【正文】 壞。 要減少?gòu)U水和工藝?yán)淠褐械?COD 的排放，可改進(jìn)生產(chǎn)工藝，使廢水排放減少，建設(shè)特生化處理裝置，進(jìn)行廢水處理，使廢水中的 COD 含量達(dá)到國(guó)家控制標(biāo)準(zhǔn) [6]。 2 生產(chǎn)流程及生產(chǎn)方法的確定 合成氨生產(chǎn)的特點(diǎn) 氨的合成工段，其主要任務(wù)是在適宜的溫度、壓力和有觸媒催化的條件下，將經(jīng)過(guò)精制的氫氮混合氣體，在合成塔內(nèi)直接合成為氨。然后將所得的氣氨，從氫氮混合氣中經(jīng)冷卻冷凝成為液態(tài)氨分離出來(lái)。液氨由氨罐進(jìn)入氨冷器蒸發(fā)為氣氨，送 碳化崗位制取碳酸氫銨；或送硝酸車(chē)間制取硝酸和硝銨；或送硫銨車(chē)間制取硫酸銨；或?qū)⒁喊彼湍蛩剀?chē)間制取尿素等。未合成為氨的氫氮混合氣體繼續(xù)在合成系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)使用。 7 合成氨生產(chǎn)的特點(diǎn)，概括起來(lái)有如下幾方面 [7]： (1)工藝流程長(zhǎng)、設(shè)備管道多； (2)生產(chǎn)過(guò)程有高度的連續(xù)性； (3)各工序生產(chǎn)操作相互影響； (4)生產(chǎn)是在高溫、高壓、易燃、易爆、易中毒、易灼傷的情況下進(jìn)行的。 在整個(gè)合成氨生產(chǎn)過(guò)程中，合成氨生產(chǎn)比較復(fù)雜，始終存在著高溫、高壓、易燃、易爆、易中毒等危險(xiǎn)因素，各種控制條件比較嚴(yán)格，稍有疏忽就可能發(fā)生事故。同時(shí)， 因生產(chǎn)工藝流程長(zhǎng)、連續(xù)性強(qiáng)，設(shè)備長(zhǎng)期承受高溫和高壓，還有內(nèi)部介質(zhì)的沖刷、滲透和外部環(huán)境的腐蝕等，各類(lèi)事故發(fā)生率比較高，尤其是火災(zāi)、爆炸和重大設(shè)備事故經(jīng)常發(fā)生。但是，只要我們能充分認(rèn)識(shí)這一客觀規(guī)律并掌握這一客觀規(guī)律就能做到安全生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)。 因此，合成氨生產(chǎn)必須滿足高溫、高壓、高純度要求。在生產(chǎn)過(guò)程中有一系列化學(xué)反應(yīng)、傳熱、燃燒、分離等過(guò)程 ,溫度、壓力、濃度等因素都影響反應(yīng)的進(jìn)行 ,這些因素又受到設(shè)備質(zhì)量、水質(zhì)、煤質(zhì)、季節(jié)、氣候、操作水平、調(diào)度與管理的影響 ,這樣就形成了合成氨生產(chǎn)工藝過(guò)程、設(shè)備結(jié)構(gòu)、操作 管理與生產(chǎn)技術(shù)的復(fù)雜性。 氨合成過(guò)程的基本工藝步驟 實(shí)現(xiàn)氨合成的循環(huán)，必須包括如下幾個(gè)步驟 [4]：氮?dú)湓蠚獾膲嚎s并補(bǔ)入循環(huán)系統(tǒng)；循環(huán)氣的預(yù)熱與氨的合成；氨的分離；熱能的回收利用；對(duì)未反應(yīng)氣體補(bǔ)充壓力并循環(huán)使用，排放部分循環(huán)氣以維持循環(huán)氣中惰性氣體的平衡等。 