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四川理工学院课程设计 1万吨/年硝酸铵生产装置设计学 生：杨元喜 学 号：07121020227 专 业：过程装备与控制工程班 级：2007级1班指导教师：曾涛 四川理工学院机械工程学院二O一一年一月附件 课程设计任务书格式四 川 理 工 学 院课 程 设 计 设计题目： 1万吨/年硝酸铵生产装置设计 学院： 机械工程学院 专业： 过程装备与控制工程 班级07级1班 学生： 杨元喜 指导教师： 曾涛 系主任: （签名）一、设计要求：1、根据设计题目，进行生产实际调研或查阅有关技术资料，选定合理的流程方案和设备类型，并进行简要论述。（字数不小于8000字）2、设计说明书内容：封面、目录、设计题目、概述与设计方案简介、工艺方案的选择与论证、工艺流程说明、专题论述、参考资料等。3、图纸要求：工艺流程图1张（图幅2号）；设备平面或立面布置图1张（图幅3号）。二、进度安排：教学内容学时地点备注查资料、说明书提纲、流程论证、工艺流程图第一周设计室设备布置图、说明书整理、答辩。第二周设计室三、指定参考文献与资料过程装备成套技术设计指南（兼用本课程设计指导书）、过程装备成套技术、 化工单元过程及设备课程设计摘要摘要内容 ：本文研究的是万吨每年的硝酸铵生产装置设计。工业上生产硝铵的方法是利用氨与稀硝酸作原料的中和法，生产过程包括中和反应。溶液蒸发。结晶或造粒等步骤。中和法制取硝铵的关键问题是如何处理和利用中和热和尽量减少氮损失；本文先根据工艺要求确定工艺流程图，然后通过工艺流程图进行物料衡算和能量衡算来确定各个设备的规格；最后画出设备布置图。 所有原料中氯化物、油分、有机物均不应超过允许值，而且不应含有能在工艺过程中增加热分解和引起爆炸危险的其他物资 关键词： 中和法 中和热 氮损失 物料衡算 能量衡算 工艺流程图 原料 设备布置图 目 录摘要3前言50.1 硝铵的用途50.2 硝铵的性质50.3 硝铵的制取5第一章 工艺方案的选择61.1 转化法制取硝铵61.2 中和法制取硝铵61.2.1 基本原理61.2.2 利用反应热的中和流程有以下几种61.3 工艺方案的选择7第二章 工艺流程说明7第三章 物料衡算与能量衡算83.1 物料衡算83.2 能量衡算10第四章 典型机器设备的选择与论证12 4.1 典型设备12 4.2 典型机器14第五章 设备布置概述16 5.1 设备布置的原则165.2 设备布置设计的步骤175.3 设备布置图的绘制18第六章 总结18 6.1 中和法制取硝铵生产工艺中面临的重要问题级注意事项186.2 物料衡算与能量衡算在计算中应该注意的问题196.3 设备选型的注意事项19参考文献20致谢20前 言0.1 硝铵的用途硝酸铵（）简称硝铵，分子量为。硝酸铵含氨态氮和硝态氮的总量为次于液氨、尿素，但仍然为一种良好的氮肥，可单独施用或与磷、钾肥混合成不同比例的复合肥料用于农田、森林、牧田。 硝铵所含的氮以氨态（）和硝酸态（）两种形式存在。植物吸收氨态中的氮较为缓慢，而吸收硝酸态中的氮相当迅速，因硝铵易溶于水，施入土壤后其中的氨态氮被土壤中的胶体吸附，在起硝化作用的微生物影响下，逐渐氧化成硝酸态而被植物吸收。因此硝铵在许多氮肥中是生理酸性极小的肥料，适合在不同土质的土壤中使用，只要施肥量和施用时间得当，很快能从作物的形态上表现出效果来。从影响产量的农业化学性看，硝铵对各种土壤的肥效都很高，可作水浇地或旱田的追肥，特别是对于棉花的生产，其肥效更高，是较为理想的氮肥之一。