【正文】 2 = 由于 CO 變換過(guò)程是強(qiáng)放熱過(guò)程，必須分段進(jìn)行以利于回收反應(yīng)熱，并控制變換段出口殘余 CO 含量。第一步是高溫變換，使大部分 CO 轉(zhuǎn)變?yōu)?CO2 和 H2；第二步是低溫變換，將 CO 含量降至 %左右。因此， CO 變換反應(yīng)既是原料氣制造的繼續(xù) ，又是凈化的過(guò)程，為后續(xù)脫碳過(guò)程創(chuàng)造條件。 ② 脫硫脫碳過(guò)程 [5] 各種原料制取的粗原料氣，都含有一些硫和碳的氧化物，為了防止合成氨生產(chǎn)過(guò)程催化劑的中毒，必須在氨合成工序前加以脫除，以天然氣為原料的蒸汽轉(zhuǎn)化法，第一道工序是脫硫，用以保護(hù)轉(zhuǎn)化催化劑，以重油和煤為原料的部分氧化法，根據(jù)一氧化碳變 4 換是否采用耐硫的催化劑而確定脫硫的位置。工業(yè)脫硫方法種類很多，通常是采用物理或化學(xué)吸收的方法，常用的有低溫甲醇洗法 (Rectisol)、聚乙二醇二甲醚法 (Selexol)等 [6]。 粗原料氣經(jīng) CO 變換以 后，變換氣中除 H2 外，還有 CO CO 和 CH4 等組分，其中以 CO2 含量最多。 CO2 既是氨合成催化劑的毒物，又是制造尿素、碳酸氫銨等氮肥的重要原料。因此變換氣中 CO2 的脫除必須兼顧這兩方面的要求。 一般采用溶液吸收法脫除 CO2。根據(jù)吸收劑性能的不同，可分為兩大類。一類是物理吸收法，如低溫甲醇洗法 (Rectisol)，聚乙二醇二甲醚法 (Selexol)，碳酸丙烯酯法 [7]。一類是化學(xué)吸收法，如熱鉀堿法，低熱耗本菲爾法，活化 MDEA 法， MEA 法等 [8]。 ③ 氣體精制過(guò)程 經(jīng) CO 變換和 CO2 脫除 后的原料氣中尚含有少量殘余的 CO 和 CO2。為了防止對(duì)氨合成催化劑的毒害，規(guī)定 CO 和 CO2 總含量不得大于 10cm3/m3(體積分?jǐn)?shù) )。因此，原料氣在進(jìn)入合成工序前，必須進(jìn)行原料氣的最終凈化，即精制過(guò)程 [9]。 目前在工業(yè)生產(chǎn)中，最終凈化方法分為深冷分離法和甲烷化法。深冷分離法主要是液氮洗法，是在深度冷凍 (100℃ )條件下用液氮吸收分離少量 CO，而且也能脫除甲烷和大部分氬，這樣可以獲得只含有惰性氣體 100cm3/m3 以下的氫氮混合氣，深冷凈化法通常與空分以及低溫甲醇洗結(jié)合。甲烷化法是在催化劑存在下使少 量 CO、 CO2 與 H2 反應(yīng)生成 CH4 和 H2O 的一種凈化工藝，要求入口原料氣中碳的氧化物含量 (體積分?jǐn)?shù) )一般應(yīng)小于 %。甲烷化法可以將氣體中碳的氧化物 (CO+CO2)含量脫除到 10cm3/m3 以下，但是需要消耗有效成分 H2，并且增加了惰性氣體 CH4 的含量。甲烷化反應(yīng)如下： CO+3H2→CH 4+H2O =CO2+4H2→CH 4+2H2O = (3)氨合成 將純凈的氫、氮混合氣壓縮到高壓，在催化劑的作用下合成氨。氨的合成是提供液 氨產(chǎn)品的工序，是整個(gè)合成氨生產(chǎn)過(guò)程的核心部分。氨合成反應(yīng)在較高壓力和催化劑存在的條件下進(jìn)行，由于反應(yīng)后氣體中氨含量不高，一般只有 10%~20%，故采用未反應(yīng)氫氮?dú)庋h(huán)的流程 [10]。氨合成反應(yīng)式如下： N2+3H2→2NH 3(g) =要求： 繪制帶控制點(diǎn)的工藝流程圖 系統(tǒng)物料、能量合算 系統(tǒng)主要設(shè)備能力及觸媒裝填量核算 5 該工段設(shè)備多，工藝計(jì)算復(fù)雜，分合成塔設(shè)備及觸媒核算、熱量核算及主要設(shè)備能力核算 意義：通過(guò)該設(shè)計(jì)鍛煉自己嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的 治學(xué)態(tài)度，將理論知識(shí)運(yùn)用于實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)差距，改進(jìn)方法。我國(guó)是一農(nóng)業(yè)大國(guó)，每年對(duì)化肥的需求位于世界第一，如何提高我國(guó)化肥的生產(chǎn)技術(shù)水平是我們化學(xué)工作者得任務(wù)之一。合成氣是合成氨生產(chǎn)的最后一道工序也是整個(gè)生產(chǎn)中最為重要的一環(huán)，產(chǎn)率合成的好壞直接影響整個(gè)化肥的生產(chǎn) [11]。 