年產20萬噸合成氨合成工段工藝設計課程設計

1、<p>　　太　原　理　工　大　學</p><p>　　課 程 設 計 任 務 書</p><p><b>　　前 言</b></p><p>　　《化工設計》課程設計是培養(yǎng)學生化工設計能力的重要教學環(huán)節(jié)，通過課程設計使我們初步掌握化工設計的基礎知識、設計原則及方法；學會各種手冊的使用方法及物理性質、化學性質的查找方法和技巧；掌握

2、各種結果的校核，能畫出工藝流程、各類塔結構等圖形。在設計過程中不僅要考慮理論上的可行性，還要考慮生產上的安全性、經濟合理性。</p><p>　　本設計就合成車間的工藝生產流程，著重介紹化工設計的基本原理、標準、規(guī)范、技巧和經驗。本說明書主要確定優(yōu)化的工藝流程、工藝條件、設備選型及其他非工藝專業(yè)等內容。在全面介紹化工設計的基礎知識上，重點闡述工藝流程設計、物料和能量衡算及車間布置等內容，并結合工藝計算、工程經濟，

3、力求體現當今化工設計的水平。</p><p>　　合成氨生產任務設計決定了生產合成氨的規(guī)模，設備的要求以及工藝流程的狀況。本設計所采用的方法是半水煤氣合成法，其主要原料是煤和氮氣，利用煤來生成氫氣，而本設計主要是對合成氨合成工段的設計，故所用原料直接采用氮氣和氫氣，其以合成塔為主要設備，在氨冷器、水冷器、氣—氣交換器、循環(huán)機、分離器、冷凝塔等輔助設備的作用下，以四氧化三鐵為觸媒，在485—500℃的高溫條件下來制

4、得氨氣。</p><p>　　本設計要求要掌握合成塔的工作原理，生產的工藝路線，并能根據工藝指標進行操作計算。在工藝計算過程中，包含物料衡算，熱量衡算及設備選型計算等。生產的氨的用途和產生的三廢在本設計也有所提到，在合成效率方面也有進一步研究。</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　合成氨生產任務設計決定了生產合成

5、氨的規(guī)模，設備的要求以及工藝流程的狀況。本設計所采用的方法是半水煤氣合成法，其主要原料是煤和氮氣，利用煤來生成氫氣，而本設計主要是對合成氨合成工段的設計，故所用原料直接采用氮氣和氫氣，其以合成塔為主要設備，在氨冷器、水冷器、氣—氣交換器、循環(huán)機、分離器、冷凝塔等輔助設備的作用下，以四氧化三鐵為觸媒，在485—500℃的高溫條件下來制得氨氣。本設計要求要掌握合成塔的工作原理，生產的工藝路線，并能根據工藝指標進行操作計算。在工藝計算過程中，

6、包含物料衡算，熱量衡算及設備選型計算等。生產的氨的用途和產生的三廢在本設計也有所提到，在合成效率方面也有進一步研究。</p><p>　　[關鍵詞]： 半水煤氣合成法 合成塔 催化劑 </p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　符號說明6</b></p><p>

7、　　第一章 總 論7</p><p><b>　　1.1 概述7</b></p><p>　　1.2 氨的性質7</p><p>　　1.2.1 氨的物理性質7</p><p>　　1.2.2 氨的化學性質8</p><p>　　1.3 原料氣來源8</p>

8、<p>　　1.4 文獻綜述9</p><p>　　1.4.1 合成氨工業(yè)的發(fā)展9</p><p>　　1.4.2 合成氨工業(yè)的現狀9</p><p>　　1.4.3 合成氨工業(yè)的發(fā)展趨勢10</p><p>　　1.5 設計任務的項目來源10</p><p>　　第二章 流程方案的確

9、定11</p><p>　　2.1 生產原理11</p><p>　　2.2 各生產方法及特點11</p><p>　　2.3 工藝流程的選擇12</p><p>　　2.4 合成塔進口氣的組成14</p><p>　　第三章 工藝流程簡述16</p><p>　　3.1

10、 合成工段工藝流程簡述16</p><p>　　3.2 工藝流程方框圖17</p><p>　　第四章 工藝計算18</p><p>　　4.1 物料衡算：18</p><p>　　4.1.1設計要求：18</p><p>　　4.1.2計算物料點流程圖：18</p><p>

11、　　4.1.3合成塔入口氣組分：19</p><p>　　4.1.4合成塔出口氣組分：20</p><p>　　4.1.6氨分離器氣液平衡計算：21</p><p>　　4.1.7冷交換器氣液平衡計算：23</p><p>　　4.1.8液氨貯槽氣液平衡計算：24</p><p>　　4.1.9液氨貯槽物料計

12、算：27</p><p>　　4.1.10合成系統物料計算:28</p><p>　　4.1.11合成塔物料計算：30</p><p>　　4.1.12水冷器物料計算：31</p><p>　　4.1.13氨分離器物料計算：32</p><p>　　4.1.14冷交換器物料計算：33</p>

13、<p>　　4.1.15氨冷器物料計算：34</p><p>　　4.1.16 冷交換器物料計算：36</p><p>　　4.1.17液氨貯槽物料計算:38</p><p>　　4.2 熱量衡算：41</p><p>　　4.2.1冷交換器熱量計算：41</p><p>　　4.2.2氨冷凝器熱

