年產(chǎn)8萬噸合成氨合成工藝設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文).doc

寧夏大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)fdfsafh工藝設(shè)計(jì)姓 名： 王康洲 指導(dǎo)教師： 陳學(xué)文 院 系： 化工學(xué)院 專 業(yè)： 化學(xué)工程與工藝 提交日期： 目 錄中文摘要2外文摘要31總論41.1 設(shè)計(jì)任務(wù)的依據(jù)41.2 概述1.2.1 設(shè)計(jì)題目71.2.2 設(shè)計(jì)具體類容范圍及設(shè)計(jì)階段71.2.3設(shè)計(jì)的產(chǎn)品的性能、用途及市場(chǎng)需要81.2.4簡(jiǎn)述產(chǎn)品的幾種生產(chǎn)方法及特點(diǎn)81.3產(chǎn)品方案81.4設(shè)計(jì)產(chǎn)品所需要的主要原料規(guī)格、來源8 1.4.1設(shè)計(jì)產(chǎn)品所需要的主要原料來源81.4.2涉及產(chǎn)品所需要的主要原料規(guī)格81.5生產(chǎn)中產(chǎn)生有害物質(zhì)和處理措施8 1.5.1氨氣和液氨8 1.5.2合成氨廢水82生產(chǎn)流程及生產(chǎn)方法的確定83生產(chǎn)流程簡(jiǎn)述144工藝計(jì)算16 4.1 原始條件16 4.2 物料衡算16 4.2.1 合成塔物料衡算18 4.2.2氨分離器氣液平衡計(jì)算19 4.2.3冷交換器氣液平衡計(jì)算19 4.2.4液氨貯槽氣液平衡計(jì)算25 4.2.5液氨貯槽物料計(jì)算29 4.2.6 熱交換器熱量計(jì)算35 4.2.7 水冷器熱量計(jì)算36 4.2.8 氨分離器熱量核算395. 主要設(shè)備選型39 5.1 廢熱鍋爐設(shè)備工藝計(jì)算40 5.1.1 計(jì)算條件40 5.1.2 官內(nèi)給熱系數(shù)計(jì)算41 5.1.3 管內(nèi)給熱系數(shù)i計(jì)算42 5.1.4 總傳熱系數(shù)K 計(jì)算43 5.1.5 平均傳熱溫差m t 計(jì)算44 5.1.6 傳熱面積45 5.2主要設(shè)備選型匯總466. 環(huán)境保護(hù)與安全措施47 6.1環(huán)境保護(hù)48 6.1.1 化學(xué)沉淀A/ O 工藝處理合成氨廢水49 6.1.2 合成氨尾氣的回506.2安全措施51 6.2.1 防毒52 6.2.2 防火53 6.2.3 防爆54 6.2.4防燒傷556.2.6防機(jī)械傷56 6.2.5防觸電57結(jié)束語40注釋40參考文獻(xiàn)42致謝43附錄43年產(chǎn)8萬噸合成氨合成工藝設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師：詹益民（黃山學(xué)院化學(xué)系，黃山，安徽 245000）摘 要：介紹合成氨合成生產(chǎn)工藝流程，著重通過對(duì)此工藝流程的物料衡算，能量衡算確定主要設(shè)備選型。關(guān)鍵詞：氨合成； 生產(chǎn)工藝； 物料衡算； 能量衡算； 設(shè)備選型 PRODUCES 80,000 TONS OF AMMONIA SYNTHESIS PROCESS DESIGNDirector：XXX Associate Director：XXX（Dept. of Chemistry，HuangShan College, China, 245000）Abstract：Introduction of ammonia synthesis production process, highlighted by this process of material balance calculate, energy calculation confirming the main equipment selection.Key Words：Ammonia synthesis, Production process, Material calculation, Energy calculation, Selection of equipment1 總論氨是最為重要的基礎(chǔ)化工產(chǎn)品之一，其產(chǎn)量居各種化工產(chǎn)品的首位; 同時(shí)也是能源消耗的大戶，世界上大約有10 %的能源用于生產(chǎn)合成氨。氨主要用于農(nóng)業(yè),合成氨是氮肥工業(yè)的基礎(chǔ)，氨本身是重要的氮素肥料，其他氮素肥料也大多是先合成氨、再加工成尿素或各種銨鹽肥料，這部分約占70 %的比例，稱之為“化肥氨”；同時(shí)氨也是重要的無機(jī)化學(xué)和有機(jī)化學(xué)工業(yè)基礎(chǔ)原料，用于生產(chǎn)銨、胺、染料、炸藥、制藥、合成纖維、合成樹脂的原料，這部分約占30 %的比例,稱之為“工業(yè)氨”。世界合成氨技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了傳統(tǒng)型蒸汽轉(zhuǎn)化制氨工藝、低能耗制氨工藝、裝置單系列產(chǎn)量最大化三個(gè)階段。根據(jù)合成氨技術(shù)發(fā)展的情況分析, 未來合成氨的基本生產(chǎn)原理將不會(huì)出現(xiàn)原則性的改變, 其技術(shù)發(fā)展將會(huì)繼續(xù)緊密圍繞“降低生產(chǎn)成本、提高運(yùn)行周期, 改善經(jīng)濟(jì)性”的基本目標(biāo), 進(jìn)一步集中在“大型化、低能耗、結(jié)構(gòu)調(diào)整、清潔生產(chǎn)、長(zhǎng)周期運(yùn)行”等方面進(jìn)行技術(shù)的研究開發(fā)1。