合成氨合成工段课程设计报告说明书

1、-. z太原理工大学课 程 设 计 任 务 书课程设计题目：年产20万吨合成氨合成工段工艺设计课程设计要求：设计采用中压两级分氨流程，年产20万吨合成氨合成工段的工艺设计。设计配有设计说明书一份，图纸二。说明书容：原料气来源、流程方案确实定、物料衡算、热量衡算、设备选型及设计计算、车间布置、三废治理及综合利用。二图纸：1.带控制点的合成工段物料流程图； 2.中压合成塔的工艺装配图。学生应交出的设计文件纸质及电子版：1.设计说明书首页附设计任务书2.工程设计图CAD版1主要设备图2工艺流程图主要参考资料电子版：一手册1. 小合成氨厂工艺技术与设计手册(上册)，化学工业，1994。2. 小合成氨厂

2、工艺技术与设计手册(下册) 梅安华主编，化学工业，1994。3. 氮肥工艺设计手册 气体压缩 氨合成 甲醇合成，化学工业，1989。4. 氮肥工艺设计手册 理化数据分册，石油化学工业，1977。二参考文献1中国环球化学工程公司编. 氮肥工艺设计手册 M.19852郝晓刚等编著. 化工原理课程设计. ：化学工业，20093甘棠主编.化学反响工程M. 第三版.：化学工业.1990114黄璐. 化工设计. ：化学工业，20005五平主编.无机化工工艺学.第三版. ：化学工业，19856胜阶.合成氨工学【J】.石油化学工业，197877华工.氨合成塔【J】.石油化学工业，1977(12)8化学工业组织

3、编写.中国化工产品大全M.第二版上卷.9司航主编.化工产品手册M.第三版.：化学工业.10祥君著.新编精细化工产品手册M.：化学工业.1996.11万家亮曾胜年主编.分析化学M.第三版. ：高等教育.2001612*化工研究院编.无机与工业手册【M】.:化学工业出版，1988(2)13江寿建. 化工厂共用设施设计手册. ：化工工业，200014时均等. 化学工程手册. ：化学工业，199615国方. 化工工艺设计概论. ：原子能，199016化工工程师手册编辑委员会. 化学工程师手册. ：机械工业，200017敏恒等. 化工原理，上下册. ：化学工业，198518吴志泉等. 化工工艺计算，物料

4、、能量衡算. ：华东理工大学，199218倪进方. 化工过程设计. ：化学工业，1999专业班级 化学工程与工艺0802班 学生 林豪 组别 第四组 组员 林豪 旭 连文豪 马楠 宋路华 要求设计工作起止日期指导教师签字日期系主任批准签字日期前 言化工设计课程设计是培养学生化工设计能力的重要教学环节，通过课程设计使我们初步掌握化工设计的根底知识、设计原则及方法；学会各种手册的使用方法及物理性质、化学性质的查找方法和技巧；掌握各种结果的校核，能画出工艺流程、各类塔构造等图形。在设计过程中不仅要考虑理论上的可行性，还要考虑生产上的平安性、经济合理性。本设计就合成车间的工艺生产流程，着重介绍化工设计

5、的根本原理、标准、规、技巧和经历。本说明书主要确定优化的工艺流程、工艺条件、设备选型及其他非工艺专业等容。在全面介绍化工设计的根底知识上，重点阐述工艺流程设计、物料和能量衡算及车间布置等容，并结合工艺计算、工程经济，力求表达当今化工设计的水平。合成氨生产任务设计决定了生产合成氨的规模，设备的要求以及工艺流程的状况。本设计所采用的方法是半水煤气合成法，其主要原料是煤和氮气，利用煤来生成氢气，而本设计主要是对合成氨合成工段的设计，故所用原料直接采用氮气和氢气，其以合成塔为主要设备，在氨冷器、水冷器、气气交换器、循环机、别离器、冷凝塔等辅助设备的作用下，以四氧化三铁为触媒，在485500的高温条件下

6、来制得氨气。本设计要求要掌握合成塔的工作原理，生产的工艺路线，并能根据工艺指标进展操作计算。在工艺计算过程中，包含物料衡算，热量衡算及设备选型计算等。生产的氨的用途和产生的三废在本设计也有所提到，在合成效率方面也有进一步研究。摘要合成氨生产任务设计决定了生产合成氨的规模，设备的要求以及工艺流程的状况。本设计所采用的方法是半水煤气合成法，其主要原料是煤和氮气，利用煤来生成氢气，而本设计主要是对合成氨合成工段的设计，故所用原料直接采用氮气和氢气，其以合成塔为主要设备，在氨冷器、水冷器、气气交换器、循环机、别离器、冷凝塔等辅助设备的作用下，以四氧化三铁为触媒，在485500的高温条件下来制得氨气。本

7、设计要求要掌握合成塔的工作原理，生产的工艺路线，并能根据工艺指标进展操作计算。在工艺计算过程中，包含物料衡算，热量衡算及设备选型计算等。生产的氨的用途和产生的三废在本设计也有所提到，在合成效率方面也有进一步研究。关键词： 半水煤气合成法 合成塔 催化剂 目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc311723634符号说明 PAGEREF _Toc311723634 h 6HYPERLINK l _Toc311723635第一章总论 PAGEREF _Toc311723635 h 7HYPERLINK l _Toc3117236361.1 概述 PAGEREF _To

