化工综合设计 合成氨过程设计

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1、化工过程分析与优化课程设计化工过程分析与优化课程设计 合成氨过程设计 教 学 院：化工与生物技术学院 专业：化学工程与工艺 班级：化工 1001 姓名： 学号：10110107 指导老师：潘高峰 吉林化工学院化工综合设计 I 目录目录 第一章概述.1 1.1 氨的性质.1 1.1.1 氨的物理性质1 1.1.2 氨的化学性质1 1.2 氨的主要用途. 1 1.2.1 农业方面1 1.2.2 工业方面1 1.2.3 军事方面2 1.2.4 医学方面2 1.3 合成氨工业发展概况2 1.4 合成氨的意义. 2 第二章 对合成氨过程分析.2 2.1 氨合成生产基本过程及生产方法 2 2.1.1 氨合

2、成生产基本过程3 2.1.2 氨合成的基本生产方法3 2.2 合成氨工艺流程.4 2.2.1 天然气压缩及脱硫4 2.2.2 一段转化4 2.2.3 工艺空气压缩4 2.2.4 二段转化5 2.2.5 变换5 2.2.6 二氧化碳脱除5 2.2.7 甲烷化5 2.2.8 干燥5 2.2.9 深冷净化5 2.2.10 合成气压缩6 2.2.11 氨合成6 2.2.12 冷冻6 2.3 原料气预处理6 2.4 合成氨污染来源分析7 2.4.1 合成氨废气治理8 2.4.2 合成氨污水治理技术8 2.4.3 合成氨废渣处理9 2.5 流程简述.9 第三章 设备平面布置10 3.1总平面布置的基本原则

3、.10 3.1.1.10 吉林化工学院化工综合设计 II 3.1.2.10 3.1.3.10 3.1.4.10 3.1.5.10 3.1.6.10 3.1.7.10 3.1.8.11 3.1.9.11 3.2 总平面布置概述.11 3.2.1 生产区布置11 3.2.2 辅助车间布置11 3.2.3 运输设备布置11 3.2.4 堆场和仓库11 3.2.5 行政管理机构和福利区12 3.2.6 绿化和美化区12 3.3 设备一览表13 第四章总结.14 4.1 流程.14 4.2 体会.14 结束语.15 参考文献.16 吉林化工学院化工综合设计 1 合成氨过程设计合成氨过程设计 第一章第一章

4、概述概述 1.1 氨的性质氨的性质 1.1.1 氨的物理性质氨的物理性质 在常温常压下， 氨是一种具有特殊刺激性气味的无色气体， 有强烈的毒性。 空气中含有0.5% （体积分数）的氨，就能使人在几分钟内窒息而死。在0.1MPa、-33.5，获在常温下加压到 0.70.8MPa，就能将按变成无色的液体，同时放出大量的热量。氨的临界温度为132.9，临界 压力为11.38MPa。液氨的现对密度为0.667（20） 。液氨容易气化，降低压力可急剧蒸发，并吸 收大量的热。氨极易溶于水，可制成含氨15%30%（质量分数）的商品氨水。氨溶解时放出大 量的热。氨的水溶液呈弱碱性，易挥发。 1.1.2 氨的化

5、学性质氨的化学性质 氨的化学性质较活波，能与酸反应生成盐。如与磷酸反应生成磷酸铵；与硝酸反应生成硝 酸铵；与二氧化碳反应生成氨基甲酸铵，脱水后成为尿素；与二氧化碳和水反应生成碳酸氢铵 等。在有水的条件下，氨对铜、银、锌等金属有腐蚀作用。 氨自燃点为630，氨与空气或氧铵一定比例混合后，遇火能爆炸。常温常压下，氨在空气 中的爆炸范围为15.5%28%，在氧气中为13.5%82%。 1.2 氨的主要用途氨的主要用途 1.2.1 农业方面农业方面 制造化学肥料的原料除液氨本身可作为化学肥料外，农业上使用的所有氮肥、含氮混合肥 和复合肥，都以氨为原料。 1.2.2 工业方面工业方面 生产其他化工产品的

6、原料基本化学工业中的硝酸、纯碱、含氮无机盐，有机化学工业 中的含氮中间体，制药工业中的磺胺类药物、维生素、氨基酸、化纤和塑料工业中的己内酰胺； 乙二胺、甲苯二异氰酸酯、人造丝、丙烯腈等都需要直接或间接地以氨为原料。 吉林化工学院化工综合设计 2 1.2.3 军事方面军事方面 应用于国防工业和尖端技术中作为制造三硝基甲苯、三硝基苯酚、硝化甘油、硝化纤维等 多种炸药的原料；作为生产导弹、火箭和推进剂和氧化剂。 1.2.4 医学方面医学方面 应用于医疗、食品行业中作为医疗食品行业中冷冻、冷藏系统的制冷剂。 1.3 合成氨工业发展概况合成氨工业发展概况 合成氨工业化发展自从1913年在德国奥堡巴登苯胺

