化肥厂工艺反应原理简介

化肥厂生产装置工艺反应原理简介化肥厂技术科2008-12-15第一章合成氨装置工艺原理1、合成氨工艺反应机理化肥厂合成氨装置工艺采用烃类蒸汽转化法。整套工艺共有七个主反应，按照工艺流程顺序分别为钴钼加氢反应、氧化锌脱硫反应、转化反应（包括一段转化和二段转化反应）、变换反应（包括高温变换和低温变换反应）、脱碳反应、甲烷化反应、合成氨反应。合成氨装置的原料为油田伴生气、空气和水蒸气，这三种原料经过上述七个主反应最后生成产品氨。合成氨工艺主反应汇总表（按反应发生的前后顺序排列）反应顺序反应名称反应物反应方程式生成物反应目的反应部位所用催化剂第一步钴钼加氢反应有机硫和氢气R-SH+H2＝RH+H2SR-S-R'+2H2＝RH+R'H+H2SR-S-S-R'+3H2＝RH+R'H+2H2SC4H4S+4H2＝n-C4H10+H2SCOS+H2＝CO+H2SCS2+4H2＝CH4+2H2S烃类和硫化氢使原料油田伴生气中的有机硫转化为无机硫加氢反应器钴钼型催化剂第二步氧化锌脱硫反应硫化氢和氧化锌H2S+ZnO＝H2O(汽)+ZnS水蒸气和硫化锌脱除掉原料气中的硫化物防止其对后续工段的催化剂产生中毒反应脱硫反应器第三步转化反应（分为一段和二段转化）甲烷和水蒸气（一段转化反应物）CH4+H20(汽)＝CO+3H2-206.58KJ/moLCO+H2O(汽)＝CO2+H2+41.2KJ/moL一氧化碳、二氧化碳、氢制合成氨工段所需的氢气一段转化炉镍Ni，载体是Al2O3（见注①）甲烷和水蒸气氧气和氢气（二段转化反应物）CH4+H20(汽)＝CO+3H2-206.58KJ/moLCO+H2O(汽)＝CO2+H2+41.2KJ/moLH2+1/2O2＝H2O(汽)+242KJ/mol一氧化碳、二氧化碳、氢和水蒸气制氢气的同时引入合成氨工段所需的氮气（由于在此工段加入空气，所以引入氮气）二段转换炉镍Ni，载体是Al2O3第四步变换反应（分为高温变换和低温变换）（见注②）一氧化碳和水蒸气CO+H2O(汽)＝CO2+H2+41.2KJ/mol二氧化碳和氢使一氧化碳转化为二氧化碳以便在脱碳工段脱除碳氧化合物高、低温变换反应器高变催化剂为Fe3O4，低变催化剂为单质Cu第五步脱碳反应碳酸钾、二氧化碳和水吸收K2CO3＋CO2＋H2O＜＝＝＞2KHCO3＋热量再生碳酸氢钾脱除氮、氢气中的碳氧化合物防止其对合成氨催化剂产生中毒作用吸收塔和再生塔活化剂ACT-1第六步甲烷化反应一氧化碳、二氧化碳和氢气CO+3H2＝CH4+H2O+206.284KJ/molCO2+4H2＝CH4+2H2O+165.127KJ/mol甲烷和水使氮、氢气中剩余的微量碳氧化合物转化成对合成氨催化剂无毒副作用的甲烷气，防止其对合成氨催化剂产生中毒作用甲烷化反应炉镍Ni，载体是Al2O3第七步合成氨反应氮气和氢气0.5N2＋1.5H2＝NH3＋54.427KJ/mol液氨制产品液氨氨合成塔铁Fe注:①第三步转化反应分为一段和二段转化反应的原因是：如果要求在一段转化反应就使原料气中的甲烷完全转化为氢气、一氧化碳和二氧化碳，则必须要加大水碳比或者提高温度。前一种方法必将导致耗用过多的水蒸气，而后一种方法对于采用外加热方式的一段反应炉来说对设备材质的要求也会更高。因此在自热式的二段转化炉内通过气体自身燃烧放热，只需要在炉内做一层耐火衬里就能既解决高温对设备材料的要求又能增加反应温度，可使原料气中的甲烷完全转化，同时二段转化工段在加入空气助燃的同时又加入了合成氨反应所需的氮气。②第四步变换反应分为高温变换和低温变换反应的原因是：采用Fe3O4催化剂的高变反应只能使96-98%的一氧化碳转化为二氧化碳，要想使一氧化碳含量降低到0.2-0.5%的指标范围内，只有在单质铜催化剂存在下的低温变换反应才能达到，如果在高温变换反应中应用单质铜催化剂，由于单质铜催化剂较昂贵会增加催化剂的使用成本，而且由于单质铜催化剂的作用温度低将导致废热的利用价值降低。