年產(chǎn)10萬噸合成氨工程項(xiàng)目工藝設(shè)計(jì)— （設(shè)計(jì)

1、本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）論文（設(shè)計(jì)）題目：年產(chǎn)10萬噸合成氨工程項(xiàng)目工藝設(shè)計(jì)（重點(diǎn)設(shè)計(jì)工序:合成工段） 學(xué) 院：六盤水能源礦業(yè)學(xué)院專 業(yè)：化學(xué)工程與工藝 班 級(jí)：化工072 目 錄第一章 總論部分11.1設(shè)計(jì)對(duì)象11.1.1產(chǎn)品在國民經(jīng)濟(jì)中的重要性及國內(nèi)外的發(fā)展趨勢(shì)11.1.2設(shè)計(jì)對(duì)象規(guī)格11.1.3原料的來源和規(guī)格21.2廠址的選擇21.3全廠工藝路線的選擇論證41.3.1全廠工藝流程如圖1.3.141.3.2造氣工段41.3.3變換工段51.3.4脫硫工段51.3.5脫碳工段61.3.6精制工段71.3.7合成工段81.3.8能量的綜合利用81.4年工作日和工作制度81.4.1年工作日8第二章

2、 工藝部分92.1 車間或工序的生產(chǎn)基本原理92.1.1 熱力學(xué)92.1.2 催化劑的選擇102.1.3 動(dòng)力學(xué)112.2 生產(chǎn)方法的選擇論證122.2.1 合成壓力的選擇論證122.2.2 新鮮氣的補(bǔ)入位置122.2.3 放空氣的排放位置132.2.4 循環(huán)壓縮機(jī)的形式和位置132.2.5 氨分離的型式和級(jí)數(shù)132.2.6 氨合成反應(yīng)熱的利用142.2.7 氨合成工序方塊流程圖142.3 設(shè)備選擇論證152.3.1 氨合成塔的選擇論證152.3.2 氨合成工序其他設(shè)備的選型152.4 工藝操作條件的確定162.4.1氨合成壓力162.4.2氨合成溫度162.4.3 氫氮比172.4.4 進(jìn)塔

3、氨含量和氨分離溫度172.4.5 惰性氣體含量182.4.6 廢熱回收參數(shù)18第三章 合成氨工序物料衡算193.1 氨合成方塊工藝流程圖193.2 計(jì)算基準(zhǔn)193.3 已知條件203.4 合成回路壓力分布203.5 氨合成塔出口氨含量估計(jì)203.6 氨合成塔213.7 水冷器223.8 冷凝塔253.9 氨合成工序物料衡算26第四章 氨合成熱量衡算344.1 氨合成反應(yīng)熱344.1.1 合成塔一進(jìn)帶入熱量344.1.2 合成塔一出帶走熱量354.1.3 合成塔二進(jìn)帶入熱量364.1.4 合成塔二出帶走熱量374.1.5合成塔反應(yīng)熱384.2 廢熱鍋爐熱量計(jì)算394.2.1 入口氣帶入熱量394

4、.2.2 出口氣帶走熱量404.2.3 廢熱鍋爐熱負(fù)荷404.2.4 可副產(chǎn)蒸汽量414.3 軟水加熱器熱量計(jì)算414.3.1 熱氣體（從廢熱鍋爐來氣）帶入熱量424.3.2 熱氣體（去熱交換器）帶出熱量424.3.3 熱負(fù)荷（可回收的熱量，忽略熱損失）434.3.4 軟水量434.4 熱交換器能量衡算：434.4.1 冷氣體（即合成一次出口塔氣）帶入熱量444.4.2 冷氣體（即合成二次入塔氣）帶出熱量444.4.3 熱氣體（即軟水加熱器來氣）帶入熱量444.4.4 熱氣體出口帶出熱量444.5 水冷器和氨分離器熱量衡算454.5.1 氣體帶入熱量454.5.2 氣體帶出熱量454.5.3

5、液氨帶出熱464.5.4 液氨冷凝放出熱474.5.6 需要冷卻水量W474.6 冷交換器與氨冷器能量衡算484.6.1 熱氣體（氨分離器來）帶入熱484.6.2 氣體（去合成塔）帶出熱484.6.3 氨的冷凝熱494.6.4液氨帶出熱494.6.5 由液氨蒸發(fā)移出的熱量494.6.6 新鮮氣帶入熱494.6.7 冷凍液氨含量G504.7 循環(huán)壓縮機(jī)能量衡算：504.7.1循環(huán)壓縮機(jī)出口溫度計(jì)算504.7.2 進(jìn)口氣體帶入熱514.7.3 出口氣帶出熱514.7.4 絕熱壓縮提供能524.7.5 壓縮功校核：524.8合成全系統(tǒng)能量平衡總匯534.8.1 氨冷凝熱QY包括水冷器中和氨冷卻器中的

6、氨冷凝熱。544.8.2 放空氣帶出熱 ,由分氨后與入冷凝塔的氣體的熱量之差確定。544.8.3 由氨分離器和冷交換器排出液氨量Q7和Q15作為支出項(xiàng)。包括了馳放氣和產(chǎn)品氨的熱量。544.8.4 其他各項(xiàng)均為各單元設(shè)備計(jì)算結(jié)果54第五章 主要設(shè)備計(jì)算555.1 合成塔設(shè)備工藝計(jì)算555.1.1 平衡溫度曲線555.1.2 作最佳溫度曲線575.1.3 確定觸媒框的形式與尺寸585.1.4 工藝設(shè)計(jì)參數(shù)595.1.5 物性數(shù)據(jù)的計(jì)算60第六章 非工藝部分796.1 環(huán)境保護(hù)796.2 工業(yè)“三廢”排放試行標(biāo)準(zhǔn)796.2.1 廢氣的處理806.2.2 廢液的處理816.2.3 廢料銷毀816.3

