化工分析与合成大作业
合 成 氨 反 应 流 程 的 模 拟 与 优 化
小组成员：化工1012，王敬尧，马骞 化工1010，崔淑敏，张冉
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小组成员分工：张冉，崔淑敏负责查资料 马骞负责建模以及论文的撰写 王敬尧负责建模和编程
摘要 .................................................................................................................................................. 3 1.绪论 ............................................................................................................................................... 4
1.1 我国合成氨工业的发展 ................................................................................................... 4 1.2 国际合成氨工业的发展 ................................................................................................... 4 1.3 世界合成氨工业能耗综述 ............................................................................................... 5 1.4 合成氨生产的典型流程 .................................................................................................... 6 1.5 影响合成塔性能的因素 ................................................................................................... 7 2 合成氨工艺的简化模拟过程 ....................................................................................................... 8
2.1 简化工艺流程图 ................................................................................................................ 8 2.2 单元模块的建立 ................................................................................................................ 8
2.2.1 气体混合计算 ......................................................................................................... 9 2.2.2 氨合成器计算 ......................................................................................................... 9
3. 模拟计算 .................................................................................................................................... 12
3.1 计算流程 .......................................................................................................................... 12 3.2 计算结果 .......................................................................................................................... 14 4. 写在最后 .................................................................................................................................... 14 附录 ................................................................................................................................................ 17
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摘要
