【正文】 供求情況 萬 t 年份 產(chǎn)量 進(jìn)口量 出口量 表觀消 費(fèi)量 1995 2021 2021 年均增長率 /% 從上表可以看出，我國對(duì)合成氨的需求一直穩(wěn)定增長，針對(duì)我過合成氨產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀，在我國建立大型的合成氨廠是很有必要也是很有前途的；因此，設(shè)計(jì)的合成氨廠的規(guī)模定為年產(chǎn) 20萬噸合成氨。 年產(chǎn) 20 萬噸合 成氨工廠工藝設(shè)計(jì) 3 2 工程設(shè)計(jì)條件與總平面布置 工程設(shè)計(jì)條 件 原材料及輔助物料的資源條件 本設(shè)計(jì)中主要原料是天然氣，而廠址將選在天然氣豐富的四川地區(qū)，因此原料的來源將是極為方便。 公用工程概述 廠址選在四川某市的郊區(qū)， 有可靠的供電網(wǎng)，輸、供電系統(tǒng)，附近 有鐵路、國道，交通便利，另外在不遠(yuǎn)處有著一條河流，解決了水的難題。 勞動(dòng)力資源條件 廠區(qū)所在的市內(nèi)有著數(shù)所高等院校，人力資源豐富。 總平面布置 總平面布置的基本原則 （ 1） 總平面布置首先必須滿足生產(chǎn)要求，以最大限度的保證生產(chǎn)作業(yè)線的連接、短捷、方便， 從原料進(jìn)廠到成品出廠，整個(gè)流程必須符合生產(chǎn)工藝要求，力求做到流程線路暢通、連續(xù)、短捷、避免交叉進(jìn)行 ， 使 各種物料的輸送距離 為最小。同時(shí)，應(yīng)將水電汽等公用工程耗量大的車間，盡量集中布置， 以 形成負(fù)荷中心與供應(yīng)來源靠近， 使 各種公用系統(tǒng)介質(zhì)的工程管線減少和輸送距離最短，達(dá)到節(jié)約能源。 陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 （ 2） 要能夠充分結(jié)合場地優(yōu)勢、地位、地貌等有利條件，因地制宜，緊湊布置，節(jié)約土地，少占良田，少拆房屋，提高土地利用率。 （ 3） 大多數(shù)廠房，特別是主要生產(chǎn)車間的布置，應(yīng)考慮到日照方位和主導(dǎo)風(fēng)向，保證自然通風(fēng)，廠前區(qū)和防污染的車間放在 上風(fēng)向，產(chǎn)生粉塵、煙、熱等的車間及易燃庫布置在下風(fēng)向。 （ 4） 各車間之間注意滿足防火、衛(wèi)生 等國家安全規(guī)定，各種廠房按性質(zhì)分區(qū)集中。對(duì)易燃易爆的各類儲(chǔ)罐和 有 危險(xiǎn)性的庫房（油庫、危險(xiǎn)品庫），應(yīng)力求遠(yuǎn)離火源和人員往來集中地，一般應(yīng)布置在廠區(qū)邊緣，主導(dǎo)風(fēng)向的下風(fēng)向以及地勢較低的地段。 （ 5） 人流、物流各行其道，路線短捷，避免交叉。 （ 6） 綜合管線統(tǒng)籌安排，防止干擾，力求管線短，拐彎少。 （ 7） 近期建設(shè)和遠(yuǎn)期發(fā)展相結(jié)合，主要生產(chǎn)車間留有適當(dāng)?shù)陌l(fā)展余地，輕化工工廠變化較快，綜合利用較廣，加工深度較深，大多數(shù)工藝 流程更新快，這要求在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)留有較大的預(yù)留地，以滿足工廠發(fā)展變化的需要。 （ 8） 為 保證 平面圖具有建筑藝術(shù)性，廠房形狀要規(guī)則簡單， 使 道路徑直，廠房中心線保持垂直或平行。 （ 9） 采取各種措施，提高建筑系數(shù)和場地利用稀疏。建筑系數(shù)一般為 25%～ 40%，場地利用系數(shù)一般為 50%～ 60%，這是總平面設(shè)計(jì)的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。 