14、量衡算：44</p><p>　　4.2.3循環(huán)機熱量計算：47</p><p>　　4.2.4合成塔熱量衡算：49</p><p>　　4.2.5廢熱鍋爐熱量計算：52</p><p>　　4.2.6熱交換器熱量計算：53</p><p>　　4.2.7水冷器熱量衡算：54</p><

15、p>　　4.2.8氨分離器熱量核算：56</p><p>　　第五章 設備選型及設計計算58</p><p>　　5.1 合成塔催化劑層設計：58</p><p>　　5.2 廢熱鍋爐設備工藝計算：60</p><p>　　5.2.1計算條件60</p><p>　　5.2.2管內給熱系數的計算

16、60</p><p>　　5.2.3管外給熱系數64</p><p>　　5.2.4傳熱總系數K64</p><p>　　5.2.5傳熱溫差64</p><p>　　5.2.6傳熱面積65</p><p>　　5.3 熱交換器設備工藝計算:65</p><p>　　5.3.1計算條件

17、65</p><p>　　5.3.2管內給熱系數的計算66</p><p>　　5.3.3管外給熱系數68</p><p>　　5.3.4總傳熱系數72</p><p>　　5.3.5傳熱面積核算72</p><p>　　5.4 水冷器設備工藝計算：73</p><p>　　5.4

18、.1計算條件73</p><p>　　5.4.2管內給熱系數的計算74</p><p>　　5.4.3管外給熱系數76</p><p>　　5.4.4傳熱溫差76</p><p>　　5.4.5傳熱總系數K76</p><p>　　5.5 氨冷器設備工藝計算:77</p><p>

19、　　5.5.1計算條件77</p><p>　　5.5.2管內給熱系數的計算78</p><p>　　5.5.4傳熱總系數K81</p><p>　　5.5.5傳熱溫差81</p><p>　　5.5.6傳熱面積82</p><p>　　第六章 車間布置84</p><p>　　第

20、七章“三廢”治理及綜合利用85</p><p>　　7.1 “三廢”的產生及污染85</p><p>　　7.1.1廢氣污染危害85</p><p>　　7.1.2廢水污染危害86</p><p>　　7.1.3工業(yè)廢渣對環(huán)境的污染87</p><p>　　7.2 “三廢”治理原則87</p>

21、;<p><b>　　結束語88</b></p><p><b>　　參考文獻：89</b></p><p><b>　　附錄：90</b></p><p>　　物料衡算匯總表90</p><p><b>　　熱量計算點圖93</b>

22、;</p><p><b>　　符號說明</b></p><p><b>　　第一章 總 論</b></p><p><b>　　1.1 概述</b></p><p>　　氨是一種重要的含氮化合物。氮是蛋白質質中不可缺少的部分，是人類和一切生物所必須的養(yǎng)料；可以說沒有氮，

23、就沒有蛋白質，沒有蛋白質，就沒有生命。大氣中存在有大量的氮，在空氣中氨占78％（體積分數）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化為化合物狀態(tài)，才能被植物吸收，然后再轉化成人和動物所需的營養(yǎng)物質。把大氣中的游離氮固定下來并轉變?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，再進一步制成化學肥料或用于其它工業(yè)。&

24、lt;/p><p>　　在國民經濟中，氨占有重要地位，特別是對農業(yè)生產有著重大意義。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己內酰胺、尼龍-6、丙烯腈等單體和尿醛樹脂等產品。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

25、既是優(yōu)良的化肥，又是安全炸藥，在礦山開發(fā)等基本建設中廣泛應用。</p><p>　　氨在其他工業(yè)中的應用也非常廣泛。在石油煉制、橡膠工業(yè)、冶金工業(yè)和機械加工等部門以及輕工、食品、醫(yī)藥工業(yè)部門中，氨及其加工產品都是不可缺少的。例如制冷、空調、食品冷藏系統大多數都是用氨作為制冷劑。</p><p><b>　　1.2 氨的性質</b></p><p&

26、gt;　　1.2.1 氨的物理性質</p><p>　　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。</p><p>　　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)。</p><p>　　常壓下氣態(tài)氨需冷卻到-33.35

27、 ℃（沸點）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。</p><p>　　1.2.2 氨的化學性質</p><p>　?、?氨與氧在催化劑作用下生成氮的氧化物,并能進一步與水作用,制得硝酸：</p><p>　?、?氨與酸或酐反應生成鹽類,是制造氮肥的基本反應：</p><p>　?、?氨與

28、二氧化碳作用生成氨基甲酸銨,進一步脫水成為尿素：</p><p>　　⑷ 氨與二氧化碳和水作用,生成碳酸氫銨：</p><p>　　(5) 氨可與鹽生成各種絡合物，如CuCl2?6NH3、CuSO4?4NH3。</p><p>　　氨與空氣(或氧)的混合氣,在一定濃度范圍內能發(fā)生劇烈的氧化作用而爆</p><p>　　炸。在常溫常壓下，氨與空

29、氣爆炸極限為15%～28%(NH3)。100℃，0.1 MPa下，爆炸極限為14.5%～29.5%(NH3)。</p><p>　　1.3 原料氣來源</p><p>　　原料氣主要有兩部分：氮氣、氫氣。氮氣主要是從空氣中提取。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，經過一系列反應生成含有一氧化碳、二氧化碳、氫氣、氮氣、及甲烷等混

