毕业设计年产10万吨合成氨合成工段的设计

毕业设计题目:年产10万吨合成氨合成工段的设计院系:化学生物与材料科学学院专业:核化工班级:080581学生姓名:石建忠指导教师:邹立霞 内容摘要氨是重要的基础化工产品之一，在国民经济中占有重要地位。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。本设计是以天然气为原料年产十万吨合成氨合成工序的设计。近年来合成氨工业发展很快，大型化、低能耗、清洁生产均是合成氨设备发展的主流，技术改进主要方向是开发性能更好的催化剂、降低氨合成压力、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方面上。关键字：合成氨；天然气；合成；目录摘要 IAbstract II目录 IV1综述 -1-1.1氨的性质、用途及重要性 -1-1.1.1氨的性质 -1-1.1.2氨的用途及在国民生产中的作用 -1-1.2合成氨生产技术的发展 -2-世界合成氨技术的发展 -2-中国合成氨工业的发展概况 -4-简述产品的几种生产方法及特点 -1-1.3.2主要原料规格1.4.1氨气和液氨1.4.2合成氨废水1.5合成氨合成工序的工艺原理 -6-.1合成氨的典型工艺流程介绍 -6-1.5.2合成氨合成工序的工艺原理 -8-.3合成氨合成工序的工艺原理 -8-设计方案的确定 -9-.1原料的选择 -9-.2工艺流程的选择 -9-.3工艺参数的确定 -10-.4工厂的选址 -11-2设计工艺计算 -13-2.1原始条件 -13-2.2物料衡算 -20-合成塔物料衡算 -20-氨分离器气液平衡计算 -27-冷交换器气液平衡计算 -30-液氨贮槽物料计算 -30-合成系统物料计算 -30-合成塔物料计算 -30-水冷器物料计算 -30-2.3.1氨分离器物料计算 -30-2.3.1冷交换器物料计算 -30-2.3.1氨冷器物料计算 -30-2.3.1冷交换器物料计算 -30-2液氨贮槽物料计算 -30-2.3.1物料衡算结果汇总 -30-.热量衡算 -30-.1冷交换器热量衡算 -30-氨冷器热量计算 -30-.1合成塔热量计算 -30-废热锅炉热量计算 -30-热交换器热量计算 -30-水冷器热量计算 -30-氨分离器热量核算 -30-2.5主要设备选型 -35-.1废热锅炉设备工艺计算 -35-.2主要设备选型汇总表 -35-3环境保护与安全措施 -36-环境保护 -2-.1化学沉淀—A/O工艺处理合成氨废水 -2-合成氨尾气的回收 -2-安全措施 -2-.1防毒 -2-防火 -2-防爆 -2-防烧伤 -6-防触电 -6-防机械伤害 -6- 参考文献 -40-致谢 -41-附录 -42-1综述1.1氨的性质、用途及重要性1.1.1氨的性质氨分子式为NH3，在标准状态下是无色气体，比空气轻，具有特殊的刺激性臭味。人们在大于100cm3/m3氨的环境中，每天接触8小时会引起慢性中毒。氨的主要物理性质有：极易溶于水，溶解时放出大量的热。氨水溶液呈碱性，易挥发。液氨和干燥的氨气对大部分物质没有腐蚀性，但在有水的条件下，对铜、银、锌等金属有腐蚀作用。氨的化学性质有：在常温下相当稳定，在高温、电火花或紫外光的作用下可分解为氮和氢。具有可燃性，自然点为630℃，一般较难点燃。氨与空气或氧的混合物在一定范围内能够发生爆炸。氨的性质比较活泼，能与各种无机酸反应生成盐。1.1.2氨的用途及在国民生产中的作用氨是重要的无机化工产品之一，在国民经济中占有重要地位。合成氨指由氮和氢在高温高压和催化剂存在下直接合成的氨。世界上的氨除少量从焦炉气中回收外，绝大部分是合成的氨。氨主要用于农业，合成氨是我化肥工业的基础，氨本身是最重要的氮素肥料，其他氮素肥料也大都是先合成氨，再加工成尿素或各种铵盐肥料，这部分均占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、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”。