【正文】 5～30Pa的范圍內，功耗的差別是不大的，因此世界上采用此法的很多。因此，本次設計選用32MPa壓力的合成氨流程。(3)低壓法操作壓力10MPa左右，溫度400～450℃。由于操作壓力和溫度都比較低，故對設備要求低，容易管理，且催化劑的活性較高，這是此法的優(yōu)點。但此法所用催化劑對毒物很敏感，易中毒，使用壽命短，因此對原料氣的精制純度要求嚴格。又因操作壓力低，氨的合成效率低，分離較困難，流程復雜。實際工業(yè)生產上此法已不采用了。 產品方案產品的名稱：氨(NH3)；產品的質量規(guī)格：液體純氨；產品的規(guī)模：80 kt/a 液氨；產品的包裝方式：氨為高壓低溫液體，合成后直接送到下一工段作為原料繼續(xù)生產，多余部分設立氨儲槽儲存起來。、來源生產合成氨，首先必須制備氫、氮原料氣。氮氣來源于空氣，可以在低溫下將空氣液化、分離而得，或者在制氫過程中直接加入空氣來解決。氫氣來源于水或含有烴類的各種燃料，它取決于用什么方法制取。最簡便的方法是將水電解，但此法由于電能消耗大、成本高而受到限制?，F在工業(yè)上普遍采用以焦炭、煤、天然氣、重油等原料與水蒸汽作用的氣化方法。 主要原料規(guī)格 (1) 合成塔進口氣體組成合成塔進口氣體組成包括氫氮比、惰性氣體含量與初始氨含量。當氫氫比為3時，對于氨合成反應，可得最大平衡氨含量，但從動力學角度分析，最適宜氫氨比隨氨含量的不同而變化。如果略去氫及氨在液氨中溶解損失的少量差異，氨合成反應氫與氮總是按3：1消耗，新鮮氣氫氮比應控制為3，否則循環(huán)系統(tǒng)中多余的氫或氮就會積累起來，造成循環(huán)氣中氫氮比的失調。惰性氣體(CHAr)來源于新鮮原料氣，它們不參與反應因而在系統(tǒng)中積累。惰性氣體的存在，無論從化學平衡還是動力學上考慮均屬有弊。但是，維持過低的惰氣含量又需大量排放循環(huán)氣導致原料氣消耗量增加。如果循環(huán)氣中惰性氣體含量一定，新鮮氣中惰性氣體含量增加，根據物料平衡關系，新鮮氣消耗隨之增大。因此，循環(huán)氣中惰性氣體含量應根據新鮮氣惰性氣體含量、操作壓力、催化劑活性等條件而定。由于原料氣制備與凈化方法不同，新鮮氣中惰性氣體含量也各個相同，循環(huán)氣中所控制的惰性氣體含量也有差異。當其它條件一定時，進塔氣體中氨含量越高，氨凈值越小，生產能力越低。初始氨含量的高低取決于氨分離的方法。對于冷凍法分離氨，初始氨含量與冷凝溫度和系統(tǒng)壓力有關。為過分降低冷凝溫度而過多地增加氨冷負荷在經濟上也并不可取。操作壓力300atm時，～％；150atm時，～％。(2) 硫化物和碳氧化物含量無論那一種原料所得原料氣，都含有一定數量的硫化物。雖然原料氣中硫化物含量不高，但對合成氨生產危害卻很大。硫化物是各種催化劑的毒物，硫化氫能腐蝕設備管道。以烴類為原料的蒸汽轉化法制取原料氣，鎳催化劑對硫含量限制十分嚴格，(重量)以下。為防止CO和CO2對催化劑的毒害，規(guī)定CO和CO2總含量不得多余20ppm[5]。中小型合成氨廠在生產過程中，常見的有毒有害物質種類很多，多以氣體、蒸氣、霧、粉塵等狀態(tài)存在，其中有毒有害氣體是合成氨生產中最常見的。 氨氣和液氨氨氣是一種具有強烈刺激臭味的無色氣體, 易被液化成藍色液體。車間空氣中氨的最高容許濃度為30 毫克／米3。它對人的眼睛和呼吸器官有較大的傷害作用。氨中毒的癥狀首先是服粘膜和呼吸道粘膜受到刺激、胸感抑郁、胃痛、打噴嚏、流口水、周身有不舒服感。如在氨氣濃度不大的環(huán)境中，停留時間不長，而且能及時離開環(huán)境，到空氣新鮮的地方去，上述的癥狀可漸漸消失。中毒嚴重時，會引起肺部腫脹導致死亡。氨氣刺激眼睛能引起角膜炎。因氨有氣味，故較好預防。合成氨生產中合成工段經常接觸的液體毒物有液氨、氨水等。液氨或氨水濺入眼內，可造成眼睛嚴重損傷，出現眼瞼水腫，眼結膜迅速充血水腫，眼劇痛，角膜混濁，甚至因角膜潰瘍、穿孔而失明。接觸液氨和高濃度氣氨，可使皮膚引起類似強堿的嚴重灼傷，出現紅斑、水泡，甚至因吸收水分，使皮膚脂肪皂化而壞死。在正常生產過程中，有很少一部份氣態(tài)NH3無法回收，通過放空火炬燃燒掉就不會對環(huán)境造成影響。對于成品氨罐放空的氣態(tài)NH3可引入冰機中進行加壓冷凝，不僅回收了NH3，同時也不會造成環(huán)境的污染[3]。 合成氨廢水合成氨生產過程中產生的廢水是COD的主要來源。比如，隔油池中廢水就含有COD。如果含有COD的廢水排放出去就會繁衍菌類、藻類，污染水源和土壤，更嚴重的是會造成污染滋生源，對環(huán)境造成更大的破壞。要減少廢水和工藝冷凝液中的COD的排放，可改進生產工藝，使廢水排放減少，建設特生化處理裝置，進行廢水處理，使廢水中的COD含量達到國家控制標準[6]。