年产19万吨合成氨合成工段初步工艺设计

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流年产19万吨合成氨合成工段初步工艺设计.精品文档.湖 南 科 技 大 学毕 业 设 计（ 论 文 ）题目年产19万吨合成氨合成工段初步工艺设计作者宋宏友学院化学化工学院专业化学工程与工艺学号1106040306指导教师曾令玮 唐丽（湘电集团）二一五年六月七日湖 南 科 技 大 学毕业设计（论文）任务书 化学化工学 院 化工 系（教研室）系（教研室）主任: （签名） 年 月 日学生姓名: 宋宏友 学号: 1106040306 专业: 化学工程与工艺 1 设计（论文）题目及专题： 年产19万吨合成氨合成工段初步工艺设计 2 学生设计（论文）时间：

2、自2015年3月 01 日开始至 2015 年 5 月 30 日止3 设计（论文）所用资源和参考资料：1 万鹏.中国科技纵横 2011年第7期 285-285页2 赵育祥编.合成氨工艺M. 1985, 化学工业出版社3 林玉波编.合成氨生产工艺M. 2006 化学工业出版社 3-4页4 赵忠祥.氮肥生产概论M. 1995,化学工业出版社5 江苏化学石油工业厅组织.小型氮肥厂安全操作技术M.1981,化学工业出版社6 方伟阳. 年产3万吨合成氨合成工段设计D.福州:福州大学本科生毕业设计(论文),2007.7 张岩. 化学沉淀A/ O 工艺处理合成氨废水J . 中国给水排水，2004，20 ：7

3、7-798 张炳标. 膜分离法回收合成氨弛放气中氢气J.低温与特气，2003， 21 (1) ：23-259 王新杰. 合成氨厂两气回收技术的应用J .中氮肥2006 ，(1)：13-1410 王敏. 合成氨生产中的废气利用与节能效益J .江西能源，2001 (3) ：26-2711 小型氮肥厂生产 氨的合成 （工人读物）M1969年10月第1版4 设计（论文）应完成的主要内容：了解产品的生产现状；合理选择设计方案；工艺计算（物料衡算与能量衡算）；安全技术与经济评价发展趋势；主要设备的设计计算与选型；绘制工艺流程图、平面布置图和主要设备图。5 提交设计（论文）形式（设计说明与图纸或论文等）及要

4、求：（1）形式：设计说明书1本；图纸3张（带控制点的工艺流程图、平面布置图及主要设备图，图用CAD制作）。 （2）要求：设计说明书字数不少于8000字；图纸符合国家有关标准；写作格式按湖南科技大学教务处有关规定执行；设计说明书按学校统一标准装订。6 发题时间：2015年3月1日 指导教师： （签名）学 生： （签名）湖 南 科 技 大 学毕业设计（论文）指导人评语主要对学生毕业设计（论文）的工作态度，研究内容与方法，工作量，文献应用，创新性，实用性，科学性，文本（图纸）规范程度，存在的不足等进行综合评价指导人： （签名）年 月 日指导人评定成绩： 湖 南 科 技 大 学毕业设计（论文）评阅人评

5、语主要对学生毕业设计（论文）的文本格式、图纸规范程度，工作量，研究内容与方法，实用性与科学性，结论和存在的不足等进行综合评价评阅人： （签名）年 月 日评阅人评定成绩： 湖 南 科 技 大 学毕业设计（论文）答辩记录日期： 2015.6.7 学生： 宋宏友 学号： 1106040306 班级： 化学工程与工艺三班 题目： 年产19万吨合成氨合成工段初步工艺设 提交毕业设计（论文）答辩委员会下列材料：1 设计（论文）说明书共 页2 设计（论文）图 纸共页3 指导人、评阅人评语共页毕业设计（论文）答辩委员会评语：主要对学生毕业设计（论文）的研究思路，设计（论文）质量，文本图纸规范程度和对设计（论文

6、）的介绍，回答问题情况等进行综合评价答辩委员会主任： （签名）委员： （签名）（签名）（签名）（签名）答辩成绩： 总评成绩： 摘 要氨是世界上产量最高的无机化合物之一，它的用途广泛，但绝大多数的氨被用来制造化学肥料。在整个合成氨流程中，氨的合成工段是最核心的部分，是合成氨厂最后一道工序。它的任务是在一定的温度、压力及催化剂存在的条件下，将精制的氢氮气体合成氨，反应后气体中一般氨含量只有10%20%；将反应后气体中的氨与其他气体组分分离，提供液氨产品；将分离氨后的未反应气体循环使用，因此氨合成工艺一般使用循环工艺流程。本设计通过查阅相关文献和资料，选择了合理的设计方案，完成了年产8万吨合成氨合成

7、工段的初步设计。对该工艺流程进行了物料衡算和能量衡算，并完成了主要设备的计算及选型。最后，借助CAD技术绘制了工艺流程图、平面布置图和主要设备图。关键词：循环工艺；合成氨；合成工段ABSTRACTAmmonia is one of the most productive in the world of inorganic compounds, extensive use of it, but the vast majority of the ammonia is used to produce chemical fertilizers. Throughout the ammonia proce

8、ss, ammonia synthesis section is the core part of the ammonia plant is the last step. Its mission is under certain conditions of temperature, pressure and presence of a catalyst, hydrogen purification of ammonia nitrogen gas, the reaction gas in the ammonia content is generally only 10% to 20%; The

