仿真（毕业）实习教学指导书

一、实习目的

仿真实习是毕业实习计划的组成部分，通过实习使学生了解化工生产一般特点、规律和工艺参数的控制，获得化工生产实践知识，培养运用化工专业理论知识，分析和解决实际问题的能力，为今后毕业论文（设计）和所从事的化工实际工作打下良好的实践基础。

二、实习要求

1.实习装置为合成氨生产仿真装置。要求了解并熟悉生产过程及控制，包括： 6） 生产方法和原理，原料、催化剂及产品特性；

7） 生产工艺流程（流程中设备、主副管线，过程操作和控制）； 8） 各工序工艺条件及控制：主要设备操作温度、压力和组成； 9） 主要设备型式、结构；

10） 主要设备及管线上的控制仪表及调节方法。 2.搜集信息途径

4） 听讲座（拟安排工艺及设备、仿真装置及操作等讲座）；

5） 现场实习：熟悉工艺流程、设备、及仿真软件操作，熟悉仿真模型； 6） 阅读实习指导书、流程图、设备图及其它文献资料。 三、实习内容

仿真实习的主要内容是：以河南化肥厂为原型的大型合成氨全流程仿真模型和以宁夏化工厂为原型的合成氨大工段DCS控制系统仿真软件。两者均以天然气为原料的合成氨工艺，通过仿真实习了解合成氨工艺原理与流程，掌握合成氨生产中的主要参数和DCS控制系统的操作。

以下为东方仿真软件的合成氨工艺流程。 (1) 合成氨装置转化工段 1 概述

转化工段包括下列主要部分:

原料气脱硫、原料气的一段蒸汽转化、转化气的二段转化、高变、低变、给水、炉水和蒸汽系统。

2 原料气脱硫

天然气中含有少量硫化物，这些硫化物可以使多种催化剂中毒而不同程度地使其失去活性，硫化氢能腐蚀设备管道。因此，必须尽可能地除去原料气中的各种硫化物。

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加氢转化主要指在加入氢气的条件下使原料气中有机硫转化为无机硫。加氢转化不能达到直接脱硫的目的，但经转化后就大大的利于硫的脱除。在有机硫转化的同时，也能使烯烃类加氢转化为烷氢类从而可减少下一工序蒸汽转化催化剂析炭的可能性。

在采用钴钼催化剂的条件下，主要进行如下反应： R-SH+H2=RH+H2S

R-S-R’+2H2=RH+R’H+H2S

C4H4S+4H2=C4H10+H2S RC=CR’+H2=RCH2-CH2R’

氧化锌是一种内表面积颇大，硫容较高的接触反应型脱硫剂。除噻吩及其衍生物外，脱除硫化氢及各种有机硫化物的能力极高，可将出口气中硫含量降至0.1PPm以下。

氧化锌脱硫反应：ZnO+H2S=ZnS+H2O

原料天然气在原料气预热器（141－C）中被低压蒸汽预热后，进入活性碳脱硫槽（101－DA、102－DA一用一备），进行初脱硫后，经压缩机（102－J）加压。在一段炉对流段低温段加热到230℃左右与103-J段来的氢混合后进入Co－Mo加氢和氧化锌脱硫槽（108－D）终脱硫后，天然气中的总硫≤0.1ppm。

3 原料气的一段蒸汽转化

经脱硫后的原料气的总硫含量降至0.1PPm以下，与水蒸汽混合后进行转化反应：

CH4 + H2O ＝ CO + 3H2

CnH2n+2 + nH2O ＝ nCO + （2n+1）H2

由于转化反应是吸热反应，在高温条件下有利于反应平衡及反应速度。在实际生产中，转化反应分别是一段炉和二段炉中完成。在一段炉中，烃类和水蒸气的混合气在反应管内镍催化剂的作用下进行转化反应，管外有燃料气燃烧供给反应所需热量，出一段炉转化气温度控制在800℃左右。

