年產(chǎn)8萬噸合成氨合成工段工藝設(shè)計(jì)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)年產(chǎn)8萬噸合成氨合成工段工藝設(shè)計(jì)前 言本設(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)。本設(shè)計(jì)內(nèi)容是根據(jù)魯南化肥廠有限公司合成車間的生產(chǎn)實(shí)際情況而設(shè)計(jì)的，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(shí)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。本設(shè)計(jì)總的指導(dǎo)思想是：理論聯(lián)系實(shí)際、簡(jiǎn)明易懂、經(jīng)濟(jì)實(shí)用。由于作者自身的知識(shí)水平和認(rèn)識(shí)水平的有限，書中錯(cuò)誤與不妥之處，懇請(qǐng)讀者批評(píng)指正。作者：鄭貴尹 2113年07月24日目 錄第一章 總 論61.1 概

2、述61.2 氨的性質(zhì)61.2.1 氨的物理性質(zhì)61.2.2 氨的化學(xué)性質(zhì)71.3 原料氣來源71.4 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(shì)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(jiǎn)述163.1 合成工段工藝流程簡(jiǎn)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184.1.1 新鮮氣流量的確定184.1.2 計(jì)算反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率x194.2 熱量衡算204.2.1 計(jì)算依據(jù)：20

3、4.2.2對(duì)氨冷器的熱量衡算204.2.3對(duì)冷凝塔作熱量衡算234.2.4對(duì)合成塔作熱量衡算244.2.5對(duì)廢鍋?zhàn)鳠崃亢馑?74.2.6對(duì)氣氣換熱器作熱量衡算284.2.7對(duì)水冷器作熱量衡算294.2.8對(duì)氨分離器作熱量衡量314.2.9循環(huán)機(jī)熱量衡算31第五章 設(shè)備選型及設(shè)計(jì)計(jì)算335.1 合成塔的設(shè)備計(jì)算335.1.1 對(duì)觸媒筐的設(shè)備計(jì)算335.1.2 廢鍋的設(shè)備計(jì)算33第六章 車間布置38第七章“三廢”治理及綜合利用397.1 “三廢”的產(chǎn)生及污染397.1.1廢氣污染危害397.1.2廢水污染危害407.1.3工業(yè)廢渣對(duì)環(huán)境的污染417.2 “三廢”治理原則41第八章結(jié)束語43第九章致

4、謝44參考文獻(xiàn)45附 錄47年產(chǎn)8萬噸合成氨合成工段工藝設(shè)計(jì)作者：鄭貴尹 身份證號(hào)碼系方式要：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(duì)合成塔工段的設(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)

5、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 the year produces 80,000 tons to synthesize an ammonia to synthesize a work segment a technological designname of stendent: abstractthe mission design of synthesizing the ammonia production comes to a decision

6、production to synthesize ammoniac scale, the request of the equip.ments and the condition of the craft process. the method that this design adopts is half water coal gas to synthesize a method, it the main raw material is coal and nitrogen spirit, making use of coal future life hydrogen, but this de

7、sign mainly is adopt nitrogen spirit and hydrogen towards synthesizing tower work a segment of designing, pastly the raw material used directly, it with synthesize tower for main equip.ments, in the ammonia cold machine, water cold machine, annoy-spirit exchanger, circulation machine, separate machi

8、ne, congealed tower etc. assistance equip.ments of function under, with four oxidize three irons for accelerant , at 485-500 heat conditions come down make ammonia spirit. this design requests and control work principle of synthesizing the tower, produce of craft route, and can carry on an operation

9、 calculation according to the craft index sign. include material balance in the craft the calculation the process, heat balance and the equip.ments choose a calculation etc. the use of the ammonia produced and output of three discard in this design to also have to speak of, be synthesizing an effici

10、ency to also have a further research.keywords: semiwater gas synthesize method synthetic tower第一章 總 論1.1 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(dòng)物所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。把大氣中的游離氮固定下來并轉(zhuǎn)變

11、為可被植物吸收的化合物的過程，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(guó)民經(jīng)濟(jì)中，氨占有重要地位，特別是對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有著重大意義。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

12、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 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(shí)即會(huì)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(shí)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(shí)才能液化。液氨為無色液體，氣化時(shí)吸收