9、reaction of ammonia gas and other gases group of separation, providing ammonia products; separating unreacted ammonia gas after recycling, and therefore the use of ammonia synthesis loop process in general. Through access to relevant documents and information, choose a reasonable design, complete wi

10、th an annual output 80,000 tons of synthetic ammonia synthesis section of the preliminary design. This process has been the material balance and energy balance, and completed the calculation and selection of major equipment. Finally, with the help of CAD technology to draw a flow chart, and major eq

11、uipment floorplan diagram.Key words: Cycle process; Ammonia; Synthesis section目 录第一章 绪论- 1 -1.1 氨的性质- 1 -1.1.1氨- 1 -1.1.2氨的物理性质- 1 -1.1.3氨的化学性质- 2 -1.2 合成氨的生产工艺现状及发展趋势- 2 -1.2.1合成氨现状及发展概述- 2 -1.2.2我国合成氨技术的发展概况- 2 -1.2.3合成氨装置的结构调整- 3 -1.2.4合成氨工艺技术的改造- 3 -1.2.5合成氨技术的发展趋势- 3 -1.3 氨的用途- 3 -1.4 合成氨生产原料的种

12、类及技术特点- 4 -第二章 氨的合成- 6 -2.1 氨合成的反应机理- 6 -2.1.1氨合成的基本原理- 6 -2.1.2氨合成反应热力学- 7 -2.1.3氨合成反应热效应- 7 -2.1.4氨合成反应动力学- 8 -2.1.5影响平衡氨含量的因素- 8 -2.1.6氨合成催化剂- 9 -2.2合成氨常见工艺方法- 10 -2.2.1高压法- 10 -2.2.2低压法- 10 -2.2.3中压法- 10 -2.3合成氨生产的特点- 10 -2.4氨合成过程的基本工艺步骤- 11 -2.5氨合成工艺的选择- 12 -2.6 生产流程简图- 13 -第三章 工艺计算- 14 -3.1 已知

13、条件- 14 -3.2 物料衡算- 14 -3.2.1合成塔物料衡算- 14 -3.2.2氨分离器气液平衡计算- 15 -3.2.3冷交换器气液平衡计算- 16 -3.2.4液氨贮槽气液平衡计算- 17 -3.2.5液氨贮槽物料计算- 18 -3.2.6合成系统物料计算- 19 -3.2.7合成塔物料计算- 20 -3.2.8水冷器物料计算- 21 -3.2.9氨分离器物料计算- 21 -3.2.10冷交换器物料计算- 22 -3.2.11氨冷器物料计算- 22 -3.2.12冷交换器物料计算- 24 -3.2.13液氨贮槽物料计算- 25 -3.2.14物料衡算结果汇总- 26 -3.3热量

14、衡算- 28 -3.3.1冷交换器热量衡算- 28 -3.3.2氨冷器热量计算- 30 -3.3.3循环机热量计算- 32 -3.3.4合成塔热量计算- 33 -3.3.5废热锅炉热量计算- 35 -3.3.6热交换器热量计算- 36 -3.3.7水冷器热量计算- 36 -3.3.8氨分离器热量核算- 38 -第四章 氨合成的主要设备选型- 39 -4.1废热锅炉设备工艺计算- 39 -4.1.1计算条件- 39 -4.1.2管内给热系数计算- 39 -4.1.3总传热系数K 计算- 41 -4.1.4平均传热温差m t 计算- 41 -4.1.5传热面积- 42 -4.2 热交换器设备工艺计

15、算- 42 -4.2.1 计算条件- 42 -4.2.2 管内给热系数的计算- 42 -4.2.3 管外给热系数i- 44 -4.2.4 总传热系数- 46 -4.2.5 传热面积核算- 46 -4.3 水冷器设备工艺计算- 46 -4.3.1 计算条件- 46 -4.3.2 管内给热系数的计算- 47 -4.3.3 管外给热系数- 48 -4.3.4 传热温差- 48 -4.3.5 传热总系数K- 48 -4.3.6 传热面积- 48 -4.4 冷交换器设备工艺计算- 49 -4.4.1 计算条件- 49 -4.4.2 管内给热系数的计算- 49 -4.4.3 管外给热系数- 51 -4.4

16、.4 总传热系数- 53 -4.4.5 传热面积核算- 53 -4.5 氨冷器设备工艺计算- 54 -4.5.1 计算条件- 54 -4.5.2 管内给热系数的计算- 54 -4.5.3 管外给热系数- 56 -4.5.4 传热总系数K- 56 -4.5.5 传热温差- 56 -4.5.6 传热面积- 56 -4.6 氨合成塔工艺尺寸计算- 57 -4.6.1 设计参数- 58 -4.6.1.1触媒选择和触媒筐设计- 57 -4.6.1.2塔内换热器设计- 57 -4.6.2氨合成塔的强度计算- 57 -4.6.2.1计算筒体厚度- 57 -4.6.2.2底部封头的设计计算- 57 -4.6.

17、2.3水压试验- 58 -4.7 主要设备选型汇总表- 58 -第五章 环境保护与安全措施- 59 -5.1 环境保护- 59 -5.1.1 化学沉淀A/ O 工艺处理合成氨废水- 59 -5.1.2 合成氨尾气的回收- 59 -5.2安全措施- 59 -5.2.1防毒- 60 -5.2.2防火- 60 -5.2.3防爆- 60 -5.2.4防烧伤- 61 -5.2.5防触电- 61 -5.2.6防机械伤害- 61 -第六章 经济核算- 61 -6.1 技术经济分析概述- 61 -6.2 主要技术经济指标- 61 -6.3 投资估算- 62 -6.3.1 总生产设备投资费用估算- 62 -6.