總平面布置概述 （ 1） 生產(chǎn)區(qū)布置：由于合成氨的生產(chǎn)不適合于室內(nèi)生產(chǎn)，因此全部是露天式生產(chǎn)，各工段按流程的順序建設(shè)，本設(shè)計(jì)中呈 U型。 （ 2） 輔助車間布置：以生產(chǎn)車間為中心，根據(jù)總 平面布置原則，綜合各種因素對(duì)各個(gè)輔助車間布置如下： A 維修車間：遠(yuǎn)離廠區(qū)前，降低噪音污染，在主力生產(chǎn)車間附近，便于設(shè)備維修。 年產(chǎn) 20 萬噸合 成氨工廠工藝設(shè)計(jì) 5 B 鍋爐房：布置在用蒸汽較多的地方，且是主導(dǎo)風(fēng)向的下風(fēng)向。 C 變配電站：靠近電力負(fù)荷中心，縮短了電線路線，減少了投資，且在水處理車間的上風(fēng)向，煤堆場的平行風(fēng)向。 D 水處理車間：靠近負(fù)荷中心，處理每日生產(chǎn)車間所需的工業(yè)用水，并提供部分生活用水。 （ 3） 運(yùn)輸設(shè)備布置：車庫油庫均布置在主干道邊緣，道路設(shè)計(jì)為主力干道，寬 10米，行道每邊各 1米，車間引道 4米，這樣有利于消防和道路的改 造。 （ 4） 堆場和倉庫：布置在主導(dǎo)風(fēng)向的下風(fēng)向，置于廠區(qū)邊緣，靠近主生產(chǎn)車間，且位于主力干道邊緣。這樣有利于原料或產(chǎn)品的進(jìn)廠和出廠，且有利于火災(zāi)發(fā)生時(shí)，消防車的順利到達(dá)出事地點(diǎn)。 （ 5） 行政管理機(jī)構(gòu)和福利區(qū)：辦公樓位于廠前區(qū)且位于主導(dǎo)風(fēng)向的上風(fēng)向。 （ 6） 綠化和美化區(qū)：本廠的綠化包括生產(chǎn)區(qū)﹑福利區(qū)的綠化帶。既有專門的綠化區(qū)，也有環(huán)繞廠房及其他建筑物的綠化帶。綠化帶以草坪為主，路旁加種樹木。這樣，可使場區(qū)空氣得以凈化，噪音減小，美化和改善了環(huán)境的衛(wèi)生條件，使本廠的小環(huán)境﹑小氣候得以明顯改善。注： 為了不妨 礙管道的布置及消防的要求，各生產(chǎn)工段的周圍不設(shè)綠化帶。 綜上所述，平面布置有以下幾個(gè)特點(diǎn)： A 廠房建筑物的布置與生產(chǎn)工藝流程相適應(yīng)。原料﹑半成品和成品形成整個(gè)順序，盡量保證流水作業(yè)，避免逆行和交叉； B 鍋爐房﹑水泵房﹑配電站等輔助車間盡量靠近其主要部門，以縮短期間距離，節(jié)省投資； C 由前區(qū)到生產(chǎn)區(qū)主要干道，應(yīng)避免與主要運(yùn)輸?shù)缆方徊妫? D 盡量使大多數(shù)廠房向陽﹑背風(fēng)﹑避免瓦斯等，盡可能使各廠區(qū)有條件采用自然采光和自然通風(fēng)等； 陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 E 按防火規(guī)范的要求，保證建筑物之間的距離，符合規(guī)定； F 根據(jù)衛(wèi)生規(guī)范的要求 ，保證廠區(qū)內(nèi)衛(wèi)生符合規(guī)定； G 根據(jù)環(huán)境發(fā)展的要求，生產(chǎn)區(qū)設(shè)在有廢渣處理系統(tǒng)﹑廢水處理系統(tǒng)﹑廢氣處理系統(tǒng)等設(shè)施 ； H 考慮工廠今后的發(fā)展，在廠區(qū)留有建筑余地； I 盡量做到以生產(chǎn)區(qū)為軸線，再考慮輔助車間﹑行政樓和道路的安排。 另外 ，總平面布置圖右上方 繪 有風(fēng)向玫瑰圖，下方 繪 有明細(xì)表等。 本圖采用 1： 500的比例。 