2、工艺流程简述油田伴生气加压至4.05MPa，经预热升温到371℃在脱硫工序脱硫后与水蒸汽混合，进入一段转化炉进行转化制H2反应，一段转化炉出来的转化气进入二段转化炉，在此引入空气，转化气在二段炉内燃烧掉一部分H2，放出热量以供进一步转化，同时获得N2。二段转化气经余热回收后，进入变换系统，气体中的CO与水蒸汽反应，生成CO2和H2，从变换系统出来的气体经脱碳、甲烷化后为合成氨提供纯净的氢氮混合气，氢氮混合气经压缩至14.0MPa，送入合成塔进行合成氨反应。油田气脱硫二段转化一段转化高变低变去高变产品氨甲烷化氨合成塔来自二段转化合成氨装置工艺流程简图CoMoZnOZnO一段炉二段炉吸收塔再生塔甲烷化炉高温变换炉低温变换炉纯度：≥99.9(W)含水：≤0.1(W)含油：≤5mg/L原料气压缩机加氢氨分离器合成氨产品CO2蒸气空气脱碳第二章尿素装置工艺原理1、尿素工艺反应机理化肥厂尿素装置采用二氧化碳汽提工艺生产尿素产品。尿素装置的原料为合成氨装置的产品液氨和二氧化碳。整套尿素工艺共有二个主反应，即液态NH3和CO2气生成氨基甲酸铵反应和氨基甲酸铵脱水生成尿素反应。原料氨和二氧化碳经过上述两个主反应后生成尿素装置产品尿素。尿素工艺主反应汇总表（按反应顺序排列）反应顺序反应名称反应物反应方程式生成物反应部位反应目的反应性质第一步氨基甲酸铵生成反应氨和二氧化碳2NH3(气)+CO2(气)=NH4COONH2(液)+119.2千焦/摩尔氨基甲酸铵高压甲铵冷凝器中压甲铵冷凝器低压甲铵冷凝器制成合成塔所需的氨基甲酸铵强放热反应第二步氨基甲酸铵脱水反应氨基甲酸铵NH4COONH2(液)=CO(NH2)2(液)+H2O(液)-15.5千焦/摩尔尿素和水高压合成塔生成产品尿素吸热反应尿素工艺副反应汇总表反应名称反应物反应方程式生成物反应部位反应性质尿素水解反应尿素和水NH2CONH2+H2O=2NH3+CO2氨和水水解系统水解塔吸热反应脱氢反应氧气和氢气2H2+O2=2H2O水脱氢反应器强放热反应尿素缩合反应尿素2CO(NH2)2=NH2CONHCONH2+NH3缩二脲和氨蒸发系统加热器吸热反应2、二氧化碳汽提工艺原理二氧化碳汽提法分离未反应物，是将合成反应液（包括尿素、氨基甲酸铵、氨和水）在与尿素合成过程相同的压力及较高的温度下与汽提气CO2逆流接触，将氨基甲酸铵分解成NH3和CO2并从合成液中分离出来。甲铵分解反应式：NH2COONH4(液)=2NH3(气)+CO2(气)由反应方程式可以看出当用纯CO2气进行汽提时，气相NH3的浓度几乎等于零，所以在任何压力下甲铵都能够完全分解。这也是为什么汽提分解甲铵可以在与合成尿素压力相同的条件下进行的原因。3、工艺流程简述尿素生产所需的原料液氨和CO2均来自化肥厂合成氨装置，两股物料经加压后送高压系统反应生成尿素溶液，然后尿素溶液经过中压精馏、低压精馏以及蒸发系统提浓后送往造粒塔顶部的造粒喷头进行喷淋造粒，在造粒塔底部形成尿素颗粒，最后送往成品装置进行包装成为成品尿素出厂。尿素工艺流程简图二氧化碳CO2气提塔高压甲铵冷凝器低压系统闪蒸槽尿液槽蒸发系统合成塔吸收塔洗涤器造粒塔液氨中压系统氨泵二氧化碳压缩机产品尿素放空4、长效尿素所用SODM添加剂的作用机理SODM是模拟SOD酶的简称，是由高纯氨基酸为原料合成。1）产品物性：PH值：呈中性至微碱性；热稳定性：≥250℃；在250℃以下不挥发、不分解；平均分子量：M：7000-8000；SODM产品在室温下溶于水，与纯水制成浓度为30%的制剂；SODM产品添加进尿素后，尿素的颜色变为淡黄色；SODM产品在尿素装置生产情况下对生产设备不具备腐蚀作用。在尿素产品的生产过程中，添加SODM制剂能够增加农作物产量，改进农作物产品质量，提高农作物抗逆性，减少尿素的使用量。2）SODM加入的工艺流程在配药槽内添加30%浓度的成品SODM制剂，使其充分溶解混合均匀，然后用计量泵经过流量计计量、手动调节后送入303-F储槽中，经过303-J尿液泵送入蒸发系统造粒。