合成氨工艺总流程与压缩机.docx

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合成氨工艺总流程与压缩机

合成氨工艺总流程

本装置以中原油田天然气为原料，采用传统流程的一二段烃类水蒸气转化，高低变，脱碳及甲烷化法。

1、原料气压缩和脱硫

来自界区，压力2.25巴（绝）、温度30℃，含总硫50p.p.m的天然气，经分离器（01-F001）分离掉所带油水后，进入原料气压缩机（01-K001）,经四段压缩至52.5巴（绝）、温度114℃。

出原料气压缩机的气体与来自合成压缩机（07-K001）的少量合成气相汇合，控制含2-5%H2，作为予脱硫钴-钼加氢转化用。

一二段烃类水蒸汽转化是在镍催化剂上进行，硫及其化合物对镍催化剂毒害极大，要求进入转化的原料气中含硫量在0.1p.p.m以下，因此转化前必须脱硫。

经压缩和返氢后的原料气，入对流段盘管（03-B002E04）加热至370℃，于钴-钼加氢反应器（01-R001）中反应，将有机硫转化为无机硫。

然后在氧化锌脱硫槽（01-R002A/B）里硫被脱除，控制含硫小于0.1p.p.m。

2、转化

经脱硫的原料气与来自工艺冷凝液汽提塔（05-C003）的水蒸汽和来自冰机的蒸汽透平（09-MT01）或发电机蒸汽透平（85-MT01）的背压蒸汽，按比例调节进行混合，控制水碳比为2.75左右、温度在372℃。

此原料-水蒸汽混合气相继进入一段转化炉对流段盘管（03-B002E01A）和（03-B002E01B）换热，在两盘管间还设置喷雾温度调节器（03-B002E08）用它来调节出盘管（03-B002E01B）的混合气加热至580℃。

此混合气从转化炉管顶部进入，在镍催化剂作用下进行转化反应。

出一段炉的转化气压力43.5巴、温度804℃，含16.3%CH4。

含CH416.3%的一段转化气自二段炉（03-R001）底部进入，经中心管至炉顶，与来自空压机（02-K001），压缩至45巴，途径加热盘管（03-B002E03）加热至500℃的工艺空气相混合，于炉中上部空间进行燃烧反应，反应后气体温升至1250℃左右。

此高温气体相继流经炉中催化剂床层，继续进行转化反应。

出二段炉的转化气（工艺气），温度983℃左右，残余甲烷含量0.9%以下。

为回收此高温工艺气的热量，入工艺气冷却器（03E001）使之产生328℃、125巴的高压蒸汽。

出（03-E001）温度588℃的工艺气继续入高压蒸汽过热器（03-E002）,喷雾温度调节器（03-E005）,控制其出转化工序的工艺气温度为370℃左右。

经预热后的锅炉给水注入汽包（03-D001）,汽包与工艺气冷却器（03-E001）、废热锅炉（04-E001）和辅助锅炉相连通，设计为自然循环。

自汽包输出的高压蒸汽，依次流经高压蒸汽过热器（03-E002）（03-B003E01）和（03-B002E02）,将蒸汽过热至535℃，再分别送入冰机和发电机的蒸汽透平作动力。

3、变换

CO变换采取高低变流程。

370℃的转化工艺气，自高温变换炉顶部进入，于铁-铬系催化剂条件下进行反应，温升到444℃，CO含量降至3.87%。

高变气由炉底出来，入废热锅炉（04-E001），回收热量产生高压蒸汽，高变气被冷却至375℃，继入锅炉给水预热器（04-E002）,降温至204℃，而后入低温变换炉。

低变是在铜-锌-铝系催化剂条件下进行反应，反应后气体温升至236℃，CO含量为0.36%。

低变气在锅炉给水预热器（04-E003）中换热，冷却至176℃，此温度下已有水蒸汽冷凝。

为便于低变催化剂的升温还原，还专设置一套氮循环系统。

4、脱碳

CO2脱除，采用节能型的苯菲尔脱碳流程。

为回收低变气中的热能，含CO217%左右的低变气依次流经气体冷却器（05-E001）,再沸器（05-E002）及脱盐水预热器（05-E009）而得以产生低压蒸汽，发生汽提蒸汽和加热了脱盐水。

低变气冷却至95℃左右，自吸收塔（05-C001）下部进入，与塔顶喷淋下来的吸收液（贫液）逆流接触。

经下塔吸收后的气体中CO2含量降至0.4%，再经上塔吸收，从塔顶逸出的脱碳气，温度70℃，CO2含量却为0.1%。

而后经分离器（05-F002）回收随气体带出的溶液。

吸收塔底流出的富液，经水力透平（05-MT01）送至解吸塔（05-C002）顶部，溶液减压闪蒸出部分水蒸气和二氧化碳，然后向下流经解吸塔填料，此时溶液与再沸器（05-E002）及闪蒸槽（05-D002）返回的蒸汽逆流接触，实现汽提，达到再生目的。

