合成氨合成工段課程設(shè)計(jì)說明書

1、太原理工大學(xué)課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書課程設(shè)計(jì)題目：年產(chǎn)20萬噸合成氨合成工段工藝設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)采用中壓兩級分氨流程，年產(chǎn)20萬噸合成氨合成工段的工藝設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)配有設(shè)計(jì)說明書一份，圖紙二張。說明書內(nèi)容：原料氣來源、流程方案的確定、物料衡算、熱量衡算、設(shè)備選型及設(shè)計(jì)計(jì)算、車間布置、三廢”治理及綜合利用。二張圖紙：1.帶控制點(diǎn)的合成工段物料流程圖； 2.中壓合成塔的工藝裝配圖。學(xué)生應(yīng)交出的設(shè)計(jì)文件（紙質(zhì)及電子版）：1.設(shè)計(jì)說明書（首頁附設(shè)計(jì)任務(wù)書）2.工程設(shè)計(jì)圖（CAD版）（1）主要設(shè)備圖（2）工藝流程圖主要參考資料（電子版）：一手冊1. 小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊(上冊)，化學(xué)工業(yè)出版

2、社，1994。2. 小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊(下冊) 梅安華主編，化學(xué)工業(yè)出版社，1994。3. 氮肥工藝設(shè)計(jì)手冊 氣體壓縮 氨合成 甲醇合成，化學(xué)工業(yè)出版社，1989。4. 氮肥工藝設(shè)計(jì)手冊 理化數(shù)據(jù)分冊，石油化學(xué)工業(yè)出版社，1977。二參考文獻(xiàn)1中國環(huán)球化學(xué)工程公司編. 氮肥工藝設(shè)計(jì)手冊 M.19852郝曉剛等編著. 化工原理課程設(shè)計(jì). 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20093陳甘棠主編.化學(xué)反應(yīng)工程M. 第三版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社.1990（11）4黃璐. 化工設(shè)計(jì). 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20005陳五平主編.無機(jī)化工工藝學(xué).第三版. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，19856姜勝階.合成氨工學(xué)【

3、J】.石油化學(xué)工業(yè)出版社，1978（7）7湖北華工設(shè)計(jì)院.氨合成塔【J】.石油化學(xué)工業(yè)出版社，1977(12)8化學(xué)工業(yè)出版社組織編寫.中國化工產(chǎn)品大全M.第二版上卷.9司航主編.化工產(chǎn)品手冊M.第三版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社.10李祥君著.新編精細(xì)化工產(chǎn)品手冊M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社.1996.11萬家亮 曾勝年主編.分析化學(xué)M.第三版. 北京：高等教育出版社.2001（6）12天津化工研究院編.無機(jī)與工業(yè)手冊【M】.北京:化學(xué)工業(yè)出版，1988(2)13江壽建. 化工廠共用設(shè)施設(shè)計(jì)手冊. 北京：化工工業(yè)出版社，200014時 均等. 化學(xué)工程手冊. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，199615趙國方.

4、 化工工藝設(shè)計(jì)概論. 北京：原子能出版社，199016化工工程師手冊編輯委員會. 化學(xué)工程師手冊. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，200017陳敏恒等. 化工原理，上下冊. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，198518吳志泉等. 化工工藝計(jì)算，物料、能量衡算. 上海：華東理工大學(xué)出版社，199218倪進(jìn)方. 化工過程設(shè)計(jì). 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1999專業(yè)班級 化學(xué)工程與工藝0802班 學(xué)生 李林豪 組別 第四組 組員 李林豪 李旭 連文豪 馬楠 宋路華 要求設(shè)計(jì)工作起止日期 指導(dǎo)教師簽字 日期 系主任批準(zhǔn)簽字 日期 前 言化工設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生化工設(shè)計(jì)能力的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，通過課程設(shè)計(jì)使我們初步掌握化工設(shè)

5、計(jì)的基礎(chǔ)知識、設(shè)計(jì)原則及方法；學(xué)會各種手冊的使用方法及物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)的查找方法和技巧；掌握各種結(jié)果的校核，能畫出工藝流程、各類塔結(jié)構(gòu)等圖形。在設(shè)計(jì)過程中不僅要考慮理論上的可行性，還要考慮生產(chǎn)上的安全性、經(jīng)濟(jì)合理性。本設(shè)計(jì)就合成車間的工藝生產(chǎn)流程，著重介紹化工設(shè)計(jì)的基本原理、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、技巧和經(jīng)驗(yàn)。本說明書主要確定優(yōu)化的工藝流程、工藝條件、設(shè)備選型及其他非工藝專業(yè)等內(nèi)容。在全面介紹化工設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識上，重點(diǎn)闡述工藝流程設(shè)計(jì)、物料和能量衡算及車間布置等內(nèi)容，并結(jié)合工藝計(jì)算、工程經(jīng)濟(jì)，力求體現(xiàn)當(dāng)今化工設(shè)計(jì)的水平。合成氨生產(chǎn)任務(wù)設(shè)計(jì)決定了生產(chǎn)合成氨的規(guī)模，設(shè)備的要求以及工藝流程的狀況。本設(shè)計(jì)所采用

6、的方法是半水煤氣合成法，其主要原料是煤和氮?dú)猓妹簛砩蓺錃?，而本設(shè)計(jì)主要是對合成氨合成工段的設(shè)計(jì)，故所用原料直接采用氮?dú)夂蜌錃猓湟院铣伤橹饕O(shè)備，在氨冷器、水冷器、氣氣交換器、循環(huán)機(jī)、分離器、冷凝塔等輔助設(shè)備的作用下，以四氧化三鐵為觸媒，在485500的高溫條件下來制得氨氣。本設(shè)計(jì)要求要掌握合成塔的工作原理，生產(chǎn)的工藝路線，并能根據(jù)工藝指標(biāo)進(jìn)行操作計(jì)算。在工藝計(jì)算過程中，包含物料衡算，熱量衡算及設(shè)備選型計(jì)算等。生產(chǎn)的氨的用途和產(chǎn)生的三廢在本設(shè)計(jì)也有所提到，在合成效率方面也有進(jìn)一步研究。摘 要合成氨生產(chǎn)任務(wù)設(shè)計(jì)決定了生產(chǎn)合成氨的規(guī)模，設(shè)備的要求以及工藝流程的狀況。本設(shè)計(jì)所采用的方法是半水