7、工程概算826.3.1 固定資金82年產(chǎn)10萬噸合成氨工程項(xiàng)目工藝設(shè)計(jì)重點(diǎn)設(shè)計(jì)工序合成工段摘 要本設(shè)計(jì)是根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求，對(duì)年產(chǎn)10萬噸合成氨工程項(xiàng)目的工藝設(shè)計(jì)（重點(diǎn)設(shè)計(jì)工序：合成工段），因在合成氨過程中伴隨有毒、高溫、高壓、易燃易爆等危險(xiǎn)因素，故本設(shè)計(jì)采用PDS法脫硫，NHD法脫碳，該工藝綜合了以往工藝的優(yōu)點(diǎn)，而且該系統(tǒng)同時(shí)具備物理吸收和化學(xué)吸收的功能。該系統(tǒng)具有高效，節(jié)能的特點(diǎn)，且耐沖擊負(fù)荷高，產(chǎn)品氨質(zhì)量好。因此具有廣泛的適應(yīng)性。完全適合本設(shè)計(jì)的實(shí)際要求。本工藝主要由五個(gè)工段組成，即煤氣化過程（造氣工段）、變換工段（包括脫硫）、脫碳工段（脫除CO）、氣體精制工段、合成工段。本設(shè)計(jì)采用了

8、銅氨液吸收法對(duì)原料氣作最終凈化，工藝流程簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)單、維修方便，很多合成氨廠都采用該法，節(jié)省了基建投資和運(yùn)行費(fèi)用，同時(shí)其構(gòu)造形式多樣，運(yùn)行靈活，管理方便，保證出氣達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。本設(shè)計(jì)共有兩張圖紙：、帶控制點(diǎn)的生產(chǎn)工藝流程圖(采用AutoCAD繪制)；、主要設(shè)備裝配圖（采用人工繪制）。關(guān)鍵詞：合成氨、工藝設(shè)計(jì)、工段組成、圖紙Annual output of 10 tons of synthetic ammonia process design projects Focus on the design process - Synthesis SectionAbstractThe design i

9、s based on the design requirements of the mission statement, annual output of 100,000 tons of synthetic ammonia process design projects (focus the design process: Synthesis Section), with due process in the toxic ammonia, high temperature, high pressure, flammable and other risk factorsTherefore, th

10、is design uses a PDS desulfurization, NHD method decarburization, the process combines the advantages of the previous process, and the system also have the physical absorption and chemical absorption features.The system has high efficiency, energy-saving features, and high resistance to shock loadin

11、g, ammonia and good quality products.Thus a wide range of adaptability.Entirely suitable for the design of the actual requirements.Section of this process mainly consists of five components, namely, coal gasification process (making the section of gas), shift conversion section (including desulfuriz

12、ation), decarburization Section (removal of CO), gas purification steps, the synthesis of Section.This design uses a copper ammonia gas liquid absorption method for final purification of raw materials, process is simple, simple operation, easy maintenance, many ammonia plants have adopted the Act, s

13、ave construction investment and operation costs, while its structural forms, flexible operation, easy management, to ensure that outlet to meet emission standards.There are two drawings of the design: , with a control point of production flow chart (using AutoCAD drawing); , major equipment assembly

14、 drawings (artificial drawn.)Key words: ammonia, process design, Section of composition, drawing引言畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)于我們化學(xué)工程與工藝專業(yè)的學(xué)生而言是一個(gè)十分重要的學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)。通過畢業(yè)設(shè)計(jì)，我們可以將以往所學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)、專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)、和專業(yè)知識(shí)進(jìn)行綜合性應(yīng)用，同時(shí)也是我們畢業(yè)走向工作崗位的一次演練。本設(shè)計(jì)為年產(chǎn)10萬噸合成氨工程項(xiàng)目工藝設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求是進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)主要分為三大部分：第一部分為總論，主要包括設(shè)計(jì)對(duì)象及全廠生產(chǎn)路線的選擇論證，第二部分為計(jì)算部分，包括物料衡算和熱量衡算，第三部分為非工

15、藝部分，包括環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。設(shè)計(jì)本著安全、經(jīng)濟(jì)、適用、美觀的原則按照新規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，并參考了大量的相關(guān)書籍。設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)力求準(zhǔn)確無誤，滿足使用要求。由于時(shí)間、能力和知識(shí)有限，設(shè)計(jì)難免有疏漏之處，敬請(qǐng)指正。第一章 總論部分1.1設(shè)計(jì)對(duì)象1.1.1產(chǎn)品在國民經(jīng)濟(jì)中的重要性及國內(nèi)外的發(fā)展趨勢(shì)氨在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位?，F(xiàn)在約有80%的氨用來制造化學(xué)肥料，其余作為生產(chǎn)其他化工產(chǎn)品的原料。農(nóng)業(yè)對(duì)化肥的需求是合成氨工業(yè)發(fā)展的持久推動(dòng)力：世界人口不斷增長給糧食供應(yīng)帶來壓力，而施用化學(xué)肥料是農(nóng)業(yè)增產(chǎn)的有效途徑。氨水（即氨的水溶液）和液氨體本身就是一種氮肥；農(nóng)業(yè)上廣泛采用的尿素、硝酸銨、硫酸銨等固體氮肥，和

16、磷酸銨、硝酸磷肥等復(fù)合肥料，都是以合成氨加工生產(chǎn)為主。與能源工業(yè)關(guān)系密切：合成氨生產(chǎn)通常以各種燃料為原料，同時(shí)生產(chǎn)過程還需燃料供給能量,因此,合成氨是一種消耗大量能源的化工產(chǎn)品。1.1.2設(shè)計(jì)對(duì)象規(guī)格年產(chǎn)10萬噸合成氨工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)工藝，重點(diǎn)設(shè)計(jì)：合成工序，進(jìn)氨合成塔氫氮比為2.66.產(chǎn)品：合成氨 國家標(biāo)準(zhǔn)：GB3100-3102- 93 質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)：優(yōu)等品氨含量% 99.9 優(yōu)等品殘留物含量% 0.1(重量法) 優(yōu)等品水份% 0.1 優(yōu)等品油含量，mg/kg 5（重量法） 優(yōu)等品鐵含量，mg/kg 11.1.3原料的來源和規(guī)格煤源地與廠址的距離圖1煤的基本指標(biāo)煤種 粒度 產(chǎn)地 硫份 水份 發(fā)熱量