(1) 大型化、集成化、自動(dòng)化, 形成經(jīng)濟(jì)規(guī)模的生產(chǎn)中心、低能耗與環(huán)境更友好將是未來合成氨裝置的主流發(fā)展方向。以Uhde公司的“雙壓法氨合成工藝”和Kellogg 公司的“基于釕基催化劑KAAP 工藝”,將會(huì)在氨合成工藝的大型化方面發(fā)揮重要的作用。氨合成工藝單元主要以增加氨合成轉(zhuǎn)化率(提高氨凈值) ,降低合成壓力、減小合成回路壓降、合理利用能量為主，開發(fā)氣體分布更加均勻、阻力更小、結(jié)構(gòu)更加合理的合成塔及其內(nèi)件; 開發(fā)低壓、高活性合成催化劑, 實(shí)現(xiàn)“等壓合成”。(2) 以“油改氣”和“油改煤”為核心的原料結(jié)構(gòu)調(diào)整和以“多聯(lián)產(chǎn)和再加工”為核心的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整,是合成氨裝置“改善經(jīng)濟(jì)性、增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力”的有效途徑。實(shí)施與環(huán)境友好的清潔生產(chǎn)是未來合成氨裝置的必然和惟一的選擇。生產(chǎn)過程中不生成或很少生成副產(chǎn)物、廢物,實(shí)現(xiàn)或接近“零排放”的清潔生產(chǎn)技術(shù)將日趨成熟和不斷完善。提高生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性,延長(zhǎng)運(yùn)行周期是未來合成氨裝置“改善經(jīng)濟(jì)性、增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力”的必要保證。有利于“提高裝置生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)率、延長(zhǎng)運(yùn)行周期”的技術(shù),包括工藝優(yōu)化技術(shù)、先進(jìn)控制技術(shù)等將越來越受到重視。1.1設(shè)計(jì)任務(wù)的依據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書是項(xiàng)目設(shè)計(jì)的目的和依據(jù)：產(chǎn)量：80 kt/a 液氨放空氣（惰性氣Ar +CH4 ）：17% 原料：新鮮補(bǔ)充氣N2 24%，H2 74.5%，Ar 0.3%，CH4 1.2% 合成塔進(jìn)出口氨濃度：2.5%，13.2% 放空氣:（惰性氣Ar +CH4 ）17% 合成塔操作壓力 32 MPa （絕壓） 精練氣溫度 40 水冷器出口氣體溫度 35 循環(huán)機(jī)進(jìn)出口壓差 1.47MPa 年工作日 310 d計(jì)算基準(zhǔn) 生產(chǎn)1t氨1.2概述1.2.1設(shè)計(jì)題目：年產(chǎn)8萬噸合成氨合成工段設(shè)計(jì)1.2.2 設(shè)計(jì)具體內(nèi)容范圍及設(shè)計(jì)階段本次設(shè)計(jì)的內(nèi)容為合成氨合成工段的設(shè)計(jì)，具體包括以下幾個(gè)設(shè)計(jì)階段： 1. 進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，確定生產(chǎn)方法和生產(chǎn)工藝流程。 2. 進(jìn)行化工計(jì)算，包括物料衡算、能量衡算以及設(shè)備選型和計(jì)算。 3. 繪制帶控制點(diǎn)的工藝流程圖（PID）。 4. 進(jìn)行車間布置設(shè)計(jì)，并繪制設(shè)備平立面布置圖。 5. 進(jìn)行管路配置設(shè)計(jì)，并繪制管路布置圖。 6. 撰寫設(shè)計(jì)說明書。1.2.3設(shè)計(jì)的產(chǎn)品的性能、用途及市場(chǎng)需要 (1) 氨的物化性能合成氨的化學(xué)名稱為氨，氮含量為82.3%。氨是一種無色具有強(qiáng)烈刺激性、催淚性和特殊臭氣的無色氣體，比空氣輕，相對(duì)密度0.596，熔點(diǎn)77.7；沸點(diǎn)33.4。標(biāo)準(zhǔn)狀況下，1米3氣氨重0.771公斤；1米3液氨重638.6公斤。極易溶于水，常溫（20）常壓下，一個(gè)體積的水能溶解600個(gè)體積的氨；標(biāo)準(zhǔn)狀況下，一個(gè)體積水能溶解1300個(gè)體積的氨氨的水溶液稱為氨水，呈強(qiáng)堿性。因此，用水噴淋處理跑氨事故，能收到較好的效果2。氨與酸或酸酐可以直接作用，生成各種銨鹽；氨與二氧化碳作用可生成氨基甲銨，脫水成尿素；在鉑催化劑存在的條件下，氨與氧作用生成一氧化氮，一氧化氮繼續(xù)氧化并與水作用，便能得到硝酸。氨在高溫下(800以上)分解成氮和氫；氨具有易燃易爆和有毒的性質(zhì)。氨的自燃點(diǎn)為630，氨在氧中易燃燒，燃燒時(shí)生成藍(lán)色火焰。氨與空氣或氧按一定比例混合后，遇明火能引起爆炸。常溫下氨在空氣中的爆炸范圍為15.528，在氧氣中為13.582。液氨或干燥的氣氨，對(duì)大部分物質(zhì)沒有腐蝕性，但在有水的條件下，對(duì)銅、銀、鋅等有腐蝕作用3。(2) 氨的用途氨是基本化工產(chǎn)品之一，用途很廣。化肥是農(nóng)業(yè)的主要肥料，而其中的氮肥又是農(nóng)業(yè)上應(yīng)用最廣泛的一種化學(xué)肥料，其生產(chǎn)規(guī)模、技術(shù)裝備水平、產(chǎn)品數(shù)量，都居于化肥工業(yè)之首，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有極其重要的地位。