脱硫后的原料气与中压蒸汽混和后，经对流段高温段加热后，进入一段炉（101－B）的336根触媒反应管进行蒸汽转化，管外由顶部的144个烧嘴提供反应热，经一段转化后，气体中残余甲烷在10％左右。

4 转化气的二段转化

为了进一步转化，需要更高的温度。在二段炉中加入预热后的空气，利用H2

和O2的燃烧反应，产生高热，促使CH4进一步转化。

一段转化气进入二段炉（103－D），在二段炉中同时送入工艺空气，工艺空气来自空气压缩机（101－J）加入少量中压蒸汽并经对流段高温段预热，转化气中的H2和空气中的氧燃烧产生的热量供给转化气中的甲烷在二段炉触媒床中进一步转化，出二段炉的工艺气残余甲烷含量0.3％左右，经并联的两台第一废热锅炉回收热量，再经第二废热锅炉进一步回收余热后，送去变换。

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5 CO变换

经蒸汽转化后的工艺气含有12～15％的CO，变换工序的任务是使CO在有催化剂存在的条件下与水蒸汽反应：

CO + H2O ＝ CO2 + H2

这样即能把一氧化碳变为易于清除的二氧化碳，同时又可制得合成需要的原料氢。变换反应是一个可逆、放热、反应前后气体体积不变的化学反应。

整个变换过程是由高温变换和低温变换组成。高温变换所用的催化剂是以Fe3O4为活性组分的，它的活性温度在300℃以上（一般在350～430℃）。在此温度下，可以取得较高的反应速度，但不能达到较低的CO浓度。为了进一步取得较低的CO浓度，还要以铜为活性组分的催化剂作用下，进行低温变换。它的变换温度一般在200～250℃，这样的低温下，就能使CO的变换进行的比较彻底，可以使CO浓度降至0.3％以下。

由第二废热锅炉来的转化气约含有12－14％的CO，进入高变炉（104－DA），在高变触媒的作用下将部分CO转化成CO2，经高温变换后CO含量降到3％左右，然后经第三废热锅炉（103－C）回收部分热能，经换热器（104－C）进入低变炉（104－DB）在低变触媒的作用下将其余CO转化为CO2，出低变炉的工艺气中CO含量约为0.3％左右。

6 给水、炉水、蒸汽系统

合成氨装置开车时，将从界外引入3.8MPa、327℃的中压蒸汽约50T/H。辅助锅炉和废热锅炉所用的脱盐水从水处理车间引入，用并联的低变出口气加热器（106－C）和甲烷化出口气加热器（134－C）预热到100℃左右，进入除氧器（101－U）脱氧段，在脱氧段用低压蒸汽脱除水中溶解氧后，然后在储水段加入二甲基硐肟除去残余溶解氧。最终溶解氧含量小于7PPb。

除氧水加入氨水调节PH至8.5－9.2，经锅炉给水泵104－J/JA/JB经并联的合成气加热器（123－C），甲烷化气加热器（114－C）及一段炉对流段低温段锅炉给水预热盘管加热到295℃左右进入汽包（101－F），同时在汽包中加入磷酸盐溶液,汽包底部水经101－CA/CB、102－C、103－C、一段炉对流段低温段废热锅炉及辅助锅炉加热部分汽化后进入汽包，经汽包分离出的饱和蒸汽在一段炉对流段过热后送至103－JAT，经103－JAT抽出3.8MPa、327℃中压蒸汽，供各中压蒸汽用户使用。103－JAT停运时，高压蒸汽经减压，全部进入中压蒸汽管网，中压蒸汽一部分供工艺使用、一部分供凝汽透平使用，其余供背压透平使用，并产生低压蒸汽，供111－C、101－U使用，其余为伴热使用在这个工段中，缩合/脱水反应是在三个串联的反应器中进行的，接着是一台分层器，用来把有机物从液流中分离出来。