7、纯碱公司建成了世界上第一个日产30t 的合成氨工厂至今已有90多年的历史。合成氨工业化开始以后30年，产量增长缓慢。到而二次 世界大战结束以后，伴随天然气、石油的大量开采，开始大幅度提高。尤其是在多种催化剂的 开发，反应热的回收与利用更加合理，大型技术工程技术的日益完善和规范下。 我国合成氨工业于20世界30年代起步，1941年，最高年产量不过50kt。新中国成立后，经 过数十年的努力，已形成了遍布全国、大中小型氨厂并存的氮肥工业布局，1999年合成氨产量 为34310kt，排名世界第一。 合成氨装置先后经过油改煤、煤改油、油改气和无烟煤改粉煤等多次反复的原料路线改造 和节能改造。但由于装置原

8、料路线、资源供应、运输、资金与技术成熟度等诸多方面原因，合 成氨节能技术改造的效果始终未能达到预期目标。到2004年底，合成氨单位能耗平均为1700kg 标煤/t，吨氨平均能耗水平与国际先进水平相差600700kg 标煤。 1.4 合成氨的意义合成氨的意义 氨是最为重要的基础化工产品之一，其产量居各种化工产品的首位;同时也是能源消耗的 大户，世界上大约有10 %的能源用于生产合成氨。氨主要用于农业，合成氨是氮肥工业的基础, 氨本身是重要的氮素肥料，其他氮素肥料也大多是先合成氨、再加工成尿素或各种铵盐肥料， 这部分约占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

9、 原料,用于生产铵、胺、染料、炸药、制药、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” 。未来合成氨技术进展的主要趋势是“大型化、低能耗、结构调整、 清洁生产、长周期运行” 。 第二章第二章 对合成氨过程分析对合成氨过程分析 2.1 氨合成生产基本过程及生产方法氨合成生产基本过程及生产方法 生产合成氨，必须制备含有氢和氮的原料气。 氢气来源于水蒸气和含有碳氢化合物的各种燃料。目前工业上普遍采用焦炭煤、天然 吉林化工学院化工综合设计 3 气、轻油、重油等燃料，在高温下与水蒸气反应的方法制氢。 氮气来源于空气，可以在低温下将空气液化分离而得，也可在制氢的过程中加入空气，将

10、 空气中的氧与可燃性物质反应而除去，剩下的氮与氢混合，获得氢氮混合气。 2.1.1 氨合成生产基本过程氨合成生产基本过程 合成氨的生产过程包括以下三个主要步骤。 第一步，原料气的制取。制备含有氢气、一氧化碳、氮气的粗原料气。一般由造气、 空分工序组成。 第二步，原料气的净化。除去粗原料气中氢气、氮气意外的杂志。一般由原料气的脱硫、 一氧化碳的变换、二氧化碳的脱除、原料气的精致工序组成。 第三步，原料气的压缩与合成。将符合要求的氢氮混合器压缩到一定的压力后，在高温、 高压和有催化剂的条件下，将氢氮气合成为氨。一般由压缩、合成工序组成。 生产合成氨的基本过程可用下列方框图表示： 2.1.2 氨合成

11、的基本生产方法氨合成的基本生产方法 合成氨的生产方法，一般包括三个基本过程。第一步，原料气的制取与净化；第二步，氨 的合成；第三步，氨的分离。 图 2.1合成氨主体单元流程 原料 造气工序脱硫工序 CO 变换工序 产品氨合成工序 压缩工序 精制工序脱碳工序 S6 S5 S4 S3 S2S2S1 原料 油分离器 冷热交换器氨合成塔 水冷器 氨分离器 液氨 循环压缩机 氨冷器液氨 吉林化工学院化工综合设计 4 2.2 合成氨工艺流程合成氨工艺流程 各合成氨工艺流程大同小异，大致包括：天然气压缩及脱硫、一段转化、工艺空气压 缩、二段转化、一氧化碳变换、二氧化碳脱出、甲烷化、干燥、深冷净化、压缩、氨合

