在合成氨工业化生产的历史中，合成氨的生产规模<以合成塔单塔能力为依据）随着机械、设备、仪表、催化剂等相关产业的不断发展而有了极大提高。
50年代以前，最大能力为200吨/日，60年代初为400吨/日，美国于1963年和1966年分别出现第一个600t/d和1000t/d的单系列合成氨装置，在60-70年代出现1500-3000t/d规模的合成氨。
世界上85%的合成氨用做生产化肥，世界上99%的氮肥生产是以合成氨为原料。
虽然全球一体化的发展减少了用户的选择范围，但市场的稳定性却相应地增加了，世界化肥生产的发展趋势是越来越集中到那些原料丰富且价格便宜的地区，中国西北部有蕴藏丰富的煤炭资源，为发展合成氨工业提供了极其便利的条件。
2.2工程背景及建设必要性
1.2.1工程背景
我国是一个人口大国，农业在国民经济中起着举足轻重的作用，而农业的发展离不开化肥。
氮肥是农业生产中需要量最大的化肥之一，合成氨则是氮肥的主要来源，因而合成氨工业在国民经济中占有极为重要的位置。
我国合成氨工业始于20世纪30年代，经过多年的努力，我国的合成氨工业得到很大的发展，建国以来合成氨工业发展十分迅速，从六十年代末、七十年代初至今，我国陆续引进了三十多套现代化大型合成氨装置，已形成我国特有的煤、石油、天然气原料并存和大、中、小规模并存的合成氨生产格局。
目前我国合成氨产能和产量己跃居世界前列。
但是，由于在我国合成氨工业中，中小型装置多，技术基础薄弱，国产化水平低，远远不能满足农业生产和发展的迫切需要，因此，开发新技术的同时利用计算机数学模型来提高设汁、生产、操作和管理等的核算能力，促进设计、管理和生产操作的优化，从而推动合成氨工业发展，提升整体技术水平，己成为国内当前化学工程科研、工程设计的重要课题。
1.2.2工程建设的必要性
我国的合成氨原料主要集中在重油，天然气和煤，到目前为止，中国化肥产量己居世界第一位。
但人均耕地面积只有世界平均水平的47%，而人口在本世纪中叶将达到约16亿，粮食始终是至关重要的问题。
化肥对农作物的增产作用己为大家所公认，中国施肥水平还有很大的提高空间，尤其是中西部市场。
与国外比较，我国氮肥行业主要存在一些比较严重的问题，集中表现为装置规模小，因而有效生产能力不足，致使行业整体竟争能力差。
进入WTO后，氮肥行业这种结构性矛盾日趋显著，成为影响行业发展的一个主要因素。
对原有合成氨装置进行改扩建，利用国家对农业的倾斜政策，节能技术改造见效快、可很快提高企业生产规模，改扩建改造会给企业带来了巨大的经济和社会效益。
1.2.3建设意义
随着合成氨工业的飞速发展与国际经济的迅速变化，合成氨工业的经济性急需要提高，来降低成本，抵御风险。
就碳酸丙烯酯法脱碳工艺进行深入研究，以达到成本最低化，资源有效化。
因此，在国际经济与国家政策的前提下，将合成氨的风险和利润投入到中间工序脱碳工段，对陷入困境的化工行业是一个很好的出路，对内外交困的合成氨行业来说，可以避免风险，降低成本。
此工艺能有效缩短流程，降低能源消耗，减少污染排放，在提高产品附加值的同时也填补了脱碳工艺的国内空白，并且为合成氨领域的进步积累了难得经验。
1.2.4建设规模
全厂应主要包括厂前区、动力区、生产区、仓库区等。
厂前区：
包括行政楼、研发楼、职工食堂、医务室等主要建筑。
动力区：
包括变电站、锅炉房等。
他们尽量靠近其服务的车间。
这样可以减少管路的铺设和运输过程的损耗。
生产区：
应包括七大车间：
原料车间、热电车间、造气车间、压缩车间、碳化车间、合成车间和尿素车间。
还应有备件库、机修车间、消防车间等辅助车间。
仓库区：
应靠近主干道以便于运输。
企业实行厂长负责制，各部门负责人直接受厂长负责，并实行三级管理，厂、科、车间及人员编制以组织好生产为原则。
生产车间实行三班制，每班八小时，机械设备大修每二年一次，机械设备保养每一年一次。
表2.1合成氨全厂人员编制