8、c311723636 h 7HYPERLINK l _Toc3117236371.2 氨的性质 PAGEREF _Toc311723637 h 7HYPERLINK l _Toc3117236381.2.1 氨的物理性质 PAGEREF _Toc311723638 h 7HYPERLINK l _Toc3117236391.2.2 氨的化学性质 PAGEREF _Toc311723639 h 8HYPERLINK l _Toc3117236401.3 原料气来源 PAGEREF _Toc311723640 h 8HYPERLINK l _Toc3117236411.4 文献综述 PAGEREF

9、 _Toc311723641 h 9HYPERLINK l _Toc3117236421.4.1 合成氨工业的开展 PAGEREF _Toc311723642 h 9HYPERLINK l _Toc3117236431.4.2 合成氨工业的现状 PAGEREF _Toc311723643 h 9HYPERLINK l _Toc3117236441.4.3 合成氨工业的开展趋势 PAGEREF _Toc311723644 h 10HYPERLINK l _Toc3117236451.5 设计任务的工程来源 PAGEREF _Toc311723645 h 10HYPERLINK l _Toc311

10、723646第二章流程方案确实定 PAGEREF _Toc311723646 h 11HYPERLINK l _Toc3117236472.1 生产原理 PAGEREF _Toc311723647 h 11HYPERLINK l _Toc3117236482.2 各生产方法及特点 PAGEREF _Toc311723648 h 11HYPERLINK l _Toc3117236492.3 工艺流程的选择 PAGEREF _Toc311723649 h 12HYPERLINK l _Toc3117236502.4 合成塔进口气的组成 PAGEREF _Toc311723650 h 14HYPER

11、LINK l _Toc311723651第三章工艺流程简述 PAGEREF _Toc311723651 h 16HYPERLINK l _Toc3117236523.1 合成工段工艺流程简述 PAGEREF _Toc311723652 h 16HYPERLINK l _Toc3117236533.2 工艺流程方框图 PAGEREF _Toc311723653 h 17HYPERLINK l _Toc311723654第四章工艺计算 PAGEREF _Toc311723654 h 18HYPERLINK l _Toc3117236554.1 物料衡算： PAGEREF _Toc311723655

12、 h 18HYPERLINK l _Toc311723656设计要求： PAGEREF _Toc311723656 h 18HYPERLINK l _Toc311723657计算物料点流程图： PAGEREF _Toc311723657 h 18HYPERLINK l _Toc311723658合成塔入口气组分： PAGEREF _Toc311723658 h 19HYPERLINK l _Toc311723659合成塔出口气组分： PAGEREF _Toc311723659 h 20HYPERLINK l _Toc311723660氨别离器气液平衡计算： PAGEREF _Toc311723

13、660 h 21HYPERLINK l _Toc311723661冷交换器气液平衡计算： PAGEREF _Toc311723661 h 23HYPERLINK l _Toc311723662液氨贮槽气液平衡计算： PAGEREF _Toc311723662 h 24HYPERLINK l _Toc311723663液氨贮槽物料计算： PAGEREF _Toc311723663 h 27HYPERLINK l _Toc311723664合成系统物料计算: PAGEREF _Toc311723664 h 28HYPERLINK l _Toc311723665合成塔物料计算： PAGEREF _T

14、oc311723665 h 30HYPERLINK l _Toc311723666水冷器物料计算： PAGEREF _Toc311723666 h 31HYPERLINK l _Toc311723667氨别离器物料计算： PAGEREF _Toc311723667 h 32HYPERLINK l _Toc311723668冷交换器物料计算： PAGEREF _Toc311723668 h 33HYPERLINK l _Toc311723669氨冷器物料计算： PAGEREF _Toc311723669 h 34HYPERLINK l _Toc3117236704.1.16 冷交换器物料计算：

15、PAGEREF _Toc311723670 h 36HYPERLINK l _Toc311723671液氨贮槽物料计算: PAGEREF _Toc311723671 h 38HYPERLINK l _Toc3117236724.2 热量衡算： PAGEREF _Toc311723672 h 41HYPERLINK l _Toc311723673冷交换器热量计算： PAGEREF _Toc311723673 h 41HYPERLINK l _Toc311723674氨冷凝器热量衡算： PAGEREF _Toc311723674 h 44HYPERLINK l _Toc311723675循环机热量

16、计算： PAGEREF _Toc311723675 h 47HYPERLINK l _Toc311723676合成塔热量衡算： PAGEREF _Toc311723676 h 49HYPERLINK l _Toc311723677废热锅炉热量计算： PAGEREF _Toc311723677 h 52HYPERLINK l _Toc311723678热交换器热量计算： PAGEREF _Toc311723678 h 53HYPERLINK l _Toc311723679水冷器热量衡算： PAGEREF _Toc311723679 h 54HYPERLINK l _Toc311723680氨别离

17、器热量核算： PAGEREF _Toc311723680 h 56HYPERLINK l _Toc311723681第五章设备选型及设计计算 PAGEREF _Toc311723681 h 58HYPERLINK l _Toc3117236825.1 合成塔催化剂层设计： PAGEREF _Toc311723682 h 58HYPERLINK l _Toc3117236835.2 废热锅炉设备工艺计算： PAGEREF _Toc311723683 h 60HYPERLINK l _Toc311723684计算条件 PAGEREF _Toc311723684 h 60HYPERLINK l _T