纯硝酸铵是一种无色的结晶物质, 在常温下是稳定的，对打击、碰撞或摩擦均不敏感。它比硫酸铵和尿素等铵态氮肥的肥效快、效果好，在欧洲和北美等地使用较普遍，中国北方也常使用。硝酸铵与燃料油结合在一起，可制成炸药，应用于军事和采矿等方面。因此在生产、贮运和使用中必须严格遵守安全规定。0.1 硝铵的性质1. 硝酸铵的熔点为熔融热为在温度范围内比热容为1.76kj/(kg.)。2 固态硝铵具有五种晶型，每种晶型仅在一定的温度范围内稳定存在，在从一种晶型转变为另一种晶型时，不仅伴随有能量变化，而且会有体积变化。此外，当温度突然从高温冷却至低温，晶型可能不经过中间的晶型而直接转化为另一种晶型。3 硝铵易溶于水，并且溶解度随温度升高而急剧增加。4 硝铵溶液的沸点和比重，随浓度的增加而增大。5 硝铵具有很大的吸湿性和结块性。6 硝铵在常温下是稳定的，受热开始分解，温度不同反应不同。0.3 硝铵的制取本文采用加压中和法制取硝铵，这种方法在国外应用很普遍，而在中国大多采用常压中和法制取硝铵，但加压中和法在逐渐被国内企业所采用。详细的工艺设计内容请看后面。由于本人水平有限，设计过程中可能成存在一些问题，欢迎老师批评修正，第一章 工艺方案的选择硝酸铵的生产方法有中和法和转化法两种。1.1 转化法制取硝铵工业生产多将硝酸钙用转化法加工成硝酸铵，可用两种方法来实现：用气态氨和二氧化碳处理（气态转化）或碳酸氨溶液作用（液态转化）。 气态转化按下式进行反应：液态转化按下式进行反应：析出的碳酸钙沉淀经过滤分离，有的工厂将其作为生产水泥的原料。滤液是硝铵溶液，可以用通常方法将其加工为商品硝铵或返回硝酸磷肥生产系统。 影响硝酸钙完全转化的因素有：硝铵溶液中和比值，反应温度，搅拌强度，浆液的停留时间等。1.2 中和法制取硝铵1.2.1基本原理：硝铵由气氨中和硝酸而得，其反应式如下：反应时放出的热量与所用硝酸的浓度（通常采用）和原料的温度有关，而且要相应的减去水稀释硝酸的稀释热的硝铵的溶解热。1.2.2 利用反应热的中和流程有以下几种：1 常压下，一次（或两次）利用反应热的中和流程。这种流程比较简单，能避免硝酸的分解，还可利用反应热制取浓度较高的硝铵溶液，操作比较简便。与加压法比较，既可以节省附加设备的费用，又可降低在压力下输送反应物料的电能消耗，是较为理想的流程，中国硝铵生产广泛采用这种流程。2 具有真空蒸发器的中和流程。在中和器中并不利用反应热，而反应热实在真空蒸发器（在0.87Pa的真空度下操作）中被利用。这样，由于溶液沸点降低，即使水分迅速蒸发，同时也达到冷却溶液的目的，然后一部分溶液送至后继工序，另一部分溶液反悔中和器内以使反应温度降到所用硝酸浓度的沸点一下。真空蒸发的流程多用于氨气浓度纯度不高的场合3 加压中和流程。加压（0.60.8MPa）中和是用较浓的硝酸（如）制取硝酸。因为可得的硝铵溶液，所以无需蒸发而可送去结晶，从而可节约蒸汽；由于取消蒸发设备，所以还可降低基建投资。采用加压可以降低由于热分解而造成的氮损失。中和过程在加压下进行，还可以节省附加设备的费用，并可降低在压力下输送反应物料的动力消耗。加压中和可以回收热量副产蒸汽，中和64%时，氨可副产约蒸汽。目前世界各国新建的大厂，大都采用加压中和法。加压中和工艺具有设备体积小、生产能力高、消耗定额低等优点。因此，从发展趋势看，常压中和必将逐步为加压中和所取代。综上所述，中和法的中和反应可以在常压、加压或真空条件下进行。