合成装置仿真培训系统软件说明书模板.doc
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1、合成氨装置合成工段 仿真培训系统软件说明书北京东方仿真软件技术有限公司 9月目 录第一章 工艺原理2一、 氨合成反应的特点2二、 氨合成反应的化学平衡2三、 氨合成动力学3四、 影响合成塔操作的各种因素4五、 氨合成主要设备11第二章 装置概况15第一节 工艺流程简述15第二节 工艺仿真范围17第三节 控制回路一揽表17第三章 装置冷态开工过程19一、 合成系统开车19二、 冷冻系统开车20第四章 正常操作规程21第五章 装置正常停工过程24第六章 事故列表25第七章 自动保护系统27第八章 下位机画面设计28第九章 操作评分信息35第一章 工艺原理氨的合成是氨厂最后一道工序, 任务是在适当的
2、温度、 压力和有催化剂存在的条件下, 将经过精制的氢氮混和气直接合成为氨。然后将所生成的气体氨从未合成为氨的混和气体中冷凝分离出来, 得到产品液氨, 分离氨后的氢氮气体循环使用。一、 氨合成反应的特点 氨合成的化学反应式如下: 这一化学反应具有如下几个特点: (1) 是可逆反应。即在氢气和氮气反应生成氨的同时, 氨也分解成氢气和氮气。(2) 是放热反应。在生成氨的同时放出热量, 反应热与温度、 压力有关。(3) 是体积缩小的反应。(4) 反应需要有催化剂才能较快的进行。二、 氨合成反应的化学平衡 1、 平衡常数 氨合成反应的平衡常数可表示为: =式中p(NH3)、 p(H2)、 p(N2)-为
3、平衡状态下氨、 氢、 氮的分压。由于按合成反应是可逆、 放热、 体积缩小的反应, 根据平衡移动定律可知, 降低温度, 提高压力, 平衡向生成氨的方向移动, 因此平衡常数增大。2、 平衡氨含量 反应达到平衡时氨在混和气体中的百分含量, 称为平衡氨含量, 或称为氨的平衡产率。平衡氨含量是给定操作条件下, 合成反应能达到的最大限度。 计算平衡常数的目的是为了求平衡氨含量。平衡氨含量与压力、 平衡常数、 惰性气体含量、 氢氮比例的关系如下: 式中-平衡时氨的体积百分数 -惰性气体的体积百分数 p-总压力 -平衡常数 r-氢氮比例由式可见, 温度降低或压力升高时, 等式右方增加, 因此平衡氨含量也增加。
4、因此, 在实际生产中, 氨的合成反应均在加压下进行。三、 氨合成动力学 ( 一) 反应机理氮与氢自气相空间向催化剂表面接近, 其绝大部分自外表面向催化剂毛细孔的内表面扩散, 并在表面上进行活性吸附。吸附氮与吸附氢及气相氢进行化学反应, 一次生成NH、 NH2、 、 NH3。后者至表面脱附后进入气相空间。可将整个过程表示如下: 在上述反应过程中, 当气流速度相当大, 催化剂粒度足够小时, 外扩散光和内扩散因素对反应影响很小, 而在铁催化剂上吸附氮的速度在数值上很接近于合成氨的速度, 即氮的活性吸附步骤进行的最慢, 是决定反应速度的关键。这就是说氨的合成反应速度是由氮的吸附速度所控制的。( 二)
5、反应速度反应速度是以单位时间内反应物质浓度的减少量或生成物质浓度的增加量来表示。在工业生产中, 不但要求获得较高的氨含量, 同时还要求有较快的反应速度, 以便在单位时间内有较多的氢和氮合成为氨。根据氮在催化剂表面上的活性吸附是氨合成过程的控制步骤、 氮在催化剂表面层中等覆盖度、 吸附表面很不均匀等条件, 捷姆金和佩热夫导得的速度方程式如下: W-反应的瞬时总速度, 为正反应和逆反应速度之差、 -正、 逆反应速度常数-为氢、 氮、 氨气体的分压。( 三) 内扩散的影响 当催化剂的颗粒直径为1mm时, 内扩散速度是反应速度的百倍以上, 故内扩散的影响可忽略不计。但当半径大于5mm时, 内扩散速度已
