【正文】 1110C、 1104C 熱負荷的計算 .................................................. 72 吸收、再生系統(tǒng)的熱平衡 .................................................................. 53 換熱器熱負荷的計算 .................................................................................... 61 103C 熱負荷計算 .......................................................................... 61 104C 熱負荷計算 .......................................................................... 62 1107C 的熱負荷 .......................................................................... 62 114C 熱負荷計算 .......................................................................... 86 4 144C 熱負荷計算 .......................................................................... 87 115C 的熱負荷計算 .................................................................... 89 1115C 熱負荷計算 ........................................................................ 90 136C 熱負荷計算 ........................................................................ 92 第三章加壓兩段填料吸收塔設(shè)計 ............................................................................. 69 設(shè)計項目： .................................................................................................... 94 設(shè)計條件 ........................................................................................................ 94 設(shè)計計算 ........................................................................................................ 96 塔型設(shè)計 .............................................................................................. 96 流體接觸方式及噴淋 ......................................................................... 96 填料選擇 .............................................................................................. 96 上塔塔徑計算 ...................................................................................... 97 上塔填料高度計算 .............................................................................. 75 下塔塔徑計算及下塔填料計算 .......................................................... 77 校核計算 .............................................................................................. 80 第 1 章 綜 述 氮（ N），是植物生長所必需的重要元素之一，空氣的主要成分是氧和氮，其中氮占78%體積。但是大多 數(shù)植物不能直接吸收這種游離態(tài)的氮，只有當?shù)c其他元素化合以后，才能為植物所利用，這種使空氣中游離態(tài)氮轉(zhuǎn)變成化合態(tài)氮的過程，稱為“氮的固定”。