合成氨课程设计报告

1、合成氨课程设计报告应用化学1101班张超1115020131概述氨是最为重要的基础化工产品之一，其产量居各种化工产品 的首位；同时也是能源消耗的大户,世界上大约有10 %的能源用 于生产合成氨。合成氨生产经过多年的发展，现已发展成为一种 成熟的化工生产工艺。氨主要用于农业，合成氨是氮肥工业的基础，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 种铵盐肥料，这部分约占70%的比例，称之为“化肥氨”；同时 氨也是重要的无机化学和有机化学工业基础原料，用于生产铵、 胺、染料、炸药、制药、合成纤维、合成树脂的原料，这部分约 占30 %的比例，称之为“工业氨”。世界合成氨技术的

2、发展经历了传统型蒸汽转化制氨工艺、低 能耗制氨工艺、装置单系列产量最大化三个阶段。根据合成氨技 术发展的情况分析，未来合成氨的基本生产原理将不会出现原 则性的改变，其技术发展将会继续紧密围绕“降低生产成本、提 高运行周期，改善经济性”的基本目标，进一步集中在“大型化、 低能耗、结构调整、清洁生产、长周期运行”等方面进行技术的 研究开发。本课程设计是对年产三十万吨合成氨合成段工序的设计。主 要阐述了合成氨合成工段工艺路线图、物料和能量衡算、设备选 型及计算，确定了良好的工艺条件、合理的催化剂和能源综合利 用。1.1设计任务的依据设计任务书是项目设计的目的和依据：产量：300 kt/a液氨放空气（

3、惰性气Ar +CH4）： 17%原料：新鲜补充气 N2 24%，H2 74.5 %，Ar 0.3%，CH4 1.2%合成塔进出口氨浓度：2.5%, 13.2%放空气：（惰性气Ar +CH4）17%合成塔操作压力32 MPa （绝压）精练气温度401水冷器出口气体温度35 C循环机进出口压差1.47MPa年工作日330 d计算基准生产1t氨1.2设计内容及设计阶段进行方案设计，确定生产方法和生产工艺流程。绘制工艺流程图。进行化工计算，包括物料衡算、能量衡算以及设备选型和 计算。1.3合成氨的几种方法氨的合成是合成氨生产的最后一道工序，其任务是将经过精 制的氢氮混合气在催化剂的作用下多快好省地合成

4、为氨。对于合 成系统来说，液体氨即是它的产品。工业上合成氨的各种工艺流 程一般以压力的高低来分类。高压法操作压力70100MP。，温度为550650C。这种方法的 主要优点是氨合成效率高，混合气中的氨易被分离。故流程、设 备都比较紧凑。但因为合成效率高，放出的热量多，催化剂温度 高，易过热而失去活性，所以催化剂的使用寿命较短。又因为是 高温高压操作，对设备制造、材质要求都较高，投资费用大。目 前工业上很少采用此法生产。中压法操作压力为2060MPa,温度450550C,其优缺点介 于高压法与低压法之间，目前此法技术比较成熟，经济性比较好。 因为合成压力的确定，不外乎从设备投资和压缩功耗这两方面

5、来 考虑。从动力消耗看，合成系统的功耗占全厂总功耗的比重最大。 但功耗决不但取决于压力一项，还要看其它工艺指标和流程的布 置情况。总的来看，在1530P。的范围及功耗的差别是不大 的，因此世界上采用此法的很多。因此，本次设计选用32MPa 压力的合成氨流程。低压法操作压力10MPa左右，温度400450C。由于操作压力和温 度都比较低，故对设备要求低，容易管理，且催化剂的活性较高， 这是此法的优点。但此法所用催化剂对毒物很敏感，易中毒，使 用寿命短，因此对原料气的精制纯度要求严格。又因操作压力低， 氨的合成效率低，分离较困难，流程复杂。实际工业生产上此法 已不采用了。1.4合成氨原料生产合成氨

