【正文】 氨合成工段工藝設計 作者：鄭貴尹 身份證號碼： 37081119860301283X 聯(lián)系方式： 15163768110 [摘要 ]： 合成氨生產任務設計決定了生產合成氨的規(guī)模，設備的要求以及工藝流程的狀況。本設計所采用的方法是半水煤氣合成法，其主要原料是煤和氮氣，利用煤來生成氫氣，而本設計主要是對合成塔工段的設計，故 所用原料直接采用氮氣和氫氣，其以 合成塔為主要設備，在氨冷器、水冷器、氣 —氣交換器、循環(huán)機、分離器、冷凝塔等輔助設備的作用下，以四氧化三鐵為觸媒，在 485—500℃ 的高溫條件下來制得氨氣 。本設計要求要掌握合成塔的工作原理，生產的工藝路線，并能根據工藝指標進行操作計算。在工藝計算過程中，包含物料衡算，熱量衡算及設備選型計算等。生產的氨的用途和產生的三廢在本設計也有所提到，在合成效率方面也有進一步研究 。 [關鍵詞 ]： 半水煤氣合成法 合成塔 催化劑 The year produces 80,000 tons to synthesize an ammonia to synthesize a work segment a technological design Name of stendent: Abstract The mission design of synthesizing the ammonia production es to a decision production to synthesize ammoniac scale, the request of the and the condition of the craft process. The method that this design adopts is half water coal gas to synthesize a method, it the main raw material is coal and nitrogen spirit, making use of coal future life hydrogen, but this design mainly is adopt nitrogen spirit and hydrogen towards synthesizing tower work a segment of designing, pastly the raw material used directly, it with synthesize tower for main , in the ammonia cold machine, water cold machine, annoyspirit exchanger, circulation machine, separate machine, congealed tower etc. assistance of function under, with four oxidize three irons for accelerant , at 485500℃ heat conditions e down make ammonia spirit. This design requests and control work principle of synthesizing the tower, produce of craft route, and can carry on an operation calculation according to the craft index sign. Include material balance in the craft the calculation the process, heat balance and the choose a calculation etc.. The use of the ammonia produced and output of three discard in this design to also have to speak of, Be synthesizing an efficiency to also have a further research. [keywords]: semiwater gas synthesize method synthetic tower 第一章 總 論 概述 氨是一種重要的含氮化合 物。氮是蛋白質質中不可缺少的部分，是人類和一切生物所必須的養(yǎng)料；可以說沒有氮，就沒有蛋白質，沒有蛋白質，就沒有生命。