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实习

南京工业大学

合成氨仿真实习报告书

学院：

城市建设与安全工程学院

班级、学号：

姓名（签名）：

2011年11月1日

一实习的目的、意义。

实习目的：

仿真实习是实习计划的组成部分，通过实习使学生了解化工生产一般特点、规律和工艺参数的控制，获得化工生产实践知识，培养运用化工专业理论知识，分析和解决实际问题的能力，为适应今后所从事的化工企业工作打下良好的实践基础。

二、实习要求

1.实习装置为合成氨生产仿真装置。

要求了解并熟悉生产过程及控制，包括:

1）生产方法和原理，原料、催化剂及产品特性；

2）生产工艺流程（流程中设备、主副管线，过程操作和控制）；

3）各工序工艺条件及控制：

主要设备操作温度、压力和组成；

4）主要设备型式、结构；

5）主要设备及管线上的控制仪表及调节方法。

2.搜集信息途径

1）听讲座（拟安排工艺及设备、仿真装置及操作等讲座）；

2）现场实习：

熟悉工艺流程、设备、及仿真软件操作，熟悉仿真模型；

3）阅读实习指导书、流程图、设备图及其它文献资料。

三、实习内容

仿真实习的主要内容是：

以河南化肥厂为原型的大型合成氨全流程仿真模型和以宁夏化工厂为原型的合成氨大工段DCS控制系统仿真软件。

两者均以天然气为原料的合成氨工艺，通过仿真实习了解合成氨工艺原理与流程，掌握合成氨生产中的主要参数和DCS控制系统的操作。

以下为东方仿真软件的合成氨工艺流程。

（1）合成氨装置转化工段

1概述

转化工段包括下列主要部分:

原料气脱硫、原料气的一段蒸汽转化、转化气的二段转化、高变、低变、给水、炉水和蒸汽系统。

2原料气脱硫

天然气中含有少量硫化物，这些硫化物可以使多种催化剂中毒而不同程度地使其失去活性，硫化氢能腐蚀设备管道。

因此，必须尽可能地除去原料气中的各种硫化物。

加氢转化主要指在加入氢气的条件下使原料气中有机硫转化为无机硫。

加氢转化不能达到直接脱硫的目的，但经转化后就大大的利于硫的脱除。

在有机硫转化的同时，也能使烯烃类加氢转化为烷氢类从而可减少下一工序蒸汽转化催化剂析炭的可能性。

在采用钴钼催化剂的条件下，主要进行如下反应：

R-SH+H2=RH+H2S

R-S-R’+2H2=RH+R’H+H2S

C4H4S+4H2=C4H10+H2S

RC=CR’+H2=RCH2-CH2R’

氧化锌是一种内表面积颇大，硫容较高的接触反应型脱硫剂。

除噻吩及其衍生物外，脱除硫化氢及各种有机硫化物的能力极高，可将出口气中硫含量降至0.1PPm以下。

氧化锌脱硫反应：

ZnO+H2S=ZnS+H2O

原料天然气在原料气预热器（141－C）中被低压蒸汽预热后，进入活性碳脱硫槽（101－DA、102－DA一用一备），进行初脱硫后，经压缩机（102－J）加压。

在一段炉对流段低温段加热到230℃左右与103-J段来的氢混合后进入Co－Mo加氢和氧化锌脱硫槽（108－D）终脱硫后，天然气中的总硫≤0.1ppm。

3原料气的一段蒸汽转化

经脱硫后的原料气的总硫含量降至0.1PPm以下，与水蒸汽混合后进行转化反应：

CH4+H2O＝CO+3H2

CnH2n+2+nH2O＝nCO+（2n+1）H2

由于转化反应是吸热反应，在高温条件下有利于反应平衡及反应速度。

在实际生产中，转化反应分别是一段炉和二段炉中完成。

在一段炉中，烃类和水蒸气的混合气在反应管内镍催化剂的作用下进行转化反应，管外有燃料气燃烧供给反应所需热量，出一段炉转化气温度控制在800℃左右。

脱硫后的原料气与中压蒸汽混和后，经对流段高温段加热后，进入一段炉（101－B）的336根触媒反应管进行蒸汽转化，管外由顶部的144个烧嘴提供反应热，经一段转化后，气体中残余甲烷在10％左右。