2 生產流程及生產方法的確定氨的合成工段，其主要任務是在適宜的溫度、壓力和有觸媒催化的條件下，將經過精制的氫氮混合氣體，在合成塔內直接合成為氨。然后將所得的氣氨，從氫氮混合氣中經冷卻冷凝成為液態(tài)氨分離出來。液氨由氨罐進入氨冷器蒸發(fā)為氣氨，送碳化崗位制取碳酸氫銨；或送硝酸車間制取硝酸和硝銨；或送硫銨車間制取硫酸銨；或將液氨送尿素車間制取尿素等。未合成為氨的氫氮混合氣體繼續(xù)在合成系統(tǒng)內循環(huán)使用。合成氨生產的特點，概括起來有如下幾方面[7]：(1)工藝流程長、設備管道多；(2)生產過程有高度的連續(xù)性；(3)各工序生產操作相互影響；(4)生產是在高溫、高壓、易燃、易爆、易中毒、易灼傷的情況下進行的。在整個合成氨生產過程中，合成氨生產比較復雜，始終存在著高溫、高壓、易燃、易爆、易中毒等危險因素，各種控制條件比較嚴格，稍有疏忽就可能發(fā)生事故。同時，因生產工藝流程長、連續(xù)性強，設備長期承受高溫和高壓，還有內部介質的沖刷、滲透和外部環(huán)境的腐蝕等，各類事故發(fā)生率比較高，尤其是火災、爆炸和重大設備事故經常發(fā)生。但是，只要我們能充分認識這一客觀規(guī)律并掌握這一客觀規(guī)律就能做到安全生產，實現穩(wěn)產、高產。因此，合成氨生產必須滿足高溫、高壓、高純度要求。在生產過程中有一系列化學反應、傳熱、燃燒、分離等過程,溫度、壓力、濃度等因素都影響反應的進行,這些因素又受到設備質量、水質、煤質、季節(jié)、氣候、操作水平、調度與管理的影響,這樣就形成了合成氨生產工藝過程、設備結構、操作管理與生產技術的復雜性。 氨合成過程的基本工藝步驟 實現氨合成的循環(huán)，必須包括如下幾個步驟[4]：氮氫原料氣的壓縮并補入循環(huán)系統(tǒng)；循環(huán)氣的預熱與氨的合成；氨的分離；熱能的回收利用；對未反應氣體補充壓力并循環(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。由于采用壓縮機的型式、氨分冷凝級數、熱能回收形式以及各部分相對位置的差異，而形成不同的工業(yè)生產流程，但實現氨合成過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，就需要在流程中設置壓縮機。當使用往復式壓縮機時，在壓縮過程中氣體夾帶的潤滑油和水蒸汽混合在一起，呈細霧狀懸浮在氣流中。氣體中所含的油不僅會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每段出口處設置油分離器，并在氨合成系統(tǒng)設置濾油器。若采用離心式壓縮機或采用無油潤滑的往復式壓縮機，氣體中不含油水，可以取消濾油設備，簡化了流程。(2)氣體的預熱和合成 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行氨合成反應。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放出的反應熱，即在換熱器中反應前的氫氮混合氣被反應后的高溫氣體預熱到反應溫度。在開工或反應不能自熱時，可利用塔內電加熱爐或塔外加熱爐供給熱量。(3)氨的分離 進入氨合成塔催化層的氫氮混合氣，只有少部分起反應生成氨，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。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。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程是在水冷器和氨冷器中進行的。在水冷器和氨冷器之后設置氨分離器，把冷凝下來的液氨從氣相中分離出來，經減壓后送至液氮貯槽。在氨冷凝過程，部分氫氮氣及惰性氣體溶解在液氨中。當液氨在貯槽內減壓后，溶解的氣體大部分釋放出來，通常稱為“貯罐氣”。(4)氣體的循環(huán)氫氮混合氣經過氨合成塔以后，只有一小部分合成為氨。分離氨后剩余的氫氮氣，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，再進行氨的合成，從而構成了循環(huán)法生產流程。由于氣體在設備、管道中流動時，產生了壓力損失。為補償這一損失，流程中必須設置循環(huán)壓縮機。循環(huán)機進出口壓差約為20～30大氣壓，它表示了整個合成循環(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)的情性氣體通過以下三個途徑帶出：(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，放空的位置應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，得到氫、氮氣，然后將甲烷轉化為氫，回收利用，從而降低原料氣的消耗。