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1、 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计 3万吨NH3Y合成氨厂中变串低变工艺设计目 录摘 要2Abstract3第一章 绪 论41.1 合成氨工艺的背景、现状及展望41.2 氨的性质及用途51.3 CO变换的基本原理及工艺流程71.4 变换催化剂81.5 中变串低变的意义101.6 设备的选用及特点101.7 设计说明书计算部分12 第二章 物料及热量衡算13 2.1 课题条件132.2 中变炉工艺条件的计算132.3 中温变换炉的物料衡算192.4 低变换炉的工艺条件计算212.5 低变换炉的物料和热量衡算252.6 热水塔出口热水温度的估算262.7 半水煤气换热器物料热量衡算272.8
2、 饱和塔物料热量衡算282.9 热水塔物料热量衡算29第三章 设备计算313.1 饱和热水塔计算313.2 中变炉计算40总 结43致 谢45参考文献46 摘 要3万吨NH3/Y合成氨厂中变串低变工艺设计摘要：此次设计充分运用了化学基础知识和专业理论知识，结合国内外合成氨工艺现状背景，考虑了环境因素和节能减排方面的影响，用最合理的方法对整个工艺流程进行优化，使其达到预期效果。设计中涉及到大量参数，包括温度，压力，平衡常数，密度，黏度，饱和蒸汽压等。另外，设计中包括一些设备计算，如：物料衡算，热量衡算和设备计算三部分内容。关键词：设计、参数、工艺、合成氨AbstractThe Design of
3、 Low-temperature Shift after High-temperature Shift Technology with Production of 30000t/y Ammonia Plant Abstract: The design of the full use of the chemical basis of theoretical knowledge and professional expertise, combined with the background of domestic and international status of synthetic ammo
4、nia process, taking into account environmental factors and energy saving aspects, the most reasonable way to optimize the entire process so that the desired effect. Design involves a large number of parameters, including temperature, pressure, equilibrium constant, density, viscosity, saturated vapo
5、r pressure and so on. In addition, the design includes a number of computing devices, such as: material balance, heat balance calculation of three parts and equipment.Keywords: design, parameters, process, ammonia wuhan institut第一章 绪论1.1合成氨工艺的背景、现状及展望中国合成氨生产时从20世纪30年代开始的，但当时仅在南京、大连两地建有氨厂，最高年产量不超过50k
6、t（1941年）。此外，在上海还有一个电解水制氢生产合成氨、硝酸的小型车间。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。目前合成氨产量规模以中国大陆、俄罗斯、美国、印度等国最大，约占世界总产量的一半以上。合成氨主要原料有天然气、石脑油、重质油和煤等，因以天然气为原料的合成氨生产设备投资较低、能耗较低、成本较低的缘故，世界大多数合成氨生产设备均是以天然气为原料，但是自从石油涨价后，由煤制氨制法重新受到重视，因从世界燃料储量来看，煤的储量约为
7、石油、天然气总和的10倍。目前中国大陆合成氨生产设备是大、中、小规模并存，总生产能力为4,160万公吨/年。中国大陆合成氨产量虽然已跃居世界第1位，但单一设备规模较小，合成氮平均规模为5万公吨/年，无法适应全球合成氨的发展趋势。除上海吴泾化工厂为国产化设备外，其余均系国外引进。据相关资料统计，俄罗斯约有35套合成氨生产设备，合成氮平均规模为40万公吨/年；美国有50多套合成氨设备，合成氨平均规模在30万公吨/年以上。近年来合成氨设备的大型化是世界合成氨的主流发展趋势，目前全球最大单一合成氨设备规模已达130万公吨/年。因此中国大陆未来必须朝兴建大型合成氨设备，改善中型合成氨设备，淘汰小型合成氨
8、设备，建立区域性大型合成氨企业集团，控制全国合成氨设备在100套左右。 此外，中国大陆合成氨制程原料结构不合理，目前原料组成气、油、煤比例大致为14%、22%和64%。由于原料在成本结构中占有很大比重，因此要提高在国际市场的竞争力，首要的是选用价格较低的原料，由于渣油和石脑油来源困难且价格高，未来这些厂必须调整原料结构。而天然气作为洁净能源，在国外第一大量用户用作燃料，第而大量用户用作合成氨。采用天然气生产合成氨与其它原料相比，投资、能耗均为最低，新建一个年产30万吨氨、52万吨尿素的大型氮肥厂，以天然气为原料，投资原为20多亿元，吨氨能耗29.3GJ；以渣油为原料，30多亿元，吨氨能耗37.