4转化气的二段转化

为了进一步转化，需要更高的温度。

在二段炉中加入预热后的空气，利用H2和O2的燃烧反应，产生高热，促使CH4进一步转化。

一段转化气进入二段炉（103－D），在二段炉中同时送入工艺空气，工艺空气来自空气压缩机（101－J）加入少量中压蒸汽并经对流段高温段预热，转化气中的H2和空气中的氧燃烧产生的热量供给转化气中的甲烷在二段炉触媒床中进一步转化，出二段炉的工艺气残余甲烷含量0.3％左右，经并联的两台第一废热锅炉回收热量，再经第二废热锅炉进一步回收余热后，送去变换。

5CO变换

经蒸汽转化后的工艺气含有12～15％的CO，变换工序的任务是使CO在有催化剂存在的条件下与水蒸汽反应：

CO+H2O＝CO2+H2

这样即能把一氧化碳变为易于清除的二氧化碳，同时又可制得合成需要的原料氢。

变换反应是一个可逆、放热、反应前后气体体积不变的化学反应。

整个变换过程是由高温变换和低温变换组成。

高温变换所用的催化剂是以Fe3O4为活性组分的，它的活性温度在300℃以上（一般在350～430℃）。

在此温度下，可以取得较高的反应速度，但不能达到较低的CO浓度。

为了进一步取得较低的CO浓度，还要以铜为活性组分的催化剂作用下，进行低温变换。

它的变换温度一般在200～250℃，这样的低温下，就能使CO的变换进行的比较彻底，可以使CO浓度降至0.3％以下。

由第二废热锅炉来的转化气约含有12－14％的CO，进入高变炉（104－DA），在高变触媒的作用下将部分CO转化成CO2，经高温变换后CO含量降到3％左右，然后经第三废热锅炉（103－C）回收部分热能，经换热器（104－C）进入低变炉（104－DB）在低变触媒的作用下将其余CO转化为CO2，出低变炉的工艺气中CO含量约为0.3％左右。

6给水、炉水、蒸汽系统

合成氨装置开车时，将从界外引入3.8MPa、327℃的中压蒸汽约50T/H。

辅助锅炉和废热锅炉所用的脱盐水从水处理车间引入，用并联的低变出口气加热器（106－C）和甲烷化出口气加热器（134－C）预热到100℃左右，进入除氧器（101－U）脱氧段，在脱氧段用低压蒸汽脱除水中溶解氧后，然后在储水段加入二甲基硐肟除去残余溶解氧。

最终溶解氧含量小于7PPb。

除氧水加入氨水调节PH至8.5－9.2，经锅炉给水泵104－J/JA/JB经并联的合成气加热器（123－C），甲烷化气加热器（114－C）及一段炉对流段低温段锅炉给水预热盘管加热到295℃左右进入汽包（101－F），同时在汽包中加入磷酸盐溶液,汽包底部水经101－CA/CB、102－C、103－C、一段炉对流段低温段废热锅炉及辅助锅炉加热部分汽化后进入汽包，经汽包分离出的饱和蒸汽在一段炉对流段过热后送至103－JAT，经103－JAT抽出3.8MPa、327℃中压蒸汽，供各中压蒸汽用户使用。

103－JAT停运时，高压蒸汽经减压，全部进入中压蒸汽管网，中压蒸汽一部分供工艺使用、一部分供凝汽透平使用，其余供背压透平使用，并产生低压蒸汽，供111－C、101－U使用，其余为伴热使用在这个工段中，缩合/脱水反应是在三个串联的反应器中进行的，接着是一台分层器，用来把有机物从液流中分离出来。

图1合成氨转化工段总图

（2）合成氨装置净化工段

1脱碳

经变换工序后的工艺气，CO2含量一般在17％左右。

本装置采用改良苯菲尔法脱除工艺气中的二氧化碳，吸收剂为碳酸钾溶液，溶液的吸收和再生可以用如下反应方程式表示：

K2CO3+CO2+H2O＝2KHCO3+热量

这是一个可逆过程，脱碳溶液中K2CO3吸收了CO2生成KHCO3，KHCO3又在加热、减压的条件下放出CO2，重新变成K2CO3。

前一个过程是吸收过程，后一个过程是再生过程。

经过吸收塔的脱碳气体要求CO2小于0.1％；经过再生塔的CO2气体要求纯度大于98.5％。

从变换工序来变换气温度60℃，压力2.799MPa进入CO2吸收塔（101-E）下部，在吸收塔中经塔板逆流向上与塔顶加入的贫液（40℃）接触，脱去工艺气中所含二氧化碳，再经塔顶洗涤段后出CO2吸收塔，出吸收塔净化气在管路上由喷射器喷入变换气分离器（102-F）来的工艺冷凝液进一步洗涤，经净化气分离器（121-F）分离出喷入的工艺冷凝液，温度44℃，压力2.764MPa的气体去甲烷化工序，液体与变换冷凝液汇合去工艺冷凝液处理装置。