氨作为工业原料和氨化饲料，用量约占世界产量的12％。硝酸、各种含氮的无机盐及有机中间体、磺胺药、聚氨酯、聚酰胺纤维和丁腈橡胶等都需直接以氨为原料生产。液氨常用作制冷剂。合成氨是大宗化工产品之一，世界每年合成氨产量已达到1亿吨以上，其中约有80%的氨用来生产化学肥料，20%作为其它化工产品的原料。氨作为最为重要的基础化工产品之一，同时也是能源消耗的大户，世界上大约有10%的能源用于合成氨。随着世界人口的不断增加，用于制造尿素、硝酸铵、磷酸铵、硫酸铵以及其它化工产品的氨用量也在增长。据统计1994年世界氨产量为113.46Mt，其中中国、美国、印度、俄罗斯四个主要产氨国占了一半以上。在化学工业中合成氨工业已经成为重要的支柱产业[1]。1.2合成氨生产技术的发展原料构成的变化为了合成氨，首先必须提供氮和氢。氮来自空气，氢来自水。气和水到处都有，而且取之不尽。传统的制氮方法是在低温下将空气液化、分离，以及水电解制氢。由于电解制氢法，电能消耗大，成本高。传统方法还是采用高温下将各种燃料和水蒸气反应制造氢。因此合成氨生产的初始原料是焦炭、煤、焦炉气、天然气、石脑油、重油等，60多年来世界合成氨原料的构成变化见下表1-1。表1.1世界合成氨原料构成（%）原料192919391953196519711975198019851990焦炭、煤37焦炉气2220天然气-266077石脑油206重油3其它19181516合计100100100100100100100100100由表1-1可知，合成氨的原料构成是从以固体燃料为主转移到以气体燃料和液体原料为主。自从北美大量开发天然气资源成功之后，20世纪50年代开始采用天然气制氨。因为天然气便于管道运输，用作合成氨的原料具有投资省、能耗低等明显优点。到20世纪60年代末，国外主要产氨国都已先后停止用焦炭、煤为原料，而以天然气、重油等为原料，天然气所占比重不断上升。一些没有天然气资源的国家，如日本、英国在解决了石脑油蒸汽转化过程的析碳问题后，1962年开发成功石脑油为原料生产合成氨的方法。石脑油经脱碳、气化后，可采用和天然气为原料的相同生产装置制氨。但石脑油价格比天然气高，而且又是石油化工的重要原料，用于制氨受到一定限制。为了扩大原料范围，又开发了用重油部分氧化法制氢。从此比石脑油价廉、来源广泛的重油和减压渣油开始作为合成氨的另一种原料。表1-2为各种原料的日产1043.3t合成氨厂，相对投资和能量消耗比较。由表可见，虽然各国资源不同，但选用原料的基本方向相同。只要资源条件具备作为合成氨的原料。首先应考虑天然气和油田气，其次采用石脑油。表1.2氨厂采用的各种原料的相对投资和能量消耗原料天然气重油煤相对投资费用能量消耗/(GJ/t)283848特别是以天然气为原料的合成氨工业占了很大的比重，本设计就是以天然气为原料合成氨，主要是转化工段的设计。生产规模大型化20世纪50年代以前，氨合成塔的最大能力为日产200t氨，到60年代初期为400t。随着蒸汽透平驱动的高压离心式压缩机研制成功，美国凯洛格公司运用建设单系列大型炼油厂的经验，首先运用工艺过程的余热副产高压蒸汽作为动力，于1963年和1966年相继建成日产544.31t和907.19t的氨厂，实现了单系列合成氨装置的大型化，这是合成氨工业发展史上第一次突破。大型化的优点是投资费用低，能量利用率高，占地少，劳动生产率高。从20世纪60年代中期开始，新建氨厂大都采用单系列的大型装置。但是，大型的单系列合成氨装置要求能够长周期运行，对机器和设备质量要求很高，而且在超过一定规模以后，优越性并不十分明显了。因此大型氨厂通常是指日产600t级，日产1000t级和日产1500t级的三种。现在世界上规模最大的合成氨装置为日产1800t氨，1991年在比利时的安特卫普建成投产。低能耗新工艺合成氨，除原料为天然气、石油、煤炭等一次能源外。