PDF《氨合成工段仿真实训讲义 一、实验目的》

氨合成工段仿真实训讲义

一、实验目的

1、深入了解化工过程操作原理.

提高学生对化工过程的开车、停车运行能力.

2 、掌握控制系统的投运和调整技术.

3 、提高对复杂化工过程动态运行的分析和决策能力.

4 、提高识别和排除事故的能力.

5 、科学的严格的考核与评价学生经过训练后所达到的操作水平和理论联系实际的 能力.

二、 工艺原理 氨的合成是氨厂最后一道工序,任务是在适当的温度、压力和有催化剂存在的 条件下,将经过精制的氢氮混和气直接合成为氨.然后将所生成的气体氨从未合成 为氨的混和气体中冷凝分离出来,得到产品液氨,分离氨后的氢氮气体循环使用.

(一)氨合成反应的特点 氨合成的化学反应式如下: 这一化学反应具有如下几个特点: (1) 是可逆反应.即在氢气和氮气反应生成氨的同时,氨也分解成氢气和氮气. (2) 是放热反应.在生成氨的同时放出热量,反应热与温度、压力有关. (3) 是体积缩小的反应. (4) 反应需要有催化剂才能较快的进行.

(二)氨合成反应的化学平衡 氨合成反应的平衡常数 可表示为: = 式中 p(NH3)、p(H2)、p(N2)-----为平衡状态下氨、氢、氮的分压.

1 由于合成反应是可逆、放热、体积缩小的反应,根据平衡移动定律可知,降低 温度,提高压力,平衡向生成氨的方向移动,平衡常数增大.所以,在实际生产中, 氨的合成反应均在加压下进行.

(三)氨合成动力学 (1)反应机理 氮与氢自气相空间向催化剂表面接近,其绝大部分自外表面向催化剂毛细孔的 内表面扩散,并在表面上进行活性吸附.吸附氮与吸附氢及气相氢进行化学反应, 一次生成 NH、NH

2、 、NH3.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. (2)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. (3)内扩散的影响

2 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,以减小内扩散的影响,提高内表面利用率,加快氨的生成速度.

三、装置概况

(一) 工艺流程简述

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) 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 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,分离出来的液氨送往冷冻中间闪蒸槽 (107-F).从氨分离器出来后,循环气就进入合成塔进气--新鲜气和循环气换热器 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

3 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. 合成气进气由合成塔 105-D 的塔底进入, 自下而上地进入合成塔, 经由 MIC-13 直接到第一层触媒的入口,用以控制该处的温度,这一近路有一个冷激管线,和两 个进层间换热器付线可以控制第

二、第三层的入口温度必要时可以分别用 MIC-

14、

15 和16 进行调节.气体经过最底下一层触媒床后,又自下而上地把气体导入内部 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. 合成塔出来的气体有一部分是从高压吹出气分离缸 108-F 经MIC-18 调节并用 Fl-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 排出气是为了控制气体中的甲烷化和氩的浓度,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 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), 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、

二、三氨冷器相对应,它们是按

4 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)和闪蒸罐氨冷器(126-C)的冷源.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 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 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.

四、装置冷态开工过程

(一) 、合成系统开车 1. 投用 LSH109(104-F 液位高联锁),LSH111(105-F 液位高联锁) (辅助控制盘画 面) 2. 打开 SP71(合成工段现场),把工艺气引入 104-F,PIC-182(合成工段 DCS)设 置在 2.6Mpa 投自动

5 3. 显示合成塔压力的仪表换为低量程表 L (合成工段现场合成塔旁) 4. 投用 124-C(图1合成工段现场开阀 VX0015 进冷却水), 123-C(图1合成工段现 场开阀 VX0016 进锅炉水预热合成塔塔壁) ,116-C(合成工段现场开阀 VX0014), 打开阀 VV077,VV078 投用 SP35(在图