17、 揮發(fā)份 灰份無煙煤 050毫米混煤 遵義 1% 10% 5800大卡 8% 8%綜上，本設(shè)計(jì)用煤以金沙無煙煤為主，遵義周邊的無煙煤為輔。1.2廠址的選擇遵義市主要國道及水源圖距廠址的距離圖圖2遵義市電廠距廠址的距離圖圖3遵義市年平均氣溫14.7，比昆明市高0.6。因此遵義市冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑，雨量豐沛，氣候宜人。7月平均氣溫24左右，總降水量400500mm。1月平均溫度5.5左右，總降水量6070mm。遵義屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，終年溫涼濕潤，冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑，氣候宜人，年均降水量1200毫米，年均日照1146.9小時(shí)，無霜期270天。境內(nèi)冬季、秋末、春初，受西伯利亞南下冷空氣影響，風(fēng)向多為

18、偏北風(fēng)，因地貌復(fù)雜多變，地面風(fēng)主要是東北風(fēng)。年平均相對(duì)濕度在82左右，年平均蒸發(fā)量1150毫米。綜上，本設(shè)計(jì)建廠位置在遵義市新浦鎮(zhèn)吳家?guī)X，據(jù)城郊5公里。1.3全廠工藝路線的選擇論證1.3.1全廠工藝流程如圖4造氣階段變換階段脫硫階段氨合成階段脫碳階段精制階段 圖4 全廠工藝流程1.3.2造氣工段造氣工段是整個(gè)合成氨工藝的前提，目前國內(nèi)的造氣方法有外熱法、富氧空氣氣化法、蓄熱法。蓄熱法：此法也稱間歇式制氣法，是先將空氣送入爐燃燒煤，提高煤層溫度，生成的吹風(fēng)氣經(jīng)回收熱量后大量放空。而后通入蒸汽進(jìn)行煤氣化反應(yīng)，所得水煤氣配入部分吹風(fēng)氣即成半水煤氣。由于水蒸氣氣化煤是吸熱反應(yīng)，因而使煤層溫度下降，故需

19、重新通入空氣一提高爐溫，再通過水蒸氣進(jìn)行氣化反應(yīng)。整個(gè)制氣過程反復(fù)交替進(jìn)行。此法是目前我國中、小型合成氨廠廣泛采用的氣化方法。富氧空氣氣化法：用富氧空氣或純氧代替空氣進(jìn)行煤氣化，藉以調(diào)整煤氣中的氮含量，且因爐溫高可實(shí)現(xiàn)連續(xù)化制氣是其一大優(yōu)點(diǎn)。若用純氧氣化來作為合成氨原料氣時(shí)，尚需在后繼工序中補(bǔ)充純氮，此法成本較高。外熱法：利用其他的廉價(jià)高溫?zé)嵩磥頌槊簹饣峁崮?。這種方法雖然在工藝上是可行的，但是目前尚未達(dá)到工業(yè)化階段。 綜上所述，本設(shè)計(jì)采用蓄熱法間歇?dú)饣?.3.3變換工段各種方法制取的原料氣都含有CO，其體積分?jǐn)?shù)一般為12%40%，現(xiàn)在利用CO變換反應(yīng)式（CO+H2O=CO2+H2）在不同

20、溫度下分兩步進(jìn)行，第一步是高溫變換（簡(jiǎn)稱高變。國內(nèi)稱中溫變換，簡(jiǎn)稱中變）使大部分CO轉(zhuǎn)化為CO2和H2，第二步是低溫變換簡(jiǎn)稱低變，將CO含量降到0.3%左右。因此，CO變換既是原料氣制造的繼續(xù)，又是凈化的過程：CO+H2O=CO2+H2變換的方式：中變低變串聯(lián)：一般CO的含量較低，一般在13%15%左右；多段變換：CO含量較高，一般在30%左右；全低變：指全部使用寬溫區(qū)的鈷鉬系耐硫變換催化劑，不再用高（中）變催化劑。綜上所述，本設(shè)計(jì)采用中全低變。1.3.4脫硫工段為了防止合成氨生產(chǎn)過程催化劑中毒，必須在合成氨工序前加以脫除。硫化物多種多樣，按其分子結(jié)構(gòu)分為無機(jī)硫和有機(jī)硫。脫硫的方法主要有干法脫

21、硫和濕法脫硫兩種,干法脫硫主要是用于天然氣的脫硫，本設(shè)計(jì)這里采用濕法脫硫。濕法脫硫即是通過化學(xué)反應(yīng)將混合氣中的硫吸收，用脫硫劑氧化再生，脫出的硫變成硫磺，用泡沫把浮出逸流分離。讓堿或氨再生還原，返回脫硫塔再去吸收H2S。往返循環(huán)不止。其特點(diǎn)為：吸收速度或化學(xué)反應(yīng)速度快，硫容大，適合脫除氣體中高硫；脫硫液再生簡(jiǎn)便，且可循環(huán)使用還可回收硫磺。隨著化肥工業(yè)發(fā)展的需要，成功開發(fā)出一些新的脫硫劑。由脫硫劑的不同，目前主要應(yīng)用于合成氨工業(yè)的濕法脫硫主要是兩種方法：栲膠法和PDS法。栲膠法：能脫除硫化氫，產(chǎn)物硫磺；優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)用廣泛，既能脫低硫，也能脫高硫，脫硫率高，脫硫率達(dá)98.5%以上，脫硫塔無堵硫問題、無