18、3.2 成本估算- 62 -6.3.3 销售收入、税收和利润- 62 -第七章 结论- 63 -参考文献- 64 -致 谢- 65 -附 录- 66 -第一章 绪论当今，氨在世界工农业生产中应用越来越广泛，在国民生产中有举足轻重地位。合成氨的合成是整个合成氨工艺流程中的核心工段，是合成氨厂的最后一道工序。因此，正确的选择一个合理的氨的合成工艺流程显得尤为重要。本设计的课题是年产19万吨合成氨合成工段的初步设计。在本设计中，分别阐述了氨的性质、用途、危害及合成方法；对氨合成技术发展现状及发展趋势做了进一步的分析，了解了合成氨的工业生产市场及前景；同时，也对合成氨的工艺原理以及相关的物料衡算、热量

19、衡算、设备选型等都作了详细的阐述。以理论计算为依据，以实际工厂生产为基础，力求做到理论联系实际。毕业设计的目的在于用已学过的知识来解决实际工程技术问题和获取新知识，并且在实际的过程中体验学术的严谨并且掌握所用的技巧与获取信息的方法，而且还能增强计算、作图、编写文件、使用规范化手册等最基本的实际工作方面的能力，还巩固和加深所学的基础理论、基本技能和专业知识，使之系统化和专业化。本人通过查看、参考了大量的文献和资料，并结合老师搜集的有关资料，完成了年产19合成氨合成工段的初步设计。在此次设计过程中，一直得到曾令玮老师的悉心指导和同组同学们的通力合作以及室友在Word、CAD操作方面的帮助，在此一并

20、表示感谢！由于时间仓促、现场工作经验不足及知识方面的欠缺等因素的存在，设计难免有不妥，望老师们批评指正！1.1 氨的性质 1.1.1氨氨,英语名：Ammonia，分子式为NH3，亦称氨气或无水氨，是一种无色、有猛烈刺激气味且极易溶于水的气体。氨是所有食物和肥料的重要成份，对地球上的生物来说至关重要。药物的组成中直接或间接都含有氨。氨的用途很大，它是全世界生产量最大的无机化合物之一，但80%以上被用来制造化学肥料。仅在2006年，全世界氨产量约1.465亿公吨，市面上的清洁产品主要用它来制造。氨是一种路易斯碱，由于它能够提供孤对电子。1.1.2 氨的物理性质 (1)氨的具有刺激性气味的气体它对人

21、的眼睛、喉咙、鼻子等有刺激作用。大量吸入氨气，会短时间鼻塞，并有窒息感。若眼部接触氨，会有流泪现象。如果不注意接触过多的氨而出现病症，必须立刻吸入新鲜空气和水蒸气，且对眼部用大量清水清洗。 (2) 氨的密度小标准条件下，氨气的密度为0.771g/L。 (3) 氨极易溶于水 在正常的温度和压力下，水的体积1：700可溶氨 (4) 氨的沸点比较高 氨极易液化。在常压下，冷却至-33.5或在常温下加压至700KPa至800KPa，气态氨就会液化成无色液体，此时会放出很多的热。相反，液态氨汽化时，要吸收大量的热，周边物体的温度就会迅速下降，所以氨经常做制冷剂。1.1.3 氨的化学性质（1）氨气与氯化氢

22、气体相遇会产生大量的白烟,氨气还可以可与氯气发生反应。（2）氨的催化氧化是化学工业制硝酸的重要反应，它是一个放热反应。NH3还可以被氧化成N2。（3)氨水（NH3H2O，也称一水合氨）可腐蚀多种金属。所以得在铁桶内涂沥青后方可装氨水。 (4) NH3呈弱碱性，它能使湿润的红色石蕊试纸变蓝。 (5)氨能和酸类发生化学反应生成铵盐。1.2 合成氨的生产工艺现状及发展趋势1.2.1合成氨现状及发展概述合成氨技术的不断发展，使得氨合成的装备的发展趋势是单系列、节能型和大型化等。氨的生产量大，在各化工产品中居榜首，但它消耗能源的也是最大的。合成氨是氨化肥工业的基础，同时它也是有机化工和无机化学行业的基础

23、原材料，因此合成氨被广泛应用在农业上。近年，在现有生产工艺技术的基础上，国内外通过降低合成的压力、提高合成的转化率、减少氨合成的压降及合理使用能源等技术，又研发了节能氨合成工艺技术及工艺流程。当前，我国有大型合成氨装置30多套，所用的氨合成塔也是国际上普遍使用中的工艺设备。现在，在我们的小氮肥生产企业的一部分，已被国内设备占用，所以需要对生产进行优化，但设备的改造和现有的控制实现的成本相对较高。在此情况下就要结合现有装置设备特点来逐渐挖掘自身的潜力，还要合理的调节当前的操作过程，来实现生产系统与生产装置的最优搭配。1.2.2 我国合成氨技术的发展概况（1）大型氮肥装置 目前，我们国家有大型的合