解吸塔顶部压力控制为1.52巴（绝）时，塔底溶液温度为118℃左右。

解吸塔底流出的溶液，入闪蒸槽（05-D002）,经五级闪蒸压力降至0.89巴（绝），此时溶液温度为100℃左右。

闪蒸释放出的蒸汽由蒸汽喷射器（05-A001,05-A002,05-A003,05-A004）和蒸汽压缩机（05-K001）注回解吸塔。

为节省蒸汽压缩机功耗，在最后一级闪蒸溶液用锅炉给水做适当加热。

再生好的溶液，经贫液泵（05-P001A/B）送出，分两路送入吸收塔：

一路为大致25%的溶液量，经热水加热器（05E010A/B），将溶液冷却至70℃入上塔；另一路则将其与75%的溶液量，不经冷却器直接送入下塔。

且溶液泵（05-P001A/B）与水力透平（05-MT01）是在同一轴上，由此水力透平所回收的能量可以补偿溶液泵轴功率的40%。

脱碳系统中，自分离器（05-F001）分离出来的工艺冷凝液，经冷凝液预热器（05-E008），被冷却至98℃。

由冷凝液泵（05-P006A/B）送经冷凝液预热器（05-E011A/B）被加热后入汽提塔（05-C003），与来自冰机蒸汽透平（09-MT01）或发电机蒸汽透平（85-MT01）的背压蒸汽与塔中逆流接触，进行汽提。

使用水蒸汽量每小时15吨。

塔顶逸出的汽提蒸汽（其中包括转化、变换的付产物甲醇、乙醇、氨等）送往转化工序。

从解吸塔顶（1.52巴、94℃）排出的CO2气，入脱盐水预热器（05-E004A/B）、水冷却器（05-E007A/B）换热，冷却至40℃。

此CO2气冷凝液于（05-F003）和（05-F005）分离器中将冷凝液分离下来，用泵（05-P002A/B）将少量冷凝液分别送入解吸塔顶的洗涤塔板、闪蒸槽的洗涤料盘作洗涤水和溶液泵、水力透平的清洗液。

而其余冷凝液经（05-E008）预热至120℃，送回（05-E001）作为锅炉给水用。

分离器分离出的CO2气，送尿素装置CO2气压缩机的吸入端。

5、甲烷化

脱碳气中含0.1%CO2、0.44%CO，是远远超过对合成气中（CO+CO2）<10p.p.m的要求，为此采用甲烷化法除去少量的CO和CO2。

70℃的脱碳气，在换热器（06-E001）中被加热至300℃，入甲烷化炉（06-R001）,反应放热，温升至336℃左右。

此热气在换热器（06-E001）中被冷却至100℃。

继入水冷器（06-E003）中，冷却至40℃，气中含（CO+CO2）<10p.p.m，成为合格的N2.H2混合气，即新鲜气。

6、合成气的压缩及氨合成

氮与氢在铁催化剂条件下合成氨，当压力98.24巴、440℃时，平衡氨含量为17.92%。

因此，大量未参与合成的N2.H2应循环使用。

同时，为降低合成氨能耗，采用了径向合成塔和两级氨冷。

甲烷后的工艺气（新鲜气），在38.3巴、40℃下，经分离器（07-F001）分离水份，入离心式合成气压缩机（07-K001），经一段压缩至65.4巴、112℃，此时少量气体送脱硫，用于钴-钼加氢，大量气体经中间冷却器（07-E002）和分离器（07-F002）冷却分离后，入合成气压缩机高压缸，压缩至101.95巴、100℃。

为保证催化剂不受毒害，出高压缸的新鲜气进入第一氨冷器（08-E005）,冷却器至5℃此时新鲜气的水蒸汽和CO2气被冷凝，于分离器（07-F003）中分离掉。

自（07-F003）逸出的新鲜气与（08-E005）出口的回路气在管路中汇合，由于回路气中部分液氨的汽化，使汇合后的循环气降温至0.9℃，继入第二氨冷器（08-E006），降温至﹣10℃，在该温度下大部分气氨冷凝。

随之物流入氨分离器（08-F001），分离下来的液氨入氨闪蒸槽（08-D001）,闪蒸后的液氨，用泵（08-P001A/B）送往尿素装置或球罐储存，从（08-F001）分理出的冷气，经冷热交换器（08-E004）回收冷量，而后入（07-K001）循环段进行压缩，以补充回路压降的损失。