發(fā)展前景 我國(guó)的氮肥工業(yè)自 20 世紀(jì) 50 年代以來(lái)，不斷發(fā)展壯大。目前合成氨產(chǎn)量已躍居世界第一位，現(xiàn)已掌握了以焦炭、無(wú)煙煤、焦?fàn)t氣、天然氣及油田伴生氣和液態(tài)烴多種原料生產(chǎn)合成氨、尿素的技術(shù)。形成了特有的煤、石油、天然氣原料并存和大、中、小生產(chǎn)規(guī)模并存的生產(chǎn)格局。目前合成氨總生產(chǎn)能力為 4 500 萬(wàn) t/ a 左右，氮肥工 業(yè)已基本滿足了國(guó)內(nèi)需要。在與國(guó)際接軌后，具備與國(guó)際合成氨產(chǎn)品 的能力，今后發(fā)展重點(diǎn)是調(diào)整原料和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步改善經(jīng)濟(jì)性 [12]。 根據(jù)合成氨技術(shù)發(fā)展的情況分析，估計(jì)未來(lái)合成氨的基本生產(chǎn)原理將不會(huì)出現(xiàn)原則性的改變，其技術(shù)發(fā)展將會(huì)繼續(xù)緊密圍繞 “降低生產(chǎn)成本、提高運(yùn)行周期，改善經(jīng)濟(jì)性 ”的基本目標(biāo)，進(jìn)一步集中在 “大型化、低能耗、結(jié)構(gòu)調(diào)整、清潔生產(chǎn)、長(zhǎng)周期運(yùn)行 ”等方面進(jìn)行技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)。 生產(chǎn)能力大型化目前國(guó)外合成氨生產(chǎn)規(guī)模發(fā)展趨勢(shì)是提高系列 生產(chǎn)能力。未來(lái)氨裝置單系列生產(chǎn)能力為日產(chǎn) 2kt，尿素裝置相應(yīng)為 。新建單系列投資比雙系列可降低 20%。我國(guó)合成氨日產(chǎn) 2kt 大型系列應(yīng)走老廠改擴(kuò)道路，在現(xiàn)有日產(chǎn) 1kt 合成氨裝置上采用在二段轉(zhuǎn)化爐加氧，使可生產(chǎn)合成氣生產(chǎn)能力加翻，達(dá)日產(chǎn) 2kt 再進(jìn)行氨合成配置套和將氨加工成尿素，采用高壓變換氣氣提法在生產(chǎn)尿素的同時(shí)代替脫除 CO2 裝置，以平衡增產(chǎn)氨的加工產(chǎn)品的生產(chǎn)能力。這種改造投資還不到新建的 1/2。將來(lái)天然氣成網(wǎng)配置后，對(duì)30 多套大型合成氨裝置改擴(kuò)后，每年就能夠增產(chǎn)合成氨近 10M 他，同時(shí)提高了天然氣原料制 氨的比重 [13]。 產(chǎn)品多樣化當(dāng)今，從制氨用合成氣出發(fā)，在制取合成氨的同時(shí)，聯(lián)產(chǎn)甲醇和碳一化產(chǎn)品，已成為資源綜合利用的有效途徑。隨著深度加工產(chǎn)品的不斷開(kāi)發(fā)，化學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域 6 不斷開(kāi)拓，其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位將愈顯重要 [14]。 展望我國(guó)的合成氨工業(yè)，中小型裝置除繼續(xù)延續(xù)優(yōu)勝劣汰的趨勢(shì)外，在現(xiàn)在的基礎(chǔ)上，會(huì)繼續(xù)向規(guī)?；凸?jié)能降耗的方向邁進(jìn)。原料仍會(huì)氣、液、固多樣化，新建或擴(kuò)建廠除注重采用先進(jìn)成熟的工藝外，還應(yīng)特別注意經(jīng)濟(jì)性和盈利性。最近，我國(guó)天然氣的開(kāi)發(fā)已進(jìn)入了一個(gè)新階段，目前已探明的天然氣儲(chǔ)量達(dá) 15276 億立方米。由于天然氣合成氨的優(yōu)越 及國(guó)家加快天然氣發(fā)展的策略，以 天然氣為原料的合成氨裝置將在近期內(nèi)加快發(fā)展，新技術(shù)的引進(jìn)將引發(fā) 裝置的新一輪的技術(shù)改造和設(shè)備及操作的更新?lián)Q代，設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化率會(huì)在原有基礎(chǔ)上增加更快 [15]?？傊覈?guó)合成氨工業(yè)總體水平將在 21 世紀(jì)登上一個(gè)新臺(tái)階。 未來(lái)我國(guó)的合成氨工業(yè)發(fā)展方向： 。 。 。 ，從制氨用合成氣出發(fā)，在制取合成氨的同時(shí)， 聯(lián)產(chǎn)甲醇和碳一化工產(chǎn)品 。 