24、成氨装置总计34套，生产能力达1000万t/a。其中，只有1套装置是用于生产硝酸磷肥的，其他的均用于产尿素。通过使用材料的类型来区分，有17套设备是以天然气为原料，有9套设备是以重油为原料，有6套设备是以轻油为原料，有2套设备是以煤为原料。（2）小、中型氮肥装置目前,我们国家有55套中型的合成氨装置，其生产能力约500万t/a，主要用于生产硝酸铵和尿素。其中有34套装置是以煤、焦为原料的，有12套装置是采用天然气作为原料，有9套装置是以渣油为原料的。而有700多套小型合成氨装置，生产能力约3千万t/a，主要用于生产碳酸氢铵。其中有112套经过了设备更新，用于产尿素。生产原料以煤、焦为主，而以气

25、为原料的仅占4%1。1.2.3成氨工艺技术的改造在新建的煤气生产线中，生产合成气采用的主流工艺是煤气化。在此基础上，还新建了空气分离工序，使用内压缩空气和全低压的工艺技术，主要供应煤气化工艺所需要的工艺氧气和高、中、低压氮气。增建的耐硫变换工序利用了三段耐硫变换工序，对合成气的高浓度CO进行变换。增建的脱出酸性气体的工序，应用了低温甲醇洗净化的工艺手段，来进化变换气的脱硫脱碳工序，成功脱除变换器中H2S、COS、9CO2，再结合两级克劳斯脱硫+scot工艺来处理低温甲醇洗工序的H2S产生的尾气，改造和利用甲烷化工序完成整个操作过程1。1.2.4成氨技术的发展趋势 (1) 低能耗与生产环境将是以

26、后合成氨装置技术的主要发展趋势。而生产设备的大型化、自动化、集成化等也将成为趋势。 (2)合成氨装置技术原料结构调整方面会以“油改气”和“油改煤”为主，而产品会以加工为核心来进行结构的调整，这种调整是增强企业竞争力的最有效途径之一。 (3)清洁生产将会是未来合成氯装置发展的必然且是唯一的途径。在生产过程当中，不生成或降低副产物、废物来达到或临近“零排放”的标准。清洁生产已经成为未来工业产业重视的问题。清洁生产将成为国内外企业发展的一个重要目标。 (4)将来合成氨装置在市场竞争中的主要保障是延长运行周期。其中装置运转率的提升、运转周期的延长、新的生产工艺优化技术及先进的控制技术等将逐渐受到世界企

27、业的重视1。 1.3 氨的用途氨是一种基本的化工产品，用途广泛。化学肥料是农业的主要肥料，而氮肥是农业上应用最大的一种化学肥料，在国民经济中举足轻重，其生产规模、产品数量和技术装备水平均处于化学肥料第一。合成氨是各种氮肥的主要生产原料，所以，氮肥工业的发展情况可以通过合成氨工业的发展来看出。尿素、氯化铵、硝酸铵、硫酸铵等氮素肥料的生产都是以氨为主要原料。各种含氮复合肥料也可以将氨加工来制取。另外，液氨自身就是一种高效的氮素肥料，可以直接使用，一些国家已大量使用它。所以，氮肥工业的基础由合成氨工业决定，合成氨工业对农业增产有着至关重要的作用。上个世纪50年代来, 我国的氮肥工业就不断发展壮大。如

28、今合成氨产量已达世界第一，我国已熟练使用以焦炭、焦炉气、无烟煤、油田伴生气和油天然气和液态烃多种原料生产合成氨和尿素的工艺技术，构成了独特的煤、天然气和石油原料并存以及小、中、大生产规模并存的生产局面。当前，我们国家有上千套大中小型的各种氮肥装置在合成氨氮肥厂，其中引进了32套是大型的，超过20套是国产的，上百套的中型的，大概600套小型的，合成氨年生产高达4500万吨。我国氮肥工业不仅满足了国内需求，还发展了国际市场。已经达到与国际合成氨行业的竞争能力，产品及原料结构的调整将是新方向， 这样才能不断改善经济效益。经济增长的贡献率靠科学技术的发展来实现，这将是未来发展合成氨氮肥工业新趋势。氮肥

29、工业的基础是合成氨工业, 它在国民经济中的地位举足轻重。但是，我们国家大部分合成氨工业使用固定床水的煤气炉煤制气技术，老化炉型、较低的能源利用率、高额的原料费用,都急需技术革新。目前合成氨工业的发展趋势是改善原料路线, 使原料多元化, 再引进先进的煤气化技术生产合成气, 减少产品的成本, 优化生产环境; 在此基础上，研发出简便可行, 还可就地取材来获得合成气的洁净煤气化技术,。这是当前我国60%以上的中小型氮肥厂急需解决的事情。在此情况下下，该课题以“年产8万吨合成氨合成工段初步设计”为题，对合成氨合成工段的工艺条件和设备选型等进行初步的探讨2。1.4 合成氨生产原料的种类及工艺特点合成氨生产

30、的原料可分为气体、液体和固体三种。其中气体原料包括天然气及焦炉气；而液体原料包括重质油和石脑油；而固体原料包括煤及其加工品碳化煤球、焦炭以及水煤浆3。气体原料合成氨合成氨生产的气体来源很广，有天然生产的，也有其他工业副产的。生产氨工艺技术中以气体原料不少，包括部分氧化法及无催化热裂解法（原料为天然气或石油加工气）；包括部分氧化法及深冷氢分法（原料为焦炉气）。而最为广泛采用的的是以天然气为原料的蒸汽转化工艺。它的生产成本低、建设花费低，所以是全球已合成氨厂的主要生产方法。上世纪70年代已达总氨产量的60%，80年代达80%，现在还在继续扩大。液体原料合成氨英国的帝国化学公司是最先利用石脑油生产合