22、毒性、成本低，消耗與ADA想比，原料消耗費(fèi)用比其他方法低20%左右；硫容大，操作簡(jiǎn)便，腐蝕輕，硫回收率高（8085%，硫磺增產(chǎn)1535%），綜合效益好，較適用于大中型合成氨廠；但對(duì)環(huán)境污染較大。PDS法：PDS脫硫的互換性好，脫硫的凈化度和凈化值與栲膠法相仿。用此法還可以脫出部分有機(jī)硫，雖然對(duì)氰化物敏感，但是適應(yīng)性改良后較好，一般通過自身的排毒作用，其脫硫活性可以逐漸恢復(fù)。PDS對(duì)人體無害，不會(huì)發(fā)生設(shè)備堵塞，無腐蝕性，對(duì)環(huán)境污染較小。由于本設(shè)計(jì)的廠址離遵義城郊5公里，所以本設(shè)計(jì)選用PDS脫硫。1.3.5脫碳工段粗原料氣經(jīng)一氧化碳變換后，變換氣中除氫、氮外，還有二氧化碳、一氧化碳和甲烷等組分，其

23、中以二氧化碳含量最多。二氧化碳是氨合成催化劑的毒物，所以，必須脫出。目前二氧化碳脫出的方法很多，一般采用溶液吸收法。根據(jù)催化劑吸附劑的性能不同，主要分為兩大類。一類是化學(xué)吸收法，利用二氧化碳具有酸性特性可與堿性化合物進(jìn)行反應(yīng)而實(shí)現(xiàn)?；瘜W(xué)吸收法中，靠減壓閃蒸解吸的二氧化碳很有限，通常需要熱法再生。另一類是物理吸收法，利用二氧化碳能溶于水或有機(jī)溶劑這一性質(zhì)完成的。吸收后的溶液可以有效地用減壓閃蒸使大部分二氧化碳解吸。而化學(xué)吸收法分為熱碳酸鉀法和活化MDEA法。熱碳酸鉀法是在1051380C下進(jìn)行。但此法對(duì)設(shè)備的腐蝕嚴(yán)重，而且吸收的反應(yīng)速率仍不能滿足生產(chǎn)上的要求，凈化度較低?；罨疢DEA法具有化學(xué)吸

24、收與物理吸收的優(yōu)點(diǎn)，但再生能耗大。物理吸收法分為低溫甲醇洗滌法和聚乙二醇二甲醚法。低溫甲醇洗滌法可以脫除氣體中的多種組分、凈化度很高、選擇性脫除并加以回收、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性好且節(jié)省投資和動(dòng)力消耗；但低溫甲醇洗滌法的工藝流程長，再生過程比較復(fù)雜，甲醇的毒性大，因此，要求對(duì)設(shè)備制造和管道安裝高，操作謹(jǐn)慎，嚴(yán)防泄露。聚乙二醇二甲醚法既Selxol或NHD法，它對(duì)H2S和CO2的選擇性較好，凈化度可達(dá)10-6級(jí)、能耗低、無腐蝕性、溶劑不起泡、不降解、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好、閃蒸壓低、溶劑損失少、溶劑無毒、生產(chǎn)上可以將CO2、H2S等酸性氣體脫除干凈，而有用氣體損失很少。綜上所述，本設(shè)計(jì)考慮原料氣壓

25、力、流量，待脫除的酸性組分種類及其含量；所要求的凈化度或酸性組分的殘余含量；腐蝕性、毒性、能耗、操作性、經(jīng)濟(jì)性等要求，選擇NHD法。1.3.6精制工段經(jīng)CO變換和CO2脫除后的原料氣中尚有含有少量殘余的CO和CO2，為了防止它們對(duì)氨合成催化劑的毒害，合成氨生產(chǎn)中氨合成所需的合格氣體必須保證CO和CO2總含量10cm3/m3，因此，氣體在送往合成工段前，必須將CO、CO2等雜質(zhì)進(jìn)行最后的凈化。由于CO既不是酸性也不是堿性的氣體，在各種有機(jī)和無機(jī)溶液中的溶解度又很小，所以CO的脫出很不容易。目前的脫出方法又三種：銅氨液吸收法、深冷分離法和甲烷化法。銅氨液吸收法：在高壓和低溫下用銅鹽的氨溶液吸收CO

26、的方法。通常是先吸收CO并生成新的絡(luò)合物，然后已吸收CO的溶液在減壓和加熱條件下再生。該法工藝成熟可靠，在煤間歇制氣的中小型合成氨廠中大量采用醋酸銅氨液凈化，銅液組成比較穩(wěn)定，再生時(shí)損失較少。所以國內(nèi)銅氨液吸收法大多采用醋酸銅氨液。深冷分離法：在空氣液化分離技術(shù)的基礎(chǔ)上，在低溫下逐級(jí)冷凝爐氣中各個(gè)高沸點(diǎn)組分，最后用液體把少量CO和CH4脫除。這是一個(gè)典型的物理吸收過程，剩下的氣體中尚含有0.5%1%的甲烷和氬，雖然這些氣體不會(huì)使合成催化劑中毒，但它們能降低氫、氮?dú)怏w的分壓，從而影響氨合成的反應(yīng)速率。甲烷化法：由于此法是在催化劑上用H2把CO還原成甲烷，但因反應(yīng)過程中需要消耗氫氣，而生成無用的甲

27、烷。所以此法只能適用于CO含量甚少的原料氣。此法的優(yōu)點(diǎn)是：工藝簡(jiǎn)單、操作方便。但此法的升溫比較困難，需用外加熱源預(yù)熱原料氣，增加了成本。綜上所述，本設(shè)計(jì)選用銅氨液吸收法。1.3.7合成工段由于本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)工序是合成工序，所以這里不做重點(diǎn)討論。1.3.8能量的綜合利用合成氨工藝中的能量利用與回收，與反應(yīng)熱有很大的關(guān)系。因此，必須回收這部分熱量，運(yùn)用到能量的循環(huán)利用當(dāng)中。對(duì)合成塔一出氣體進(jìn)行加熱剩余熱量加熱軟水加熱器的水加熱中置鍋爐內(nèi)的水合成塔出口高溫氣體圖5 能量的回收利用1.4年工作日和工作制度1.4.1年工作日全年按照365天計(jì)算，大修一次39天，中修3天，小修3天，則年工作日為： 365-