6、，首先必须制备氢、氮原料气。氮气来源于空气，可以在低温下将空气液化、分离而得，或 者在制氢过程中直接加入空气来解决。氢气来源于水或含有烃类的各种燃料，它取决于用什么方法制取。 最简便的方法是将水电解，但此法由于电能消耗大、成本高而受 到限制。现在工业上普遍采用以焦炭、煤、天然气、重油等原料 与水蒸汽作用的气化方法。15进料口气体组成合成塔进口气体组成包括氢氮比、惰性气体含量与初始氨含 量。当氢氢比为3时，对于氨合成反应，可得最大平衡氨含量， 但从动力学角度分析，最适宜氢氨比随氨含量的不同而变化。如 果略去氢及氨在液氨中溶解损失的少量差异，氨合成反应氢与氮 总是按3: 1消耗，新鲜气氢氮比应控制

7、为3,否则循环系统中 多余的氢或氮就会积累起来，造成循环气中氢氮比的失调。2生产流程及生产方法的确定2.1氨合成过程的基本工艺步骤实现氨合成的循环，必须包括如下几个步骤：氮氢原料气的 压缩并补入循环系统；循环气的预热与氨的合成；氨的分离；热 能的回收利用；对未反应气体补充压力并循环使用，排放部分循环气以维持循环气中惰性气体的平衡等。由于采用压缩机的型式、氨分冷凝级数、热能回收形式以及 各部分相对位置的差异，而形成不同的工业生产流程，但实现氨 合成过程的基本工艺步骤是相同的。气体的压缩和除油为了将新鲜原料气和循环气压缩到氨合成所要求的操作压 力，就需要在流程中设置压缩机。当使用往复式压缩机时，在

8、压 缩过程中气体夹带的润滑油和水蒸汽混合在一起，呈细雾状悬浮 在气流中。气体中所含的油不仅会使氨合成催化剂中毒、而且附 着在热交换器壁上，降低传热效率，因此必须清除干净。除油的 方法是压缩机每段出口处设置油分离器，并在氨合成系统设置滤 油器。若采用离心式压缩机或采用无油润滑的往复式压缩机，气 体中不含油水，可以取消滤油设备，简化了流程。气体的预热和合成压缩后的氢氮混合气需加热到催化剂的起始活性温度，才能 送入催化剂层进行氨合成反应。在正常操作的情况下，加热气体 的热源主要是利用氨合成时放出的反应热，即在换热器中反应前 的氢氮混合气被反应后的高温气体预热到反应温度。在开工或反 应不能自热时，可利

9、用塔内电加热炉或塔外加热炉供给热量。(3 )氨的分离进入氨合成塔催化层的氢氮混合气，只有少部分起反应生成 氨，合成塔出口气体氨含量一般为1020%,因此需要将氨分 离出来。氨分离的方法有两种，一是水吸收法；二是冷凝法，将 合成后气体降温，使其中的气氮冷凝成液氨，然后在氨分离器中， 从不凝气体中分离出来。目前工业上主要采用冷凝法分离循环气中的氨。以水和氨冷 却气体的过程是在水冷器和氨冷器中进行的。在水冷器和氨冷器 之后设置氨分离器，把冷凝下来的液氨从气相中分离出来，经减 压后送至液氮贮槽。在氨冷凝过程，部分氢氮气及惰性气体溶解 在液氨中。当液氨在贮槽内减压后，溶解的气体大部分释放出来， 通常称为

10、“贮罐气”。（4）气体的循环氢氮混合气经过氨合成塔以后，只有一小部分合成为氨。分 离氨后剩余的氢氮气，除为降低情性气体含量而少量放空以外， 与新鲜原料气混合后，重新返回合成塔，再进行氨的合成，从而 构成了循环法生产流程。由于气体在设备、管道中流动时，产生 了压力损失。为补偿这一损失，流程中必须设置循环压缩机。循 环机进出口压差约为2030大气压，它表示了整个合成循环系 统阻力降的大小。（5）惰性气体的排除氨合成循环系统的情性气体通过以下三个途径带出：（1）一 小部分从系统中漏损；（2）一小部分溶解在液氨中被带走；（3）大 部分采用放空的办法，即间断或连续地从系统中排放。在氨合成循环系统中，流程