大氣中存在有大量的氮，在空氣中氨占 78％（體積分數）以上，它是以游離狀態(tài)存在的。但是，如此豐富的氮，通常狀況下不能為生物直接吸收，只有將空氣中的游離氮轉化為化合物狀態(tài)，才能被植物吸收，然后再轉化成人和動物所需的營養(yǎng)物質。把大氣中的游離氮固定下來并轉變?yōu)榭杀恢参镂盏幕衔锏倪^程，稱為固定氮。目前，固定氮最方便、最普通的方法就是合成氨，也就 是直接由氮和氫合成為氨，再進一步制成化學肥料或用于其它工業(yè) 在國民經濟中，氨占有重要地位，特別是對農業(yè)生產有著重大意義。氨主要用來制作化肥。液氨可以直接用作肥料，它的加工產品有尿素、硝酸銨、氯化氨和碳酸氫氨以及磷酸銨、氮磷鉀混合肥等。 氨也是非常重要的工業(yè)原料，在化學纖維、塑料工業(yè)中，則以氨、硝酸和尿素作為氮元素的來源生產己內酰胺、尼龍 丙烯腈等單體和尿醛樹脂等產品。 由氨制成的硝酸，是各種炸藥和基本原料，如三硝基申苯，硝化甘油以及 其它各種炸藥。硝酸銨既是優(yōu)良的化肥，又是安全炸藥，在礦山開發(fā)等基本建設中 廣泛應用。 氨在其他工業(yè)中的應用也非常廣泛。在石油煉制、橡膠工業(yè)、冶金工業(yè)和機械加工等部門以及輕工、食品、醫(yī)藥工業(yè)部門中，氨及其加工產品都是不可缺少的。例如制冷、空調、食品冷藏系統(tǒng)大多數都是用氨作為制冷劑。 氨的性質 氨的物理性質 氨在常溫下是無色氣體，比空氣輕，具有刺激性臭味，能刺激人體感官粘膜空氣中，含氨大于 ％時即會引起人體慢性中毒。 氣態(tài)氨易溶于水，成為氨水，氨水呈弱堿性。氨在水中的溶解度隨壓力增大而降低。氨水在溶解時放出大量熱。氨水中的氨極易揮發(fā)。 常壓下氣態(tài)氨需冷卻到 ℃ （沸點）才能液化。而在常溫下需加壓到 時才能液化。液氨為 無色液體，氣化時吸收大量的熱。 氨的化學性質 ⑴ 氨與氧在催化劑作用下生成氮的氧化物 ,并能進一步與水作用 ,制得硝酸： 4NH3+5O2 4NO+6H2O ⑵ 氨與酸或酐反應生成鹽類 ,是制造氮肥的基本反應： 2NH3+H2SO4 = (NH4)2SO4 NH3+HNO3= NH4NO3 NH3+HCl= NH4Cl NH3+H3PO4 =NH4H2PO4 ⑶ 氨與二氧化碳作用生成氨基甲酸銨 ,進一步脫水成為尿素： 2NH3+CO2 =NH4COONH2 NH4COONH2 =CO(NH2)2+H2O ⑷ 氨與二氧化碳和水作用 ,生成碳酸氫銨： NH3+CO2+H2O=NH4HCO3 氨可與鹽生成各種絡合 物 ， 如 CuCl2?6NH CuSO4?4NH3。 氨與空氣 (或氧 )的混合氣 ,在一定濃度范圍內能發(fā)生劇烈的氧化作用而爆 炸 .在常溫常壓下 ,氨與空氣爆炸界限為非作 15%～ 28%(NH3)。 100℃ , MPa 下，爆炸界限為 %～ %(NH3)。 原料氣來源 原料氣主要有兩部分：氮氣、氫氣。 氮氣主要是從空氣中提取。氫氣是從半水煤氣中提取的，以煤為原料，在一定的高溫條件下通入空氣、水蒸氣或富養(yǎng)空氣 水蒸氣混合氣，經過一系列反應生成含有一氧化碳、二氧化碳、氫氣、氮氣、及甲烷等混合氣體的過程。在氣化過程中所使用的空氣、水蒸氣或富養(yǎng)空氣 水蒸氣混合氣等稱為汽化劑。這種生成的混合氣稱為煤氣。 煤氣的成分取決于燃料和汽化劑的種類以及進行汽化的條件。根據所用汽化劑的不同，工業(yè)煤氣可分為下列四種。 空氣煤氣：以空氣為汽化劑制取的煤氣，又稱為吹風 氣。 水煤氣：以水蒸氣（或水蒸氣與氧的混合氣）為汽化劑制取的煤氣。 混合煤氣：以空氣和適量的水蒸氣為汽化劑制取的煤氣，一般作燃料用。 半水煤氣：是混合煤氣中組成符合（ H2+CO） /N2=～ 的一個特例?？捎谜魵馀c適量的空氣或蒸氣與適量的富養(yǎng)空氣為汽化劑制得，也可用水煤氣與吹風混合配制。 本設計采用半水煤氣，半水煤氣經過凈化后得到純凈的氫氣，再配制適量的氮氣，成為合成氨的原料氣。 半水煤氣生產的工藝流程：在吹風階段中，空氣由煤氣發(fā)生爐的底部吹入，由爐頂排出吹風氣。吹風氣送入燃燒蓄熱室，在此通入助燃空 氣使吹風氣中的一氧化碳燃燒。再將吹風氣送入廢熱鍋爐以產生水蒸氣。吹風氣被冷卻至 200℃ 左右，由煙囪排入大氣。 在上吹階段中，由煤氣發(fā)生爐爐底吹入空氣 水蒸氣混合氣，半水煤氣由爐頂排出。半水煤氣經過燃燒室加熱蓄熱磚（此時不加助燃空氣），再依次經過廢 熱鍋爐、洗氣箱、洗氣塔送入氣柜。 在下吹階段中，水蒸氣與空氣混合，經燃燒室回收蓄熱磚的熱量后，從煤氣發(fā)生爐頂部吹入（空氣較水蒸氣略遲通入），從爐底排出半水煤氣。