30、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-水蒸氣混合氣等稱為汽化劑。這種生成的混合氣稱為煤氣。</p><p>　　煤氣的成分取決于燃料和汽化劑的種類以及進行汽化的條件。根據所用汽化劑的不同，工業(yè)煤氣可分為下列四種：</p><p>　　空氣煤氣：以空氣為汽化劑制取的煤氣，又稱為吹風氣。</p><p>　　水煤氣：以水蒸氣（或水蒸氣與氧的混合氣）為

31、汽化劑制取的煤氣。</p><p>　　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。</p><p>　　半水煤氣：是混合煤氣中組成符合（H2+CO）/N2=3.1～3.2的一個特例。可用蒸氣與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混合配制。</p><p>　　本設計采用半水煤氣，半水煤氣經過凈化后得到純凈的氫氣，再配

32、制適量的氮氣，成為合成氨的原料氣，其中含有氮氣、氫氣、以及惰性氣體甲烷和氬。</p><p><b>　　1.4 文獻綜述</b></p><p>　　合成氨工業(yè)是氮肥工業(yè)的基礎，也是一些工業(yè)部門的重要原料，它的迅速發(fā)展促進了一系列科學技術和化學合成工業(yè)的發(fā)展，隨著科學技術的發(fā)展，合成氨工業(yè)在國民經濟中的作用必將日益顯著。</p><p>　

33、　1.4.1 合成氨工業(yè)的發(fā)展</p><p>　　合成氨工業(yè)在20世紀初期形成，開始用氨作為火炸藥工業(yè)的原料，為戰(zhàn)爭服務;第一次世界大戰(zhàn)結束后,轉向為農業(yè)、工業(yè)服務。隨著科學技術的發(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，國內合成氨年生產能力30萬噸以上的大型企業(yè)有26家，合成氨年生產能力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約占總量60%的合成氨。<

34、/p><p>　　1.4.2 合成氨工業(yè)的現狀</p><p>　　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，以本地粉煤代替無煙塊煤。建議針對不同企業(yè)采用不同的技術路線。內技術進行改造。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有裝置或建設天然氣化肥基

35、地。二是企業(yè)結構不合理，產業(yè)集中度低，技術水平不高。在氮肥行業(yè)，要推廣新型煤氣化技術，包括粉煤氣化、水煤漿氣化技術等；新型凈化技術，如低溫變換、低溫甲醇洗MDEA等凈化技術；新型氨合成塔及大型低壓合成的成套技術和裝備。</p><p>　　1.4.3 合成氨工業(yè)的發(fā)展趨勢</p><p>　　合成氨工業(yè)的發(fā)展趨勢: ①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

36、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,預計到20世紀末,世界大多數合成氨廠仍將以氣體燃料為主要原料。②節(jié)能和降耗。合成氨成本中能源費用占較大比重，合成氨生產的技術改進重點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。③與其他產品聯合生產。合成氨生產中副產大量的二氧化碳，不僅可用于

37、冷凍、飲料、滅火，也是生產尿素、純堿、碳酸氫銨的原料。</p><p>　　到2010年，力爭組建50家大型企業(yè)集團，大型氮肥廠合成氨平均規(guī)模達40萬噸/年以上，中型氮肥廠平均規(guī)模達20萬噸/年以上。其產品集中度達到50%，并形成3-5家在國際上有一定影響的大型企業(yè)集團。同時，調整企業(yè)結構，減少基礎肥料生產廠數量，提高單套裝置的規(guī)模，使合成氨工業(yè)朝現代化又邁進一步。 </p><p>　　

38、1.5 設計任務的項目來源</p><p>　　本課題是指導老師提高畢業(yè)生設計能力而選定的。希望通過此次課程設計讓學生可以較好地把理論學習中的分散知識點和實際生產操作有機結合起來，得到較為合理的設計成果，達到課程設計訓練的目的，提高學生分析和解決化工實際問題的能力。 </p><p>　　第二章 流程方案的確定</p><p><b>　　2.1 生

39、產原理</b></p><p>　　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)生反應的,其反應式為： </p><p>　　此式為一不可逆，放熱，體積縮小的反應，其反應過程為： 氨合成的反應特點：</p><p>　　⑴ 反應過程要在高壓下進行，壓力越高，越有利于氨的合成。</p><p>　?、?溫度低時，反應有利

40、于向氨合成的方向進行，但反應速度較慢，提高溫度不利于反應平衡，但可以加快反應速度，在實際操作中，溫度的選擇取決于觸媒的活性。</p><p>　　⑶ 必須借助觸媒，以加快反應速度。</p><p>　?、?混合氣中氫、氮含量越高越有利于反應，因此，氣體中惰性氣體含量越少越好。 </p><p>　　2.2 各生產方法及特點</p><p>

41、;　　合成氨的生產主要包括三個步驟 ：</p><p>　　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，都必須對原料氣進行凈化處理，以除去氫、氮以外的雜質；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。</p><p>　　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

42、法三種。</p><p><b>　　(1) 低壓法 </b></p><p>　　操作壓力低于20 MPa的稱低壓。采用活性強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（CO、CO2）要求十分嚴格。也可用磁鐵礦作催化劑，操作溫度450～550 ℃。該法的優(yōu)點是由于操作壓力和溫度較低，對設備、管道的材質要求低、生產容易管理，但低壓法合成率不高，合成塔出

