论文:合成氨合成工段的用能研究.pdf
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1、西华大学硕士学位论文 合成氨合成工段的用能研究 西华大学硕士学位论文合成氨合成工段的用能研究动力机械及工程专业 合成氨作为除乙烯之外的第二大化工产品,在生产化肥上是不可或缺的化 工中间品。一方面解决了人口不断增长给粮食供应带来压力,另一方面也消耗 着大量的能源资源。在当今世界能源紧缺和价格不断上涨情况下,合成氨工业 的节能降耗已成为一个热门话题。如何使合成氨合理有效的使用能源,减少能源使用过程中的浪费成为人们 关注的焦点和研究热点之一.依据合成氨工段物料的变化,进行系统性、定量 化的分析与评价,对合成氨产业的发展具有十分重要的作用和意义。本文采用模型建立与案例分析相结合的方法,开展了操作参数与
2、物料变化 所产生的热量的相互关系研究。首先对物料平衡计算,以及物料变化所引起的 热量变化的计算,进而建立了合成氨合成工段的数学模型。在对模型研究的基 础上,利用实地调研获得的资料,对玉龙化工合成氨产业进行了案例分析。对玉龙化工合成氨产业的分析表明:不同的操作参数,能源的需求量也不 同。利用模型研究所得出的最合理的操作参数为氢氮比为2.9,入塔惰性气体含 量为16%,入塔氨含量为2.4%,利用此操作参数可以节约大量的能量,使能 源的使用趋于合理化。本文从物料角度去研究合成氨的用能,这将为合成氨用 能研究提供了一种新的途径。关键词:合成氨;操作参数;物料平衡;热量西华大学硕士学位论文A Resea
3、 rch on Energy Consumption of Synthetic Ammonia s Workshop SectionPower Ma chinery a nd EngineeringMA Ca ndida te Lei Zhifa Adviser Gu jinchua n,Gua n yonglinAs the second la rgest chemica l products ex cept etha ne,the synthetic Ammonia is a n essentia l intermedia te for the fertilizer production.
4、On one ha nd,the use of synthetic Ammonia reduces the ever-increa sing popula tion pressure on food supply;on the other ha nd,it consumes a lot of energy resources.Under the circumsta nces of the energy la cking a nd prices increa sing,the energy sa ving of Ammonia industry ha s b ecome a hot topic.
5、How to use the energy effectively a nd reduce the energy wa stes during the process of synthetic Ammonia production ha s b ecome the focus of resea rchers.According to va rious ma teria ls of synthetic Ammonia s workshop section,the systema tic a nd qua ntita tive a na lysis a nd eva lua tion of syn
6、thetic Ammonia is very significa nt for the development of this industry.In this pa per,a resea rch on the rela tionship b etween opera ting pa ra meters a nd hea t va ria tion genera ted b y the cha nges of ma teria ls through the method comb ining 西华大学项上学位论文the model-b uilding a nd ca se study is
