【正文】 二段爐出口廢熱鍋爐 E8 熱量衡算 ................. 59 廢熱鍋爐 E8 蒸汽發(fā)生量的計算 ................... 60 高溫變換爐熱量衡算 ............................. 61 高溫變換爐出口換熱器 E10 熱量衡算 ............. 64 低溫變換爐熱量衡算 ............................. 66 沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 VI 甲烷化爐熱量衡算 .............................. 69 ........................................ 72 第一章 文獻(xiàn)綜述 1 第一章 文獻(xiàn)綜述 氨的性質(zhì)和用途 氨在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下是無色氣體，比空氣輕，具有特殊的刺激性臭味。人們在空氣含氨濃度＞ 100ppm(76mg/Nm3)的環(huán)境中，每天接觸 8小時會引起慢性中毒；5000~10000ppm時，只要接觸幾分鐘就會有致命作用。氨水溶液能引起局部刺激作用，濃氨水對眼睛會產(chǎn)生特別嚴(yán)重的作用；對皮膚的作用隨濃度和接觸時 間而變化，從輕度皮膚炎到嚴(yán)重?zé)齻?。因此，?yīng)牢記氨對人可能造成的危害及應(yīng)采取的措施。 ㈠ 物理性質(zhì) 表 111 氨的主要物理性質(zhì) 物理性質(zhì) 數(shù)值 物理性質(zhì) 數(shù)值 分子量 沸點（ ） ,℃ 含氮量， % 冰點， ℃ 摩爾體積（ 0℃ ，） ,L/mol 蒸發(fā)熱（ ℃ ），kJ/kg 氣體密度（ 0℃ ，） ,g/L 熔化熱（ ℃ ），kJ/kg 臨界壓縮系數(shù) 氣體高熱值， MJ/m3 臨界溫度， ℃ 液體高熱值， MJ/kg 臨界壓力， MPa 液體低熱值， MJ/kg 臨界比容， L/kg 標(biāo)準(zhǔn)焓 ⊿ H0， kJ/mol 臨界密度， g/cm3 自由能 ⊿ F0(氣體，25℃ ) 液體密度（ ℃ ，） ,g/cm3 標(biāo)準(zhǔn)熵 S0（氣體， 25℃ ，） ,J/molK 20℃下將氨氣加壓到 時 ，液化為無色的液體。液氨的物理性質(zhì)和水相似，也是一種優(yōu)良的溶劑。 氨氣易溶于水，溶解時放出大量的熱。 液氨或干燥的氨氣對大部分物質(zhì)不腐蝕，在有水存在時，對銅、銀、鋅等金屬有腐蝕。 沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 氨是一種可燃性氣體，自然點為 630℃，故一般較難點燃。 氨與空氣或氧氣的混合物在一定濃度范圍能夠發(fā)生爆炸。有飽和水蒸氣存在時，氨 —— 空氣混合物的爆炸界限較窄。 ㈡ 化學(xué)性質(zhì) 氨在常溫時相當(dāng)穩(wěn)定，在高溫、電火花或紫外光的作用下可分解為氫氣和氮氣： 2NH3 → N 2 + 3H2 氨易與許多物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，例如：在催化劑作用 下能與氧反應(yīng)生成 NO，與 CO2 反應(yīng)生成氨基甲酸銨，然后脫水成尿素。 4NH3 + 5O2 → 4NO + 6N 2O 2NH3 + CO2→ NH 4COONH2 NH4COONH2 → CO （ NH2） 2 + H2O 氨與無機酸反應(yīng) ： NH3 + HCl → NH 4Cl NH3 + HNO3 → NH 4NO3 2NH3 + H2SO4 → (NH 4)2SO4 NH3 + H3PO4 → (NH 4)H2PO4 2NH3 + H3PO4 → (NH 4)2HPO4 工業(yè)上利用這些反應(yīng)制取尿素、硝酸銨和磷酸銨的主要品種的氮肥。 