18、oc311723685管给热系数的计算 PAGEREF _Toc311723685 h 60HYPERLINK l _Toc311723686管外给热系数 PAGEREF _Toc311723686 h 64HYPERLINK l _Toc311723687传热总系数K PAGEREF _Toc311723687 h 64HYPERLINK l _Toc311723688传热温差 PAGEREF _Toc311723688 h 64HYPERLINK l _Toc311723689传热面积 PAGEREF _Toc311723689 h 65HYPERLINK l _Toc3117236905

19、.3 热交换器设备工艺计算: PAGEREF _Toc311723690 h 65HYPERLINK l _Toc311723691计算条件 PAGEREF _Toc311723691 h 65HYPERLINK l _Toc311723692管给热系数的计算 PAGEREF _Toc311723692 h 66HYPERLINK l _Toc311723693管外给热系数 PAGEREF _Toc311723693 h 68HYPERLINK l _Toc311723694总传热系数 PAGEREF _Toc311723694 h 72HYPERLINK l _Toc311723695传热面

20、积核算 PAGEREF _Toc311723695 h 72HYPERLINK l _Toc3117236965.4 水冷器设备工艺计算： PAGEREF _Toc311723696 h 73HYPERLINK l _Toc311723697计算条件 PAGEREF _Toc311723697 h 73HYPERLINK l _Toc311723698管给热系数的计算 PAGEREF _Toc311723698 h 74HYPERLINK l _Toc311723699管外给热系数 PAGEREF _Toc311723699 h 76HYPERLINK l _Toc311723700传热温差

21、PAGEREF _Toc311723700 h 76HYPERLINK l _Toc311723701传热总系数K PAGEREF _Toc311723701 h 76HYPERLINK l _Toc3117237025.5 氨冷器设备工艺计算: PAGEREF _Toc311723702 h 77HYPERLINK l _Toc311723703计算条件 PAGEREF _Toc311723703 h 77HYPERLINK l _Toc311723704管给热系数的计算 PAGEREF _Toc311723704 h 78HYPERLINK l _Toc311723705传热总系数K PA

22、GEREF _Toc311723705 h 81HYPERLINK l _Toc311723706传热温差 PAGEREF _Toc311723706 h 81HYPERLINK l _Toc311723707传热面积 PAGEREF _Toc311723707 h 82HYPERLINK l _Toc311723708第六章车间布置 PAGEREF _Toc311723708 h 84HYPERLINK l _Toc311723709第七章三废治理及综合利用 PAGEREF _Toc311723709 h 85HYPERLINK l _Toc3117237107.1 三废的产生及污染 PAG

23、EREF _Toc311723710 h 85HYPERLINK l _Toc311723711废气污染危害 PAGEREF _Toc311723711 h 85HYPERLINK l _Toc311723712废水污染危害 PAGEREF _Toc311723712 h 86HYPERLINK l _Toc311723713工业废渣对环境的污染 PAGEREF _Toc311723713 h 87HYPERLINK l _Toc3117237147.2 三废治理原则 PAGEREF _Toc311723714 h 87HYPERLINK l _Toc311723715完毕语 PAGEREF

24、_Toc311723715 h 88HYPERLINK l _Toc311723716参考文献： PAGEREF _Toc311723716 h 89HYPERLINK l _Toc311723717附录： PAGEREF _Toc311723717 h 90HYPERLINK l _Toc311723718物料衡算汇总表 PAGEREF _Toc311723718 h 90HYPERLINK l _Toc311723719热量计算点图 PAGEREF _Toc311723719 h 93符号说明第一章 总 论1.1 概述氨是一种重要的含氮化合物。氮是蛋白质质中不可缺少的局部，是人类和一切生物

25、所必须的养料；可以说没有氮，就没有蛋白质，没有蛋白质，就没有生命。大气中存在有大量的氮，在空气中氨占78体积分数以上，它是以游离状态存在的。但是，如此丰富的氮，通常状况下不能为生物直接吸收，只有将空气中的游离氮转化为化合物状态，才能被植物吸收，然后再转化成人和动物所需的营养物质。把大气中的游离氮固定下来并转变为可被植物吸收的化合物的过程，称为固定氮。目前，固定氮最方便、最普通的方法就是合成氨，也就是直接由氮和氢合成为氨，再进一步制成化学肥料或用于其它工业。在国民经济中，氨占有重要地位，特别是对农业生产有着重大意义。氨主要用来制作化肥。液氨可以直接用作肥料，它的加工产品有尿素、硝酸铵、氯化氨和碳

26、酸氢氨以及磷酸铵、氮磷钾混等。氨也是非常重要的工业原料，在化学纤维、塑料工业中，则以氨、硝酸和尿素作为氮元素的来源生产己酰胺、尼龙-6、丙烯腈等单体和尿醛树脂等产品。由氨制成的硝酸，是各种炸药和根本原料，如三硝基申苯，硝化甘油以及其它各种炸药。硝酸铵既是优良的化肥，又是平安炸药，在矿山开发等根本建立中广泛应用。氨在其他工业中的应用也非常广泛。在石油炼制、橡胶工业、冶金工业和机械加工等部门以及轻工、食品、医药工业部门中，氨及其加工产品都是不可缺少的。例如制冷、空调、食品冷藏系统大多数都是用氨作为制冷剂。1.2氨的性质1.2.1 氨的物理性质 氨在常温下是无色气体，比空气轻，具有刺激性臭味，能刺激

