基于物質(zhì)-能量平衡優(yōu)化生產(chǎn)尿素的布朗工藝.pdf

1、氨合成是最重要的基礎化學工業(yè)之一。由于合成氨的生產(chǎn)能耗菲常高，約占世界化工生產(chǎn)總能耗的十分之一，進一步降低合成氨的生產(chǎn)能耗，已成為發(fā)展現(xiàn)代化工業(yè)需要重點考慮的問題。布朗(Braun)工藝以天然氣為原料，其關鍵在于合成氣的深冷精制，成功實現(xiàn)了造氣工段與氨合成工段的相對獨立，合成馳放氣的量非常小，合成氣利用率高。
　　本論文從物料平衡、能量平衡以及物質(zhì)/能量的協(xié)同匹配等三方面出發(fā)，分析布朗工藝中影響尿素單耗的關鍵因素，發(fā)現(xiàn):1）造氣工

2、段，空氣輸入二段轉(zhuǎn)化爐，用于提升爐溫、提供氮氣，存在物料與能量的不匹配，即為了滿足爐溫(800℃)的要求，氮氣過量，造成了公用工程的浪費;2）尿素合成工段，造氣工段提供的二氧化碳與氨合成工段理論氨產(chǎn)量不匹配，部分合成氣用作燃料氣，既浪費了公用工程，又降低了產(chǎn)能。
　　針對造氣工段中物質(zhì)/能量不能同時達到合理指標的問題，本文提出采用富氧空氣代替普通空氣強化二段轉(zhuǎn)化爐的改進方法，解決造氣工藝中氮氣過剩帶來的能耗較高的問題。通過物料衡算

3、可知，年產(chǎn)30萬噸合成氨的布朗工藝，造氣工藝中N2過量462 kmol/h，本文采用膜分離法制取21％～30％（摩爾分數(shù)）的富氧空氣，改善其質(zhì)能平衡，同時凈化器放空氣中的甲烷的濃度從16.5％增加37.22％。因此可將該股物流循環(huán)回一段轉(zhuǎn)化爐，以提高原料利用率。
　　針對造氣工段提供的二氧化碳不能滿足尿素合成工段需求的問題，本文提出利用工廠煙道氣中二氧化碳作為補充碳源的方法。通過物料衡算可知，年產(chǎn)30萬噸合成氨的布朗工藝生產(chǎn)尿素時

4、，過量合成氣為72.2 kmol/h，缺少CO2量為18.05 kmol/h，本文采用化學溶劑MSA法回收煙道氣中二氧化碳，提高合成氣利用率，減少排碳量。
　　本文對30萬噸/年布朗工藝進行模擬優(yōu)化:造氣工段優(yōu)化結果表明富氧膜選用PI膜，富氧膜原料側壓力為415 kPa，滲透側壓力為102kPa時，富氧成本最低;在凈化尾氣不循環(huán)工藝中，當富氧濃度為26.5％時，單位合成氣的成本最低，其值為32.51元/kmol,此時合成氣產(chǎn)量為5

5、350 kmol/h;循環(huán)利用凈化尾氣工藝，當富氧濃度調(diào)至29.09％時達到趨于穩(wěn)定，合成氣其值由34.49元/kmol降至30.91元/kmol，此時合成氣產(chǎn)量為5767kmol/h，顯然，此工藝較好; MSA法回收CO2作為合成尿素的補充碳源工藝，按造氣工段合成氣產(chǎn)量為5767 kmol/h時，CO2產(chǎn)量為86.1 kmol/h，其設備投資為26萬元/年，公用工程為5.745百萬元/年。經(jīng)過兩種方法優(yōu)化后，最終經(jīng)濟效益為509萬元/