7、ca rried out.Firstly,the ma teria l b a la nce ca lcula tion a nd the hea t va ria tion ca used b y ma teria l cha nges a re performed.Then a ma thema tica l model of the synthetic Ammonia s workshop section is esta b lished.Fina lly,on the b a sis of model study a nd da ta collection,a ca se from Y
8、ulong Chemica l Pa nt is studied.The a na lysis of Yulong Chemica l Pla nfs synthetic Ammonia workshop section showed tha t the dema nd of energy va riety with opera ting pa ra meters.The most suita b le opera ting pa ra meters derived from model study:Hydrogen nitrogen ra tio is 2.9,The inert ga s
9、content is 16%,The Ammonia s is 2.4%.The most suita b le opera ting pa ra meters ca n sa ve lot of energy,which ma kes the use of energy rea sona b le.From the point of ma teria l,this pa per studies the use energy of synthetic Ammonia,which provides a new wa y for the study of synthetic Ammonia,ene
10、rgy utiliza tion.Key words:Synthetic Ammonia;Opera ting Pa ra meters;Ma teria l Ba la nce;Hea tm西华大学硕士学位论文第一章绪论1.1选题背景目前能源短缺是一个世界性的问题,节能的重要性不言而喻田。我国 的中小合成氨工业自1958年诞生以来,已经50年了。合成氨工业从无 到有,从小到大,逐步完善发展,不断巩固提高,已经成为我国化肥工 业中一个不可缺少的重要组成部分,为我国国民经济作出了重大的贡献 田。50年的发展,尤其是改革开放的这几十年来,合成氨工业有了长足 的发展,合成氨工业无论从工艺的成熟程度,
11、还是从设备的装备、产品 品种结构及生产管理水平等方面,都跃上了一个新台阶,但是工业生产 中由于各种热损失的原因,合成氨的实际能耗要比理论以能耗还是大的 多。其值随着原料、生产方法、生产规模和管理水平的不同而有差异。在能源价格不断上涨的情况下,国内外都在致力于节约能源消耗。其中 以天然气为原料的大型氨厂的吨氨能耗已由二十世纪七十年代的 39.15GJ下降到九十年代的29.31GJ左右也 但大多基于对设备和催化剂 的研究,因此依据合成氨工段物料的变化,进行系统性、定量化的分析 与评价,对合成氨产业的发展具有十分重要的作用和意义。1.2研究的目的和意义我国是一个人口大国,人口不断增长给粮食供应带来压
12、力。关于粮 食的生产,国家一直都放在非常重要的位置。民以食为天,可见粮食的 重要性,而我国粮食产量的40%增量是靠施用化肥得来的。氨气作为除 乙烯之外的第二大化工产品,在生产化肥上是不可或缺的化工中间品。目前,氮肥生产合成氨消耗量约占全国合成氨消耗总量的87%,其中尿 素和碳酸氢钱分别约占60%和15%。氨水(即氨的水溶液)和液氨本身 也是一种氮肥,氨作为原料还广泛用于硝酸铁、硫酸铁等固体氮肥,和 磷酸筱、硝酸磷肥等复合肥料。工业上合成氨还可以用来制造医药、炼 油、纯碱、含氮无机盐、硝酸、致冷剂以及在有机合成工业中制合成纤 维、合成树脂、塑料和染料等。合成氨工业是与能源工业关系密切的工业。合成