27、人体感官粘膜空气中，含氨大于0.01时即会引起人体慢性中毒。 气态氨易溶于水，成为氨水，氨水呈弱碱性。氨在水中的溶解度随压力增大而降低。氨水在溶解时放出大量热。氨水中的氨极易挥发。常压下气态氨需冷却到-33.35 沸点才能液化。而在常温下需加压到0.87MPa时才能液化。液氨为无色液体，气化时吸收大量的热。1.2.2 氨的化学性质 氨与氧在催化剂作用下生成氮的氧化物,并能进一步与水作用,制得硝酸： 氨与酸或酐反响生成盐类,是制造氮肥的根本反响： 氨与二氧化碳作用生成氨基甲酸铵,进一步脱水成为尿素： 氨与二氧化碳和水作用,生成碳酸氢铵： (5) 氨可与盐生成各种络合物，如CuCl26NH3、Cu

28、SO44NH3。氨与空气(或氧)的混合气,在一定浓度围能发生剧烈的氧化作用而爆炸。在常温常压下，氨与空气爆炸极限为15%28%(NH3)。100，0.1 MPa下，爆炸极限为14.5%29.5%(NH3)。1.3原料气来源原料气主要有两局部：氮气、氢气。氮气主要是从空气中提取。氢气是从半水煤气中提取的，以煤为原料，在一定的高温条件下通入空气、水蒸气或富氧空气-水蒸气混合气，经过一系列反响生成含有一氧化碳、二氧化碳、氢气、氮气、及甲烷等混合气体的过程。在气化过程中所使用的空气、水蒸气或富氧空气-水蒸气混合气等称为汽化剂。这种生成的混合气称为煤气。煤气的成分取决于燃料和汽化剂的种类以及进展汽化的条

29、件。根据所用汽化剂的不同，工业煤气可分为以下四种：空气煤气：以空气为汽化剂制取的煤气，又称为吹风气。水煤气：以水蒸气或水蒸气与氧的混合气为汽化剂制取的煤气。混合煤气：以空气和适量的水蒸气为汽化剂制取的煤气，一般作燃料用。半水煤气：是混合煤气中组成符合H2+CO/N2=3.13.2的一个特例。可用蒸气与适量的空气或蒸气与适量的富养空气为汽化剂制得，也可用水煤气与吹风混合配制。本设计采用半水煤气，半水煤气经过净化后得到纯洁的氢气，再配制适量的氮气，成为合成氨的原料气，其中含有氮气、氢气、以及惰性气体甲烷和氩。1.4文献综述合成氨工业是氮肥工业的根底，也是一些工业部门的重要原料，它的迅速开展促进了一

30、系列科学技术和化学合成工业的开展，随着科学技术的开展，合成氨工业在国民经济中的作用必将日益显著。1.4.1 合成氨工业的开展合成氨工业在20世纪初期形成，开场用氨作为火炸药工业的原料，为战争效劳;第一次世界大战完毕后,转向为农业、工业效劳。随着科学技术的开展，对氨的需要量日益增长，近30年来合成氨工业开展很快。目前，国合成氨年生产能力30万吨以上的大型企业有26家，合成氨年生产能力10万吨以上的中型企业有100多家，其他还有800多家小氮肥厂也生产约占总量60%的合成氨。1.4.2 合成氨工业的现状我国合成氨工业存在一些特殊问题，一是氮肥资源紧。国际上以天然气为原料的氮肥占85%。而我国氮肥原

31、料以煤为主，天然气仅占20%，我国氮肥行业急需解决采用成熟的粉煤气化技术，以本地粉煤代替无烟块煤。建议针对不同企业采用不同的技术路线。技术进展改造。同时，对于有廉价天然气资源的地区，鼓励采用天然气改造现有装置或建立天然气化肥基地。二是企业构造不合理，产业集中度低，技术水平不高。在氮肥行业，要推广新型煤气化技术，包括粉煤气化、水煤浆气化技术等；新型净化技术，如低温变换、低温甲醇洗MDEA等净化技术；新型氨合成塔及大型低压合成的成套技术和装备。1.4.3 合成氨工业的开展趋势合成氨工业的开展趋势:原料路线的变化方向。煤的储量约为石油、天然气总和的10倍，自从70年代中东石油涨价后,从煤制氨路线重新

32、受到重视,但因以天然气为原料的合成氨装置投资低、能耗低、本钱低的缘故,预计到20世纪末,世界大多数合成氨厂仍将以气体燃料为主要原料。节能和降耗。合成氨本钱中能源费用占较大比重，合成氨生产的技术改良重点放在采用低能耗工艺、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剂、开发新的原料气净化方法、降低燃料消耗、回收和合理利用低位热能等。与其他产品联合生产。合成氨生产中副产大量的二氧化碳，不仅可用于冷冻、饮料、灭火，也是生产尿素、纯碱、碳酸氢铵的原料。到2010年，力争组建50家大型企业集团，大型氮肥厂合成氨平均规模达40万吨/年以上，中型氮肥厂平均规模达20万吨/年以上。其产品集中度到达5

33、0%，并形成3-5家在国际上有一定影响的大型企业集团。同时，调整企业构造，减少根底肥料生产厂数量，提高单套装置的规模，使合成氨工业朝现代化又迈进一步。1.5设计任务的工程来源本课题是指导教师提高毕业生设计能力而选定的。希望通过此次课程设计让学生可以较好地把理论学习中的分散知识点和实际生产操作有机结合起来，得到较为合理的设计成果，到达课程设计训练的目的，提高学生分析和解决化工实际问题的能力。第二章 流程方案确实定2.1 生产原理氨是由气态氮和氢在适宜温度压力,并有触媒的作用下发生反响的,其反响式为： 此式为一不可逆，放热，体积缩小的反响，其反响过程为： 氨合成的反响特点： 反响过程要在高压下进展