31、成氨原料气的，上世纪50-60年代，技术已经比较发达，石脑油来自石油馏出的较轻馏分。这一度被一些没有天然气资源的国家所利用。采用这种原料的技术与天然气蒸汽转化重要区别在于转化反应中采用耐烯烃的特用催化剂。因为石脑油价格上涨等因素，以天然气为原料的制氨技术正不断取缔以石脑油制取合成氨原料气的合成氨厂。固体原料合成氨焦炭、煤是合成氨的主要固体原料。焦炭是从原煤干馏获取的，不含挥发分。使用焦炭获取合成氨原料气，用空气与水蒸气为气化剂经过间歇交替吹入气化炉中的固定炭层进行反应，而获得合成氨生产用的原料气。煤的种类很多，按其在地下生成时间的长短可分为泥煤、褐煤、烟煤、无烟煤等。除烟煤外，其他的煤种因含挥

32、发分多，不宜常压固定碳层间歇气化方法。都选择流化床和各类气流床作为其造气设备。它和固定床间歇造气区别在于沸腾床或气流床都要连续作业且要用到氧气或富氧空气。德国的鲁奇炉是煤的连续气化法唯一使用固定层的。固定层加压连续气化以无烟煤及碳化煤球为主。无烟煤性能接近焦炭，却有更高的生产能力。该工艺一开始就试用加压技术，经历了三次自我改造，迄今生命力强大。第二章 氨的合成2.1 氨合成的反应机理2.1.1氨合成的基本原理氨合成反应式为： 3H2+N2=2NH3+热量这是一个放热、可逆、体积缩小的反应。一般认为其反应机理为：N在催化剂上被活性吸附，变成为N原子，再逐渐加H，依次变成NH、NH2和NH3。即：

33、 N22N2NH2NH22NH32NH3 以下列举影响氨合成反应的几个因素:温 度氨合成反应为可逆放热的反应。若温度增加，平衡会往氨分解方向进行；当温度降低时，反应往氨生成方向进行。所以，从反应平衡来看，提高氨的平衡产率就要要保持低温。从反应速度看，升温能加快反应速度，原因是升温加快了分子的运动速度，这样既增加了分子的间相撞机率，又提高了分子克服阻力的能力，使分子得有效结合的机率增高。综上所述，低温使反应向合成氨方向移动，但反应速度比较低；高温会阻碍反应往氨合成方向进行，而反应速度加快。所以，在生产中反应温度的选取由氨合成催化剂的性能来决定。压 力 氨合成反应是1个氮分子和3个氢分子化合为2个

34、氨分子，是一个分子个数变少、体积缩小的反应。所以增加反应的压力，反应会往生成氨的方向移动。对于氨合成反应来说，增加反应压力能增加气体浓度，使分子间碰撞的机会加大，以此加快反应的速率。 因此，增加合成的压力既能提高平衡的转化率，又能增加反应的速率。但是，如果压力过高不但使动力消耗增加，还设要求更高的设备和材料，所以压力也不应太高。通常我国的小型合成氨企业将设计压力定为32MPa。空 速 空速指气体与催化剂接触时间的长短。物理意义：标况下，单位时间内在1立方米的催化剂上所经过的气体的体积。其单位为m3 (标)气体/（m3催化剂h）,或简写为h-1。空速对合成氨的合成反应有一定的影响。一定的合成条件

35、下，增加空速会增加气体与催化剂接触时间，出合成塔气体氨浓度会减少。因此，空速的增加会进一步提高氨的产量。但增加空间速度会增大每生产每吨氨所需的循环气量及输送气体要克服的阻力，从而增大能量的消耗。特别是空间速度太大，会增大合成塔出来的气体带出的热量，无法控制催化剂床层的温度，不易冷凝循环气中的氨，所以空速不宜太大。氢氮比 依据平衡移动原理，平衡体系浓度的改变，平衡就往阻止这个改变的方向进行。在氨合成反应中，是按H2/N2=3：1的比例反应的，所以增加氢气、氮气的分压，保持氢氮比可以增加平衡氨的含量。由该反应的反应速度我们了解，在非平衡的状态下，适量提高氮的分压能增加催化剂吸附氮的速度，由于该反应

36、的控制步骤是氮的活性吸附。通常情况下，氨产率只能达到平衡值的50%70%，因此，会把反应中氮的比例适量的增加，通常将氢氮比控制在2.22.8间最佳。2.1.2氨合成反应热力学通常，氨厂把温度控制在400500 ，大型的合成氨厂把压力控制在1024 Mpa而小型合成氨厂会控制在2032 MPa。氨有较低的转化率，一般转化率是1020%氨合成反应如下： 1.5H2(g) + 0.5 N2(g) = NH3(g)该反应为放热反应，其平衡常数为 Kf0为真正的平衡常数，它由热力学关系决定。生产条件范围，经验公式计算逸度系数： 现实生产中，因为不知道组成，需要采用迭代法。很多逸度系数可以通过查找相关图表

