合成装置仿真培训系统软件说明书B5文档格式.docx
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后者至表面脱附后进入气相空间。
可将整个过程表示如下：
在上述反应过程中，当气流速度相当大，催化剂粒度足够小时，外扩散光和内扩散因素对反应影响很小，而在铁催化剂上吸附氮的速度在数值上很接近于合成氨的速度，即氮的活性吸附步骤进行的最慢，是决定反应速度的关键。
这就是说按得合成反应速度是由氮的吸附速度所控制的。
（二）反应速度反应速度是以单位时间内反应物质浓度的减少量或生成物质浓度的增加量来表示。
在工业生产中，不仅要求获得较高的氨含量，同时还要求有较快的反应速度，以便在单位时间内有较多的氢和氮合成为氨。
根据氮在催化剂表面上的活性吸附是氨合成过程的控制步骤、氮在催化剂表面成中等覆盖度、吸附表面很不均匀等条件，捷姆金和佩热夫导得的速度方程式如下：
W-反应的瞬时总速度，为正反应和逆反应速度之差、-正、逆反应速度常数-为氢、氮、氨气体的分压。
（三）内扩散的影响当催化剂的颗粒直径为1mm时，内扩散速度是反应速度的百倍以上，故内扩散的影响可忽略不计。
但当半径大于5mm时，内扩散速度已经比反应速度慢，其影响就不能忽视了。
催化剂毛细孔的直径愈小和毛细孔愈长（颗粒直径愈大），则内扩散的影响愈大。
实际生产中，在合成塔结构和催化层阻力允许的情况下，应当采用粒度较小的催化剂，以减小被扩散的影响，提高内表面利用率，加快氨的生成速度。
四、影响合成塔操作的各种因素1、影响合成塔反应的条件：
催化的合成反应可用下式表示：
在推荐的操作条件下，合成塔出口气中氨含量约13.9%（分子）没有反应的气体循环返回合成塔，最后仍变为产品。
（一）温度：
温度变化时对合成氨反应的影响有二方面，它同时影响平衡浓度及反应速度。
因为合成氨的反应是放热的，温度升高使氨的平衡浓度降低，同时又使反应加速，这表明在远离平衡的情况下，温度升高时合成效率就比较高，而另一方面对于接近平衡的系统来说，温度升高时合成效率就比较低，在不考虑触媒衰老时，合成效率总是直接随温度变化的，合成效率的定义是：
反应后的气体中实际的氨的百分数与所讨论的条件下理论上可能得到的氨的百分数之比。
（二）压力：
氨合成时体积缩小（分子数减少），所以氨的平衡百分数将随压力提高而增加，同时反应速度也随压力的升高而加速，因此提高压力将促进反应。
（三）空速：
在较高的工艺气速（空间速度）下，反应的时间比较少，所以合成塔出口的氨浓度就不象低空速那样高，但是，产率的降低百分比上是远远小于空速的增加的，由于有较多的气体经过合成塔，所增加的氨产量足以弥补由于停留时间短，反应不完全而引起的产量的降低，所以在正常的产量或者在低于正常产量的情况下，其它条件不变时，增加合成塔的气量会提高产量。
通常是采取改变循环气量的办法来改变空速的，循环量增加时（如果可能的话），由于单程合成效率的降低，触煤层的温度会降低，由于总的氨产量的增加，系统的压力也会降低，MIC-22关小时，循环量就加大，当MIC-22完全关闭时，循环环量最大。
（四）氢氮比：
送往合成部分的新鲜合成气的氢氮比通常应维持在3.0：
1.0左右，这是因为氢与氮是以3.0：
1.0的比例合成为氨的，但是必须指出：
在合成塔中的氢氮比不一定是3.0：
1.0，已经发现合成塔内的氢氮比为2.53.0：
1.0时，合成效率最高。
为了使进入合成塔的混合气能达到最好的H2：
N2比、新鲜气中的氢氮比可以稍稍与3.0：
1.0不同。
（五）惰性气体：