7、煤氣合成法，其主要原料是煤和氮?dú)?，利用煤來生成氫氣，而本設(shè)計(jì)主要是對合成氨合成工段的設(shè)計(jì)，故所用原料直接采用氮?dú)夂蜌錃?，其以合成塔為主要設(shè)備，在氨冷器、水冷器、氣氣交換器、循環(huán)機(jī)、分離器、冷凝塔等輔助設(shè)備的作用下，以四氧化三鐵為觸媒，在485500的高溫條件下來制得氨氣。本設(shè)計(jì)要求要掌握合成塔的工作原理，生產(chǎn)的工藝路線，并能根據(jù)工藝指標(biāo)進(jìn)行操作計(jì)算。在工藝計(jì)算過程中，包含物料衡算，熱量衡算及設(shè)備選型計(jì)算等。生產(chǎn)的氨的用途和產(chǎn)生的三廢在本設(shè)計(jì)也有所提到，在合成效率方面也有進(jìn)一步研究。關(guān)鍵詞： 半水煤氣合成法 合成塔 催化劑 目錄符號說明6第一章 總 論71.1 概述71.2 氨的性質(zhì)71.2.1

8、 氨的物理性質(zhì)71.2.2 氨的化學(xué)性質(zhì)81.3 原料氣來源81.4 文獻(xiàn)綜述91.4.1 合成氨工業(yè)的發(fā)展91.4.2 合成氨工業(yè)的現(xiàn)狀91.4.3 合成氨工業(yè)的發(fā)展趨勢101.5 設(shè)計(jì)任務(wù)的項(xiàng)目來源10第二章 流程方案的確定112.1 生產(chǎn)原理112.2 各生產(chǎn)方法及特點(diǎn)112.3 工藝流程的選擇122.4 合成塔進(jìn)口氣的組成14第三章 工藝流程簡述163.1 合成工段工藝流程簡述163.2 工藝流程方框圖17第四章 工藝計(jì)算184.1 物料衡算：18設(shè)計(jì)要求：18計(jì)算物料點(diǎn)流程圖：18合成塔入口氣組分：19合成塔出口氣組分：20氨分離器氣液平衡計(jì)算：21冷交換器氣液平衡計(jì)算：23液氨貯槽

9、氣液平衡計(jì)算：24液氨貯槽物料計(jì)算：27合成系統(tǒng)物料計(jì)算:28合成塔物料計(jì)算：30水冷器物料計(jì)算：31氨分離器物料計(jì)算：32冷交換器物料計(jì)算：33氨冷器物料計(jì)算：344.1.16 冷交換器物料計(jì)算：36液氨貯槽物料計(jì)算:384.2 熱量衡算：41冷交換器熱量計(jì)算：41氨冷凝器熱量衡算：44循環(huán)機(jī)熱量計(jì)算：47合成塔熱量衡算：49廢熱鍋爐熱量計(jì)算：52熱交換器熱量計(jì)算：53水冷器熱量衡算：54氨分離器熱量核算：56第五章 設(shè)備選型及設(shè)計(jì)計(jì)算585.1 合成塔催化劑層設(shè)計(jì)：585.2 廢熱鍋爐設(shè)備工藝計(jì)算：60計(jì)算條件60管內(nèi)給熱系數(shù)的計(jì)算60管外給熱系數(shù)64傳熱總系數(shù)K64傳熱溫差64傳熱面積6

10、55.3 熱交換器設(shè)備工藝計(jì)算:65計(jì)算條件65管內(nèi)給熱系數(shù)的計(jì)算66管外給熱系數(shù)68總傳熱系數(shù)72傳熱面積核算725.4 水冷器設(shè)備工藝計(jì)算：73計(jì)算條件73管內(nèi)給熱系數(shù)的計(jì)算74管外給熱系數(shù)76傳熱溫差76傳熱總系數(shù)K765.5 氨冷器設(shè)備工藝計(jì)算:77計(jì)算條件77管內(nèi)給熱系數(shù)的計(jì)算78傳熱總系數(shù)K81傳熱溫差81傳熱面積82第六章 車間布置84第七章“三廢”治理及綜合利用857.1 “三廢”的產(chǎn)生及污染85廢氣污染危害85廢水污染危害86工業(yè)廢渣對環(huán)境的污染877.2 “三廢”治理原則87結(jié)束語88參考文獻(xiàn)：89附錄：90物料衡算匯總表90熱量計(jì)算點(diǎn)圖93符號說明 第一章 總 論1.1

11、概述氨是一種重要的含氮化合物。氮是蛋白質(zhì)質(zhì)中不可缺少的部分，是人類和一切生物所必須的養(yǎng)料；可以說沒有氮，就沒有蛋白質(zhì)，沒有蛋白質(zhì)，就沒有生命。大氣中存在有大量的氮，在空氣中氨占78（體積分?jǐn)?shù)）以上，它是以游離狀態(tài)存在的。但是，如此豐富的氮，通常狀況下不能為生物直接吸收，只有將空氣中的游離氮轉(zhuǎn)化為化合物狀態(tài)，才能被植物吸收，然后再轉(zhuǎn)化成人和動物所需的營養(yǎng)物質(zhì)。把大氣中的游離氮固定下來并轉(zhuǎn)變?yōu)榭杀恢参镂盏幕衔锏倪^程，稱為固定氮。目前，固定氮最方便、最普通的方法就是合成氨，也就是直接由氮和氫合成為氨，再進(jìn)一步制成化學(xué)肥料或用于其它工業(yè)。在國民經(jīng)濟(jì)中，氨占有重要地位，特別是對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有著重大意義。