43、口氣體中含氮約8％～10％，所以催化劑的生產能力比較低；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，分離比較完全，所以需要設置龐大的冷凍設備，使得流程復雜，且生產成本較高。</p><p><b>　　(2) 高壓法</b></p><p>　　操作壓力為60 MPa 以上的稱為高壓法，其操作溫度大致為550～650 ℃。高壓法的優(yōu)點是，氨合成

44、的效率高，合成氨出口氣體中含氨達25％～30％，催化劑的生產能力較大。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；設備和流程比較低緊湊，設備規(guī)格小，投資少，但由于在高壓高溫下操作，對設備和管道的材質要求比較高。合成塔需用高鎳優(yōu)質合金鋼制造，即使這樣，也會產生破裂。高壓法管理比較復雜，特別是由于合成率高，催化劑層內的反應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。</p>

45、<p><b>　　(3) 中壓法 </b></p><p>　　操作壓力為20～35 MPa的稱為中壓法，操作溫度為450～550 ℃。中壓法的優(yōu)缺點介于高壓法與低壓法中間，但從經濟效果來看，設備投資費用和生產費用都比較低。</p><p>　　氨合成的上述三種方法，各有優(yōu)缺點，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

46、為30～35 MPa。本設計采用中壓法，操作壓力為32 MPa。</p><p>　　2.3 工藝流程的選擇</p><p>　　合成氨的生產工藝條件必須滿足產量高，消耗低，工藝流程及設備結構簡單，操作方便及安全可靠等要求。決定生產條件最主要的因素有操作壓力、反應溫度、空間速度和氣體組成等。</p><p>　　(1) 最適宜的操作壓力 </p>

47、<p>　　氨合成反應是氣體體積縮小的反應，提高壓力有利于反應平衡向右移動。壓力增加平衡常數增大，因而平衡氨含量也增大。所以，提高壓力對氨合成反應的平衡和反應速度都有利，在一定空速下，合成壓力越高，出口氨濃度越高，氨凈值越高，合成塔的生產能力也越大。氨合成壓力的高低，是影響氨合成生產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

48、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，對設備的材料和制造的要求均高。同時，高壓下反應溫度一般較高，催化劑使用壽命也比較短，操作管理比較困難。所以要根據能量消耗、原料費用、設備投資等綜合技術經濟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20~32 MPa。</p><p>　　(2) 最適宜的反應溫度 &l

49、t;/p><p>　　合成氨反應是一個可逆放熱反應，當溫度升高時，平衡常數下降，平衡氨含量必定減少。因此從化學平衡角度考慮，應盡可能采用較低的反應溫度。實際生產中還要考慮反應速率的要求。為了提高反應速率，必須使用催化劑才能實現氨合成反應。而催化劑必須在一定的溫度范圍內才具有活性，所以氨合成反應溫度必須維持在催化劑的活性范圍內。合成氨生產所用的催化劑活性溫度在400~500 ℃。反應溫度不能低于活性溫度，在活性溫度范圍

50、內選用較低溫度，也有利于延長催化劑的使用壽命。在合成氨生產過程中，對應于任意一個瞬時轉化率都存在一個最大的反應速率的溫度，即最佳溫度。就整個反應過程來說，隨著反應的進行，轉化率不斷增加，最佳溫度隨轉化率增加而降低。在實際生產中，應盡可能沿著最佳溫度曲線進行。</p><p>　　反應溫度的控制還與催化劑的使用時間有關。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，操作溫度應比初期適當提高8~10 ℃。

51、催化劑使用到末期，活性因衰老而減弱，應再適當提高溫度。</p><p><b>　　(3) 空間速度 </b></p><p>　　空間速度反映氣體與催化劑接觸時間的長短?？臻g速度增加，氣體與催化劑接觸時間減少，反應物來不及反應就離開了反應區(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要少，所以當空間速度增加時，合成

52、氨的產量也有所增加。</p><p>　　在其他條件一定時，增加空間速度能提高合成氨的生產強度。但空間速度增大，將使系統阻力增加，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)氣量的產氨量減少。但在一定限度內，其他條件不變，增加空間速度，合成氨產量增加，單位時間所得的總反應熱增多，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，導致冷凝器的冷卻面積要相應增大，否則就不能將高流

53、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，導致冷凍功耗增加。</p><p>　　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2000~3000每小時之間。</p><p>　　工業(yè)上采用的氨合成工藝流程雖然

54、很多，而且流程中設備結構操作條件也各有差異，但實現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充到循環(huán)系統；循環(huán)氣的預熱與氨的合成；氨的分離；熱能的回收利用；對未反應氣體補充壓力，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。</p><p>　　流程設計在于合理地配置上述幾個步驟，以便得到較好的技術效果，同時在生產上穩(wěn)定可靠。</p><p>　

55、　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。</p><p>　　本設計采用冷凝法。一般含氨混合氣體的冷凝分離是經水冷卻器和氨冷囂二步實現的。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1.6～1.8 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。</p><p>　　2.4 合成塔進口氣的組成</p>

56、<p>　　合成塔進口氣體組成包括氫氮比、惰性氣體含量和塔進口氨含量。</p><p><b>　　(1) 氫氮比 </b></p><p>　　當氫氮比為3:1時，對于氨合成反應可以獲得最大的平衡氨濃度，但從動力學角度分析，最適宜氫氮比隨著氨含量的變化而變化。從氨的合成反應動力學機理可知，氮的活性吸附是合成氨反應過程速度的控制步驟，因此適當提高氮氣濃度