整个生产过程还需消耗较多的电力、蒸汽等二次能源，而用量又很大。现在合成氨能耗占世界能源消费总量的3%，中国合成氨生产能耗约占全国能耗的4%。由于吨氨生产成本中能源费用占70%以上，因此能耗是衡量合成氨技术和经济效益的重要标志。以天然气为原料的日产1000t合成氨装置吨氨能耗目前已从20世纪70年代的40.19GJ下降到39.31GJ左右，而且以天然气为原料的大型氨厂的所需动力约有85%可由余热供给[3]。生产自动化合成氨生产特点之一是工序多、连续性强。20世纪60年代以前的过程控制多采取分散方式，在独立的几个车间控制室中进行。自从出现单系列装置的大型氨厂，除泵类有备用外，其它设备和机器都是一台。因此，某一环节的失调就会影响生产，为了保证长周期的安全生产，对过程控制提出更高的要求，从而发展到把全流程的温度、压力、流量、物位和成分五大参数的模拟仪表、报警、连锁系统全部集中在中央控制室显示和监视控制。自从20世纪70年代计算机技术应用到合成氨生产以后，操作控制上产生了飞跃。1975年美国霍尼威尔公司开发成功TCP-2000总体分散控制系统（TotolDistributedControlSystem），简称集散控制系统（DCS）。DCS是现代计算机技术、控制技术、数据通讯技术和荧光显示技术（CRT）相结合的产物。在CRT操作平台上可以存取、显示多种数据和画面，包括带控制点的流程，全部过程变量、控制过程变量，以及其参数的动态数值和趋势图，从而实现集中监视和集中操作。操作人员对于人一控制点、控制单元、生产设备、车间以及全厂的运作情况进行随机或定势的观察，只要通过键操作调出相应的画面，即可把所需内容显示在CRT上，以便监视、控制和修改某些参数。需要的数据、流程都可随机或定时在打印机上打印和彩色硬拷贝机上拷贝。与此同时，报警、连锁系统，程序控制系统，采用了微机技术的可编程序逻辑控制器（PLC）代替过去的继电器，采用由用户编写的程序，实现自动或手动的“开”或“停”和复杂程序不同的各种逻辑控制，计时、计数、模拟控制等。近年由于机电一体化需要逻辑控制和模拟控制计时、计数、运算等功能相结合，各仪表厂家的产品已从单一的逻辑控制，趋向多种控制功能结合为一体。因此，用“可编程序控制器”（PC）这一名称较为确切。此外，若配置有高一级管理、控制功能的上位机系统，还能进行全厂综合优化控制和管理，这种新颖的过程控制系统不仅可以取代常规模拟仪表，而且还可以完成局部优化控制以及模拟仪表难以实现的复杂自控系统。若能用仿真技术进行操作人员的模拟培训只需在一台高性能的计算机上配合相应的软件以代替实际生产装置的控制、运作设备，这样就可以在较短的时间内学习开停车、正常操作和事故状态操作。这些都表示氨生产技术自动化进入新的阶段，改变了几十年合成氨生产控制的面貌。中国合成氨生产是从20世纪30年代开始的，但当时仅在南京、大连两地建有氨厂，一个是由著名爱国实业家范旭东先生创办的南京永利化学工业公司铔厂——永利宁厂，现南京化学工业公司的前身；另一个是日本占领东北后在大连开办的满洲化学工业株式会社，最高年产量不超过50Kt（1941年）。此外在上海还有一个电解水制氢生产合成氨、硝酸的小型车间。中华人民共和国成立以来，化工部门贯彻为农业服务的方针，把发展化肥生产放在首位。经过50多年的努力，中国已拥有多种原料、不同流程的大、中、小型合成氨厂1000多个，1999年总产量为34.52Mt氨，已跃居世界第1位，已掌握了以焦炭、无烟煤、褐煤、焦炉气、天然气及油田气和液态烃等气固液多种原料生产合成氨的技术，形成中国大陆特有的煤、石油、天然气原料并存和大、中、小生产规模并存的合成氨生产格局。中国合成氨工业的发展经历了以下几个阶段。第一、恢复老厂和新建中型氨厂20世纪50年代初，在恢复和扩建老厂的同时，从原苏联引进以煤为原料、年产50kt的三套合成氨装置，并创建了吉化、兰州、太原三大化工基地，后又自行设计、制造了7.5万吨合成氨系统，以川化的创建为标志。