1 合成工段现场合成塔底右部进口处). 5. 按103-J 复位 (辅助控制盘画面) , 然后启动 103-J (合成工段现场启动按钮) , 开泵 117-J 注液氨(在冷冻系统图的现场画面) 6. 开MIC23,HCV11,把工艺气引入合成塔 105-D,合成塔充压(合成工段现场图) 7. 逐渐关小防喘振阀 FIC7,FIC8,FIC14 8. 开SP1 付线阀 VX0036 均压后(一小段时间) ,开SP1,开SP72(在合成塔现场 图画面上)及SP72 前旋塞阀 VX0035(合成塔现场图) 9. 当合成塔压力达到 1.4Mpa 时换高量程压力表 H (现场图合成塔旁) 10. 关SP1 付线阀 VX0036,关SP72 及前旋塞阀 VX0035,关HCV-11 11. 开PIC-194 设定在 10.5MPa,投自动(108-F 出口调节阀) 12. 开入 102-B 旋塞阀 VV048,开SP70. 13. 开SP70 前旋塞阀 VX0034,使工艺气循环起来. 14. 打开 108-F 顶MIC18 阀(开度为 100(合成现场图) 15. 投用 102-B 联锁 FSL85(辅助控制盘画面) 16. 打开 MIC17(合成塔系统图)进燃料气,102-B 点火(合成现场图),合成塔开 始升温 17. 开阀MIC14 调节合成塔中层温度,开阀 MIC15,MIC16,控制合成塔下层温度, (合 成塔现场图) 18. 停泵 117-J,停止向合成塔注液氨 19. PICA8 设定在 1.68MPa 投自动.(冷冻工段 DCS 图) 20. LICA14 设定在 50%投自动,LICA13 设定在 40%投自动.(合成工段 DCS 图) 21. 当合成塔入口温度达到反应温度

380 时,关MIC17,102-B 熄火,同时打开阀门 HCV11 预热原料气. 22. 关入 102-B 旋塞阀 VV048,现场打开氢气补充阀 VV060. 23. 开MIC13 进冷激起调节合成塔上层温度

6 24. 106-F 液位 LICA-13 达50%时,开阀 LCV13,把液氨引入 107-F

(二) 、冷冻系统开车 1. 投用 LSH116(110-F 液位高联锁),LSH118(111-F 液位高联锁),LSH120(112-F 液 位高联锁),PSH840,841 联锁(辅助控制盘) ;

2. 投用 127-C (冷冻系统现场开阀 VX0017 进冷却水);

3. 打开 109-F 充液氨阀门 VV066,建立 80%液位(LICA15 至80%)后关充液阀;

4. PIC7 设定值为 1.4MPa,投自动;

5. 开三个制冷阀(在现场图开阀 VX0005,VX0006,VX0007);

6. 按105-J 复位按钮,然后启动 105-J(在现场图开启动按钮) ,开出口总阀 VV084. ) 7. 开127-C 壳侧排放阀 VV067 ;

8. 开阀 LCV15(打开 LICA15)建立 110-F 液位 9. 开出 129-C 的截止阀 VV086 (在现场图) 10. 开阀 LCV16(打开 LICA16)建立 111-F 液位,开阀 LCV18(LICA18)建立 112-F 液位 ;

11. 投用 125-C(打开阀门 VV085) 12. 当107-F 有液位时开 MIC24,向111-F 送氨 13. 开LCV-12(开LICA12)向112-F 送氨 14. 关制冷阀(在现场图关阀 VX0005,VX0006,VX0007) 15. 当112-F 液位达 20%时,启动 109-J/JA 向外输送冷氨 16. 当109-F 液位达 50%时,启动 1-3P-1/2 向外输送热氨

(三)正常操作的工艺参数 合成岗位主要指标 A、温度设计值 序号 位号 说明 设计值(单位℃)

1 TR6_15 出103-J 二段工艺气温度

120 2 TR6_16 入103-J 一段工艺气温度

40 7

3 TR6_17 工艺气经 124-C 后温度

38 4 TR6_18 工艺气经 117-C 后温度

10 5 TR6_19 工艺气经 118-C 后温度 -9

6 TR6_20 工艺气经 119-C 后温度 -23.3

7 TR6_21 入103-J 二段工艺气温度

38 8 TI1_28 工艺气经 123-C 后温度

166 9 TI1_29 工艺气进 119-C 温度 -9

10 TI1_30 工艺气进 120-C 温度 -23.3

11 TI1_31 工艺气出 121-C 温度

140 12 TI1_32 ........