12、氨主要用來制作化肥。液氨可以直接用作肥料，它的加工產(chǎn)品有尿素、硝酸銨、氯化氨和碳酸氫氨以及磷酸銨、氮磷鉀混合肥等。氨也是非常重要的工業(yè)原料，在化學(xué)纖維、塑料工業(yè)中，則以氨、硝酸和尿素作為氮元素的來源生產(chǎn)己內(nèi)酰胺、尼龍-6、丙烯腈等單體和尿醛樹脂等產(chǎn)品。由氨制成的硝酸，是各種炸藥和基本原料，如三硝基申苯，硝化甘油以及其它各種炸藥。硝酸銨既是優(yōu)良的化肥，又是安全炸藥，在礦山開發(fā)等基本建設(shè)中廣泛應(yīng)用。氨在其他工業(yè)中的應(yīng)用也非常廣泛。在石油煉制、橡膠工業(yè)、冶金工業(yè)和機(jī)械加工等部門以及輕工、食品、醫(yī)藥工業(yè)部門中，氨及其加工產(chǎn)品都是不可缺少的。例如制冷、空調(diào)、食品冷藏系統(tǒng)大多數(shù)都是用氨作為制冷劑。1.2

13、氨的性質(zhì)1.2.1 氨的物理性質(zhì) 氨在常溫下是無色氣體，比空氣輕，具有刺激性臭味，能刺激人體感官粘膜空氣中，含氨大于0.01時即會引起人體慢性中毒。 氣態(tài)氨易溶于水，成為氨水，氨水呈弱堿性。氨在水中的溶解度隨壓力增大而降低。氨水在溶解時放出大量熱。氨水中的氨極易揮發(fā)。常壓下氣態(tài)氨需冷卻到-33.35 （沸點(diǎn)）才能液化。而在常溫下需加壓到0.87MPa時才能液化。液氨為無色液體，氣化時吸收大量的熱。1.2.2 氨的化學(xué)性質(zhì) 氨與氧在催化劑作用下生成氮的氧化物,并能進(jìn)一步與水作用,制得硝酸： 氨與酸或酐反應(yīng)生成鹽類,是制造氮肥的基本反應(yīng)： 氨與二氧化碳作用生成氨基甲酸銨,進(jìn)一步脫水成為尿素： 氨與

14、二氧化碳和水作用,生成碳酸氫銨： (5) 氨可與鹽生成各種絡(luò)合物，如CuCl26NH3、CuSO44NH3。氨與空氣(或氧)的混合氣,在一定濃度范圍內(nèi)能發(fā)生劇烈的氧化作用而爆炸。在常溫常壓下，氨與空氣爆炸極限為15%28%(NH3)。100，0.1 MPa下，爆炸極限為14.5%29.5%(NH3)。1.3 原料氣來源原料氣主要有兩部分：氮?dú)?、氫氣。氮?dú)庵饕菑目諝庵刑崛?。氫氣是從半水煤氣中提取的，以煤為原料，在一定的高溫條件下通入空氣、水蒸氣或富氧空氣-水蒸氣混合氣，經(jīng)過一系列反應(yīng)生成含有一氧化碳、二氧化碳、氫氣、氮?dú)?、及甲烷等混合氣體的過程。在氣化過程中所使用的空氣、水蒸氣或富氧空氣-水蒸

15、氣混合氣等稱為汽化劑。這種生成的混合氣稱為煤氣。煤氣的成分取決于燃料和汽化劑的種類以及進(jìn)行汽化的條件。根據(jù)所用汽化劑的不同，工業(yè)煤氣可分為下列四種：空氣煤氣：以空氣為汽化劑制取的煤氣，又稱為吹風(fēng)氣。水煤氣：以水蒸氣（或水蒸氣與氧的混合氣）為汽化劑制取的煤氣。混合煤氣：以空氣和適量的水蒸氣為汽化劑制取的煤氣，一般作燃料用。半水煤氣：是混合煤氣中組成符合（H2+CO）/N2=3.13.2的一個特例?？捎谜魵馀c適量的空氣或蒸氣與適量的富養(yǎng)空氣為汽化劑制得，也可用水煤氣與吹風(fēng)混合配制。本設(shè)計(jì)采用半水煤氣，半水煤氣經(jīng)過凈化后得到純凈的氫氣，再配制適量的氮?dú)?，成為合成氨的原料氣，其中含有氮?dú)?、氫氣、以及?/p>

16、性氣體甲烷和氬。1.4 文獻(xiàn)綜述合成氨工業(yè)是氮肥工業(yè)的基礎(chǔ)，也是一些工業(yè)部門的重要原料，它的迅速發(fā)展促進(jìn)了一系列科學(xué)技術(shù)和化學(xué)合成工業(yè)的發(fā)展，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，合成氨工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中的作用必將日益顯著。1.4.1 合成氨工業(yè)的發(fā)展 合成氨工業(yè)在20世紀(jì)初期形成，開始用氨作為火炸藥工業(yè)的原料，為戰(zhàn)爭服務(wù);第一次世界大戰(zhàn)結(jié)束后,轉(zhuǎn)向?yàn)檗r(nóng)業(yè)、工業(yè)服務(wù)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對氨的需要量日益增長，近30年來合成氨工業(yè)發(fā)展很快。目前，國內(nèi)合成氨年生產(chǎn)能力30萬噸以上的大型企業(yè)有26家，合成氨年生產(chǎn)能力10萬噸以上的中型企業(yè)有100多家，其他還有800多家小氮肥廠也生產(chǎn)約占總量60%的合成氨。1.4.2

17、合成氨工業(yè)的現(xiàn)狀我國合成氨工業(yè)存在一些特殊問題，一是氮肥資源緊張。國際上以天然氣為原料的氮肥占85%。而我國氮肥原料以煤為主，天然氣僅占20%，我國氮肥行業(yè)急需解決采用成熟的粉煤氣化技術(shù)，以本地粉煤代替無煙塊煤。建議針對不同企業(yè)采用不同的技術(shù)路線。內(nèi)技術(shù)進(jìn)行改造。同時，對于有廉價天然氣資源的地區(qū)，鼓勵采用天然氣改造現(xiàn)有裝置或建設(shè)天然氣化肥基地。二是企業(yè)結(jié)構(gòu)不合理，產(chǎn)業(yè)集中度低，技術(shù)水平不高。在氮肥行業(yè)，要推廣新型煤氣化技術(shù)，包括粉煤氣化、水煤漿氣化技術(shù)等；新型凈化技術(shù)，如低溫變換、低溫甲醇洗MDEA等凈化技術(shù)；新型氨合成塔及大型低壓合成的成套技術(shù)和裝備。1.4.3 合成氨工業(yè)的發(fā)展趨勢合成氨工