合成氨是固定氮的主要方法。 5 化肥是農(nóng)作物增產(chǎn)的重要手段，對發(fā)展中國家尤其如此。而合成氨工業(yè)是化肥生產(chǎn)的主要組成部分，對我國農(nóng)業(yè)的增產(chǎn)起著舉足輕重的作用。 氨的性質(zhì)、用途及其在國民經(jīng)濟中的地位 氨為無色、有強烈刺激性氣味的氣體。 氨的密度 ，比重 ，沸點 ℃，固體氨溶點 ℃，臨界溫度℃，臨界壓力 ，液氨比重 （ 20℃），液氨揮發(fā)性很強，汽化熱較大。 氨有毒而且易爆。它不象一般的毒氣具有累積的毒害作用，但對人體組織有很大的灼傷性，正常空氣中若含有 5000ppm 的氨含量既能使人在短時間內(nèi)窒息；只要有2021ppm的氨含量就有可能在幾秒內(nèi)灼燒皮膚，使它起泡，并可能造成嚴重的肺水腫；濃度超過 700ppm將會損傷眼睛，如不及時治療，便會失去視力。 氨在空氣中的可燃極限是 16~25%（體積），在 O2中是 15~79%。雖然 NH3空氣的混合氣不易燃燒，但很容易引起爆炸。氨的自燃點是 630℃，燃燒時 生成藍色火焰。 氣相或液相的干氨對大部分物質(zhì)沒有腐蝕性，但如摻入水分后便對 Cu、 Ag、 Zn 等金屬有腐蝕作用，氨和水銀可構(gòu)成爆炸混合物。 液氨的重量相當于水的 60%，它易溶于水，可制成商品“氨水”，其含量在 15~30%范圍內(nèi)，氨也可溶于鹽類水溶液和各種有機溶液，但都低于在水里的溶解度。 氨是活潑的化合物，可與多種物質(zhì)進行反應(yīng)，氧化反應(yīng)是其中的一種。氨在高溫下燃燒生成一氧化氮和水，一氧化氮再氧化并溶解于水制成硝酸。使用氨作為肥料時，植物對氨態(tài)氮和硝酸態(tài)氮都能吸收。 還原劑通常不與 NH3作用。 工業(yè)上氨主要是和酸 進行中和反應(yīng)，生成鹽類。譬如：氨與硝酸作用生成硝酸銨，與 CO2作用生成氨基甲酸銨，然后脫水成尿素。 氨是一種重要的含氮化合物，工業(yè)上采用 N2和 H2直接合成的方法生產(chǎn)氨，用合成的方法生產(chǎn)的氨稱為合成氨。 氨是基本化工產(chǎn)品之一，用途很廣，無論是直接用或作為中間體，主要均在化肥領(lǐng)域。以氨為原料可制造各種氮素肥料。此外，液氨本身就是一種高效氮素肥料，可以直接施用?？梢姡铣砂惫I(yè)是氮肥工業(yè)的基礎(chǔ)，對農(nóng)業(yè)增產(chǎn)起著很大的作用。 另外，氨也是重要的化工原料，廣泛應(yīng)用于制藥、煉油、純堿、合成纖維、合成樹脂、含氮無機鹽等工業(yè) 部門。將氨氧化可以制硝酸，而硝酸又是生產(chǎn)炸藥、燃料等產(chǎn)品的重要原料。生產(chǎn)火箭的推進劑和氧化劑，同樣也離不開氨。此外，氨還是常用的冷凍 6 劑。 合成氨工業(yè)大的迅速發(fā)展，也促進了高壓、催化、特殊金屬材料、固體燃料、氣化、低溫等科學技術(shù)的發(fā)展。同時，尿素和甲醇的合成、石油加氫、高壓聚合等工業(yè)，也是在合成氨工業(yè)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。氨和氨加工工業(yè)已成為現(xiàn)代化學工業(yè)的一個重要的組成部分。 合成氨工業(yè)是化肥生產(chǎn)的重要組成部分，對我國農(nóng)業(yè)的增產(chǎn)起著舉足輕重的作用。我國人口密度大，可耕面積少，人均耕地面積少，糧食需求量大。為了能 在國民經(jīng)濟穩(wěn)步發(fā)展的基礎(chǔ)上逐步改善人民的生活水平，就必須大力發(fā)展合成氨工業(yè)。 合成氨工業(yè)的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢 自從 1754 年普里斯特利（ priestly）加熱氯化銨和石灰時發(fā)現(xiàn)氨以后，直到 20 世紀初才由哈伯（ haber）等人研究成功了合成氨法，于 1913 年在德國奧堡建成世界上第一個合成氨工廠。第一次世界大戰(zhàn)后，德國因戰(zhàn)敗而被迫把合成氨技術(shù)公開。有些國家還在這個基礎(chǔ)上做了一些改進，從此合成氨工業(yè)得到了迅速的發(fā)展。 目前合成氨生產(chǎn)技術(shù)已發(fā)展到相當高的水平，生產(chǎn)操作高度自動化，生產(chǎn)工藝日趨成熟，裝置的不斷 大型化，能源利用越加合理。 解放前，全國合成氨工業(yè)與其它工業(yè)一樣，是十分落后的。那時只有兩個規(guī)模不大的合成氨工廠，不僅生產(chǎn)能力低而且技術(shù)水平也很落后。解放后，我國合成氨工業(yè)發(fā)展十分迅速，尤其是八十年代后期，通過技術(shù)引進與消化吸收，我國合成氨發(fā)展向大工業(yè)化、自動化控制方向發(fā)展。目前的合成氨技術(shù)與過去相比較，從各種原料生產(chǎn)合成氨的總流程并沒有新的變化。