各種氮肥生產(chǎn)是以合成氨為主要原料的，因此，合成氨工業(yè)的發(fā)展標(biāo)志著氮肥工業(yè)的水平。以氨為主要原料可以制造尿素、硝酸銨、碳酸氫銨、硫酸銨、氯化銨等氮素肥料。還可以將氨加工制成各種含氮復(fù)合肥料。此外，液氨本身就是一種高效氮素肥料，可以直接施用，一些國(guó)家已大量使用液氨。可見，合成氨工業(yè)是氮肥工業(yè)的基礎(chǔ)，對(duì)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)起著重要的作用。氨也是重要的工業(yè)原料，廣泛用于制藥、煉油、純堿、合成纖維、合成樹脂、含氮無機(jī)鹽等工業(yè)部門。將氨氧化可以制成硝酸，而硝酸又是生產(chǎn)炸藥、染料等產(chǎn)品的重要原料。現(xiàn)代國(guó)防工業(yè)和尖端技術(shù)也都與氨合成工業(yè)有密切關(guān)系，如生產(chǎn)火箭的推進(jìn)劑和氧化劑，同樣也離不開氨。此外，氨還是常用的冷凍劑。合成氨工業(yè)的迅速發(fā)展，也促進(jìn)和帶動(dòng)了許多科學(xué)技術(shù)部門的發(fā)展，如高壓技術(shù)、低溫技術(shù)、催化技術(shù)、特殊金屬材料、固體燃料氣化、烴類燃料的合理利用等。同時(shí)，尿素和甲醇的合成、石油加氫、高壓聚合等工業(yè)，也是在合成氨工業(yè)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。所以合成氨工業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有十分重要的地位，氨及氨加工工業(yè)已成為現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的一個(gè)重要部門4。市場(chǎng)需要據(jù)資料統(tǒng)計(jì):1997 年世界合成氨年產(chǎn)量達(dá)103.9Mt。2000 年產(chǎn)量將達(dá)111.8Mt。其化肥用氨分別占氨產(chǎn)量的81.7%和82.6%。我國(guó)1996 年合成氨產(chǎn)量已達(dá)30.64Mt,2000 年將達(dá)36Mt,2020 年將增加至45Mt。即今后20 年間將增加到現(xiàn)在的1.5 倍。因而合成氨的持續(xù)健康發(fā)展還有相當(dāng)長(zhǎng)的路要走。未來我國(guó)合成氨氮肥的實(shí)物產(chǎn)量將會(huì)超過石油和鋼鐵。合成氨工業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中舉足輕重。農(nóng)業(yè)生產(chǎn),“有收無收在于水,收多收少在于肥”。所以,合成氨工業(yè)是農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)。它的發(fā)展將對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展產(chǎn)生重大影響。因此,我國(guó)現(xiàn)有眾多的化肥生產(chǎn)裝置應(yīng)成為改造擴(kuò)建增產(chǎn)的基礎(chǔ)。我國(guó)七十至九十年代先后重復(fù)引進(jìn)30 多套大化肥裝置,耗費(fèi)巨額資金,在提高了化肥生產(chǎn)技術(shù)水平的同時(shí),也受到國(guó)外的制約。今后應(yīng)利用國(guó)內(nèi)開發(fā)和消化吸收引進(jìn)的工藝技術(shù),自力更生,立足國(guó)內(nèi),走出一條具有中國(guó)特色的社會(huì)主義民族工業(yè)的發(fā)展道路。過去引進(jìn)建設(shè)一套大型化肥裝置,耗資數(shù)十億元。當(dāng)今走老廠改造擴(kuò)建的道路,可使投資節(jié)省1/22/3。節(jié)省的巨額資金,用作農(nóng)田水利建設(shè)和農(nóng)產(chǎn)品深加工,將在加速農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展,提高農(nóng)民生活水平,縮小城鄉(xiāng)差距起著重要用。1.2.4簡(jiǎn)述產(chǎn)品的幾種生產(chǎn)方法及特點(diǎn) 氨的合成是合成氨生產(chǎn)的最后一道工序，其任務(wù)是將經(jīng)過精制的氫氮混合氣在催化劑的作用下多快好省地合成為氨。對(duì)于合成系統(tǒng)來說，液體氨即是它的產(chǎn)品。工業(yè)上合成氨的各種工藝流程一般以壓力的高低來分類3。(1)高壓法操作壓力70100MPa，溫度為550650。這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是氨合成效率高，混合氣中的氨易被分離。故流程、設(shè)備都比較緊湊。但因?yàn)楹铣尚矢撸懦龅臒崃慷?，催化劑溫度高，易過熱而失去活性，所以催化劑的使用壽命較短。又因?yàn)槭歉邷馗邏翰僮鳎瑢?duì)設(shè)備制造、材質(zhì)要求都較高，投資費(fèi)用大。目前工業(yè)上很少采用此法生產(chǎn)。(2)中壓法操作壓力為2060MPa，溫度450550，其優(yōu)缺點(diǎn)介于高壓法與低壓法之間，目前此法技術(shù)比較成熟，經(jīng)濟(jì)性比較好。因?yàn)楹铣蓧毫Φ拇_定，不外乎從設(shè)備投資和壓縮功耗這兩方面來考慮。從動(dòng)力消耗看，合成系統(tǒng)的功耗占全廠總功耗的比重最大。但功耗決不但取決于壓力一項(xiàng)，還要看其它工藝指標(biāo)和流程的布置情況。總的來看，在1530Pa的范圍內(nèi)，功耗的差別是不大的，因此世界上采用此法的很多。因此，本次設(shè)計(jì)選用32MPa壓力的合成氨流程。