12、成及冷 冻等工段（如图2.2） 。 图2.2 合成氨工艺流程图 下面分别简要介绍一下各个工段。 2.2.1 天然气压缩及脱硫天然气压缩及脱硫 合成氨原料气为从天然气公司送来的经过湿法脱硫的以甲烷为主的天然气，还含有一定量 的硫化氢和有机硫化物，这些都会使合成氨一系列催化剂中毒失去活性。为了减小设备体积和 便于输送，原料气需要经过压缩到一定压力后送出。经过三段压缩、冷却和分离，一部分原料 气从压缩机二段段间抽出，用作燃气透平的燃料，一部分进入脱硫工序。原料气氧化锌干法精 脱硫分三步完成。经过过滤和压缩的原料气通过氧化锌分子筛床层，即可脱除全部硫化氢和硫 醇；脱除硫化氢和硫醇的原料气还含有少量的氧

13、硫化碳和二硫化碳，与来自合成回路的少量氢 混合，并分两步加热后，再经过钴一钼催化加氢的过程转化为硫化氢；出钴一钼加氢器后，原 料气中所生成的硫化氢，在氧化锌保护床被立即脱除。 2.2.2 一段转化一段转化 脱硫后的原料气与水蒸气按气(水蒸气)碳(甲烷)比为27的比例混合后进入一段转化炉， 转化反应使水蒸气与碳氢化合物在催化剂作用下发生反应生成氢气和碳氧化物。一段转化炉出 口气中有大约30(摩尔，干基)左右未转化的甲烷，该出口气送至二段转化炉的项部。 2.2.3 工艺空气压缩工艺空气压缩 工艺空气压缩机向二段转化炉提供工艺空气，并向合成氨装置提供仪表空气 原料气压 缩及脱硫 一段转化 二段转化

14、工艺空 气压缩 一 氧 化 碳变换 二 氧 化 碳脱出 甲烷化 干燥 深冷净化 压缩氨合成氨冷冻 吉林化工学院化工综合设计 5 和公用空气。工艺空气经过虑压缩并在一段转化炉对流段进一步加热后，进入二 段转化炉。 2.2.4 二段转化二段转化 压缩工艺空气在一段转化炉对流段预热后送入二段转化炉。在二段转化炉的上段，空气中 的氧气与一段转化炉出口气反应， 生成碳氧化物和水； 放出的大量热能使气体温度升高到800 左右；空气中带来的氮气作为合成氨的原料。燃烧后的气体混合物向下通过镍转化触媒层，在 此高温和催化剂作用下，将更多的甲烷转化为氢和碳氧化物。在传统的二段转化炉内，空气量 是按在合成气中的氢氮

15、比为3:1来控制的。深冷净化工艺使用大约50的过量空气。过量的空 气增加了反应热。另外，残余甲烷含量比传统的0.250.30要高的多。这就减轻了转化条 件的苛刻性，并降低了二段转化炉的出口温度。 2.2.5 变换变换 二段转化炉出口气经废热锅炉回收热量后，在388左右进入高温变换催化剂床层。在此， 一氧化碳与水蒸气反应生成二氧化碳和氢。然后，该气体再经过低温变换触媒，大部分剩余的 一氧化碳转化为二氧化碳，一氧化碳的含量降至 O37。此后，该低温交换炉出口气就 N-氧 化碳脱除系统。 2.2.6 二氧化碳脱除二氧化碳脱除 冷却后的工艺气体进入二氧化碳吸收塔。在此，用苯菲尔溶液洗涤以脱除其 中绝大

16、部分的二氧化碳，使二氧化碳在合成其中的含量降到800PPM 以下。 2.2.7 甲烷化甲烷化 此时，合成气中氢气(65.41)、氮气(31.86)、甲烷(1.80)、二氧化碳(0.08)、一 氧化碳(0.44)以及氩(0.41)等，其中二氧化碳和一氧化碳需要在这里重新转化为对合成催 化剂无毒的甲烷。从二氧化碳吸收塔顶部出来的气体，流经甲烷化炉，在这里剩余的碳氧化合 物和氢在镍催化剂上反应，生成甲烷和水。 2.2.8 干燥干燥 甲烷化炉出121气，其中含有氢气(64.82)、氮气(32.39)、甲烷(2.36)、和氩 (0.43)，经过换热降温后，该工艺气体中绝大部分的水冷凝，冷却后的工艺气体被送到干燥 分子筛。 2.2.9 深冷净化深冷净化 干燥器出口气在深冷净化装置中与合成气及净化装置废气换热，冷却至零下 吉林化工学院化工综合设计 6 129，使工艺气产生部分液化。然后该气液混合物流经一个膨胀机以除去能量， 从而产生深冷净化装置所需的冷冻量。膨胀机出口气经过换热进一步冷却并部分 冷凝，使温度降至零下175，然后进入净化器精馏塔。