有一部分气体连续地从循环机的吸入端往吹出气系统放空，这是为了控制甲烷及其它惰性气体的含量，否则它们将在合成回路中积累使合成效率降低，系统压力升高及生产能力下降。
（六）新鲜气的：
单独把新鲜气的流量加大可以生产更多的氨并对上述条件有以下影响：
I系统压力增长；
II触媒床温度升高；
III惰性气体含量增加；
H2：
N2比可能改变。
反之，合成气量减少，效果则相反。
在正常的操作条件下，新鲜气量是由产量决定的，但在，合成部分进气的增加必须以工厂造气工序产气量增加为前提。
2、合成反应的操作控制合成系统是从合成气体压缩机的山口管线开始的，气体（氢氮比为3：
l的混合气）的消耗量取决于操作条件、触媒的活性以及合成同路总的生产能力，被移去的或反应了的气体是由压缩机来的气体不断进行补充的，如果新鲜气过量，产量增至压缩机的极限能力，新鲜气就在一段压缩之前从104-F吸入罐处放空，如果气量不足，压缩机就减慢，回路的压力下降直至氨的产量降低到与进来的气量成平衡为止。
为了改变合成回路的操作，可以改变一个或几个条件，且较重要的控制条件如下：
新鲜气量合成塔的入口温度循环气量氢一氮比高压吹出气量新鲜气的纯度触媒层的温度注意这里没有把系统的压力作为一个控制条件列出，因为压力的改变常常是其他条件变化的结果，以提高压力为唯一目的而不考虑其他效果的变化是很少的，合成系统通常是这样操作的，即把压力控制在极限值以下适当处，把吹出气量减少到最小程度，同时把合成塔维持在足够低的温度以处长触媒寿命，在新鲜气量及放空气量正常以及合成温度适宜的条件下，较低的压力通常是表明操作良好。
下面是影响合成回路各个条件的一些因素，操作入员要注意检查它们的过程中是否有不正常的变化，如果把这些情况都弄清楚了，操什人员就能够比较容易地对操作条件的变化进行解释，这样，他就能够改变一个或几个条件进行必要的调正。
合成塔的压力：
能单独地或综合地使用合成回路压力增加的主要因素有：
（一）新鲜气量增加；
（二）合成塔的温度下降；
（三）合成回路中的气体组成偏离了最适宜的氢氮比（2.53.0：
1）（四）循环气中氨含量增加；
（五）循环气中隋性气体含量增加：
（六）循环气量减少；
（七）由于合成气不纯引起触媒中毒（八）触媒衰老。
反过来明，与上述这些作用相反就会使压力降低。
触媒的温度，能单独地或综合地使触媒温度升高的主要因素有：
（二）循环气量减少；
（三）氢氮比比较接近于最适比值2.5-3.0：
1；
（四）循环气中氨含量降低；
（五）合成系统的压力升高；
（六）进入合成塔的冷气近路（冷激）流量减少；
（七）循环气中惰性气的含量降低；
（八）由于合成气不纯引起触媒暂时中毒之后，接着触媒活性又恢复。
返过来说，与上述这些作用相反就会使触媒的温度下降。
稳定操作时的最适宜温度就是使氨产量最高时的最低温度，但温度还是要足够高以保证压力波动时操作的稳定性，超温会使触媒衰老并使触媒的活性很快下降。
氢氮比：
能单独地或者综合地使循环气中的H2：
N2比变化的主要因素有：
（一）从转化及净化系统来的合成气的组成有变化；
（二）新鲜气量变化：
（三）循环气中氨的含量有变化；
（四）循环气中惰性气的含量有变化。
进合成塔的循环气中氢氮比应控制在2.5-3.0：
1.0左右，氢氮比变化太快会使温度发生急剧变化。
循环气中氨含量：
能单独地或综合地使合成塔进气氨浓度变化的因素有：
（一）高压氨分离器106-F前面的氨冷器中冷却程度的变化；
（二）系统的压力予期的合成塔出口气中的氨浓度约为13.9，循环气与新鲜气混合以后，氨浓度变为4.15，经过氨冷及106-F把氨冷凝和分离下来以后，进合成塔时混合气中的氨浓度约为2.42。