(3)低壓法操作壓力10MPa左右，溫度400450。由于操作壓力和溫度都比較低，故對(duì)設(shè)備要求低，容易管理，且催化劑的活性較高，這是此法的優(yōu)點(diǎn)。但此法所用催化劑對(duì)毒物很敏感，易中毒，使用壽命短，因此對(duì)原料氣的精制純度要求嚴(yán)格。又因操作壓力低，氨的合成效率低，分離較困難，流程復(fù)雜。實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)上此法已不采用了。1.3 產(chǎn)品方案產(chǎn)品的名稱：氨(NH3)；產(chǎn)品的質(zhì)量規(guī)格：液體純氨；產(chǎn)品的規(guī)模：80 kt/a 液氨；產(chǎn)品的包裝方式：氨為高壓低溫液體，合成后直接送到下一工段作為原料繼續(xù)生產(chǎn)，多余部分設(shè)立氨儲(chǔ)槽儲(chǔ)存起來。1.4設(shè)計(jì)產(chǎn)品所需的主要原料規(guī)格、來源1.4.1主要原料來源生產(chǎn)合成氨，首先必須制備氫、氮原料氣。氮?dú)鈦碓从诳諝?，可以在低溫下將空氣液化、分離而得，或者在制氫過程中直接加入空氣來解決。氫氣來源于水或含有烴類的各種燃料，它取決于用什么方法制取。最簡(jiǎn)便的方法是將水電解，但此法由于電能消耗大、成本高而受到限制。現(xiàn)在工業(yè)上普遍采用以焦炭、煤、天然氣、重油等原料與水蒸汽作用的氣化方法。1.4.2 主要原料規(guī)格 (1) 合成塔進(jìn)口氣體組成合成塔進(jìn)口氣體組成包括氫氮比、惰性氣體含量與初始氨含量。當(dāng)氫氫比為3時(shí)，對(duì)于氨合成反應(yīng)，可得最大平衡氨含量，但從動(dòng)力學(xué)角度分析，最適宜氫氨比隨氨含量的不同而變化。如果略去氫及氨在液氨中溶解損失的少量差異，氨合成反應(yīng)氫與氮總是按3：1消耗，新鮮氣氫氮比應(yīng)控制為3，否則循環(huán)系統(tǒng)中多余的氫或氮就會(huì)積累起來，造成循環(huán)氣中氫氮比的失調(diào)。惰性氣體(CH4、Ar)來源于新鮮原料氣，它們不參與反應(yīng)因而在系統(tǒng)中積累。惰性氣體的存在，無論從化學(xué)平衡還是動(dòng)力學(xué)上考慮均屬有弊。但是，維持過低的惰氣含量又需大量排放循環(huán)氣導(dǎo)致原料氣消耗量增加。如果循環(huán)氣中惰性氣體含量一定，新鮮氣中惰性氣體含量增加，根據(jù)物料平衡關(guān)系，新鮮氣消耗隨之增大。因此，循環(huán)氣中惰性氣體含量應(yīng)根據(jù)新鮮氣惰性氣體含量、操作壓力、催化劑活性等條件而定。由于原料氣制備與凈化方法不同，新鮮氣中惰性氣體含量也各個(gè)相同，循環(huán)氣中所控制的惰性氣體含量也有差異。當(dāng)其它條件一定時(shí)，進(jìn)塔氣體中氨含量越高，氨凈值越小，生產(chǎn)能力越低。初始氨含量的高低取決于氨分離的方法。對(duì)于冷凍法分離氨，初始氨含量與冷凝溫度和系統(tǒng)壓力有關(guān)。為過分降低冷凝溫度而過多地增加氨冷負(fù)荷在經(jīng)濟(jì)上也并不可取。操作壓力300atm時(shí)，一般進(jìn)塔氨含量控制在3.23.8；150atm時(shí)，為2.03.2。(2) 硫化物和碳氧化物含量無論那一種原料所得原料氣，都含有一定數(shù)量的硫化物。雖然原料氣中硫化物含量不高，但對(duì)合成氨生產(chǎn)危害卻很大。硫化物是各種催化劑的毒物，硫化氫能腐蝕設(shè)備管道。以烴類為原料的蒸汽轉(zhuǎn)化法制取原料氣，鎳催化劑對(duì)硫含量限制十分嚴(yán)格，要求烴原料中總硫含量為0.5PPm(重量)以下。為防止CO和CO2對(duì)催化劑的毒害，規(guī)定CO和CO2總含量不得多余20ppm5。1.5生產(chǎn)中產(chǎn)生有害物質(zhì)和處理措施中小型合成氨廠在生產(chǎn)過程中，常見的有毒有害物質(zhì)種類很多，多以氣體、蒸氣、霧、粉塵等狀態(tài)存在，其中有毒有害氣體是合成氨生產(chǎn)中最常見的。1.5.1 氨氣和液氨氨氣是一種具有強(qiáng)烈刺激臭味的無色氣體, 易被液化成藍(lán)色液體。車間空氣中氨的最高容許濃度為30 毫克米3。它對(duì)人的眼睛和呼吸器官有較大的傷害作用。氨中毒的癥狀首先是服粘膜和呼吸道粘膜受到刺激、胸感抑郁、胃痛、打噴嚏、流口水、周身有不舒服感。如在氨氣濃度不大的環(huán)境中，停留時(shí)間不長(zhǎng)，而且能及時(shí)離開環(huán)境，到空氣新鮮的地方去，上述的癥狀可漸漸消失。中毒嚴(yán)重時(shí)，會(huì)引起肺部腫脹導(dǎo)致死亡。氨氣刺激眼睛能引起角膜炎。因氨有氣味，故較好預(yù)防。合成氨生產(chǎn)中合成工段經(jīng)常接觸的液體毒物有液氨、氨水等。液氨或氨水濺入眼內(nèi)，可造成眼睛嚴(yán)重?fù)p傷，出現(xiàn)眼瞼水腫，眼結(jié)膜迅速充血水腫，眼劇痛，角膜混濁，甚至因角膜潰瘍、穿孔而失明。接觸液氨和高濃度氣氨，可使皮膚引起類似強(qiáng)堿的嚴(yán)重灼傷，出現(xiàn)紅斑、水泡，甚至因吸收水分，使皮膚脂肪皂化而壞死。在正常生產(chǎn)過程中，有很少一部份氣態(tài)NH3無法回收，通過放空火炬燃燒掉就不會(huì)對(duì)環(huán)境造成影響。對(duì)于成品氨罐放空的氣態(tài)NH3可引入冰機(jī)中進(jìn)行加壓冷凝，不僅回收了NH3，同時(shí)也不會(huì)造成環(huán)境的污染3。1.5.2 合成氨廢水合成氨生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢水是COD的主要來源。比如，隔油池中廢水就含有COD。