到60年代中期中氮已投产了15家。20世纪60年代随着石油、天然气资源的开采，又从英国引进一套以天然气为原料的加压蒸汽转化法年产100kt合成氨装置(即泸天化)；从意大利引进一套以重油为原料的部分氧化法年产50kt合成氨装置，从而形成了煤油气原料并举的中型氨厂生产系统，迄今为止，已建成50多座中型氨厂。第二、小型氨厂的发展从20世纪60年代开始在全国各地建设了一大批小型氨厂，1979年最多时曾发展到1539座氨厂。第三、大型氨厂的崛起20世纪70年代是世界合成氨工业大发展时期。由于大型合成氨装置的优越性，1972年2月中国作出了成套引进化学肥料技术和设备的决定。1973年开始，首批引进13套年产300kt合成氨的成套装置(其中10套为天然气为原料，建在川化、泸天化、云南、贵州等地)，为了扩大原料范围，1978年又开始第二批引进4套年产300kt合成氨装置。中国是世界上人口最多的农业大国，为了在2000年氮肥产量达到基本自给自足，最近十年先后陆续引进14套具有20世纪90年代先进水平的年产300kt合成氨成套设备，同时从20世纪70年代起，我国开始了大型合成氨成套装置的自行设计、自行制造工作，第一套年产30万吨的合成氨装置于80年在上海建成投产。特别是于90年代初在川化建成投产的年产20万吨合成氨装置达到了当时的国际先进水平。从而掌握了世界上几乎所有先进的工艺和先进技术如低能耗的凯洛格工艺、布朗工艺等，通过对引进技术的消化吸收和改造创新，不但使合成氨的技术水平跟上了世界前进的步伐，而且促进了国内中小型氨厂的技术发展。至今，在32套引进装置中，原料为天然气、油田气的17套，渣油7套，石脑油5套，煤2套和尤里卡沥青1套，加上上海吴泾，成都的两套国产化装置，合成氨总能力为10.22Mt。中国潜在的天然气资源十分丰富，除新勘探的新疆塔里木盆地有大量的天然气可以通过长距离的管线东输外，对海南莺歌海域蕴藏的天然气已决定在新世纪初新建一套引进的年产450kt合成氨装置，这将是中国规模最大的一套合成氨装置[1]。1．3设计产品所需的主要原料规格、来源生产合成氨，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。1.3.2主要原料规格(1)合成塔进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。惰性气体(CH4、Ar)来源于新鲜原料气，它们不参与反应因而在系统中积累。惰性气体的存在，无论从化学平衡还是动力学上考虑均属有弊。但是，维持过低的惰气含量又需大量排放循环气导致原料气消耗量增加。如果循环气中惰性气体含量一定，新鲜气中惰性气体含量增加，根据物料平衡关系，新鲜气消耗随之增大。因此，循环气中惰性气体含量应根据新鲜气惰性气体含量、操作压力、催化剂活性等条件而定。由于原料气制备与净化方法不同，新鲜气中惰性气体含量也各个相同，循环气中所控制的惰性气体含量也有差异。当其它条件一定时，进塔气体中氨含量越高，氨净值越小，生产能力越低。初始氨含量的高低取决于氨分离的方法。对于冷冻法分离氨，初始氨含量与冷凝温度和系统压力有关。为过分降低冷凝温度而过多地增加氨冷负荷在经济上也并不可取。操作压力300atm时，一般进塔氨含量控制在～％；150atm时，为～％。(2)硫化物和碳氧化物含量无论那一种原料所得原料气，都含有一定数量的硫化物。虽然原料气中硫化物含量不高，但对合成氨生产危害却很大。硫化物是各种催化剂的毒物，硫化氢能腐蚀设备管道。以烃类为原料的蒸汽转化法制取原料气，镍催化剂对硫含量限制十分严格，要求烃原料中总硫含量为0.5PPm(重量)以下。为防止CO和CO2对催化剂的毒害，规定CO和CO2总含量不得多余20ppm[5]。中小型合成氨厂在生产过程中，常见的有毒有害物质种类很多，多以气体、蒸气、雾、粉尘等状态存在，其中有毒有害气体是合成氨生产中最常见的。1.4.1氨气和液氨氨气是一种具有强烈刺激臭味的无色气体,易被液化成蓝色液体。