循环气中的循环性气含量：
循环气中惰性气体的主要成份是氩及甲烷，这些气体会逐步地积累起来而使系统的压力升高，从而降低了合成气的有效分压，反映出来的就是单程的合成率下降，控制系统中惰性气体浓度的方法就是引出一部分气体经125-C与吹出气分离罐108-F后放空，合成塔入口气中惰性气体（甲烷和氩）的设计浓度约为13.6（分子），但是，经验证明：
惰性气体的浓度再保持得高一些，可以减少吹出气带走的氢气，氮的总产量还可以增加。
从上面的合成氨操作的讨论中可以看出：
合成的效率是受这一节“
（2）”开头部分列出的各种控制条件的影响的，所有这些条件都是相互联系的，一个条件发生变化对其他条件都会有影响，所以好的操作就是要把操作经验以及对影响系统操作的各种因素的认识这两者很好结合起来，如果其中有一个条件发生了急剧的变化，经验会作出判断为了弥补这个变化应当采取什么步骤，从而使系统的操作保持稳定，可能是任何变化都要缓慢地进行以防引起大的波动。
3、合成触媒的性能触媒的活化：
合成触媒是由融熔的铁的氧化物制成的，它含有钾、钙和铝的氧化物作为稳定剂与促进剂，而且是以氧化态装到合成塔中去的，在进行氨的生产以前，触媒必须加以活化，把氧化铁还原成基本上是纯的元素铁。
触媒的还原是在这样的条件下进行的：
即在氧化态的触媒上面通以氢气，并逐步提高压力及温度，氢气与氧化铁中的氧化合生成水，在气体再次循环到触媒床以前要尽可能地把这些水除净，活化过程中的出水量触媒还原进展情况的一个良好的指标，在还原的开始阶段生成的水量是很少的，随着触媒还原的进行，生成的水量就增加，为促进触媒的还原需要采用相当高的温度并控制在一定的压力，出水量会达到一个高峰，然后逐步减少直至还原结束。
还原的温度应当始终保持在触媒的操作温度以下，避免由于以下的原因而脱活，即：
（1）循环气中的水汽浓度过高，
（2）过热，但是温度太低，触媒的还原就进行得太慢，如果温度降得过分低，还原就会停止。
在触媒的还原期间，压力与（或）压力变化的影响是一个关键，当还原向下移动时，如果各层触媒的活化是不均匀的，则提高压力就可能产生“沟流”：
即在触媒床的局部地方还原较彻底的触媒会促进氢与氮生成氮的反应，反应放出的热量会使这局部触媒的温度变得太高而难以控制。
触媒还原期间应当维持这样在压力：
即使还原能够均匀地进行而且在触媒床的同一个水平面上的温度差不要太大，提高压力时，生成氨的反应加速，降低压力时，生成氨的反应会减慢。
触媒的还原可以相当低的空速下进行，但是空速愈高，还原的时间愈短，而且在较高的空速下可以消除沟流。
触媒还原期间，合成气是循环通过合成塔的，当反应已经开始进行时，非常重要的是循环气要尽可能地加以冷却（但设备中不能结冰的危险），把气体中的水份加以冷凝开除去以后再重新进入合成塔，否则，水汽浓度高的气体将进入已经还原了的触媒床，水蒸汽会使已经还原过的触媒和活性降低或中毒，一旦合成氨的反应开始进行，生成的氨就会使冰点下降，这就可以在更低的温度下把气流中的水分除去。
精心控制触媒活化时的条件，可以使还原均匀地进行，这就有助于延长触媒的使用寿命。
合成触媒的还原是在工厂的原始开车时进行的，推荐的指导程序见第三部分。
触媒的热稳定性：
即性是采用纯的合成气，氨触媒也不能无限期地保持它的活性。
一些数据表明，采用纯的气体时，温度低于550对触媒没有影响，而当温度更高时，就会损害触媒，这些数据还表明：
经受过轻度过热的触媒，在400时活性有所下降，而在500时，活性不变，但是应当着重指出：