如果含有COD的廢水排放出去就會(huì)繁衍菌類、藻類，污染水源和土壤，更嚴(yán)重的是會(huì)造成污染滋生源，對(duì)環(huán)境造成更大的破壞。要減少廢水和工藝?yán)淠褐械腃OD的排放，可改進(jìn)生產(chǎn)工藝，使廢水排放減少，建設(shè)特生化處理裝置，進(jìn)行廢水處理，使廢水中的COD含量達(dá)到國(guó)家控制標(biāo)準(zhǔn)6。2 生產(chǎn)流程及生產(chǎn)方法的確定2.1合成氨生產(chǎn)的特點(diǎn)氨的合成工段，其主要任務(wù)是在適宜的溫度、壓力和有觸媒催化的條件下，將經(jīng)過精制的氫氮混合氣體，在合成塔內(nèi)直接合成為氨。然后將所得的氣氨，從氫氮混合氣中經(jīng)冷卻冷凝成為液態(tài)氨分離出來。液氨由氨罐進(jìn)入氨冷器蒸發(fā)為氣氨，送碳化崗位制取碳酸氫銨；或送硝酸車間制取硝酸和硝銨；或送硫銨車間制取硫酸銨；或?qū)⒁喊彼湍蛩剀囬g制取尿素等。未合成為氨的氫氮混合氣體繼續(xù)在合成系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)使用。合成氨生產(chǎn)的特點(diǎn)，概括起來有如下幾方面7：(1)工藝流程長(zhǎng)、設(shè)備管道多；(2)生產(chǎn)過程有高度的連續(xù)性；(3)各工序生產(chǎn)操作相互影響；(4)生產(chǎn)是在高溫、高壓、易燃、易爆、易中毒、易灼傷的情況下進(jìn)行的。在整個(gè)合成氨生產(chǎn)過程中，合成氨生產(chǎn)比較復(fù)雜，始終存在著高溫、高壓、易燃、易爆、易中毒等危險(xiǎn)因素，各種控制條件比較嚴(yán)格，稍有疏忽就可能發(fā)生事故。同時(shí)，因生產(chǎn)工藝流程長(zhǎng)、連續(xù)性強(qiáng)，設(shè)備長(zhǎng)期承受高溫和高壓，還有內(nèi)部介質(zhì)的沖刷、滲透和外部環(huán)境的腐蝕等，各類事故發(fā)生率比較高，尤其是火災(zāi)、爆炸和重大設(shè)備事故經(jīng)常發(fā)生。但是，只要我們能充分認(rèn)識(shí)這一客觀規(guī)律并掌握這一客觀規(guī)律就能做到安全生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)。因此，合成氨生產(chǎn)必須滿足高溫、高壓、高純度要求。在生產(chǎn)過程中有一系列化學(xué)反應(yīng)、傳熱、燃燒、分離等過程,溫度、壓力、濃度等因素都影響反應(yīng)的進(jìn)行,這些因素又受到設(shè)備質(zhì)量、水質(zhì)、煤質(zhì)、季節(jié)、氣候、操作水平、調(diào)度與管理的影響,這樣就形成了合成氨生產(chǎn)工藝過程、設(shè)備結(jié)構(gòu)、操作管理與生產(chǎn)技術(shù)的復(fù)雜性。2.2 氨合成過程的基本工藝步驟 實(shí)現(xiàn)氨合成的循環(huán)，必須包括如下幾個(gè)步驟4：氮?dú)湓蠚獾膲嚎s并補(bǔ)入循環(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)充壓力并循環(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。由于采用壓縮機(jī)的型式、氨分冷凝級(jí)數(shù)、熱能回收形式以及各部分相對(duì)位置的差異，而形成不同的工業(yè)生產(chǎn)流程，但實(shí)現(xiàn)氨合成過程的基本工藝步驟是相同的。(1)氣體的壓縮和除油 為了將新鮮原料氣和循環(huán)氣壓縮到氨合成所要求的操作壓力，就需要在流程中設(shè)置壓縮機(jī)。當(dāng)使用往復(fù)式壓縮機(jī)時(shí)，在壓縮過程中氣體夾帶的潤(rùn)滑油和水蒸汽混合在一起，呈細(xì)霧狀懸浮在氣流中。氣體中所含的油不僅會(huì)使氨合成催化劑中毒、而且附著在熱交換器壁上，降低傳熱效率，因此必須清除干凈。除油的方法是壓縮機(jī)每段出口處設(shè)置油分離器，并在氨合成系統(tǒng)設(shè)置濾油器。若采用離心式壓縮機(jī)或采用無油潤(rùn)滑的往復(fù)式壓縮機(jī)，氣體中不含油水，可以取消濾油設(shè)備，簡(jiǎn)化了流程。(2)氣體的預(yù)熱和合成 壓縮后的氫氮混合氣需加熱到催化劑的起始活性溫度，才能送入催化劑層進(jìn)行氨合成反應(yīng)。在正常操作的情況下，加熱氣體的熱源主要是利用氨合成時(shí)放出的反應(yīng)熱，即在換熱器中反應(yīng)前的氫氮混合氣被反應(yīng)后的高溫氣體預(yù)熱到反應(yīng)溫度。在開工或反應(yīng)不能自熱時(shí)，可利用塔內(nèi)電加熱爐或塔外加熱爐供給熱量。(3)氨的分離 進(jìn)入氨合成塔催化層的氫氮混合氣，只有少部分起反應(yīng)生成氨，合成塔出口氣體氨含量一般為1020，因此需要將氨分離出來。氨分離的方法有兩種，一是水吸收法；二是冷凝法，將合成后氣體降溫，使其中的氣氮冷凝成液氨，然后在氨分離器中，從不凝氣體中分離出來。目前工業(yè)上主要采用冷凝法分離循環(huán)氣中的氨。以水和氨冷卻氣體的過程是在水冷器和氨冷器中進(jìn)行的。在水冷器和氨冷器之后設(shè)置氨分離器，把冷凝下來的液氨從氣相中分離出來，經(jīng)減壓后送至液氮貯槽。在氨冷凝過程，部分氫氮?dú)饧岸栊詺怏w溶解在液氨中。當(dāng)液氨在貯槽內(nèi)減壓后，溶解的氣體大部分釋放出來，通常稱為“貯罐氣”。(4)氣體的循環(huán)氫氮混合氣經(jīng)過氨合成塔以后，只有一小部分合成為氨。分離氨后剩余的氫氮?dú)猓秊榻档颓樾詺怏w含量而少量放空以外，與新鮮原料氣混合后，重新返回合成塔，再進(jìn)行氨的合成，從而構(gòu)成了循環(huán)法生產(chǎn)流程。