7 第三章 工藝設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 產(chǎn)品用途、原料規(guī)格要求 合成氨主要用作化肥、冷凍劑和化工原料 。氨合成的原料為碳化煤球，由于本設(shè)計(jì)書(shū)是對(duì)合成氨的合成系統(tǒng)的工藝和設(shè)備設(shè)計(jì)，其原料為由 精煉工段來(lái)的精煉氣 。 設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)及本設(shè)計(jì)主要工藝技術(shù)指標(biāo) 設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 以精煉工段來(lái)的精煉氣為原料，對(duì) 3000 噸合成氨合成系統(tǒng)工藝和設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)。 工藝流程敘述（附流程簡(jiǎn)圖） 由 精煉工段來(lái)的精煉氣經(jīng)一級(jí)氨分離器有部 分氨冷凝成液氨，其余的經(jīng)二級(jí)氨冷器到冷交換器，此時(shí)有部分氨冷凝成液氨，其余的經(jīng)過(guò)合成塔，未合成的氫氣、氮?dú)膺M(jìn)行了合成反應(yīng)，然后依次到達(dá)水冷器、水冷后氨分離器，此時(shí)就系統(tǒng)整體考慮，放空部分氣體，其余的到達(dá)循環(huán)機(jī)、油分離器后，部分返回合成塔，部分達(dá)冷交換器，此時(shí)有部分氨冷凝成液氨，其余的達(dá)一級(jí)氨冷器、一級(jí)氨分離器，此時(shí)有部分氨冷凝成液氨，其余的達(dá)二級(jí)氨冷器再到冷交換器，構(gòu)成一循環(huán)系統(tǒng)。 圖 31 為合成系統(tǒng)示意流程 圖。 圖 31 為合成系統(tǒng)示意流程 圖 1—合成塔， 2—水冷器， 3—水冷后氨分離 器， 4—循環(huán)機(jī)， 5—油分離器， 8 6—一級(jí)氨冷器， 7—一級(jí)氨分離器， 8—二級(jí)氨冷器， 9—冷交換器； V0 — 新鮮氫氮?dú)猓?V1 — 放空氣， V2 — 進(jìn)塔氣， V3 — 出塔氣 。 V14? 、 V24? — 液氨。 主要工藝技術(shù)指標(biāo) 精煉氣成份按 表 31 計(jì)算 。 表 31 精煉氣成份 成份 H2 N2 CH4 Ar 合計(jì) % 100 進(jìn)塔氣中氨含量： % 出塔氣中氨含量： 11% 出塔氣中惰性氣體含量： % 精煉氣溫度： 35℃ 壓力 :循環(huán)機(jī)出口 ，其余各點(diǎn)壓力 可參見(jiàn)第四章的示 意流程圖 。 氣體在液氨中的溶解量忽略不計(jì)，熱 (冷 )損失亦忽略不計(jì) 。 主要公式、物性數(shù)據(jù)來(lái)源及計(jì)算公式 在氣相中的平衡濃度 yA： logyA=+－ （ 31） 絕熱指數(shù) K： 11?K =??1Kyi i （ 32） 進(jìn)出口溫度關(guān)系： T出 =T入 ???????? ?入出PP KK 1 （ 33） 常壓平均分子熱容 Cp0： Cp0= Cypii 0? （ 34） 混合氣體的虛擬臨界壓力 Pcm ： PyPicicm ?? （ 35） 混合氣體的虛擬臨界溫度 Tcm ： TyTciicm ?? (36) 對(duì)比壓力 ： Pr = PcmP (37) 對(duì)比溫 度 TTcmr T? (38) 9 體系溫升 cyHy paz Rat )1( )(? ???? (39) 高壓混合氣體的粘度 ?m： ?m=?? My MCy ii itii ? (310) 直管內(nèi)給熱系數(shù) αi =d? PrRe (311) 雷諾準(zhǔn)數(shù) Re=?Gdi (312) 管外給熱系數(shù)0 40 dL?? (313) 傳熱系數(shù)mRdaddadKnnmiim ?????? 1 (314) 平均溫度差 mt? =2121 tttt????? (315) 傳熱面積mtKQA ?? (316) 由《手冊(cè)》式 (12413)，當(dāng) Re 大于 6000 時(shí)，螺 旋板換熱器給熱系數(shù)的算式為 PrRe )( nHeDdNu ?? (317) 以上公式均來(lái)自《氮?dú)夤ぷ髡呤謨?cè)》。 《制冷機(jī)及制冷設(shè)備》克魯西林公式管外給熱系數(shù) Cq?? (318) 由上?；W(xué)院：螺旋板式熱交換器設(shè)計(jì)與計(jì)算 , 197