18、業(yè)的發(fā)展趨勢: 原料路線的變化方向。煤的儲量約為石油、天然氣總和的10倍，自從70年代中東石油漲價后,從煤制氨路線重新受到重視,但因以天然氣為原料的合成氨裝置投資低、能耗低、成本低的緣故,預(yù)計(jì)到20世紀(jì)末,世界大多數(shù)合成氨廠仍將以氣體燃料為主要原料。節(jié)能和降耗。合成氨成本中能源費(fèi)用占較大比重，合成氨生產(chǎn)的技術(shù)改進(jìn)重點(diǎn)放在采用低能耗工藝、充分回收及合理利用能量上，主要方向是研制性能更好的催化劑、開發(fā)新的原料氣凈化方法、降低燃料消耗、回收和合理利用低位熱能等。與其他產(chǎn)品聯(lián)合生產(chǎn)。合成氨生產(chǎn)中副產(chǎn)大量的二氧化碳，不僅可用于冷凍、飲料、滅火，也是生產(chǎn)尿素、純堿、碳酸氫銨的原料。到2010年，力爭組建5

19、0家大型企業(yè)集團(tuán)，大型氮肥廠合成氨平均規(guī)模達(dá)40萬噸/年以上，中型氮肥廠平均規(guī)模達(dá)20萬噸/年以上。其產(chǎn)品集中度達(dá)到50%，并形成3-5家在國際上有一定影響的大型企業(yè)集團(tuán)。同時，調(diào)整企業(yè)結(jié)構(gòu)，減少基礎(chǔ)肥料生產(chǎn)廠數(shù)量，提高單套裝置的規(guī)模，使合成氨工業(yè)朝現(xiàn)代化又邁進(jìn)一步。 1.5 設(shè)計(jì)任務(wù)的項(xiàng)目來源本課題是指導(dǎo)老師提高畢業(yè)生設(shè)計(jì)能力而選定的。希望通過此次課程設(shè)計(jì)讓學(xué)生可以較好地把理論學(xué)習(xí)中的分散知識點(diǎn)和實(shí)際生產(chǎn)操作有機(jī)結(jié)合起來，得到較為合理的設(shè)計(jì)成果，達(dá)到課程設(shè)計(jì)訓(xùn)練的目的，提高學(xué)生分析和解決化工實(shí)際問題的能力。 第二章 流程方案的確定2.1 生產(chǎn)原理氨是由氣態(tài)氮和氫在適宜溫度壓力,并有觸媒的作用

20、下發(fā)生反應(yīng)的,其反應(yīng)式為： 此式為一不可逆，放熱，體積縮小的反應(yīng)，其反應(yīng)過程為： 氨合成的反應(yīng)特點(diǎn)： 反應(yīng)過程要在高壓下進(jìn)行，壓力越高，越有利于氨的合成。 溫度低時，反應(yīng)有利于向氨合成的方向進(jìn)行，但反應(yīng)速度較慢，提高溫度不利于反應(yīng)平衡，但可以加快反應(yīng)速度，在實(shí)際操作中，溫度的選擇取決于觸媒的活性。 必須借助觸媒，以加快反應(yīng)速度。 混合氣中氫、氮含量越高越有利于反應(yīng)，因此，氣體中惰性氣體含量越少越好。 2.2 各生產(chǎn)方法及特點(diǎn)合成氨的生產(chǎn)主要包括三個步驟 ：第一步是造氣，即制備含有氫、氮的原料氣；第二步是凈化，不論選擇什么原料，用什么方法造氣，都必須對原料氣進(jìn)行凈化處理，以除去氫、氮以外的雜質(zhì)；

21、第三步是壓縮和合成，將純凈的氫、氮混合壓縮到高壓，在鐵催化劑與高溫條件下合成為氨。目前氨合成的方法，由于采用的壓力、溫度和催化劑種類的不同，一般可分為低壓法、中壓法和高壓法三種。(1) 低壓法 操作壓力低于20 MPa的稱低壓。采用活性強(qiáng)的亞鐵氰化物作催化劑，但它對毒物很敏感，所以對氣體中的雜質(zhì)（CO、CO2）要求十分嚴(yán)格。也可用磁鐵礦作催化劑，操作溫度450550 。該法的優(yōu)點(diǎn)是由于操作壓力和溫度較低，對設(shè)備、管道的材質(zhì)要求低、生產(chǎn)容易管理，但低壓法合成率不高，合成塔出口氣體中含氮約810，所以催化劑的生產(chǎn)能力比較低；同時由于壓力低而必須將循環(huán)氣降至-20的低溫才能使氣體中的氨液化，分離比較

22、完全，所以需要設(shè)置龐大的冷凍設(shè)備，使得流程復(fù)雜，且生產(chǎn)成本較高。(2) 高壓法 操作壓力為60 MPa 以上的稱為高壓法，其操作溫度大致為550650 。高壓法的優(yōu)點(diǎn)是，氨合成的效率高，合成氨出口氣體中含氨達(dá)2530，催化劑的生產(chǎn)能力較大。由于壓力高，一般用水冷的方法氣體中的氨就能得到完全的分離，而不需要氨冷。從而簡化了流程；設(shè)備和流程比較低緊湊，設(shè)備規(guī)格小，投資少，但由于在高壓高溫下操作，對設(shè)備和管道的材質(zhì)要求比較高。合成塔需用高鎳優(yōu)質(zhì)合金鋼制造，即使這樣，也會產(chǎn)生破裂。高壓法管理比較復(fù)雜，特別是由于合成率高，催化劑層內(nèi)的反應(yīng)熱不易排除而使催化劑長期處于高溫下操作，容易失去活性。(3) 中壓

