【正文】 0000t/a Abstract： Ammonia is one of the basic elements of the body and plays an important role in food production， Ammonia is also an important basic chemical product. Synthetic ammonia section includes gas production, refining, synthesis, separation of several steps, and synthetic section is divided into synthesis, separation, gas recirculation, waste discharge and other sections, synthetic ammonia section is the most important ammonia synthesis section, ammonia synthesis section of the most important is a synthetic process. The design is the use of ASPNE PLUS synthetic ammonia synthesis section of the simulation, get a variety of physical parameters, and the use of various physical parameters. Complete the equipment selection, energy, material accounting, and the drawing of your drawings. Key words: synthetic ammonia material accounting energy balance ASPEN PLUS 30萬噸 /年合成氨合成工藝設(shè)計 5 5 前言 氨是人體的基本元素之一，而固氮最有效也最搞笑的方法就是進行合成氨，合成氨工業(yè)是最重要的基礎(chǔ)工業(yè)之一，至今已經(jīng)超過 80 年的研究歷史，同時，合成氨也消耗非常多的能源，世界上大約 10%的能源用于合成氨，生產(chǎn)的合成氨是極其重要的基礎(chǔ)化工原料，廣泛用于各種肥料，炸藥，橡膠等的制作，大約80%的合成氨用于肥料生產(chǎn)。合成氨早期主要是以焦煤氣、水電氣氫氣以及水煤氣為原材料。 70 年代開始以石腦油、天然氣為原材料。而我國是一個天然氣缺乏的國家，所以還是以煤炭為主要材料進行合成氨的。 以煤炭為原材料進行合成氨的工藝流程包括原料氣的制備、凈化、壓縮合成、氨分離、原料氣循環(huán)等步驟。而合成工段工藝流程就包括壓縮、合成、冷凝分離、原料氣循環(huán)等部分。此次設(shè)計就是根據(jù)已經(jīng)凈化的原料氣體來合成氨。進行合成工段的工藝流程設(shè)計，得到相關(guān)的參數(shù)，并對設(shè)備進行選型，繪制出各種圖紙。 經(jīng)過近 80 多年的發(fā)展， 合成氨 技術(shù)相對比較成熟。目前 ，主流的合成氨工藝都是選擇中、低溫進行合成 。目前在國際上用于氨合成中 比較主流 的低能耗制氨工藝有：美國的原 Kellogg 工藝 (現(xiàn)為 KBR)、丹麥托普索工藝、瑞士卡薩利工藝、德國伍德工 藝等。這幾 類 氨合成工藝流程類似，都是為了提高氨凈值。合成塔的主要部分為內(nèi)件。隨著發(fā)展，人們研究出了各種類型的內(nèi)件。以反應(yīng)床論，可分為絕熱式和內(nèi)冷式，即床層內(nèi)含有移熱裝置，如單冷管等；以移熱方式論，可分為冷激式、層間換熱式、內(nèi)冷式以及冷激間換熱復(fù)合式；以反應(yīng)氣體流向論，可分為軸向型和徑向型以及軸徑向混流型，其各有所長。軸向流塔操作穩(wěn)定，催化劑裝量多；徑向流塔效率高，壓力降小，操作敏感性強，要求高效催化劑。根據(jù)催化劑床層中是否設(shè)置冷管 (內(nèi)冷 )方式可劃分為： ① 單層軸向內(nèi)冷式內(nèi)件； ②冷管改進型內(nèi)件； ③ 多層絕熱冷激式 內(nèi)件； ④ 多層絕熱復(fù)合換熱式內(nèi)件； ⑤ 副產(chǎn)蒸汽式內(nèi)件。本設(shè)計則采用多段絕熱冷激式內(nèi)件。 安徽建筑大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 6 6 第一章 文獻綜述 合成氨項目簡介 合成氨，英文名 Amonia,分子式 NH3 氨是最為重要的基礎(chǔ)化工產(chǎn)品之一，其產(chǎn)量居各種化工產(chǎn)品的首位 。 