6、经比反应速度慢, 其影响就不能忽视了。催化剂毛细孔的直径愈小和毛细孔愈长( 颗粒直径愈大) , 则内扩散的影响愈大。实际生产中, 在合成塔结构和催化层阻力允许的情况下, 应当采用粒度较小的催化剂, 以减小被扩散的影响, 提高内表面利用率, 加快氨的生成速度。四、 影响合成塔操作的各种因素 1、 影响合成塔反应的条件: 催化的合成反应可用下式表示: 在推荐的操作条件下, 合成塔出口气中氨含量约13.9%( 分子) 没有反应的气体循环返回合成塔, 最后仍变为产品。( 一) 温度: 温度变化时对合成氨反应的影响有二方面, 它同时影响平衡浓度及反应速度。因为合成氨的反应是放热的, 温度升高使氨的平衡浓
7、度降低, 同时又使反应加速, 这表明在远离平衡的情况下, 温度升高时合成效率就比较高, 而另一方面对于接近平衡的系统来说, 温度升高时合成效率就比较低, 在不考虑触媒衰老时, 合成效率总是直接随温度变化的, 合成效率的定义是: 反应后的气体中实际的氨的百分数与所讨论的条件下理论上可能得到的氨的百分数之比。 (二) 压力: 氨合成时体积缩小(分子数减少), 因此氨的平衡百分数将随压力提高而增加, 同时反应速度也随压力的升高而加速, 因此提高压力将促进反应。(三) 空速: 在较高的工艺气速(空间速度)下, 反应的时间比较少, 因此合成塔出口的氨浓度就不像低空速那样高, 可是, 产率的降低百分比上是
8、远远小于空速的增加的, 由于有较多的气体经过合成塔, 所增加的氨产量足以弥补由于停留时间短, 反应不完全而引起的产量的降低, 因此在正常的产量或者在低于正常产量的情况下, 其它条件不变时, 增加合成塔的气量会提高产量。 一般是采取改变循环气量的办法来改变空速的, 循环量增加时(如果可能的话), 由于单程合成效率的降低, 触煤层的温度会降低, 由于总的氨产量的增加, 系统的压力也会降低, MIC-22关小时, 循环量就加大, 当MIC-22完全关闭时, 循环量最大。 (四) 氢氮比: 送往合成部分的新鲜合成气的氢氮比一般应维持在3.0: 1.0左右, 这是因为氢与氮是以3.0: 1.0的比例合成
9、为氨的, 可是必须指出: 在合成塔中的氢氮比不一定是3.0: 1.0, 已经发现合成塔内的氢氮比为2.53.0: 1.0时, 合成效率最高。为了使进入合成塔的混合气能达到最好的H2: N2比、 新鲜气中的氢氮比能够稍稍与3.0: 1.0不同。 (五) 惰性气体: 有一部分气体连续地从循环机的吸入端往吹出气系统放空, 这是为了控制甲烷及其它惰性气体的含量, 否则它们将在合成回路中积累使合成效率降低, 系统压力升高及生产能力下降。 (六) 新鲜气的: 单独把新鲜气的流量加大能够生产更多的氨并对上述条件有以下影响: I系统压力增长; II触媒床温度升高; III 惰性气体含量增加; H2: N2比可
10、能改变。 反之, 合成气量减少, 效果则相反。 在正常的操作条件下, 新鲜气量是由产量决定的, 但在, 合成部分进气的增加必须以工厂造气工序产气量增加为前提。 2、 合成反应的操作控制合成系统是从合成气体压缩机的山口管线开始的, 气体(氢氮比为3: l的混合气)的消耗量取决于操作条件、 触媒的活性以及合成同路总的生产能力, 被移去的或反应了的气体是由压缩机来的气体不断进行补充的, 如果新鲜气过量, 产量增至压缩机的极限能力, 新鲜气就在一段压缩之前从104-F吸入罐处放空, 如果气量不足, 压缩机就减慢, 回路的压力下降直至氨的产量降低到与进来的气量成平衡为止。为了改变合成回路的操作, 能够改
11、变一个或几个条件, 且较重要的控制条件如下: 新鲜气量 合成塔的入口温度 循环气量 氢一氮比 高压吹出气量 新鲜气的纯度 触媒层的温度 注意这里没有把系统的压力作为一个控制条件列出, 因为压力的改变常常是其它条件变化的结果, 以提高压力为唯一目的而不考虑其它效果的变化是很少的, 合成系统一般是这样操作的, 即把压力控制在极限值以下适当处, 把吹出气量减少到最小程度, 同时把合成塔维持在足够低的温度以延长触媒寿命, 在新鲜气量及放空气量正常以及合成温度适宜的条件下, 较低的压力一般是表明操作良好。 下面是影响合成回路各个条件的一些因素, 操作人员要注意检查它们的过程中是否有不正常的变化, 如果把