13、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：4nh3+5o2 4no+6h2o 氨與酸或酐反應(yīng)生成鹽類,是制造氮肥的基本反應(yīng)：2nh3+h2so4 = (nh4)2so4nh3+hno3= nh4no3nh3+hcl= nh4clnh3+h3po4 =nh4h2po4 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：2nh3+co2 =nh4coonh2nh4coonh2 =co(nh2)2+h2o 氨與二氧化碳和水作用,生成碳酸氫銨：nh3+co2+h2o=nh4hco3 氨可與鹽生成各種絡(luò)合物，如cucl26nh3、cuso44

14、nh3。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,氨與空氣爆炸界限為非作15%28%(nh3)。100,0.1 mpa下，爆炸界限為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、水蒸氣或富養(yǎng)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、水蒸氣或富養(yǎng)空氣-水蒸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

15、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?？諝饷簹猓阂钥諝鉃槠瘎┲迫〉拿簹?，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(gè)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。半水煤氣生產(chǎn)的工藝流程：在吹風(fēng)階段中，空氣由煤氣發(fā)生爐的底部吹入，由爐頂排出吹風(fēng)氣。吹風(fēng)氣送入燃燒蓄熱室，在此通入助燃空

16、氣使吹風(fēng)氣中的一氧化碳燃燒。再將吹風(fēng)氣送入廢熱鍋爐以產(chǎn)生水蒸氣。吹風(fēng)氣被冷卻至200左右，由煙囪排入大氣。在上吹階段中，由煤氣發(fā)生爐爐底吹入空氣-水蒸氣混合氣，半水煤氣由爐頂排出。半水煤氣經(jīng)過燃燒室加熱蓄熱磚（此時(shí)不加助燃空氣），再依次經(jīng)過廢熱鍋爐、洗氣箱、洗氣塔送入氣柜。在下吹階段中，水蒸氣與空氣混合，經(jīng)燃燒室回收蓄熱磚的熱量后，從煤氣發(fā)生爐頂部吹入（空氣較水蒸氣略遲通入），從爐底排出半水煤氣。下吹煤氣直接經(jīng)洗氣箱及洗氣塔送入氣柜。在二次上吹階段中，空氣-水蒸氣混合氣由爐底吹入，流向與上吹階段完全相同。在空氣吹凈階段，從爐底吹入空氣，產(chǎn)生吹風(fēng)氣將半水煤氣經(jīng)燃燒室、廢熱鍋爐、洗氣箱及洗氣塔送入

17、氣柜。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(guó)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，開始用氨作火炸藥工業(yè)的原料，為戰(zhàn)爭(zhēng)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(duì)氨的需要量日益增長(zhǎng)，近30年來合成氨工業(yè)發(fā)展很快。目前，全國(guó)有規(guī)模以上基礎(chǔ)化肥生產(chǎn)企業(yè)近1000家，其中，氮肥廠約500家，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)也有100多家，其他還有800

18、多家小氮肥廠也生產(chǎn)合成氨，而其產(chǎn)量約占氮肥總量的60%。但我國(guó)合成氨工業(yè)還不夠發(fā)達(dá)，比外國(guó)的氮肥企業(yè)還有些距離。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，世界合成氨產(chǎn)能已超過1.76億噸/年，主要生產(chǎn)能力分布在俄羅斯約有35家氮肥廠，合成氮平均規(guī)模為40萬噸；美國(guó)有50多家氮肥廠，合成氨平均規(guī)模在30萬噸以上。1.4.2 合成氨工業(yè)的現(xiàn)狀 我國(guó)合成氨工業(yè)存在一些特殊問題，一是氮肥資源緊張。國(guó)際上以天然氣為原料的氮肥占85%。而我國(guó)氮肥原料以煤為主，天然氣僅占20%，我國(guó)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(duì)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(shí)，對(duì)于有廉價(jià)天然氣資源的地區(qū)，鼓

19、勵(lì)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(shì)合成氨工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)： 原料路線的變化方向。煤的儲(chǔ)量約為石油、天然氣總和的10倍，自從70年代中東石油漲價(jià)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

20、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。如果在合成氨原料氣脫除二氧化碳過程中能聯(lián)合生產(chǎn)這些產(chǎn)品，則可以簡(jiǎn)化流程、減少能耗、降低成本。到2010年，力爭(zhēng)組建50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(guó)際上有一定影響的大型企業(yè)集團(tuán)。同時(shí)，調(diào)整企業(yè)結(jié)構(gòu)，減少基礎(chǔ)肥料生產(chǎn)

