合成氨习题.docx
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合成氨习题
4.2氨合成装置
4.2.1概述
1）氨合成装置的设计规模
氨合成装置的设计能力为两套年产30万吨液氨产品。
2）氨合成装置组成
氨合成装置主要由以下3个单元构成.
——合成气压缩及氨合成
——氨冷冻
——氨罐区
氨合成装置采用托普索公司S-300来进行设计，以获得最高的性能和最低的消耗。
该技术有如下特点：
（1）合成回路压降小（0.9MPa）,氨净值达15.97%。
（2）为了尽可能提高氨的单程转化率和保持催化剂装量最少，氨合成塔采用S300系列托普索径向流塔，它包含了压力外壳和一个触媒筐。
触媒筐包含了三个催化剂床层和两个床间换热器，床间换热器分别位于第一和第二催化剂床的中心。
（3）氨合成塔采用的催化剂用量小、寿命长，且活性稳定。
（4）中压蒸汽的产生及过热在回路中完成，而合成塔的设计并没有位于第三床出口的底部换热器，这样最大可能提高了反应热的回收。
本项目氨合成装置工艺包由托普索公司提供。
1）、废气
正常运行情况下约57Nm3/h惰性气体送往界外火炬系统。
2）、废液
废热锅炉连续排放锅炉水416kg/h送往清净水排放系统，以保持锅炉内锅炉给水质量。
3）、废渣
托普索公司合同保证催化剂使用年限5年，催化剂主要成份:
FeO、Fe2O3等。
催化剂使用量约45.6m3。
使用后的催化剂废渣由厂方集中安置处理。
氨合成装置的年操作时间为300天，7200小时连续操作。
4.2.2原材料、产品及催化剂、化学品的主要技术规格
原材料技术规格
序号
名称
规格
标准
备注
1
氨合成原料气
压力MPaG
5.0
温度℃
30
组成：
H2%vol
74.98
N2%vol
25.02
CH4+Ar
≤25ppmv
CO+CO2%vol
≤5ppmv
基于氧原子
总硫
≤0.1ppmv
Cl,As含量为0
液氨产品技术规格符合GB536-1988优等品，下表为液氨产品国标。
序号
名称
规格
标准
备注
1
液氨
优等品
一等品
合格品
GB536-1988
NH3
≥99.9%（wt）
≥99.8%（wt）
≥99.6%（wt）
残余物
≤0.1%（wt）
≤0.2%（wt）
≤0.4%（wt）
水
≤0.1%（wt）
油含量mg/kg
≤5（重量法）
≤2（红外光谱法）
油含量mg/kg
1
催化剂、化学品技术规格
序号
名称
规格
控制组分名称
标准
备注
1
氨合成塔
铁基催化剂
一床层KM1R7.2
二床层KM114.0
三床层KM124.4
FeO、Fe2O3
主要化学成分
主要FeO、Fe2O3，
K2O,CaO,Al2O3等
外观
不规则颗粒
尺寸
1.5~3.0mm
堆积密度
2200-3200kg/m3
4.2.3装置危险物料主要特征表
序号
物质名称
分子量
熔点（℃）
沸点（℃）
闪点（℃）
自燃
温度
（℃）
爆炸极限V%
毒性程度
火险分类
爆炸级组
国家卫生标准mg/m3
下限
上限
1
氢
2.01
-259.2
-252.8
<-50
400
4.1
74.2
/
甲
ⅡCT1
/
2
氨
17.03
-77.7
-33.5
/
651
15.7
27.4
Ⅳ级
乙
ⅡAT2
30
3
甲烷
16.04
-182.5
-161.5
-188
538
5.3
15
/
甲
ⅡAT2
/
4.2.4生产流程简述
氨合成装置主要由以下3个单元构成。
（合成气压缩及氨合成和氨冷冻流程简述按照一套介绍）
——合成气压缩及氨合成（工艺流程图见图纸08021-44-A-181）
——氨冷冻（工艺流程图见图纸08021-44-A-182）
——氨罐区
1）合成气压缩
从液氮洗装置来的净化气气通过离心式合成气压缩机C1801，经过压缩后和氨合成回路的循环气在压缩机缸内混合后压缩至合成压力送至氨合成回路。
压缩机C1801使用中压蒸汽透平驱动。
2）氨合成回路
气体离开C1801后进入到热气-气换热器E1803，气体与来自中压给水预热器E1802的气体进行热交换，被加热到反应器入口温度。
