的CO、C02、水汽、油气等杂质，工业生产中，大型合成氨厂控制(CO+C
36、02)10PPM，中小型合成氨厂控制(CO+C02)12，在31.4MPa流程中，循环气中CH415%。执行原则是：合成系统压力末达指标时，则保持惰性气体含量高些，反之，宜保持惰性气含量低些。四、气体成分四、气体成分3.进塔气体中氨含量当其他条件一定时，入塔气体中氨含量越高，氨净值越小，生产能力越低，反之降低入塔气体中氨含量，催化剂床层反应的推动力增大，反应速率加快，氨净值增加，生产能力提高。入塔气体中氨含量的高低，取决于氨分离的方法。冷凝法分离氨，入塔气体中氨含量与系统压力和冷凝温度有关。要想降低入塔气中的氨含量，则需降低氨冷温度，但这样使冷量消耗增大，在经济上不可取。因此，从经济效益的角度
37、出发，进塔气体氨含量不是越低越好，而是控制在一个合理的范围内较为合适，通常情况下，在14.7MPa流程中，进口NH32.0；在31.4MPa流程中，进口NH32.5。任务小结任务小结氨合成条件空间速率反应温度合成压力气体成分中压法2000030000h-1；余热回收型1500020000h-1；轴向冷激式10000h-1。A106型催化剂475525；A109型催化剂470520；A201型催化剂460500；470525较为适宜2030MPa总功耗最低，目前我国一般采用31.4MPa。氢氮比2.22.8；惰性气含量14.7MPa时12%，31.4MPa时15%；进口氨含量14.7MPa时2.
38、0%，31.4MPa时2.5%。思考与练习思考与练习1.氨合成反应控制的条件有哪几种？2.各种合成氨方式的使用空速是多少？3.氨合成催化剂适宜的反应温度是多少？4.氨合成反应适宜的压力是多少，为什么？5.氨合成反应控制的气体成分有哪几种，指标是多少？任务五任务五原料气合成生产装置操作原料气合成生产装置操作任务要求任务要求 了解合成氨生产装置原始开车步骤了解合成氨生产装置原始开车步骤 掌握合成氨装置系统置换方法和合格标准掌握合成氨装置系统置换方法和合格标准 说出合成氨生产装置正常开车步骤说出合成氨生产装置正常开车步骤 说出合成氨生产装置正常停车及紧急停车标准说出合成氨生产装置正常停车及紧急停车标
39、准 知道合成氨生产装置正常操作要点知道合成氨生产装置正常操作要点一、原料气合成系统的开车过程操作一、原料气合成系统的开车过程操作1.原始开车(1）系统全面检查(2)系统吹净(3)试运转(4)装填催化剂(5)吹中心管装装电炉丝(6)气密试验一、原料气合成系统的开车过程操作一、原料气合成系统的开车过程操作1.原始开车(7)系统置换(8)催化剂的升温还原(9)转入正常生产2.正常开车正常开车(1)开车前的准备检查各设备、管道、阀门、分析取样点及电器仪表等必须正常完好；检查系统内的所有阀门的开、关位置是否合开车要求；在生产调度人员的统一组织下，与供水、供气、供电部门及相关工序联系，作好开车准备。(2)
40、开车前的置换系统未经检修处于保压、保温状况下的开车，不需置换；系统检修后的开车，须先吹净，再气密试验和置换。2.正常开车正常开车(3)开车系统未经检修处于保压、保温状况下的开车a.稍开补气阀，让系统缓慢充压（升压速率0.5MPa/min)，待系统压力略高于合成塔压力后，开启合成塔主阀；b.按正常开车步骤，启动循环压缩机，开启系统近路阀及循环压缩机回路阀，气体打循环；c.开启电炉，根据催化剂床层温度上升情况，逐渐加大电炉功率，并相应加大循环气量；d催化剂床层升温采用调节电炉电流及系统气体循环量的方法，温度升至350前的升温速率为3040/h；e.当催化剂温度大于200，开启水冷却器，300时开启
