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1、年产30万吨合成氨工程设计 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。本设计是以煤为原料年产三十万吨合成氨转变工序的设计。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。设计采用的工艺流程简介：采用煤造气出来的半水煤气，通入变换炉，采用煤气冷激及蒸汽换热的方式，使半水煤气在催化剂的作用下大部分CO和水蒸气反应获得H2，使CO降到合格水平。本设计综述部分主要阐述了国
2、内外合成氨工业的现状及发展趋势，介绍了合成氨的各个工序流程。工艺计算部进行了一氧化碳变换工序的物料衡算、热量衡算。设备计算部分主要是高变炉催化剂用量的具体计算，以及热水塔和换热器的计算。本设计的优点在于选择较为良好的厂址和原料路线，确定良好的工艺条件、合理的催化剂和能源综合利用。关键词：合成氨,水煤气,变换目 录摘 要I第1章 绪论11.1氨的性质、用途及重要性11.1.1氨的性质11.1.2氨的用途及在国民生产中的作用11.1.3产品世界产业状况21.2产品的市场需求预测21.3 产品价格分析31.4 项目内容31.4.1项目名称、地址、承办单位及性质31.4.2项目编制的依据和原则41.4
3、.3项目背景41.5 原料的选择41.6 以煤为原料的合成氨厂总体流程选择51.7 常压气化主要工艺选择61.7.1 造气61.7.2 变换61.7.3 脱CO271.7.4 净化71.7.5 合成氨71.7.6 结论71.8 项目意义8第2章 一氧化碳变换系统计算82.1 主要参数82.1.1参考操作指标82.1.2设计参数的规定102.2 中变炉工艺条件计算102.2.1中变炉一段出口温度t1的确定102.2.2中变炉生口温度的确定122.2.3中变炉二段出口温度的计算122.2.4出二段气体的组成含量132.2.5中变炉三段出口温度的计算132.3中变炉的热量衡算152.3.1热量平衡量
4、152.3.2喷淋水冷激段（一二段间）162.3.3二段162.3.4喷水冷激段（二、三段）162.3.5三段162.4 主热变换器的物热衡算162.4.1物料衡算162.4.2热量衡算172.5 低变炉工艺条件计算182.5.1低变炉出口温度t出计算182.5.2低变炉出口组成和量计算182.5.3热量衡算192.6 第一水加热器物热衡算192.6.1蒸汽露点温度115192.6.2第一热水塔出水绝热饱和温度ts192.6.3物料衡算202.6.4热量衡算202.7 饱和塔的物热衡算212.7.1物料衡算212.7.2热量衡算212.8 热水塔的物料衡算222.8.1物料衡算222.8.2热
5、量衡算222.8.3出热232.9 二水加热器的物热衡算242.9.1物料衡算242.9.2热量衡算242.9.3出热24第3章 公用工程设施253.1 公用工程方案253.2 给排水25结论26参考文献27附录 A28附录 B32附录 C33附录 D34附录 E35附录 F36致谢37第1章 绪论 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
6、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
7、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
8、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。1.1.3产品世界产业状况据统计，世界合成氨产能已超过1.76亿吨/年，主要生产能力分布情况：美国1000万吨/年、加拿大520万吨/年、墨西哥291万吨/年、南美地区856万吨/年(其中特立尼达453万吨/年)、西欧1218万吨/年、东欧3333.4万吨/年、中东/非洲1560.2万吨/年、亚太地区8720万吨/年。合成氨按终端用途来分，约85%-90%的合成氨用作化肥：液态氨、
9、硝酸铵、尿素或其他衍生物，仅13%用于其他商品市场。据美国SRI咨询公司指出，近年来部分产能关闭使世界合成氨供需平衡得到稳固。由于美国天然气价格持续居高位使合成氨行业盈利困难，美国一些公司均关闭了产能。总部位于纽约的J.P. Morgan公司咨询师David Silver指出，世界合成工业已经走出困境，仍在复苏之中，由于需求强劲增长，加上产能增加很少推进复苏，另外北美产能关闭使得全球合成氨开工率维持在85%以上，并使生产商有条件抬高价格。由于北美地区天然气原料价格走高，过去5年美国有相当数量的合成氨产能被永久关闭，合成氨生产正向天然气低价格地区转移，将集中在中东、北非和特立尼达。随着天然气价格