28、39-3-3=320天工作制度： 本設(shè)計(jì)的合成氨廠采用五天工作制，五班三到制度。第二章 工藝部分2.1 車間或工序的生產(chǎn)基本原理2.1.1 熱力學(xué)氨合成反應(yīng)的化學(xué)平衡：合成氨是一個(gè)放熱和氣體摩爾數(shù)減小的可逆反應(yīng)，其反應(yīng)式為： 化學(xué)平衡常數(shù)KP可表示為：從上式可以知道，平衡時(shí)混合氣體中氨分壓的多少與平衡是H2，N2的分壓有關(guān)，同時(shí)與KP值有關(guān)。KP與溫度的關(guān)系式如下：lgKp(po)=在加壓下，KP與溫度有關(guān)，而且與壓力和氣體的組成有關(guān)，計(jì)算KP的目的是為了計(jì)算平衡氨的濃度。KP與Kf之間的關(guān)系為：Kf=KPK氨合成反應(yīng)的熱效應(yīng)：氨合成反應(yīng)的熱效應(yīng)，不僅取決于溫度，而且與壓力、氣體組成有關(guān)。純氫

29、氮混合氣完全轉(zhuǎn)化為氨，在不同溫度、壓力下的反應(yīng)熱（）可由下式計(jì)算。KJ/Kmol工業(yè)生產(chǎn)中，反應(yīng)產(chǎn)物為氮?dú)狻錃狻睔饧岸栊詺怏w的混合物，熱效應(yīng)應(yīng)是上述反應(yīng)熱與氣體混合熱之和。由于混合時(shí)吸熱，實(shí)際熱效應(yīng)較上式計(jì)算值小。混合熱是氣體混合物非理想的標(biāo)志，它隨壓力的提高、溫度的降低而增大。當(dāng)反應(yīng)熱效應(yīng)HR應(yīng)為HF與HM之和。2.1.2 催化劑的選擇合成氨屬于氣-固相催化反應(yīng)，物料以液體狀態(tài)流經(jīng)固體顆粒的催化床層而實(shí)現(xiàn)的。工業(yè)催化劑所必備的三個(gè)重要條件：活性好，選擇性高，壽命長。活性好，則催化劑的用量少而能夠轉(zhuǎn)化的物料量大，但對(duì)于合成氨反應(yīng)，過高的活性有時(shí)反而是適得其反。因?yàn)樵O(shè)備需要外界供熱，才能維持

30、反應(yīng)的強(qiáng)度。但一旦放大到大規(guī)模生產(chǎn)，我們就需要解決如何帶出這部分熱量和控制溫度。選擇性高副產(chǎn)物就少，不僅使原料的損耗減少，而且也減少分離或處理這些副產(chǎn)物的裝備和費(fèi)用，使整個(gè)過程的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)大大降低。由于合成氨沒有副反應(yīng)存在，故選擇性可認(rèn)為是100%。壽命長，對(duì)工廠相當(dāng)重要，因?yàn)椋绻鼡Q催化劑，就要停產(chǎn)。催化劑的機(jī)械強(qiáng)度，固定床用的催化劑能承受得住床層的載荷和振動(dòng)而不導(dǎo)致破碎和造成床層的阻塞。長期以來,人們對(duì)氨合成催化劑作了大量的研究工作,發(fā)現(xiàn)對(duì)合成氨有活性的一系列金屬為Os,U,Fe,Mn,W等,其中以鐵為主體并添加有促進(jìn)催化劑的鐵系催化劑,價(jià)廉易得、活性良好、使用壽命長,從而獲得了廣泛應(yīng)用

31、.目前,大多數(shù)鐵系催化劑都是用經(jīng)過精選的天然磁鐵礦通過熔融法制備的,習(xí)稱熔鐵催化劑,鐵系催化劑活性組分為金屬鐵.現(xiàn)階段國內(nèi)的幾種氨合成催化劑的特點(diǎn)及適用條件:表1 國內(nèi)主要型號(hào)的氨催化劑的組成和性能型號(hào) 組 成 外 形 堆密度/(Kg/l) 使用溫度/oc 主要性能A110-1 Fe3O4、Al2O3 不規(guī)則 2.72.8 380500 還原溫度350OC CaO、SiO2、K2O 顆粒A110-2 同上，但不加BaO 同上 2.72.8 380490 A201 Fe3O4、Al2O3 同上 2.62.9 360490 易還原，低溫活性高 CaO、SiO2、K2OA203 Fe3O4、Al2O

32、3 同上 2.83.0 300540 活性高、易還原、壽命長 CaO 、K2OA301 Fe1-x、Al2O3 同上 3.03.25 320500 低溫低壓高活性，還原溫 CaO、K2O 度280300，極易還原 綜上所述,本設(shè)計(jì)選擇使用A203型催化劑.2.1.3 動(dòng)力學(xué)氨合成有如下幾個(gè)步驟：反應(yīng)物從氣流主體擴(kuò)散到催化劑的外表們面（外擴(kuò)散過程）；反應(yīng)物進(jìn)一步向催化劑的微孔內(nèi)擴(kuò)散進(jìn)去（內(nèi)擴(kuò)散過程）；反應(yīng)物在催化劑的表面上被吸附（吸附過程）；吸附的反應(yīng)物轉(zhuǎn)化成反應(yīng)的生成物（表面反應(yīng)過程）；反應(yīng)生成物從催化劑表面上脫附下來（脫附過程）；脫附下來的生成物分子從微孔內(nèi)向外擴(kuò)散到催化劑外表面處（內(nèi)擴(kuò)散過

