毕业设计（论文）合成氨工业的主要工艺分析及安防设计.doc

目 录摘要： 3ABSTRACT 41．概述 51.1合成氨的工艺流程 71.1.1原料气制备 71.1.2净化 81.1.3氨合成 92.氮氢比控制 122.1控制方法 122.1.1先进控制 122.1.2优化控制 132.2氮氢比控制方案设计 132.2.1基于先进控制算法的氮氢比控制 132.2.2基于先进控制软件包的氮氢比控制 142.2.3基于优化常规过程控制（PID）的氮氢比控制 142.3氢氮比控制方案比较 152.4推荐合成氨装置氢氮比优化控制设计方案 163．温度 173.1反应速度 173.2对温度的控制 173.3多段冷激式氨合成塔温度先进控制 184.压强 205.催化剂 215.1催化剂在还原前的化学组成及其作用 215.2催化剂的还原与钝化 215.2.1催化剂的预还原 215.2.2催化剂的还原与钝化 215.3催化剂中毒与衰老 226．合成氨的危险分析 236.1环境风险识别 236.1.1化学品风险识别 236.1.2生产工艺和设施风险识别 236.1.3重大危险源识别 246.2风险防范措施及应急预案 246.2.1降低事故发生概率 246.2.2减小事故污染排放量 247．合成氨工艺中的设备改进方案 267.1改造变换炉 267.2改进合成塔内件 267.3改进铜塔内部结构 267.4改造铜液再生器 277.5改造洗气塔 277.6增设降温清洗三用塔 288．合成氨装置腐蚀与防护 298.1碳钢-液氨体系 298.2奥氏体不锈钢-氯离子体系 308.3氢腐蚀 318.４二氧化碳腐蚀 329、结论 339.1 安全管理 339.2 合成氨技术的未来发展趋势 34参考文献 37谢辞 38综述 39摘要：氨是重要的无机化工原料，也是化肥工业和有机化工的主要原料，在国民经济中占有重要地位。

合成氨工业的工艺复杂，合成过程中会产生多种氮氢化物怎样控制氮氢之比，使生成的氨气最大化，是合成氨的工艺分析的主要任务其中合理的使用催化剂和控制温度也是使氨气最大化的主要措施另外，在合成过程中会产生多种有害物质，怎样控制有害物质，使有害物质尽可能的转化为无害物质也是合成氨的主要任务之一关键词:合成氨 ；氮氢比 ；优化控制 ； 安全防护ABSTRACTAmmonia is an important inorganic chemical raw materials, chemical industry and organic chemical is the main raw material, plays an important role in the national economy. Complex industrial process ammonia synthesis process will produce a variety of nitrogen hydride. How to control the ratio of hydrogen and nitrogen to ammonia generated to maximize the process of synthetic ammonia is the main task. Rational use of them and control the temperature of the catalyst is the main measures to maximize ammonia. In addition, in the synthesis process will produce a variety of hazardous substances, how to control hazardous substances, so that harmful substances into harmless substances as possible is one of the main tasks of synthetic ammonia.KEY WORDSAmmonia；Ratio of hydrogen and nitrogen；Optimal control；Safety合成氨工业的主要工艺分析及安防设计1．概述氨是重要的无机化工产品之一，在国民经济中占有重要地位。

农业上使用的氮肥，除氨水外，诸如尿素、硝酸铵、磷酸铵、氯化铵以及各种含氮复合肥都是以氨为原料生产的合成氨是大宗化工产品之一，世界每年合成氨产量已达到1亿吨以上，其中约有80%的氨用来生产化学肥料，20%作为其它化工产品的原料从氨可加工成硝酸，现代化学工业中，常将硝酸生产归属于合成氨工业范畴合成氨工业在20世纪初期形成，开始用氨作火炸药工业的原料，为战争服务;第一次世界大战结束后,转向为农业、工业服务随着科学技术的发展，对氨的需要量日益增长50年代后氨的原料构成发生重大变化，近30年来合成氨工业发展很快 我国合成氨工业的发展情况，解放前我国只有两家规模不大的合成氨厂，解放后合成氨工业有了迅速发展1949年全国氮肥产量仅0.6万吨，而1982年达到1021.9万吨，成为世界上产量最高的国家之一近几年来，我国引进了一批年产30万吨氮肥的大型化肥厂设备我国自行设计和建造的上海吴泾化工厂也是年产30万吨氮肥的大型化肥厂这些化肥厂以天然气、石油、炼油气等为原料，生产中能量损耗低、产量高，技术和设备都很先进 世界合成氨工业概况 　①生产能力和产量合成氨是化学工业中产量很大的化工产品1982年，世界合成氨的生产能力为125Mt氨,但因原料供应、市场需求的变化，合成氨的产量远比生产能力要低。