34、，压力越高，越有利于氨的合成。 温度低时，反响有利于向氨合成的方向进展，但反响速度较慢，提高温度不利于反响平衡，但可以加快反响速度，在实际操作中，温度的选择取决于触媒的活性。 必须借助触媒，以加快反响速度。 混合气中氢、氮含量越高越有利于反响，因此，气体中惰性气体含量越少越好。2.2各生产方法及特点合成氨的生产主要包括三个步骤 ：第一步是造气，即制备含有氢、氮的原料气；第二步是净化，不管选择什么原料，用什么方法造气，都必须对原料气进展净化处理，以除去氢、氮以外的杂质；第三步是压缩和合成，将纯洁的氢、氮混合压缩到高压，在铁催化剂与高温条件下合成为氨。目前氨合成的方法，由于采用的压力、温度和催化剂

35、种类的不同，一般可分为低压法、中压法和高压法三种。(1) 低压法 操作压力低于20MPa的称低压。采用活性强的亚铁氰化物作催化剂，但它对毒物很敏感，所以对气体中的杂质CO、CO2要求十分严格。也可用磁铁矿作催化剂，操作温度450550 。该法的优点是由于操作压力和温度较低，对设备、管道的材质要求低、生产容易管理，但低压法合成率不高，合成塔出口气体中含氮约810，所以催化剂的生产能力比拟低；同时由于压力低而必须将循环气降至-20的低温才能使气体中的氨液化，别离比拟完全，所以需要设置庞大的冷冻设备，使得流程复杂，且生产本钱较高。(2) 高压法 操作压力为60MPa 以上的称为高压法，其操作温度大致

36、为550650 。高压法的优点是，氨合成的效率高，合成氨出口气体中含氨达2530，催化剂的生产能力较大。由于压力高，一般用水冷的方法气体中的氨就能得到完全的别离，而不需要氨冷。从而简化了流程；设备和流程比拟低紧凑，设备规格小，投资少，但由于在高压高温下操作，对设备和管道的材质要求比拟高。合成塔需用高镍优质合金钢制造，即使这样，也会产生破裂。高压法管理比拟复杂，特别是由于合成率高，催化剂层的反响热不易排除而使催化剂长期处于高温下操作，容易失去活性。(3)中压法 操作压力为2035 MPa的称为中压法，操作温度为450550 。中压法的优缺点介于高压法与低压法中间，但从经济效果来看，设备投资费用和

37、生产费用都比拟低。氨合成的上述三种方法，各有优缺点，不能简单的比拟其优劣。世界上合成氨总的开展趋势多采用中压法，其压力围多数为3035 MPa。本设计采用中压法，操作压力为32 MPa。2.3 工艺流程的选择合成氨的生产工艺条件必须满足产量高，消耗低，工艺流程及设备构造简单，操作方便及平安可靠等要求。决定生产条件最主要的因素有操作压力、反响温度、空间速度和气体组成等。(1) 最适宜的操作压力 氨合成反响是气体体积缩小的反响，提高压力有利于反响平衡向右移动。压力增加平衡常数增大，因而平衡氨含量也增大。所以，提高压力对氨合成反响的平衡和反响速度都有利，在一定空速下，合成压力越高，出口氨浓度越高，氨

38、净值越高，合成塔的生产能力也越大。氨合成压力的上下，是影响氨合成生产中能量消耗的主要因素之一。主要能量消耗包括原料气压缩功、循环气压缩功和氨别离的冷冻功。提高操作压力，原料气压缩功增加，合成氨净值增高，单位氨所需要的循环气量减少，因而循环气压缩功减少，同时压力高也有利于氨的别离，在较高气温下，气氨即可冷凝为液氨，冷冻功减少。但是压力高时，对设备的材料和制造的要求均高。同时，高压下反响温度一般较高，催化剂使用寿命也比拟短，操作管理比拟困难。所以要根据能量消耗、原料费用、设备投资等综合技术经济效果来选择操作压力。目前我国中小型合成氨厂合成操作压力大多采用2032 MPa。(2) 最适宜的反响温度

39、合成氨反响是一个可逆放热反响，当温度升高时，平衡常数下降，平衡氨含量必定减少。因此从化学平衡角度考虑，应尽可能采用较低的反响温度。实际生产中还要考虑反响速率的要求。为了提高反响速率，必须使用催化剂才能实现氨合成反响。而催化剂必须在一定的温度围才具有活性，所以氨合成反响温度必须维持在催化剂的活性围。合成氨生产所用的催化剂活性温度在400500 。反响温度不能低于活性温度，在活性温度围选用较低温度，也有利于延长催化剂的使用寿命。在合成氨生产过程中，对应于任意一个瞬时转化率都存在一个最大的反响速率的温度，即最正确温度。就整个反响过程来说，随着反响的进展，转化率不断增加，最正确温度随转化率增加而降低。

