合成工序操作1.docx

1、合成工序操作1第2章 流 程 叙 述2.1 氨合成反应氨合成反应在合成塔R04501中按如下方程式进行：3H2 + N2 2NH3 + Q这是可逆反应，当气体通过催化剂层时只有部分氢和氮被转化成氨。高压和低温有利于提高氨的平衡浓度。由于反应速度随着反应温度的升高而大大提高，反应温度的取值应该在考虑理论平衡转化率和反应接近平衡的程度两因素基础上做出适当的选择。未转化的合成气经过液氨产品分离后又回循环到合成塔。2.2 压缩原料与来自造气工序的新鲜气在“离心式双壳合成气/循环压缩机”K04401中被压缩至合成压力。最后一段起到循环机的作用，即压缩循环气和新鲜原料气的混合气。预计压缩机组K04401要

2、被采用高压过热蒸汽的透平机来驱动。2.3 合成回路请参见PFD图HTAS No.1291183和1291184。离开K04401的气体进入热交换器E04503，在此气体被离开合成塔、流经高压锅炉给水预热器E04501的气体加热至合成塔入口温度。合成塔的正常入口温度和压力分别是167和16.9MPa表压。在合成塔R04501中，合成气发生反应，使氨的浓度达到22.01 mol%.。气体以447离开合成塔。预计合成塔压降大约为0.25MPa。离开合成塔的气体被逐步冷却，其中相当大一部分热量是在高压锅炉给水预热器中回收的。被预热了的锅炉给水被送往界区外的锅炉系统。经过锅炉给水预热器后，气体首先在热交

3、换器E04503中被冷却，如上所述；然后在水冷器E04504中被冷却，温度降至36。在此，其中相当大一部分氨已被冷凝下来。然后，这股气体通过冷交换器E04505，被来自氨分离器D04501的循环气冷却。最后，这股气体在氨冷器E04506和E04507中被冷却，进入氨分离器D04501，在此其中于大约0下将液氨分离出来。来自D04501中的液氨进入缓冲槽D04502，压力由16.2MPa表压降至2.9MPa表压，释放出的气体被分离出来，送回合成气压缩机K04401的吸入口，以回收气体含有的氢。随新鲜合成气进入回路的少量惰性气体将会在回路中累积，直至其在D04502出口液氨中的溶解量等于进入回路的

4、量。根据需要，可通过排放回路中的少量气体来减小回路气体中惰性成份的含量。最后，如果液氨产品要以暖氨送出，就把液氨由D04502送至氨产品加热器E04603。离开E04603的氨产品温度为20,压力为1.6MPa。另一种选择是，氨产品被送至常压氨贮罐。为此，要先将液氨由D04502送到闪蒸槽D04601中，在此，通过闪蒸氨产品温度降到33，然后用氨产品泵P04601A/B送到常压氨储罐。由于氨压缩机设计方面的原因（出口压力有限？），对于要最大量输送暖氨的情况，能够输送至常压储罐的氨产品量会小于装置的能力。实际的量取决于冷却水的温度。2.4 S-300氨合成塔R04501参见下面附图氨合成塔R04

5、501是一个系列300托普索径向流合成塔。它主要由受压壳和催化剂筐组成。催化剂筐由三个催化剂床层和两个床层内换热器组成，两个换热器分别位于第一和第二催化剂的中心区域。合成气的主要部分从合成塔底部的入口进入，向上经过催化剂筐和受压壳之间的环隙，使受压壳保持冷却。然后这股主气体流经过换热器内的传输管到达一段催化剂床层内换热器底部的管板。主气体在换热管内向上流动，将离开第一段催化剂层的气体冷却至第二催化剂层的入口温度。另一部分合成气从合成塔底部的中心入口进入，向上流动，经过传输管，到达第二层催化剂层内换热器底部的管板。该气流在换热管内向上流动，将离开第二催化剂层的气体冷却至第三催化剂层的入口温度。其