氨也能生產(chǎn)各種配位化合物 ， 它們和水合物類似 ， 通稱氨合物 ， 例如 ： 對應(yīng)CaCl26H2O 和 CuSO44H2O 也分別有 CaCl26NH3和 CuSO44NH3 。此等化合物稱為氨絡(luò)物。 ㈢ 氨的用途 氨在國民經(jīng)濟中有著重要的意義，現(xiàn)在約有 85%的氨用來制造化學(xué)肥料，其余作為生產(chǎn)其他化工產(chǎn)品的原料。 除液氨可以直接作為肥料外，農(nóng)業(yè)上使用的氮肥，例如尿素、硝酸銨、磷酸銨、硫酸銨、氯化銨、氨水以及各種含氮混肥和復(fù)肥，都是以氨為原料的。 氨在工業(yè)上主要用來制造炸藥和各種化學(xué)纖維及塑料。從氨可以制得硝酸，進(jìn)而再制造硝酸銨、硝化甘油、三硝基甲苯和氨基纖維素等炸藥。在化纖和塑料工業(yè)中，則以氨、硝酸和尿素等作為氨源，生產(chǎn)己內(nèi)酰胺、尼農(nóng) 6 單體、己二胺、人造絲、丙烯腈、酚醛樹脂和脲醛樹脂等產(chǎn)品。 第一章 文獻(xiàn)綜述 3 氨在其他工業(yè)用途也十分的廣泛，例如：在在制冰、空調(diào)、冷藏等系統(tǒng)的制冷劑，在冶金工業(yè)中用來提煉礦石中的銅、鎳等金屬，在醫(yī)藥工業(yè)中用作生產(chǎn)磺胺類藥物、維生素、蛋氨酸和其他氨基酸等等。 氨的發(fā)現(xiàn)與生產(chǎn)方法 氨是 1754 年普里斯特利 （ JPriestley） 在加熱氯化銨和石灰石混合物時發(fā)現(xiàn)的，1784 年伯托利 (CLBerthollet)確定氨由氮和氫組成。 19 世紀(jì)中葉，隨著煉焦工業(yè)興起，副產(chǎn)物焦?fàn)t氣除氫、甲烷等主要組分以外，尚有少量的氨。但因回收的氨量不能滿足需要，促使人們研究從空氣中將游離態(tài)氮轉(zhuǎn)變成氨的方法。直到 20 世紀(jì)初開始相繼在工業(yè)上實現(xiàn)了氰化法和直接合成法制氨工藝。 ㈠ 氰化法 1898 年弗蘭克 （ AFrank） 等人發(fā)現(xiàn)碳化鈣在氮氣中加熱到 1000℃ 時生成氰氨化鈣。氰氨化鈣除作為氮肥外，與過熱蒸汽反應(yīng)即可得到氨，人們稱這種制氨方法為氰化法。從 制取碳化鈣開始到生成氨的系列反應(yīng)為： CaO + 3C → CaC 2 + CO CaC2 + N2 → CaCN 2 + C CaC2 + 3H2O → CaCO 3 + 2NH3 1905 年在德國建成世界第一座氰氨化鈣的工業(yè)裝置。一次世界大戰(zhàn)期間，德國、美國炸藥工業(yè)需要的氨主要采用氰化法獲得。但是該法的能量消耗高，每制取 1t氨需要 190GJ（ ） ，所以并不經(jīng)濟。 ㈡ 直接合成法 此法是在高壓、高溫和有催化劑時，氮氣和氫氣直接合成為氨的一種方法。早在 1900 年，德國物理化學(xué)家哈伯 （ FHaber） 根據(jù)化學(xué)熱力學(xué)原理計算了不同壓力和溫度下氨的平衡含量（見表 121） . 表 121 不同溫度和壓力下氨的平衡含量 溫度，℃ 300 500 700 900 壓力， 10MPa 1909 年，哈伯以很細(xì)的鋨粉末做催化劑，在 ～ 20MPa 和 500～ 600℃ 下進(jìn)沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 行合成氨的實驗，得到 6%NH3 。由于氫、氮氣通過氨合成塔時只有一小部分起反應(yīng)，為了提高原料的利用率，哈伯提出將未反應(yīng)的氫、氮氣返 回到氨合成塔的循環(huán)方法。 1910 年，哈伯在機械工程師博施 （ CBosch） 協(xié)助下建成每小時 80g 合成氨實驗室裝置。 1911 年在化學(xué)家米塔希 （ AMittasch） 的提議下，德國巴登苯胺純堿公司（ BASF） 經(jīng)過多次實驗，研制成功以鐵為活性組分的合成氨催化劑。鐵比鋨價廉、易得。直到現(xiàn)在，鐵催化劑仍在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。