40、在实际生产中，应尽可能沿着最正确温度曲线进展。反响温度的控制还与催化剂的使用时间有关。新的催化剂因活性比拟高，可采用较低的温度。在中期活性降低，操作温度应比初期适当提高810 。催化剂使用到末期，活性因衰老而减弱，应再适当提高温度。(3) 空间速度 空间速度反映气体与催化剂接触时间的长短。空间速度增加，气体与催化剂接触时间减少，反响物来不及反响就离开了反响区域，因此将是合成塔出口气体中氨含量降低，即氨净值降低。但由于氨净值降低的程度比空间速度的增大倍数要少，所以当空间速度增加时，合成氨的产量也有所增加。在其他条件一定时，增加空间速度能提高合成氨的生产强度。但空间速度增大，将使系统阻力增加，压缩

41、循环气功耗增加，别离氨所需的冷冻量也增大，因此冷冻功耗增加。同时，单位循环气量的产氨量减少。但在一定限度，其他条件不变，增加空间速度，合成氨产量增加，单位时间所得的总反响热增多，通过水冷器和氨冷器的气体流量增大，需要移走的热量增多，导致冷凝器的冷却面积要相应增大，否则就不能将高流速气体中的氨冷凝下来。此外，空间速度增大，使出塔气体中氨的百分含量降低，为了使氨从混合气中冷凝别离出来，必须降低出塔气体温度，这样就要消耗更多的冷冻量，导致冷冻功耗增加。综合以上各方面的考虑，空间速度的增加是有限度的。目前，国一些小型合成氨厂合成压力在30 MPa左右的，空间速度选择在20003000每小时之间。工业上

42、采用的氨合成工艺流程虽然很多，而且流程中设备构造操作条件也各有差异，但实现氨合成过程的根本步骤是一样的，都必须包括以下几个步骤：氮、氢原料气的压缩并补充到循环系统；循环气的预热与氨的合成；氨的别离；热能的回收利用；对未反响气体补充压力，循环使用；排放局部循环气以维持循环气中惰性气体的平衡等。 流程设计在于合理地配置上述几个步骤，以便得到较好的技术效果，同时在生产上稳定可靠。 从氢氮混合气体中别离氨的方法大致有两种：水吸收法、冷凝法。本设计采用冷凝法。一般含氨混合气体的冷凝别离是经水冷却器和氨冷嚣二步实现的。液氨在氨别离器中与循环气体分开，减压送入贮槽。贮槽压力一般为1.61.8 MPa，此时，

43、冷凝过程中溶解在液氨中的氢、氮及惰性气体大局部可减压释放出来，即弛放气。2.4 合成塔进口气的组成合成塔进口气体组成包括氢氮比、惰性气体含量和塔进口氨含量。(1) 氢氮比 当氢氮比为3:1时，对于氨合成反响可以获得最大的平衡氨浓度，但从动力学角度分析，最适宜氢氮比随着氨含量的变化而变化。从氨的合成反响动力学机理可知，氮的活性吸附是合成氨反响过程速度的控制步骤，因此适当提高氮气浓度，对氨合成反响速度有利。在实际生产中，进塔气体的氢氮比控制在2.82.9比拟适宜。(2) 惰性气体在混合气体中含有甲烷和氩气等，统称为惰性气体。惰性气体不参与反响，也不毒害催化剂，但由于他们的存在会降低氢氮比的分压。无

44、论从化学平衡还是动力学角度分析，他们都是有弊无利的，导致氨的生产率下降。 惰性气体来源于新鲜气，随着合成反响的进展，它们不参与反响而在系统中积累，这样合成系统中惰性气体越来越多，为了提高氨的合成率，必须不断在循环气中将它们排放出去。排放量多，可以使合成系统惰性气体含量降低，氨的合成率提高。但是氢氮气和局部氨也随之排放，造成一定损失，故循环气体中惰性气体的控制含量不能过高也不能过低。循环气体中惰性气体的控制还与操作压力和催化剂活性有关。操作压力比拟高，及催化剂活性比拟好时，惰性气体的含量可以高一些。相反，则要控制低一些。由于原料气的制备与净化方法不同，新鲜气体中惰性气体的含量也不同。在生产中，一

45、般要保持新鲜气中含惰性气体的体积分数在0.5%1.0%之间，并控制循环气中惰性气体的体积分数在10%15%之间。(3) 塔进口氨含量 进塔气体中氨的含量，主要决定于氨别离时的冷凝温度和别离效率。冷凝温度越低，别离效果越好，则进塔气体中氨含量也就越低。降低进口氨含量，可加快反响速度，提高氨净值和生产能力。但将进口氨含量降的过低，会导致冷冻功耗增加过多，经济上并不可取。进口氨含量还与合成操作压力和冷凝温度有关。压力高，氨合成反响速度快，进口氨含量可适当控制高一些；压力低，为保持一定的反响速度，进口氨含量可适当控制低一些。综合考虑的结果，一般中小型合成氨厂当操作压力在30 MPa左右时，塔进口氨含量

46、约控制在2.5%3.5%之间。对于压力在15 MPa的合成氨厂，一般应控制在2.0%左右。本设计中塔进口氨含量控制为2.5% 。第三章 工艺流程简述3.1 合成工段工艺流程简述由氮氢气压缩机送来的35的新鲜气，在油别离器中与循环机来的循环气混合，除去气体中的油、水及其杂质。混合气进冷交换器上部换热管，与冷交换器下部来的冷气体进展换热回收冷量，热气体被冷却至17，然后进入氨冷器。气体在管流动，液氨在管外蒸发，由于氨大量蒸发吸收了混合气的热量，使管气体进一步冷却至-10，出氨冷器后的气液混合物，在冷交换器的下部用氨别离器将液氨别离。分氨后的循环气上升至上部换热器壳程被热气体加热至25后出冷交换器。