氨是一种重要的化工原料，它在农业、工业、国防、医药、冶金等方面有着重要用途，同时对我国国民经济的发展也有重要的作用。合成氨工业是基础化学工业之一，其产量居各种化工产品的首位。氨合成塔是合成氨厂生产过程中的关键设备，其性能尽管主要取决于合成塔内件的结构，但其操作性能的好坏直接影响原料气和动力消耗的高低及设备性能的发挥。本文采用一维拟均相数学模型，即认为反应气体以活塞流通过催化床层，不存在径向流速分布和轴向流体的返混，将催化剂的中毒、衰老、还原等因素合并成校正系数，并且对反应器内催化剂床层建立了简化模型，并在此基础上对该塔的操作工况进行优化。
要阐明一维拟均相模型原理建模过程及求解模型所需的各种基础数据的求取方法，同时运用Matlab语言对一维拟均相模型进行模拟计算，确立最有回流气中的氢氮比。
关键词： 数学模型 氨合成塔 模拟 操作优化
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1.绪论
1.1 我国合成氨工业的发展
中国合成氨生产是在20世纪30年代开始的[1]，经过几十年的努力，我国已拥有多种原料、不同流程的大、中、小型合成氨厂1000多个1999年总产量为34．52Mt氨，居世界第一。我国的合成氨工业的发展可以分为如下几个阶段：恢复和新建中型氨厂、小型氨厂的发展、大型氨厂的崛起。至今32套引进装置中，原料为天然气、油田气的17套，石脑油5套、榨油7套，煤2套和尤里卡沥青1套，加上上海吴泾，成都的两套国产化装置，合成氨总能力为10．22Mt[2]。目前我国正大力推广先进合成氨技术和装置的国产化，积极开展热能回收利用，降低合成氨能耗，优化合成氨原料结构，合理布局，调整经济规模。我国百万合成氨工业科技工作者及生产大军，应对占世界人口近1／4的中国，应用科学技术更好地发挥土地、资源、环境条件的作用，为人类丰衣足食、绿化环境的美好生活， 在合成氨工业生产科学创造出辉煌业绩，以载入人类史册。 1.2 国际合成氨工业的发展[3,4,5,6,7]
自本世纪20年代第一座合成氨装置投产以来，到60年代中期，合成氨工业在欧洲、美国、日本等地区已发展到相当高的技术水平。美国Kellogg公司首先开发出以天然气为原料、日产干吨的大型合成氨装置，在美国投产后，使吨氨能耗达到42．0GJ的先进水平。与此同时，美国Braun公司、丹麦Topsoe公司、英国ICI公司、日本royo公司等世界各大制氨公司，也都积极从事制氨技术的开发工作，形成了与Kellogg公司工艺各具特色的工艺路线，如丹麦Topsoe公司和英国ICI公司在以轻油为原料的制氨技术方面，处于世界领先地位，这是合成氨工业发展史上第一次技术变革和飞跃。70年代中期，由于世界石油危机，能源价格不断上涨，严重冲击着世界石油危机，能源价格不断上涨，严重冲击着会成氨工业，造成成本上升、经济效益下降，在这种严峻的形势下，世界上各合成氨大公司都以节能为目标，竞相开发出各具特色的节能型新工艺流程，合成氨工业在80年代又经历了第二次突破性的技术变革。如美国Kellogg公司、Braun公司、KTI公司、丹麦ToPsoe公司、英国ICI公司、德国Uhde公司、意大利Montedson公司等都积极开发新流程及与新流程相适应的高效催化剂和新设备，借以提高制氨技术在世界上的竞争能力。同时，还积极采用新技术改造老装置，扩大原料来源，发展重油气化、煤气化技术，形成了合成氨生产技术的新特点。在80年代，合成氨装置的总能耗：以天然气为原料、采用蒸汽转化新工艺的吨氨能耗最低达到28GJ左右；以重油为原料、采用部分氧化新技术的吨氨能耗最低达到38GJ左右；以煤为原料采用部分氧化工艺的吨氨能耗最低达到48GJ左右。近几年，合成氨装置专利商在继续开发节能型新技术、新设备、新催化剂的同时，又在装置操作灵活性、生产可靠性、节省投资上取得了新进展，在用新技术改造旧装置扩大生产能力、提高装置运转效率、降低能耗方面也在不断努力开拓。
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迄今为止，Kellogg建的大型氨厂共有150多个，占世界生产能力的30％以上。最近几年，Kellogg又开发出以先进合成氨工艺（Kellogg Advanced Ammonia Process，简称KAAP)和转化换热系统(Kellogg Reform—ing Exchanger System，简称KRES)为代表的第二代合成氨工艺，被评价为合成氨工艺的重大突破。Kellogg于60年代初期在密西西比河建成新的合成氨厂，对原技术进行了改进，提高了产品质量，吨氨能耗降低到29．19GJ。但由于催化剂要求对设计的限制，开发低温低压下高活性的催化剂就成为一个十分重要的问题，Kellogg便从这里着手改进工艺。英国石油公司(BP)于1977年向Kellogg提供了一种新型氨催化剂体系，两公司在1979年进行初次接触，主要讨论了催化剂对合成氨生产的影响，签订一项联合开发新型不含铁的钌基催化剂合同，由BP公司负责新催化剂开发。Kellogg公司负责与萁霞褰的低能耗翕成氨工艺开发。 1.3 世界合成氨工业能耗综述
合成氨生产能耗大体上可队分为两大部分，即原料能耗和燃料能耗。加热用燃料、蒸汽、循环冷却水及机泵所耗动力等属于燃料能耗范畴。1997年全国大型合成氨平均综合能耗为32．32GJ/t，1998年平均为39．45GJ/t，略有上升，主要是新装置运行不够稳定，消耗偏高，而16个老厂的合成氨综合能耗均保持下降趋势，1997年平均为38．73GJ/t，同比下降0．59GJ/t，1998年降到38．53GJ/t。1995年Garl Fonk等人在美国开展了一项全国性合成氨厂的调查，接受调查的氨厂半数建于1980年以前，结果表明几乎所有的氨厂自1990年以来都进行过重大改造。七十年代我国倔起的大型合成氨工业，至今方兴未艾。己经投产的工厂不但在掌握技术方面各有所长，而且都毫不例外地实施过技术改进。在中国大型合成氨工业中，特别是早期投产的企业中，没有任何一家工厂保持着初期建设的原貌。
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