而在合成氨工業(yè)生產(chǎn)中遇到的一些技術(shù)難題，例如：氫對鋼材的腐蝕，高壓反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)，以及制取氫氮原料氣的方法，也都在博施的協(xié)助下得到解決。 1912 年在德國奧堡 （ Oppau） 建成一個日產(chǎn) 30t 的合成氨裝 置， 1913 年開始運行， 1914 年達(dá)到設(shè)計生產(chǎn)能力。 1917年，另一座日產(chǎn) 90t 合成氨的裝置也在德國洛伊納 （ Leuna） 建成投產(chǎn)。由于哈伯貢獻(xiàn)突出而獲 1918 年諾貝爾化學(xué)獎金，人們也稱這種直接合成氨的方法為哈伯 博施法。當(dāng)時采用焦炭為原料， 1t 氨需要消耗能量 88GJ，與氰化法相比，已減少很多。因此，到 30 年代此法就成為合成氨工業(yè)生產(chǎn)中的主要方法。 我國合成氨工業(yè)概況 我國合成氨生產(chǎn)是在 30 年代開始的，但當(dāng)時僅在南京、大連兩地建有氨廠，最高年產(chǎn)量不過 50kt(1941 年 )。此外，在上海還有一個電解水制 氫生產(chǎn)合成氨的小型車間。 建國以來，化工部門貫徹以農(nóng)業(yè)服務(wù)的方針，把發(fā)展化肥工業(yè)放在首位。經(jīng)過四十多年的努力，我國已擁有多種原料，不同流程的大、中、小合成氨廠一千多個，1992 年總產(chǎn)量為 氨，排名世界第一。 我國合成氨工業(yè)的發(fā)展可以分為如下幾個階段： ㈠恢復(fù)老廠和新建中型氨廠 50 年代初，在恢復(fù)與擴建老廠的同時，從蘇聯(lián)引進(jìn)以煤為原料年產(chǎn) 50kt 的三套合成氨裝置 ， 1957 年開始先后建成投產(chǎn)。試制成功高壓往復(fù)式壓縮機、氨合成塔后，它標(biāo)志我國具有自力更生發(fā)展合成氨工業(yè)的條件。于是設(shè)計與自制設(shè)備，陸續(xù)建成一批年產(chǎn) 50kt 的中型氨廠。 60 年代隨著石油、天然氣資源開采，又從英國引進(jìn)以天然氣為原料的加壓蒸汽轉(zhuǎn)化法、一套年產(chǎn) 100kt 合成氨裝置；并從意大利引進(jìn)以重油為原料的部分氧化法、一套年產(chǎn) 50kt 合成氨裝置，從而形成了以煤、油、第一章 文獻(xiàn)綜述 5 氣原料并舉的中型氨廠生產(chǎn)體系。迄今為止，已建成 50 多座中型氨廠， 1992 年產(chǎn)量為 。 ㈡ 小型氨廠的發(fā)展 為了適應(yīng)農(nóng)業(yè)發(fā)展的迫切需要，發(fā)揮中央和地方辦化肥廠的積極性， 1985 年著名化學(xué)家侯德榜提出碳化法合成氨流程制取碳銨新工藝，經(jīng)過生產(chǎn)試驗，歷時六年，終于闖過了技術(shù)關(guān)、經(jīng) 濟關(guān)。從 60 年代開始在全國各地（除西藏外）建成了一大批小型氨廠， 1979 年最多時曾發(fā)展到 1539 座氨廠。 ㈢ 大型氨廠的引進(jìn) 70 年代是世界合成氨工業(yè)大發(fā)展的時期，由于大型合成氨裝置的優(yōu)越性， 1972年 2月，我國作出了成套引進(jìn)化學(xué)肥料技術(shù)和設(shè)備的決定。 1973 年開始，從美國、日本、法國首批引進(jìn) 13套年產(chǎn) 300kt 合成氨的成套裝置，其中以天然氣為原料的 4套，以油田氣為原料的 4套，以石腦油為原料的 5套。為了擴大原料范圍， 1978 年又開始第二批引進(jìn) 4 套年產(chǎn) 300kt 合成氨裝置，其中以渣油為原料的 3套，以煤為原料的 1套。這些大型合成氨引進(jìn)裝置的建成投產(chǎn)，不僅較快地增加合成氨產(chǎn)量和提高生產(chǎn)技術(shù)水平，而且也縮小了與世界先進(jìn)水平的差距。 