47、然后气体分两股进入合成塔，一股主线经主阀由塔顶进入塔环隙，另一股副线经副阀从倒塔底进入塔中心管，以调节催化剂床层温度。入塔气氨含量为2.5%。反响换热后温度降为140160，氨含量13%的反响气体出合成塔进入水冷器，气体经水冷器冷却至常温，其中局部气氨被冷凝，液氨在氨别离器中分出。为降低惰性气体含量，保持循环系统中一定量的惰性气体，循环气岀氨别离器后局部放空，然后进循环机增压后送往油别离器，从而完成一个循环。 冷交换器和氨别离器的液氨，经液位调节系统减压后送往液氨贮槽。该流程具有能如下一些特征：eq oac(,1)氨合成反响热未充分予以回收，用来副产蒸汽，或用来预热锅炉给水。eq oac(,2

48、)流程简单，设备投资抵。eq oac(,3)放空气位置设在惰性气体含量最高，氨含量较低处以减少氨和原料气损失。eq oac(,4)循环机位于水冷器和氨冷器之间，适用于有油润滑往复式压缩机。eq oac(,5)新鲜气和循环气中油、水及杂质可通过氨冷器低温液氨洗涤后除去。3.2 工艺流程方框图合成塔水冷器热交换器废热锅炉油别离器冷交换器循环机新鲜气放空液氨储槽氨冷器氨别离塔驰放气图3-1合成氨工艺流程方框图第四章 工艺计算4.1物料衡算：设计要求： 1.年产20万吨液氨,设计裕度及液氨损失均不计 2.精炼气组成%：如下表表4-1-1精炼气组成mol组 成N2H2CH4Ar 合 计mol24.127

49、4.451.100.33100 3.合成塔入口氨含量mol：合成塔出口氨含量mol：合成塔入口惰性气体含量mol： 4.合成塔操作压力: 32MPa(绝压) 5.精炼气温度：35 6.水冷器出口温度：35 7.循环机进出口压差：1.47Mpa 8.年工作日：330天 9.产量：25.2525t NH3/h10.计算基准：生产1吨液氨计算物料点流程图：12345合成气；13放空气 20液氨 图4-1-1 计算物料点流程图合成塔氨别离塔水冷器氨冷器热交换器液氨储槽废热锅炉放空油别离器新鲜气冷交换器循环机液氨储槽氨冷器氨别离塔循环机3145716141221152019181729101168134

50、.1.3合成塔入口气组分：根据计算依据有入塔氨含量：入塔甲烷含量：入塔氩含量：入塔氢含量：入塔氮含量：表4-1-2 入塔气组分含量%NH3CH4ArH2N2小计2.50011.5393.46261.87420.6251004.1.4合成塔出口气组分：以入塔气作为基准求出塔气组分，由下式计算塔生成氨含量：出塔气量: 出塔氨含量： 出塔甲烷含量：出塔氨含量： 出塔氢含量： 出塔氮含量： 表4-1-3 出塔气体组分含量%NH3CH4ArH2N2小计16.513.1153.93549.83816.6121004.1.5合成率：4.1.6氨别离器气液平衡计算：氨别离器入口混合物组分表4-1-4 氨别离器

51、入口混合物组分小计0.1650.131150.039350.498380.166121查，各组分平衡常数：表4-1-5 平衡常数表0.0988.228.227.534.5设时，代入计算各组分溶解液量:别离液体量：别离气体量：计算气液比：结果合理从而可计算出液体中各组分含量：液体中氨含量：液体中氩含量：液体中甲烷含量：液体中氢含量：液体中氮含量：表4-1-6 氨别离器出口液体含量%NH3CH4ArH2N2小计95.6181.7310.1571.9730.521100.00别离气体组分含量：气体氨含量 气体甲烷含量 气体氩含量 气体氢含量 气体氮含量 表4-1-7 氨别离器出口气体含量%NH3CH

52、4ArH2N2小计9.37614.1404.27554.14818.0611004.1.7冷交换器气液平衡计算：根据气液平衡原理，由于冷交换器第二次出口气体含量等于合成塔进口气体含量，由合成塔入口气体含量和操作条件下的别离温度可查出，便可解出。查, 的平衡常数：表4-1-8 平衡常数表0.025427517580冷交换器出口液体组分含量：出口液体氨含量 出口液体甲烷含量 出口液体氩含量 出口液体氢含量 出口液体氮含量 表4-1-9 冷交换器出口液体组分含量%NH3CH4ArH2N2小计98.4250.4270.0680.8250.2551004.1.8液氨贮槽气液平衡计算：图4-1-2 液氨贮

53、槽气液平衡图L19L16L15V20L21由于氨别离器液体和冷交换器出口别离液体集合后进入液氨贮槽经减压后溶解在液氨中的气体会解吸，即弛放气;两种液体百分比估算值，即水冷后别离液氨占总量的百分数。水冷后别离液氨占总量的，冷交别离液氨占总量的。以液氨贮槽入口液体计算为准，即，入口液体混合后组分含量：混合后入口氨含量：混合后入口甲烷含量：混合后入口氩含量：混合后入口氢含量：混合后入口氮含量：表4-1-10 液氨贮槽入口液体含量%小计96.8091.1770.1191.4860.409100当 (由热平衡计算得) 平衡常数：表4-1-11 平衡常数表0.598170540575620根据气液平衡,设