不存在有这样一个固定的温度极限，低于这个温度触媒就不受影响，在温度一定，但是压力与空速的条件变得苛刻时，也会使触媒的活性比较快的降低。
触媒的衰老首先表现在温度较低、压力与（或）空速较高的条件下操作时效率下降，已经发现：
触媒的活性和开始时相比下降得越多，则要进一步受到损坏所需要的时间就会越长或者所需要的条件也会越加苛刻。
触媒的毒物：
合成气中能够使触媒和活性或寿命降低的化合物称为毒物，这些物质通常能够与触媒的活性组份形成稳定程度不同的化合物，永久性的毒物会使触媒的活性不可逆地永久下降，这些毒物能够与触媒的活性分部形成稳定的表面化合物，另一些毒物可以使活性暂时下降，在这些毒物从气体中除去以后，在一个比较短的时间之内就可以恢复到原有的活性。
合成氨触媒最主要的毒物是氧的化合物，这些化合物不能看作是暂时性毒物，也不是永久性毒物，当合成气中含有少量的氧化物，例如CO时，触媒的一些活性表面就与氧结合使触媒的活性降低，当把这种氧的化合物从合成气中除去以后，触媒就再一次完全还原，但是并不能使所有的活性中心都完全恢复到原始的状态，或者恢复到它的最初的活性，因此，氧的化合物能引起严重的暂时性中毒以及轻微的永久性中毒，通常能使触媒中毒的氧的化合物有：
水蒸汽、（H）、CO2，及分子02。
其它的重要的毒物有H2S（永久性的）及油雾的沉积物，后者并不是真正的毒物，但是由于触媒表面被复盖和堵塞，它能使触媒的活性降低。
触媒的机械强度：
合成触媒的机械强度是很好的，但是操作入员也不应该过份随便地对待，错误的操作会引起十分急速的温度波动，从而使触媒碎裂，在触媒还原期间，任何急剧的温度变化都应小心防止，据认为在这个期间，触媒对机械粉碎及急剧变化都是特别敏感的。
在工厂的原始开车期间，合成触媒的还原是在工厂前面的工序已经接近于设计的条件和设计的流量时才进行的。
详细的触媒装填程序详见触媒生产厂，氨合成塔的触媒装填方法。
极其重要的是：
在触媒装填之前，必须先进行一些试验，氯化物与不锈钢的触媒接触会引起合成塔内件的应力腐蚀脆裂，所以在装填之前，每一批触媒的氯含量都必须加以检验，触媒中允许的最高的水溶性氯的含量为10.0ppm，在装触媒的容器有损坏的情况下，可能会带入杂质，所以每一个容器都应当进行检查。
三合成气中无水液氨的分离在合成塔中生成的氨会很快地达到不利于反应的程序，所以必须连续地从进塔的合成循环气中把它除去，这是用系列的冷却器和氨冷器来冷却循环气，从而把每次通过合成塔时生成的净氨产品冷却下来，循环气进入高压氨分离器时的温度为-21.3，在-11.7MPa的压力下，合成回路中气体里的氨冷凝并过冷到-233以后，循环气中的氨就降至2.42，冷凝下来的液氨收集在高压氨分离器（106-F）中，用液位调节器（LC-13）调节后就送去进行产品的最后精制。
五、氨合成主要设备1合成塔1.1结构特点氨合成塔是合成氨生产的关键设备，作用是氢氮混和气在塔内催化剂层中合成为氨。
由于反应是在高温高压下进行，因此要求合成塔不仅要有较高的机械强度，而且应有高温下抗蠕变和松弛的能力。
同时在高温、高压下，氢、氮对碳钢有明显的腐蚀作用，使合成塔的工作条件更为复杂。
氢对碳钢的腐蚀作用包括氢脆和氢腐蚀。
所谓氢脆是氢溶解于金属晶格中，使钢材在缓慢变形时发生脆性破坏。
所谓氢腐蚀是氢渗透到钢材内部，使碳化物分解并生成甲烷：
FeC+2H23Fe+CH4+Q反应生成的甲烷积聚于晶界原有的微观空隙内,形成局部压力过高,应力集中,出现裂纹,并在钢材中聚集而形成鼓泡,从而使钢的结构遭到破坏,机械强度下降。
在高温高压下,氮与钢材中的铁及其它很多合金元素生成硬而脆的氮化物,使钢材的机械性能降低。