由于氣體在設(shè)備、管道中流動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生了壓力損失。為補(bǔ)償這一損失，流程中必須設(shè)置循環(huán)壓縮機(jī)。循環(huán)機(jī)進(jìn)出口壓差約為2030大氣壓，它表示了整個(gè)合成循環(huán)系統(tǒng)阻力降的大小。(5)惰性氣體的排除氨合成循環(huán)系統(tǒng)的情性氣體通過以下三個(gè)途徑帶出：(1)一小部分從系統(tǒng)中漏損；(2)一小部分溶解在液氨中被帶走；(3)大部分采用放空的辦法，即間斷或連續(xù)地從系統(tǒng)中排放。在氨合成循環(huán)系統(tǒng)中，流程中各部位的惰性氣體含量是不同的，放空位置應(yīng)該選擇在惰性氣體含量最大而氨含量最小的地方，這樣放空的損失最小。由此可見，放空的位置應(yīng)該在氨已大部分分離之后，而又在新鮮氣加入之前。放空氣中的氨可用水吸收法或冷凝法加以回收，其余的氣體一股可用作燃料。也可采用冷凝法將放空氣中的甲烷分離出來，得到氫、氮?dú)?，然后將甲烷轉(zhuǎn)化為氫，回收利用，從而降低原料氣的消耗。有些工廠設(shè)置二循環(huán)合成系統(tǒng)，合成系統(tǒng)放空氣進(jìn)入二循環(huán)系統(tǒng)的合成塔，繼續(xù)進(jìn)行合成反應(yīng)，分離氨后部分情性氣體放空，其余部分在二循環(huán)系統(tǒng)繼續(xù)循環(huán)。這樣，提高了放空氣中惰性氣體含量，從而減少了氫氮?dú)鈸p失。(6)反應(yīng)熱的回收利用氨的合成反應(yīng)是放熱反應(yīng)，必須回收利用這部分反應(yīng)熱。目前回收利用反應(yīng)熱的方法主要有以下幾種：(1) 預(yù)熱反應(yīng)前的氫氮混合氣。在塔內(nèi)設(shè)置換熱器，用反應(yīng)后的高溫氣體預(yù)熱反應(yīng)前的氫氮混合氣，使其達(dá)到催化劑的活性溫度。這種方法簡(jiǎn)單，但熱量回收不完全。目前小型氨廠及部分中型氨廠采用此法回收利用反應(yīng)熱。(2) 預(yù)熱反應(yīng)前的氫氮混合氣和副產(chǎn)蒸汽。既在塔內(nèi)設(shè)置換熱器預(yù)熱反應(yīng)前的氫氮混合氣，又利用余熱副產(chǎn)蒸汽。按副產(chǎn)蒸汽鍋爐安裝位置的不同，可分為塔內(nèi)副產(chǎn)蒸汽合成塔(內(nèi)置式)和塔外副產(chǎn)蒸汽合成塔(外置式)兩類。目前一般采用外置式，該法熱量回收比較完全，同時(shí)得到了副產(chǎn)蒸汽，目前中型氮廠應(yīng)用較多。 (3)預(yù)熱反應(yīng)前的氫氮混合氣和預(yù)熱高壓鍋爐給水。反應(yīng)后的高溫氣體首先通過塔內(nèi)側(cè)換熱器預(yù)熱反應(yīng)前的氫氮混合氣，然后再通過塔外的換熱器預(yù)熱高壓鍋爐給水。此法的優(yōu)點(diǎn)是減少了塔內(nèi)換器的面積，從而減小了塔的體積，同時(shí)熱能回收完全。目前大型合成氨廠一般采用這種方法回收熱量。用副產(chǎn)蒸汽及預(yù)熱高壓鍋爐給水方式回收反應(yīng)熱時(shí)，生產(chǎn)一噸氨一般可回收0.50.9噸蒸汽。2.3氨合產(chǎn)工藝的選擇考慮氨合成工段的工藝和設(shè)備問題時(shí)，必須遵循三個(gè)原則：一是有利于氨的合成和分離；二是有利于保護(hù)催化劑，盡量延長(zhǎng)使用壽命；三是有利于余熱回收降低能耗。氨合成工藝選擇主要考慮合成壓力、合成塔結(jié)構(gòu)型式及熱回收方法。氨合成壓力高對(duì)合成反應(yīng)有利, 但能耗高。中壓法技術(shù)比較成熟，經(jīng)濟(jì)性比較好，在1530Pa的范圍內(nèi)，功耗的差別是不大的，因此世界上采用此法的很多。 一般中小氮肥廠多為32MPa , 大型廠壓力較低,為1020MPa。由于近來低溫氨催化劑的出現(xiàn), 可使合成壓力降低。合成反應(yīng)熱回收是必需的, 是節(jié)能的主要方式之一。除盡可能提高熱回收率,多產(chǎn)蒸汽外, 應(yīng)考慮提高回收熱的位能, 即提高回收蒸汽的壓力及過熱度。高壓過熱蒸汽的價(jià)值較高, 當(dāng)然投資要多, 根據(jù)整體流程統(tǒng)一考慮。本次設(shè)計(jì)選用中壓法（壓力為32MPa）合成氨流程，采用預(yù)熱反應(yīng)前的氫氮混合氣和副產(chǎn)蒸汽的方法回收反應(yīng)熱，塔型選擇見設(shè)備選型部分。3 生產(chǎn)流程簡(jiǎn)述氣體從冷交換器出口分二路、一路作為近路、一路進(jìn)入合成塔一次入口，氣體沿內(nèi)件與外筒環(huán)隙向下冷卻塔壁后從一次出口出塔，出塔后與合成塔近路的冷氣體混合，進(jìn)入氣氣換熱器冷氣入口，通過管間并與殼內(nèi)熱氣體換熱。升溫后從冷氣出口出來分五路進(jìn)入合成塔、其中三路作為冷激線分別調(diào)節(jié)合成塔。二、三、四層(觸媒)溫度，一路作為塔底副線調(diào)節(jié)一層溫度，另一路為二入主線氣體，通過下部換熱器管間與反應(yīng)后的熱氣體換熱、預(yù)熱后沿中心管進(jìn)入觸媒層頂端，經(jīng)過四層觸媒的反應(yīng)后進(jìn)入下部換熱器管內(nèi)，從二次出口出塔、出塔后進(jìn)入廢熱鍋爐進(jìn)口，在廢熱鍋爐中副產(chǎn)25MPa 蒸氣送去管網(wǎng)，從廢熱鍋爐出來后分成二股，一股進(jìn)入氣氣換熱器管內(nèi)與管間的冷氣體換熱，另一股氣體進(jìn)入鍋爐給水預(yù)熱器在管內(nèi)與管間的脫鹽，脫氧水換熱，換熱后與氣氣換熱器出口氣體會(huì)合，一起進(jìn)入水冷器。