6、余部分的合成气低温旁路气（冷激气），由合成塔的顶部引入，在传输管的顶部与离开两个催化剂层内换热器管程的气体汇合。低温旁路气的流量控制着第一段催化剂层入口温度。汇合以后，气体流过催化剂下部的空间，到达第一催化剂层周围的环隙。气体流过栅格，以向内的方向穿过催化剂层，到达第一催化剂层与层内换热器之间的环隙。栅格上开孔合适能够保证气体流过催化剂层时的均匀分布。离开第一催化剂层的气体流过层内换热器的壳程，被冷却至适宜的第二催化剂层入口温度。如上所述，该气体冷却过程是通过与流经第一催化剂层内换热器管程的主气体换热而实现的。经由第二层催化剂周围的栅格，气体从第一催化剂内换热器的壳程流至第二催化剂层。离开该层

7、催化剂的气体流过该层内换热器的壳程，被冷却至适当的温度，再进入第三层催化剂。这一冷却过程是与来自合成塔底部、流经第二层内换热器管程的冷气进行换热来完成的，如上所述。气体通过第二和第三层催化剂层的流向是由外向内，催化剂周围合适的栅格能够保证气体通过通过是良好的分布。第三催化剂层入口温度由热交换器E04503的旁路控制，即调整合成塔入口气体温度。离开第三催化剂层的气体通过开孔的中心管流至合成塔出口。开工期间，来自开工加热炉F04501的高温气通过合成塔顶部的冷激管进入塔内。2.5 催化剂合成氨催化剂KM1/KM1R是一种改进铁催化剂，含有少量非还原态的氧化物。催化剂颗粒直径1.53mm. 颗粒很小

8、，保证了催化活化很高。小的催化剂颗粒活性表面大，传递阻力小，因而活性很高。另外，催化剂床层内气体是径向流动的，采用这一设计就可以使用小颗粒的催化剂，而不会产生无法接受的床层压降。预先还原的KM1R催化剂在制造阶段通过表面氧化进行钝化。这些部分氧化的催化剂含有大约2%的氧。经钝化，KM1R催化剂在90100也不会发生燃烧，但是超过100催化剂就会与氧反应，发生自燃。用氢气将催化剂的氧化铁表面层还原为自由铁，同时生成一定量的水，这就是催化剂的活化。还有采用循环合成气。开工通过使用加热炉F04501来达到所需的催化剂还原温度。使用氢氮比为3：1的合成气作为KM1/KM1R的还原介质有两点好处：一是氨

9、生成得较早。反应生成的热允许较大的合成气循环速度，这能加快剩余催化剂的还原速度。第二是还原生成的水可被循环气带走，水溶解于液氨，随氨分离器中的液氨一同离开合成回路。这一点很重要，因为水是催化剂的毒物。在正常操作中催化剂的活性会逐渐降低。失活的速度受实际操作条件的影响，主要是催化剂床层的温度和合成塔入口处合成气中催化剂毒物的含量。所有的含氧化合物，如水、一氧化碳和二氧化碳，对催化剂都有毒，很少量的这些毒物就能使之氧化，造成催化剂的活性大大降低。有一些失活效应是暂时，合成气中一旦不含氧，催化剂能够重新恢复其活性。但因为也会发生一些永久性的失活，所以要避免合成塔入口处含氧化合物浓度高，即使是持续时间

10、很短。硫、氯和磷的化合物也对毒性很强的物质，会造成催化剂的永久失活。2.6 氢/氮比在合成反应中，三体积的氢与一体积的氮反应，生成两体积的氨。氢和氮会少量地溶解于氨产品中。但相对于合成反应消耗的氢和氮，溶解量是很少的。结果是，根据合成反应图解，新鲜合成气中氢/氮比的微小偏移会造成循环合成气中氢/氮比的明显变化。加入回收氢后的新鲜合成气氢/氮比应该接近于3.0。回路中的氢/氮比应尽可能保持恒定。该氢/氮比受新鲜合成气中氢/氮比的控制，后者必须调整至满足循环气氢/氮比的要求。请注意，当新鲜合成气进行微小的调整时，合成气的组成中只发生微小的变化，所以在采取下一步调整步骤以前，要给系统足够的时间来建立