23、法 操作壓力為2035 MPa的稱為中壓法，操作溫度為450550 。中壓法的優(yōu)缺點(diǎn)介于高壓法與低壓法中間，但從經(jīng)濟(jì)效果來看，設(shè)備投資費(fèi)用和生產(chǎn)費(fèi)用都比較低。氨合成的上述三種方法，各有優(yōu)缺點(diǎn)，不能簡單的比較其優(yōu)劣。世界上合成氨總的發(fā)展趨勢多采用中壓法，其壓力范圍多數(shù)為3035 MPa。本設(shè)計(jì)采用中壓法，操作壓力為32 MPa。2.3 工藝流程的選擇合成氨的生產(chǎn)工藝條件必須滿足產(chǎn)量高，消耗低，工藝流程及設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，操作方便及安全可靠等要求。決定生產(chǎn)條件最主要的因素有操作壓力、反應(yīng)溫度、空間速度和氣體組成等。(1) 最適宜的操作壓力 氨合成反應(yīng)是氣體體積縮小的反應(yīng)，提高壓力有利于反應(yīng)平衡向右移動

24、。壓力增加平衡常數(shù)增大，因而平衡氨含量也增大。所以，提高壓力對氨合成反應(yīng)的平衡和反應(yīng)速度都有利，在一定空速下，合成壓力越高，出口氨濃度越高，氨凈值越高，合成塔的生產(chǎn)能力也越大。氨合成壓力的高低，是影響氨合成生產(chǎn)中能量消耗的主要因素之一。主要能量消耗包括原料氣壓縮功、循環(huán)氣壓縮功和氨分離的冷凍功。提高操作壓力，原料氣壓縮功增加，合成氨凈值增高，單位氨所需要的循環(huán)氣量減少，因而循環(huán)氣壓縮功減少，同時壓力高也有利于氨的分離，在較高氣溫下，氣氨即可冷凝為液氨，冷凍功減少。但是壓力高時，對設(shè)備的材料和制造的要求均高。同時，高壓下反應(yīng)溫度一般較高，催化劑使用壽命也比較短，操作管理比較困難。所以要根據(jù)能量消

25、耗、原料費(fèi)用、設(shè)備投資等綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果來選擇操作壓力。目前我國中小型合成氨廠合成操作壓力大多采用2032 MPa。(2) 最適宜的反應(yīng)溫度 合成氨反應(yīng)是一個可逆放熱反應(yīng)，當(dāng)溫度升高時，平衡常數(shù)下降，平衡氨含量必定減少。因此從化學(xué)平衡角度考慮，應(yīng)盡可能采用較低的反應(yīng)溫度。實(shí)際生產(chǎn)中還要考慮反應(yīng)速率的要求。為了提高反應(yīng)速率，必須使用催化劑才能實(shí)現(xiàn)氨合成反應(yīng)。而催化劑必須在一定的溫度范圍內(nèi)才具有活性，所以氨合成反應(yīng)溫度必須維持在催化劑的活性范圍內(nèi)。合成氨生產(chǎn)所用的催化劑活性溫度在400500 。反應(yīng)溫度不能低于活性溫度，在活性溫度范圍內(nèi)選用較低溫度，也有利于延長催化劑的使用壽命。在合成氨生產(chǎn)過程中

26、，對應(yīng)于任意一個瞬時轉(zhuǎn)化率都存在一個最大的反應(yīng)速率的溫度，即最佳溫度。就整個反應(yīng)過程來說，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，轉(zhuǎn)化率不斷增加，最佳溫度隨轉(zhuǎn)化率增加而降低。在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)盡可能沿著最佳溫度曲線進(jìn)行。反應(yīng)溫度的控制還與催化劑的使用時間有關(guān)。新的催化劑因活性比較高，可采用較低的溫度。在中期活性降低，操作溫度應(yīng)比初期適當(dāng)提高810 。催化劑使用到末期，活性因衰老而減弱，應(yīng)再適當(dāng)提高溫度。(3) 空間速度 空間速度反映氣體與催化劑接觸時間的長短。空間速度增加，氣體與催化劑接觸時間減少，反應(yīng)物來不及反應(yīng)就離開了反應(yīng)區(qū)域，因此將是合成塔出口氣體中氨含量降低，即氨凈值降低。但由于氨凈值降低的程度比空間速度的增大

27、倍數(shù)要少，所以當(dāng)空間速度增加時，合成氨的產(chǎn)量也有所增加。在其他條件一定時，增加空間速度能提高合成氨的生產(chǎn)強(qiáng)度。但空間速度增大，將使系統(tǒng)阻力增加，壓縮循環(huán)氣功耗增加，分離氨所需的冷凍量也增大，因此冷凍功耗增加。同時，單位循環(huán)氣量的產(chǎn)氨量減少。但在一定限度內(nèi)，其他條件不變，增加空間速度，合成氨產(chǎn)量增加，單位時間所得的總反應(yīng)熱增多，通過水冷器和氨冷器的氣體流量增大，需要移走的熱量增多，導(dǎo)致冷凝器的冷卻面積要相應(yīng)增大，否則就不能將高流速氣體中的氨冷凝下來。此外，空間速度增大，使出塔氣體中氨的百分含量降低，為了使氨從混合氣中冷凝分離出來，必須降低出塔氣體溫度，這樣就要消耗更多的冷凍量，導(dǎo)致冷凍功耗增加。

28、 綜合以上各方面的考慮，空間速度的增加是有限度的。目前，國內(nèi)一些小型合成氨廠合成壓力在30 MPa左右的，空間速度選擇在20003000每小時之間。 工業(yè)上采用的氨合成工藝流程雖然很多，而且流程中設(shè)備結(jié)構(gòu)操作條件也各有差異，但實(shí)現(xiàn)氨合成過程的基本步驟是相同的，都必須包括以下幾個步驟：氮、氫原料氣的壓縮并補(bǔ)充到循環(huán)系統(tǒng)；循環(huán)氣的預(yù)熱與氨的合成；氨的分離；熱能的回收利用；對未反應(yīng)氣體補(bǔ)充壓力，循環(huán)使用；排放部分循環(huán)氣以維持循環(huán)氣中惰性氣體的平衡等。 流程設(shè)計(jì)在于合理地配置上述幾個步驟，以便得到較好的技術(shù)效果，同時在生產(chǎn)上穩(wěn)定可靠。 從氫氮混合氣體中分離氨的方法大致有兩種：水吸收法、冷凝法。本設(shè)計(jì)采