下吹煤氣直接經洗氣箱及洗氣塔送入氣柜。 在二次上吹階段中，空氣 水蒸氣混合氣由爐底吹入，流向與上吹階段完全相同。 在空氣吹凈階段，從爐底吹入空氣，產生吹風氣將半水煤氣經燃燒室、廢熱鍋爐、洗氣箱及洗氣塔送入氣柜。 文獻綜述 合成氨工業(yè)是氮肥工業(yè)的基礎， 也是一些工業(yè)部門的重要原料，它的迅速發(fā)展促進了一系列科學技術和化學合成工業(yè)的發(fā)展，隨著科學技術的發(fā)展， 合成氨工業(yè)在國民經濟中的作用必將日益顯著。 合成氨工業(yè)的發(fā)展 合成氨工業(yè)在 20 世紀初期形成，開始用氨作火炸藥工業(yè)的原料，為戰(zhàn)爭服務 。第一次世界大戰(zhàn)結束后 ,轉向為農業(yè)、工業(yè)服務。隨著科學技術的發(fā)展，對氨的需要量日益增長，近 30 年 來合成氨工業(yè)發(fā)展很快。目前，全國有規(guī)模以上基礎化肥生產企業(yè)近 1000 家，其中，氮肥廠約 500 家，合成氨年生產能力 30 萬噸以上的大型企業(yè)有 26 家，合成氨年生產能力 10 萬噸以上的中型企業(yè)也有 100多家，其他還有 800 多家小氮肥廠也生產合成氨，而其產量約占氮肥總量的 60%。但我國合成氨工業(yè)還不夠發(fā)達，比外國的氮肥企業(yè)還有些距離。據有關資料統(tǒng)計，世界合成氨產能已超過 億噸 /年，主要生產能力分布在俄羅斯約有 35 家氮肥廠，合成氮平均規(guī)模為 40 萬噸；美國有 50 多家氮肥廠，合成氨平均規(guī)模在 30萬噸以上。 合成氨工業(yè)的現(xiàn)狀 我國合成氨工業(yè)存在一些特殊問題，一是氮肥資源緊張。國際上以天然氣為原料的氮肥占 85%。而我國氮肥原料以煤為主，天然氣僅占 20%，我國氮肥行 業(yè)急需解決采用成熟的粉煤氣化技術，以本地粉煤代替無煙塊煤。建議針對不同企業(yè)采用不同的技術路線。內技術進行改造。同時，對于有廉價天然氣資源的地區(qū)，鼓勵采用天然氣改造現(xiàn)有裝置或建設天然氣化肥基地。二是企業(yè)結構不合理，產業(yè)集中度低，技術水平不高。在氮肥行業(yè)，要推廣新型煤氣化技術，包括粉煤氣化、水煤漿氣化技術等；新型凈化技術，如低溫變換、低溫甲醇洗 MDEA 等凈化技術；新型氨合成塔及大型低壓合成的成套技術和裝備。 合成氨工業(yè)的發(fā)展趨勢 合成氨工業(yè)的發(fā)展趨勢： ① 原料路線的變化方向。煤的儲量約為石油、天然氣總和的 10 倍，自從 70 年代中東石油漲價后 ,從煤制氨路線重新受到重視 ,但因以天然氣為原料的合成氨裝置投資低、能耗低、成本低的緣故 ,預計到 20 世紀末 ,世界大多數合成氨廠仍將以氣體燃料為主要原料。 ② 節(jié)能和降耗。合成氨成本中能源費用占較大比重，合成氨生產的技術改進重點放在采用低能耗工藝、充分回收及合理利用能量上，主要方向是研制性能更好的催化劑、開發(fā) 新的原料氣凈化方法、降低燃料消耗、回收和合理利用低位熱能等。 ③ 與其他產品聯(lián)合生產。合成氨生產中副產大量的二氧化碳，不僅可用于冷凍、飲料、滅火，也是生產尿素、純堿、碳酸氫銨的原料。如果在合成氨原料氣脫除二氧化碳過程中能聯(lián)合生產這些產品，則可以簡化流程、減少能耗、降低成本。 到 20xx 年，力爭組建 50 家大型企業(yè)集團，大型氮肥廠合成氨平均規(guī)模達40 萬噸 /年以上，中型氮肥廠平均規(guī)模達 20 萬噸 /年以上。其產品集中度達到 50%，并形成 35 家在國際上有一定影響的大型企業(yè)集團。同時，調整企業(yè)結構，減少基礎肥料生產廠數量， 提高單套裝置的規(guī)模，使合成氨工業(yè)朝現(xiàn)代化又邁進一步。 設計任務的項目來源 （刪去） 本課題是指導老師為提高畢業(yè)生設計能力而選定的。 第二章 流程方案的確定 生產原理 氨是由氣態(tài)氮和氫在適宜溫度壓力 ,并有觸媒的作用下發(fā)生反應的 ,其反應式為： 3/2H2+1/2N2 NH3+ kJ 此式為一不可逆，放熱，體積縮小的反應，其反應過程為： N2（擴散） 2N（吸附） 2NH（吸附） 2NH2（吸附）2NH3（附） 2NH3（擴散到氣相） 氨合成的反應特點： ⑴ 反應過程要在高壓下進行，壓力越高，越有利于氨的合成。 ⑵ 溫度低時，反應有利于向氨合成的方向進行，但反應速度較慢，提高溫度不利于反應平衡，但可以加快反應速度，在