54、,代入上式得:出口液体氨含量：出口液体甲烷含量：出口液体氩含量：出口液体氢气含量：出口液体氮气含量：出口液体总量：出口气体总量：l出口液体组分含量 出口液体氨含量：出口液体甲烷含量：出口液体氩含量：出口液体氢气含量：出口液体氮气含量：表4-1-12 液氨贮槽出口液氨组分%NH3CH4ArH2N2小计99.8690.0850.0030.0340.009100出口弛放气组分含量：弛放气氨含量：弛放气甲烷含量：弛放气氩含量：弛放气氢气含量：弛放气氮气含量：表4-1-13 出口弛放气组分含量(%)NH3CH4ArH2N2小计59.60514.4471.52619.1455.2771004.1.9液氨贮

55、槽物料计算：以液氨贮槽出口一吨纯液氨为基准折标立方米计算液氨贮槽出口液体量其中NH3CH4Ar H2N2液氨贮槽出口弛放气其中NH3CH4Ar H2N2液氨贮槽出口总物料液氨贮槽进口液体：由物料平衡，入口液体各组分含量计算：其中 NH3CH4 Ar H2N2入口液体中组分含量核算,由 入口液体中氨含量 入口液体中甲烷含量 入口液体中氩含量 入口液体中氢气含量 入口液体中氮气含量 入口液体中组分含量 4.1.10合成系统物料计算:将整个合成看着一个系统，进入该系统的物料有新鲜补充气,离开该系统的物料有放空气，液氨贮槽弛放气，产品液氨，见图4-1-3所示： V补V出V驰V放V氨V入图4-1-3 合

56、成系统物料计算示意图由前计算数据如下表：表4-1-14 计算数据名称NH3CH4ArH2N2气量Nm补充气-0.0110.00330.74450.2412放空气0.093760.141400.042750.514940.18061弛放气0.596050.144470.015260.19210.05277108.321液氨0.998690.000850.000030.0003360.000091319.375入塔气0.0250.115390.034620.618740.20625出塔气0.1650.131150.039350.498380.16612根据物料平衡和元素组分平衡求,:循环回路中氢平

57、衡：循环回路中氮平衡:循环回路中惰性气体平衡:循环回路中惰性气体平衡:循环回路中总物料平衡: 联立各式解得：; ; ; 4.1.11合成塔物料计算：入塔物料：其中 NH3CH4 Ar H2 N2 合成塔一出，二进物料，热交换器冷气进出物料等于合成塔入塔物料即出塔物料NH3CH4 Ar H2 N2 合成塔生成氨含量：废热锅炉进出口物料，热交换器进出口物料等于合成塔出塔物料。即4.1.12水冷器物料计算：进器物料：水冷器进气物料等于热交换器出口物料，即 出器物料：在水冷器中局部气氨被冷凝；由氨别离器气液平衡计算得气液比 ，,有如下方程:将 代入得:出口气体组分由得:其中， NH3CH4 Ar H2

58、 N2 出口液体各组分由得其中 NH3CH4 Ar H2 N2 4.1.13氨别离器物料计算：进器物料：氨别离器进器总物料等于水冷器出口气液混合物总物料即出器物料：气液混合物在器进展别离，分别得到气体和液体出器气体，出器液体氨别离器出口气体放空其中， NH3CH4 Ar H2 N2 4.1.14冷交换器物料计算：进器物料：进器物料等于氨别离器出口气体物料减去放空气量其中， NH3CH4 Ar H2 N2 出器物料热气：设热气出口温度17由热量计算核定查 ,气相中平衡氨含量，计算热气出口冷凝液氨时，忽略溶解在液氨中的气体。取过饱和度，故 。设热气出口氨体积为，则：冷交换器热气出口气量及组分：其中

59、 NH3CH4 Ar H2 N2 出口总气量 出口气体各组分：NH3CH4 Ar H2 N2 4.1.15氨冷器物料计算：进器物料：氨冷器进器物料等于冷交换器出器物料加上补充新鲜气物料其中 CH4 Ar H2 N2 进器气体物料进器气体组分含量其中 NH3CH4 Ar H2 N2 各组分百分含量NH3CH4 Ar H2 N2 进器液体等于冷交换器冷凝液氨量进器总物料出器物料：出器气体中氨含量为，设出器气体中氨含量为。解得 则氨冷器中冷凝液氨量：氨冷器出器总液氨量:氨冷器出器气量:其中 NH3CH4 Ar H2 N2 各组分百分含量 NH3 CH4 Ar H2 N2 出器总物料4.1.16 冷交

60、换器物料计算：图4-1-4冷交换器物料计算示意图V3V2V14V17进口物料：冷交换器进口总物料等于氨冷器出口总物料其中气体入口；液体入口；由气液平衡计算得，以进口物料为计算基准：即 将，代入上式：式中可由物料平衡和氨平衡计算式中冷交换器入口总物料；冷交换器热气出口总物料冷交换器入口总氨物料将 ，代入上式解得：；代入得：;由可求出冷交换器冷凝液体量冷凝液体量 出器物料：冷交换器冷气出口气体物料等于进口总物料减去冷凝液体量。其中 NH3CH4 Ar H2 N2 计算误差校核氨别离器液氨百分数氨别离器液氨百分数：冷交换器别离液氨百分数：计算误差4.1.17液氨贮槽物料计算:进槽物料：氨别离器入槽液