21、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（刪去）本課題是指導(dǎo)老師為提高畢業(yè)生設(shè)計(jì)能力而選定的。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,并有觸媒的作用下發(fā)生反應(yīng)的,其反應(yīng)式為： 3/2h2+1/2n2 nh3+46.22 kj此式為一不可逆，放熱，體積縮小的反應(yīng)，其反應(yīng)過程為： n2（擴(kuò)散） 2n（吸附） 2nh（吸附） 2nh2（吸附）2nh3（附） 2nh3（擴(kuò)散到氣相）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(shí)，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

22、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(gè)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(duì)原料氣進(jìn)行凈化處理，以除去氫、氮以外的雜質(zhì)；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。 低壓法 操作壓力低于20 mpa的稱低壓。采用活

23、性強(qiáng)的亞鐵氰化物作催化劑，但它對(duì)毒物很敏感，所以對(duì)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(duì)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(shí)由于壓力低必須將循環(huán)氣準(zhǔn)至-20的低溫才能使氣體中的氨液化，分離比較完全，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。 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

24、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(jiǎn)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(duì)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(huì)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(zhǎng)期處于高溫下操作，容易失去活性。 中壓法 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(jiǎn)單的比較其優(yōu)劣。世界上合成氨總的發(fā)展趨勢(shì)多采用中壓法

25、，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(jiǎn)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。 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(dòng)。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(duì)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

26、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(shí)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(shí)，對(duì)設(shè)備的材料和制造的要求均高。同時(shí)，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(guó)中小型合成氨廠合成操作壓力大多采用2032 mpa。 最適宜的反應(yīng)溫度 合成氨反應(yīng)是一個(gè)可逆放熱反應(yīng)，當(dāng)溫度升高時(shí)，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

27、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(zhǎng)催化劑的使用壽命。在合成氨生產(chǎn)過程中，對(duì)應(yīng)于任意一個(gè)瞬時(shí)轉(zhuǎn)化率都存在一個(gè)最大的反應(yīng)速率的溫度，即最佳溫度。就整個(gè)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(shí)間有關(guān)。新的催化劑因活性比較高，

28、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。 空間速度 空間速度反映氣體與催化劑接觸時(shí)間的長(zhǎng)短?？臻g速度增加，氣體與催化劑接觸時(shí)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倍數(shù)要少，所以當(dāng)空間速度增加時(shí)，合成氨的產(chǎn)量也有所增加。在其他條件一定時(shí)，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(shí)，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

29、不變，增加空間速度，合成氨產(chǎn)量增加，單位時(shí)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。 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(guó)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(shí)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

30、須包括以下幾個(gè)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(duì)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(gè)步驟，以便得到較好的技術(shù)效果，同時(shí)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(shí)，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。2.4 合成塔進(jìn)口氣的組成合成塔進(jìn)口氣體組成包

31、括氫氮比、惰性氣體含量和塔進(jìn)口氨含量。 氫氮比 當(dāng)氫氮比為3:1時(shí)，對(duì)于氨合成反應(yīng)可以獲得最大的平衡氨濃度，但從動(dòng)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(dòng)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?，?duì)氨合成反應(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2.82.9比較適宜。 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(huì)降低氫氮比的分壓。無論從化學(xué)平衡還是動(dòng)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)

32、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)。操作壓力比較高，及催化劑活性比較好時(shí)，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。 塔進(jìn)口氨含量 進(jìn)

33、塔氣體中氨的含量，主要決定于氨分離時(shí)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(huì)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(shí)，塔進(jìn)口氨含量約控制在2.5%3.5%之間。對(duì)于壓力在15 mpa的合成氨廠，一般應(yīng)控制在2.0%左右。第三章 工藝流程簡(jiǎn)述3.1 合成工段工藝流

34、程簡(jiǎn)述 由高壓機(jī)送來的新鮮氣與冷凝塔一次出口循環(huán)氣混合送入氨冷器，在氨冷器內(nèi)，氣體過管內(nèi)，液氨過管外，由于液氨的蒸氣吸取熱量，氣體被進(jìn)一步冷卻，并使氣體中部分氣氨冷凝管外蒸氣的氣氨經(jīng)沫除器分離掉液氨后，去氨氣柜或硝銨車間。氨的高壓混合氣，自氨冷器出來，進(jìn)入冷凝塔下部的氨分離器，分離液氨,除氨后的混合氣，再經(jīng)過冷凝塔上部的熱交換器與循環(huán)機(jī)氣體換熱，二次出冷凝塔。自冷凝塔二次出口的循環(huán)氣其中一部分進(jìn)入合成塔上部一次入口，氣體沿著內(nèi)件與外箱間環(huán)隙向下冷卻塔壁后，進(jìn)入下部換熱器管外，另一部分循環(huán)氣直接進(jìn)入塔外氣-氣換熱器冷氣入口，通過管外并與管內(nèi)廢鍋口出來氣體換熱后，設(shè)有副線氣流分成四股，其中二股作為