此外，我國設(shè)計以石腦油為原料的年產(chǎn) 30 萬噸的合成氨裝置也于 1980 年建成投產(chǎn)，而以天然氣為原料的我國第一套年產(chǎn) 20 萬噸氨的國產(chǎn)化大型裝置，于 1990年在四川化工總廠建成，噸氨能耗設(shè)計保證值為 ， 1992 年考核實際值為。 最近我國又引進(jìn) 3 套具有 80 年代末期世界先進(jìn)技術(shù)水平，以天然氣為原料的節(jié)能型合成氨裝置。 除建成的 22 套大型合成氨裝置以外，考慮我國是農(nóng) 業(yè)大國，化肥需求量逐年增長，為此在“八五”期間還將新建一批以氣、油、煤為原料的年產(chǎn) 30 萬噸引進(jìn)的和國產(chǎn)化的合成氨裝置。 合成氨的發(fā)展趨勢 ⒈原料：合成氨系統(tǒng)的能源消耗占有很大的比重，主要是原料用天然氣和燃料天然氣兩個方面。天然氣是目前最理想，最切實際，最具前途的新能源。我國有豐富的天然氣資源，且是清潔燃料，可采儲量前景好，所以合成氨以天然氣做燃料的比例沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 還會大幅度上升。 ⒉ 低能耗生產(chǎn)工藝：采用低水碳比操作，從而有效的減少一段爐的傳熱負(fù)荷和爐管的壓降以節(jié)省燃料氣的消耗。 ⒊ 生產(chǎn)規(guī)模大型化：以前我國建設(shè)了一 批中型氮肥企業(yè)，合成氨單系列裝置生產(chǎn)能力達(dá)到 6—12 萬 t/a，隨著我國化學(xué)工業(yè)的迅速發(fā)展，合成氨產(chǎn)量增長較快，我國大型氨廠約有 30 家左右，且年產(chǎn) 30 萬噸。 ⒋ 生產(chǎn)自動化：自從 20 世紀(jì) 70 年代計算機技術(shù)應(yīng)用到合成氨工業(yè)以后，操作控制就發(fā)生了飛躍。 1975 年美國 Honeywe 公司開發(fā)成功 TPC—2020 總體分散性控制系統(tǒng) DCS。 DCS 是現(xiàn)代計算機技術(shù)，控制技術(shù)，數(shù)據(jù)通訊技術(shù)和熒光屏技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。 設(shè)計任務(wù) 1. 生產(chǎn)規(guī)模：節(jié)能型年產(chǎn) 30 萬噸合成氨轉(zhuǎn)化工藝。 2. 原料規(guī)格及來源 本設(shè)計采用天然氣為原料，來自川 南氣礦。 表 151 原料規(guī)格 組分 N2% H2% CH4% CO2% C2H6% C3H8% C4H10% S% 組成 60ppm 含噻吩 3. 主副產(chǎn)品的規(guī)格 主產(chǎn)品規(guī)格：液氨含量＞ % 副產(chǎn)品規(guī)格：副產(chǎn)品為 CO2 （再生氣），其含量＞ % 4. 廠址的選擇 本設(shè)計廠址選擇在四川省瀘州市合江縣榕山鎮(zhèn)，榕山鎮(zhèn)位于合江縣城東北方向，黃金水道長江，省道合渝公路穿鎮(zhèn)而過，水陸交通便利，水電資源豐富，且離中心城市較遠(yuǎn)。 第二章 設(shè)計基礎(chǔ) 7 第二章 設(shè)計基礎(chǔ) 設(shè)計方案的確定 生產(chǎn)方案的確定 ⒈制取原料氣的方法 天然氣、油田氣、煉廠氣、焦?fàn)t氣、石腦油、重油、焦炭和煤，都是生產(chǎn)合成氨的原料。按照供熱方式的不同，制取粗原料氣有以下三種方法： ⑴外部供熱的蒸汽轉(zhuǎn)化法 此法廣泛用于天然氣、石腦油等輕質(zhì)烴類為原料的合成氨廠。在催化劑作用下，含烴氣體與蒸汽在耐高溫的合金鋼反應(yīng)管內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)化反應(yīng)，管外有燃料氣燃燒，以輻射的方式傳熱到管壁。 ⑵內(nèi)部蓄熱的間歇操作法 此法分為吹風(fēng)和制氣兩個階段。先為吹風(fēng)階段，把空氣送入氣化 爐使燃料燃燒，提高床層溫度，生成的吹風(fēng)氣放空；接著是制氣階段，通入蒸汽進(jìn)