为了适应氨合成反应条件，合理解决存在的矛盾，氨合成塔由内件和外筒两部分组成，内件置于外筒之内。
进入合成塔的气体（温度较低）先经过内件与外筒之间的环隙，内件外面设有保温层，以减少向外筒散热。
因而，外筒主要承受高压（操作压力与大气压之差），但不承受高温，可用普通低合金钢或优质碳钢制成。
内件在500左右高温下操作，但只承受环系气流与内件气流的压差，一般只有12兆帕，即内件只承受高温不承受高压，从而降低对内件材料和强度的要求。
内件一般用合金钢制作，塔径较小的内件也可用纯铁制作。
内件由催化剂筐、热交换器、电加热器三个主要部分组成，大型氨合成塔的内件一般不设电加热器，而由塔外加热炉供热。
1.2分类和结构由于氨合成反应最适宜温度随氨含量的增加而逐渐降低，因而随着反应得进行要在催化剂层采取降温措施。
按降温方法不同，氨合成塔可分为以下三类：
（1）冷管式。
在催化剂层中设置冷却管，用反应前温度较低的原料气在冷管仲流动，移出反应热，降低反应温度，同时将原料气预热到反应温度。
根据冷管结构不同，又可分为双套管、三套管、单管等不同形式。
冷管式合成塔结构复杂，一般用于小型合成氨塔。
（2）冷激式。
将催化剂分为多层，气体经过每层绝热反应温度升高后，通入冷的原料气与之混合，温度降低后再进入下一层催化剂。
冷激式结构简单，但加入未反应得冷原料气，降低了氨合成率，一般多用于大型氨合成塔。
（3）中间换热式。
将催化剂分为几层，在层间设置换热器，上一层反应后的高温气体进入换热器降温后，再进入下一层进行反应。
2.合成压缩机大型氨厂的合成压缩机均采用以汽轮机驱动的离心式压缩机，其机组主要由压缩机主机、驱动机、润滑油系统、密封油系统和防喘振装置组成。
2.1离心式压缩机工作原理离心式压缩机的工作原理和离心泵类似，气体从中心流入叶轮，在高速转动的叶轮的作用下，随叶轮作高速旋转并沿半径方向甩出来。
叶轮在驱动机械的带动下旋转，把所得到的机械能转通过叶轮传递给流过叶轮的气体，即离心压缩机通过叶轮对气体作了功。
气体一方面受到旋转离心力的作用增加了气体本身的压力，另一方面又得到了很大的动能。
气体离开叶轮后，这部分速度能在通过叶轮后的扩压器、回流弯道的过程中转变为压力能，进一步使气体的压力提高。
离心式压缩机中，气体经过一个叶轮压缩后压力的升高是有限的。
因此在要求升压较高的情况下，通常都有许多级叶轮一个接一个、连续地进行压缩，直到最末一级出口达到所要求的压力为止。
压缩机的叶轮数越多，所产生的总压头也愈大。
气体经过压缩后温度升高，当要求压缩比较高时，常常将气体压缩到一定的压力后，从缸内引出，在外设冷却器冷却降温，然后再导入下一级继续压缩。
这样依冷却次数的多少，将压缩机分成几段，一个段可以是一级或多级。
2.2离心式压缩机的喘振现象及防止措施离心压缩机的喘振是操作不当，进口气体流量过小产生的一种不正常现象。
当进口气体流量不适当地减小到一定值时，气体进入叶轮的流速过低，气体不再沿叶轮流动，在叶片背面形成很大的涡流区，甚至充满整个叶道而把通道塞住，气体只能在涡流区打转而流不出来。
这时系统中的气体自压缩机出口倒流进入压缩机，暂时弥补进口气量的不足。
虽然压缩机似乎恢复了正常工作，重新压出气体，但当气体被压出后，由于进口气体仍然不足，上述倒流现象重复出现。
这样一种在出口处时而倒吸时而吐出的气流，引起出口管道低频、高振幅的气流脉动，并迅速波及各级叶轮，于是整个压缩机产生噪音和振动，这种现象称为喘振。
喘振对机器是很不利的，振动过分会产生局部过热，时间过久甚至会造成叶轮破碎等严重事故。