11、新的平衡。2.7 冷冻回路冷冻回路任务是完成各种制冷任务，包括：将合成回路中生成的氨冷凝；冷凝（并回收）尾气中的氨；将送往氨库的液氨冷却；为低温甲醇洗提供冷量；为空分提供冷量；将氨库中挥发的汽氨冷凝。冷冻回路中包括如下主要设备：氨压缩机K04601氨冷凝器E04601A/B氨收集器D04602氨冷器E04506、E04507和E04602和界区外的一些氨冷器。氨压缩机入口处的分离鼓，防止液氨进入压缩机。闪蒸槽D04601，它接收送往氨库的产品氨的闪蒸汽，回路中多余的氨也回到此处。氨的蒸汽由氨压缩机K04601压缩至1.6MPa表压。压缩气在氨冷凝器E04601A/B中冷凝，液氨在D04602中

12、收集。氨收集器D04602的设计容积使其足以作为冷冻回路中的一个排放鼓使用。在装置的高负荷下，其中的液位会降低，借此收集器的液位也允许高一些。在冷冻回路中累积的惰性气体从氨收集器D04602排放。惰性气被送往惰气体冷却器E04602，冷凝下来的液氨回收至惰性气体冷凝器D04603。惰性气体在尾气加热器E04604（D04602中的盘管）中预热，然后以尾气送出界区。第三章 单元描述3.1总体说明下面分工序描述了主要过程参数的控制方法和主要控制原理。这些描述绝非详尽和没有遗漏，只是作为初次研究PID图的一种辅助手段。关于透平、压缩机、泵和一些特殊设备，请带着问题参看供货商所提供的操作手册。3.2氨

13、合成工序参见PID图P01P06。氨合成是在一个回路中进行的，气体通过合成塔R04501时，其中33%（摩尔）的氢和氮转化成了氨（单程），未转化的氢和氮与产品氨分离后循环使用。3.2.1 总的回路控制来自气体净化工序的合成气在离心式合成气压缩机K04401中被压缩至合成压力。该压缩机的最后一段作为循环机，要压缩新鲜气和循环气的混合气。预计合成塔将要在大约16.92MPa表压下操作。操作中不直接控制操作压力。操作压力的具体值依赖于其它操作条件，主要有产率、气体循环量、惰性气体含量、合成塔入口处氨的浓度、氢/氮比以及催化剂活性。回路压力应该：随着新鲜气体量的增加而增加；随着循环气量的减小而增加；随

14、着惰性组成含量的增加而增加；随着合成塔入口处氨含量的增加而增加；随着氢/氮比偏离3：1而增加。另外，回路压力应随着催化剂年龄的增加（活性降低）而增加。合成反应速度随着压力的增加而增加，并且其它操作条件一定时，对应于新鲜合成气进入回路的量，产量将会自我调整。离开合成氨回路的氨产品流量由LIC04531控制，它保持氨分离器D04501的液位稳定。D04501中的液位过高会使氨合成系统的联锁IS501动作，其液位过低将会使氨分离器的联锁IS503动作，关闭LV04531A/B和USV04531。氨产品中溶解有少量的氮和氢，这部分氢和氮随着氨产品离开了合成回路。由于氮的溶解度比氢高一些，因此有必要保持

15、新鲜合成气中的氢/氮比略低于3，以使回路中的氢/氮比等于3。合成气中的惰性气体成分，如氩、氦和氖，会在合成回路中累积，直至它们的分压增至其在液氨产品溶解的量等于随新鲜合成气进入回路的量。当新鲜合成气中含有过多惰性组分时，就需要从排放槽D04502中释放出一部分驰放气至火炬，以此来排出一部分惰性气体。这是按如下方法进行的：手动打开PV04552B（从D04502排出一部分惰性气体），再（并）通过冷交换器下游的放空阀HIC04512放出少量的气体（从D04501排出一部分惰性气体？）。3.2.2 氨合成塔参见PID图P0103进入合成回路的新鲜合成气流量由FI04401显示，它位于压缩机K0440

16、1的新鲜气入口。氨合成塔R04501合成气入口温度由TIC04547控制，它控制反应后合成气流过锅炉给水预热器的旁路。一段床层入口温度由TIC04501通过控制冷激气量来控制。由TI04505和TI04511显示的二段床入口温度由HIC04501 调节合成塔主入口通向一段床层间换热器的气流来控制。由TI04508和TI04514显示的三段床层入口温度由HIC04501和HIC04502联合控制。HIC04502控制流入二段床层间换热器的气体流量。由TI04508和TI04514显示的三段床层入口温度由HIC04501和HIC04502联合控制。HIC04502控制流入二段床层间换热器的气体流量