年產(chǎn) 20 萬噸合 成氨工廠工藝設(shè)計(jì) 7 3 化工工藝設(shè)計(jì) 車間組成概述 本設(shè)計(jì)中合成氨的生產(chǎn)由轉(zhuǎn)化、變換、凈化、合成四個(gè)工段組成，由于 合成氨的生產(chǎn)不適合室內(nèi)生產(chǎn)，因此生產(chǎn)在露天進(jìn)行。 車間生產(chǎn)綜合敘述 合成工段的概況及特點(diǎn) 合成工段的主要任務(wù)是將精制的合成氣通過壓縮機(jī)壓縮到所需的壓力進(jìn)入合成塔內(nèi)進(jìn)行催化反應(yīng)生成產(chǎn)品氨。 在合成工段起決定作用的是催化劑，催化劑的選擇將決定整個(gè)合成工段設(shè)計(jì)。目前國內(nèi)大多數(shù)采用的是鐵系催化劑，雖說這種催化劑的研究已達(dá)到了國際的領(lǐng)先水平，但仍不能使合成氨的生產(chǎn)真正的做到 “低溫、低壓 ”下生產(chǎn)； 因此，本設(shè)計(jì)中所采用的催化劑為釕系催化劑 。釕系催化劑是近年來合成氨催化劑歷史上的一個(gè)突破，可以說是真正做到了 “低溫、低壓 ”。另外，釕系催化劑的活性也比鐵系催化劑有了很大的提高。雖說釕系催化劑的成本要比鐵系催化劑要高很多，但從長遠(yuǎn)考慮，還是選擇釕系催化劑。 工作制度 法定假日和星期假日采用輪換倒班制度，連續(xù)工作制 (四班三運(yùn)轉(zhuǎn) )： 工作日 =365—設(shè)備維修日 =365－ 35 =330(天 ) 陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 產(chǎn)品 的主要技術(shù)規(guī)格及標(biāo)準(zhǔn) 表 31 液氨產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格 序號(hào) 名稱 規(guī)格 國 家標(biāo)準(zhǔn) 備注 等級(jí) 組分 含量 1 液氨 一級(jí)品 氨 ＞ GB35665 水和油 ＜ 2 液氨 二級(jí)品 氨 ＞ GB35665 水和油 ＜ 表 32 氨水產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格 序號(hào) 名稱 規(guī)格 標(biāo)準(zhǔn) 備注 等級(jí) 組分 含量 1 農(nóng)業(yè)用氨水 一級(jí)品 氨 ＞ 20 部標(biāo) HGI8864 二級(jí)品 氨 ＞ 18 三級(jí)品 氨 ＞ 15 2 工業(yè)用氨水 一級(jí)品 氨 ＞ 25 部標(biāo) HGI8864 殘?jiān)? ＜ 二級(jí)品 氨 ＞ 20 殘?jiān)? ＜ 三級(jí)品 氨 ＞ 20 殘?jiān)? ＜ 工藝流程敘述 原料氣（天然氣）經(jīng)預(yù)熱、脫硫后，分成兩股，它們與蒸汽混合、再預(yù)熱后分別送到轉(zhuǎn)化換熱器（ KRES）和絕熱自熱式轉(zhuǎn)化爐（ ATR）。壓縮空氣與部分混合氣一起導(dǎo)入ATR進(jìn)口 ——專門設(shè)計(jì)的混合區(qū)。本流程使用過量的空氣，然后將過量的氮排出，這就不需要氧氣或富氧空氣 ,過量空氣的量根據(jù)最終優(yōu)化確定 ,約為化學(xué)計(jì)量的 (40~60)%。一部分烴類在自熱式轉(zhuǎn)化爐中燃燒 ,釋放的熱供 KRES裝置中剩余的烴類蒸 汽 轉(zhuǎn)化的需要。 年產(chǎn) 20 萬噸合 成氨工廠工藝設(shè)計(jì) 9 965℃ 的 ATR 流出物進(jìn)入 KRES 的殼側(cè) ,剩余的原料氣和蒸 汽 進(jìn)入 KRES 的管側(cè)。當(dāng)混合氣沿管子向下流時(shí)與傳統(tǒng)的蒸 汽 轉(zhuǎn)化催化劑接觸 ， 蒸 汽 轉(zhuǎn)化所需的熱由殼側(cè)氣體提供 ， 殼側(cè)氣體是 ATR 流出物和 KRES 管側(cè)流出物的混合物 ， KRES 管測出口溫度為870℃ ， 混合物的溫度為 925℃ 。 