从CO2吸收塔塔底出来的富液（74℃）先经溶液换热器（109-CB）加热，再经溶液换热器（109-CA）进一步升温至105℃后，进入CO2汽提塔（102-E）顶部，102-E为筛板塔，共10块塔板，在CO2汽提塔中靠变换气煮沸器（105-CA.B）蒸汽煮沸器（111-C）提供的热量蒸发出大量水蒸汽，由下向上逐板汽提出溶液中的CO2，气体经过CO2汽提塔冷凝器（110-C），再经CO2汽提塔回流液槽（103-F）分离出液体后，CO2气体送尿素装置。

从CO2汽提塔底部出来的热贫液先经溶液换热器（109-CA）与富液换热降温后进贫液泵，经贫液泵（107-JA/JB/JC）升压后的贫液再经溶液换热器（109-CB）降温，并经贫液冷却器（108-C）进一步冷却至40℃左右进CO2吸收塔上塔。

从CO2汽提塔回流液槽底部出来的冷凝液，先经回流液泵（108-J）升压，一部分去冷凝液处理装置，另一部分去CO2吸收塔顶部洗涤净化气中夹带出的溶液，洗涤后的冷凝液回CO2汽提塔顶部进入系统。

图2脱碳系统现场图

2甲烷化

碳氧化物（CO、CO2）是合成触媒的毒物，在工业生产中要求入合成工序的氢氮气中的CO、CO2含量小于10PPm。

在催化剂作用下将CO、CO2加氢反应生成对合成触媒无害甲烷。

在镍触媒存在的条件下，进行如下化学反应：

CO+3H2＝CH4+H2O+206.16kJ/mol

CO2+4H2＝CH4+2H2O+165.08kJ/mol

甲烷化反应是可逆强放热反应，温升很大，每反应1％CO，温升72℃左右；每反应1％CO2，温升60℃左右。

因此，要严格控制低变出口CO含量及脱碳出口CO2含量再规定指标范围内，严防甲烷化触媒超温。

甲烷化装置的原料气来自脱碳装置，该原料气（44℃、2.76Mpa）先后经合成气一脱碳气换热器（136-C）预热至117.49℃、高变气—脱碳气换热器（104-C）加热到316℃，进入甲烷化炉（106-D），炉内装有18m3、J-105型镍催化剂，气体自上部进入106-D，气体中的CO和CO2与H2反应生成CH4和H2O。

甲烷化炉（106-D）的出口温度为363℃，依次经锅炉给水预热器（114-C），甲烷化气脱盐水预热器（134-C）和水冷器（115-C），温度降至40℃，甲烷化后的气体中CO和CO2含量降至10ppm以下，进入104-F进行气液分离。

3冷凝液回收系统

自低变104-D来的工艺气（260℃）经102-F底部冷凝液萃冷后，再经105-C，106-C换热至60℃，进入102-F，其中工艺气中所带的水分沉积下来，脱水后的工艺气进入CO2吸收塔101-E脱除CO2。

102-F的水一部分进入103-F，一部分经换热器C66401换热后进入E66401，由管网来的327℃的蒸汽进入E66401的底部，塔顶产生的气体进入蒸汽系统，底部液体经C66401，C66402换热后排出。

（3）合成氨装置合成工段

氨的合成是整个合成氨流程中的核心部分。

前工序制得的合格氮氢气在高温高压及铁催化剂作用下合成为氨。

由于在反应过程中只有少部分氮氢气合成为氨，因此反应后的气体混合物分离氨后，经加压又送回合成塔，构成合成回路。

氨合成的化学反应式如下：

1/2N2+3/2H2＝NH3+热量

这是一个放热和体积减少的可逆反应。

本装置的合成塔采用了三段间接换热式径向合成塔，这样合成塔触媒层的温度分布就更为合理，更加接近最佳温度分布曲线，触媒层的阻力降也更小。

同时，在合成塔出口设置了合成废锅，利用合成氨余热产生125×105Pa（绝）的高压蒸汽，能量回收更为充分。

但是，由于转化工序加入过量空气，使合成系统氮过剩，加大了合成排放气量。

为此增加了氢回收装置加以弥补，回收的氢返回合成系统。

1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），分离气体中的水后，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热交换器（106-C，（现场图中错标为136-C）与甲烷化进料气换热）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），进一步分离气体中的水后，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）。