41、氨冷器，400时氨分离器及冷交换器开始放氨；f.当催化剂床层达到反应温度后，减慢升温速率，控制在5/h，逐渐加大补气量，缩小催化剂轴向温差。根据温度情况，逐渐减少电加热器功率直至停用电炉，系统转入正常生产；h.升温中如遇循环压缩机跳闸，应立即切断电炉丝电源，以免电炉丝烧毁。系统检修后的开车系统吹净、气密试验和置换合格后，按开车的步骤进行。二、原料气合成系统正常过程操作二、原料气合成系统正常过程操作1.催化剂床层温度催化剂床层温度应力求稳定在催化剂适宜的反应温度范围内。在催化剂床层中温度最高、反应最为灵敏的那一点的温度称为热点温度，因此热点温度能全面反映出整个催化剂床层温度变化情况，所以在催化剂
42、的不同使用时期，应根据热点温度的变化，对催化剂床层温度进行严格控制。对于运行的氨合成塔，在一定的操作条件下热点温度取决于催化剂床层入口温度（亦称零米温度）。零米温度的变化灵敏地影响到整个催化剂床层温度（包括热点温度)，所以操作时，应时刻注意零米温度的变化，并作预见性的处理，以维持热点温度的稳定。二、原料气合成系统正常过程操作二、原料气合成系统正常过程操作实际操作中催化剂床层温度调节方法如下：(1)改变循环量正常操作时温度控制应以循环压缩机近路阀或系统副线阀来调节循环量为主。关小循环压缩机近路阀，循环机的输气量增加，循环气量增加，空速加大，催化剂床层温度降低，反之温度上升。开大系统副线阀，通过合
43、成塔的循环气量减少，空速减小，催化剂床层温度上升，反之温度下降。(2)调节合成塔副线阀、冷激副线阀开大合成塔副线阀、冷激副线阀，气体不经合成塔下部换热器换热，进入冷管及催化剂床层的气体温度降低，使整个催化剂床层温度下降，反之，关小塔副线阀、冷激副线阀气量可使催化剂床层温度升高。在系统满负荷生产情况下，如空速加满，催化剂床层温度仍难以控制时，用塔副线阀和冷激副线阀调节比较方便。副阀、冷副线调节不得大幅度变动，否则会因催化剂床层温度急剧变化而易损坏合成塔内件。二、原料气合成系统正常过程操作二、原料气合成系统正常过程操作(3)改变循环气中的惰性气体含量提高循环气中惰性气体含量可降低氢氮气的分压，减弱
44、氨合成反应，催化剂床层温度下降；反之，催化剂床层温度上升。用提高惰性气体含量来降低催化剂床层温度的办法一般不采用，因为此种方法调节缓慢，增加动力损耗，只有在采取前两种放法仍无效，且在系统压力不高的条件下才采用。在催化剂使用初期，因催化剂反应比较灵敏，温度波动较大，可适当提高惰性气体含量，抑制合成反应，稳定催化剂床层温度。(4)其他调节方法改变合成塔进口氨含量、合成塔压力、氢氮比及使用电炉、调节塔主阀等方法也可调节催化剂温度。催化剂床层温度的调节一般情况下只采用前两种方法，其他方法只能作为非常手段，一般不采用。催化剂床层温度调节应力求平稳，一般要求温度波动范围不大于5。二、原料气合成系统正常过程
45、操作二、原料气合成系统正常过程操作2.催化剂床层平面温差所谓平面温差就是在催化剂床层同一平面上的温度差异。催化剂填装不均匀造成床层内气体偏流及催化剂还原程度不一致、冷管排列不均匀、内件泄漏、催化剂床层温度控制过低等原因都会造成平面温差。平面温差过大，催化剂不能充分利用，造成氨合成塔生产能力下降。同时平面温差大会使内件受热不均匀而产生应力，严重时因内件变形而引起合成塔外壳温度过高威胁安全生产。防止产生平面温差的方法，主要是避免操作条件剧烈变化，如升降压过快、气量急速变化、催化剂床层入口温度的剧烈波动等。一般消除平面温差的办法是：在条件许可的情况下适当降低合成塔的负荷、减少循环量和适当提高催化剂床