由于采用壓縮機(jī)的型式、氨分冷凝級(jí)數(shù)、熱能回收形式以及各部分相對(duì)位置的差異，而形成不同的工業(yè)生產(chǎn)流程 ，但實(shí)現(xiàn)氨合成過(guò)程的基本工藝步驟是相同的。 (1)氣體的壓縮和除油 為了將新鮮原料氣和循環(huán)氣壓縮到氨合成所要求的操作壓力，就需要在流程中 設(shè)置壓縮機(jī)。當(dāng)使用往復(fù)式壓縮機(jī)時(shí)，在壓縮過(guò)程中氣體夾帶的潤(rùn)滑油和水蒸汽混合在一起，呈細(xì)霧狀懸浮在氣流中。氣體中所含的油不僅會(huì)使氨合成催化劑中毒、而且附著在熱交換器壁上，降低傳熱效率，因此必須清除干凈。除油的方法是壓縮機(jī)每段出口處設(shè)置油分離器，并在氨合成系統(tǒng)設(shè)置濾油器。若采用離心式壓縮機(jī)或采用無(wú)油潤(rùn)滑的往復(fù)式壓縮機(jī)，氣體中不含油水，可以取消濾油設(shè)備，簡(jiǎn)化了流程。 (2)氣體的預(yù)熱和合成 壓縮后的氫氮混合氣需加熱到催化劑的起始活性溫度，才能送入催化劑層進(jìn)行氨合成反應(yīng)。在正常操作的情況下，加熱氣體的熱源主 要是利用氨合成時(shí)放出的反應(yīng)熱，即在換熱器中反應(yīng)前的氫氮混合氣被反應(yīng)后的高溫氣體預(yù)熱到反應(yīng)溫度。在開(kāi)工或反應(yīng)不能自熱時(shí)，可利用塔內(nèi)電加熱爐或塔外加熱爐供給熱量。 8 (3)氨的分離 進(jìn)入氨合成塔催化層的氫氮混合氣，只有少部分起反應(yīng)生成氨，合成塔出口氣體氨含量一般為 10～ 20％，因此需要將氨分離出來(lái)。氨分離的方法有兩種，一是水吸收法；二是冷凝法，將合成后氣體降溫，使其中的氣氮冷凝成液氨，然后在氨分離器中，從不凝氣體中分離出來(lái)。 目前工業(yè)上主要采用冷凝法分離循環(huán)氣中的氨。以水和氨冷卻氣體的過(guò)程是在水冷器和氨冷 器中進(jìn)行的。在水冷器和氨冷器之后設(shè)置氨分離器，把冷凝下來(lái)的液氨從氣相中分離出來(lái)，經(jīng)減壓后送至液氮貯槽。在氨冷凝過(guò)程，部分氫氮?dú)饧岸栊詺怏w溶解在液氨中。當(dāng)液氨在貯槽內(nèi)減壓后，溶解的氣體大部分釋放出來(lái)，通常稱為“貯罐氣”。 (4)氣體的循環(huán) 氫氮混合氣經(jīng)過(guò)氨合成塔以后，只有一小部分合成為氨。分離氨后剩余的氫氮?dú)?，除為降低情性氣體含量而少量放空以外，與新鮮原料氣混合后，重新返回合成塔，再進(jìn)行氨的合成，從而構(gòu)成了循環(huán)法生產(chǎn)流程。由于氣體在設(shè)備、管道中流動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生了壓力損失。為補(bǔ)償這一損失，流程中必須設(shè)置循環(huán)壓縮機(jī)。 循環(huán)機(jī)進(jìn)出口壓差約為 20～ 30 大氣壓，它表示了整個(gè)合成循環(huán)系統(tǒng)阻力降的大小。 (5)惰性氣體的排除 氨合成循環(huán)系統(tǒng)的情性氣體通過(guò)以下三個(gè)途徑帶出： (1)一小部分從系統(tǒng)中漏損； (2)一小部分溶解在液氨中被帶走； (3)大部分采用放空的辦法，即間斷或連續(xù)地從系統(tǒng)中排放。 在氨合成循環(huán)系統(tǒng)中，流程中各部位的惰性氣體含量是不同的，放空位置應(yīng)該選擇在惰性氣體含量最大而氨含量最小的地方，這樣放空的損失最小。由此可見(jiàn)，放空的位置應(yīng)該在氨已大部分分離之后，而又在新鮮氣加入之前。放空氣中的氨可用水吸收法或冷凝法加以回收，其余的 氣體一股可用作燃料。也可采用冷凝法將放空氣中的甲烷分離出來(lái)，得到氫、氮?dú)?，然后將甲烷轉(zhuǎn)化為氫，回收利用，從而降低原料氣的消耗。 有些工廠設(shè)置二循環(huán)合成系統(tǒng)，合成系統(tǒng)放空氣進(jìn)入二循環(huán)系統(tǒng)的合成塔，繼續(xù)進(jìn)行合成反應(yīng)，分離氨后部分情性氣體放空，其余部分在二循環(huán)系統(tǒng)繼續(xù)循環(huán)。這樣，提高了放空氣中惰性氣體含量，從而減少了氫氮?dú)鈸p失。 (6)反應(yīng)熱的回收利用 氨的合成反應(yīng)是放熱反應(yīng)，必須回收利用這部分反應(yīng)熱。目前回收利用反應(yīng)熱的方法主要有以下幾種： (1) 預(yù)熱反應(yīng)前的氫氮混合氣。在塔內(nèi)設(shè)置換熱器，用反應(yīng)后的高溫氣體預(yù)熱反應(yīng)前的氫氮混合氣，使其達(dá)到催化劑的活性溫度。這種方法簡(jiǎn)單，但熱量回收不完全。目前小型氨廠及部分中型氨廠采用此法回收利用反應(yīng)熱。 9 (2) 預(yù)熱反應(yīng)前的氫氮混合氣和副產(chǎn)蒸汽。既在塔內(nèi)設(shè)置換熱器預(yù)熱反應(yīng)前的氫氮混合氣，又利用余熱副產(chǎn)蒸汽。按副產(chǎn)蒸汽鍋爐安裝位置的不同，可分為塔內(nèi)副產(chǎn)蒸汽合成塔 (內(nèi)置式 )和塔外副產(chǎn)蒸汽合成塔 (外置式 )兩類(lèi)。目前一般采用外置式，該法熱量回收比較完全，同時(shí)得到了副產(chǎn)蒸汽，目前中型氮廠應(yīng)用較多。 (3)預(yù)熱反應(yīng)前的氫氮混合氣和預(yù)熱高壓鍋爐給水。反應(yīng)后的高溫氣體首先通過(guò)塔內(nèi)則換熱器預(yù)熱 反應(yīng)前的氫氮混合氣，然后再通過(guò)塔外的換熱器預(yù)熱高壓鍋爐給水。此法的優(yōu)點(diǎn)是減少了塔內(nèi)換器的面積，從而減小了塔的體積，同時(shí)熱能回收完全。目前大型合成氨廠一般采用這種方法回收熱量。用副產(chǎn)蒸汽及預(yù)熱高壓鍋爐給水方式回收反應(yīng)熱時(shí)，生產(chǎn)一噸氨一般可回收 ～ 噸蒸汽。 氨合產(chǎn)工藝的選擇 考慮氨合成工段的工藝和設(shè)備問(wèn)題時(shí)，必須遵循三個(gè)原則：一是有利于氨的合成和分離；二是有利于保護(hù)催化劑，盡量延長(zhǎng)使用壽命；三是有利于余熱回收降低能耗。 氨合成工藝選擇主要考慮合成壓力、合成塔結(jié)構(gòu)型式及熱回收方法。氨合成壓力高對(duì)合 成反應(yīng)有利 , 但能耗高。