13、氨生产通常以各种 1西华大学硕士学位论文燃料为原料,同时生产过程还需燃料供给能量,因此,合成氨是一种消耗大 量能源的化工产品。随着原料、工厂规模、流程与管理水平不同而有差 异,合成氨的实际能耗远比理论能耗多。合成氨的工艺复杂、技术密集。氨合成是在高压高温和催化剂存在 下进行的,为气固相催化反应过程。由于氨合成催化剂很易受硫的化合 物、碳的氧化物和水蒸气毒害,而从各种燃料制取的原料气中都含有不 同数量的这些物质,故在原料气送往氨合成前,需将有害物质除去。因 此合成氨生产总流程长,工艺也比较复杂,根据不同原料及不同的净化 方法而有多种流程。合成氨为化工领域的支柱行业及能源消耗大户,其生产能耗研究是
14、 化工过程优化的研究重点,我国在这一领域还较薄弱,尤其是是作为主 力军的中小型氮肥行业,虽然生产优化的愿望愈来愈强烈,但因为复杂 生产条件和流程,这方面工作基本处于空白。氨合成工序是合成氨装置的重要组成部分,直接影响着氨的产量、原料气消耗、合成气压缩机和冰机功耗等主要工艺指标,是合成氨装置 增产节能的关键环节之一。在节能减排时代主题的今天,对氨合成工序 的用能研究显得非常的必要。本文立足于实际生产,将氨合成工段的能 耗研究与过程工业实际情况相结合。1.3 国内外现状和发展趋势2006年世界合成氨生产能力达1.24亿吨。我国2006年1 11月份合成 氨的总量约为4517万吨。据资料统计:199
15、7年世界合成氨年产量103.9M%2000年产量达其化肥用氨分别占氨产量的81.7%和82.6%。当时,我国合成氨产量己达4L9Mt,专家预测2020年将增加至45Mt.因而合成 氨的持续健康发展还有相当长的路要走。未来我国合成氨氮肥的实物产 量将会超过石油和钢铁目前国外一般采用的比较有代表性的、适用 于大型合成氨装置的工艺技术及流程包括Kelb gg、C.F.Bra un、I C.I、Tops 等节能型的氨合成工艺技术和流程,国内大型合成氨装置也一般是从 国外引进的这三种工艺。这三种工艺具体为:Kelb gg分为节能Kelb gg和2西华大学硕士学位论文KAAPo节能Kelb g睬用后冷分氨
16、流程,合成压力为14.5MPa,氨合成塔 型式为卧式径向层间换热,采用小颗粒高活性催化剂,弛放气回收使用 Prism或深冷法,反应热回收用来副产蒸汽或预热BFW;KAAP采用后冷分 氨流程,合成压力为7.010.5MPa,氨合成塔型式为卧式径向层间换热,采用钉基催化剂,弛放气回收使用Prism或深冷法,反应热回收用来副产 蒸汽或预热BFW;C.F.Bra un采用后冷分氨流程,合成压力为15.1MPa,氨 合成塔型式为立式绝热轴向三塔,采用各种高活性催化剂,不需要弛放 气回收,反应热回收用来副产高压蒸汽网;Topse采用前冷分氨流程,合 成压力为14.0MPa,氨合成塔型式为S-250(S-2
17、00+S50),采用小颗粒高活 性催化剂,有弛放气回收,反应热回收用来副产高压蒸汽;IC.I采用前冷 分氨流程,合成压力为&311.5MPa,氨合成塔型式为Ca sa le轴径向塔,催化剂采用IC1744铁钻系,弛放气回收使用冷箱,反应热回收用来副产 高压蒸汽网。从节能降耗的角度分析,ICI和Kellogg具有优越性,其中ICI 一AMV使用铁钻系催化剂(ICI74-1)降低了氨合成压力,Kellogg使用 钉基催化剂(Ke-1520)较大幅度地提高氨净值。从单程转化率和综合消 耗指标来看,CF.Bmun工艺由于采用了深冷净化器,合成气质量较好,使得其氨合成系统的操作更加有效,综合指标较为优越
18、。作为主体的国内中小型合成氨一般采用国内技术改造而成。这些国 内技术包括(按氨合成塔内件分)口叫1.内冷一绝热系列合成塔内件工艺 IU,o这种工艺的主要特点为(1)冷管、中心管、触媒筒体三者互不牵联,各自可以自由伸缩。(2)冷管采用以并流为主、逆流为辅的单管折流形 式,床层温度分布接近于最适宜温度分布曲线。(3)床层下部设置一定 高度绝热层,适当提高下层气体的反应温度,对触媒活性利用更有利。(4)气体先进中心管、后进冷管在升温还原时,冷管起到了热管的作用,对 还原反应带来好处,使触媒得到尽可能充分的还原,提高了整塔的催化 活性。2.IDJ系列(分流.三轴一径.绝热.冷激内冷协同式)I。这种工艺
19、 主要特点(1)分流进塔一39C左右未反应气分两路进塔,一路经塔外换 热器管外预热,进入塔热交管间、中心管,达到催化床第一段,另一路 经环隙直接进冷管束,两路在第一、二段间的菱形混合器混合后再往下 3西华大学硕士学位论文反应。(2)进塔外换热器的冷气为低温冷气。(3)水冷后气体直接进冷 交管间,往下在冷交下部分离。(4)放空点在冷交氨分之后,气体已经 过水冷和低温冷气连续冷却,冷凝氨量较多,放空量少,吨氨新鲜气消 耗少。(5)补气补在氨冷后氨分离器液氨中。(6)循环机位于冷交之后,气体直接进塔。3.NC型(多层绝热轴一径向层间换热)。这种工艺特点为(1)多段轴向层和径向层相结合。(2)第一、二