46、层入口温度等。二、原料气合成系统正常过程操作二、原料气合成系统正常过程操作3.合成塔出口温度和塔壁温度出塔气体温度及塔壁温度不可过高，因为高温高压下氢氮混合气对钢材的腐蚀加剧，会引起钢材脱碳、氢腐蚀、氢脆、渗氮等。碳钢管道温度应控制在在200以下，否则钢材发生氢脆或起泡穿孔，危及生产安全。铬钼钢管使用温度可允许高些。塔壁温度正常情况下只有60左右，如有局部超温现象，说明环隙气体有偏流现象，或内件保温装置有损坏情况。另外关小塔主阀，用副线阀操作时床层平面温差过大也会导致塔壁温度过高。4.系统压力合成系统的压力，主要取决于生产负荷的大小，另外各种操作条件的波动也会影响合成压力。新鲜气量一定时，如催
47、化剂活性好、空速大、操作温度适宜、气体成分好系统压力相对就低，反之，压力就会升高。因此，调节压力的办法有两个：一是改变操作条件，二是调节补充气量。当压力高时，可以通过提高空速、降低惰性气体含量、降低进塔氨含量、改善氢氮比等手段来降低系统压力。当操作条件恶化，使系统压力超标时，应迅速查明原因，采取相应措施降低压力，如压力超出正常范围，应先开放空阀卸压至正常范围，再采取处理措施。二、原料气合成系统正常过程操作二、原料气合成系统正常过程操作5、气体成分(1)氢氮比合成氨循环气中的氢氮比波动会影响催化剂床层温度及系统压力的波动。而在合成氨原料气制造过程中，受工艺条件的限制，气体的成分不可避免的会在一定
48、范围内波动，造成合成氨岗位循环气中氢氮比也要随之变动。因此合成氨岗位必有须根据循环气中H2/N2的变化及时与造气岗位联系，力求氢氮比稳定在合理范围内。(2)进口氨含量合同塔进口循环气中的氨含量与系统压力、氨冷凝器出口气体温度和分离设备效果有关。在实际生产中，系统压力和分离设备一般难以改变，因此，氨冷器出口气体温度是影响合成塔进口氨含量的主要因素，影响氨冷器出口气体温度的因素有:水冷器出口循环气温度。水冷器出口的气体温度受冷却水量、冷却水温度、水冷器换热面积和换热效果等因素的影响，因此应经常清理水冷器管壁污垢以提高换热效率；气氨总管压力。氨冷器内的液氨蒸发温度随蒸发压力的变化而变化。气氨总管压力
49、高，液氨蒸发量小，氨冷温度高，反之液氨蒸发量大，氨冷温度低；氨冷器液位。在保证氨冷器内有一定的蒸发空间的前提下提高液位对降低冷凝温度有利；氨冷器的冷却效率。因为液氨中含有少量的水分和油分，当液氨气化后，水分、油分残留在氨冷器内，如不及时排放，会越积越多，水分和油黏附在高压管的外壁，会使冷却效率下降，因氨冷器此必须定期排放和清理。二、原料气合成系统正常过程操作二、原料气合成系统正常过程操作 （3）惰性气含量 循环气中的惰性气体主要是CH4，因惰性气不参加合成氨的化学反应，因此，如不长期处理措施，循环气中的惰性气含量会越来越高。惰性气含量越高，合成系统压力越高。因此，合成氨生产中，惰性气含量控制在
50、一定的范围内。惰性气体含量的控制一般采取塔后放空来调节。压差就是气体流动的阻力。气体不流动，就不存在压差，压差的大小与气流速率的平方成正比，与气体密度成正比。（1）合成塔压差合成塔压差就是塔进出口气体的压力降，表示塔内阻力的大小，而绝非合成反应使气体体积缩小所造成的压力降低。不论系统压力是否达到指标，只要塔压差达到了指标，合成系统负荷就不能再增加了，否则合成塔内件将因压差过大而损坏。(2)系统压差系统压差就是循环压缩机进出口循环气的压力降，它包括气体流经合成系统所有设备及管道的阻力。正是由于这个阻力的存在，使流经合成系统的气体压力降低，才需设置循环压缩机提压，以补偿压力的损失。系统所允许的压差