车间空气中氨的最高容许浓度为30毫克／米3。它对人的眼睛和呼吸器官有较大的伤害作用。氨中毒的症状首先是服粘膜和呼吸道粘膜受到刺激、胸感抑郁、胃痛、打喷嚏、流口水、周身有不舒服感。如在氨气浓度不大的环境中，停留时间不长，而且能及时离开环境，到空气新鲜的地方去，上述的症状可渐渐消失。中毒严重时，会引起肺部肿胀导致死亡。氨气刺激眼睛能引起角膜炎。因氨有气味，故较好预防。合成氨生产中合成工段经常接触的液体毒物有液氨、氨水等。液氨或氨水溅入眼内，可造成眼睛严重损伤，出现眼睑水肿，眼结膜迅速充血水肿，眼剧痛，角膜混浊，甚至因角膜溃疡、穿孔而失明。接触液氨和高浓度气氨，可使皮肤引起类似强碱的严重灼伤，出现红斑、水泡，甚至因吸收水分，使皮肤脂肪皂化而坏死。在正常生产过程中，有很少一部份气态NH3无法回收，通过放空火炬燃烧掉就不会对环境造成影响。对于成品氨罐放空的气态NH3可引入冰机中进行加压冷凝，不仅回收了NH3，同时也不会造成环境的污染[3]。1.4.2合成氨废水合成氨生产过程中产生的废水是COD的主要来源。比如，隔油池中废水就含有COD。如果含有COD的废水排放出去就会繁衍菌类、藻类，污染水源和土壤，更严重的是会造成污染滋生源，对环境造成更大的破坏。要减少废水和工艺冷凝液中的COD的排放，可改进生产工艺，使废水排放减少，建设特生化处理装置，进行废水处理，使废水中的COD含量达到国家控制标准[6]。1.5生产流程及生产方法的确定氨的合成工段，其主要任务是在适宜的温度、压力和有触媒催化的条件下，将经过精制的氢氮混合气体，在合成塔内直接合成为氨。然后将所得的气氨，从氢氮混合气中经冷却冷凝成为液态氨分离出来。液氨由氨罐进入氨冷器蒸发为气氨，送碳化岗位制取碳酸氢铵；或送硝酸车间制取硝酸和硝铵；或送硫铵车间制取硫酸铵；或将液氨送尿素车间制取尿素等。未合成为氨的氢氮混合气体继续在合成系统内循环使用。合成氨生产的特点，概括起来有如下几方面[7]：(1)工艺流程长、设备管道多；(2)生产过程有高度的连续性；(3)各工序生产操作相互影响；(4)生产是在高温、高压、易燃、易爆、易中毒、易灼伤的情况下进行的。在整个合成氨生产过程中，合成氨生产比较复杂，始终存在着高温、高压、易燃、易爆、易中毒等危险因素，各种控制条件比较严格，稍有疏忽就可能发生事故。同时，因生产工艺流程长、连续性强，设备长期承受高温和高压，还有内部介质的冲刷、渗透和外部环境的腐蚀等，各类事故发生率比较高，尤其是火灾、爆炸和重大设备事故经常发生。但是，只要我们能充分认识这一客观规律并掌握这一客观规律就能做到安全生产，实现稳产、高产。因此，合成氨生产必须满足高温、高压、高纯度要求。在生产过程中有一系列化学反应、传热、燃烧、分离等过程,温度、压力、浓度等因素都影响反应的进行,这些因素又受到设备质量、水质、煤质、季节、气候、操作水平、调度与管理的影响,这样就形成了合成氨生产工艺过程、设备结构、操作管理与生产技术的复杂性。1.5.2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[4]：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。(1)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。(2)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10～20％，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“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20～30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。