17、。在开工阶段，来自开工加热炉F04501的高温气体通过冷激线进入氨合成塔。在此过程中，经主入口和淬火线进入合成塔的气流可通过由HIC04501和HIC04502控制的手操阀来减小流量。通过开工加热炉的压降由PDI04506显示。当流过开工加热炉的流量较低时，其压降会降低。过低的压降会使IS04502的动作，使加热炉停工。在合成塔的合成气出、入口管线上安装有氨和氢的在线分析仪。3.2.3 氨产品参见PID图P06P08在排放槽D04502中执行的第一次降压，其压力值由PIC04552控制，它控制排放气流入合成气压缩机气量或在D04502处于高压时放火炬的气量。D04502的液位由LIC04551

18、采用分程控制的方式控制流经氨产品加热器E04603暖氨量和流向闪蒸槽D04601的冷氨的量来实现。D04502 的液位过低将使联锁I04505动作，关闭LV04551以切断暖氨流动和冷氨至D04601的流动。暖氨产品的温度由TIC04601控制，它控制产品氨流向氨产品加热器E04603的旁路。发生于闪蒸槽D04601中的第二次降压，其压力值控制由PIC04611及氨压缩机K04601实现。送往氨库的冷氨产品温度间接地由D04601的压力控制。D04601液位由LIC04611完成，它控制流向氨库的冷氨产品的量。D04601中的液位过低会使联锁I04603动作，如此将停氨产品泵P04601A/B

19、，并关闭氨的输出阀LV046113.2.4 氨冷冻回路氨冷冻回路总的制冷量由PIC04533串级控制，保持第二级氨冷器中压力的恒定。PIC04533提供了一个远程设定值来调节作为氨压缩机K04601驱动者的蒸汽透平。氨压缩机一段吸入口压力由PIC04646控制。PIC04646向K04601送出信号，调节压缩机一段的旁路（防喘振）或透平调速器。每一个氨冷器都配备有液氨液位控制,以液氨进料量的多少控制液位。对每个氨冷器，都可以通过降低液氨的液位低于上部的U形管来减小其负荷。氨的蒸汽在K04601中被压缩，在氨冷凝器E04601A/B中冷凝，在D04602中收集液氨。为了保持氨冷冻回路中氨的量恒定

20、不变，由FIC04612控制的一股氨流股由第二级氨冷器E04507经由第三级氨冷器E04508流向D04601. FIC04612是LIC04621的从动控制器，LIC04621以串级控制的方式控制氨收集器D04602的液位。为防止惰性气体在氨冷冻回路中的积累，一小股气流连续地从惰性气体分离器D04603中放出，流过换热器E04604后作为尾气排放。这股排放气由PIC04631控制，保持惰性气体分离器中恒定的压力。其最优的压力设定值取决于冷却水的温工，后者在一年乃至一天中都是波动的。自氨收集器D04602的流向惰性气体氨冷器E04602的气流由FIC04631控制。如果该物流流量不严格控制，E

21、04602可能会被大量液氨充满。FIC04631的最优设定值随系统的不同而不同，必须根据经验确定。该最优值范围相当宽，预计是流向界区的尾气流量的5至10倍。（这段没有看懂呀！，将惰性气体中的氨降温，以使其中的氨冷凝，在D04603中回收氨。）流向惰性气体氨冷器E04602的液氨由LIC04631控制。离开E04502的所有汽氨进入K04601的一段。3.2.5 锅炉给水预热锅炉给水预热由位于合成塔下游的锅炉给水预热器E04501A/B完成。锅炉给水的高压由界区外的高压泵提供，其流量受控于界区外，由对应汽包的水需求量决定。E04501的进、出口温度由TI04539和TI04541测定，后者被设置

22、了高报警。流量由FI04506测定，并设置低报警。当锅炉给水流量很低或没有流量时，氨合成联锁IS04501动作，其实它是由TSAH-04538激活的。TSAH-04538测量合成气出口温度，当该温度接近设计温度时，就激活IS04501。第4章 开工准备工作4.1 总体程序装置建成后，应进行如下准备工作，这些准备工作要遵守供货商提供的操作指南。4.1.1用电设备检查4.1.2管线及设备布置情况检查根据相关技术资料，如PID图、管路布置图，规划图等，检查并确认所有管线、设备、阀门、仪表安装正确。4.1.3试压要依据设计规范和相关的地方规定，用水对所有带压管线和设备进行试压。试压工作要在安装“隔离”

