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1、课 程 设 计 开 题 报 告设计题目 年产5万吨合成氨合成工段工艺设计学生姓名 学 号 专业班级 指导教师 时 间 20 年 月 日 1. 项目背景：国内外的研究现状和发展趋势我国的氮肥工业自20世纪50年代以来，不断发展壮大，目前合成氨产量已跃居世界第一位，现已掌握了以焦炭、无烟煤、焦炉气、天然气及油田伴生气和液态烃多种原料生产合成氨、尿素的技术，形成了特有的煤、石油、天然气原料并存和大、中、小生产规模并存的生产格局。目前我国合成氨氮肥厂有大中小型氮肥装置近千个，大型氮肥装置重复引进32套，国产化装置超过20套，中型装置近百套，小型装置约600套，合成氨生产能力达到4500万t/a。氮肥工
2、业已基本满足了国内需求，在与国际接轨后，具备与国际合成氨产品竞争的能力，今后发展重点是调整原料和产品结构，进一步改善经济性。只有通过科技进步对经济增长的贡献率来实现，这也是今后发展合成氨氮肥工业新的增长点。1合成氨工业是氮肥工业的基础，在国民经济中占有重要的地位。我国大多数合成氨企业的煤制气技术沿用固定床水煤气炉，炉型老化、技术落后、能源利用率低、原料价格高，是当前急需进行技术改造的重点。目前合成氨工业的发展方向是优化原料路线，实现制氨原料的多元化，引进先进的煤气化工艺制取合成气，降低产品成本，改善生产环境;同时研究开发简单可行，又可就地取得原料制取合成气的洁净煤气化技术，这也是我国目前占氮肥
3、生产总量60% 左右的中小型氮肥厂亟待要解决的问题。在这种背景下，该项目以“年产5万吨合成氨合成工段工艺设计”为设计课题，对合成氨合成工段的各种工艺条件和设备选型等进行深入的研究。由于石油价格的飞涨和深加工技术的进步，以“天然气、轻油、重油、煤”作为合成氨原料结构、并以天然气为主体的格局有了很大的变化。基于装置经济性考虑，“轻油”和“重油”型合成氨装置已经不具备市场竞争能力，绝大多数装置目前已经停车或进行以结构调整为核心内容的技术改造。其结构调整包括原料结构、品质构调整。由于煤的储量约为天然气与石油储量总和的10倍，以煤为原料制氨等煤化工及其相关技术的开发再度成为世界技术开发的热点，煤有可能在
4、未来的合成氨装置原料份额中再次占举足轻重的地位，形成与天然气共为原料主体的格局。2根据合成氨技术发展的情况分析，估计未来合成氨的基本生产原理将不会出现原则性的改变，其技术发展将会继续紧密围绕“降低生产成本、提高运行周期， 改善经济性”的基本目标，进一步集中在“大型化、低能耗、结构调整、清洁生产、长周期运行”等方面进行技术的研究开发。大型化、集成化、自动化，形成经济规模的生产中心、低能耗与环境更友好将是未来合成氨装置的主流发展方向。在合成氨装置大型化的技术开发过程中， 其焦点主要集中在关键性的工序和设备，即合成气制备、合成气净化、氨合成技术、合成气压缩机。在低能耗合成氨装置的技术开发过程中，其主
5、要工艺技术将会进一步发展。1) 大型化、集成化、自动化生产规模的建立随着社会加工速度和需求的不断提高，合成氨工艺技术的应用范围也逐渐在扩大，这就要求工艺技术必须形成大型化、集成化、自动化的生产规模，利用先进的技术对装置进行有效的控制，并可以统一生产行为，集中生产目标。目前，单系列合成氨装置的生产能力将从2000t/d提高至4000-5000t/d，这说明合成氨装置已经可以完成大规模的生产加工任务，所以大型化、集成化、自动化生产规模的建立是未来合成氨工艺技术应用的主要趋势。2) 低耗能与经济性的结合发展以天然气为原料制氨过程可以大大降低对能源的消耗，基于可持续发展战略要求，在未来合成氨工艺技术应