合成塔的入口温度为202℃。
在氨合成塔R1801中，合成气经反应生成浓度为18.90%（mol）的氨。
气体离开反应器的温度为440℃。
离开反应器气体中相当大一部分热量在中压蒸汽过热器E1809、中压蒸汽发生器E1801、中压给水预热器E1802中被回收生成中压蒸汽。
而反应生成气经在E1809由440℃冷却到409℃,在E1801由409℃冷却到272℃,最后在中压给水预热器E1802由272℃冷却到232℃。
在经过中压给水预热器后，气体首先在热气-气换热器E1803中冷却至82℃，如上所述，之后在水冷却器E1804中冷却至37℃，部分氨被冷凝下来。
气体之后经过冷气-气换热器E1805，气体与来自高压氨分离器V1801的循环气进行热交换从而达到冷却（温度28℃）。
最后，气体在一级氨冷凝器E1806和二级氨冷凝器E1808中冷却（出二级氨冷凝器温度为-5℃），通过高压氨分离器V1801后，液态氨被分离。
来自V1801的液态氨在中压氨分离器V1809中卸压至5.2MPaG，排放气被分离并返回到合成气压缩机C1801的入口端，以便回收气体中氢组分。
随新鲜合成气进入到回路中的少量惰性气体（氩和甲烷）会在回路中积累，直到惰性气溶解到中压氨分离器V1809出口液态氨中的量与进入回路的惰性气量相同为止。
当需要时，回路中惰性气水平可以通过间歇驰放少量气体流来实现。
液氨从中压氨分离器V1809送至低压氨分离器V1802（操作压力为2.8MPaG）,闪蒸出来的气体送至驰放气加热器E1813。
来自V1802的液态氨在氨产品加热器E1812中预热至20℃，送至下游尿素装置。
最后，如果产品氨是送到储罐，产品氨将被送至闪蒸罐V1803，闪蒸冷却至约-34℃。
之后冷态氨产品用泵P1801A/B打入储罐。
氨冷冻回路设置目的主要包括以下几个方面：
——冷却氨合成回路产生的液氨
——冷却回收驰放气中的液氨
——冷却液氨产品去储存
——提供低温甲醇洗的冷量
氨冷冻回路包括以下主要设备
——一套压缩机组C1802
——氨冷凝器E1810
——氨收集罐V1804
——若干冷却器
——三个缓冲罐
——氨分离罐V1803.
氨压缩机在三种不同低温进料工况条件
第一级低温物料来源冷却进料条件
氨分离罐V1803-34℃@100kPaA低温甲醇洗单元-38℃@80kPaA
惰性气体冷却器E1811-38℃@80kPaA
第二级低温物料来源冷却进料条件
二级氨冷凝器E1808-9℃@0.2MPaG
第三级低温物料来源冷却进料条件
一级氨冷凝器E180610℃@0.52MPaG
各级低温物料经过氨压缩机压缩后，出口压力为1.61MPaG。
压缩后气体经过氨冷凝器E1810冷凝后进入氨收集罐V1804。
积聚在氨冷冻系统中的惰性气从氨累积器V1804放空。
氨在惰性气体激冷器E1811中冷凝，并且在惰性放空气分离器V1805中分离。
惰性气还在下泄气体分离器V1805中与氨产品分离。
从V505出来的尾气和来自氨合成回路V1802的闪蒸气一起在驰放气加热器中预热后，被送至氨吸收塔回收氨,没有回收的气体送至界外处理,氨水经过氨输送泵P1813A/B送回低压氨分离罐V1802。
为满足氨合成及尿素装置的生产需求特设置氨罐区。
当尿素装置停产或生产不正常时，氨合成减负荷（70%冷氨工况）,送往罐区的液氨最大29.2t/h，温度-35℃。
氨罐区总容量（公称）10000m3,可贮存液氨6165吨。
储存时间8天。
贮存在罐区的冷氨，在合成氨装置及尿素装置开车时，经液氨泵送往合成氨或尿素装置。
罐区工艺设计考虑到安全贮存、快捷收发以及事故时倒罐等功能。
（1）液氨罐容量、数量及形式详见下表
序号
项目
物料名称液氨
1
储存量（t）
6165
2
换算成容积后储存量（m3）
9000
3
考虑储罐容积系数后储存能力（m3）
10000
4
储罐容量及台数（m3×台）
5000×2
5
储罐结构形式
夹套拱顶式
6
选用材质
内壁低温钢
7
储罐加热面积（m3）
无
8
储罐冷却及保温情况