(6)反应热的回收利用氨的合成反应是放热反应，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：(1)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。(2)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。(3)预热反应前的氢氮混合气和预热高压锅炉给水。反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～吨蒸汽。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。中压法技术比较成熟，经济性比较好，在15～30Pa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10～20MPa。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。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，换热后与气气换热器出口气体会合，一起进入水冷器。在水冷器内管被管外的循环水冷却后出水冷器，进入氨分离器，部分液氨被分离出来，气体出氨分离器，进入透平循环机入口，经加压后进入循环气滤油器出来后进入冷交换器热气进口。在冷交换器管内被管间的冷气体换热，冷却后出冷交换器与压缩送来经过新鲜气滤油器的新鲜气氢气、氮气会合进入氨冷器，被液氨蒸发冷凝到-5～-10℃，被冷凝的气体再次进入冷交，在冷交下部气液分离，液氨送往氨库气体与热气体换热后再次出塔，进入合成塔再次循环。氨冷器氨冷器氨冷器氨冷器合成塔水冷器热交换器废热锅炉合成塔水冷器热交换器废热锅炉放空放空油分离器循环机冷交换器氨分离器油分离器循环机冷交换器氨分离器新鲜气弛新鲜气弛放液氨储槽氨冷器液氨储槽氨冷器图1-6工艺流程图2工艺计算2.1原始条件（1）年产量100kt，年生产时间扣除检修时间后按310天计，则产量为：t/h（2）新鲜补充气组成表4-1新鲜补充气组成组分H2N2CH4Ar总计含量（%）74.521.60.4100（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=13.6%（5）合成塔入口惰性气体含量：CH4+Ar=16%（6）合成塔操作压力：32Mpa（7）精练气温度：36℃.4.5.——精炼气.9.10.11.12.14.17.18.——合成气；13——放空气20——弛放气.21——液氨图2-1计算物料点流程、物料衡算2.2.1合成塔物料衡算（1）合成塔入口气组分：入塔氨含量:y5NH3=2.5％;入塔甲烷含量：y5CH4=16.00％×/（）×100％％，；入塔氢含量：y5H2=［100-（2.5+16）］×3/4×100％=％；入塔氩含量：y5Ar=16％％=3.2％；入塔氮含量：y5N2=［100-（2.5+16）］×1/4×100％=％表4-2入塔气组分含量（％）NH3CH4ArH2N2小计3.2100（2）合成塔出口气组分：以1000kmol入塔气作为基准求出塔气组分，由下式计算塔内生成氨含量：MNH3=M5(y8NH3-y5NH3)/(1+y8NH366)=9kmol出塔气量:M8=入塔气量—生成氨含量=1000-9kmol出塔氨含量：y8NH3=13.6％出塔甲烷含量：y8CH4=(M5/M8)×y5CH4=(1000/90)×1％=％出塔氨含量：y8Ar=(M5/M8)×y5Ar=1000/90×3.2％=％出塔氢含量：y8H2=3/4(1-y8NH3-y8CH4-y8Ar)×100％418635465)×100％=％出塔氮含量：y8N26-0.141865465)×100％=1％表4-3出塔气体组分含量（％）NH3CH4ArH2N2小计13.6100（3）合成率：合成率=2MNH3/［M5(1-