29、用冷凝法。一般含氨混合氣體的冷凝分離是經(jīng)水冷卻器和氨冷囂二步實(shí)現(xiàn)的。液氨在氨分離器中與循環(huán)氣體分開，減壓送入貯槽。貯槽壓力一般為1.61.8 MPa，此時，冷凝過程中溶解在液氨中的氫、氮及惰性氣體大部分可減壓釋放出來，即弛放氣。2.4 合成塔進(jìn)口氣的組成合成塔進(jìn)口氣體組成包括氫氮比、惰性氣體含量和塔進(jìn)口氨含量。(1) 氫氮比 當(dāng)氫氮比為3:1時，對于氨合成反應(yīng)可以獲得最大的平衡氨濃度，但從動力學(xué)角度分析，最適宜氫氮比隨著氨含量的變化而變化。從氨的合成反應(yīng)動力學(xué)機(jī)理可知，氮的活性吸附是合成氨反應(yīng)過程速度的控制步驟，因此適當(dāng)提高氮?dú)鉂舛?，對氨合成反?yīng)速度有利。在實(shí)際生產(chǎn)中，進(jìn)塔氣體的氫氮比控制在2

30、.82.9比較適宜。(2) 惰性氣體在混合氣體中含有甲烷和氬氣等，統(tǒng)稱為惰性氣體。惰性氣體不參與反應(yīng)，也不毒害催化劑，但由于他們的存在會降低氫氮比的分壓。無論從化學(xué)平衡還是動力學(xué)角度分析，他們都是有弊無利的，導(dǎo)致氨的生產(chǎn)率下降。 惰性氣體來源于新鮮氣，隨著合成反應(yīng)的進(jìn)行，它們不參與反應(yīng)而在系統(tǒng)中積累，這樣合成系統(tǒng)中惰性氣體越來越多，為了提高氨的合成率，必須不斷在循環(huán)氣中將它們排放出去。排放量多，可以使合成系統(tǒng)惰性氣體含量降低，氨的合成率提高。但是氫氮?dú)夂筒糠职币搽S之排放，造成一定損失，故循環(huán)氣體中惰性氣體的控制含量不能過高也不能過低。循環(huán)氣體中惰性氣體的控制還與操作壓力和催化劑活性有關(guān)。操作壓

31、力比較高，及催化劑活性比較好時，惰性氣體的含量可以高一些。相反，則要控制低一些。由于原料氣的制備與凈化方法不同，新鮮氣體中惰性氣體的含量也不同。在生產(chǎn)中，一般要保持新鮮氣中含惰性氣體的體積分?jǐn)?shù)在0.5%1.0%之間，并控制循環(huán)氣中惰性氣體的體積分?jǐn)?shù)在10%15%之間。(3) 塔進(jìn)口氨含量 進(jìn)塔氣體中氨的含量，主要決定于氨分離時的冷凝溫度和分離效率。冷凝溫度越低，分離效果越好，則進(jìn)塔氣體中氨含量也就越低。降低進(jìn)口氨含量，可加快反應(yīng)速度，提高氨凈值和生產(chǎn)能力。但將進(jìn)口氨含量降的過低，會導(dǎo)致冷凍功耗增加過多，經(jīng)濟(jì)上并不可取。進(jìn)口氨含量還與合成操作壓力和冷凝溫度有關(guān)。壓力高，氨合成反應(yīng)速度快，進(jìn)口氨含

32、量可適當(dāng)控制高一些；壓力低，為保持一定的反應(yīng)速度，進(jìn)口氨含量可適當(dāng)控制低一些。綜合考慮的結(jié)果，一般中小型合成氨廠當(dāng)操作壓力在30 MPa左右時，塔進(jìn)口氨含量約控制在2.5%3.5%之間。對于壓力在15 MPa的合成氨廠，一般應(yīng)控制在2.0%左右。本設(shè)計(jì)中塔進(jìn)口氨含量控制為2.5% 。第三章 工藝流程簡述3.1 合成工段工藝流程簡述由氮?dú)錃鈮嚎s機(jī)送來的35的新鮮氣，在油分離器中與循環(huán)機(jī)來的循環(huán)氣混合，除去氣體中的油、水及其雜質(zhì)?；旌蠚膺M(jìn)冷交換器上部換熱管內(nèi)，與冷交換器下部來的冷氣體進(jìn)行換熱回收冷量，熱氣體被冷卻至17，然后進(jìn)入氨冷器。氣體在管內(nèi)流動，液氨在管外蒸發(fā)，由于氨大量蒸發(fā)吸收了混合氣的熱

33、量，使管內(nèi)氣體進(jìn)一步冷卻至-10，出氨冷器后的氣液混合物，在冷交換器的下部用氨分離器將液氨分離。分氨后的循環(huán)氣上升至上部換熱器殼程被熱氣體加熱至25后出冷交換器。然后氣體分兩股進(jìn)入合成塔，一股主線經(jīng)主閥由塔頂進(jìn)入塔內(nèi)環(huán)隙，另一股副線經(jīng)副閥從倒塔底進(jìn)入塔內(nèi)中心管，以調(diào)節(jié)催化劑床層溫度。入塔氣氨含量為2.5%。反應(yīng)換熱后溫度降為140160，氨含量13%的反應(yīng)氣體出合成塔進(jìn)入水冷器，氣體經(jīng)水冷器冷卻至常溫，其中部分氣氨被冷凝，液氨在氨分離器中分出。為降低惰性氣體含量，保持循環(huán)系統(tǒng)中一定量的惰性氣體，循環(huán)氣岀氨分離器后部分放空，然后進(jìn)循環(huán)機(jī)增壓后送往油分離器，從而完成一個循環(huán)。 冷交換器和氨分離器內(nèi)