9、7GJ；以煤为原料40多万吨，吨氨能耗50.2GJ。天然气厂不需储备原料、流动资金占用少，加之能耗低，基建投资省，比以煤为原料的厂生产尿素成本低得多，所以以天然气为原料的大型合成氨装置是最佳选责。目前世界各国用天然气为原料占80%，美国和前苏联分别占98.2%和92.2%，而中国仅仅为22%25%。中国天然气产地基本集中在四川、新疆、陕甘宁和海南，中国石油资源并不丰富，近年受世界石油价格攀升的影响使中国合成氨尿素成本增高。将来有天然气的地方改用天然气为原料，没有天然气的地方改用煤为原料。对于以无烟煤或焦炭为原料，要加快推广富氧连续气化、碎煤或煤粉加压气化技术。我国煤炭资源丰富，分布地区广，用煤
10、为原料生产合成氨约占氨产量的67%。预期中国合成氨原料在一段时间内仍然是煤、油、气并存的态势。中国大陆合成氨的下游产品主要为尿素，产品结构不合理，因此必须调整产品结构，生产部分复合肥料或混配肥料，以适应农业发展的需要。合成氨厂采用中变串低变流程。根据化学平衡移动原理，升高温度可使反应向左移动，降低利于变换反应的进行温度使反应向右移。温度越低越有利于变换反应的进行但降低温度必须与反应速度和催化剂的性能一并考虑。开始反应时，为了加快反应速度，一般在较高温度下进行，而在后阶段，为使反应比较安全，就必须在较低温度下进行，这样能耗也大幅降低。本课题就是基于以上背景，通过对近年来国内外合成氨生产规模趋势及
11、进出口贸易的调查、分析而拟定的工艺流程。 1.2氨的性质与用途1.2.1物理性质氨的主要物理性质列于表1-1。氨极易容于水，溶解时放出大量的热，可生产含NH315%30%的氨水，氨水溶液是碱性，易挥发。液氨或干燥的氨气对大部分物质没有腐蚀性，但在有谁的条件下，对铜、银、锌等金属有腐蚀作用。 表1-1 氨的主要物理性质相对分子质量17.03沸点（0.1MPa）/0C33.35含氮量/%82.2蒸发热（33.40C）/(kj/kg)1368.02摩尔体积（00C，0.1MPa）/(L/mol)22.8冰点/0C77.70气体密度（00C，0.1MPa）/(g/L)0.7714熔化热（77.70C）
12、/(kj/kg)333.42液体密度（33.40C，0.1MPa）/(g/cm3)0.6818气体高热量/(MJ/m3)17.52临界密度/0C132.4液体高热量/(MJ/kg)22.35临界压力/MPa11.30液体低热量/(MJ/kg)16.74临界体积/(L/kg)4.257标准摩尔焓H/(KJ/mol)46.21临界密度/(g/cm3)0.235标准摩尔熵S/(气体，250C,0.1MPa)/(J/mol.K)192.60临界热导率/W/(m.K)0.522电导率（工业品，350C）/(S/m)31051.2.2 化学性质 氨在常温时相当稳定，在高温、电火花或紫外光的作用下可分解为氮
13、和氢，其分解速度在很大程度上与大气接触的表面性质有关。氨是一种可燃性物质，自然点为6300C，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。常压，常温下的爆炸范围分别为15.5%28%（空气）和13.5%82%（氧气）。氨易于许多物质发生反应，例如在铂催化剂作用下能与氧反应生成NO。氨的性质比较活泼，能与各种无机酸反应生成盐，例如 NH3 + HCl NH4Cl NH3 + HNO3 NH4NO3 2NH3 + H2SO4 (NH4)2SO4 NH3 + H3PO4 （NH4）H2PO4 2NH3+ H3PO4 (NH4)2HPO4氨也能和CO2反应生成氨基甲酸铵，脱水成尿素。利
14、用氨与各种无机酸反应制取磷酸铵，硝酸铵；与CO2碳酸氢铵。氨能生成各种加成配位化合物，它们和水合物类似，通称氨合物或氨络物，例如对应CaCl2.6H2O和CuSO4.4H2O，也分别有CuSO4.4NH3和CaCl2.6NH3。1.2.3 氨的用途氨在国民经济中占有重要地位。现在约有80%的氨用来制造化学肥料，其余作为生产其它化工产品的原料。除液氨可直接作为肥料外，农业上使用的氮肥，例如尿素、硝酸铵、磷酸铵、硫酸铵、氯化铵、硫酸铵、氯化铵、氨水以及各种含氮混肥和复肥，都是以氨为原料的。氨在工业上主要用来制造炸药和各种化学纤维及塑料。从氨可以制得硝酸，进而再制造硝酸铵、硝化甘油、三硝基甲苯和硝基
15、镍纤维素等。在化纤和塑料工业中，则以氨、硝酸和尿素等作为氮肥，生产己内酰胺、尼龙6单体、己二胺、人造丝、丙烯腈、酚醛树脂和脲醛树脂等产品。氨的其它工业用途也十分广泛，例如，用作制冰、空调、冷藏等系统的制冷剂，在冶金工业中用来提炼矿石中的铜、镍等金属，在医药和生物化学方面用作生产磺胺类药物、维生素、蛋氨酸和其它氨基酸等等。1.3 CO变换的基本原理和工艺流程 1.3.1基本原理一氧化碳的变换过程是将原料气中不易除去的一氧化碳转变为易清除的二氧化碳，同时制得与反应了的一氧化碳等摩尔的氢气的过程。所以一氧化碳的变换过程，即是原料气的净化过程又是原料气制造的继续。一氧化碳变换反应是在一个条件下，半水煤气中的CO和水蒸气反应生成氢气和二氧化碳的工艺流程：CO+H2O=CO2+H2 DH0298K= -41.9kJ/mol