夹层装珠光沙充氮保冷
（2）液氨贮存温度压力详见下表
物料名称
规格
标准
储存温度（℃）
储存压力MPa（G）
液氨
国标优等品
GB536-1988
～-36℃
常压
氨属乙类气体，在当地大气压下沸点～-36℃,为保证液氨常压贮存，设两台致冷机组（一开一备）紧邻液氨罐区布置，以补偿液氨罐冷损。
（3）液氨主要性质详见下表
物料名称
氨
分子量
17.03
沸点（℃）
-33.4
熔点（℃）
-77.7
闪点（℃）
/
燃点（℃）
/
密度（kg/m3）
685.1（-36℃时）
比热（kJ/（kg·℃））
2.215cp
毒性程度
轻度危害
火险分类
乙
爆炸级组
ⅡA级，T1组
车间最高容许浓度
PC-TWA时间加权平均容许浓度（8小时）20mg/m3
爆炸极限v%
上限
27.4
下限
15.77
蒸发潜热（kJ/kg）
1371
熔融热（kJ/kg）
/
相态
气
（4）液氨罐区公用工程消耗量
用户名称
项目
氨罐区
氨压缩机房及泵
水
新鲜水
*
消耗量（m3/h）
/
1
最大1.5
用途
/
冲洗水
使用情况
/
间断
电
装机容量（kW）
/
370
使用负荷（kW）
/
185
使用情况
/
连续
蒸汽
压力（G）（MPa）
0.5
0.5
消耗量（t/h）
0.3
0.3
用途
公用工程站
公用工程站
使用情况
间断
间断
氮气
压力（G）（MPa）
0.42
0.42
消耗量（Nm3/h）
max500
180
用途
开车
公用工程站
使用情况
间断
间断
装置
空气
压力（G）（MPa）
0.7
0.7
消耗量（Nm3/h）
180
180
用途
公用工程站
公用工程
使用情况
间断
间断
仪表
空气
压力（G）（MPa）
0.7
0.7
消耗量（m3/h）
用途
供仪表
供仪表
使用情况
连续
连续
（5）安全卫生措施
根据《石油化工企业设计防火规范》（GB50160-92）规定：
低温液氨贮罐应设防火堤，堤内有效容积应为贮罐容积的60%。
全冷冻式贮罐应每个一隔。
事故时围堰内物料由事故泵排至事故缓冲池。
依据《建筑防雷设计规范》，罐区、泵棚防雷等级为第二类。
就地液位计需特殊照明。
液氨罐、管道均设接地母线去静电接地线网
（6）生产操作岗位防护的劳动保护措施
液氨毒性程度为轻度危害，但有强刺激气味，因此在液氨罐区、泵棚及压缩机房附近设安全淋浴器和洗眼器。
操作需穿防静电工作服，戴防护手套，现场禁烟。
（7）氨罐区定员表
工序名称
每班定员
管理人员
操作班次
轮休人员
合计
生产工人
辅助工人
氨罐区、泵棚
及压缩机房
4
三班
4
12
4.2.5主要设备的选择
1）氨合成塔
氨合成塔R1801及R2801是S300系列托普索径流塔。
它包含了压力外壳和一个触媒筐。
触媒筐包含了三个催化剂床层和两个床间换热器，床间换热器分别位于第一和第二催化剂床的中心.
合成气的主要部分通过合成塔底部的入口被引入，并且向上通过触媒筐和压力壳层之间的外环，使后者保持冷却。
然后通过换热器中的输送管流向第一床间换热器底部管板，并且通过管子向上流动，因此将一床出口气冷却至二床入口温度.
合成气的另一部分被引入底部中心入口，并通过输送管向上流到第二床间换热器的底部管板。
气体通过管子向上流动，因此将二床出口气冷却至三床入口温度.
气体其余部分，即冷的旁路气，被引入合成塔顶部。
在合成塔管上部，与离开两个床间换热器管程的气体混合。
冷的旁路气量控制了一床的入口温度.
在混合后，气体流经催化剂筐盖以下的空间，到达一床周围塔板的环形部位。
从塔板开始气体向内经过一床，然后流到一床和第一床间换热器之间的环形部位。
气体在催化剂床层中的均匀分布通过塔板上适当的开口来保证。
从一床流出的气体通过第一床间换热器的壳程，通过与上面描述的第一床间换热器管程中引入的气体进行热交换，以便冷却至二床适当的入口温度.
来自第一床间换热器壳程的气体通过床层周围的塔板进入二床。
从二床流出的气体通过第二床间换热器的壳程，与第二床间换热器管程中如上面描述的通过底部入口引入的气体进行热交换，以便冷却至适当的三床入口温度.