歸納一下，流程分為三類：一是烴類蒸汽轉(zhuǎn)化制氣，低變串甲烷化凈化流程；一是重油部分氧化，富氧氣化制氣，冷法凈化流程；一是煤氣化，耐硫變換與低溫甲醇洗、低溫液氮洗凈化 流程。 由于國外企業(yè)間的競爭更為激烈，為了爭取更大的利潤，于是開始引用煉油裝置在機械、設(shè)備、儀表和熱能綜合利用等方面成熟的經(jīng)驗，在合成氨工業(yè)進行一場重大改革，主要內(nèi)容為生產(chǎn)規(guī)模大型化、能量綜合利用、高度自動化控制。 目前合成氨新工藝層出不窮，有 ICI、 Kellogg、伍德、 Brown、及 KBR 流程。 英國 ICI 公司的 LCA 合成氨工藝于 1988 年在英國建成兩套日產(chǎn) 450 噸的合成氨裝置，經(jīng)一年試運轉(zhuǎn)，證明是成功的。 LCA 工藝的主要特點是簡化了工藝流程，改進了催化劑的化學反應(yīng)工程。它利用二段轉(zhuǎn)化后的反應(yīng)熱作為一段 爐的熱源，轉(zhuǎn)化管僅受很小的壓力差，省去龐大和昂貴的一段轉(zhuǎn)化爐，節(jié)省燃料天然氣，采用新型的轉(zhuǎn)化和變換催 7 化劑，降低原料氣中的水碳比，進而節(jié)省了工藝蒸汽；采用變壓吸附凈化工藝，省去復(fù)雜的溶劑脫 CO2裝置；采用壓力為 80bar 的低壓氨合成系統(tǒng)，節(jié)省壓縮機功耗，減少壓縮機段數(shù)，使離心壓縮機可在中型氨廠采用。該工藝取消了復(fù)雜的高壓蒸汽系統(tǒng)，改用壓力為 60bar 的中壓蒸汽，降低鍋爐給水的要求。這些改進使 LCA 工藝可在簡單和溫和的條件下操作。 Brown 公司的布朗工藝，降低一段爐負荷，一段爐出口溫度由 Kellogg 的 950℃降低到 696℃，一段爐出口甲烷含量為 30%，熱量的減少使一段爐負荷降低，操作更穩(wěn)定；為滿足合成氨生產(chǎn)熱量需求，加重二段爐負荷，空氣加入過量 50%，后端采用冷箱脫除過量的氮氣，使能量利用更合理。 瑞士卡薩利公司對氨合成塔進行改造，其特點是合成塔內(nèi)件中采用軸徑向結(jié)合的氣體流向和專門的氣體分布器。這樣既降低合成塔的阻力降，又能防止氣體短路或分布不均，可在塔內(nèi)采用 ~3mm的顆粒催化劑，可提高氨凈值增加生產(chǎn)能力。 以天然氣為原料合成氨廠的凈化工序大多采用 Benfiled 熱鉀堿脫碳，采用蒸汽噴射器節(jié)省部分能量。 一段爐的改造體現(xiàn)在轉(zhuǎn)化管的使用上，原有的 HK40 厚壁管改用高強度的 HNb 薄壁管，這使轉(zhuǎn)化管在相同外徑時，催化劑容積增加，在 100~110%負荷下，轉(zhuǎn)化管壁溫下降 45~50℃，轉(zhuǎn)化管的阻力降降低。 合成氨工業(yè)是能耗大，投資十分客觀的工業(yè)。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，世界化肥需求量與日俱增，世界能源日漸減少，這就使不論是在世界范圍內(nèi)還是我國，合成氨工業(yè)的發(fā)展都是增產(chǎn)、節(jié)能、降耗。 目前，我國化肥行業(yè)繼續(xù)推廣一系列行之有效的節(jié)能方法，大氮肥長周期穩(wěn)定生產(chǎn)已在大部分企業(yè)得到全面推廣，使生產(chǎn)合成氨的煤、油、焦、氣和電的消 耗降低。 現(xiàn)代大型氨廠的生產(chǎn)特點 現(xiàn)代大型氨廠的生產(chǎn)特點主要有： 生產(chǎn)規(guī)模的大型化。這里所說的大型化是指規(guī)模為日產(chǎn) 1000 噸合成氨的單系列規(guī)模。大型氨廠具有投資省、成本低、占地少、勞動效率高的特點，現(xiàn)在世界新建氨廠大都采用單系列大型裝置。但大型合成氨裝置超過一定規(guī)模以后，優(yōu)越性就不十分明顯了。一般以日產(chǎn) 1000~1500 噸氨為主。 熱能的綜合利用。合成氨工業(yè)是一個消耗原料、燃料和動力很大的部門。以天然氣為原料的合成氨裝置，每噸氨僅電耗就需 1000 度，以煤、重油為原料的電耗更大。但 8 在另一方面，合成氨 生產(chǎn)過程中都有很多余熱未能充分利用。隨著合成氨裝置大型化以后，流程設(shè)計上十分注意利用余熱產(chǎn)生高壓蒸汽用于驅(qū)動高壓蒸汽透平并抽氣到中壓管網(wǎng)作為工藝蒸汽、中壓用戶蒸汽以及小透平的驅(qū)動蒸汽，約有 85%可由余熱供給，再配以輔助鍋爐，蒸汽可以自給，這樣就大大減少了電耗。 高度的自動化水平。因為大型合成氨裝置中每種機器和設(shè)備基本上都是單臺，造成設(shè)備尺寸的大型化。另一方面，為了經(jīng)濟起見，不再像過去那樣分成幾個獨立的車間，而是把工廠設(shè)計為露天操作，將全流程控制點的二次儀表集中到中控室，整個過程采用自動化控制，降低了勞動強度 ，減少了人員。不過，大型合成氨裝置對操作人員的技術(shù)水平、管理水平和責任心，都提出了更高的要求。 綜上所述，在二十世紀六十年代開始的合成氨廠大型化是其發(fā)展史上的一次飛躍。