12、这些情况都弄清楚了, 操什人员就能够比较容易地对操作条件的变化进行解释, 这样, 她就能够改变一个或几个条件进行必要的调正。 合成塔的压力: 能单独地或综合地使用合成回路压力增加的主要因素有: ( 一) 新鲜气量增加; ( 二) 合成塔的温度下降; ( 三) 合成回路中的气体组成偏离了最适宜的氢氮比( 2.53.0: 1) ( 四) 循环气中氨含量增加; ( 五) 循环气中隋性气体含量增加: ( 六) 循环气量减少; ( 七) 由于合成气不纯引起触媒中毒( 八) 触媒衰老。反过来说, 与上述这些作用相反就会使压力降低。触媒的温度, 能单独地或综合地使触媒温度升高的主要因素有: (一) 新鲜气量
13、增加; (二) 循环气量减少; (三) 氢氮比比较接近于最适比值2.5-3.0: 1; (四) 循环气中氨含量降低; (五) 合成系统的压力升高; (六) 进入合成塔的冷气近路(冷激)流量减少; (七) 循环气中惰性气的含量降低; (八) 由于合成气不纯引起触媒暂时中毒之后, 接着触媒活性又恢复。 返过来说, 与上述这些作用相反就会使触媒的温度下降。 稳定操作时的最适宜温度就是使氨产量最高时的最低温度, 但温度还是要足够高以保证压力波动时操作的稳定性, 超温会使触媒衰老并使触媒的活性很快下降。 氢氮比: 能单独地或者综合地使循环气中的H2: N 2比变化的主要因素有: (一) 从转化及净化系统
14、来的合成气的组成有变化; (二) 新鲜气量变化: (三) 循环气中氨的含量有变化; (四) 循环气中惰性气的含量有变化。 进合成塔的循环气中氢氮比应控制在2.5-3.0: 1.0左右, 氢氮比变化太快会使温度发生急剧变化。 循环气中氨含量: 能单独地或综合地使合成塔进气氨浓度变化的因素有: (一) 高压氨分离器106- F前面的氨冷器中冷却程度的变化; (二) 系统的压力 予期的合成塔出口气中的氨浓度约为1 3.9, 循环气与新鲜气混合以后, 氨浓度变为4.1 5, 经过氨冷及1 06-F把氨冷凝和分离下来以后, 进合成塔时混合气中的氨浓度约为2.42。循环气中的循环惰性气含量: 循环气中惰性
15、气体的主要成份是氩及甲烷, 这些气体会逐步地积累起来而使系统的压力升高, 从而降低了合成气的有效分压, 反映出来的就是单程的合成率下降, 控制系统中惰性气体浓度的方法就是引出一部分气体经125-C与吹出气分离罐108-F后放空, 合成塔入口气中惰性气体(甲烷和氩)的设计浓度约为13.6(分子), 可是, 经验证明: 惰性气体的浓度再保持得高一些, 能够减少吹出气带走的氢气, 氮的总产量还能够增加。 从上面的合成氨操作的讨论中能够看出: 合成的效率是受这一节”(2)”开头部分列出的各种控制条件的影响的, 所有这些条件都是相互联系的, 一个条件发生变化对其它条件都会有影响, 因此好的操作就是要把操
16、作经验以及对影响系统操作的各种因素的认识这两者很好结合起来, 如果其中有一个条件发生了急剧的变化, 经验会作出判断为了弥补这个变化应当采取什么步骤, 从而使系统的操作保持稳定, 可能是任何变化都要缓慢地进行以防引起大的波动。 3、 合成触媒的性能 触媒的活化: 合成触媒是由融熔的铁的氧化物制成的, 它含有钾、 钙和铝的氧化物作为稳定剂与促进剂, 而且是以氧化态装到合成塔中去的, 在进行氨的生产以前, 触媒必须加以活化, 把氧化铁还原成基本上是纯的元素铁。 触媒的还原是在这样的条件下进行的: 即在氧化态的触媒上面通以氢气, 并逐步提高压力及温度, 氢气与氧化铁中的氧化合生成水, 在气体再次循环到
17、触媒床以前要尽可能地把这些水除净, 活化过程中的出水量触媒还原进展情况的一个良好的指标, 在还原的开始阶段生成的水量是很少的, 随着触媒还原的进行, 生成的水量就增加, 为促进触媒的还原需要采用相当高的温度并控制在一定的压力, 出水量会达到一个高峰, 然后逐步减少直至还原结束。 还原的温度应当始终保持在触媒的操作温度以下, 避免由于以下的原因而脱活, 即: (1)循环气中的水汽浓度过高, (2)过热, 可是温度太低, 触媒的还原就进行得太慢, 如果温度降得过分低, 还原就会停止。在触媒的还原期间, 压力与(或)压力变化的影响是一个关键, 当还原向下移动时, 如果各层触媒的活化是不均匀的, 则提