57、，對氨合成反應速度有利。在實際生產中，進塔氣體的氫氮比控制在2.8~2.9比較適宜。</p><p><b>　　(2) 惰性氣體</b></p><p>　　在混合氣體中含有甲烷和氬氣等，統稱為惰性氣體。惰性氣體不參與反應，也不毒害催化劑，但由于他們的存在會降低氫氮比的分壓。無論從化學平衡還是動力學角度分析，他們都是有弊無利的，導致氨的生產率下降。</p>

58、;<p>　　惰性氣體來源于新鮮氣，隨著合成反應的進行，它們不參與反應而在系統中積累，這樣合成系統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，可以使合成系統惰性氣體含量降低，氨的合成率提高。但是氫氮氣和部分氨也隨之排放，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。</p><p>　　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。操

59、作壓力比較高，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。在生產中，一般要保持新鮮氣中含惰性氣體的體積分數在0.5%~1.0%之間，并控制循環(huán)氣中惰性氣體的體積分數在10%~15%之間。</p><p>　　(3) 塔進口氨含量 </p><p>　　進塔氣體中氨的含量，主要決定于氨分離時的冷凝溫度

60、和分離效率。冷凝溫度越低，分離效果越好，則進塔氣體中氨含量也就越低。降低進口氨含量，可加快反應速度，提高氨凈值和生產能力。但將進口氨含量降的過低，會導致冷凍功耗增加過多，經濟上并不可取。</p><p>　　進口氨含量還與合成操作壓力和冷凝溫度有關。壓力高，氨合成反應速度快，進口氨含量可適當控制高一些；壓力低，為保持一定的反應速度，進口氨含量可適當控制低一些。</p><p>　　綜合考慮

61、的結果，一般中小型合成氨廠當操作壓力在30 MPa左右時，塔進口氨含量約控制在2.5%~3.5%之間。對于壓力在15 MPa的合成氨廠，一般應控制在2.0%左右。本設計中塔進口氨含量控制為2.5% 。</p><p>　　第三章 工藝流程簡述</p><p>　　3.1 合成工段工藝流程簡述</p><p>　　由氮氫氣壓縮機送來的35℃的新鮮氣，在油分離器中與

62、循環(huán)機來的循環(huán)氣混合，除去氣體中的油、水及其雜質。混合氣進冷交換器上部換熱管內，與冷交換器下部來的冷氣體進行換熱回收冷量，熱氣體被冷卻至17℃，然后進入氨冷器。氣體在管內流動，液氨在管外蒸發(fā)，由于氨大量蒸發(fā)吸收了混合氣的熱量，使管內氣體進一步冷卻至-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。</p><p>　　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

63、體分兩股進入合成塔，一股主線經主閥由塔頂進入塔內環(huán)隙，另一股副線經副閥從倒塔底進入塔內中心管，以調節(jié)催化劑床層溫度。入塔氣氨含量為2.5%。反應換熱后溫度降為140~160℃，氨含量13%的反應氣體出合成塔進入水冷器，氣體經水冷器冷卻至常溫，其中部分氣氨被冷凝，液氨在氨分離器中分出。</p><p>　　為降低惰性氣體含量，保持循環(huán)系統中一定量的惰性氣體，循環(huán)氣岀氨分離器后部分放空，然后進循環(huán)機增壓后送往油分離器

64、，從而完成一個循環(huán)。</p><p>　　冷交換器和氨分離器內的液氨，經液位調節(jié)系統減壓后送往液氨貯槽。</p><p>　　該流程具有能如下一些特征：</p><p>　　氨合成反應熱未充分予以回收，用來副產蒸汽，或用來預熱鍋爐給水。</p><p>　　流程簡單，設備投資抵。</p><p>　　放空氣位置設在惰性

65、氣體含量最高，氨含量較低處以減少氨和原料氣損失。</p><p>　　循環(huán)機位于水冷器和氨冷器之間，適用于有油潤滑往復式壓縮機。</p><p>　　新鮮氣和循環(huán)氣中油、水及雜質可通過氨冷器低溫液氨洗滌后除去。</p><p>　　3.2 工藝流程方框圖</p><p>　　圖3-1合成氨工藝流程方框圖</p><p&g

66、t;<b>　　第四章 工藝計算</b></p><p>　　4.1 物料衡算：</p><p>　　4.1.1設計要求：</p><p>　　1. 年產20萬噸液氨,設計裕度及液氨損失均不計</p><p>　　2. 精煉氣組成（%）：如下表</p><p>　　表4-1-1精煉氣組成（mo

67、l％）</p><p>　　3. 合成塔入口氨含量（mol％）：</p><p>　　合成塔出口氨含量（mol％）：</p><p>　　合成塔入口惰性氣體含量（mol％）：</p><p>　　4. 合成塔操作壓力: 32MPa(絕壓)</p><p>　　5. 精煉氣溫度：35℃</p><p

68、>　　6. 水冷器出口溫度：35℃</p><p>　　7. 循環(huán)機進出口壓差：1.47Mpa</p><p>　　8. 年工作日：330天</p><p>　　9. 產量：25.2525t NH3/h</p><p>　　10. 計算基準：生產1噸液氨</p><p>　　4.1.2計算物料點流程圖：</