33、程）；生成物分子從催化劑外表面處擴(kuò)散到主流氣流中被帶走（外擴(kuò)散過程）。這中間三個(gè)步驟稱為化學(xué)動(dòng)力學(xué)過程。微分動(dòng)力學(xué)方程：對(duì)于一般工業(yè)鐵催化劑，a可取0.5.于是上式變?yōu)椋篕1，k2與溫度及平衡常數(shù)kp的關(guān)系為：在工業(yè)上，使用上式（a取0.5時(shí)）是比較滿意的。2.2 生產(chǎn)方法的選擇論證2.2.1 合成壓力的選擇論證由化學(xué)反應(yīng)式可知，氨合成反應(yīng)是一個(gè)氣體體積縮小的反應(yīng)，提高壓力有助于反應(yīng)向合成氨的方向進(jìn)行，而反應(yīng)速度隨壓力的提高而增大。通常合成氨壓力的選擇需要考慮三個(gè)因素：一、能量消耗，即氫氣、氮?dú)獾膲嚎s功耗，循環(huán)氣的壓縮功耗和冷凍系統(tǒng)的壓縮功耗；二、提高壓力，設(shè)備體積減小，占地面積減小，冷凍系統(tǒng)

34、設(shè)備投資也可減小，故總設(shè)備投資費(fèi)用可降低，但對(duì)設(shè)備材質(zhì)要求高，制造困難，尤其當(dāng)壓力過高，對(duì)設(shè)備材質(zhì)和制造技術(shù)要求更高，設(shè)備投資又會(huì)增加。所以基建費(fèi)用隨壓力的提高會(huì)呈下降趨勢(shì)，超過一定值后又逐漸回升；三、產(chǎn)品成本由基建成本和運(yùn)行成本構(gòu)成，前者與基建投資有關(guān)，后者與能耗有關(guān)。此外，還與氨加工產(chǎn)品有關(guān)。故總成本與壓力變化有關(guān)。中壓法技術(shù)比較成熟，經(jīng)濟(jì)性比較好，在1530Pa的范圍內(nèi)，功耗的差別是不大的，因此世界上采用此法的很多。 一般中小氮肥廠多為30MPa。綜上所述，本設(shè)計(jì)合成壓力選擇在30.0MPa.2.2.2 新鮮氣的補(bǔ)入位置新鮮氣盡管經(jīng)過一系列的凈化處理，但仍帶有一部分CO、CO2、H2O，

35、可達(dá)15ppm。因此，補(bǔ)充的新鮮氣就需要經(jīng)冷凝液氨的洗滌，最終脫除水分、油滴和微量CO，才能確保催化劑的活性。新鮮氣的補(bǔ)充位置通常有三種方式：新鮮氣補(bǔ)入油分離器入口，補(bǔ)入的氣體經(jīng)過冷交換器和氨冷器冷凝液氨的洗滌達(dá)到最終精制，但這種方法會(huì)增加冷交換器管內(nèi)阻力，新鮮氣中微量CO2在冷交換器管內(nèi)與循環(huán)氣中的氨形成氨基甲酸銨之類的結(jié)晶，會(huì)堵塞管道；新鮮氣補(bǔ)入位置在冷交換器一次出口管線至氨冷器之間，由于此處冷交后已有部分液氨冷凝，生成的微量氨基甲酸銨將被冷凝液氨溶解而排除；新鮮氣補(bǔ)入位置在冷交換器二次入口管線上，其效果與第二個(gè)方法相同，目前后兩種新鮮氣補(bǔ)氣位置設(shè)計(jì)已被不少小合成氨廠所用。所以，本設(shè)計(jì)的新

36、鮮氣的補(bǔ)入位置放在補(bǔ)入油分離器入口。2.2.3 放空氣的排放位置設(shè)置放空氣的位置，以保持惰性氣體不積累，為減少惰性氣體排放時(shí)造成原料氣的損失，排放氣一般選擇在惰性氣體含量高，氨濃度較低并在新鮮氣補(bǔ)入之前放空，通常是在氨分離之后作為排放點(diǎn)。所以，本設(shè)計(jì)的放空位置選擇在氨分后。2.2.4 循環(huán)壓縮機(jī)的形式和位置以下是幾種循環(huán)機(jī)的規(guī)格及參數(shù)：型號(hào)：1P2.20.27/280308；1P350.5/285320 2Z1.39/180200；Z1.750.65/130150；Z2.40.8/290320與之對(duì)應(yīng)的型式：臥式，單級(jí)復(fù)動(dòng)；臥式，單級(jí)復(fù)動(dòng)；立式，雙列復(fù)動(dòng)；立式，雙列單動(dòng)；立式，雙列復(fù)動(dòng)與之對(duì)應(yīng)

37、的轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分）：92；110；92；92；82與之對(duì)應(yīng)的冷卻水耗量(m3/h)：；0；0；0與之對(duì)應(yīng)的潤滑油耗量（g/h）：；0；0；0與之對(duì)應(yīng)的電機(jī)功率/軸功率（千瓦）：22/20;65/52;95/71.5;45/33.3;90/76本設(shè)計(jì)的循環(huán)機(jī)位置放在氨冷器之后，合成塔之前，故需要用離心式循環(huán)機(jī)，故選擇Z2.40.8/290320型離心式循環(huán)機(jī)。2.2.5 氨分離的型式和級(jí)數(shù)進(jìn)入氨合成塔催化層的氫氮混合氣，只有少部分起反應(yīng)生成氨，合成塔出口氣體氨含量一般為1020，因此需要將氨分離出來。氨分離的方法有兩種，一是水吸收法；二是冷凝法。水吸法：氨在水中的溶解度很大，與溶液成平衡的氣相氨分

38、壓很小。但氣相亦為水蒸氣飽和，為防止催化劑中毒，循環(huán)氣需要嚴(yán)格脫除水分后才能進(jìn)入合成塔。冷凝法：該法是冷卻含氨混合氣，使其中大部分氣氨冷凝以便于不冷凝的氫氮?dú)夥珠_。加壓下，氣相中飽和氨含量隨溫度的降低、壓力的增高而減少。如果操作壓力在45MPa以上，用水冷卻即能使氨冷凝。目前工業(yè)上主要采用冷凝法分離循環(huán)氣中的氨。以水和氨冷卻氣體的過程是在水冷器和氨冷器中進(jìn)行的。在水冷器和氨冷器之后設(shè)置氨分離器，把冷凝下來的液氨從氣相中分離出來，經(jīng)減壓后送至液氮貯槽。在氨冷凝過程，部分氫氮?dú)饧岸栊詺怏w溶解在液氨中。當(dāng)液氨在貯槽內(nèi)減壓后，溶解的氣體大部分釋放出來，通常稱為“貯罐氣”。本設(shè)計(jì)的操作壓力是30.0MP