同時也是能源消耗的大戶，世界上大約有 10 %的能源用于生產(chǎn)合成氨 [2]。氨主要用于農(nóng)業(yè) ,合成氨是氮肥工業(yè)的基礎(chǔ)，氨本身是重要的氮素肥料，其他氮素肥料也大多是先合成氨、再加工成尿素或各種銨鹽肥料，這部分約占 70 %的比例，稱之為―化肥氨‖；同時氨也是重要的無機化學(xué)和有機化學(xué)工業(yè)基礎(chǔ)原料，用于生產(chǎn)銨、胺、染料、炸藥、制藥、合成纖維、合成樹脂的原料，這部分約占 30 %的比例 ,稱之為―工業(yè)氨。 反應(yīng)式 ： N2+3H2?2NH3 。 合成氨物理性質(zhì) 氨氣通常情況下是有刺激性氣味的無色氣體 ,極易溶于水 ,易液化 ,液氨可作致冷劑。 表 1 氨的物理性質(zhì) 摩爾質(zhì)量 密度 熔點 沸點 臨界點 ℃ ℃ ℃ 合成氨化學(xué)性質(zhì) 和水反應(yīng)： NH3+H2O=NH3 H2O 一水合氨不穩(wěn)定，受熱容易分解。 和酸反應(yīng) :NH3+HNO3=NH4NO3 2NH3+H2SO4=(NH4)2SO4 30萬噸 /年合成氨合成工藝設(shè)計 7 7 NH3+HCl=NH4Cl 3NH3+H3PO4=(NH4)3PO4 等等。 與純氧反應(yīng) : 4NH3+3O2=2N2+6H2O 條件點燃。 催化氧化反應(yīng) :4NH3+5O2=4NO+6H2O 條件點燃催化劑 放熱反應(yīng)，工業(yè)制取硝酸第一步。 和碳反應(yīng) : NH3+C=HCN+H2 條件加熱 （氰化氫劇毒）。 和水以及二氧化碳的反應(yīng) 2NH3+H2O+CO2=NH4HCO3 反應(yīng)受熱容易分解。 氨水（ NH3 H2O）能是濕潤的紫色石蕊試紙變藍色。電離呈弱堿性。 合成氨市場預(yù)測 合成氨行業(yè)既是我國化肥工業(yè)的基礎(chǔ)， 也是傳統(tǒng)煤化工的重要組成部分。 根據(jù)國際肥料工業(yè)協(xié)會 （ IFA） 預(yù)測， 2021 至 2021 年期間， 全球新建合成氨裝置中有 1 ／ 3 來自我國， 新建的煤頭合成氨項目將主要出現(xiàn)在我國。 目前， 我國合成氨產(chǎn)業(yè)規(guī)模已居世界第一， 并且是世界上最大的以煤為原料的合成氨產(chǎn) 地。 這一鮮明特點經(jīng)過 “十二五” 發(fā)展將更加突出 [3]。 截 至去年 12 月底，山東魯北市場 24102580 元 /噸，較年初上漲 %；臨沂部分承兌出廠至25602580 元 /噸，較年初上漲 %；河北市場價格在 22802290 元 /噸，較年初上漲 %；江蘇市場在 25602650 元 /噸，較年初上漲 %%；安徽市場在 24702550 元 /噸，較年 初 上漲 %；湖北市場 26502680 元 /噸，較年初上漲 %；湖南地區(qū)價格在 27302750 元 /噸，較年初上漲 %。有穩(wěn)定的供需關(guān)系以及較為穩(wěn)定的價格，所以依然有巨大的市場潛力。 合成氨國內(nèi)產(chǎn)能，消耗 我國是個農(nóng)業(yè)大國，合成氨作為化肥的基本原料之一，在各種肥料的生產(chǎn)中大量應(yīng)用，迄今為止，我國合成氨已經(jīng)可以自給自足并開始出口國外。但是也出安徽建筑大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 8 8 現(xiàn)產(chǎn)能過剩的情況了。工廠開工率變低也是存在的問題。 表 2 2021— 2021 年我國合成氨供需情況 年份 產(chǎn)量 ／ 萬 t 進口 ／ 萬 t 出口 ／ 萬 t 表觀消費量 ／ 萬 t 自給率 ／ % 2021 0 2021 0 2021 0 2021 2021 2021 表 3 2021— 2021 年我國合成氨產(chǎn)能變化情況 年份 產(chǎn)能 ／ （萬 t a1） 增幅 ／ % 2021 5893 2021 6050 2021 6172 2021 6433 2021 6560 2021 6688 30萬噸 /年合成氨合成工藝設(shè)計 9 9 合成氨國外產(chǎn)能，消耗 天然氣（或煤基）生產(chǎn)合成氨和甲脂是目前天然氣（煤氣）化工利用的重要途徑，技術(shù)成熟，已組織大規(guī)模生產(chǎn)。近年全世界合成氨供需基本趨于平衡，發(fā)展趨勢是合成氨生產(chǎn)轉(zhuǎn)向低價合成氨生產(chǎn)區(qū)， PotashCorp 公司使特立尼達 Point Lisas 合成氨生產(chǎn)能力達到 223 萬 t/a。國際肥料工業(yè)協(xié)會（ IFA）對全球合成氨產(chǎn)量調(diào)查顯示， 2021 年全球合成氨產(chǎn)量接近 億 t,比 2021 年減少了 1%。