69、p><p>　　1 2 3 4 5------精煉氣 6 7 8 9 10 11 12 14 17 18------合成氣；</p><p>　　13------放空氣 20------弛放氣 15.16.19.21------液氨 </p><p>　　圖4-1-1 計算物料點流程圖

70、</p><p>　　4.1.3合成塔入口氣組分：</p><p><b>　　根據計算依據有</b></p><p><b>　　入塔氨含量：</b></p><p><b>　　入塔甲烷含量：</b></p><p><b>　　入塔氬含量

71、：</b></p><p><b>　　入塔氫含量：</b></p><p><b>　　入塔氮含量：</b></p><p>　　表4-1-2 入塔氣組分含量（%）</p><p>　　4.1.4合成塔出口氣組分：</p><p>　　以 入塔氣作為基準求出塔

72、氣組分，</p><p>　　由下式計算塔內生成氨含量：</p><p><b>　　出塔氣量: </b></p><p><b>　　出塔氨含量： </b></p><p><b>　　出塔甲烷含量：</b></p><p><b>　　出

73、塔氨含量： </b></p><p><b>　　出塔氫含量： </b></p><p><b>　　出塔氮含量： </b></p><p>　　表4-1-3 出塔氣體組分含量（%）</p><p><b>　　4.1.5合成率：</b></p>

74、;<p>　　4.1.6氨分離器氣液平衡計算：</p><p>　　已知氨分離器入口混合物組分</p><p>　　表4-1-4 氨分離器入口混合物組分</p><p>　　查 ，各組分平衡常數：</p><p>　　表4-1-5 平衡常數表</p><p>　　設時，代入計算各組分溶解液

75、量:</p><p><b>　　分離液體量：</b></p><p><b>　　分離氣體量：</b></p><p><b>　　計算氣液比：</b></p><p>　　結果合理從而可計算出液體中各組分含量：</p><p><b>　　

76、液體中氨含量：</b></p><p><b>　　液體中氬含量：</b></p><p><b>　　液體中甲烷含量： </b></p><p><b>　　液體中氫含量：</b></p><p><b>　　液體中氮含量：</b></

77、p><p>　　表4-1-6 氨分離器出口液體含量（%）</p><p><b>　　分離氣體組分含量：</b></p><p><b>　　氣體氨含量 </b></p><p><b>　　氣體甲烷含量 </b></p><p><b>

78、　　氣體氬含量 </b></p><p><b>　　氣體氫含量 </b></p><p><b>　　氣體氮含量 </b></p><p>　　表4-1-7 氨分離器出口氣體含量（%）</p><p>　　4.1.7冷交換器氣液平衡計算：</p><p>

79、;　　根據氣液平衡原理，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。</p><p>　　查 , 的平衡常數：</p><p>　　表4-1-8 平衡常數表</p><p>　　冷交換器出口液體組分含量：</p><p><b>　　出口液體氨含量 <

80、;/b></p><p><b>　　出口液體甲烷含量 </b></p><p><b>　　出口液體氬含量 </b></p><p><b>　　出口液體氫含量 </b></p><p><b>　　出口液體氮含量 </b></p>

81、<p>　　表4-1-9 冷交換器出口液體組分含量（%）</p><p>　　4.1.8液氨貯槽氣液平衡計算：</p><p>　　圖4-1-2 液氨貯槽氣液平衡圖</p><p>　　由于氨分離器液體和冷交換器出口分離液體匯合后進入液氨貯槽經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數。<

82、/p><p>　　水冷后分離液氨占總量的，冷交分離液氨占總量的。</p><p>　　以液氨貯槽入口 液體計算為準，即 ，入口液體混合后組分含量：</p><p><b>　　混合后入口氨含量：</b></p><p>　　混合后入口甲烷含量：</p><p><b>　　混合后入口氬含量：

83、</b></p><p><b>　　混合后入口氫含量：</b></p><p><b>　　混合后入口氮含量：</b></p><p>　　表4-1-10 液氨貯槽入口液體含量（%）</p><p>　　當 (由熱平衡計算得) 平衡常數：</p><p&g

84、t;　　表4-1-11 平衡常數表</p><p>　　根據氣液平衡 ,設 ,代入上式得:</p><p><b>　　出口液體氨含量：</b></p><p><b>　　出口液體甲烷含量：</b></p><p><b>　　出口液體氬含量：</b></p&g

85、t;<p><b>　　出口液體氫氣含量：</b></p><p><b>　　出口液體氮氣含量：</b></p><p><b>　　出口液體總量：</b></p><p><b>　　出口氣體總量：</b></p><p><b&g

86、t;　　l</b></p><p><b>　　出口液體組分含量 </b></p><p><b>　　出口液體氨含量：</b></p><p><b>　　出口液體甲烷含量：</b></p><p><b>　　出口液體氬含量：</b><

87、;/p><p><b>　　出口液體氫氣含量：</b></p><p><b>　　出口液體氮氣含量：</b></p><p>　　表4-1-12 液氨貯槽出口液氨組分（%）</p><p>　　出口弛放氣組分含量：</p><p><b>　　弛放氣氨含量：&

88、lt;/b></p><p><b>　　弛放氣甲烷含量：</b></p><p><b>　　弛放氣氬含量：</b></p><p><b>　　弛放氣氫氣含量：</b></p><p><b>　　弛放氣氮氣含量：</b></p>