39、a，故本設(shè)計(jì)選擇的氨冷型式是冷凝法，一級(jí)氨冷。2.2.6 氨合成反應(yīng)熱的利用余熱回收，采用如下措施：提高合成塔進(jìn)氣溫度；熱能回收又包括：用來加熱鍋爐給水和直接利用余熱副產(chǎn)蒸汽。2.2.7 氨合成工序方塊流程圖合成塔循環(huán)機(jī)壓縮機(jī)六段精煉氣液氨中間槽氨分離器軟水加熱器中置鍋爐塔外換熱器氨冷器冷凝塔油水分離器 放空水 冷 器 圖6 合成氨方塊流程圖2.3 設(shè)備選擇論證2.3.1 氨合成塔的選擇論證氨合成塔是合成氨生產(chǎn)的主要設(shè)備之一。氨在高溫、高壓和催化劑存在條件下由氫氮?dú)夂铣?。氫、氮?duì)碳鋼有明顯的腐蝕作用。為了適應(yīng)氨合成反應(yīng)條件，氨合成通常由內(nèi)件和外筒兩部分組成，內(nèi)件置于外筒之內(nèi)。外筒主要承受高壓，

40、但不承受高溫，可用普通低合金鋼或優(yōu)質(zhì)低碳鋼制成。而內(nèi)件承受高溫，不承受高壓，一般可用合金鋼制成。氨合成塔內(nèi)件結(jié)構(gòu)繁多，目前主要有冷管式和冷激式兩種塔型。前者屬于連續(xù)換熱式，后者屬于多段冷激式。冷管式氨合成塔：中國小型氨廠多采用冷管式內(nèi)件，其主要優(yōu)點(diǎn)是：床層溫度分布比較合理，催化劑生產(chǎn)強(qiáng)度高，入操作壓力為30MPa，空速2000030000h-1，催化劑的生產(chǎn)強(qiáng)度可達(dá)4060t/(m3d),結(jié)構(gòu)可靠、操作穩(wěn)定、適應(yīng)性強(qiáng)。其缺點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，冷管與分氣盒占據(jù)較多的空間，催化劑還原時(shí)床層下部受冷管傳熱的影響升溫困難，還原不易徹底。冷激式氨合成塔：其分為：軸向冷激和徑向冷激。軸向冷激的優(yōu)點(diǎn)：用冷激氣調(diào)

41、節(jié)反應(yīng)溫度，操作方便，而且省去許多冷管，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，內(nèi)件可靠性好，合成塔筒體與內(nèi)件上開設(shè)入孔，裝卸催化劑時(shí)，不必將內(nèi)件吊起，外筒密封在縮口處。其缺點(diǎn)是：運(yùn)輸和安裝較困難等。徑向冷激的優(yōu)點(diǎn)：氣體呈徑向流動(dòng)，流速低，壓力降較小；直徑較小。但其缺點(diǎn)是：不能有效地保證氣體均勻流經(jīng)催化劑床層，發(fā)生偏流。所以，本設(shè)計(jì)采用冷激式氨合成塔。2.3.2 氨合成工序其他設(shè)備的選型本設(shè)計(jì)的循環(huán)機(jī)位置放在氨冷器之后，合成塔之前，故需要用離心式循環(huán)機(jī)，故選擇Z2.40.8/290320型立式離心式循環(huán)機(jī)。水冷器：常見的有兩種，噴淋式和套管式。鑒于兩種水冷器的型式的優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選擇套管式。氨分離器：常見的有兩種，多層套管式

42、和離心金屬絲網(wǎng)過濾組合。鑒于兩種氨分離器的型式的優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選擇多層套管式。冷凝塔：由兩大部分組成。上部是列管換熱器，下部是氨分離器。氨冷器：常用的有兩種，一種是臥式，另一種是立式，鑒于兩種氨冷器的型式的優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選擇立式氨冷器。廢熱鍋爐：分為三種，前置式、中置式和后置式，鑒于三種三種廢熱鍋爐型式的優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用中置式。軟水加熱器：塔外換熱器：油水分離器：2.4 工藝操作條件的確定2.4.1氨合成壓力中壓法技術(shù)比較成熟，經(jīng)濟(jì)性比較好，在1530Pa的范圍內(nèi)，功耗的差別是不大的，因此世界上采用此法的很多。 一般中小氮肥廠多為32MPa。所以本設(shè)計(jì)合成壓力選擇在31.0MPa。2.4.2氨合成

43、溫度表2 30.0MPa下不同溫度的氨的平衡K值溫度 Kp102464 0.7449472 0.6732480 0.6096488 0.5533 504 0.5034512 0.4539520 0.4192而A203催化劑的使用溫度是300540OC，最適溫度500OC。故本設(shè)計(jì)的氨合成溫度定為500OC。2.4.3 氫氮比氨合成原料氣中氫氣與氮?dú)獾陌俜直群?jiǎn)稱氫氮比。在化工生產(chǎn)中一般控制在2.63.2之間，否則將不利于氨合成反應(yīng)的進(jìn)行，使氨產(chǎn)量下降。氨合成反應(yīng)方程式為：N2+3H2=2NH3本設(shè)計(jì)的氫氮比為2.66.2.4.4 進(jìn)塔氨含量和氨分離溫度進(jìn)塔氨含量：當(dāng)其他條件不變時(shí)，進(jìn)塔氨含量越高