10、不断上涨，欧洲已成为世界上生产成本最高地区，相当数量的产能也正经受考验。 1.2产品的市场需求预测由于因地球变暖而导致的气候异常现象、新兴国家内需增长、将粮食转用于生物燃料等原因，导致全球性粮食价格高涨。在这种背景之下，用于肥料原料的氨便被视为粮食供给中重要的战略物资。目前全球氨的生产量约为1亿5000万吨。一提到氨，人们首先想到的便是刺鼻的味道，除此之外对氨似乎并不了解。事实上，将近80%的氨被用于肥料原料，其余大约20%被用于生产合成树脂或纤维。肥料的三大要素是氮、磷、钾，将氮用于肥料时需要对空气中的氮气进行固化。唯一的工业生产方法便是使氮气与氢相结合生成氨，这种方法早在大约100年前被发
11、明，而且一直沿用至今。换言之，只有氨才能提供氮成分，氨是化学肥料中必不可缺的原料。自不待言，肥料对农业生产而言是至关重要的。由于世界人口数量的增加、耕地面积的减少以及新兴国家饮食文化水平的提高，为了解决粮食不足的问题，就要提高单位面积的农作物的产量。为了实现这一目的，适宜地使用肥料至关重要。在上述背景之下，今后氨的年需求量增长比例预计将达到34%。尤其是面临粮食危机的亚洲、中南美以及非洲的需求量增长是毋庸置疑的。我国经济市场的逐渐复苏是市场发展的主要动力，2010年随着液氨下游市场的形式转好，主要是非化肥行业用氨情况的好转，液氨行业是一个快速发展的阶段。目前我国的农业用氨一年基本固定在（合成氨
12、量）3500万吨，按我国基本的合成氨量在5000万吨左右，其中有1500万吨要应用在非化肥行业以及化肥出口的方面。一、化肥消耗液氨的情况：作为商品氨的主要发展基石，化肥用商品氨依然是液氨行业的基础，包括复合肥、尿素等外购氨。每年平均消耗液氨在550-600万吨之间。2007-2008年，我国的化肥出口政策呈现内紧的形式，国家一度对化肥出口征收150%的临时关税，这在客观上大大限制了化肥企业的生产情况，也对液氨市场造成了直接的影响，一度液氨价格降到了1500元/吨的水平。 2009年底，国家取消了化肥出口的关税限制。预计2010年我国化肥出口要有一个质的增长，这在客观上要大大带动液氨市场的快速流
13、通。如果化肥行业的出口一经启动，液氨市场的基础会有一个稳定快速的增长。我国化肥在国际市场上价格还占一定的优势，尤其是东南亚的市场。2010年我国化肥出口按保底的500万吨（N折纯计算），那要带动液氨市场的300万吨左右的市场增量，这个增量足以改变目前主要液氨产地液氨市场的变化格局。化肥市场的变化是呈现一个周期的变化，2010年是我国经济持续转好的关键一年，国家对经济的预测以及实际的刺激经济增长的力度都是很大的，农业是我国经济发展的基础，粮食的安全历来是我国上层领导极为重视的内容。作为和农业息息相关的化肥行业，一直是我国重要的基础行业。3500万吨的合成氨消耗量，在2010年只会增长。二、非化肥
14、行业消耗液氨情况：液氨行业的基础是化肥行业，液氨行业的推进剂是非化肥行业。重点在氨基酸、谷氨酸、冶炼、制冷、小化工等行业当口。这些行业对液氨的需求是液氨行业的利润点以及增长点。这些行业受2008年以来的金融危机的影响，2009年一直处于复苏的过程。2010是这些行业真正恢复的年份，2009年以来国家在经济政策方面的大力度的政策刺激，在2009年底已经有了一个明显的趋势。例如2009年12月份的液氨平均价格。较8-11月份的价格，整整增加了20%。液氨下游市场的吸货量有了一个明显的提升2。1.3 产品价格分析2010年是液氨市场全面恢复的一年，价格有受供需形势的可能有大幅度的波动，产量会有很大的
15、增长。我国目前的液氨行情正恢复前些年的行情，随着我国经济形势的逐渐好转，合成氨行业也借助经济的复苏，发生着明显的变化。2010年一月份，我国液氨价格普遍上涨。四川地区一度上涨到3000元/吨，涨幅达到1000元左右.市场的行情随着下游化肥市场以及小化工市场的启动也逐步显示出强劲的提升趋势。价格的变化只是一个价值规律的体现，还不能实质表现出整体市场的变化。在价格提升的同时，液氨的产量也发生着明显的增长。下游市场对液氨的需求活跃程度日渐增加。去年，一年的时间液氨市场都在动荡中起伏，市场的最低价格达到1500元/吨；2010年第一季度各个方面都显示出液氨整体市场趋好的变化3。1.4 项目内容1.4.1项目名称、地址、承办单位及性质项目名称：年产30万吨合成氨工程设计地址：黑龙江省鹤岗市工业区性质：新建项目1.4.2项目编制的依据和原则编制依据：（1） 教材化工设计中的设计指导（2） 当前国家重点鼓励发展的产业、产品和技术目录（3） 中华人民共和国环境保护法（4）