18、高压力就可能产生”沟流”: 即在触媒床的局部地方还原较彻底的触媒会促进氢与氮生成氮的反应, 反应放出的热量会使这局部触媒的温度变得太高而难以控制。触媒还原期间应当维持这样在压力: 即使还原能够均匀地进行而且在触媒床的同一个水平面上的温度差不要太大, 提高压力时, 生成氨的反应加速, 降低压力时, 生成氨的反应会减慢。 触媒的还原能够相当低的空速下进行, 可是空速愈高, 还原的时间愈短, 而且在较高的空速下能够消除沟流。 触媒还原期间, 合成气是循环经过合成塔的, 当反应已经开始进行时, 非常重要的是循环气要尽可能地加以冷却(但设备中不能结冰的危险), 把气体中的水份加以冷凝开除去以后再重新进入
19、合成塔, 否则, 水汽浓度高的气体将进入已经还原了的触媒床, 水蒸汽会使已经还原过的触媒和活性降低或中毒, 一旦合成氨的反应开始进行, 生成的氨就会使冰点下降, 这就能够在更低的温度下把气流中的水分除去。 精心控制触媒活化时的条件, 能够使还原均匀地进行, 这就有助于延长触媒的使用寿命。 合成触媒的还原是在工厂的原始开车时进行的, 推荐的指导程序见第三部分。 触媒的热稳定性: 即性是采用纯的合成气, 氨触媒也不能无限期地保持它的活性。一些数据表明, 采用纯的气体时, 温度低于550对触媒没有影响, 而当温度更高时, 就会损害触媒, 这些数据还表明: 经受过轻度过热的触媒, 在400时活性有所下
20、降, 而在500时, 活性不变, 可是应当着重指出: 不存在有这样一个固定的温度极限, 低于这个温度触媒就不受影响, 在温度一定, 可是压力与空速的条件变得苛刻时, 也会使触媒的活性比较快的降低。 触媒的衰老首先表现在温度较低、 压力与(或)空速较高的条件下操作时效率下降, 已经发现: 触媒的活性和开始时相比下降得越多, 则要进一步受到损坏所需要的时间就会越长或者所需要的条件也会越加苛刻。触媒的毒物: 合成气中能够使触媒和活性或寿命降低的化合物称为毒物, 这些物质一般能够与触媒的活性组份形成稳定程度不同的化合物, 永久性的毒物会使触媒的活性不可逆地永久下降, 这些毒物能够与触媒的活性分部形成稳
21、定的表面化合物, 另一些毒物能够使活性暂时下降, 在这些毒物从气体中除去以后, 在一个比较短的时间之内就能够恢复到原有的活性。 合成氨触媒最主要的毒物是氧的化合物, 这些化合物不能看作是暂时性毒物, 也不是永久性毒物, 当合成气中含有少量的氧化物, 例如CO时, 触媒的一些活性表面就与氧结合使触媒的活性降低, 当把这种氧的化合物从合成气中除去以后, 触媒就再一次完全还原, 可是并不能使所有的活性中心都完全恢复到原始的状态, 或者恢复到它的最初的活性, 因此, 氧的化合物能引起严重的暂时性中毒以及轻微的永久性中毒, 一般能使触媒中毒的氧的化合物有: 水蒸汽、 (H)、 CO2, 及分子02。其它
22、的重要的毒物有H2S( 永久性的) 及油雾的沉积物, 后者并不是真正的毒物, 可是由于触媒表面被复盖和堵塞, 它能使触媒的活性降低。 触媒的机械强度: 合成触媒的机械强度是很好的, 可是操作入员也不应该过份随便地对待, 错误的操作会引起十分急速的温度波动, 从而使触媒碎裂, 在触媒还原期间, 任何急剧的温度变化都应小心防止, 据认为在这个期间, 触媒对机械粉碎及急剧变化都是特别敏感的。 在工厂的原始开车期间, 合成触媒的还原是在工厂前面的工序已经接近于设计的条件和设计的流量时才进行的。 详细的触媒装填程序详见触媒生产厂, 氨合成塔的触媒装填方法。极其重要的是: 在触媒装填之前, 必须先进行一些
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