工种
班制
男
女
总人数
热电岗位
3
3
3
原料岗位
3
3
3
造气岗位
3
3
3
变换岗位
3
3
3
脱碳岗位
3
3
3
甲烷化岗位
3
3
3
压缩岗位
3
3
3
脱硫岗位
3
3
3
尿素岗位
3
3
3
司炉岗位
3
3
3
技术员
1
3
1
4
安全员
1
2
2
辅助人员
1
5
5
车间主任
1
4
4
总计
32
13
45
第二章市场分析
2.1国内市场预测
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、硫酸铵、氯化铵、氯水以及各种含氮混肥和复肥，都是以氨作为原料的。
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%的氨用来生产化学肥料，20%作为其它化工产品的原料。
氨在工业上主要用来制造炸药和各种化学纤维及塑料。
从氨可以制得硝酸，进而再制造硝酸铵、硝化甘油、硝基纤维素等。
在化纤和塑料工业中，则以氨、硝酸和尿素等作为氮源，生产己二胺、人造丝等产品。
氨的其它工业用途也十分广泛，例如，用作制冰、空调等系统的制冷济，在冶金工业中用来提炼矿石中的铜等金属，在医药和生物化学方面用作生产磺胺类药物、维生素、蛋氨酸和其它氨基酸等等。
所以说合成氨在国民经济中占有十分重要的地位。
2.2产品分析
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。
第三章脱碳方法及种类
3.1净化工序中脱碳的方法3.1.1化学吸收法
化学吸收法即利用CO2是酸性气体的特点，采用含有化学活性物质的溶液对合成气进行洗涤，CO2与之反应生成介稳化合物或者加合物，然后在减压条件下通过加热使生成物分解并释放CO2，解吸后的溶液循环使用。
化学吸收法脱碳工艺中，有两类溶剂占主导地位，即烷链醇胺和碳酸钾。
化学吸收法常用于CO2分压较低的原料气处理。
（l>烷链醇胺类的脱碳工艺有：
①-乙醇胺（monoethanolamine，H2NCH2CH2OH，MEA>法；
②甲基二乙醇胺2，MDEA）法；
③活化MDEA法<即aMDEA工艺）。
<2）碳酸钾溶液作吸收剂的脱碳工艺，即热钾碱脱碳工艺有：
①无毒G-V法；②苯菲尔法；③催化热钾碱3.1.1.1.1MEA法
MEA法是一种比较老的脱碳方法。
吸收过程中，MEA与CO2发生反应生成碳酸化合物，经过加热即可将CO2分解出来。
该法的最大优点是可以在一个十分简单的装置中，把合成气中的CO2脱除到可以接受的程度。
但它本身存在两个缺点：
<1）CO2能与吸收反应生成的碳酸化合物发生进一步反应生成酸式碳酸盐，该盐较稳定，不易再生；<2）CO2能与MEA发生副反应，生成腐蚀性较强的氨基甲酸醋，容易形成污垢。
3.1.1.2甲基二乙醇胺MDEA
MDEA法脱碳过程中，CO2与甲基二乙醇胺（MDEA，一种叔胺>生成的碳酸盐稳定性较差，分解温度低，且无腐蚀性。
相对其它工艺，MDEA法有以下优点：
<1）能耗和生产费用低；<2）脱碳效率高，净化气中CO2含量可小于100ppm；<3）使用范围广，可用于大、中、小各型合成氨厂；<4）溶剂稳定性好；<5）溶剂无毒、腐蚀性极小；<6）能同时脱硫。
由于MDEA具有以上优点，所以不需要毒性防腐剂，设备管道允许采用廉价碳钢材料，不需要钝化过程，耗热低，设备管道不需要伴热盘管，能达到很好的节能效果[3]。
在MDEA溶液中添加少量活化剂即为aMDEA法，活化剂为眯哇、甲基咪哇等，浓度约为2-5%。
活性MDEA工艺开发于20世纪60年代末，第一套活化MDEA脱碳工艺装置是1971年在德国BAFS公司氨三厂投入使用在此后的几年里，另有8套装置采用了活化MDEA，这些装置的成功使用，使得aMDEA工艺自1982年后备受欢迎。
我国在大型装置中使用MDEA脱碳工艺，乌鲁木齐石化公司化肥厂属于首例[4]。