6、用的过程中，必须要形成低耗能的生产模式，最大限度的发挥出设备具有的经济效应。在能源消耗接近理论水平时，可以转化原料使用的目标，可以将油、煤作为生产原料进行制氨，在合成氨装置大型化配置的基础上，充分体现出生产加工的经济利益。3) 合成氨装置核心技术的完善以油改气为主要生产模式的加工，对合成氨装置核心技术的要求也比较高，所以技术人员需要结合合成氨装置的结构，利用经济性标准要求，对合成气压缩机装置技术进行完善，使其可以全面提高生产产量。32. 项目意义：氨是基本化工产品之一，用途很广。化肥是农业的主要肥料，而其中的氮肥又是农业上应用最广泛的一种化学肥料，其生产规模、技术装备水平、产品数量，都居于化肥
7、工业之首，在国民经济中占有极其重要的地位。各种氮肥生产是以合成氨为主要原料的，因此，合成氨工业的发展标志着氮肥工业的水平。以氨为主要原料可以制造尿素、硝酸铵、碳酸氢铵、硫酸铵、氯化铵等氮素肥料。还可以将氨加工制成各种含氮复合肥料。此外，液氨本身就是一种高效氮素肥料，可以直接施用，一些国家已大量使用液氨。可见，合成氨工业是氮肥工业的基础，对农业增产起着重要的作用。4氨合成工段的任务是将精制的氢气与氮气合成为氨，提供液氨产品。氨的合成工序基本由三部分组成，即在高温、高压和催化剂参与的条件下，氢与氮的混合气在合成塔中合成为氨；反应后的混合气体经回收、冷却、冷凝分离出产品氨；未反应的气体和补充的新鲜气
8、体在升压后返回合成塔继续进行合成氨的反应。整个系统构成一个循环。氨合成工段是整个合成氨工艺流程的核心。氨合成工段的生产状况直接影响到工厂成本的高低，是合成氨厂高产低耗的关键工段。3氨是20世纪世界重要的基础化工产品之一，氨既是主要的最终产品，同时又是重要的中间体。按其提供反应氮用途分为“化肥氮”和“工业氮”。氨主要用于农业，70%氨用作生产化肥的原料。氨也是重要的无机化学和有机化学工业的原料，30%氨用于生产铵、胺、染料、炸药、制药、合成纤维、合成树脂的原料。氨在21世纪世界经济中仍将占有十分重要的地位。53. 文献概况：本次课程设计任务为年产五万吨合成氨工厂合成工段的工艺设计，氨合成工艺流程
9、一般包括分离和再循环、氨的合成、惰性气体排放等基本步骤，上述基本步骤组合成为氨合成循环反应的工艺流程。其中氨合成工段是合成氨工艺的中心环节。设计条件如下：1) 生产能力：年产纯氨50kT，年开工天数：300天。2) 新鲜氢氮气组成如下表：组分H2N2CH4Ar合计摩尔分数（%）73.2525.23采集或估算采集或估算1003) 合成塔入口气（摩尔分数）：yNH3为 3.0%，yCH4+Ar为15.5%。4) 合成塔出口气（摩尔分数）：yNH3为17%。通过查阅相关文献和资料，设计了年产五万吨合成氨厂合成工段的工艺流程，并借助CAD技术绘制了该工艺的管道及仪表流程图和设备布置图。最后对该工艺流程
10、进行了物料衡算、能量衡算，并根据设计任务及操作温度、压力按相关标准对工艺管道的尺寸和材质进行了选择流程简介：在油分离器出口的循环气中补充从净化工序送来的新鲜氮氢气，进入冷交换器和氨冷器进一步冷却，使其中的氨气绝大部分被冷凝分离出去。循环气进入合成塔，进塔走塔内间隙，温度稍升高，引出到外部热交换器再次升高温度。第二次入合成塔，经塔内热交换器加热并在催化作用下发生合成反应，温度升高出塔后一次经废热锅炉、热交换器和软水预热器回收热量，然后再经水冷却器冷却，使气体中部分氨液化，进到氨分离器分离出液氨。气体则进入循环压缩机补充压力形成循环回路。在油分离器出口补充了新鲜氮氢气入冷交换器。从冷交换器中的氨分