34、的液氨，經(jīng)液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)減壓后送往液氨貯槽。該流程具有能如下一些特征：氨合成反應(yīng)熱未充分予以回收，用來副產(chǎn)蒸汽，或用來預(yù)熱鍋爐給水。流程簡單，設(shè)備投資抵。放空氣位置設(shè)在惰性氣體含量最高，氨含量較低處以減少氨和原料氣損失。循環(huán)機(jī)位于水冷器和氨冷器之間，適用于有油潤滑往復(fù)式壓縮機(jī)。新鮮氣和循環(huán)氣中油、水及雜質(zhì)可通過氨冷器低溫液氨洗滌后除去。3.2 工藝流程方框圖合成塔水冷器熱交換器廢熱鍋爐油分離器冷交換器循環(huán)機(jī)新鮮氣放空液氨儲槽氨冷器氨分離塔馳放氣圖3-1合成氨工藝流程方框圖第四章 工藝計(jì)算4.1 物料衡算：設(shè)計(jì)要求： 1. 年產(chǎn)20萬噸液氨,設(shè)計(jì)裕度及液氨損失均不計(jì) 2. 精煉氣組成（%）：如下表

35、 表4-1-1精煉氣組成（mol）組 成N2H2CH4Ar 合 計(jì)mol24.1274.451.100.33 100 3. 合成塔入口氨含量（mol）： 合成塔出口氨含量（mol）： 合成塔入口惰性氣體含量（mol）： 4. 合成塔操作壓力: 32MPa(絕壓) 5. 精煉氣溫度：35 6. 水冷器出口溫度：35 7. 循環(huán)機(jī)進(jìn)出口壓差：1.47Mpa 8. 年工作日：330天 9. 產(chǎn)量：25.2525t NH3/h 10. 計(jì)算基準(zhǔn)：生產(chǎn)1噸液氨計(jì)算物料點(diǎn)流程圖：1 2 3 4 5-精煉氣 6 7 8 9 10 11 12 14 17 18-合成氣；13-放空氣 20-弛放氣 -液氨 圖4

36、-1-1 計(jì)算物料點(diǎn)流程圖合成塔氨分離塔水冷器氨冷器熱交換器液氨儲槽廢熱鍋爐放空油分離器新鮮氣冷交換器循環(huán)機(jī)液氨儲槽氨冷器氨分離塔循環(huán)機(jī)3145716141221152019181729101168134.1.3合成塔入口氣組分：根據(jù)計(jì)算依據(jù)有入塔氨含量：入塔甲烷含量：入塔氬含量：入塔氫含量：入塔氮含量：表4-1-2 入塔氣組分含量（%）NH3CH4ArH2N2小計(jì)2.50011.5393.46261.87420.6251004.1.4合成塔出口氣組分：以 入塔氣作為基準(zhǔn)求出塔氣組分，由下式計(jì)算塔內(nèi)生成氨含量：出塔氣量: 出塔氨含量： 出塔甲烷含量：出塔氨含量： 出塔氫含量： 出塔氮含量： 表

37、4-1-3 出塔氣體組分含量（%）NH3CH4ArH2N2小計(jì)16.513.1153.93549.83816.6121004.1.5合成率：4.1.6氨分離器氣液平衡計(jì)算： 已知氨分離器入口混合物組分表4-1-4 氨分離器入口混合物組分小計(jì)0.1650.131150.039350.498380.166121查 ，各組分平衡常數(shù)：表4-1-5 平衡常數(shù)表0.0988.228.227.534.5設(shè)時，代入計(jì)算各組分溶解液量:分離液體量：分離氣體量：計(jì)算氣液比：結(jié)果合理從而可計(jì)算出液體中各組分含量：液體中氨含量：液體中氬含量：液體中甲烷含量： 液體中氫含量：液體中氮含量：表4-1-6 氨分離器出口液

38、體含量（%）NH3CH4ArH2N2小計(jì)95.6181.7310.1571.9730.521100.00分離氣體組分含量：氣體氨含量 氣體甲烷含量 氣體氬含量 氣體氫含量 氣體氮含量 表4-1-7 氨分離器出口氣體含量（%）NH3CH4ArH2N2小計(jì)9.37614.1404.27554.14818.0611004.1.7冷交換器氣液平衡計(jì)算：根據(jù)氣液平衡原理，由于冷交換器第二次出口氣體含量等于合成塔進(jìn)口氣體含量，由合成塔入口氣體含量和操作條件下的分離溫度可查出，便可解出。查 , 的平衡常數(shù)：表4-1-8 平衡常數(shù)表0.025427517580冷交換器出口液體組分含量：出口液體氨含量 出口液體

39、甲烷含量 出口液體氬含量 出口液體氫含量 出口液體氮含量 表4-1-9 冷交換器出口液體組分含量（%）NH3CH4ArH2N2小計(jì)98.4250.4270.0680.8250.2551004.1.8液氨貯槽氣液平衡計(jì)算：圖4-1-2 液氨貯槽氣液平衡圖L19L16L15V20L21由于氨分離器液體和冷交換器出口分離液體匯合后進(jìn)入液氨貯槽經(jīng)減壓后溶解在液氨中的氣體會解吸，即弛放氣;兩種液體百分比估算值，即水冷后分離液氨占總量的百分?jǐn)?shù)。水冷后分離液氨占總量的，冷交分離液氨占總量的。以液氨貯槽入口 液體計(jì)算為準(zhǔn)，即 ，入口液體混合后組分含量：混合后入口氨含量：混合后入口甲烷含量：混合后入口氬含量：混

40、合后入口氫含量：混合后入口氮含量： 表4-1-10 液氨貯槽入口液體含量（%）小計(jì)96.8091.1770.1191.4860.409100當(dāng) (由熱平衡計(jì)算得) 平衡常數(shù)：表4-1-11 平衡常數(shù)表0.598170540575620根據(jù)氣液平衡 ,設(shè) ,代入上式得:出口液體氨含量：出口液體甲烷含量：出口液體氬含量：出口液體氫氣含量：出口液體氮?dú)夂浚撼隹谝后w總量：出口氣體總量：l出口液體組分含量 出口液體氨含量：出口液體甲烷含量：出口液體氬含量：出口液體氫氣含量：出口液體氮?dú)夂浚罕?-1-12 液氨貯槽出口液氨組分（%）NH3CH4ArH2N2小計(jì)99.8690.0850.0030.034