BAFS公司推出的aMDEA脱碳工艺，主要用于对原来MEA工艺的改造，近几年我国一些研究单位正在对这方面进行积极的研究。
3.1.1.3低热耗苯菲尔法
相对上述脱除CO2的吸收剂溶液，碳酸钾溶液更价廉易得，并具有低腐蚀，操作稳定，吸收CO2能力较强等特性。
但碳酸钾溶液本身吸收CO2的速度缓慢，需要添加一些活化剂。
其中如无毒G-V法工艺就是由意大利Giammaro-Vetrocoke公司所开发，最初使用的活化剂和缓蚀剂为As2O3，但对人体有毒。
后来有人用氨基乙酸取代As2O3，消除了毒性，成为无毒G-V法。
我国栖霞山化肥厂就采用了这种工艺。
由美国联碳公司开发的低热耗苯菲尔法，用二乙醇胺（DEA>作活化剂，V2O5作为腐蚀防护剂。
我国于20世纪90年代相继以布朗工艺建了4套装置，即锦西天然气化工厂、建峰化肥厂、四川天华公司化肥厂和乌鲁木齐石化总厂第二化肥厂，规模都是日产氨1000吨。
低热耗苯菲尔工艺是由美国联碳公司在传统苯菲尔工艺基础上开发的，采用了节能新技术。
国内在20世纪70年代引进的13套大型化肥装置中，有10套采用苯菲尔脱碳工艺。
从1985年起，己有7套进行了用低热耗苯菲尔工艺改造。
国内新建的以天然气为原料的大型合成氨装置，脱碳系统也多采用低热耗苯菲尔工艺，如锦天化厂、建峰厂、天华公司等。
中海石油化学有限公司合成氨装置脱碳系统采用改良型苯菲尔流程[5]。
苯菲尔法可在高温下运行，再生热低，添加的V2O5可防腐蚀，但该工艺需对设备进行钒化处理，要求工人的操作水平较高，并且浪费溶剂，能耗大，特别蒸汽用得多，有效气体损失也大，运行成本高等缺点。
3.1.2物理吸收法
物理洗涤是CO2被溶剂吸收时不发生化学反应，溶剂减压后释放CO2（不必加热>，解吸后的溶液循环使用。
相对化学吸收法，物理洗涤法的最大优点是能耗低，CO2不与溶剂形成化合物，减压后绝大部分CO2被闪蒸出来，然后采用气提或负压实现溶剂的完全再生。
这就使得工艺投资省、能耗低、工艺流程简单。
物理吸收法主要有Selxeol法、Elour法、变压吸附法及低温甲醇法等[6]。
物理吸收法常用于高CO2分压的原料气处理。
3.1.2.1NHD法
NHD法被认为是目前能耗最低的脱碳工艺之一，该法使用的溶剂为聚乙二醇二甲醚的混合物，其分子式为CH3-O-n-CH2，式中n=2-8。
NHD是兖矿鲁南化肥厂与南京化学工业集团公司研究院、杭州化工研究所共同开发成功的一种物理吸收硫化氢和二氧化碳等酸性气体的高效溶剂[7]。
NHD气体净化技术改造系脱除酸性气体的物理吸收新工艺，适合于合成气、天然气、城市煤气等的脱硫脱碳。
NHD具有对设备无腐蚀，对CO2、H2S等酸性气体的吸收能力强、蒸汽压低，挥发性小、热稳定性和化学稳定性好、不会起泡，无腐蚀性等优点，并且该法在NHD的再生过程中几乎不需要能量，通常利用空分装置富余的低压氮气在气提塔进行脱碳富液的气提再生，其优点是减少利用空气气提带来系统内NHD溶液含水量的富集，省去了空气水冷、气水分离及NHD脱水设备，节约了投资，简化了流程[8]。
3.1.2.2碳酸丙烯酯法（PC>法
碳酸丙烯酯法是碳酸丙烯酯为吸收剂的脱碳方法。
其原理是利用在同样压力、温度下，二氧化碳、硫化氢等酸性气体在碳酸丙烯酯中的溶解度比氢、氮气在碳酸丙烯酯中的溶解度大得多来脱除二氧化碳和硫化氢而且二氧化碳在碳酸丙烯酯中溶解度是随压力升高和温度的降低而增加的，CO2等酸性气体在碳丙溶剂中溶解量一般可用亨利定律来表达，因而在较高的压力下，碳酸丙烯酯吸收了变换气中的二氧化碳等酸性气体，在较低的压力下二氧化碳能从碳酸丙烯酯溶液中解吸出来，使碳酸丙烯酯溶液再生，重新恢复吸收二氧化碳等酸性气体的能力。
碳酸丙烯酯法具有溶解热低、粘度小、蒸汽压低、无毒、化学性质稳定、无腐蚀、流程操作简单等优点。
该法CO2的回收率较高，能耗较低，但投资费用较高。