11、离器分离出的液氨与由氨分离器分出的液氨汇合入液氨贮槽。由于液氨贮槽压力降低，则溶于液氨的气体和部分氨被闪蒸出来，即所谓驰放气送出另外处理。另外为限制循环气中惰气含量的积累，使其浓度不致于过高，故在氨分离器后放出一部分循环气，成为放空气。54. 设计主要内容：本次课程设计任务为年产五万吨合成氨工厂合成工段的工艺设计，氨合成工艺流程一般包括分离和再循环、氨的合成、惰性气体排放等基本步骤，上述基本步骤组合成为氨合成循环反应的工艺流程。其中氨合成工段是合成氨工艺的中心环节。通过查阅相关文献和资料，设计年产五万吨合成氨厂合成工段的工艺流程，并借助CAD技术绘制了该工艺的管道及仪表流程图和设备布置图。最后
12、对该工艺流程进行了物料衡算、能量衡算，并根据设计任务及操作温度、压力按相关标准对工艺管道的尺寸和材质进行了选择。6设计流程示意图如下：4.1物料衡算1) 合成塔入口气组成，可按氢氮比为3：1来计算。2) 合成塔出口气组成取计算基准为入塔气100kmol（即n3n4=n5=100 kmol），根据合成反应的化学计量式，每生成1mol的氨，物质总量就会减小1mol。以合成塔生成的氨的物质的量（以nNH3表示）及出塔气总量（即物料的总量n6）为未知数，可出列方程组(出塔氨入塔氨nNH3，100n6= nNH3)并求出nNH3和n6,再进行物料衡算求出其余物质的组成。3) 合成率计算4) 氨分离器出口
13、气液组成计算5) 冷交换器分离出的液体组成，按液相（即物料18）与气相（其组成与物料3相同）达相平衡，通过列出相平衡关系式不难一一计算出其各个组成的摩尔分数。需要通过资料查相关的相平衡数据。6) 液氨贮槽驰放气和液相组成的计算，按前述第2步里的公式，计算出反应生成的氨物质的量。此量减物料17所含的氨的量，即得物料18所含的氨的量。于是可以求得物料18的物质的量，然后，物料18与17混合即可求得物料19的组成。然后，按液氨贮槽内达到气液相平衡，采用与第4步相同的方法，求出物料20和21的组成。7) 液氨贮槽物料衡算，以液氨贮槽出口1t纯液氨为计算基准，根据第6步的计算结果，可以根据物料衡算式解出
14、各物料的数量（物料的组成前面已经求知）。8) 合成循环回路总物料衡算4.2能量衡算1. 合成塔能量衡算2. 废热锅炉能量衡算，要求计算出废热锅炉的热负荷（即传热量），并据此计算可副产的蒸汽量。3. 热交换器能量衡算，物料4,5,7的物质量及温度已经确定，根据能量平衡，物料8的温度可以计算出来。需要试算，初值取115要求计算出热负荷及出口温度t8。4. 软水预热器能量衡算5. 水冷却器和氨分离器能量衡算，由于氨分离器不发生热量的传递，可以将二者合为一个整体来作能量衡算。这样就避免了直接计算物料10的热焓（物料10是汽液混合物，其汽液组成，在氨分后才得以确定）。可以计算出水冷器的热负荷，及用水量。
15、6. 冷交换器与氨冷器能量衡算7. 合成全系统能量平衡汇总4.3设备选型及管道计算1 管道计算2 设备选型5. 参考文献1 苗长润,鲍喜军. 合成氨工艺技术的现状及其发展趋势J. 民营科技. 2008(09) 2 张呈果. 合成氨工艺技术现状及其发展趋势J化工管理. 2014(33) 3 蒋德军. 合成氨工艺技术的现状及其发展趋势J. 现代化工. 2005(08) 4 雷志发. 合成氨合成工段的用能研究D. 西华大学 20095 刘化章. 合成氨工业:过去、现在和未来合成氨工业创立100周年回顾、启迪和挑战J. 化工进展. 2013(09)6 M. Boudart. Model catalysts: reductionism for understandingJ. Topics in Catalysis . 2000 (1) 7化工工艺设计手册(上、下册). 国家医药管理局上海医药设计院编.化学工业出版社 8化工工艺设计施工图内容和深度统一规定. 化