高压合成气自水冷却器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112-F来的冷冻用液氨进行冷却，冷却至-23.3℃。

冷却后的气体经过水平分布管进入高压氨分离器（106-F），在前几个氨冷器中冷凝下来的循环气中的氨就在106-F中分出，分离出来的产品液氨送往低压氨分离器（107-F）。

从高压氨分离器出来后，循环气就进入合成塔进气—新鲜循环气换热器120-C的管侧，从壳侧的工艺气体中取得热量，然后又进入合成塔进气--出气换热器（121-C）的管侧，再由HCV-11控制进入合成塔（105-D），在121-C管侧的出口处分析气体成分。

SP-35是一专门的双向降爆板装置，是用来保护121-C的换热器，防止换热器的一侧卸压导致压差过大而引起破坏。

主线合成气进气由HCV-11控制，从冷激式合成塔105-D的塔底进入，自下而上地沿内件与外筒之间的环隙上升，被预热至合成塔顶部。

再向下依次经过各触媒层进行反应；一路副线合成气进气（冷激气）经由MIC-13控制，直接到第一层触媒的入口，用以控制该处的温度（开工时仅由这一路进气），另一路副线冷激气可以分别用MIC-14、MIC-15和MIC-16进行调节，分别控制第二、第三、第四层触媒的入口温度。

气体经过最底下一层触媒床后，又自下而上地把气体导入中心内部换热器的管侧，把热量传给进来的气体，再由105-D的顶部出口引出。

合成塔出口气进入合成塔--锅炉给水换热器123-C的管侧，把热量传给锅炉给水，接着又在121-C的壳侧与进塔气换热而进一步被冷却，最后回到103-J高压缸循环段（最后一个叶轮）而完成了整个合成回路。

合成塔出来的一部分气体（吹出气，又叫驰放气），经氨冷器125-C至高压吹出气分离缸108-F，经MIC-18调节并用FI-63指示流量后，送往氢回收装置或送往一段转化炉燃料气系统。

从合成回路中排出一部分气是为了控制循环气中的甲烷和氩的浓度，甲烷和氩在系统中积累多了会使氨的合成率降低。

吹出气在进入分离罐108-F以前先在氨冷器125-C中冷却，由108-F分出的液氨送低压氨分离器107-F回收。

合成塔备有一台开工加热炉（102-B），它是用于开工时把合成塔引温至反应温度，开工加热炉的原料气流量由FI-62指示，另外，它还设有一低流量报警器FAL-85与FI-62配合使用，MIC-17调节102-B燃料气量。

2冷冻系统

合成来的液氨进入中间闪蒸槽（107-F，即低压氨分离器），闪蒸出的不凝性气体通过PICA-8排出，作为燃料气送一段炉燃烧。

分离器107-F装有液面指示器LI-12。

液氨减压后由液位调节器LICA-12调节进入三级闪蒸罐（112-F），进一步闪蒸，闪蒸后作为冷冻用的液氨进入系统中。

冷冻的一、二、三级闪蒸罐操作压力分别为：

0.4MPa（G）、0.16MPa（G）、0.0028MPa（G）。

三台闪蒸罐与合成系统中的第一、第二、第三氨冷器相对应，它们是按热虹吸原理进行冷冻蒸发循环操作的。

液氨由各闪蒸罐流入对应的氨冷器，吸热后的液氨蒸发形成的气液混合物又回到各闪蒸罐进行气液分离，气氨分别进氨压缩机（105-J）各段气缸，液氨分别进各氨冷器。

由液氨接收槽（109-F）来的液氨逐级减压后补入到各闪蒸罐。

一级闪蒸罐（110-F）出来的液氨除送第一氨冷器（117-C）外，另一部分作为合成气压缩机（103-J）一段出口的氨冷器（129-C）和液氨接收槽（109-F）的氨冷器（126-C）的冷源（126-C冷却管道图中省略）。

氨冷器（129-C）和（126-C）蒸发的气氨进入二级闪蒸罐（111-F），110-F多余的液氨也送往111-F。

111-F的液氨除送第二氨冷器（118-C）和弛放气氨冷器（125-C）作为冷冻剂外，其余部分送往三级闪蒸罐（112-F）。

112-F的液氨除送119-C作为冷冻剂外，还可以由冷氨产品泵（109-J）作为冷氨产品送液氨贮槽贮存。

由三级闪蒸罐（112-F）出来的气氨进入氨压缩机（105-J）一段压缩，一段出口与二级闪蒸罐111-F来的气氨汇合进入二段压缩，二段出口气氨先经压缩机中间冷却器（128-C）冷却后，与一级闪蒸罐110-F来的气氨汇合进入三段压缩，三段出口的气氨经氨冷凝器（127-CA、CB），冷凝的液氨进入接收槽（109-F）。