若有价廉的蒸汽来源，可采用常压中和，以节约设备投资，简化操作。加压中和可以回收反应热，副产蒸汽，用于预热原料和浓缩硝酸铵溶液。氨中和浓度为的硝酸时，每吨氨可副产蒸汽约，采用真空中和是与结晶硝酸铵生产相结合的，其设备与硫酸铵生产的饱和结晶器相似。1.3 工艺方案的选择本文采用氨与稀硝酸作原料的加压中和法制取硝铵第二章 工艺流程说明（硝酸在压力为千帕下的中和）硝酸不经预热直接送往中和器。 液氨在蒸发器中用来自大气的空气蒸发（冷却了的空气送去冷却沸腾床设备中的硝酸铵颗粒）或在氨蒸发器中用蒸发蒸汽的冷凝液蒸发。在中和器中于温度约为下生成浓度约为78%的溶液，该溶液送往蒸发器用来自中和器的蒸发蒸汽加热。蒸发蒸汽预先经过分离器在蒸发器中保持真空（余压约千帕，或公斤每）。溶液蒸浓至，流入受槽6，在该处用泵送至再浓缩设备。该设备安装在造粒塔上部。来自蒸发器的蒸发蒸汽在水冷凝器中冷凝。在中和器中保持碱性介质是加压硝酸中和流程的特点。这即可减少介质对中和器的腐蚀作用，也可提高过程的安全性，但会引起蒸发蒸汽中氨含量显著提高。来自蒸发器的蒸发蒸汽冷凝液节流后进入贮槽，在此，冷凝液开始沸腾。溶解的氨由蒸气带出，二次沸腾蒸汽在冷凝液中冷凝，并用泵送往中和器其含氨量为克每升 大部分蒸发蒸汽冷凝液含氨克每升以下，用硝酸中和后含克每升以下的蒸发蒸汽冷凝液送往硝酸生产吸收塔，供喷淋用。这一过程还可以改进，例如，自中和器排出的蒸发蒸汽可在塔盘式洗涤器中用酸性硝酸铵溶液进行洗涤，氨损失量和蒸发蒸汽冷凝液的污染程度均可减小。第三章 物料衡算与能量衡算3.1 物料衡算 蒸发蒸汽年产万吨硝铵车间工艺设计的物料衡算，选取溶液循环式中和器进行物料衡算。每小时生产能力的计算：根据实际任务，硝铵的年生产能力为万吨（折算为的硝铵）.全年天，除去大修理，中修理等共天。则年工作日为：每昼夜生产能力为： 每小时生产能力 以此作为物料衡算的基准:进出中和器和分离器的物料衡算：气氨与硝酸的化学反应 x y 1282.05kg/h原料规格：硝酸的纯度为；气氨的纯度为理论输入； 因为在中和器中保持碱性介质是加压硝酸中和流程的特点，所以气氨应该过量：又由于硝铵在中和器中有一少部分要随着蒸发蒸汽一起流失，故生成的硝铵应该比上述计算的要多，否则年产量不能达标，这就要求原料比上述计算的多一些。计算条件：每小时生产最终产品，（以计），包括蒸发过程及造粒或结晶过程在内实际消耗：;（） ，硝酸的浓度为，（含）计算基准：每小时生产最终产品。计算：的硝酸消耗量 随硝酸带出的水量 进入的总水量为： 中和反应后每小时生成的量 式中： 反应需要的量 式中： 尚有游离氨 假定中和伴随蒸发而获得硝铵溶液（以后尚需以热量平衡计算来验证所假定的浓度是否正确），中和过程中随蒸发蒸汽带走硝铵损失按计，溶液中含游离氨为，则中和反应生成的硝铵量为 包括游离氨在内则为： 其中含水量： 蒸发蒸汽中水蒸汽量 蒸发蒸汽中夹带的硝铵量为蒸发蒸汽中夹带的游离氨量： 蒸发蒸汽总量为 中和物料平衡表单位均为： 进 料出 料项 目数 量项 目数 量气氨（）蒸发蒸汽硝酸（）其中：其中： 水含少量溶液其中： 总计总计3.2 能量衡算 （参考资料）计算条件：气氨预热到, 硝酸不预热，中和器操作压力为：设备保温层表面积为平方米，厂房室内冬季温度，产量计算：（）氨从初始温度冷却至时放出的热量：查图得 （）总的热效应：查图得 （）用于加热和蒸发初始溶液至最终浓度和温度所需的热量 查图得 （）未反应的氨升温后带走的热量的硝铵溶液在压力为下的沸点温度，查图的式中 （）损失于周围介质的热量 根据热平衡，则： 即 该值大于 当制取硝铵溶液时，尚余热量： 该热量约占总热量的，足够制的的硝铵溶液，故在物料衡算的假定成立中和热量平衡表单位均为千卡:进 料出 料项 目数 量项 目数 量气氨降温放热15285.65用于加热和蒸发溶液至最终浓度和温度所耗热量388080.68总的热效应436269.27未反应的氨带走的热量443.28损失与周围介质的热量1527.52剩余热量61503.47总 计451555总 计451555第四章 典型机器设备选型与论证4.1 典型设备：中和器是硝酸铵生产的主要设备。中和器的结构设计以及中和操作都应当保证在氮损失最小的前提下充分利用中和热，而且在工艺流程布置及设备结构方面，应充分回收利用蒸发蒸汽和冷凝液中的氨及硝酸，减少氨及硝酸的分解损失，从而降低原料消耗。中和器所接触的介质是硝酸和硝铵，对碳钢有很强的腐蚀性。因此，中和器的全部构件均用不锈钢制成本流程采用循环式常压中和器，这种中和器由两个同心圆筒构成，内筒称中和室，内筒和外筒之间的环隙称为蒸发室，中和与蒸发是在同一个设备同时进行的。硝酸与氨气分别由管子通道内筒下部的分布器。分布器是上面开了很多小孔的环形管，硝酸分布器在上，氨气分布器在下，两者的喷孔相向。从分布器喷出的硝酸和氨气剧烈反应，放出的热量使硝酸铵溶液沸腾蒸发（既第一次利用反应热，产生的气液混合物相对密度较轻而向上升）。内筒的顶部侧面和底部侧面都开了若干个孔。轻的气液混合物从内筒上升。并从内筒顶部侧面的孔流进蒸发室，蒸发室内相对密度较大的硝铵溶液在内外筒之间进行循环。这是该中和器结构的特点，也是它减少氨损失的关键所在。由于大量硝铵溶液循环，氨气与硝酸从分布器喷出溶于大量硝铵溶液中，成为稀的溶液进行反应，因为浓度低，挥发也就大大减少；同时，由于溶液剧烈循环的结果，使氨气与硝酸接触的时间延长，反应更为安全，也就减少或避免了氮的损失。反应生成的硝铵溶液经液封筒从中和器侧面流出，蒸发出的的蒸汽则从中和器顶部排气管排走。 中和器在0.120.13MPa下工作。此时从中和器排出的水蒸气还可以作为热源，用于加热原料，或用于蒸发稀硝铵溶液，此乃第二次利用中和热。 14循环孔中和器的容积确定： 式中 ： 中和器蒸发空间的计算： 式中： 中和器内中和室的高度的确定：中和器内中和室的液面应保持一定的高度，使稀硝酸分布器喷出的稀硝酸在该处压力下，其沸点温度略高于硝铵溶液在中和器操作压力下的沸点温度。以防止硝酸在反应区域内沸腾及溢出硝酸蒸汽。 式中 中和器的设备规格： 内筒，外筒，扩大部分，总高，喷头中心距，全容积：，生产能力：。4.2 典型机器泵的选型概述：装置中使用的泵有离心泵、往复泵及旋转泵等多种型式。离心泵和往复泵使用尤为广泛。为合理选用泵就必须仔细分析泵的特性和结构特点。1，选用参数的确定：a. 介质物性参数 介质的主要物性参数有密度、粘度、化学组成、化学腐蚀性、气体或固体（粒度）含量、蒸汽压等。 b. 工艺参数 流量、扬程、功率 流量 工艺设计给出泵的流量一般包括正常、最大、最小三种流量，选泵时通常可直接采用最大流量。如不给出最大流量时，取正常流量的倍. 扬程 一般为正常需要扬程的倍。2，选用要点： 选泵应结构简单、操作方便，运转可靠、使用寿命长，性能良好、效率高、并符合装置的运转特性，零部件互换性高、容易更换、维修方便，价格低廉。3，各种泵的特性 4，各类泵的特点及适用范围： A. 