第三章水汽装置工艺原理水气装置有四个部分组成，即预处理装置、脱盐装置、循环水装置、快锅装置。下面分别对这四个装置的工艺原理进行阐述。1、预处理装置预处理装置采用石灰软化法对升压站来水进行处理，所加药剂有三种，按加药顺序为氯气、硫酸亚铁和石灰，加药剂地点为澄清池，源水经过预处理装置后OH-指标为0.5～1.2mmol/l，浊度≤12mg/l。下面以表格的形式对加药的目的和反应机理进行阐述。预处理装置加药剂种类及反应机理汇总表加药顺序反应名称反应目的反应机理反应方程式所加药剂第一步澄清池加氯气①杀灭、抑制微生物的生长。②同时防止设备的腐蚀和树脂的污染。①破坏原水中胶体的稳定性，分解长链复杂的有机物分子为短链简单的有机物分子，使它们在混凝剂的作用下易于除去。②把硫酸亚铁中的二价铁离子氧化成三价铁离子，起到助凝作用。2Fe2++CL2==2Fe3++2CL-氯气第二步澄清池加硫酸亚铁①除去水中的胶体物质，降低水中杂质①硫酸亚铁首先在氯气的氧化作用下，形成硫酸铁。②铁离子和氢氧根离子发生化学反应，形成氢氧化铁胶体。2Fe2++CL2==2Fe3++2CL-Fe3++3OH-==Fe（OH）3↓硫酸亚铁第三步澄清池加石灰①除去水中暂时硬度。②除去水中的二氧化碳及水中的胶体硅。①在水的预处理中，加入石灰水Ca（OH）2，主要是起到软化和助凝两个作用①去除暂时硬度，软化水质；Ca（OH）2+Ca（HCO3）2==2CaCO3↓+2H2O2Ca（OH）2+Mg（HCO3）2==2CaCO3↓+Mg（OH）2↓+2H2O②去除水中的CO2，减少腐蚀，提高水的PH值；CO2+Ca（OH）2==CaCO3↓+H2O③中和过量的混凝剂，并提高PH从而增加混凝剂的混凝效果，起到助凝剂的作用；4FeSO4+4Ca（OH）2+O2+2H2O==4CaSO4+4Fe（OH）3↓④去除水中的胶体硅，提高脱盐水制水批量；H2SiO3+Ca（OH）2==CaSiO3↓+H2O⑤去除镁盐，同时起到软化作用；MgCL2+Ca（OH）2==Mg（OH）2↓+CaCL2MgSO4+Ca（OH）2==Mg（OH）2↓+CaSO4石灰水Ca（OH）22、脱盐装置脱盐装置采用的是化学除盐，它主要是靠阴阳离子交换剂，除去水中的盐份。目前脱盐装置有三个系列，每个系列均由阳床、阴床和混床组成。脱盐装置的源水主要是合成工艺冷凝液、尿素蒸汽冷凝液和尿素水解水，源水经过脱盐装置后生产出较纯的脱盐水。下面以表格的方式阐述其工艺原理。脱盐装置反应机理汇总表源水流向设备名称反应目的反应机理反应方程式第一步阳床脱除水中的阳离子水通过阳离子交换剂时，水中的阳离子Ca2+、、、Mg2+、、Na+、K+等被离子交换剂吸附，而交换剂上可以交换的H+离子被置换到水中，并且和水中的阴离子生成相应的无机酸。1/2Ca2+1/2SO42-1/2Ca2+1/2SO42-RH+＋1/2Mg2+CL-=R1/2Mg2++H+CL-Na+HCO3-Na+HCO3-K+HSiO3-K+HSiO3-第二步阴床脱除水中的阴离子当含有无机酸的水，通过阴离子交换剂时，水中的阴离子如SO42-、CL-、HCO3-、HSiO3-等被交换剂所吸附，而交换剂上可交换离子OH-被置换于水中，并和水中H+结合成为H2O。1/2SO42-1/2SO42-ROH-＋H+CL-=RCL-＋H2OHCO3-HCO3-HSiO3-HSiO3-3、循环水装置循环水装置主要是对合成、尿素和橡胶装置的循环水进行冷却、过滤和稳定处理，然后把处理后的循环水送回合成、尿素和橡胶装置循环使用。循环水装置工艺较为简单，在循环水处理过程中需要在水质稳定处理部分加入两种药剂，即阻垢-缓蚀剂和杀菌剂。下面就这两种药剂的作用机理进行阐述。①阻垢-缓蚀剂循环水装置使用的阻垢-缓蚀剂HC-565A为有机磷配方，它可以提高结垢物质微粒表面电荷密度，增大排斥力，降低结晶速度，使结晶体结构畸变而