37、获取。2.1.3氨合成反应热效应氨合成反应会放出热量，其热效应的计算如下：式中温度单位为K，压力单位为MP a，知其反应热单位为kJ/kmol。现实情况的热效应要结合不同条件下的不同影响。2.1.4氨合成反应动力学氨合成反应机理，经过几十年研究，有很多模型，结论尚未统一。现在列举普遍认可的机理作为例子。 氨合成反应历经有下列基本步骤 N2 + K-Fe N2K-Fe 氮分子被吸附 N2K-Fe 2NK-Fe 解离 2NK-Fe + H2 2NHK-Fe 与氢气反应 2NHK-Fe + H2 2NH2K-Fe 2NH2K-Fe + H2 2NH3K-Fe 2NH3K-Fe 2NH3 + K-Fe

38、 氨分子脱附 由此机理导出的动力学方程为 式中k1、k2分别为正逆反应的速率常数 ，为实验常数，工业条件下一般a 为0.5。上式只适用于低压且接近平衡的情况，压力较高时，要结合实验速率常数与压力的关系。但是，反应非平衡状态下该式不适用，当pNH30时r。 捷姆金总结了非平衡状态下的反应动力学方程：用该式易得在反应平衡状态下，正逆反应速率常数之比为平衡常数之值。2.1.5影响平衡氨含量的因素y*NH3 = F (P、T、y i、r)氢氮比的影响当氢氮比3,则：其它不变，改变氢氮比使平衡氨含量最大时，可对上式求导，使其为零得算得 r=3.以化学计量氢氮比作进料比时，平衡氨含量最大。现实情况下，平衡

39、氨含量不等于3。当压力在10100Mpa时，氢氮比在2.93.0间为宜。惰性气体含量的影响惰性气体的存在，无论是从化学平衡还是动力学角度分析都是有弊无利的。它主要来源于补充气，保持循环气中一定的惰性气体含量主要是靠放空气（驰放气）决定的。我们希望控制过低的惰性气体含量，但这势必要大量放空，有效气体的放空损失在经济上是不合算的。一般，当操作压力较低和催化剂活性较好时，循环气中的惰性气体含量宜保持在16到20个百分点，反之在12到16个百分点。2.1.6氨合成催化剂 正确的的催化剂对氨的合成反应反应速度有很大的影响，铁催化剂是普遍使用的催化剂。它的成分有：Fe3O4(Fe2+/Fe3+0.5) 促

40、进剂为：SiO2, K2O , Al2O3, MgO, CaO加入Al2O3的会产生合金FeO Al2O3,其结构和FeOFe2O3相似，使Fe3O4分布均匀，催化剂还原后，加大催化剂表面积，提高活性。 MgO和Al2O3同样的作用，对催化剂抗毒能力有增强作用，还对催化剂起到保护和延长其寿命之用。 CaO能使熔融物的熔点及粘度降低，还能使催化剂的热稳定性增强。 K2O可降低催化剂的金属电子逸出功，即使它使催化剂的表面积下降了，但是提高了其活性。金属铁是该反应的活性组成，使用前要还原催化剂。氢气是最常使用的还原剂： Fe3O4(s) + 4H2(g) = 3Fe(s) + 4H2O(g) 9 k

41、J/mol.1490298=DH 要让铁完全被还原不仅要选取恰当的反应条件应，还要确保还原后比表面积最高。通常选取500-520作为还原温度。除了反应因素需要水蒸气含量较低之外，高含量的水蒸气会增粗催化剂颗粒、减小表面积。低压为宜，空速可以较大。中毒现象也存在于氨合成催化剂中，与其他催化剂中毒类似.最近几年，一些新型合成催化剂正在不断的应用与生产，它将不断改变合成氨催化剂的现状。2.2合成氨常见工艺方法在合成氨的生产中，它的最后一道工序是氨的合成。它主要是把精制的氢氮气体在催化剂的作用下合理的合成为氨。在合成系统中，液氨就是其产品。合成氨行业上的各种工艺流程通常根据压力的高低加以区分4。2.2

42、.1高压法该法的操作压力70100MPa，温度为550650。该法有较高的合成效率，反应后混合气中的氨易被分离，流程简单、设备紧凑。但高得合成效率使反应放热量大，使催化剂得温度上升，如果控制不当，不能及时散热，会使催化剂烧坏甚至失活，因此催化剂的使用寿命不长。加上操作过程是高温高压，设备选取及材质都有较高要求，加大了投资。现在工业上采用此法的不多。2.2.2低压法该法法的操作压力为10MPa左右，温度控制在400450。该法对压力和温度要求都较低，所以对设备要求不高，管理简单方便，还有较高催化剂的活性。但缺点在于此法所用的催化剂对毒物很敏感，很快会中毒，缩短其寿命，所以要严格控制原料气的精制纯

43、度。加上低压操作，使得合成效率不高，分离不易，流程也不简单。实际生产中，该法已经淘汰。2.2.3中压法该法的操作压力为2060MPa，温度控制在450550。现在中压法技术已经成熟，而且经济性不错。选取正确的合成压力，就要结合设备投资和压缩功耗综合分析。在动力消耗中，全厂消耗最大的当属合成氨的合成系统。但压力并不是功耗取决因素，还要结合工艺指标和流程的布置来判断。实践证明，压力控制在1330MPa是最好的。经分析，压力控制在1530Mpa之间，功耗没什么区别，所以现在普遍使用这种方法。2.3合成氨生产的特点合成氨生产有以下特点5：工艺流程长、设备管道多；各工序生产操作相互影响；生产过程有高度的