y5NH3-y5CH4-y5Ar)］×100％=2×6)］×100％=23.978％2表2-2-2-1已知氨分离器入口混合物组分m(i)NH3CH4ArH2N2小计54655006250.17166875查t=35℃，P=29.1MPa时各组分平衡常数：表2-2-2-2各组分平衡常数KNH3KCH4KArKH2KN2设（V/L）=11.1时，带入L×(i)=m(i)/［1+(V/L)×K(i)］=L(i):LNH3=mNH3/［1+(V/L)×KNH36514KmolLCH4=mCH4/［1+(V/L)×KCH41542KmolLAr=mAr/［1+(V/L)×KAr13KmolLH2=mH2/［1+(V/L)×KH20168KmolLH2=mN2/［1+(V/L)×KN2447KmolL总=L(NH3)+L(CH4)+L(Ar)+L(Ar)+L(H2)+L8Kmol分离气体量：V=1-L82Kmol计算气液比：（V/L）＇=11.077误差［（V/L）-（V/L）＇］/（V/L）=（11.10-11.077207％，结果合理。从而可计算出液体中各组分含量：液体中氨含量：xNH3=LNH3/L8×100％=％液体中氩含量：xAr=LAr/L0113836％液体中甲烷含量：xCH4=LCH4/L15428×100％％液体中氢含量:xH2=LH2/L88×100％=％液体中氮含量：xN2=LH2/L47840％

表2-2-2-3氨分离器出口液体含量NH3CH4ArH2N2小计3640分离气体组分含量：气体氨含量：yNH3=［mNH3-LNH3］/V=6514]/2=％气体甲烷含量：yCH4=［mCH4-LCH4］/V=1542]/2=％气体氩含量：yAr=［mAr-LAr］/V13]/2=％气体氢含量：yH2=［mH2-LH2］/V0168]/2=％气体氮含量：yN2=［mN2-LN2］/V447]/2=％表2-2-2-4氨分离器出口气体含量（％）NH3CH4ArH2N2小计2查t=-10℃,p=28.3MPa的平衡常数：表2-2-3-1各组分的平衡常数KNH3KCH4KArKH2KN227517580冷交换器出口液体组分含量：出口液体甲烷含量：xCH4=yCH4/KCH45％出口液体氨含量：xNH3=yNH3/KNH34％ 出口液体氩含量:xAr=yAr/KAr％出口液体氢含量:xH2=yH2/KH2％出口液体氮含量:xN2=yN2/KN261％表2-2-3-2冷交换器出口液体组分含量（％）NH3CH4ArH2N2小计45361液氨贮槽气液平衡计算由于氨分离器液体和冷交换器出口分离液体汇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，即水冷后分离液氨占总量的白分数。G％=（1+y5NH3）×(y8NH3-yNH3)/((y8NH3-y5NH3)×(1-yNH3))6773）]/[（0.132-0.025）×（1-0.0773）]=5％水冷后分离液氨占总量的5％冷交，氨冷后分离液氨占总量的％。液氨贮槽入口1Kmol液体计算为准，即L0=1Kmol，入口液体混合后组分含量：m(0i)=L(15)X15i+L16X16i=G％L0X15i+(1-G％)X16iX15i1254X16i混合后入口氨含量：m0NH3=×+12544=0.8682混合后入口甲烷含量:m0CH4×0.18623+12545=0.1112混合后入口氩含量:m0Ar=0136+1254×008混合后入口氢含量：m0H2=209+12543=0.01567混合后入口氮含量：m0N2=40+12546125表4-11液氨贮槽入口液体含量m0NH3m0CH4m0Arm0H2m0N2小计当t=17℃，P=1.568MPa时，计算得热平衡常数：表4-12各组分的平衡常数KNH3KCH4KArKH2KN2170540575620根据气液平衡L(i)=m(0i)/[1+(V/L)k(