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图1 合成氨转化工段总图

(2)合成氨装置净化工段 1 脱碳

经变换工序后的工艺气，CO2含量一般在17％左右。本装置采用改良苯菲尔法脱除工艺气中的二氧化碳，吸收剂为碳酸钾溶液，溶液的吸收和再生可以用如下反应方程式表示：

K2CO3 + CO2 + H2O ＝ 2KHCO3 + 热量

这是一个可逆过程，脱碳溶液中K2CO3吸收了CO2生成KHCO3，KHCO3又在加热、减压的条件下放出CO2，重新变成K2CO3。前一个过程是吸收过程，后一个过程是再生过程。经过吸收塔的脱碳气体要求CO2小于0.1％；经过再生塔的CO2气体要求纯度大于98.5％。

从变换工序来变换气温度60℃，压力2.799MPa进入CO2吸收塔(101-E)下部，在吸收塔中经塔板逆流向上与塔顶加入的贫液（40℃）接触，脱去工艺气中所含二氧化碳，再经塔顶洗涤段后出CO2吸收塔，出吸收塔净化气在管路上由喷射器喷入变换气分离器(102-F)来的工艺冷凝液进一步洗涤，经净化气分离器(121-F)分离出喷入的工艺冷凝液，温度44℃，压力2.764MPa的气体去甲烷化工序，液体与变换冷凝液汇合去工艺冷凝液处理装置。

从CO2吸收塔塔底出来的富液（74℃）先经溶液换热器(109-CB)加热，再经溶液换热器(109-CA)进一步升温至105℃后，进入CO2汽提塔(102-E)顶部，102-E为筛板塔，共10块塔板，在CO2汽提塔中靠变换气煮沸器(105-CA.B)蒸汽煮沸器(111-C)提供的热量蒸发出大量水蒸汽，由下向上逐板汽提出溶液中的CO2，气体经过CO2汽提塔冷凝器(110-C)，再经CO2汽提塔回流液槽(103-F)分离出液体后，CO2气体送尿素装置。

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从CO2汽提塔底部出来的热贫液先经溶液换热器(109-CA)与富液换热降温后进贫液泵，经贫液泵(107-JA/JB/JC)升压后的贫液再经溶液换热器(109-CB)降温，并经贫液冷却器(108-C)进一步冷却至40℃左右进CO2吸收塔上塔。

从CO2汽提塔回流液槽底部出来的冷凝液，先经回流液泵(108-J)升压，一部分去冷凝液处理装置，另一部分去CO2吸收塔顶部洗涤净化气中夹带出的溶液，洗涤后的冷凝液回CO2汽提塔顶部进入系统。

图2 脱碳系统现场图

2 甲烷化

碳氧化物（CO、CO2）是合成触媒的毒物，在工业生产中要求入合成工序的氢氮气中的CO、CO2含量小于10PPm。在催化剂作用下将CO、CO2加氢反应生成对合成触媒无害甲烷。

在镍触媒存在的条件下，进行如下化学反应： CO + 3H2 ＝ CH4 + H2O + 206.16kJ/mol CO2 + 4H2 ＝ CH4 + 2H2O + 165.08kJ/mol

甲烷化反应是可逆强放热反应，温升很大，每反应1％CO，温升72℃左右；每反应1％CO2，温升60℃左右。因此，要严格控制低变出口CO含量及脱碳出口CO2含量再规定指标范围内，严防甲烷化触媒超温。

甲烷化装置的原料气来自脱碳装置，该原料气（44℃、2.76Mpa）先后经合成气一脱碳气换热器(136-C)预热至117.49℃、高变气—脱碳气换热器(104-C)加热到316℃，进入甲烷化炉(106-D)，炉内装有18m3、J-105型镍催化剂，气体自上部进入106-D，气体中的CO和CO2与H2反应生成CH4和H2O。甲烷化炉(106-D)的出口温度为363℃，依次经锅炉给水预热器(114-C)，甲烷化气脱盐水预热器(134-C)和水冷器(115-C)，温度降至40℃，甲烷化后的气体中CO和CO2含量降

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