44、连续性；高温、高压、易燃、易爆、易中毒、易灼伤的条件下生产。合成氨的生产过程中，有很多繁杂的工序，全程都在高温、高压、易燃、易爆、易中毒等条件下进行，要谨慎控制各种反应因素，稍不留意将不堪设想。加上生产的流程长、有很强的连续性，一直在高温和高压下生产的设备，再加上内部介质的冲刷、渗透和外部条件的侵蚀，会增加事故的发生率，特别是火灾、爆炸和重大设备的事故时有发生。但是，我们只要不断认识这一客观规律并熟悉这一客观规律就能实现安全生产。 所以，高温、高压、高纯度是合成氨生产过程中的必然要求。生产期间有一系列化学反应、燃烧、传热、分离等程序。压力、温度、浓度等因素对反应的进行都有影响。这些又受到设备质

45、量、煤质、水质、季节、操作水平、调度与管理等因素的影响，就会让合成氨的生产更加复杂。2.4氨合成过程的基本工艺步骤 要循环氨合成就应做到以下几点2：压缩氮氢原料气且补入循环系统；合成氨及预热循环气；分离氨；回收利用热能；循环使用未反应气体，为保持惰性气体的平衡放出部分循环气等。(1)气体的压缩和除油 为使新鲜原料气及循环气压缩达到合成所需压力，需要在过程中安装压缩机。使用往复式压缩机时，气体中混合的润滑油和水蒸汽会呈细雾状在气流中漂浮。其中的油不但会造成催化剂中毒，还会在热交换器壁上附着，使交换器传热效率降低，所以一定要去除它。可以用油分离器来去除压缩机每段出口的油，还需滤油器安装于合成系统。

46、一些气体中不含油水的压缩机如离心式压缩机及无油润滑的往复式压缩机，不用安装滤油设备。(2)气体的预热和合成 对压缩后的氢氮混合气升温，使其达到催化剂的起始活性温度，方可放入催化剂层合成。氨常规运作，采用氨合成产生的热量来对气体加热，也就是换热器中利用反应后的高温气体来对反应前的氢氮混合气加热，使其达到反应温度。当反应达不到自热，要使用塔内电加热炉或塔外加热炉供热。(3)氨的分离 之所以要进行氨的分离是因为氢氮混合气在氨合成塔催化层里不是全部都会反应生成氨。水吸收法冷凝法是常用的氨的分离方法。冷凝法是现在常用的分离方法。水和氨冷却气体的过程是在水冷器和氨冷器里操作。后面再安装氨分离器，用来从气相

47、把冷凝下来的液氨分离，将其降压再进入液氮贮槽。氨冷凝时，在液氨里会溶解一些氢氮气及惰性气体。将贮槽里的液氨进行减压，这些气体就会释放出来，称其为“贮罐气”。(4)气体的循环 通过合成塔的氢氮混合气氨，大多数没有合成为氨。，为了减少情性气体含量，会放空些许剩余的氢氮气，再混合新鲜原料气巡回合成塔内继续氨的合成，这就形成了循环法工艺流程。在设备、管道中流动的气体会有压力丧失，所以过程中要安装循环压缩机来降低压差。(5)惰性气体的排除 通过以下三种方法可带出氨合成循环系统的情性气体：系统泄露些许；液氨中溶解些许；放空是主要方式。 在氨合成循环系统中，过程中惰性气体含量各不相同，选择惰性气体含量最高且

48、氨含量最低的位置放空，使放空损耗达到最少。所以，要选取新鲜气加入前且氨已基本分离位置进行放空。采用水吸收法或冷凝法可回收利用放空气中的氨，余下的气体当燃料。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，接着进行合成反应，放空分离氨后部的分惰性气体，剩下的继续在二循环系统里循环。这样，增加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，需要回收该部分反应热。回收的方法有以下几种：对反应前的氢氮混合气预热。在塔内放置换热器，拿反应后的高温气体加热反应前的氢氮混合气，让催化剂的达到活性温度。但是该法不能充分吸收热量。现在大多数氨厂用此

49、法来回收。 对反应前的氢氮混合气和副产蒸汽预热。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。根据不一样副产蒸汽锅炉的设置，有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。现在通常是采用塔外副产蒸汽合成塔，因为能相对完全的吸收热量。现在使用比较普遍的是在中型氮厂。 对反应前的氢氮混合气和预热高压锅炉给水预热。该法能使塔内换器的面积较小，继而是塔的体积缩小，还能完全回收热。现在都是一些大型合成氨厂用该法对热量进行回收。2.5氨合成工艺的选择 氨合成的生产工艺条件的选取要实现产量高，消耗低，工艺简单，设备便宜，操作简单及安全可靠等特点。因此做到以下三点：对氨的合成

50、和分离有利；对催化剂保护及寿命的延长有利；对余热回收利用有利。 因此，氨合成方法的选取要考虑到压力、合成塔的结构型式及其热回收方法。增加压力，有利于反应的平衡和速率。中压法有成熟的技术还经济性。在1530Pa的范围内，功耗的区别很小，因此采用中压法合成氨技术非常普遍。通常，中小型氮肥厂用32MPa ,大型厂用1020MPa。 回收合成反应热是节能的途径之一，是必不可少的。不仅要增加热回收率,多产蒸汽, 还要增加回收蒸汽的压力和过热度。高压过热蒸汽的价格较贵,投入较大,要依据整体流程来统一考虑。 综上所述，该设计使用32Mpa的中压法。用预热反应前的氢氮混合气和副产蒸汽的方法回收热量，而塔型的选

51、择见设备选型部分。2.6 生产流程简图合成塔水冷器热交换器废热锅炉放空油分离器循环机冷交换器氨分离器新鲜气弛放液氨储槽氨冷器 图2.1工艺流程图第三章 工艺计算3.1 已知条件（1）产量190kt/a，年生产时间扣除检修时间后按300天计，则产量为：26.39t/h （2）新鲜补充气组成表3.1新鲜补充气组成组分H2N2CH4Ar 总计含量（%）73.5 251.2 0.3100（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=13.2%（5）合成塔入口惰性气体含量：CH4 +Ar=18%（6）合成塔操作压力：32Mpa（7）精练气温度：3515：精炼气 612.