在水冷器內(nèi)管被管外的循環(huán)水冷卻后出水冷器，進(jìn)入氨分離器，部分液氨被分離出來，氣體出氨分離器，進(jìn)入透平循環(huán)機(jī)入口，經(jīng)加壓后進(jìn)入循環(huán)氣濾油器出來后進(jìn)入冷交換器熱氣進(jìn)口。在冷交換器管內(nèi)被管間的冷氣體換熱，冷卻后出冷交換器與壓縮送來經(jīng)過新鮮氣濾油器的新鮮氣氫氣、氮?dú)鈺?huì)合進(jìn)入氨冷器，被液氨蒸發(fā)冷凝到-5-10，被冷凝的氣體再次進(jìn)入冷交，在冷交下部氣液分離，液氨送往氨庫氣體與熱氣體換熱后再次出塔，進(jìn)入合成塔再次循環(huán)。水冷器熱交換器合成塔廢熱鍋爐放空油分離器循環(huán)機(jī)冷交換器氨分離器新鮮氣弛放液氨儲(chǔ)槽氨冷器 圖3-1 工藝流程圖4 工藝計(jì)算4.1 原始條件（1）年產(chǎn)量80kt，年生產(chǎn)時(shí)間扣除檢修時(shí)間后按310天計(jì)，則產(chǎn)量為：10.7527t/h （2）新鮮補(bǔ)充氣組成表4-1 新鮮補(bǔ)充氣組成組分H2N2CH4Ar 總計(jì)含量（%）74.5 241.20.3100（3）合成塔入口中氨含量：NH3入=2.5%（4）合成塔出口中氨含量：NH3出=13.2%（5）合成塔入口惰性氣體含量：CH4 +Ar=17%（6）合成塔操作壓力：32Mpa（7）精練氣溫度：35？4.2 物料衡算4.2.1 合成塔物料衡算 （1）合成塔入口氣組分： 入塔氨含量: y5NH3=2.5; 入塔甲烷含量：y5CH4=17.001.2/（1.2+0.3）100=13.6； 入塔氫含量：y5H2=100-（2.5+17）3/4100=60.375； 入塔氬含量：y5Ar=17-13.6=3.4； 入塔氮含量：y5N2=100 -（2.5+17）1/4100=20.125表4-2 入塔氣組分含量（）NH3CH4ArH2N2小計(jì)2.513.63.460.37520.125100 （2）合成塔出口氣組分： 以1000kmol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：MNH3=M5 (y8NH3-y5NH3)/ (1+y8NH3) =1000(0.132- 0.025)/ (1+0.132) =94.523kmol 出塔氣量: M8=入塔氣量生成氨含量=1000-94.523=905.477kmol 出塔氨含量： y8NH3=13.2 出塔甲烷含量：y8CH4=(M5/M8)y5CH4=(1000/905.477)13.6=15.2 出塔氬含量： y8Ar=(M5/M8)y5Ar=1000/905.4773.4=3.754 出塔氫含量： y8H2=3/4(1-y8NH3-y8CH4-y8Ar)100=3/4(1-0.132-0.152-0.03754)100=50.8845 出塔氮含量： y8N2=1/4(1-0.132-0.152-0.03754)100=16.9615表4-3 出塔氣體組分含量（）NH3CH4ArH2N2小計(jì)13.215.23.75450.884516.9615100 （3）合成率： 合成率=2MNH3/M5(1-y5NH3-y5CH4-y5Ar)100 =294.523/1000(1-0.025-0.17)100=23.4844.2.2氨分離器氣液平衡計(jì)算表4-5 已知氨分離器入口混合物組分m(i)NH3CH4ArH2N2小計(jì)0.1320.1520.037540.508850.169611.00000 查t=35，P=29.1MPa時(shí)各組分平衡常數(shù)：表4-6 各組分平衡常數(shù)KNH3KCH4KArKH2KN20.0988.228.20027.50034.500 設(shè)（V/L）=11.1時(shí)，帶入L(i)=m(i)/1+(V/L)K(i)=L(i): LNH3=mNH3/1+(V/L)KNH3=0.07903Kmol LCH4= mCH4/1+(V/L)KCH4=0.00143 Kmol LAr=mAr/1+(V/L)KAr=0.00013 Kmol LH2=mH2/1+(V/L)KH2=0.0163Kmol LH2=mN2)/1+(V/L)KN2=0.00043 Kmol L總= L(NH3)+ L(CH4)+ L(Ar)+ L(Ar)+ L(H2)+ L(N2)=0.08264 Kmol 分離氣體量：V=1-L=1-0.08264=0.91736 Kmol 計(jì)算氣液比：（V/L）=0.91739/0.08261=11.1005 誤差（V/L）-（V/L）/（V/L）=（11.10-11.1005）/11.10100=0.0047，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： xNH3=LNH3/L=0.07899/0.08261100=95.631 液體中氬含量： xAr=LAr/L=0.000013/0.08261IOO=0.152 液體中甲烷含量：xCH4=LCH4/L=0.00143/0.08261100=1.725 液體中氫含量: xH2=LH2/L=0.00163/0.08261100=1.969 液體中氮含量： xN2=LH2/L=0.00043/0.08261100=0.524表4-7 氨分離器出口液體含量NH3CH4ArH2N2小計(jì)95.6311.7250.1521.9690.524100.00 分離氣體組分含量： 氣體氨含量： yNH3=mNH3-LNH3/V=8.23 氣體甲烷含量： yCH4=mCH4-LCH4/V=15.86 氣體氬含量： yAr=mAr-LAr/V=3.93 氣體氫含量： yH2=mH2-LH2/V=53.93 氣體氮含量： yN2=mN2-LN2/V=18.06表4-8 氨分離器出口氣體含量（）NH3CH4ArH2N2小計(jì)8.2315.863.9353.9318.06100.004.2.3冷交換器氣液平衡計(jì)算查t=-10,p=28.3MPa的平衡常數(shù)：表4-9 