41、0.009100出口弛放氣組分含量：弛放氣氨含量：弛放氣甲烷含量：弛放氣氬含量：弛放氣氫氣含量：弛放氣氮?dú)夂浚罕?-1-13 出口弛放氣組分含量(%)NH3CH4ArH2N2小計(jì)59.60514.4471.52619.1455.2771004.1.9液氨貯槽物料計(jì)算：以液氨貯槽出口一噸純液氨為基準(zhǔn)折標(biāo)立方米計(jì)算液氨貯槽出口液體量 其中NH3 CH4 Ar H2 N2 液氨貯槽出口弛放氣 其中 NH3 CH4 Ar H2 N2 液氨貯槽出口總物料液氨貯槽進(jìn)口液體：由物料平衡，入口液體各組分含量計(jì)算：其中 NH3 CH4 Ar H2 N2 入口液體中組分含量核算,由 入口液體中氨含量 入口液體中

42、甲烷含量 入口液體中氬含量 入口液體中氫氣含量 入口液體中氮?dú)夂?入口液體中組分含量 4.1.10合成系統(tǒng)物料計(jì)算:將整個合成看著一個系統(tǒng)，進(jìn)入該系統(tǒng)的物料有新鮮補(bǔ)充氣 ,離開該系統(tǒng)的物料有放空氣 ，液氨貯槽弛放氣 ，產(chǎn)品液氨 ，見圖4-1-3所示： V補(bǔ)V出V馳V放V氨V入圖4-1-3 合成系統(tǒng)物料計(jì)算示意圖由前計(jì)算數(shù)據(jù)如下表：表4-1-14 計(jì)算數(shù)據(jù)名稱NH3CH4ArH2N2氣量Nm補(bǔ)充氣-0.0110.00330.74450.2412放空氣0.093760.141400.042750.514940.18061弛放氣0.596050.144470.015260.19210.052771

43、08.321液氨0.998690.000850.000030.0003360.000091319.375入塔氣0.0250.115390.034620.618740.20625出塔氣0.1650.131150.039350.498380.16612根據(jù)物料平衡和元素組分平衡求,: 循環(huán)回路中氫平衡： 循環(huán)回路中氮平衡: 循環(huán)回路中惰性氣體平衡: 循環(huán)回路中惰性氣體平衡: 循環(huán)回路中總物料平衡: 聯(lián)立各式解得：; ; ; 4.1.11合成塔物料計(jì)算：入塔物料： 其中 NH3 CH4 Ar H2 N2 合成塔一出，二進(jìn)物料，熱交換器冷氣進(jìn)出物料等于合成塔入塔物料即 出塔物料 NH3 CH4 Ar

44、H2 N2 合成塔生成氨含量：廢熱鍋爐進(jìn)出口物料，熱交換器進(jìn)出口物料等于合成塔出塔物料。即 4.1.12水冷器物料計(jì)算：進(jìn)器物料：水冷器進(jìn)氣物料等于熱交換器出口物料，即 出器物料：在水冷器中部分氣氨被冷凝；由氨分離器氣液平衡計(jì)算得氣液比 ，,有如下方程: 將 代入 得: 出口氣體組分由得:其中， NH3 CH4 Ar H2 N2 出口液體各組分由 得其中 NH3 CH4 Ar H2 N2 4.1.13氨分離器物料計(jì)算：進(jìn)器物料：氨分離器進(jìn)器總物料等于水冷器出口氣液混合物總物料即出器物料：氣液混合物在器內(nèi)進(jìn)行分離，分別得到氣體和液體出器氣體，出器液體氨分離器出口氣體放空 其中， NH3 CH4

45、Ar H2 N2 4.1.14冷交換器物料計(jì)算：進(jìn)器物料：進(jìn)器物料等于氨分離器出口氣體物料減去放空氣量其中， NH3 CH4 Ar H2 N2 出器物料（熱氣）：設(shè)熱氣出口溫度17（由熱量計(jì)算核定）查 ,氣相中平衡氨含量，計(jì)算熱氣出口冷凝液氨時，忽略溶解在液氨中的氣體。取過飽和度 ，故 。 設(shè)熱氣出口氨體積為 ，則： 冷交換器熱氣出口氣量及組分：其中 NH3 CH4 Ar H2 N2 出口總氣量 出口氣體各組分：NH3 CH4 Ar H2 N2 4.1.15氨冷器物料計(jì)算：進(jìn)器物料：氨冷器進(jìn)器物料等于冷交換器出器物料加上補(bǔ)充新鮮氣物料其中 CH4 Ar H2 N2 進(jìn)器氣體物料 進(jìn)器氣體組分含

46、量其中 NH3 CH4 Ar H2 N2 各組分百分含量NH3 CH4 Ar H2 N2 進(jìn)器液體等于冷交換器冷凝液氨量進(jìn)器總物料出器物料：已知出器氣體中氨含量為 ，設(shè)出器氣體中氨含量為。 解得 則氨冷器中冷凝液氨量： 氨冷器出器總液氨量: 氨冷器出器氣量: 其中 NH3 CH4 Ar H2 N2 各組分百分含量 NH3 CH4 Ar H2 N2 出器總物料4.1.16 冷交換器物料計(jì)算：圖4-1-4 冷交換器物料計(jì)算示意圖V3V2V14V17進(jìn)口物料：冷交換器進(jìn)口總物料等于氨冷器出口總物料其中氣體入口 ；液體入口 ；由氣液平衡計(jì)算得，以 進(jìn)口物料為計(jì)算基準(zhǔn)：即 將 ，代入上式： 式中 可由物料平衡和氨平衡計(jì)算 式中 冷交換器入口總物料； 冷交換器熱氣出口總物料 冷交換器入口總氨物料將 ， 代入上式解得： ； 代入 得：; ;由 可求出冷交換器冷凝液體量 冷凝液體量 出器物料：冷交換器（冷氣）出口氣體物料等于進(jìn)口總物料減去冷凝液體量。其中 NH3 CH4 Ar H2 N2 計(jì)算誤差校核氨分離器液氨百分?jǐn)?shù)氨分離器液氨百分?jǐn)?shù)：冷交換器分離液氨百分