三床入口温度通过锅炉给水预热器E502周围的旁路来控制，调节转化器入口的气体温度.
离开三床的气体通过开孔的中心管，并且流到合成塔出口.
在开车过程中，来自开车加热器H501的热气被引入转化器顶部的冷旁路管道.
气体都是向内通过二床和三床的，气体分布通过催化剂床壁上适当的开孔来保证.
a）为了使氨单程转化率达到最高，同时保持催化剂装量在最低水平，设计采用三床两中间换热器（换热器分别放置在第一二床之间和第二三床之间）结构。
b）气体以径向流动通过催化剂床，合成塔和整个氨回路阻力降小。
c）每床的效率最大化，可以采用小颗粒催化剂（1.5～3mm），每一床将获得最高的效率。
因此，合成塔结构的设计，三个绝热床层和两个中间换热器，以及采用1.5～3mm尺寸的催化剂，使同时获得氨的高单程转化率和低压降成为可能。
2）中压蒸汽过热器
中压蒸汽过热器E1809及E2809通常是一个立式的NEU换热器，合成气走管程。
整个蒸汽过热器工艺气管箱都堆焊一层合金以保护基材不受氮腐蚀的影响（操作温度超过380度）。
合成气蒸汽过热器的管束采用不锈钢（SA213TP321）的材质。
在此处，不锈钢材质可以抵抗氮腐蚀。
3）中压蒸汽发生器
这是一种特殊的卧式换热器，工艺气走管侧。
来自中压蒸汽过热器的热气体进入虚拟管箱，然后进入U管，通过生产中压蒸汽自身被冷却流出。
合成回路E-1801及E-2801是按照博希格公司专利技术的“插花式”设计进行管束排布的。
这种设计可以将管板孔处的管壁温度以及管板的温度控制在380度之内，以避免发生氮腐蚀。
因此，管束及管板才能够采用铁基材质（2¼Cr-1Mo）进行加工。
详细描述如下：
博希格专利的“插花式”设计与传统的“喷泉式”设计相比，具有绝对的优势。
传统的“喷泉式”设计是将U形管的进气口安排在管板的中心部分，工艺气体沿着管束，穿过管板中心部分，在管板中心部分形成热区。
在进入冷却区域后，随U型管回穿过管板的外围区域，在管板的外围形成冷区。
就像“喷泉”一样。
这种“喷泉式”管束排布会导致在管板中心区域内，管板孔处的管壁温度以及管板的中心区域温度超过氮腐蚀的临界温度，从而导致氮腐蚀的发生。
如果为了避免氮腐蚀而采用Alloy800的合金管束，那么管束又会与锅炉水中的氯离子发生反应，导致氯腐蚀。
插花式管束的布置为：
每根管子的气体入口周围都布置了一根管子的气体出口。
如此进/出、冷/热间隔布置。
工艺气体首先进入一个专门设置的，放置在大管箱内部的小管箱（虚拟管箱）内。
U形管的进气部分穿过厚管板，与虚拟管箱上的虚拟管板相连。
金属套管伸入U形管的进气端。
一端与虚拟管板相连，另一端伸入管束（伸入到厚管板水侧之后）。
由于管束的进气端（热端）有金属套管隔热保护，而出气端（冷端）没有套管隔热保护。
同时，由于厚管板的工艺气体侧并未与进入废锅的工艺气体（热气）接触，而是与流出的工艺气体（换热后的冷气）接触。
因此，厚管板每个部位的温度都与出气温度相近。
管束与管板的焊接可以通过将虚拟管板及套管卸下来后，进行检查。
为了防止氮腐蚀，虚拟管箱及套管的材质都是Incoloy800。
而冷却后的气体（出气）只与大管箱的内壁及厚管板相接触。
因此，不需要在此接触表面进行合金堆焊以防止氮腐蚀。
4）压缩机组
氨合成和冷冻回路中包含了两台大型的离心压缩机，它们分别是合成气压缩机（C1801/C2801）和氨压缩机（C1802/C2802），两台压缩机均为蒸汽透平驱动。
4.2.6原材料、动力消耗定额及消耗量
原材料消耗
序号
名称
规格
单位
消耗
定额
消耗量
备注
每小时
每年
1
氨合成
原料气
H274.98%（vol）
N225.02%（vol）
CH4+Ar≤10ppmv
CO+CO2≤5ppmv
总硫≤0.1ppmv
Nm3
2638
109924
791.4x106
Cl.As
含量为0
动力消耗
序号
名称
规格
使用
情况
单位
消耗
定额
小时消耗量
备注
正常
最大
1
水
循环水
32℃
0.42MPa（G）
连续
m3
184.77
7699
8469
锅炉给水
132℃
5.3MPa（G）;
连续
t
0.9938
41.407
45.55
2
电
380V/50Hz/3PH
间断
kWh
4.8
200
208
3
蒸汽