23、和装填催化剂以前，且将要移除或隔断安全阀、控制阀和孔板之时。4.1.4清扫设备和管线工艺管线用蒸汽、空气或水吹扫用仪表风吹扫仪表管线。吹扫时，要移除或隔断控制阀、安全阀、仪表、泵和压缩机。过滤器的内部构件也要移走。管线吹扫完后才能安装孔板和流量计。吹扫完毕，撤除所有的临时连接和盲板，恢复正常的连接。最后，要检查反应器和分离器的内部，所有可能堵塞排放口的异物和容器杂物都必须清除。检查并确信没有水残留于管道和设备中。注意，催化剂对氯和硫非常敏感，清洗时不能使用与之相关的溶剂。4.1.5清扫锅炉给水系统4.1.6仪表检查在开车之前和开车期间，按照供货商提供的说明书，调试所有的仪表和分析仪器。所有报警

24、和联锁系统的设定值都要进行调整，并核查联锁系统的功能。4.1.6.1测试前准备工作4.1.6.2测试工作4.1.7阀门的检查要检查所有的阀门，确认其安装正确，能灵活转动。将所有阀门关闭。在安装安全阀以前，在工厂的水力学实验台上核查其设定压力。4.1.8分析室的检查开工前，必须确认分析室已经准备好：所有的设备、化学药品和分析手册齐备，且配备了数量足够、经验丰富的分析人员。4.1.9转动设备的检查所有的转动设备都要按照供货说明书的规定进行核查，尤其要涵盖如下向个方面： - 轴对准 - 转动方向 - 管线和机壳的共轴 - 润滑和冷却系统 - 备用设备的试运转 - 电缆的正确连接 - 振动测试4.1.

25、10 试漏和吹扫4.10.1试漏清扫之后，且当所有的法兰、阀法和孔板已安装完毕时，用空气或氮气将装置中的各种设备升压。所有的连接点都要用肥皂水试漏。4.10.2吹扫试漏完成后，要用氮气对设备进行吹扫，以减小设备中氧的含量。为了避免氧与合成气形成爆炸混合物，氮吹扫后氧含量应小于2%。氮气吹扫时，可以连续通入气流，但为了避免在设备内形成气囊，最好对设备进行数次增压和降压操作。为了确保设备的各个局部、仪表、旁路、放空口和排放口都能被吹扫到，在降压过程中打开相关阀门24分钟。重复这样的过程两到三次，直到氧含量下降至低于2%。一旦某一部分吹扫完毕，将其隔离，并且保持其微下压，直到装置开工。 为了减小氮气

26、消耗量，在设备用氮气升压前，可以用蒸气喷射泵将氧从体系内抽出。氮吹扫完毕、装置马上就要开工时，再次检查装置的各个局部，如果发现氧含量超过规定时，就再行吹扫。4.2催化剂的装填关于合成塔催化剂的装填，需要查看如下技术资料：使用Showerheads在托普索径向流动合成塔中装填合成氨催化剂KM1/KM1R的操作手册在进行催化剂装填和内部检查之前，必须根据如下手册的描述进行一些准备工作：Haldor托普索A/S-300氨合成塔催化剂筐总体安装手册为了确保合成塔运行良好，催化剂的装填和开工工作应该在有效的监督下谨慎地进行。要尽可能严格地遵守工作规程。任何替代性的建议都必须同Haldor进行讨论。催化剂

27、的装填要尽可能地均匀和致密。催化剂装填越紧密，其生产能力就增大，使用寿命也越长，且操作中皱缩的可能性越小。4.3气密性试验当合成回路和合成气压缩用氮气吹扫完毕，就可以将合成气引入合成回路，以检验系统的气密性。按照如下步骤，分别在正常操作压力的25%、50%和100%三种压力下检验系统气密性。 确认合成气已按照设计要求进行了净化，并且满足规定：氢/氮比3.0、CO+CO2含量小于10ppm 利用合成气压缩机缓慢引入合成气，以此来将回路中的氮置换掉。 当回路中氮气已被合成气置换完毕，将系统压力将升至正常操作值的25% 将合成回路与压缩机隔离。 检查并确认合成回路压力能够保持不变至少半小时至1小时。