35、冷凝氣分別從塔頂進(jìn)入菱形分布器和層間換熱器，一股為塔底副線，另一股進(jìn)入合成塔下部二次入口與一次入口氣體混合，通過下部熱交換器與管內(nèi)氣體換熱后與塔底副線氣混合，由內(nèi)中心管進(jìn)入第一軸層反應(yīng)，反應(yīng)后氣體與塔頂引入的第一冷凝氣混合進(jìn)入第二軸向?qū)臃磻?yīng)氣體進(jìn)入層間換熱器管內(nèi)與第二冷凝氣換熱降低氣體溫度進(jìn)入徑向?qū)樱诙淠龤鈸Q熱后提高自身溫度進(jìn)入外中心管與內(nèi)中心管，氣體混合進(jìn)入第一軸向?qū)樱瑥较驅(qū)幼岳锵蛲鈴较蛄鞒?，通過整個(gè)觸媒層進(jìn)入下部換熱器管內(nèi)，與管外換熱后出塔進(jìn)入廢鍋爐，與脫氧水換熱副產(chǎn)品，0.8mpa的蒸汽,氣體溫度降低到217 以下,進(jìn)入氣-氣換熱器,氣流經(jīng)與管外氣體換熱器降溫后進(jìn)入水冷器,后進(jìn)入循環(huán)

36、機(jī),補(bǔ)充壓力,經(jīng)濾油器除去油圬后,進(jìn)入冷凝塔上部的熱交換器,出熱交換器后與新鮮氣混后開始下一個(gè)循環(huán)。3.2 工藝流程方框圖圖一第四章 工藝計(jì)算4.1 物料衡算4.1.1 新鮮氣流量的確定 計(jì)算依據(jù)表4-1進(jìn)合成系統(tǒng)新鮮氣組成組 成n2h2ar/ch3合 計(jì)mol206416100表4-2 空氣組成組 成n2o2ar合 計(jì)mol78211100表4-3 循環(huán)氣組成合 成n2h2o2nh3ar/ch3合 計(jì)mol2660563100 計(jì)算基準(zhǔn) 生產(chǎn)任務(wù)年產(chǎn)八萬噸的合成氨，取一年300天為基準(zhǔn)，則80000/y = 80000/（30024） 11.11 11t/h= 647 kmolh-1 計(jì)算基

37、準(zhǔn)本計(jì)算中以kmolh-1為基準(zhǔn)，進(jìn)行物料衡算 合成系統(tǒng)總圖 以元素和物質(zhì)列出原子矩陣表4-4 原子矩陣元素 物質(zhì)n2h2o2arn2000h0200o0020ar0001 根據(jù)元素守恒列式，求各流量對(duì)h：2f10.642f30.603f30.06 = f43 對(duì)n：2f10.2 + 2f20.78 2f30.26f30.06 = f41 對(duì)o: 2f20.21 2f30.05 = 0 f4 = 647 kmolh-1 由式得：f2 = f3/4.2 把代入得：0.4f1 0.21f3 = f4 把分別代入，兩式后，再由3.2 - 可得：f3=183kmolh-1=4099.2 nm3h-1

38、把代入式，可得：f2=44kmolh-1=985.62 nm3h-1 把代入式，可得：f1 = 1714 kmolh-1 = 38393.6 nm3h-1f1進(jìn)入合成系統(tǒng)的新氣流量 nm3h-1;f2空氣的流量 nm3h-1;f3循環(huán)氣或氫回收的流量 nm3h-1;4.1.2 計(jì)算反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率x 化學(xué)反應(yīng)方程式n2 + 3h2 2nh3 h2轉(zhuǎn)化率的計(jì)算x = 反應(yīng)消耗的h2的量/未反應(yīng)時(shí)h2的總量= (f10.64 f30.6)/f10.64100= (17140.64 1830.6)/17140.64100= 90 4.2 熱量衡算4.2.1 計(jì)算依據(jù)：圖4-1 計(jì)算依據(jù)4.2.2對(duì)氨冷器

39、的熱量衡算從氨分離器出來的氣體：f15=f1+f2-f3-f4=1714+44-183-647 = 928kmolh-1，此氣體分為兩部分。一部分往氫回收車間，流量f3 = 183kmolh-1,yh2,3=60,yn2,3=26,yo2=5,ynh3,3=6,yar=3；一部分往循環(huán)機(jī)，f15=928 kmolh-1,yh2,15=60,yn2,15=26,yo2,15=5,yar,15=3,ynh3,1=6。進(jìn)氨冷器組分含兩部分，f1和f5，即f17=f1 + f5=2642 kmolh-1yh2,17 =(f1yh2,1+f5yh2,5)/(f1+f5)= (17140.64+9280.