89、<p>　　表4-1-13 出口弛放氣組分含量(%)</p><p>　　4.1.9液氨貯槽物料計算：</p><p>　　以液氨貯槽出口一噸純液氨為基準折標立方米計算液氨貯槽出口液體量</p><p><b>　　其中NH3 </b></p><p><b>　　CH4 </b&

90、gt;</p><p><b>　　Ar </b></p><p><b>　　H2 </b></p><p><b>　　N2 </b></p><p>　　液氨貯槽出口弛放氣 </p><p><b>　　其中 NH3

91、</b></p><p><b>　　CH4 </b></p><p><b>　　Ar </b></p><p><b>　　H2 </b></p><p><b>　　N2 </b></p><p>&

92、lt;b>　　液氨貯槽出口總物料</b></p><p><b>　　液氨貯槽進口液體：</b></p><p><b>　　由物料平衡，，</b></p><p>　　入口液體各組分含量計算：</p><p><b>　　其中 NH3 </b></p

93、><p><b>　　CH4 </b></p><p><b>　　Ar </b></p><p><b>　　H2 </b></p><p><b>　　N2 </b></p><p>　　入口液體中組分含量核算,由

94、</p><p>　　入口液體中氨含量 </p><p>　　入口液體中甲烷含量 </p><p>　　入口液體中氬含量 </p><p>　　入口液體中氫氣含量 </p><p>　　入口液體中氮氣含量 </p><p>　　入口液體中組分含量 </p>&l

95、t;p>　　4.1.10合成系統物料計算:</p><p>　　將整個合成看著一個系統，進入該系統的物料有新鮮補充氣 ,離開該系統的物料有放空氣 ，液氨貯槽弛放氣 ，產品液氨 ，見圖4-1-3所示： </p><p>　　圖4-1-3 合成系統物料計算示意圖</p><p>　　由前計算數據如下表：</p><p>　　表4-1

96、-14 計算數據</p><p>　　根據物料平衡和元素組分平衡求,,,: </p><p><b>　　循環(huán)回路中氫平衡：</b></p><p><b>　　循環(huán)回路中氮平衡:</b></p><p>　　循環(huán)回路中惰性氣體平衡:</p><p>　　循環(huán)回路中惰

97、性氣體平衡:</p><p>　　循環(huán)回路中總物料平衡: </p><p><b>　　聯立各式解得：</b></p><p><b>　　; ; ; </b></p><p>　　4.1.11合成塔物料計算：</p><p><b>　　入塔物料： <

98、/b></p><p><b>　　其中 NH3 </b></p><p><b>　　CH4 </b></p><p><b>　　Ar </b></p><p><b>　　H2 </b></p><p>&l

99、t;b>　　N2 </b></p><p>　　合成塔一出，二進物料，熱交換器冷氣進出物料等于合成塔入塔物料</p><p><b>　　即　　 </b></p><p><b>　　出塔物料　 </b></p><p><b>　　NH3 </b>&

100、lt;/p><p><b>　　CH4 </b></p><p><b>　　Ar </b></p><p><b>　　H2 </b></p><p><b>　　N2 </b></p><p><b>

101、;　　合成塔生成氨含量：</b></p><p>　　廢熱鍋爐進出口物料，熱交換器進出口物料等于合成塔出塔物料。</p><p><b>　　即 </b></p><p>　　4.1.12水冷器物料計算：</p><p>　　進器物料：水冷器進氣物料等于熱交換器出口物料，即 </p><

102、p>　　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算得氣液比 ，,有如下方程:</p><p><b>　　將 代入 得:</b></p><p><b>　　出口氣體組分由得:</b></p><p>　　其中， NH3 </p><p><b>　　

103、CH4 </b></p><p><b>　　Ar </b></p><p><b>　　H2 </b></p><p><b>　　N2 </b></p><p>　　出口液體各組分由 得</p><p>　　其中

104、 NH3 </p><p><b>　　CH4 </b></p><p><b>　　Ar </b></p><p><b>　　H2 </b></p><p><b>　　N2 </b></p><p>　　4

105、.1.13氨分離器物料計算：</p><p>　　進器物料：氨分離器進器總物料等于水冷器出口氣液混合物總物料</p><p><b>　　即　</b></p><p>　　出器物料：氣液混合物在器內進行分離，分別得到氣體和液體</p><p><b>　　出器氣體，出器液體</b></p>

106、;<p>　　氨分離器出口氣體放空</p><p>　　其中， NH3 </p><p><b>　　CH4 </b></p><p><b>　　Ar </b></p><p><b>　　H2 </b></p><p>

107、;<b>　　N2 </b></p><p>　　4.1.14冷交換器物料計算：</p><p>　　進器物料：進器物料等于氨分離器出口氣體物料減去放空氣量</p><p>　　其中， NH3 </p><p><b>　　CH4 </b></p><p>&l

108、t;b>　　Ar </b></p><p><b>　　H2 </b></p><p><b>　　N2 </b></p><p><b>　　出器物料（熱氣）：</b></p><p>　　設熱氣出口溫度17℃（由熱量計算核定）查 ,氣相中平

109、衡氨含量，計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 。</p><p>　　設熱氣出口氨體積為 ，則：</p><p>　　冷交換器熱氣出口氣量及組分：</p><p>　　其中 NH3 </p><p><b>　　CH4 </b></p><p><b

