合成塔的设计

合成塔的设计

合成塔的设计

一、概述

合成氨是世界上较为重要的基础化学品之一，氨既是主要最终产品，也是重要的中间体。氨的用途，无论是直接应用还是作为中间体，主要均在化肥领域。在无机和有机化学品制造中，氨也有许多其他较次要的用途，例如制造**和丙烯晴。

氨是最为重要的基础化工产品之一,其产量居各种化工产品的首位;同时也是能源消耗的大户,世界上大约有10 %的能源用于生产合成氨。氨主要用于农业,合成氨是氮肥工业的基础,氨本身是重要的氮素肥料,其他氮素肥料也大多是先合成氨、再加工成尿素或各种铵盐肥料,这部分约占70 %的比例,称之为“化肥氨”;同时氨也是重要的无机化学和有机化学工业基础原料,用于生产铵、胺、染料、炸药、制药、合成纤维、合成树脂的原料,这部分约占30 %的比例,称之为“工业氨”。未来合成氨技术进展的主要趋势是“大型化、低能耗、结构调整、清洁生产、长周期运行”。

从20 世纪20 年代世界第一套合成氨装置投产,到20 世纪60 年代中期,合成氨工业在欧洲、美国、日本等国家和地区已发展到了相当高的水平。美国Kellogg 公司首先开发出以天然气为原料、日产1 000 t 的大型合成氨技术,其装置在美国投产后每吨氨能耗达到了4210 GJ 的先进水平。Kellogg 传统合成氨工艺首次在合成氨装置中应用了离心式压缩机,并将装置中工艺系统与动力系统有机结合起来,实现了装置的单系列大型化(无并行装置) 和系统能量自我平衡(即无能量输入) ,是传统型制氨工艺的最显著特征,成为合成氨工艺的“经典之作”。之后英国ICI、德国Uhde 、丹麦Topsoe 、德国Braun 公司等合成氨技术专利商也相继开发出与Kellogg 工艺水平相当、各具特色的工艺技术,其中Topsoe 、ICI 公司在以轻油为原料的制氨技术方面处于世界领先地位。这是合成氨工业历史上第一次技术变革和飞跃。传统型合成氨工艺以Kellogg 工艺为代表,其以两段天然气蒸汽转化为基础,包括如下工艺单元:合成气制备(有机硫转化和ZnO 脱硫+ 两段天然气蒸汽转化) 、合成气净化(高温变换和低温变换+ 湿法脱碳+ 甲烷化) 、氨合成(合成气压缩+ 氨合成+ 冷冻分离) 。

传统型两段天然气蒸汽转化工艺的主要特点是:①采用离心式压缩机,用蒸汽轮机驱动,首次实现了工艺过程与动力系统的有机结合。②副产高压蒸汽, 并将回收的氨合成反应热预热锅炉给水。③用一段转化炉烟道气预热二段空气,提高一段转化压力,将部分转化负荷转移至二段转化。④采用轴向冷激式氨合成塔和三级氨冷,逐级将气体降温至- 23 ℃,冷冻系统的液氨亦分为三级闪蒸。在传统型两段蒸汽转化制氨工艺中,Kellogg 工艺技术应用最为广泛,约有160 套装置,其能耗为3717～41. 8 GJ / t 。经过节能改造后平均能耗已经降至3517 GJ / t 左右。

我国目前有大型合成氨装置共计34 套,生产能力约1 000 万t/ a ;其下游产品除1 套装置生产硝酸磷肥之外,均为尿素。按照原料类型分:以天然气 (油田气) 为原料的17 套,以轻油为原料的6 套,以重油为原料的9 套,以煤为原料的2 套。除上海吴泾化工厂为国产化装置外,其他均系从国外引进,按照专利技术分:以天然气和轻油为原料的有Kellogg传统工艺(10 套) 、Kellogg - TEC 工艺(2 套) 、Topsoe工艺(3 套) ,及20 世纪90 年代引进的节能型AMV工艺(2 套) 、Braun 工艺(4 套) 、KBR 工艺(1 套) ;以渣油为原料的Texaco 工艺(6 套) 和Shell 工艺(3套) ;以煤为原料的Lurgi 工艺(1 套) 和Texaco 工