近年，合成氨产量以苏联、中国、美国、印度等十国最高，占世界总产量的一半以上(表1)②消费和用途合成氨主要消费部门为化肥工业，用于其他领域的（主要是高分子化工、火炸药工业等）非化肥用氨，统称为工业用氨目前,合成氨年总消费量(以N计)约为78.2Mt，其中工业用氨量约为10Mt，约占总氨消费量的12％合成氨主要原料有天然气、石脑油、重质油和煤等1981年，世界以天然气制氨的比例约占71％,苏联为92.2％、美国为96％、荷兰为100％；中国仍以煤、焦炭为主要原料制氨,天然气制氨仅占20%70年代原油涨价后，一些采用石脑油为原料的合成氨老厂改用天然气，新建厂绝大部分采用天然气作原料④生产方法生产合成氨的方法主要区别在原料气的制造，其中最广泛采用的为蒸汽转化法和部分氧化法表1 世界合成氨主要生产国产量（kt）国家1981年1982年国家1981年1982年苏联中国美国印度加拿大法国178901483317300357026502710177601546314060399025002300英国日本荷兰联 邦德 国世 界合 计21602230220023901100702090201020001900107950据国际肥料工业协会（IFA）在第77届年会上发布的“全球肥料和原材料供需展望”报告估计，全球合成氨产能将由2008年的1.809亿t增长至2.178亿t。

2008年全球合成氨产量为1.528亿，比2007年减少了1％中国、澳大利亚、欧洲、俄罗斯和多巴哥、印度、沙特等国均由于市场需求疲软而减少，伊朗、加拿大、印度尼西亚、墨西哥等需求继续增加2008年全球合成氨产能比 2007年增加500万t，主要来自中国、非洲、西亚等地区2009年到2013年全球将有55套大型合成氨装置投产，新增装置将使全球合成氨产能增加2400万t，其中有1300万t来自合成氨设备的升级改造，其余来自55套新建装置原料结构方面，新增的2400万t合成氨中将有73％以天燃气为原料，27％以煤炭为原料，剩余为石脑油或者炼油副产品该调查数据已经排除了一些不能投产或受各种因素影响延缓的产能产能增长主要来自东亚（1350万t）、西亚（750万t）、非洲（450万t）、而欧洲和大洋洲将保持平稳据悉，全球新建合成氨装置中有三分之一来自中国，其余来自阿尔及利亚、特立尼亚、委内瑞拉、沙特、巴基斯坦印度等国家所以分析合成氨的工艺过程与安全防护是一件非常严峻的课题合成氨指由氮和氢在高温高压和催化剂存在下直接合成的氨别名氨气，分子式为NH3，英文名：synthetic ammonia世界上的氨除少量从焦炉气中回收外，绝大部分是合成的氨。

[1]1.1合成氨的工艺流程1.1.1原料气制备 合成氨主要用于制造氮肥和复合肥料氨作为工业原料和氨化饲料，用量约占世界产量的12％硝酸、各种含氮的无机盐及有机中间体、磺胺药、聚氨酯、聚酰胺纤维和丁腈橡胶等都需直接以氨为原料生产液氨常用作制冷剂将煤和天然气等原料制成含氢和氮的粗原料气对于固体原料煤和焦炭，通常采用气化的方法制取合成气；渣油可采用非催化部分氧化的方法获得合成气；对气态烃类和石脑油，工业中利用二段蒸汽转化法制取合成气[2]1.1.2净化 对粗原料气进行净化处理，除去氢气和氮气以外的杂质，主要包括变换过程、脱硫脱碳过程以及气体精制过程　① 一氧化碳变换过程　在合成氨生产中，各种方法制取的原料气都含有CO，其体积分数一般为12%~40%合成氨需要的两种组分是H2和N2，因此需要除去合成气中的CO变换反应如下：　　CO+H2O→H2+CO2 ΔH =-41.2kJ/mol 　由于CO变换过程是强放热过程，必须分段进行以利于回收反应热，并控制变换段出口残余CO含量第一步是高温变换，使大部分CO转变为CO2和H2；第二步是低温变换，将CO含量降至0.3%左右因此，CO变换反应既是原料气制造的继续，又是净化的过程，为后续脱碳过程创造条件。

[3]　② 脱硫脱碳过程　各种原料制取的粗原料气，都含有一些硫和碳的氧化物，为了防止合成氨生产过程催化剂的中毒，必须在氨合成工序前加以脱除，以天然气为原料的蒸汽转化法，第一道工序是脱硫，用以保护转化催化剂，以重油和煤为原料的部分氧化法，根据一氧化碳变换是否采用耐硫的催化剂而确定脱硫的位置工业脱硫方法种类很多，通常是采用物理或化学吸收的方法，常用的有低温甲醇洗法(Rectisol)、聚乙二醇二甲醚法(Selexol)等　粗原料气经CO变换以后，变换气中除H2外，还有CO2、CO和CH4等组分，其中以CO2含量最多CO2既是氨合成催化剂的毒物，又是制造尿素、碳酸氢铵等氮肥的重要原料因此变换气中CO2的脱除必须兼顾这两方面的要求　一般采用溶液吸收法脱除CO2根据吸收剂性能的不同，可分为两大类一类是物理吸收法，如低温甲醇洗法(Rectisol)，聚乙二醇二甲醚法(Selexol)，碳酸丙烯酯法一类是化学吸收法，如热钾碱法，低热耗本菲尔法，活化MDEA法，MEA法等 　③ 气体精制过程　经CO变换和CO2脱除后的原料气中尚含有少量残余的CO和CO2为了防止对氨合成催化剂的毒害，规定CO和CO2总含量不得大于10cm。