5万m3h合成氨原料气脱碳工艺设计学士学位论文.doc

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1、5万m3/h合成氨原料气脱碳工艺设计引言在合成氨生产过程中，交换气中的二氧化碳含量可高达30%以上，微量的二氧化碳就会致氨合成催化剂中毒而丧失活性，大量的二氧化碳更是白白占据气体的体积，从而增加压缩和其他压力设备的费用。且其能耗约占氨厂总能耗的10%左右，因此脱除二氧化碳工艺的能耗高低，对氨厂总能耗影响很大，国外一些较为先进的合成氨工艺流程，均选用了低能耗脱碳工艺。我国合成氨工艺能耗较高，脱碳工艺技术也显得比较落后。因此，结合具体情况，推广应用低能耗脱除二氧化碳工艺，非常有必要。碳酸丙烯酯（PC）法脱除二氧化碳有一定的适用范围，适合于气体中二氧化碳分压

2、〉0.5MPa，温度较低的条件下，同时对气体净化度要求不高（出口二氧化碳〉1%），只有在此条件下使用碳酸丙烯酯法才是经济的。碳酸丙烯酯法脱碳工艺自60年代开发以来，由于能同时脱除二氧化碳、硫化氢及有机硫化物，加之再生能耗等优点，在国外的天然气、合成气和制氢工业上，已广泛应用。在国内，最先是在小型合成氨装置中用以代替加压水洗，对老合成氨厂水洗工艺进行改造，使脱碳能耗降低。近几年来，在我国年产4万吨小尿素、小纯碱装置的合成氨配套工程中，用碳酸丙烯酯法脱出变换气中二氧化碳，得到了良好的效果：工程投资省、工艺流程简单、运行可靠、溶剂无毒害、浓溶剂对碳钢无腐蚀、

3、再生不耗热、回收的二氧化碳浓度高，回收率可以满足尿素及纯碱生产的需要等优点，因而得到推广。41第1章概述1.1合成氨的相关介绍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NH3英文名：syntheticammonia。世界上的氨除少量从焦炉气中回收副产外，绝大部分是合成的氨。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。除液氨可直接作为肥料外，农业上使用的氮肥，例如尿素、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

4、化学肥料，20%作为其它化工产品的原料[1]。生产合成氨的主要原料有天然气、石脑油、重质油和煤（或焦炭）等。经过近百年的发展，合成氨技术趋于成熟，形成了一大批各有特色的工艺流程，但都是由三个基本部分组成，即原料气制备过程、净化过程以及氨合成过程。(1)原料气制备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)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

5、程。（3)氨合成将纯净的氢、氮混合气压缩到高压，在催化剂的作用下合成氨。氨的合成是提供液氨产品的工序，是整个合成氨生产过程的核心部分。氨合成反应在较高压力和催化剂存在的条件下进行，由于反应后气体中氨含量不高，一般只有10%～20%，故采用未反应氢氮气循环的流程。氨合成反应式如下：N2+3H2→2NH3(g)=-92.4kJ/mol合成氨的催化机理在热力学计算表明下41，低温、高压对合成氨反应是有利的，但无催化剂时，反应的活化能很高，反应几乎不发生。当采用铁催化剂时，由于改变了反应历程，降低了反应的活化能，使反应以显著的速率进行。目前认为，合成氨反应的一

6、种可能机理，首先是氮分子在铁催化剂表面上进行化学吸附，使氮原子间的化学键减弱。接着是化学吸附的氢原子不断地跟表面上的氮分子作用，在催化剂表面上逐步生成—NH、—NH2和NH3，最后氨分子在表面上脱吸而生成气态的氨[2]。在无催化剂时，氨的合成反应的活化能很高，大约335kJ/mol。加入铁催化剂后，反应以生成氮化物和氮氢化物两个阶段进行。第一阶段的反应活化能为126kJ/mol～167kJ/mol，第二阶段的反应活化能为13kJ/mol。由于反应途径的改变（生成不稳定的中间化合物），降低了反应的活化能，因而反应速率加快了[2]。1.2脱碳的相关方法合成

7、氨中脱除二氧化碳的方法很多，目前在工业上应用广泛，技术先进，投资省，能耗低的方法主要有：物理吸收法，化学吸收法，物理化学吸收法。①物理吸收法最早采用加压水脱除二氧化碳，经过减压将水再生。此法设备简单，但脱除二氧化碳净化度差，出口二氧化碳一般在2％(体积)以下，动力消耗也高。近20年来开发有甲醇洗涤法、碳酸丙烯酯法、聚乙二醇二甲醚法等，与加压水脱碳法相比，它们具有净化度高、能耗低、回收二氧化碳纯度高等优点，而且还可选择性地脱除硫化氢，是工业上广泛采用的脱碳方法。②化学吸收法具有吸收效果好、再生容易，同时还能脱硫化氢等优点。主要方法有乙醇胺法和催化热钾碱法

8、。后者脱碳反应式为：为提高二氧化碳的吸收和再生速度，可在碳酸钾溶液中添加某些无机或有机物作活化