艺 (1 套) ,荟萃了当今世界上主要的合成氨工艺技术。20 世纪七八十年代引进的天然气合成氨装置均已对其进行了以“节能降耗”和“扩能增产”为目的的两轮与国外装置类似的技术改造,合成氨能耗由41187 GJ / t 降至33149 GJ / t ,生产能力提高了15 %～22 %;轻油型合成氨装置也进行了类似的增产节能技改,将能耗降至3712 GJ / t ,生产能力提高了15 %左右。20 世纪80 年代引进的渣油型合成氨装置也进行过增产10 %的改造,主要改造内容是气化装置增设第3 系列,空分工艺改为分子筛流程,目前已经具备了实现1 100 万t/ a 合成氨的条件。20 世纪90 年代,在高油价和石油深加工技术进步的双重压力下,为了改善装置的经济性,多套装置开始进行以“原料结构和产品结构调整”为核心内容的技术改造,原料结构调整包括轻油型装置的“油改煤”(采用Shell 或Texaco 煤气化工艺,以煤替代轻油) 、渣油型装置的“油改气”(采用天然气部分氧化工艺,以天然气替代渣油) 或“渣油劣质化”(使用脱油沥青替代渣油) ;产品结构调整包括转产或联产氢气、甲醇等。

二、中、小型氮肥装置

我国目前有中型合成氨装置55 套,生产能力约为500 万t/ a ;其下游产品主要是尿素和硝酸铵;其中以煤、焦为原料的装置有34 套,以渣油为原料的装置有9 套,以气为原料的装置有12 套。目前有小型合成氨装置700 多套,生产能力约为3 000万t/ a ;其下游产品原来主要是碳酸氢铵,现有112 套经过改造生产尿素。原料以煤、焦为主,其中以煤、焦为原料的占96 % ,以气为原料的仅占4 %。我国引进大型合成氨装置的总生产能力为1 000 万t/ a ,只占我国合成氨总能力的1/ 4 左右,因此可以说我国氮肥工业主要是依靠自力更生建设起来的。在此过程中,研究开发了许多工艺技术,促进了氮肥生产的发展和技术水平的提高,包括:合成气制备、CO 变换、脱硫脱碳、气体精制和氨合成技术。

氨作为最终产品和中间体的主要功能是提供反应态的氮。氨不同于其他基础化工原料的特点是其主要组分氮容易就地取得，而且取之不竭。

氨合成主要经过四道工序：（1）水和烃或煤反应生产“合成气”。即氢和一氧化碳的气体混合物；（2）“变换”工序，合成气中的一氧化碳与水反应多产生些氢；（3）氢的净化；（4）氢与氮（来自第一道工序中去掉氧的空气）反应而生成氨。

三、氨的性质及其生产工艺

1、氨的物理性质

氨是无色气体，具特有的强烈刺激性气味（空气中允许NH3最高含量规定为0.02毫克/升，若达0.5％则强烈刺激粘膜，引起眼睛和呼吸器官的症状）。密度0.771克/升(标准状况)，比同体积的空气轻。沸点-33.35℃，高于同族氢化物PH3、AsH3，易液化，在常温下冷却到-33.35℃或在常温下加压到0.7*105～0.8*105Pa，气态氨就凝结为无色的液体同时要放出大量的热。熔点-77.7℃。液氨密度0.7253克/厘米3，气化热大，达23.35千焦/摩，是常用的致冷剂。

2氨的化学性质

氨的化学性质较为稳定，具碱性和弱还原性。极易溶于水，20℃时1体积水能溶解702体积NH3，氨的水溶液叫氨水。液氨是极性分子，似水，可发生电离，液氨也能溶解一些无机盐如NH4NO3、AgI。常见反应如体现其碱性的加合，与水生成NH3·H2O，在溶液中有平衡关系：·

NH3 ·H2O=HO-+NH4+

氨的弱还原性表现于如对O2、Cl

4NH3+3O2(纯) 2N2+6H2O

8NH3+3Cl2 N2+6NH4Cl