40、6)/(1714+928)= 62.6yn2,17 = (f1yn2+f5yn2,5)/(f1+f5)= 584.08/2642= 22.1yo2,17 = f50.05/(f1+f5)= 46.4/2642= 1.8ynh3,17 = f50.06/(f1+f5)= 55.68/2642= 2.1yar,17 = 1-62.6-22.1-1.8-2.1= 11.4 氣體帶入熱量q11f17中的2.1氨中有1被冷凝，由公式cp.m=a+bt+ct2計(jì)算cp.m值進(jìn)口氣體:表4-5 23時(shí)進(jìn)口氣體的cp.m值 因子物料ab103c107cp.m23h229.07-0.38620.129.132n

41、h329.7525.1-1.537.17n227.305.23-0.0428.85o225.7212.98-38.629.225cp.m = cph,h2yh2,17+cpn2yn2,17+cp.mnh3ynh3,17+cp.mo2yo2,17+cp.myar,17= 29.1320.626+28.850.221+37.170.011+29.2750.018= 25.55 j(molk)-1 q11 = f17cp.mt1.1= 264225.56(23+273.15)= 19991043 kjh-1令其過程損失的熱量為輸入的3.5故進(jìn)口氣體帶入熱量q11=19991043(1-3.5)=18

42、991491 kjh-1 氣體帶出熱量q12令帶出氣體時(shí)的溫度為0f6 = f17-f171= 2615.58 kmolh-1yh2,6 = 26420.626/(2642-26421)= 1653.9/2615.58 = 63.23ynh3,6 = 26421.1/2615.58= 1.11yn2 = 26420.221/2615.58= 22.32yo2 = 26421.8/2668.42= 1.82yar = 1-63.2-1.11-22.32-1.82= 11.52表4-6 0 時(shí)進(jìn)口氣體的cp.m值 因子物料ab103c107cp.m0h229.07-0.38620.129.03nh

43、329.7525.1-1.536.60n227.305.23-0.0428.73o225.7212.98-38.628.98cp.m = cph21/h2,6+cpn2yn2,6+cp.mnh3ynh3,6+cp.mo2yo2+cp.myar = 29.0363.23+36.61.11+28.730.2232+28.980.0182+0 = 25.70 kj(molk)-1q12 = f6cp.mt1,2 = 2615.5825.7273.15 = 18361253 kjh-1 冷凝的液氨帶出熱量q1.3q13 = f13cp.mnh3t3 = 26420.0135.77240=226810.

44、4 kjh-1 氨冷時(shí)放出的熱量q14由公式：i = 1.093rtctbr(ln(pc-1)/(0.930-tbr)r = 1.987 cal(molk)-1tc = 132.33 = 405.48 kpc = 11.313 mpa = 111.65 atm 表4-7 不同溫度時(shí)的tbr和it()-33-123tbr0.5920.6830.73i(kj/kg)14112227.52940.3tbr = t/tcinh3 = inh3(27)-inh3(-33)= 2940.3 - 1411 = 1529.3 kjkg-1q14 = f130.01171529.3 = 686870 kjh-1

45、 由q帶入-q帶出 = q積累q11-q12-q13 =19291356.5-18361355-226810 = 703221.5kj/hq14 = 686870 kjh-1 假設(shè)的進(jìn)口溫度t1 = 23 ,t2 = 0 滿足條件。 氨冷器冷凍量的計(jì)算：氨冷器用-33 的液氨為冷凝液，其流量為f15，令其氣液混合溫度約為-1，則有： inh3(-1 )-inh3(-33 ) = 2227.5-1411= 816.5 kjkg-1f15 = q吸/inh3 = 686870/816.5 = 841.2 kgh-1表4-8 氨冷器熱量平衡匯總表收 方(kjh-1)支 方(kjh-1)氣體帶入熱量q