中壓法技術(shù)比較成熟，經(jīng)濟(jì)性比較好，在 15～30Pa 的范圍內(nèi)，功耗的差別是不大的，因此世界上采用此法的很多。 一般中小氮肥廠多為 32MPa , 大型廠壓力較低 ,為 10～ 20MPa。由于近來(lái)低溫氨催化劑的出現(xiàn) , 可使合成壓力降低。 合成反應(yīng)熱回收是必需的 , 是節(jié)能的主要方式之一。除盡可能提高熱回收率 ,多產(chǎn)蒸汽外 , 應(yīng)考慮提高回收熱的位能 , 即提高回收蒸汽的壓力及過(guò)熱度。高壓過(guò)熱蒸汽的價(jià)值較高 , 當(dāng)然投資要多 , 根據(jù)整體流程統(tǒng)一考慮。 本次設(shè)計(jì)選用中壓法（壓力為 32MPa）合成氨流程，采用 預(yù)熱反應(yīng)前的氫氮混合氣和副產(chǎn)蒸汽的方法回收反應(yīng)熱，塔型選擇見(jiàn)設(shè)備選型部分。 3 生產(chǎn)流程簡(jiǎn)述 氣體從冷交換器出口分二路、一路作為近路、一路進(jìn)入合成塔一次入口，氣體沿內(nèi)件與外筒環(huán)隙向下冷卻塔壁后從一次出口出塔，出塔后與合成塔近路的冷氣體混合，進(jìn)入氣氣換熱器冷氣入口，通過(guò)管間并與殼內(nèi)熱氣體換熱。升溫后從冷氣出口出來(lái)分五路進(jìn)入合成塔、其中三路作為冷激線分別調(diào)節(jié)合成塔。二、三、四層 (觸媒 )溫度，一路作為塔底副線調(diào)節(jié)一層溫度，另一路為二入主線氣體，通過(guò)下部換熱器管間與反應(yīng)后的熱氣體換熱、預(yù)熱后沿中心管進(jìn)入觸媒層頂端， 經(jīng)過(guò)四層觸媒的反應(yīng)后進(jìn)入下部換熱器管內(nèi)，從二次出口出塔、出塔后進(jìn)入廢熱鍋爐進(jìn)口，在廢熱鍋爐中副產(chǎn) 25MPa 蒸氣送去管網(wǎng)，從廢熱鍋爐出來(lái)后分成二股，一股進(jìn)入氣氣換熱器管內(nèi)與管間的冷氣體換熱，另一股氣體進(jìn)入鍋爐給水預(yù)熱器 10 在管內(nèi)與管間的脫鹽，脫氧水換熱，換熱后與氣氣換熱器出口氣體會(huì)合，一起進(jìn)入水冷器。在水冷器內(nèi)管被管外的循環(huán)水冷卻后出水冷器，進(jìn)入氨分離器，部分液氨被分離出來(lái)，氣體出氨分離器，進(jìn)入透平循環(huán)機(jī)入口，經(jīng)加壓后進(jìn)入循環(huán)氣濾油器出來(lái)后進(jìn)入冷交換器熱氣進(jìn)口。在冷交換器管內(nèi)被管間的冷氣體換熱，冷卻后出冷交換器 與壓縮送來(lái)經(jīng)過(guò)新鮮氣濾油器的新鮮氣氫氣、氮?dú)鈺?huì)合進(jìn)入氨冷器，被液氨蒸發(fā)冷凝到 5～ 10℃，被冷凝的氣體再次進(jìn)入冷交，在冷交下部氣液分離，液氨送往氨庫(kù)氣體與熱氣體換熱后再次出塔，進(jìn)入合成塔再次循環(huán)。 圖 31 工藝流程圖 4 工藝計(jì)算 原始條件 （ 1）年產(chǎn)量 80kt，年生產(chǎn)時(shí)間扣除檢修時(shí)間后按 360 天計(jì)，則產(chǎn)量為：（ 2）新鮮補(bǔ)充氣組成 表 41 新鮮補(bǔ)充氣組成 組分 H2 N2 CH4 Ar 總計(jì) 含量（ %） 24 1. 