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1、河南城建学院专科毕业设计（论文） 绪论1年产三十万吨合成氨合成工段工艺设计1.绪论1.1 合成氨简介在高温高压和催化剂存在的条件下，将精制的氢氮混合气直接合成为氨，然后将所得的气氨从未合成的为氨的混合气中冷凝分离出来。由于受反应平衡影响，氢氮混合气不能全部转化为氨，反应后气体中一般只有 10%-20%，通常采用冷冻的方法将已合成的氨分离，然后在未反应的氢氮混合气中补充新鲜气进行循环反应。氨合成反应是一个放热反应，而氨分离过程又要消耗大量的冷量。在氨合成系统中合理设计回收反应热的设备，可降低冷量的消耗。氨合成工段的生产状况直接影响到合成氨厂生产成本的高低，它是合成氨厂节能减排的关键工序之一。根据
2、合成氨反应中采用的压力、温度及催化剂型号的不同，氨合成的方法可以分为低压法（15-20MPa） 、中压法(20-32MPa)和高压法三种。目前合成氨厂普片采用的采用的是低压法和中压法。1.2 合成氨概况合成氨是重要的无机化工产品之一，最早是由德国化学家哈伯于 1902 年研究出来的，其原理是由氮气和氢气在一定条件下直接合成氨，并于 1908 年申请专利。后来，他继续研究，于 1909 年改进了合成技术，使氨的含量达到 6%以上。合成氨工业起初是因为制作炸药而被重视，在 20 世纪初期形成规模，为战争服务;第一次世界大战结束后,转向为农业、工业服务。随着科学技术的发展，对合成氨的需要量日益增长。
3、20 世纪 50 年代后氨的原料构成发生重大变化，近数十年来合成氨工业发展很快，大型化、低能耗、清洁生产成为合成氨装置发展主流，技术改进主要方向是研制性能更好的催化剂、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。合成氨工业已有一个世纪的历史，在国民经济中占有重要地位。合成氨在农业上有非常重要的地位，氮肥，尿素、硝酸铵、磷酸铵、氯化铵以及各种含氮复合肥，都是以氨为原料的。同时，合成氨也是大宗化工产品之一，世界每年合成氨有 80%用来生产化学肥料，20%作为其它化工产品的原料。据 IFA 全球合成氨产能的调查，统计从2007 年的 1.763 亿吨 NH3 已增
4、加到 2012 年的 4.652 亿吨 NH3，增加量的三分之河南城建学院专科毕业设计（论文） 绪论2一将通过产能改造实现，其余三分之二将通过全球范围内近 50 套生产装置的开车实现，其中有一半来自中国。2008 年中国合成氨新建或拟建项目产能达 300 万吨，其中平安化肥有限责任公司设计年产合成氨 15 万吨、硝铵 30 万吨，项目总投资 8 亿元，建设周期为 2009 年-2010 年；潞安矿业集团有限责任公司计划投资年产合成氨 30 万吨建设周期为 2009-2011 年，总投资为 28 亿元；中国石油青海油田分公司投资建设年产合成氨 45 万吨，前期工作已开始，项目总投资 25 亿元；
5、山西同德化工股份有限公司 08 年投资建设年产合成氨 18 万吨、硝酸铵 10 万吨、甲醇 3 万吨、尿素 22 万吨。山西省临汾市建设年产 18 万吨合成氨、年加工 30 万吨尿素的生产装置。 该项目建设周期为 2008 年-2010 年，项目总投资为 8.4399 亿元；安徽三星化工有限责任公司投资 年产 50 万吨合成氨 100 万吨尿素 6 万吨三聚氰胺工程。2009 年初年国务院研究通过保障化肥生产供应，促进化肥行业改革和发展的政策，标志着国内化肥市场化改革的正式启动，国家对支持农业生产、保障粮食安全给予了极大的重视，为了调动农民的种田积极性，各项农资补贴大幅度提高。这些政策不但调动
6、了农民种田、购肥的积极性，也成为支撑化肥市场的信心，国内化肥市场产能大量释放。春节过后，随着供电和运输逐步恢复，尿素和硝酸企业开始复工或加大生产负荷，春季用肥季节的逐渐临近，各地尿素市场开始出现回暖，对合成氨市场需求也逐渐上升，来自 chemsino 分析预测,09 年合成氨市场仍将保持稳定 ，新建装置项目计划延展受到国家产业政策的鼓励，当前我国尿素供应依旧紧张，今后 5-10 年内，我国尿素的需求将增加 1000万吨以上，合成氨行业景气度依旧看好。1.3 合成氨工业的发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,从煤制氨路线重新受到重视
7、,但因以天然气为原料的合成氨装置投资低、能耗低、成本低的缘故，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 合成氨成本中能源费用占较大比重，合成氨生产的技术改进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。如果在合成氨原料气脱河南城建学院专科毕业设计（论文） 绪论3除二氧化碳过程中能联合生产这些产品，则可以简化流程、减少能耗、降低成本。1.4 合成氨的工
8、艺流程 合成氨的主要原料可分为固体原料、液体原料和气体原料。经过近百年的发展，合成氨技术趋于成熟，形成了一大批各有特色的工艺流程，但都是由三个基本部分组成，即原料气制备过程、净化过程以及氨合成过程。由于本设计主要研究氨合成过程中的合成工段，所以对于原料制备和气体净化过程不做介绍，以免影响读者参阅，如有兴趣可查看其相关资料。氨合成是将纯净的氢、氮混合气加压到高压，在催化剂的作用下合成氨。氨的合成是提供液氨产品的工序，是整个合成氨生产过程的核心部分。氨合成反应在较高压力和催化剂存在的条件下进行，由于反应后气体中氨含量不高，一般只有 10%20%，故采用未反应氢氮气循环的流程。氨合成反应式如下：N2