有些工廠設置二循環(huán)合成系統(tǒng)，合成系統(tǒng)放空氣進入二循環(huán)系統(tǒng)的合成塔，繼續(xù)進行合成反應，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，從而減少了氫氮氣損失。(6)反應熱的回收利用氨的合成反應是放熱反應，必須回收利用這部分反應熱。目前回收利用反應熱的方法主要有以下幾種：(1) 預熱反應前的氫氮混合氣。在塔內設置換熱器，用反應后的高溫氣體預熱反應前的氫氮混合氣，使其達到催化劑的活性溫度。這種方法簡單，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熱。(2) 預熱反應前的氫氮混合氣和副產蒸汽。既在塔內設置換熱器預熱反應前的氫氮混合氣，又利用余熱副產蒸汽。按副產蒸汽鍋爐安裝位置的不同，可分為塔內副產蒸汽合成塔(內置式)和塔外副產蒸汽合成塔(外置式)兩類。目前一般采用外置式，該法熱量回收比較完全，同時得到了副產蒸汽，目前中型氮廠應用較多。 (3)預熱反應前的氫氮混合氣和預熱高壓鍋爐給水。反應后的高溫氣體首先通過塔內側換熱器預熱反應前的氫氮混合氣，然后再通過塔外的換熱器預熱高壓鍋爐給水。此法的優(yōu)點是減少了塔內換器的面積，從而減小了塔的體積，同時熱能回收完全。目前大型合成氨廠一般采用這種方法回收熱量。用副產蒸汽及預熱高壓鍋爐給水方式回收反應熱時，～?？紤]氨合成工段的工藝和設備問題時，必須遵循三個原則：一是有利于氨的合成和分離；二是有利于保護催化劑，盡量延長使用壽命；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、合成塔結構型式及熱回收方法。氨合成壓力高對合成反應有利, 但能耗高。中壓法技術比較成熟，經濟性比較好，在15～30Pa的范圍內，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。由于近來低溫氨催化劑的出現, 可使合成壓力降低。合成反應熱回收是必需的, 是節(jié)能的主要方式之一。除盡可能提高熱回收率,多產蒸汽外, 應考慮提高回收熱的位能, 即提高回收蒸汽的壓力及過熱度。高壓過熱蒸汽的價值較高, 當然投資要多, 根據整體流程統(tǒng)一考慮。本次設計選用中壓法（壓力為32MPa）合成氨流程，采用預熱反應前的氫氮混合氣和副產蒸汽的方法回收反應熱，塔型選擇見設備選型部分。3 生產流程簡述氣體從冷交換器出口分二路、一路作為近路、一路進入合成塔一次入口，氣體沿內件與外筒環(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，進入氣氣換熱器冷氣入口，通過管間并與殼內熱氣體換熱。升溫后從冷氣出口出來分五路進入合成塔、其中三路作為冷激線分別調節(jié)合成塔。二、三、四層(觸媒)溫度，一路作為塔底副線調節(jié)一層溫度，另一路為二入主線氣體，通過下部換熱器管間與反應后的熱氣體換熱、預熱后沿中心管進入觸媒層頂端，經過四層觸媒的反應后進入下部換熱器管內，從二次出口出塔、出塔后進入廢熱鍋爐進口，在廢熱鍋爐中副產25MPa 蒸氣送去管網，從廢熱鍋爐出來后分成二股，一股進入氣氣換熱器管內與管間的冷氣體換熱，另一股氣體進入鍋爐給水預熱器在管內與管間的脫鹽，脫氧水換熱，換熱后與氣氣換熱器出口氣體會合，一起進入水冷器。在水冷器內管被管外的循環(huán)水冷卻后出水冷器，進入氨分離器，部分液氨被分離出來，氣體出氨分離器，進入透平循環(huán)機入口，經加壓后進入循環(huán)氣濾油器出來后進入冷交換器熱氣進口。在冷交換器管內被管間的冷氣體換熱，冷卻后出冷交換器與壓縮送來經過新鮮氣濾油器的新鮮氣氫氣、氮氣會合進入氨冷器，被液氨蒸發(fā)冷凝到5～10℃，被冷凝的氣體再次進入冷交，在冷交下部氣液分離，液氨送往氨庫氣體與熱氣體換熱后再次出塔，進入合成塔再次循環(huán)。水冷器熱交換器合成塔廢熱鍋爐放空油分離器循環(huán)機冷交換器氨分離器新鮮氣弛放液氨儲槽氨冷器 圖31 工藝流程圖4 工藝計算 原始條件（1）年產量80kt，年生產時間扣除檢修時間后按310天計，則產量為：（2）新鮮補充氣組成表41 新鮮補充氣組成組分H2N2CH4Ar 總計含量（%） 24100（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℃？？？？？？？ 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：y5