20、段采用结构可靠的轴向 层,第三段采用径向流结构,降低全塔阻力。(3)触媒筐上段采用轴向 层,全塔不用冷管,第一、二段间采用过激移热。4.YD型及冷激式四。这种工艺特点为结构简单,装填催化剂方便,塔阻力小,催化剂装填量 大,分层好,调温方便,氨净值高。5JR型(多段绝热一间接换热)网。这种工艺特点为各段催化剂均作绝热反应,段间用列管式间接换热器时 行冷却。6.22AHC型(两次绝热两段间冷)ll5,o这种工艺特点为采用较 高上绝热层,设置两段冷管层,下绝热层,换热器换热面积在设计中考 虑到可将催化剂零点温度提高到410C左右。7.SCM型(间冷式)口句。该工艺结构简单可靠,触媒筐内无任何焊缝,触
21、媒装卸方便。尽管氨合成工艺技术及工艺流程有许多种类,但均包括氨合成、分 离和再循环、隋性气体排放等基本步骤。用热值来计算,根据25C,0.1MPa 状态下氨合成反应的化学计量式,可以算得吨氨理论能耗为21.3GJo依 据热力学第二定律以“可用能”来计算,吨氨理论能耗为20.2 GJ,由于 热值和可用能两种方式计算结果相差不多,所以吨氨理论能耗可取 20.9GJo目前,国际先进水平合成氨能耗一般在29GJ/t左右,国内中小 型合成氨能耗一般在35GJ/t左右。节能降耗是目前的发展趋势,国内合 成氨能耗与国际先进水平相比,与理论能耗相比都有着很大的节能潜力。有关氨合成塔及氨合成回路的模拟与优化,前
22、人已作过了不少的工 作口7冽。国内外的其它单位或学者一般都致力于合成塔内件的研究、基 于宏观能源(水、电、原料等)的氨合成系统工艺操作参数的优化、催 化剂的研究等。如:华南理工大学化学工程系对氨合成塔内件的优化设 计计算进行的研究,提出对于任何具有上绝热层、冷管层、下绝热层的 合成塔内件,在其它条件不变时可以求出最优的上绝热层、冷管层、下 4西华大学硕士学位论文绝热层高度,以达到氨净值最大,进而达到节能降耗的目的。湖南安淳 节能技术有限公司对mj-99型低能耗氨合成系统开发设计的研究,现实 运行结果体现了产量高、氨净值高、阻力小、新鲜气耗少、回收蒸汽多 的特点。南京化学工业(集团)公司研究院对
23、NC型轴一径向氨合成塔的 开发与应用的研究,在实际运行中也体现了它的优越性,起到了节能降 耗的结果。浙江工业大学对氨合成系统工艺操作参数的优化研究,提出 了对于1.52万吨/年小氮肥厂氨合成工段其最佳操作区域为进塔氨 1.52.2%,惰性气含量2225%,氢氮比2.02.5,压力2024MPa,空速1900023000仁。浙江工业大学催化研究所对Fe-x O基氨合成催化 剂的研究和开发,研制成功A301型低温低压氨合成催化剂【将,并在理论 上突破了国际上沿袭了 80多年的经典定论,对推动氨合成催化剂理论发 展,促进合成氨工业技术进步产生重大影响,是一项开拓性的创造发明,具有重大的理论意义和实用
24、价值。1.4 本文主要研究的内容1.4.1 合成氨产业的输入输出模型本文主要是以合成氨合成工段为研究对象,从物料角度来研究合成 氨的用能,对物料与物料通过各设备产生变化,所需要吸收或放出的热 量建立数学模型,通过在模型中输入不同的操作参数,来研究合成氨操 作参数与合成氨用能之间的关系,什么样的操作参数才能使合成氨达到 最优化的用能状态,以合成塔的热量变化、废热锅炉的热量变化、热交 换器的热量变化、水冷器的热量变化、令交换器(热气)的热量变化、氨冷器的热量变化、冷交换器(冷气)热量变化为指标。1.4.2 案例分析在模型研究的基础上,利用实在调研获得的资料,从物料在合成塔、废热锅炉、热交换器、水冷
25、器、冷交换器(热气)、氨冷器、冷交换器(冷 气)这些设备中状态变化,所引起的热量变化进行了案例分析。讨论了 合成氨各个操作参数对各个设备中的热量影响,通过对比找出最适宜的5西华大学硕士学位论文合成所操作参数。6西华大学硕士学位论文第二章合成氨合成工段的过程研究2.1合成氨合成工段基本情况合成氨工段指的是:合成塔、废锅、热交换器、水冷器、分离器、循环压缩机、氨冷器、冷交换器、回收氨,回收氢,回收弛放气装置。其中最主要的为氨合成塔,包括单层轴向内冷式内件合成塔、冷管改进 型内件合成塔、多层绝热冷激式内件合成塔、多层绝热复合换热式内件 合成塔这几种类型【羽。单层轴向内冷式内件在我国小合成氨厂广泛使用
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