9、+3H22NH 3(g) H =-92.4kJ/mol1.5 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，工艺流程及设备结构简单，操作方便及安全可靠等要求。决定生产条件最主要的因素有操作压力、反应温度、空间速度和气体组成等。氨合成反应是气体体积缩小的反应，提高压力有利于反应平衡向右移动。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应的平衡和反应速度都有利，在一定空速下，合成压力越高，出口氨浓度越高，氨净值越高，合成塔的生产能力也越大。氨合成压力的高低，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、循环气压缩功和氨分离的冷冻功。提高
10、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分离，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，高压下反应温度一般较高，催化剂使用寿命也比较短，操作管理比较困难。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 1532MPa。合成氨反应是一个可逆放热反应，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应温度。实际生产中还要考虑反应速率的要求。为了提高反应速率
11、，必须使用催化剂才能实现氨合成反应。而催化剂必须在一定的温度范围内才具有活性，所以氨合成河南城建学院专科毕业设计（论文） 绪论4反应温度必须维持在催化剂的活性范围内。合成氨生产所用的催化剂活性温度在 400500 。反应温度不能低于活性温度，在活性温度范围内选用较低温度，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应速率的温度，即最佳温度。就整个反应过程来说，随着反应的进行，转化率不断增加，最佳温度随转化率增加而降低。在实际生产中，应尽可能沿着最佳温度曲线进行。反应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较高，可采用较低的温度。在中
12、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。本设计采用冷凝法。一般含氨混合气体的冷凝分离是经水冷却器和氨冷嚣二步实现的。液氨在氨分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，冷凝过程中溶解在液氨中的氢、氮及惰性气体大部分可减压释放出来。1.6 合成工段工艺流程简述由高压机送来的新鲜气与冷凝塔一次出口循环气混合送入氨冷器，在氨冷器内，气体走管内，液氨走管外，由于液氨的蒸气吸取热量，气体被进一步冷却，并使气体中部分气氨冷凝管外蒸气的气氨经沫除器分离掉液氨后，去氨气柜或硝铵车间。氨的高压混合气，自氨冷器出来
13、，进入冷凝塔下部的氨分离器，分离液氨,除氨后的混合气，再经过冷凝塔上部的热交换器与循环机气体换热，二次出冷凝塔。自冷凝塔二次出口的循环气其中一部分进入合成塔上部一次入口，气体沿着内件与外箱间环隙向下冷却塔壁后，进入下部换热器管外，另一部分循环气直接进入塔外气-气换热器冷气入口，通过管外并与管内废锅口出来气体换热后，设有副线气流分成四股，其中二股作为冷凝气分别从塔顶进入菱形分布器和层间换热器，一股为塔底副线，另一股进入合成塔下部二次入口与一次入口气体混合，通过下部热交换器与管内气体换热后与塔底副线气混合，由内中心管进入第一轴层反应，反应后气体与塔顶引入的第一冷凝气混合进入第二轴向层反应气体进入层
14、间换热器管内与第二冷凝气换热降低气体温度进入径向层，第二冷凝气换热后提高自身温度进入外中心管与内中心管，气体混合进入第一轴向层，径向层自里向外径向流出，通过整个触媒层进入下部换热器管内，与管外换热后出塔进入废锅炉，与脱氧水换热副产品，0.8MPa 的蒸汽,气体温度降低到217 以下 ,进入气-气换热器,气流经与管外气体换热器降温后进入水冷器,后河南城建学院专科毕业设计（论文） 绪论5进入循环机,补充压力,经滤油器除去油圬后,进入冷凝塔上部的热交换器,出热交换器后与新鲜气混后开始下一个循环。河南城建学院专科毕业设计(论文) 工艺设计62 工艺计算2.1 物料衡算2.1.1 计算依据（1） 产量：
15、W=37.88t /h3NH（2） 催化剂用量： 70m3（3） 精炼气成分见下表表 1 精炼气成分组分 H2 N2 CH4 AR 合计摩尔分数73.16 25.17 1.29 0.38 100.000（4） 合成塔入口氨含量：NH 3 入 =2.00%合成塔出口氨含量：NH 3 出 =17.00%合成塔入口惰性气体含量：AR +CH 4=18.00%（5） 合成塔操作压力：30 （设备及管道造成的压力降；设备及管道aMp的冷热量损失;冷交换器及氨冷器中溶解在液氨中的气量均忽略不计）（6） 精炼气温度：35 （7） 水冷器冷却水温度：25（8） 循环机进出口压差：2.97 MPa（9） 年工作日：330 天（10） 计算基准：生产一吨液氨。河南城建学院专科毕业设计(论文) 工艺设计72.1.2 计算物料点流程图 1 物料恒算流程图2.1.3 合成塔入口气组分由计算依据得：入塔氨含量： y5 NH3=2.000%入塔甲烷含量：y 5 CH4=18.00% =15.19%38.029.1入塔氩含量： y5AR