中國、澳大利亞、歐洲、俄羅斯特立尼達和多巴哥、印度、沙特等國和地區(qū)均由于市場需求疲軟而產(chǎn)量減少，伊朗、加拿大、印度尼西亞、墨西哥、委內(nèi)瑞拉等需求持續(xù)增長。 20212021 世界部分地區(qū)合成氨產(chǎn)量見表 4[4]。 表 4 20212021 世界部分地區(qū)合成氨產(chǎn)量統(tǒng)計 萬 t 國家 2021 年 2021 年 2021 年 2021 年 2021 年 2021 年 美國 合成氨 尿素 加拿大（合成氨） 歐洲（尿素） 日本（合成氨） 生產(chǎn)規(guī)模及產(chǎn)品方案 本設(shè)計為 30 萬噸 /年合成氨合成工段的設(shè)計 。 計劃生產(chǎn) 300 天，共計給安徽建筑大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 10 10 7200 小時，每天生產(chǎn) 1000t,每小時生產(chǎn) . 產(chǎn)品方案 半水煤氣的制?。ㄒ悦汉铣砂睘槔合蛟鞖鉅t內(nèi)加入煤，通入空氣，讓其燃燒升溫，再間斷通入蒸汽和空氣，使蒸汽與熾熱的碳發(fā)生反應(yīng)生成 H2和 CO，空氣中的 O2被消耗掉，剩下 N2，與此同時產(chǎn)生其它一些雜質(zhì)性氣體和粉塵，去除粉塵，回收余熱，就得到半水煤氣。 原料氣體的凈化：主要是將半水煤氣的硫脫去，然后經(jīng)過變換，再將氣體中少量的一氧化碳和二氧化 碳脫去。 氨的合成：基于氨合成動力學(xué)和熱力學(xué)的混合而成的，遵從于物料衡算，使氨的含量達到平衡，是典型工藝流程，氨的合成主要在合成塔中進行 [5]。 流程示意圖間圖 1 圖 1 H2 N2 原料氣的制備 凈化 壓縮 合成 分離 液氨 合成部分演示圖見圖 2 圖 2 30萬噸 /年合成氨合成工藝設(shè)計 11 11 生產(chǎn)規(guī)格 年產(chǎn)量為 30萬 t,設(shè)計年生產(chǎn)時間 300d。 共計給 7200小時，每天生產(chǎn) 1000t,每小時生產(chǎn) 。 產(chǎn)品質(zhì)量 氨是化學(xué)工業(yè)的重要組成部分，在國民經(jīng)濟中占有重要地位，它的用途十分廣泛，以氮和氫為原料合成氨，是目前世界上采用最廣泛、也是最經(jīng)濟的一種方法。氨的用途很廣，以氨為主要原料可以制造各種氮素肥料和復(fù)合肥料。氨本身就是一種高效肥料，液氨含 %[6]。此次設(shè)計 30 萬噸每年合成氨。純度 %。 工藝技術(shù)方案的選擇 工藝路線 工藝路線見圖 3 圖 3 安徽建筑大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 12 12 設(shè)計是用 煤炭為原料合成氨工藝為研究對象。一共分為三個大的部分，分別為制氣，凈化，合成。 半水煤氣的制?。涸摲椒ㄊ窃诿涸系幕A(chǔ)之上來進行氨的合成，其原理為：把煤放在造氣爐之中，并向爐中通入空氣促使煤燃燒升溫。隨后間斷性的向爐內(nèi)通入蒸汽和空氣，使蒸汽與碳接觸并發(fā)生反應(yīng)進而生成氫氣（ H2）和一氧化碳（ CO），待通入爐內(nèi)的空氣中的氧氣消耗殆凈之后，便會留下氮氣（ N2），在這個過程當中，還會產(chǎn)生雜志性氣體及粉塵，去除此類氣體和粉塵便可得到半水煤氣 [7]。 半水煤氣的凈化：對半水煤氣進行凈化，即采取措施脫去其中的硫 和一氧化碳（ CO ）及二氧化碳（ CO）。 氨的合成：氨的合成是在合成塔內(nèi)進行的，將氨合成動力學(xué)和熱力學(xué)工藝相互融合，并在物料平衡的原則下，促使氨的含量趨于平衡 [8]。 氨的合成是合成氨生產(chǎn)時的最后一道工序 ,從合成壓力、合成塔結(jié)構(gòu)型式及熱回收方面考慮其工藝上的選擇。合成時 ,高壓力最有利但能耗高 。中壓力不論是在技術(shù)上還是經(jīng)濟上都比較成熟和穩(wěn)定 ,只要在范圍 15～ 30 Pa之內(nèi) ,所消耗的功率差別不大。所以 ,采用中壓法是最合理的 ,也是現(xiàn)在大部分氨合成通常采用的方法。目前所存在的中小型氮肥廠的壓力一般都在 3 2 MPa,大型氮肥廠的壓力較小 ,在 1 0～ 20 MPa 之間。近年來所研究推出的低溫氨催化劑 ,可有效的降低合成時的壓力。合成反應(yīng)熱回收是節(jié)能必需的主要手段之一。多產(chǎn)蒸汽和提高高熱回收率的同時 ,還要考慮到回收蒸汽的壓力和過熱度。所以 ,要全面的、統(tǒng)一的針對整體流程進行考慮 ,應(yīng)對有價值、價值高的高壓過熱蒸汽加大投資力度。液體氨屬于合成系統(tǒng)。合成氨的分類通常在工業(yè)上的標準是以壓力高確定的 [8]。 高壓法：操作壓力 70～ 30 MP