适用于吸收压力较高、CO2净化度不很高的流程，国内主要是小型厂使用。
用碳丙液作为溶剂来脱除合成氨变换气中CO2工艺是一项比较适合我国国情的先进技术，与水洗工艺比较，除具有物理吸收过程显著的节能效果外，在现有的脱碳方法中，由于它能同时脱除二氧化碳、硫化氢及有机硫化物，加上再生无需热能，能耗较低等优势，在国外合成氨和制氢工业上已得到广泛应用。
3.1.2.3变压吸附法
变压吸附气体分离净化技术，简称PSA变压吸附法是近几年才用于合成气净化的，它属于干法，采用固体吸附剂在改变压力的情况下，进行<加压）吸附CO2或<减压）解吸。
变压吸附法分离气体混合物的基本原理是利用某一种吸附剂能使混合气体中各组份的吸附容量随着压力变化而产生差异的特性，选择吸附和解吸再生两个过程，组成交替切换的循环工艺，吸附和再生在相同温度下进行。
可用此法改造小型氨厂，将低能耗，在大型氨厂使用显得困难[9]。
为了达到连续分离的目的，变压吸附脱碳至少需要两个以上的吸附塔交替操作，其中必须有一个吸附塔处于选择吸附阶段，而其它塔则处于解吸再生阶段的不同步骤。
在每次循环中，每个吸附塔依次经历吸附、多次压力均衡降、逆向放压、抽空、多次压力均衡升、最终升压等工艺步骤。
目前，此种类型的装置在全国合成氨厂已广泛采用。
如四川什邡某氮肥厂为天然气富氧造气，变换气脱碳采用我公司近年来开发的节能型变压吸附脱碳新工艺，多塔进料，多次均压，并实现了吸附塔和真空泵的新组合，同时对吸附剂、程控阀门、控制系统、动力设备的配置都做了较大的改进，从而使H2、N2有效气体回收率大大提高，能耗进一步降低，装置投资也有所减少[10]。
3.1.2.4低温甲醇洗法
低温甲醇洗工艺自1954年Lurgi公司在南非Sasol建成世界上第一套工业规模的示范性装置以来，目前有100余套装置投入运行，尤其是大型渣油气化和煤气化装置的气体净化均采用低温甲醇洗工艺。
低温甲醇（Rectisol>法具有一次性脱除CO2，溶液便宜易得，能耗低，适用范围广泛等特点。
但该法投资很大，我国镇海炼化厂大化肥等四家以重油和煤为原料的合成氨装置使用了低温甲醇法脱除CO2。
3.1.3物理化学吸收法
物理化学吸收法脱除CO2工艺主要有环丁砜（Sulfinol>法和常温甲醇（Amisol>法，物理化学吸收法常用于中等CO2分压的原料气处理。
环丁砜法中所使用的溶剂由是环丁矾、二异丙醇胺与水组成，能同时吸收CO2和硫的化合物，且吸收速度快，净化度高，但再生耗热多，目前只有一些中小型厂使用。
常温甲醇法是在甲醇中加入了二乙醇胺，当CO2分压升高时，以其在甲醇中溶解的物理吸收为主；当CO2分压较低时，以其与二乙醇胺发生化学反应的化学吸收为主，该法应用范围广，净化率高，但对H2S和CO2的选择性较差，己很少使用。
3.1.4固体吸收法
固体吸附是CO2在加压时被吸附在多孔状固体上，减压时吸附的CO2被解吸，亦称变压吸附。
3.2碳酸丙烯酯PC为环状有机碳酸酯类化合物，分子CH3CHOCO2CH2，该法在国外称Fluor法。
PC法是南化集团研究院等单位于20世纪70年代开发的技术，1979年通过化工部鉴定。
据初步统计，已有150余家工厂使用PC技术，现有装置160余套，其中大型装置两套，其余为中小型装置。
大部分用于氨厂变换气脱碳。
总脱碳能力约300万吨合成氨/年，其中配尿素型应用较多，占60%左右，至今该法仍是联碱、尿素、磷铵等合成氨厂使用最广的脱碳方法，其开工装置数为MDEA、NHD法总和的数倍。
3.2.2发展过程
PC技术的应用，主要经历了两个阶段：
第一阶段始于70年代末，两个小氮肥厂用PC法代替水洗法脱CO2的工业实验装置获得成功，取得了明显的节能效果和经济效益。
加之PC法在工艺上与水洗法相似，改造费用低，很快在一些小氮肥企业中推广应用；第二阶段，20世纪90年代以来，随着小化肥改变碳铵单一产品结构，适应市场需要，采用脱碳增氨转产尿素或联醇等方法，以提高经济效益，增强小化肥的竟争能力。