离心泵 粘度，否则泵效率下降较大；流量较大，扬程相对较低；液体中溶解或夹带的气体不宜大于（体积）；液体中含有固体颗粒时，宜选用特殊离心泵（例如泥浆泵）；要求流量变化大、扬程变化小者，宜选用平坦的 Q-H 曲线的离心泵；要求流量变化小、扬程变化大者，宜选用陡降的Q-H 曲线的离心泵。B. 旋涡泵 输送温度下液体粘度不大于、温度不大于、流量较小、扬程较高Q-H 曲线要求较陡；液体中允许含有（体积）气体；要求自吸时选自吸型旋涡泵。C 容积式泵 输送温度下液体粘度高于者；流量较小且扬程高的，宜选用往复式；液体中气体含量允许稍大于（体积）；液体需要准确计量时，可选用柱塞式计量泵，液体要求严格不漏时，可选用隔膜计量泵；润滑性能差的液体不宜选用齿轮泵和三螺杆泵，可选用往复泵；流量较小、温度较低、压力要求稳定的，宜选用转子泵或双螺杆泵。 5，泵的性能换算： 样本提供的性能参数是以清水在标准试验条件下得到的，往往与实际生产情况有差别，所以，正确选用泵就要进行必要的性能换算。 6，泵型号的确定： A 泵类型的选择 根据装置所需的流量和扬程，按泵的分类及适用范围初步确定泵的类型。因离心泵结构简单,输液无脉动、流量调节简单，应尽可能选用离心泵。B . 泵系列和材料的选择 泵的类型确定后，就可以根据工艺装置参数和介质特性选择泵的系列和材料。C 泵号的确定 根据泵厂提供的样本及有关技术材料，确定泵的型号。 本次设计选用离心泵，选择过程如下：中和器进水量为，水的密度为。则中和器进水管的管径为： 式中 ： 参考化工原理上册表， 选取，故根据化工原理附录中的管子规格，选用不锈钢无缝钢管，其内径为： 重新核算流速，即：采用离心泵将常温水（含少量的可忽略）从受槽输送到中和器，已知输送管出口端与受槽液面垂直距离为，输水管内径为的光滑管，管长为（包括局部阻力的当量长度），受槽与大气相通，输水管出口端压力为，受槽液面保持恒定，该离心泵的流量为。水的物性 求找泵的流量、压头、轴功率和效率，实质上是要找出该泵在管路上的工作点。泵的工作点由泵的特性曲线和管路特性曲线所决定。管路特性方程： 在受槽液面和输水管出口内侧列柏努利里方程式、得 其中 即 而 对光滑管 由于泵的工作流量为 工作点处 将代人上式： 根据： ； 查化工原理上册附录得该泵性能。型 号 转速流 量杨程效率 轴功率 第五章 设备布置概述5.1、设备布置的原则1、满足工艺及流程的要求设备的平面位置和高低位置，应符合工艺流程和工艺条件的要求，如真空、重力流、固体卸料等，一律按管道及仪表流程图的要求布置设备。对处理腐蚀性、有毒、粘稠物料的设备宜按物料性质紧凑布置，有时需采取设隔离墙等措施。根据实际地形、主导风向和厂房建筑结构的特点，因地制宜合理布置。为减少厂房的荷载和振动，降低造价。设备布置2、符合经济原则优先考虑露天布置或半露天布置。设备的布置在符合工艺要求的的提下应以经济合理为主，注意整齐美观。除有热膨胀要求的管道外，设备布置时应考虑管道尽量短而直。对成排布置的塔，可设置联合平台，对并排布置的换热器，靠管廊侧管程接管中心线取齐。离心泵的排列应以泵出口管中心线取齐。卧式容器推荐以靠管廊侧封头切线取齐。加热炉、反应器等推荐以中心线取齐。3、符合安全生产要求设备建筑物、构筑物等的防火间距应符合现行的有关防火规范的要求：要注意环境保护、防止污染及噪音，还应根据危险程度的划分来考虑布置设备。对加热炉、压缩机及控制室配电室等的位置要考虑主导风向的问题。从设备泄漏出的可燃气体或蒸汽不应吹向加热炉，故加热炉应位于上风向或侧风向。烟囱排出的烟气不应吹向压缩机室或控制室。配电室宜布置在可能漏出氨气场所的上风向。