i)],设(V/L)=0.05,代入上式得:出口液体氨含量：LNH3=m0NH3/[(1+(V/L)×kNH3]=0.8682/(1+0.05×0.598)=0.8045Kmol出口液体甲烷含量：LCH4=m0CH4/[1+(V/L)×kCH4]=0.1112/(1+0.005×170)=0.00124Kmol出口液体氩含量：LAr=m0Ar/[1+(V/L)×kAr]08/(1+0.05×540)=0.00004Kmol出口液体氢气含量：LH2=m0H2/[1+(V/L)×kH2]567/(1+0.05×575)=0.0005Kmol出口液体氮气含量：LN2=m0N2/[1+(V/L)×kN2]25/(1+0.05×620)=0.00013KmolL(总)=0.94196,Vmol,(V/L)＇=V/L=0.062,误差=(0.062-0.05)/0.05=-0.232％，假定正确。出口液体组分含量：出口液体氨含量：xNH3=LNH3/L=0.94/0.942×100％=99.798％出口液体甲烷含量：xCH4=LCH4/L=0.00124/0.942×100％=0.131％出口液体氩含量：xAr=LAr/L=0.00004/0.942×100％=0.004％出口液体氢气含量：xH2=LH2/L=0.0005/0.942×100％=0.053％出口液体氮气含量：xN2=LN2/L=0.00013/0.942×100％=0.014％表4-13液氨贮槽出口液氨组分（％）NH3CH4ArH2N2小计出口弛放气组分含量：弛放气氨含量：yNH3=(M0NH3-LNH3)/V=(0.96816-0.94)/0.058×100％=48.427％弛放气甲烷含量：yCH4=(M0CH4-LCH4)/V=(0.01174-0.00124)/0.058×100％=18.104％弛放气氩含量：yAr=(M0Ar-LAr)/V=(0.00116-0.00004)/0.058×100％=1.929％弛放气氢气含量：yH2=(M0H2-LH2)/V=(0.01484-0.0005)/0.058×100％=24.707％弛放气氮气含量：yN2=(M0N2-LN2)/V=(0.00411-0.00013)/0.058×100％=6.857％表4-14出口弛放气组分含量（％）NH3CH4ArH2N2小计1003环境保护与安全措施3.1环境保护合成氨合成工段生产中的废气主要有：合成放空气、弛放气、压缩放空气、锅炉烟气等；废水分为合成冷却废水及锅炉排出污水两大部分，主要污染物是氨氮。氨厂环境保护的重要内容是做好三废治理，即对生产过程中的废气、废液、废渣进行物化处理，使之达到国家有关法规规定的排放标准，消除对环境的污染或把这种污染降到最低限度；且不向厂外转移污染。3.1.1化学沉淀—A/O工艺处理合成氨废水①预处理阶段采用化学沉淀法,即在废水中加入硫酸亚铁,将氰化物转化为无毒的铁氰络合物(pH=7.5～10.5)。监测进水pH值为8.26(在7.5～10.5之间),符合要求。②生化处理阶段采用了传统的生物脱氮方法,常用的有后置生物脱氮法和前置生物脱氮法(A/O工艺)。后置生物脱氮法占地面积比前置生物脱氮法的大,因而增加了工程的基建投资,并且需要外加碳源,这样不但增加了废水的处理成本而且不易控制外加碳源的量,易造成出水COD值升高。而前置生物脱氮法则具有占地少、不需外加碳源等优点,因此该项目的主体工艺采用了前置反硝化的生物脱氮法[12]。3.1.2合成氨尾气的回收合成氨工业在氨合成的同时,以甲烷气体为主的未反应气体不断增加,为保证合成反应的顺利进行,必须控制不反应气体的浓度,当积累到一定程度时,就需要在氨分离器出口放出一部分气体,这就是弛放气。同时,少量循环气中H2、N2、Ar、CH4等气体溶解于液氨中,从氨分中排放到液氨贮罐中后,经减压闪蒸出来,这部分气体称贮罐气。弛放气、贮罐气统称为尾气。合成氨尾气中含有大量的H2、NH3等有用成分