副产蒸汽
4.1MPa（G）
395℃
连续
t
-0.984
-40.993
-45.09
“-”表示副产
中压蒸汽
4.0MPa（G）
390℃
连续
t
1.3614
56.727
62.4
中压蒸汽
1.0MPa（G）饱和
开车
t
4.5
低压蒸汽
0.5MPa（G）饱和
间断
t
0.5
4
燃料气
开车
Nm3
2000
5
仪表空气
40℃，0.7MPa（G）
露点：
-28.9℃
连续
Nm3
57
100
100
6
装置空气
40℃，0.7MPa（G）
间断
Nm3
50
7
低压氮气
40℃，
≥0.2MPa（G）
间断
Nm3
50
催化剂消耗
序号
名称
规格
加入设备名称
位
号
首次
填装量
备用量
消耗
定额
消耗量
备注
正常
最大
1
铁基催化剂
KM1R/KM1
氨合成塔
R1801
47.7m3
/
4.2.7定员表
序号
名称
每班定员
管理
人员
操作班次
轮休人员
合计
备注
生产工人
辅助工人
1
操作人员
5
3
5
20
2
技术人员
2
1
2
白班
总计
22
4.2.8三废排放量
序号
排放物名称
排放点
排放物性状
排放情况
排放量
组成及含量
国家或地方排放标准
备注
连
续
间
断
单位
正常
最大
1
废气
驰放气体
T1801
气
连续
Nm3/h
57
88
H2:
65/58%（NOR/MAX）
火炬
N2:
32/37%（NOR/MAX）
NH3:
1/2%（NOR/MAX）
CH4+Ar:
1/2%（NOR/MAX）
H2O:
1/1%（NOR/MAX）
原料气
V1811
气
间断
kg/h
41787
H2:
75,N2:
25%
火炬
燃烧废气
F1801
气
开车
kg/s
3.38
CO2：
13.65771wt%H2O：
11.47381wt%N2：
72.02363wt%
O2:
2.84485wt%
SO2:
~0.000002wt
高点排放
2
废液
排污水
V1812
液
连续
kg/h
414
H2O:
99.99%,
微组分:
0.01%,含少量磷酸盐
污水处理
排污水
E1801
液
间断
kg/h
40000
H2O:
99%,,
轻组分:
1%
污水处理
3
废固
废催化剂
R1801
固
间断
m3
47.7
Fe,FeO,Fe2O3
5年一次深埋
4.2.9主要节能措施
本装置在工艺设计上流程更加简练、设备选型合理、布置紧凑、能量利用更趋合理。
主要节能措施如下：
1）为了尽可能提高氨的单程转化率和保持催化剂装量最低，托普索采用了最具热力学效率的S300合成塔结构，即：
“三床两换热器型”，换热器分别位于第一床和第二床之后。
同时在这种方案下中压蒸汽的产生及过热都要求在回路中完成，而合成塔的设计不带底部换热器，这样最大可能提高了反应热的回收。
2）氨合成装置设置了气气换热器，利用废锅232℃的出口气预热合成塔进口气，不但回收了热量同时也降低了水冷器的热负荷。
3）由于采用径向技术降低了氨合成塔和合成回路阻力，因此也节省了合成气压缩机功耗。
设备一览表――氨合成/氨冷冻08021-46-A-708A/709A
氨合成/氨冷冻08021-46-A-708B/709B
氨罐区08021-46-A-711
物料平衡表――氨合成08021-46-A-181
物料平衡表――氨冷冻08021-46-A-182
管道命名表――氨合成/氨冷冻08021-708A/709A-B-800
氨合成/氨冷冻08021-708B/709B-B-800
氨罐区08021-711-B-800
界区接点表――氨合成/氨冷冻08021-708/709-B-801
氨罐区08021-191B-B-801
工艺流程图氨合成及合成气压缩08021-44-A-181
工艺流程图氨冷冻08021-44-A-182
管道及仪表流程图图例08021-708A-B-100
管道及仪表流程图合成气压缩机08021-708A-B-101
管道及仪表流程图氨合成
（一）08021-708A-B-102
管道及仪表流程图氨合成
（二）08021-708A-B-103
管道及仪表流程图氨合成（三）
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