11、中各部位的惰性气体含量是不同 的，放空位置应该选择在惰性气体含量最大而氨含量最小的地方, 这样放空的损失最小。由此可见，放空的位置应该在氨已大部分 分离之后，而又在新鲜气加入之前。放空气中的氨可用水吸收法 或冷凝法加以回收，其余的气体一股可用作燃料。也可采用冷凝 法将放空气中的甲烷分离出来，得到氢、氮气，然后将甲烷转化 为氢，回收利用，从而降低原料气的消耗。有些工厂设置二循环合成系统，合成系统放空气进入二循环 系统的合成塔，继续进行合成反应，分离氨后部分情性气体放空， 其余部分在二循环系统继续循环。这样，提高了放空气中惰性气 体含量，从而减少了氢氮气损失。反应热的回收利用氨的合成反应是放热反应

12、，必须回收利用这部分反应热。目 前回收利用反应热的方法主要有以下几种：预热反应前的氢氮混合气。在塔内设置换热器，用反应 后的高温气体预热反应前的氢氮混合气，使其达到催化剂的活性 温度。这种方法简单，但热量回收不完全。目前小型氨厂及部分 中型氨厂采用此法回收利用反应热。预热反应前的氢氮混合气和副产蒸汽。既在塔内设置换 热器预热反应前的氢氮混合气，又利用余热副产蒸汽。按副产蒸 汽锅炉安装位置的不同，可分为塔内副产蒸汽合成塔(内置式)和 塔外副产蒸汽合成塔(外置式)两类。目前一般采用外置式，该法 热量回收比较完全，同时得到了副产蒸汽，目前中型氮厂应用较多。预热反应前的氢氮混合气和预热高压锅炉给水。反

13、应后 的高温气体首先通过塔内则换热器预热反应前的氢氮混合气，然 后再通过塔外的换热器预热高压锅炉给水。此法的优点是减少了 塔内换器的面积，从而减小了塔的体积，同时热能回收完全。目 前大型合成氨厂一般采用这种方法回收热量。用副产蒸汽及预热 高压锅炉给水方式回收反应热时，生产一吨氨一般可回收0.5 0.9吨蒸汽。2.2氨合产工艺的选择考虑氨合成工段的工艺和设备问题时，必须遵循三个原则： 一是有利于氨的合成和分离；二是有利于保护催化剂，尽量延长 使用寿命；三是有利于余热回收降低能耗。氨合成工艺选择主要考虑合成压力、合成塔结构型式及热 回收方法。氨合成压力高对合成反应有利，但能耗高。中压法技 术比较成

14、熟，经济性比较好，在1530Pa的范围内，功耗的差 别是不大的，因此世界上采用此法的很多。一般中小氮肥厂多 为32MPa ,大型厂压力较低，为1020MPa。由于近来低温氨催 化剂的出现，可使合成压力降低。合成反应热回收是必需的，是节能的主要方式之一。除尽可 能提高热回收率,多产蒸汽外，应考虑提高回收热的位能,即提 高回收蒸汽的压力及过热度。高压过热蒸汽的价值较高，当然投 资要多，根据整体流程统一考虑。本次设计选用中压法（压力为32MPa）合成氨流程，采用预热反 应前的氢氮混合气和副产蒸汽的方法回收反应热，塔型选择见设 备选型部分。3生产流程简述气体从冷交换器出口分二路、一路作为近路、一路进入

15、合成塔一 次入口，气体沿内件与外筒环隙向下冷却塔壁后从一次出口出塔, 出塔后与合成塔近路的冷气体混合，进入气气换热器冷气入口， 通过管间并与壳内热气体换热。升温后从冷气出口出来分五路进 入合成塔、其中三路作为冷激线分别调节合成塔。二、三、四层 （触媒）温度，一路作为塔底副线调节一层温度，另一路为二入主 线气体，通过下部换热器管间与反应后的热气体换热、预热后沿 中心管进入触媒层顶端，经过四层触媒的反应后进入下部换热器 管内，从二次出口出塔、出塔后进入废热锅炉进口，在废热锅炉 中副产25MPa蒸气送去管网，从废热锅炉出来后分成二股，一 股进入气气换热器管内与管间的冷气体换热，另一股气体进入锅 炉给水预热器在管内与管间的脱盐，脱氧水换热，