52、14.17.18：合成气 13：放空气 20：弛放气 15.16.19.21：液氨 图3.1 计算物料点流程3.2 物料衡算3.2.1 合成塔物料衡算（1）合成塔入口气组分： 入塔氨含量: y5NH3=2.500； 入塔甲烷含量：y5CH4=181.2/（0.3+1.2）100=14.400； 入塔氢含量：y5H2=100-（18+2.5）3/4100=59.625； 入塔氩含量：y5Ar=18-14.4=3.600； 入塔氮含量：y5N2=100-（18+2.5）1/4100=19.875表3.2 入塔气组分含量 NH3CH4ArH2N2小计2.50014.4003.60059.62519.

53、875100 （2）合成塔出口气组分： 以1000kmol/h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+y8NH3)=1000(0.132- 0.025)/(1+0.132)=94.523kmol 出塔气量: M8=入塔气量生成氨含量=1000-94.523=905.477kmol 出塔氨含量： y8NH3=13.200 出塔甲烷含量：y8CH4=(M5/M8)y5CH4=(1000/905.477)14.4=15.903 出塔氩含量： y8Ar=(M5/M8)y5Ar=1000/905.4773.6=3.976 出塔氢含量： y8

54、H2=3/4(1-y8NH3-y8CH4-y8Ar)100=3/4(1-0.132-0.15903-0.03976)100=50.1908 出塔氮含量： y8N2=1/4(1-0.132-0.15903-0.03976)100=16.7302表3.3 出塔气体组分含量NH3CH4ArH2N2小计13.215.9033.97650.190816.7302100 （3）合成率： 合成率=2MNH3/M5(1-y5NH3-y5CH4-y5Ar)100 =294.523/1000(1-0.025-0.18)100=23.7793.2.2氨分离器气液平衡计算表3.4 已知氨分离器入口混合物组分mNH3m

55、CH4mArmH2mN2小计0.1320.159030.039760.5019080.1673021.00000 查t=35，P=29.1MPa时各组分平衡常数：表3.5 各组分平衡常数KNH3KCH4KArKH2KN20.0988.20028.20027.50034.500 设（V/L）=19.7时，带入L(i)=m(i)/1+(V/L)K(i)=L(i): LNH3=mNH3/1+(V/L)KNH3=0.04504kmol LCH4= mCH4/1+(V/L)KCH4=0.00098kmol LAr=mAr/1+(V/L)KAr=7.14e-5kmol LH2=mH2/1+(V/L)KH2

56、=0.00092 kmol LN2=mN2)/1+(V/L)KN2=0.00025kmol L总= L(NH3)+ L(CH4)+ L(Ar)+ L(Ar)+ L(H2)+ L(N2)=0.04719kmol 分离气体量：V=1-L=1-0.04719=0.95281kmol 计算气液比：（V/L）=0.95281/0.04719=20.2 误差（V/L）-（V/L）/（V/L）=（19.70-20.2）/19.70100=-2.5，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/L=0.04504/0.04719100=95.444 液体中氩含量： xAr=L

57、Ar/L=0.000013/0.04719IOO=0.001 液体中甲烷含量：xCH4=LCH4/L=0.00098/0.04719100=2.077 液体中氢含量: xH2=LH2/L=0.00092/0.04719100=1.949 液体中氮含量： xN2=LH2/L=0.00025/0.04719100=0.529表3.6 氨分离器出口液体含量NH3CH4ArH2N2小计95.4442.0770.0011.9490.529100.00 分离气体组分含量： 气体氨含量： yNH3=mNH3-LNH3/V=9.13 气体甲烷含量： yCH4=mCH4-LCH4/V=16.59 气体氩含量：

58、yAr=mAr-LAr/V=4.17 气体氢含量： yH2=mH2-LH2/V=52.58 气体氮含量： yN2=mN2-LN2/V=17.53表3.7 氨分离器出口气体含量NH3CH4ArH2N2小计9.1316.594.1752.5817.53100.003.2.3冷交换器气液平衡计算查t=-10，p=28.3MPa的平衡常数：表3.8 各组分的平衡常数KNH3KCH4KArKH2KN20.025427517580 冷交换器出口液体组分含量： 出口液体甲烷含量： xCH4=yCH4/ KCH4=0.533 出口液体氨含量： xNH3=yNH3/ KNH3=98.423 出口液体氩含量： xAr=yAr/ KAr=0.002 出口液体氢含量： xH2=yH2/ KH2=0.795 出口液体氮含量: xN2=yN2/ KN2=0.247表3.9 冷交换器出口液体组分含量NH3CH4ArH2N2小计98.4230.5330.0020.7950.247