为此，需要增设一套变换气脱碳装置，由于PC技术为典型的物理吸收过程，流程简单，投资少，节能明显，技术易于掌握。
因此，很快得到了推广，并扩大了应用范围，技术上也趋于成熟。
3.2.3技术经济
由于碳丙脱碳纯属物理过程，因而它的能耗主要消耗在输送流体所须的电能。
碳丙溶剂对CO2等酸性气体的吸收能力较大，一般为同条件下水吸收能力的4倍。
因此，代替水洗法脱除变换气中CO2不但满足铜洗要求，而且回收CO2的浓度和回收率也能满足尿素、联碱生产的要求。
与水洗法相比可节省电耗150-250KWh/tNH3，可节省操作费10-25元/tNH3。
因而应用碳丙脱碳的厂家均可获得明显的节能效果。
但这种效果随着工艺配置、设备、操作状况，处理规模和目的的不同而差异较大。
碳丙脱碳与几种脱碳方法的能耗比较如表1.1。
表1.1几种脱碳方法的能耗比较表
方法名称
加压水洗
苯菲尔法
位阻胺法
改良MEDA法
NHD法
PC法
能耗
2847
3558-5442
3349-4187
1884
1047-1256
1256
3.2.4工艺流程
<1）原料气流程
由压缩机三段送来2.3MPa的变换气首先进入水洗塔底部与水洗泵送来的水在塔内逆流接触，洗去变换气中的大部分油污及部分硫化物，并将气体温度降到30℃以下，同时降低变换气中饱和水蒸汽含量。
气体自水洗塔塔顶出来进入分离器，自分离器出来的气体进入二氧化碳吸收塔底部，与塔顶喷淋下来的碳酸丙烯酯溶液逆流接触，将二氧化碳脱至工艺指标内。
净化气由吸收塔顶部出来进入净化气洗涤塔底部，与自上而下的稀液<或脱盐水）逆流接触，将净化气中夹带的碳酸丙烯酯液滴与蒸气洗涤下来，净化气由塔顶出来后进入净化气分离器，将净化气夹带的碳酸丙烯酯雾沫进一步分离，净化气由分离器顶部出来回压缩机四段入口总管。
根据各厂的具体情况和氨加工产品的不同，相匹配的碳丙脱碳条件及要求亦各异。
在使用上，有替代加压水洗型、联碱型、配尿素型、联醇型、生产液氨型以及制氢等各类型；在净化效率上，有的对CO2进行粗脱，而大部分厂家，则进行精脱；对脱碳压力，有采用0.4MPa、1.1-1.3Mpa、1.6-1.8Mpa、2.5-2.8Mpa及4.3Mpa等多种类型。
<2）解吸气体回收流程
由闪蒸槽解吸出来的闪蒸气进入闪蒸气洗涤塔，自下而上与自上而下的稀液逆流接触，将闪蒸气夹带的液滴回收下来。
闪蒸气自闪蒸气洗涤段出来后进入闪蒸气分离器，将闪蒸气夹带的碳酸丙烯酯液滴进一步分离下来，闪蒸气自分离器顶部出来送碳化，脱除二氧化碳并副产碳酸氢铵后，闪蒸气回压缩机一段入口总管。
由常解塔解吸出来的常解气进入常解-汽提气洗涤塔的常解气洗涤段，与自上而下的稀液逆流接触，将常解气中夹带的碳酸丙烯酯液滴与饱和于常解气中的碳酸丙烯酯蒸气回收下来，常解气自常解气洗涤段出来后进入常解气分离器，将常解气中夹带的碳酸丙烯酯液滴进一步分离，常解气自分离器顶部出来送食品二氧化碳工段。
汽提气由汽提塔出来后进入常解-汽提气洗涤塔的汽提气洗涤段，与自上而下的稀液逆流接触，将汽提气中夹带的碳酸丙烯酯液滴和饱和汽提气中的碳酸丙烯酯蒸气回收下来，经洗涤后汽提气由塔顶放空。
<3）液体流程
贫碳酸丙烯酯溶液从二氧化碳吸收塔塔顶喷淋下来，由塔底排出称为富液。
富液经自调阀进入溶液泵-涡轮机组的涡轮，减压后进入闪蒸槽，自闪蒸槽出来的碳酸丙烯酯液一部分进入过滤器，大部分不经过过滤器，二者混合过后进入常解-汽提塔的常解段，碳酸丙烯酯液自常解段底部出来经过两液封槽进入汽提塔顶部，与自下而上的空气逆流接触，将碳酸丙烯酯溶液中的二氧化碳进一步汽提出来，经汽提后的碳酸丙烯酯溶液为贫液，贫液由汽提塔出来进入循环槽，再由循环槽进入溶液泵-涡轮机组的溶液泵
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