各組分的平衡常數(shù)KNH3KCH4KArKH2KN20.025427517580 冷交換器出口液體組分含量： 出口液體甲烷含量： xCH4=yCH4/ KCH4=0.427 出口液體氨含量： xNH3=yNH3/ KNH3=98.425 出口液體氬含量: xAr=yAr/ KAr=0.068 出口液體氫含量: xH2=yH2/ KH2=0.825 出口液體氮含量: xN2=yN2/ KN2=0.258表4-10 冷交換器出口液體組分含量（）NH3CH4ArH2N2小計(jì)98.4250.4270.06790.8250.258100.004.2.4液氨貯槽氣液平衡計(jì)算 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(huì)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白分?jǐn)?shù)。 G=（1+y5NH3）(y8NH3-yNH3)/( y8NH3- y5NH3)(1- yNH3) =(1+0.025）（0.132-0.09371）/ （0.132-0.025）（1-0.13741） =57.588 水冷后分離液氨占總量的57.588冷交，氨冷后分離液氨占總量的42.412。 液氨貯槽入口1Kmol液體計(jì)算為準(zhǔn)，即L0=1Kmol，入口液體混合后組分含量： m(0i)=L(15)X15i+L16X16i = GL0X15i+(1- G)X16i =0.57588X15i+0.42412X16i混合后入口氨含量： m0NH3=0.575880.9563+0.424120.9842=0.96816混合后入口甲烷含量: m0CH4=0.575880.01724+0.424120.004274=0.01174混合后入口氬含量: m0Ar=0.575880.001516+0.424120.0006787=0.00116混合后入口氫含量： m0H2=0.575880.01969+0.424120.00825=0.01484混合后入口氮含量： m0N2=0.575880.005237+0.424120.002578=0.00411表4-11 液氨貯槽入口液體含量m0NH3m0CH4m0Arm0H2m0N2小計(jì)0.968160.011740.001160.014840.004111.0000當(dāng)t=17，P=1.568MPa時(shí)，計(jì)算得熱平衡常數(shù)：表4-12 各組分的平衡常數(shù)KNH3KCH4KArKH2KN20.598170540575620 根據(jù)氣液平衡L(i)=m(0i)/1+(V/L)k(i),設(shè)(V/L)=0.05,代入上式得: 出口液體氨含量： LNH3=m0NH3/(1+(V/L)kNH3 =0.968161/(1+0.050.598)=0.94005 Kmol 出口液體甲烷含量：LCH4=m0CH4/ 1+(V/L)kCH4 =0.011744/(1+0.005170)=0.00124 Kmol 出口液體氬含量： LAr=m0Ar/ 1+(V/L)kAr =0.001161/(1+0.05540)=0.00004 Kmol 出口液體氫氣含量：LH2=m0H2/ 1+(V/L)kH2 =0.014839/(1+0.05575)=0.0005 Kmol 出口液體氮?dú)夂浚篖N2=m0N2/ 1+(V/L)kN2 =0.004109/(1+0.05620)=0.00013 Kmol L(總)=0.94196,V=1-0.94196=0.058Kmol,(V/L) =V/L=0.062,誤差 =(0.062-0.05)/0.05=-0.232，假定正確。 出口液體組分含量： 出口液體氨含量： xNH3=LNH3/L=0.94/0.942100=99.798 出口液體甲烷含量： xCH4=LCH4/L=0.00124/0.942100=0.131 出口液體氬含量： xAr=LAr/L=0.00004/0.942100=0.004 出口液體氫氣含量： xH2=LH2/L=0.0005/0.942100=0.053 出口液體氮?dú)夂浚?xN2=LN2/L=0.00013/0.942100=0.014表4-13 液氨貯槽出口液氨組分（）NH3CH4ArH2N2小計(jì)99.7980.1310.0040.0530.0141.0000 出口弛放氣組分含量： 弛放氣氨含量： yNH3=(M0NH3-LNH3)/V=(0.96816-0.94)/0.058100=48.427 弛放氣甲烷含量：yCH4=(M0CH4-LCH4)/V=(0.01174-0.00124)/0.058100=18.104 弛放氣氬含量： yAr=(M0 Ar-LAr)/V=(0.00116-0.00004)/0.058100=1.929 弛放氣氫氣含量：yH2=(M0H2-LH2)/V=(0.01484-0.0005)/0.058100=24.707 弛放氣氮?dú)夂浚?yN2=(M0N2-LN2)/V=(0.00411-0.00013)/0.058100=6.857表4-14 出口弛放氣組分含量（）NH3CH4ArH2N2小計(jì)48.42718.1041.92924.7076.8571004.2.5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 L(19)=100022.4/(0.9979817)=1320.317m 其中 NH3 L(19NH3)=L(19NH3)X(19NH3)=1320.31799.798=1317.647 m CH4 L(19CH4)=L(19CH4)X(19CH4)=1320.3170.131=1.733 m Ar L(19Ar)=L(19Ar)X(19Ar)=1320.3170.004=0.058 m H2 L(19H2)=L(19H2)X(19H2)=1320.3170.053=0.0699 m N2 L