当喘振现象发生后，应设法立即增大进口气体流量。
方法是利用防喘振装置，将压缩机出口的一部份气体经旁路阀回流到压缩机的进口，或打开出口放空阀，降低出口压力。
2.3离心式压缩机的结构离心式压缩机由转子和定子两大部分组成。
转子由主轴、叶轮、轴套和平衡盘等部件组成。
所有的旋转部件都安装在主轴上，除轴套外，其它部件用键固定在主轴上。
主轴安装在径向轴承上，以利于旋转。
叶轮是离心式压缩机的主要部件，其上有若干个叶片，用以压缩气体。
气体经叶片压缩后压力升高，因而每个叶片两侧所受到气体压力不一样，产生了方向指向低压端的轴向推力，可使转子向低压端窜动，严重时可使转子与定子发生摩擦和碰撞。
为了消除轴向推力，在高压端外侧装有平衡盘和止推轴承。
平衡盘一边与高压气体相通，另一边与低压气体相通，用两边的压力差所产生的推力平衡轴向推力。
离心式压缩机的定子由气缸、扩压室、弯道、回流器、隔板、密封、轴承等部件组成。
气缸也称机壳，分为水平剖分和垂直剖分两种形式。
水平剖分就是将机壳分成上下两部分，上盖可以打开，这种结构多用于低压。
垂直剖分就是筒型结构，由圆筒形本体和端盖组成，多用于高压。
气缸内有若干隔板，将叶片隔开，并组成扩压器和弯道、回流器。
为了防止级间窜气或向外漏气，都设有级间密封和轴密封。
离心式压缩机的辅助设备有中间冷却器、气液分离器和油系统等。
2.4汽轮机的工作原理汽轮机又称为蒸汽透平，是用蒸汽做功的旋转式原动机。
进入汽轮的高压、高温蒸汽，由喷嘴喷出，经膨胀降压后，形成的高速气流按一定方向冲动汽轮机转子上的动叶片，带动转子按一定速度均匀地旋转，从而将蒸汽的能量转变成机械能。
由于能量转换方式不同，汽轮机分为冲动式和反动式两种，在冲动式中，蒸汽只在喷嘴中膨胀，动叶片只受到高速气流的冲动力。
在反动式汽轮机中，蒸汽不仅在喷嘴中膨胀，而且还在叶片中膨胀，动叶片既受到高速气流的冲动力，同时受到蒸汽在叶片中膨胀时产生的反作用力。
根据汽轮机中叶轮级数不同，可分为单极或多极两种。
按热力过程不同，汽轮机可分为背压式、凝气式和抽气凝气式。
背压式汽轮机的蒸汽经膨胀做功后以一定的温度和压力排出汽轮机，可继续供工艺使用；
凝气式蒸汽轮机的进气在膨胀做功后，全部排入冷凝器凝结为水；
抽气凝气式汽轮机的进气在膨胀做功时，一部分蒸汽在中间抽出去作为其它用，其余部分继续在气缸中做功，最后排入冷凝器冷凝。
第二章第二章装装置置概概况况第一节第一节工艺流程简述工艺流程简述一、合成系统从甲烷化来的新鲜气（40、2.6Mpa、H2/N2=3：
1）先经压缩前分离罐（104-F）进合成气压缩机（103-J）低压段，在压缩机的低压缸将新鲜气体压缩到合成所需要的最终压力的二分之一左右，出低压段的新鲜气先经106-C用甲烷化进料气冷却至93.3，再经水冷器（116-C）冷却至38,最后经氨冷器（129-C）冷却至7,后与氢回收来的氢气混合进入中间分离罐（105-F），从中间分离罐出来的氢氮气再进合成气压缩机高压段。
合成回路来的循环气与经高压段压缩后的氢氮气混合进压缩机循环段，从循环段出来的合成气进合成系统水冷器（124-C）。
高压合成气自最终冷却器124-C出来后，分两路继续冷却，第一路串联通过原料气和循环气一级和二级氨冷器117-C和118-C的管侧，冷却介质都是冷冻用液氨，另一路通过就地的MIC-23节流后，在合成塔进气和循环气换热器120-C的壳侧冷却，两路会合后，又在新鲜气和循环气三级氨冷器119-C中用三级液氨闪蒸槽11
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