46、1118991491氣體帶出熱量q1218361253 氨冷凝時(shí)放出熱量q14686870冷凝的液氨氣體帶出熱量q13226810.4 小 計(jì)19678361積累量703221.5 熱損失699686.5 小 計(jì)19990971.44.2.3對(duì)冷凝塔作熱量衡算已知 f6 = 2615.58 kmolh-1 , h2,6 = 63.23 , ynh3,6 = 1.11, yn2,6 = 22.32 , yo2,6 = 1.82 , yar,6 = 1.52 氣體帶入冷凝塔的熱量q21q21 = q12 = 18361253 kjh-1 從循環(huán)機(jī)往氨冷器氣體帶入的熱量q22令f15=f16=f5=

47、928kmolh-1，在冷凝塔中，主要的是循環(huán)機(jī)過來的氣體進(jìn)入冷凝塔，與從氨冷器出來的氣體進(jìn)行熱交換，由于在此期間氨氣的蒸發(fā)量和冷凝量都很小，故忽略氨的蒸發(fā)量和冷凝量。假設(shè)冷凝塔出口的溫度為t22=25 ,t16=47 ,t11=23 f16 = 928 kmolh-1表4-9 氣體出冷凝塔是不同溫度時(shí)的cp.m因子物料ab103c107cp.m2347h229.07-0.38620.129.13229.152nh329.7525.1-1.537.1737.77n227.305.23-0.0428.8528.974o225.7212.98-38.629.22529.48cp.m47 = 29.

48、15260+37.776+28.97426+29.485 = 28.765 kj(molk)-1q22 = f16cp.m47t= 92828.765(273.15+47)= 8546058.5 kjh-1 經(jīng)冷凝塔往氨冷器帶出的熱量q23(t=23)f16 = 928 kmolh-1cp.m23 = 29.13260+37.176+28.8526+29.2255 = 28.67 kj(molk)-1q23 = 92828.67(273.15+23) = 7879296 kjh-1. 經(jīng)冷凝塔往合成塔氣體帶出的熱量q24令 t = 25,cp.m(25)= 25.55 kj(molk)-1q2

49、4 = q21+(q22-q23)= 18361253+(8546058.5-7879296)= 19028015.5 kjh-1f7 = f6 = 2615.581 kmolh-1 氣體的溫度t = q24/f7cp.m = 19028015.5/(2615.5825.55)= 24.56 25 這與假設(shè)的溫度一致，故滿足要求t = 25 表4-10 冷凝器熱量平衡匯總表收 方(kjh-1)支 方(kjh-1)氣體帶入冷凝塔的熱量q2118361253經(jīng)冷凝塔往氨冷器帶出的熱量q23(t=23)7879296從循環(huán)機(jī)往氨冷器氣體帶入的熱量q228546058.5經(jīng)冷凝塔往合成塔氣體帶出的熱量

50、q2419028015.5小 計(jì)26907311.5小 計(jì)26907311.54.2.4對(duì)合成塔作熱量衡算 f7 = f8+f9 , yh2,7,8,9 = 63.23 , ynh3,7,8,9 = 1.11 ,yn2,7,8,9 = 22.32,yo2,7,8,9 = 1.82 , yar,7,8,9 = 11.52.又 f11 = f12 = f13 = f14 = f15+f3+f4 = 928+647+183 = 1758 kmolh-1yh2,11 = (2860+18360)/1758 = 37.92yo2,11 = (928+183)5/1758 = 3.16ynh3,11= 6

51、47+(928+183)6/1758 = 40.6yn2,11 = (928+183)26/1758 = 16.43yar,11 = 1-37.92-16.43-3.16-40.6 = 1.89表4-11 氣體進(jìn)合成塔是不同溫度時(shí)的cp.m 因子物料ab103c107cp.m25350h229.07-0.38620.129.13429.23nh329.7525.1-1.537.2239.59n227.305.23-0.0428.8629.36o225.7212.98-38.629.24730.23 從合成塔出來的氣體帶出的熱量q31cp.m = 29.6137.92+45.3340.6+30.5716.43+32.333.16 = 35.68 kj(molk)-1q31 = f11cp.m,11t11= 175835.68(350+273.15) = 39212809 kjh-1 由氣氣換熱器進(jìn)入合成塔氣體熱量q32f10 = f9 = 2615.58 - f8cp.m = 29.2363.23+39.591.11+29.3622.32+30.231.82 = 26q32 = (2615.58-f8)cp.m t10 = (2615.58-f8)26.0(273.15+120) = (2