利用电能或电动机的电气设备的布置，应符合国家现行的爆炸和火灾危险场所电力装置设计规定的要求。4、便于安装和维修设备要排列整齐，避免过挤过松，考虑操作通道、运输通道、检修通道。 比如：塔和立式设备的人孔，应对着空场地或检修通道，布置在同一方向。卧式容器的人孔则应布置在一条线上。有良好的操作条件设备应尽可能避免布置在窗前。另外还要考虑通风。通风措施应根据生产过程中有害物质，易燃、易爆气体的浓度和爆炸极限及厂房的温度而决定。此外，还应考虑厂房的卫生和劳保条件。诸如工人洗手间、休息室、厂房通风保暖，平台、楼梯位置等。 主要车行道路最小宽度为转弯半径为次要车行道路最小宽度为转弯半径为道路两边的人行道最小宽度为装置内的操作通道一般宽度为。5.2、设备布置设计的步骤1、车间建筑平面图根据工艺的要求与土建设计部门共同拟订各车间的结构形式、柱距、跨度、层高间数等初步方案，并画成或比例的车间建筑平面图2、做成模型将确定的设备按其数量的多少及最大的外形尺寸剪成相同比例的硬纸块或用木块纸板、聚苯乙烯块做成模型，一般为或并标明设备的名称。3、选择方案将这些设备的硬纸块或模型按工艺流程布置在相同比例的车间建筑平面图上。从个方案中，选择一个最佳方案，绘制成平面草图。4、安排辅助室和生活室一般将这些房间集中在规定区域内，防止厂房零乱和影响厂房通风条件。 5、完成车间平立面布置草图完成后要广泛征求有关专业的意见后交建筑人员设计建筑图。6、正式的设备布置图工艺设计人员在取得建筑设计图后，根据布置草图绘制成正式的设备布置图5.3、设备布置图的绘制（见图纸）第六章 总结通过本次课程设计，我对硝铵的性质、用途以及制取方法有了深刻的认识，熟练的掌握了加压中和法制取硝铵的工艺流程和关键设备的物料衡算、能量衡算。以及设备的选型等，下面将这次设计中我认为比较关键部分进行阐述6.1 中和法制取硝铵生产工艺中面临的重要问题及注意事项1 实践证明，氨与硝酸进行气相反应是很不完全的，会导致大量的氮损失，所以尽量使中和反应在液相中完成。2 如何处理和应用中和过程中放出的大量反应热。由于不利用中和反应热仅能制的稀硝铵溶液，而且要采用冷却措施，故水、电、蒸汽消耗量大、设备生产能力低，这种流程已被利用反应热的中和流程所代替；氨与硝酸的中和过程若能合理地利用放出的中和热来蒸发水分，则可得到硝铵的浓溶液甚至熔融液而不需要外加热量。因此硝铵的生产流程可分为先制取硝铵稀溶液，然后把它蒸发的所谓多段流程，以及直接制取熔融液的一段流程。利用反应热的中和过程又分为常压法和加压法两种。3 要尽量减少氨损失：氮损失的根本原因在于和的挥发或分解，影响因素有以下几个方面：a 高温时，会加速及的挥发和分解，因而加剧了氨的损失。b 压力高时，不利于和的挥发和分解，可减少氮的损失。因此宜采用加压中和。c 含量越高，放出的热量就愈多，反应器内温升加剧，硝酸更易于分解，而且蒸出的水蒸气也多，被它带出的原料量也加大，所以硝酸浓度高时氨损失大。因此最好采用不高于6的，一般采用的硝酸。d 氨气纯度低，惰性气体含量多，从中和器排出的尾气量也随之增大，因而导致氮损失增大。e 在范围内，在水溶液中制取稳定的化合物所需的和两组分的合理比例应为生成的化合量。若控制不当，氨或硝酸偏离化合量过多时，过剩物必将大量挥发而引起氨损失加剧。f 中和器设计不当，气液两相接触不良，或者反应区的局部地区有氨或硝酸积聚，都的加剧氮的损失。6.2 物料衡算与能量衡算在计算中应该注意的问题本次万吨每年硝酸铵生产装置设计采用的是加