44、，則氨凈值越小，由于提高氨濃度，相應(yīng)使推動(dòng)力減小，降低了生產(chǎn)能力。反之，則增大了推動(dòng)力，反應(yīng)速度增加，雖然出口氨含量略有減少，但提高了氨凈值，產(chǎn)量也有明顯的提高。進(jìn)塔氨含量降低，氨凈值升高，循環(huán)氣壓縮功耗低，但冷凍系統(tǒng)負(fù)荷增加，入塔氨含量與冷凝溫度和系統(tǒng)壓力有關(guān)。通常情況下，中壓法操作進(jìn)塔氨含量宜在2.23.0%。氨分離器溫度：本設(shè)計(jì)采用一級(jí)氨冷，溫度范圍在0OC -5OC。2.4.5 惰性氣體含量惰性氣體的存在，無論從化學(xué)平衡和動(dòng)力學(xué)角度分析都是有弊無利。惰性氣體主要來源于補(bǔ)充氣，保持循環(huán)氣中一定的惰性氣體含量主要是靠放空氣決定?？刂七^低的惰性氣體含量勢(shì)必要大量排放，有效氣體的放空損失在經(jīng)濟(jì)

45、上是不合格的。當(dāng)操作壓力較低和催化劑活性較好時(shí)，循環(huán)氣中惰性氣體含量宜保持16%20%，這樣可以節(jié)省原料氣消耗。反之，宜控制在12%16%。本設(shè)計(jì)的惰性氣體含量控制在15%。2.4.6 廢熱回收參數(shù)首先，從合成塔出來的混合氣體溫度達(dá)到330OC，利用這些熱量加熱中置鍋爐，產(chǎn)生蒸汽，溫度降為250OC，再對(duì)軟水加熱器進(jìn)行加熱，使溫度進(jìn)一步下降到190OC，然后進(jìn)入塔外換熱器，與合成塔一次出口的混合氣換熱，使合成塔二次進(jìn)口氣體的溫度升高到170OC，自己降為75OC，這些就是廢熱的回收利用。第三章 合成氨工序物料衡算3.1 氨合成方塊工藝流程圖 120液氨7856放空43新鮮氣油分離器氨冷器塔外換

46、熱器氨分離器水冷器水加熱器中置鍋爐合成塔循環(huán)機(jī)冷凝塔9圖7各組分編號(hào)見表3表3 組分 NH3 H2 N2 CH4 Ar 編號(hào) 0 1 2 3 4注：=3+43.2 計(jì)算基準(zhǔn)100Kmol進(jìn)塔氣V23.3 已知條件進(jìn)塔氣 =2.66放空氣 15%=1.445%=78.06/0.943.4 合成回路壓力分布（1） 循環(huán)機(jī) 30.31 Mpa 32.00 Mpa （2） 油分離器 32.01 Mpa 31.93 Mpa（3） 冷凝塔 一次 31.93 Mpa 31.85 Mpa 二次 31.77 Mpa 31.55 Mpa（4）氨冷器 31.85 Mpa 31.77Mpa（5）氨合成塔 一次 31.

47、57Mpa 31.56 Mpa 二次 31.50 Mpa 30.80 Mpa（6）熱交換器 一次 31.56 Mpa 31.50 Mpa 二次 30.60 Mpa 30.51 Mpa（7）廢熱鍋爐 30.80 Mpa 30.70 Mpa（8）水冷器 30.50 Mpa 30.40 Mpa（9）氨分離器 30.45 Mpa 30 .30Mpa（10） 新鮮氣壓力 30.30 Mpa（11） 分氨壓力 氨分離器分氨 30 .30Mpa 冷凝塔分氨 31.55 Mpa3.5 氨合成塔出口氨含量估計(jì)氨合成壓力 31.30 Mpa氨合成溫度 500oC計(jì)算得：Kp=4.74610-20.3240.256

48、0取=13.5%,=3%，則 =0.13/1.03=0.1311 =0.1983考慮到反應(yīng)未達(dá)到平衡，取平衡達(dá)到程度為75%。則氨合成塔出口氨含量為： 0.1487取為15%。3.6 氨合成塔 氨合成塔進(jìn)塔氣組成見表4。表4氨合成塔進(jìn)塔氣組成 組分 NH3 H2 N2 I 合計(jì) 含量/ 3.0 59.60 22.40 15.00 100.00出塔氣氣量：=(1+)/(1+)=1.03100/1.15=89.565kmol生成氨量：=- =100-89.565=10.435kmol出塔氣惰性氣含量：=/ =0.15100/89.565=16.75氨合成塔進(jìn)出氣氫平衡：+1.5=+1.5則出塔氣氫

49、含量：=(+1.5)/-1.5 =(0.596+1.50.03)100/89.565-1.50.15=49.07出塔氣氮含量：=1- =1-0.1675-0.4907-0.15=19.18氨合成塔出塔氣組成見表5。表5 氨合成塔出塔氣組成 組分 NH3 H2 N2 I 合計(jì) 含量/ 15.00 49.07 19.18 16.75 100.003.7 水冷器水冷器采用循環(huán)水冷卻。當(dāng)?shù)?月平均溫度為24，考慮涼水塔冷卻溫度差為10，則循環(huán)水的溫度為34；取水冷器傳熱溫度差為10，則水冷器后循環(huán)氣可達(dá)到的溫度為44，此即水冷器分氨溫度。水冷器后氨分離器分氨壓力30.30MPa。平衡氨含量按下式計(jì)算：

50、=4.1856+-=1.03=10.71取過飽和度為10，則分氨后循環(huán)氣氨含量為：=1.1=11.78各組分在液氨內(nèi)的溶解度系數(shù)(m3m-3MPa-1)：=0.4547+7.644=0.79=0.509+7.644=0.84=1.589+2.444=2.65=0.722+8.5544=1.10考慮它們未達(dá)到平衡，取甲烷的平衡到達(dá)率為85，其余為75。假設(shè)不考慮其他氣體的溶解，則分氨前后其他氣體的平衡為：(1-)=(1-)=(1-)/(1-) =0.8589.565/(1-0.1178)=86.300kmol水冷器后氨分離器分離液氨量為：=-=- =89.565-86.300=3.265kmol其他氣體組成為：=/ =0.490789.565/86.300=50.92=/ =0.