出循环段的气体（105.8巴、32℃），经热交换器（08-E002）,温升至239℃左右，入合成塔（08-R001）。

105巴、239℃、含4.12%NH3的循环气，流经三床层的径向合成塔，在铁催化剂上进行合成反应。

出塔气压力为101巴、414℃、含16.36%NH3，入废热锅炉（08-E001）回收热量，产生127巴、329℃的高压蒸汽。

合成气被冷却至275℃，继入（08-E002）、（08-E003）、（08-E004）换热器换热，合成气温度分别降至53℃、38℃、23℃，而后入第一氨冷器（08-E005）。

出第一氨冷器的回路气与新鲜气相汇合为循环气。

这样形成的一个循环过程，称之“合成回路”。

因新鲜气中含惰气（CH4+Ar）1.86%,在不断循环过程中惰气的含量会积累增多，影响氨的生成。

为此，出（07-K001）循环段的气体需要放空一部分，以控制循环气中惰气含量。

此放空气送往氨回收装置。

7、冷冻

来自第二氨冷器（08-E006）的气氨（﹣15℃、2.36巴）来自第一氨冷器（08-E005）及气体冷却器（10-E004）的气氨（0.5℃、4.38巴），分别进入氨压缩机又称冰机（09-K001）一段的吸入侧，经一段压缩的出口气氨（86℃、9.34巴），入中间冷却器（09-E005）冷却后与从氨闪蒸槽（09-D001）来的气氨相汇合，于42℃、9.08巴压力下进入（09-K001）的二段吸入侧，压缩至16.6巴、100℃，经水冷器（09-E002A/B）冷却冷凝，气氨液化为液氨，入氨受槽（09-D002）。

冰机由蒸汽透平（09-MT01）驱动。

氨受槽（09-D002）中的液氨，温度较高，可称为热氨。

此热氨流经换热器（09-E003A/B）、氨闪蒸槽（09-D001）及产品氨加热器（09-E004）与来自闪蒸槽（08-D001）的冷氨进行热交换，使之冷却、减压降温，重新作为冷冻剂送往氨冷器（08-E005）、（08-E006）和气冷器（10-E004）使用。

冷氨用泵（08-P001A/B）提压至22.6巴、20℃送往尿素装置。

8、氨回收

氨合成回路的放空气及氨闪蒸槽（08-D001）的闪蒸汽（驰放气）中氨需要回收。

此流程采用水吸收，氨水再蒸馏的方法。

氨合成回路来的放空气，入吸收塔（10-C001）底部，与塔顶喷洒下的净化水作逆流吸收。

吸收后，气体中还含氨0.02%，继入气体冷却器（10-E004）,用氨冷将气体中残氨冷凝回收，处理过的气体主要去氢回收。

但去氢回收的气体量由CO2﹣NH3比来决定，过剩气体送燃气轮机或一段转化炉的燃料系统。

闪蒸槽（08-D001）来的驰放气，入吸收塔（10-C003）底部，用净化水吸收，出吸收塔气体中含氨0.1%送一段炉燃料系统。

吸收塔（10-C001）底流出的氨水，浓度为15%（摩尔），经换热器（10-E001A/B/C）加热后,加入汽提塔（10-C002）的两填料段之间。

以此同时，从吸收塔（10-C003）底流出的氨水，用泵（10-P002A/B）也同样加入汽提塔两填料段之间。

汽提塔在加料口的上部为精馏段，下部为提馏段。

汽提蒸汽由再沸器（10-E005）提供，再沸器用中压蒸汽加热。

汽提塔顶设有冷凝器（10-E003），从塔顶蒸出的气氨，在冷凝器中冷却冷凝为液氨，部分液氨做回流液，其余液氨送闪蒸槽（08-D001），未冷凝汽送惰气冷却器（09-E001）。

汽提塔底流出的氨水浓度为0.11%（摩尔），经换热器（10-E001A/B/C）和水冷器（10-E002A/B）冷却后，分别返回吸收塔（10-C003）和用泵（10-P001A/B）送回吸收塔（10-C001）作吸收剂，如此循环使用。

9、氢回收

经氨回收后的气体，按NH3﹣CO2平衡的要求量入吸附器（11-R001A/B）,将气中的NH3、HO2、CO2彻底清除，而后入冷箱（11-E001）,冷却降温使部分N2及CH4冷凝液化，形成富氢气，于分离器（11-F001）中分离。