2 100 （ 3）合成塔入口中氨含量： NH3 入 =% （ 4）合成塔出口中氨含量： NH3 出 =% （ 5）合成塔入口惰性氣體含量： CH4 +Ar=17% （ 6）合成塔操作壓力： 32Mpa （ 7）精練氣溫度： 35℃ 合成塔 水冷器 熱交換器 廢熱鍋爐 放空 油分離器 循環(huán)機(jī) 冷交換器 氨分離器 新鮮氣 弛放 液氨儲(chǔ)槽 氨冷器 11 .—— 精煉氣 .—— 合成氣； 13—— 放空氣 20—— 弛放氣 —— 液氨 圖 41 計(jì)算物料點(diǎn)流程 物料衡算 合成塔物料衡算 （ 1）合成塔入口氣組分： 入塔氨含量 : y5NH3=％ 。 入塔甲烷含量： y5CH4=％ （ +） 100％ =％； 入塔氫含量： y5H2=［ 100（ +17）］ 3/4 100％ =％； 入塔氬含量： y5Ar=17％ ％ =％； 入塔氮含量： y5N2=［ 100（ +17）］ 1/4 100％ =％ 表 42 入塔 氣組分含量（％） NH3 CH4 Ar H2 N2 小計(jì) 100 （ 2）合成塔出口氣組分： 以 1000kmol 入塔氣作為基準(zhǔn)求出塔氣組分， 由下式計(jì)算塔內(nèi)生成氨含量： MNH3=M5(y8NH3y5NH3)/(1+y8NH3)=1000( )/(1+)= 出塔氣量 : M8=入塔氣量 — 生成氨含量 == 出塔氨含量： y8NH3=％ 出塔甲烷含量： y8CH4=(M5/M8) y5CH4=(1000/) ％ =％ 12 出塔氨含量： y8Ar=(M5/M8) y5Ar=1000/ ％ =％ 出塔氫含量： y8H2=3/4(1y8NH3y8CH4y8Ar) 100％ =3/4() 100％ =％ 出塔氮含量： y8N2=1/4() 100％ =％ 表 43 出塔氣體組分含量（％） NH3 CH4 Ar H2 N2 小計(jì) 100 （ 3）合成率： 合成率 =2MNH3/［ M5(1y5NH3y5CH4y5Ar)］ 100％ =2 ［ 1000 ()］ 100％ =％ 氨分離器氣液平衡計(jì)算 表 45 已知氨分離器入口混合物組分 m(i) NH3 CH4 Ar H2 N2 小計(jì) 查 t=35℃， P= 時(shí)各組分平衡常數(shù)： 表 46 各組分平衡常數(shù) KNH3 KCH4 KAr KH2 KN2 設(shè)（ V/L） = 時(shí)，帶入 L (i)=m(i)/［ 1+(V/L) K(i)］ =L(i): LNH3=mNH3/［ 1+(V/L) KNH3］ = LCH4= mCH4/［ 1+(V/L) KCH4］ = Kmol LAr=mAr/［ 1+(V/L) KAr］ = Kmol LH2=mH2/［ 1+(V/L) KH2］ = LH2=mN2)/［ 1+(V/L) KN2］ = Kmol L 總 = L(NH3)+ L(CH4)+ L(Ar)+ L(Ar)+ L(H2)+ L(N2)= Kmol 分離氣體量： V=1L== Kmol 計(jì)算氣液比：（ V/L） ＇ = 誤差［（ V/L） （ V/L）＇］ /（ V/L） =（ ） / 100％ =％，結(jié)果合理。 從而可計(jì)算出液體中各組分含量： 液體中氨含量： xNH3=LNH3/L= 100％ =％ 液體中氬含量： xAr=LAr/L= IOO％ =％ 液體中甲烷含量： xCH