28、如果回路压力每小时降幅超过1MPa，则说明系统有明显的泄漏。 系统保压时，检查所有的连接点有否有漏。如果发现有泄漏之处，降低压力直到该处不再泄漏，然后上紧该处或设法补漏，再行升压。 当在25%正常操作压力下不再有泄漏时，缓慢将系统压力升至正常操作压力的50%，再行检查漏点。 最后，在正常操作压力下检验系统的气密性。当上述气密性检查结果令人满意，就准备用合成气吹扫回路，吹除装填催化剂时带入的粉尘。4.4合成回路的吹尘在向合成塔内装填催化剂的过程中，要带入少量的灰尘。在开车前，要按下文的描述，用冷的合成气吹扫回路以移除灰尘。该项工作在试漏结束之后接着进行。将合成回路与排放系统隔离。假定合成气压缩机

29、正在接近于正常操作压力的排气压力下运行，并且循环系统排气管线上的隔离阀关闭。置回路中有关阀门阀位如下： (1) 合成塔入口管线阀门（HV04501/04502） 开 (2) 冷激气阀（TV04501） 开 (3) BFW预热器旁路（TV04547） 开 (4) 开工加热炉入口阀 开 (5) 热交换器旁路阀（HV04511） 开检查并确认压缩机K04401已正确地安装了滤网。打开循环机排气隔离阀，然后缓慢关闭循环机旁路阀，在回路中建立气体循环。当循环已经建立且压力稳定时，关闭上述阀（2）（5）在此压力下维持回路中气体循环大约4小时。在此过程中，逐个打开回路中的放空阀，排出粉尘。打开某一个放空阀而

30、没有粉尘出现时，说明回路中粉尘已全部吹除。此时，检查一下压缩机K04401的过滤网，如果有必要，清理一下。当合成回路在操作压力的气密性实验和吹尘工作结束，就意味着合成系统已经为开车做好了准备。如果短时间内不开工，就要不断地对系统进行氮吹扫，保持回路中氮微正压。4.5冷冻部分冷冻部分要用空气吹扫，进行气密性实验，并进行氮吹扫，再用液氨填充。如此，当氨压缩机试运行后，本部分也就为开车做好了准备。4.6开工加热炉F04501的干燥当进行耐火衬里的干燥时，所采用的步骤不得与耐火砖、水泥的制造、供货商的建议有冲突。特别是，温度随时间的变化、每小时的升/降温数值、温度水平及持续时间（如果想要在一段时间内将

31、温度维持在某一值）、在各衬里部位控制温度的方法等，都应该同有关的制造和供货商进行讨论。干燥过程属本系统第一次被加热，所以，一定要仔细观察系统变凉时产生的一些痕迹，以了解设备和管线的热膨胀情况。确保所有部位都能自由移动，从而避免过度的热应力。一定要避免加热时温度超过设计值。耐火砖干燥完后可以停火，按照加热炉供货商的规定降温，使系统冷却以来，以便于检查。如果检查结果显示需要对衬里进行修补，修补工作必须在供货商的指导下进行。第5章 装置开工5.1总体说明本章按逻辑顺序描述开车步骤本章主要由三部分组成： 开车顺序概述 正常开车详述 初次开车所需的特殊步骤在采取开车行动之前要确认“安全联锁系统”功能正常开车过程中，定期检查耐火材料设备表面温度以及关键设备和管线的热膨胀情况（阀门、耐火材料、燃烧器、锅炉和转动设备的）供应商所提出的建议都应该在开车过程中预以贯彻。5.2 开车顺序总览下面列出了氨合成回路开车的主要步骤，括号中给出了详细步骤所在的章节。这些步骤不一定是按逻辑顺序给出的。还要注意开车过程需执行的特殊步骤的相关信息1 确认整个工厂已经为开车做好了准备（详见5.3.1）2 引入锅炉给水（参见5.3.2）3 吹扫冷冻单元。从氨库引入氨，并起动氨压缩机K04601。在氨收集器（D