109-F中的闪蒸气去闪蒸罐氨冷器（126-C），冷凝分离出来的液氨流回109-F，不凝气作燃料气送一段炉燃烧。

109-F中的液氨一部分减压后送至一级闪蒸罐（110-F），另一部分作为热氨产品经热氨产品泵（1-3P-1,2）送往尿素装置。

图3合成氨工段现场图

图4合成氨塔DCS图

图5冷冻工段现场图

四实习思考题（选做五题）

1·为什么天然气要预先脱硫才能进行转化？

天然气中的硫化物是合成氨生产中多种催化剂的毒物，应尽量脱除干净。

这些硫化物主要是硫化氢，还有二氧化碳，硫氢化碳，硫醇，硫醚和噻吩等有机物。

以天然气为原料采取蒸汽催化转化法制取原料气的流程，脱硫过程应在制气之前进行。

2·一段转化炉有哪些主要结构？

a.钴钼加氢反应器b氧化锌脱硫罐c对流段d辐射段e汽包f辅助锅炉g排风机h烟囱

3·Co—Mo加氢和氧化锌脱硫有何特点？

Co—Mo加氢脱硫是再H2存在下将有机硫转化为无机硫，气体需要经过氧化锌再次脱硫（可再生）

氧化锌脱硫法是脱除无机硫及部分有机硫，出口总硫小于1ppm。

（不可再生）

4·少量一氧化碳，二氧化碳的脱除方法有哪些？

各自特点

a铜氨液吸收法，又称“铜洗”，现在国内一些小厂仍使用此法。

b甲烷化法，采用催化剂使一氧化碳，二氧化碳和氢气反应生成甲烷，效果较好，目前此方法使用较广。

c液氨洗涤法，此方法需要低温操作，洗涤效果比较好。

5·温度和压力对合成氨反应速率的影响

温度：

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]*m9@氨合成反应是放热反应，所以降低反应温度有利于平衡向生成氨的方向进行。

但反应速度则随温度降低而减慢。

同时氨合成反应使用活性催化剂，所以反应温度的选择要首先考虑到适合催化剂的活性温度范围，一般在380—525℃之间。

另外，对于可逆反应，对于一定的反应物系组成具有最大总反应速度的温度称之为对应于该组成的最适宜温度，因此对应整个合成塔的反应过程存在着一条最适温度，因此对应整个合成塔的反应过程存在着一条最适温度线。

最适温度随着反应的进行而不断降低。

为此，对氨合成这一放热反应，在反应同事采取不同手段及时移走反应热，使反应温度尽可能接近最适温度线，以达到较好的技术、经济效益。

实际生产中，一般是控制出没床入口温度略高于触媒的活性其实温度，最高温度不超过催化剂的耐热温度，触媒使用的前期略低一些，以防触媒过早老化，而在后期则依据提温利用等高温活性。

压力：

从化学平衡角度考虑，提高压力有利于提高平衡氨含量，并能加快反应速度，增加装置的生产能力；另外，提高压力有利于氨分离，并减少冷冻功耗。

但压力的提高对设备的材质，加工制造的要求提高，原料气压缩功耗也增加，所以工厂对压力的选择要综合考虑技术经济效果。

取决于动力消耗，基建投资喝工厂成本几个发面。

目前，国内合成压力在15.0—32.0MPaG之间，本工段在13.8MPaG下操作。

六·实习的收获，体会和建议

通过本次实习我进一步了解的合成氨的工艺和流程，以及一些化工过程装置的控制，作为一名安全工程专业的学生，通过本次仿真实习，我也了解到了一些化工过程中的安全知识，我曾经感叹道：

要是我们真的在化工厂对这些化工装置进行操作，那么一天至少要爆炸几十次，那么就会给企业带来严重的损失，以及危及到职工和社会的安全。

安全的前提是生产，安全是高质量生产的保障。

要想确保安全，就必须了解最基本的工艺原理和工艺流程，从而进行重大危险源的确定，进而去预防一些事故的发生。

此次实习对我来说，感触很深，收获很大，最后再次感谢三位老师在我们实习过程中对我们耐心的指导和帮助！

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