分离出的富氢气入（07-K001）循环段。

分离出的液体经减压阀减压，自由膨胀而降温，冷气返回冷箱与入气相换热，来降低入气温度。

出冷箱尾气，部分去再生气预热器（11-E002）,被加热后入吸附器（11-R001A/B）将分子筛再生，再生气送燃料系统；其余部分尾气则直接送燃料系统。

10、氨贮存

有两个球形氨罐，每个贮氨量2500吨。

液氨在4.8巴、3℃条件下贮存。

其流程设置正常操作时：

氨合成装置正常运行，产品液氨直接送往尿素装置。

这时没有产品氨送入氨罐。

只因外界的热传入球罐，使少量的液氨蒸发为气氨。

此时将这些少量的气氨经压力控制系统（PIC）送冷冻装置。

气氨经氨压缩机压缩，冷凝器（09-E002A/B）冷凝，再返回球罐。

气体压缩

制氨装置对气体的输送、压缩和制冷过程，共设置了四台离心式压缩机。

即原料气压缩机（01-K001）、空气压缩机（02-K001）、合成气压缩机（07-K001）和氨气压缩机（09-K001）。

这四台离心式压缩机除空压机由燃气轮机驱动外，其他均为汽轮机所驱动。

1.原料气压缩机（01-K001）

对大型化、单系列日产1000吨氨的装置，原料气流量大，压缩比又较低的条件下，宜采用离心式压缩机。

加之界区送来天然气气压低，进吸入端压力仅只2.25巴，因此，选用了2MCL528-2BCL358型双缸四段离心式压缩机，它由NK32/36型蒸汽透平所驱动。

正常生产时，入压缩机原料气原料气流量为23261Kg/h，经三段压缩后其中1402Kg/h送燃气轮机，其余21859Kg/h入四段压缩至5206巴后入一段转化炉。

2.空气压缩机（02-K001）

二段转化炉所需工艺空气，燃气轮机所需燃烧空气和全厂的仪表空气等均有空气压缩机供给，因不同用处所需空气的压力、流量等参数的各异，选用了2MCL805+3MCL457型离心式压缩机。

该机由MS3002型燃气轮机（02-MT01）驱动，在开工操作和极限操作工况时，为保证燃气轮机工作状态的效率，还配置有由中压蒸汽驱动的背压汽轮机作为辅机。

同时为保证燃气轮机所使用空气的质量，配置有全自动的脉冲净化过滤器（02-MT01-FOV）和空气入口消音器（02-K001-D001）。

流程图No.1

3.合成气压缩机（07-K001）

为实现氨合成回路的要求及本装置入合成气压缩机的进入压力为38巴，最终排出压力为105.8巴这一压缩比小而段数少的特征，选用了双缸三段的BCL407-2BCL407型离心式压缩机，最后一段为循环段，新鲜气与回路气在缸外混合。

该机由汽轮机（07-MT01）驱动。

流程图No.5。

经甲烷化冷却器（06-E003）冷却后的合格N2、H2混合气，即合成气，其中含水分0.19%。

在38巴40℃入（07-K001）一段，压缩至65.4巴，温度112℃。

出一段合成气约45.4Kmol/h的气量送脱硫钴-钼加氢反应使用，其余气量经中间冷却器（07-E002）和分离器（07-F002）冷却分离水分后入二段压缩。

出二段气压力为101.95巴、100℃，气中还存有极少量的水蒸汽及CO2，这些含氧化合物不仅是催化剂的毒物，且易产生结晶，堵塞管道，危害设备。

为了确保安全生产，必须清除极少量的水汽及CO2，因此，出二段的合成气依次经水冷器（07-E003）和氨冷器（08-E005）,降温至5℃，此时水蒸汽及CO2几乎全部冷凝，入（07-F003）将其分离。

出分离器的合成气与回路气汇合后循环入三段（循环段），经循环段压缩至105.8巴，32℃。

4.氨气压缩机（09-K001）又称冰机

据本装置为两级氨冷的冷冻循环，选用了2MCL528/1单缸两段离心式压缩机，由HG32/20背压冷凝式蒸汽透平（09-MT01）所驱动。

01-K001-P01/P02润滑/密封油泵

02-MT01-P02辅助润滑油泵

02-MT01-P04调节油泵

03-P001A/B冷凝水泵

05-P001A/B溶液泵（主泵）增压泵

05-MT01水力透平

05-P002A/B冷凝水泵

05-P003A/B过滤泵

05-P005废液泵

05-P006A/B冷凝液泵

07-K001-P01/P02润滑油泵

07-K001-P03/P04密封油泵

07-P001A/B冷凝液泵

07-U003-P01/P02润滑油泵

09-K001-P01/P02润滑/密封油泵

10-P001A/B洗涤泵

08-P001A/BNH3泵

82-P001A/B/C锅炉给水泵

81-P001A/B液氨泵

尿素装置

P-101A/B高压氨泵

P-102A/B高压碳铵泵

P-103A/B中压碳铵液泵

P-105A/B氨升压泵

P-106A/B尿素溶液泵

P-108A/B熔融尿素泵

P-110A/B蒸汽冷凝液冲洗泵高压冲洗泵

P-113A/B蒸汽冷凝液泵

P-114A/B解吸塔给料泵

P-115A/B水解器给料泵

P-117A/B冷凝液抽提泵

P-118A/B润滑油泵