KRES流出物溫度為 645℃ ， 經(jīng)蒸 汽 發(fā)生器冷卻到 370℃后流到高、低變爐。出口氣經(jīng)冷卻送到二氧化碳脫除工藝 ， 二氧化碳可以用已經(jīng)商業(yè)化的工藝除去。進(jìn)一步的凈化包括甲烷化、急冷和干燥。深冷凈化器對(duì)粗合成氣 進(jìn)行最后的凈化 ， 它由三個(gè)簡單的部分組成 :進(jìn)出口換熱器、低速膨脹機(jī)及頂部有冷凝器的精餾塔。粗合成氣體進(jìn)入凈化器后首先在原料 /流出物換熱器的頂部與凈化氣及凈化器廢氣換熱被冷卻 ， 然后流過膨脹機(jī) ,膨脹機(jī)移去熱量以提供深冷裝置所需要的冷量。膨脹機(jī)流出物在換熱器底部進(jìn)一步冷卻并部分冷凝后進(jìn)入精餾塔。進(jìn)入精餾塔的全部甲烷、約60%的氬和多余的氮都作為廢物除去。部分精餾塔底部的液體減壓蒸發(fā) ， 先通過精餾塔頂部冷凝器殼側(cè)使塔形成回流然后與凈化器進(jìn)氣換熱 ， 預(yù)熱后作為再生合成氣干燥器的廢氣 ， 這廢氣最后作為工藝加熱器的燃料。合成氣也 由凈化器進(jìn)氣預(yù)熱。經(jīng)過凈化的氣體壓縮到合成回路的壓力 ， 進(jìn)入內(nèi)冷、熱壁、徑向合成塔進(jìn)行反應(yīng) ， 合成塔的第 1床用傳統(tǒng)的催化劑 ， 其余三床用釕催化劑。合成塔出口氣的熱量回收產(chǎn)高壓蒸 汽，熱回收后的氣體中的氨使用組合式換熱器和冰機(jī)冷凝成為氨產(chǎn)品。因補(bǔ)充氣中惰性氣體的含量較低 ， 合成回路的弛放氣量較少，除去氨后的弛放氣與干燥器的進(jìn)氣混合進(jìn)入工藝系統(tǒng)，因此不需要單獨(dú)的弛放氣回收裝置。凈化器的廢氣是前端過量的氮、氬、甲烷及合成回路弛放氣的最終弛放點(diǎn)。 陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 4 合成工段的 工藝 計(jì)算及設(shè)備選型 合成工段設(shè)計(jì)要求 年工作日： 330天； 系統(tǒng)工作壓力： 練氣組成（％）： H2 ， N2 ， 合成塔進(jìn)氣（％）： NH3 ， Ar 16 合成塔出氣（ %）： NH3 21 合成工段物料衡算圖 1——新鮮氣； 14——弛放氣； 16， 17， 19——液氨；其余各點(diǎn)為循環(huán)氣 合成工段的工藝計(jì)算 年產(chǎn) 20 萬噸合 成氨工廠工藝設(shè)計(jì) 11 物料衡算 （ 1）合成塔計(jì)算 ① 合成塔入口氣組成： 入塔氨含量：36NHy =％； 入塔氫含量：2Hy =()x100％ =％； 入塔氬含量： 6Ary =16％； 入塔氮含量：2Ny=()x100％ =％。 表 41 入塔氣組分含量（％） NH3 Ar H2 N2 小計(jì) ② 合成塔出氣 組成 ： 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： 33336 7 N H 6 N HNH7 N HN ( y y ) 1 ( 0 . 2 1 0 . 0 2 5 )N 0 . 1 5 2 8 9 K m o l1 y 1 0 . 2 1? ?? ? ??? 出塔氣量 =入塔氣量 —生成氨含量 == 出塔氨含量： 37NHy=％ 出塔氬 含量： 67 Ar 6Ar7NyyN??=1/16%=% 出塔氫含量： 陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 2326 6 H N H7H73N y N2y 100 %N??? =（ ） /100% =% 出塔氮含量： 28Ny ( 1 0. 21 0. 18 88 8 0. 41 64 8 ) 10 0% 18 .4 64 %? ? ? ? ? ? 表