110、>　　Ar </b></p><p><b>　　H2 </b></p><p><b>　　N2 </b></p><p><b>　　出口總氣量 </b></p><p><b>　　出口氣體各組分：</b>&l

111、t;/p><p><b>　　NH3 </b></p><p><b>　　CH4 </b></p><p><b>　　Ar </b></p><p><b>　　H2 </b></p><p><b>　　N2

112、 </b></p><p>　　4.1.15氨冷器物料計算：</p><p>　　進器物料：氨冷器進器物料等于冷交換器出器物料加上補充新鮮氣物料</p><p>　　其中 CH4 </p><p><b>　　Ar </b></p><p><b>　　H2

113、 </b></p><p><b>　　N2 </b></p><p><b>　　進器氣體物料 </b></p><p>　　進器氣體組分含量　　</p><p>　　其中 NH3 </p><p><b>　　CH4 </b&

114、gt;</p><p><b>　　Ar </b></p><p><b>　　H2 </b></p><p><b>　　N2 </b></p><p><b>　　各組分百分含量　　</b></p><p>&

115、lt;b>　　NH3 </b></p><p><b>　　CH4 </b></p><p><b>　　Ar </b></p><p><b>　　H2 </b></p><p><b>　　N2 </b></p&

116、gt;<p>　　進器液體等于冷交換器冷凝液氨量　</p><p><b>　　進器總物料</b></p><p>　　出器物料：已知出器氣體中氨含量為 ，設出器氣體中氨含量為。</p><p><b>　　解得 </b></p><p>　　則氨冷器中冷凝液氨量： </p

117、><p>　　氨冷器出器總液氨量: </p><p>　　氨冷器出器氣量: </p><p>　　其中 NH3 </p><p><b>　　CH4 </b></p><p><b>　　Ar </b></p><p><b>

118、;　　H2 </b></p><p><b>　　N2 </b></p><p>　　各組分百分含量 </p><p><b>　　NH3 </b></p><p><b>　　CH4 </b></p><p&g

119、t;<b>　　Ar </b></p><p><b>　　H2 </b></p><p><b>　　N2 </b></p><p><b>　　出器總物料</b></p><p>　　4.1.16 冷交換器物料計算：</p

120、><p>　　圖4-1-4 冷交換器物料計算示意圖</p><p>　　進口物料：冷交換器進口總物料等于氨冷器出口總物料</p><p><b>　　其中氣體入口 ；</b></p><p>　　液體入口 ；</p><p>　　由氣液平衡計算得，以 進口物料為計算基準：即 <

121、/p><p><b>　　將 ，代入上式：</b></p><p>　　式中 可由物料平衡和氨平衡計算 </p><p>　　式中 —冷交換器入口總物料； —冷交換器熱氣出口總物料</p><p>　　—冷交換器入口總氨物料</p><p>　　將 ，， 代入上式解得：</p>

122、<p><b>　　∴ ；</b></p><p><b>　　∴ 代入 得：</b></p><p>　　; ;</p><p>　　由 可求出冷交換器冷凝液體量 </p><p><b>　　冷凝液體量 </b></p>

123、<p>　　出器物料：冷交換器（冷氣）出口氣體物料等于進口總物料減去冷凝液體量。</p><p><b>　　其中 NH3 </b></p><p><b>　　CH4 </b></p><p><b>　　Ar </b></p><p><b>

124、;　　H2 </b></p><p><b>　　N2 </b></p><p><b>　　計算誤差</b></p><p>　　校核氨分離器液氨百分數</p><p>　　氨分離器液氨百分數：</p><p>　　冷交換器分離液氨百分數：</p&

125、gt;<p><b>　　計算誤差</b></p><p>　　4.1.17液氨貯槽物料計算:</p><p>　　進槽物料：氨分離器入槽液體 </p><p>　　其中 NH3 </p><p><b>　　CH4 </b></p><p>&

126、lt;b>　　Ar </b></p><p><b>　　H2 </b></p><p><b>　　N2 </b></p><p>　　冷交換器入槽液體 </p><p>　　其中 NH3 </p><p><b>　　

127、CH4 </b></p><p><b>　　Ar </b></p><p><b>　　H2 </b></p><p><b>　　N2 </b></p><p><b>　　入槽混合物料 </b></p>

128、;<p><b>　　各組分物料含量： </b></p><p>　　其中 NH3 </p><p><b>　　CH4 </b></p><p><b>　　Ar </b></p><p><b>　　H2 </b>

129、;</p><p><b>　　N2 </b></p><p><b>　　百分含量 </b></p><p>　　其中 NH3 </p><p><b>　　CH4 </b></p><p><b>　　Ar &l

130、t;/b></p><p><b>　　H2 </b></p><p><b>　　N2 </b></p><p>　　出槽物料：液氨貯槽出口弛放氣 </p><p>　　其中 NH3 </p><p><b>　　CH4 </b

131、></p><p><b>　　Ar </b></p><p><b>　　H2 </b></p><p><b>　　N2 </b></p><p><b>　　出口液氨總物料 </b></p><p>　　其

132、中 NH3 </p><p><b>　　CH4 </b></p><p><b>　　Ar </b></p><p><b>　　H2 </b></p><p><b>　　N2 </b></p><p&g

133、t;<b>　　各組分百分含量：</b></p><p>　　其中 NH3 </p><p><b>　　CH4 </b></p><p><b>　　Ar </b></p><p><b>　　H2 </b></p>