【正文】 第一章 總 論一、 指導(dǎo)思想 化工設(shè)計是政治、經(jīng)濟和技術(shù)緊密結(jié)合的一門科學技術(shù)?；ぴO(shè)計在新廠建設(shè)，老廠改造挖潛中具有極其重要的作用，也可以說設(shè)計是生產(chǎn)的先導(dǎo)，是科研成果轉(zhuǎn)化為工業(yè)化大生產(chǎn)的必經(jīng)途徑。因此，設(shè)計質(zhì)量的好壞，對化工行業(yè)的發(fā)展影響極大，一定要在思想上充分的重視。有關(guān)化工設(shè)計方面的知識和技能，不僅對專門從事化工設(shè)計的人員需要學習和掌握，而且對從事化工生產(chǎn)、科學實驗和技術(shù)管理方面的人員，也同樣需要具備。因此，化工工藝專業(yè)的學員一定要掌握化工設(shè)計方面的基礎(chǔ)知識。從教學出發(fā)對學生進行化工設(shè)計方面的基本訓(xùn)練，有助于培養(yǎng)學生綜合運用理論知識，聯(lián)系生產(chǎn)實際，提高分析和解決問題的能力，有助于提高學生的運算技巧和設(shè)計繪圖的能力，當然設(shè)計能力的培養(yǎng)和深化，有賴于更多的實踐，只有通過實踐，積累經(jīng)驗，才能培養(yǎng)思維、想象和創(chuàng)造的能力，才能促進設(shè)計能力的不斷提高?？傊?，經(jīng)過初步訓(xùn)練，具有一定的化工工藝設(shè)計能力后，在生產(chǎn)、基建、科研和管理等方面，一定會發(fā)揮出重要的作用。二、 設(shè)計依據(jù)畢業(yè)設(shè)計是以設(shè)計者深入現(xiàn)場收集的數(shù)據(jù)，掌握所設(shè)計項目的生產(chǎn)程序。以畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書和化工工藝專業(yè)課本及參考書為依據(jù)。三、設(shè)計規(guī)模及操作制度設(shè)計規(guī)模：年產(chǎn)15萬噸合成氨裝置。操作制度：根據(jù)化工生產(chǎn)的特點，采用四班三倒輪換操作。生產(chǎn)制度：根據(jù)設(shè)備的大、中、小修及偶然事故的發(fā)生，年生產(chǎn)日一般為330天左右。 大修：20天 3年|次 （一般） 中修：7天 1年|次 小修：1～5天 （經(jīng)常）發(fā)展規(guī)劃：向年產(chǎn)30萬噸合成氨發(fā)展。四、主要原料來源、數(shù)量及組成主要原料氣為新鮮氣： 生產(chǎn)原料：合成氨用的氫氮混合氣規(guī)格：壓力為320大氣壓（表壓）成份：按氣體體積百分數(shù)H2=% N2=% （CH4+Ar）=%消耗定額氫氮混合氣：2800m3∕噸氨 河 水： 62噸∕噸氨鍋爐用化學凈水：∕噸氨 電：130千瓦∕小時 噸氨五、輔助原料來源、組成及數(shù)量來源：來自水、氣及其它副產(chǎn)品。合成氨觸媒：在300大氣壓、溫度475～510℃下合成氨則用氧化鋁與氧化鉀為促進劑的融鐵觸煤。河水：供合成系統(tǒng)的水冷卻氣作用。水溫24℃（夏季）所含之懸浮物，不超過50毫克∕升，在洪水期水中懸浮物達100毫克∕升。供鍋爐房用的化學凈水：于合成系統(tǒng)水冷卻器上部的列管中，作冷卻氣體用。氨氣：用耐15氣壓的鋼瓶充裝，使用時減壓力5個氣壓，供系統(tǒng)置換水冷卻器的吹出和局部滅火用，氮氣中的氧含量不得超過2%。潤滑油：供循環(huán)壓縮機機械部位及氣缸部位潤滑用的。機械油：牌號“”，閃點110℃，粘度50℃時，—。汽缸油：牌號“T ”的汽缸油閃點為240℃，粘度在100℃時2—，也可用“C”牌的航空油。六、產(chǎn)品規(guī)格：氨包括氣氨產(chǎn)品占總產(chǎn)量的75%荷葉按產(chǎn)品占總產(chǎn)量的20%，以及將氣缸氣和吹出氣送至硫銨車間所回收的氨產(chǎn)品占總產(chǎn)量的5%。 液氨的品種分兩種：第一類：%。第二類：水分含量不超過1%，并含有微量的油份。七、裝置組成合成塔作用：在高溫、高壓和催化劑存在的條件下由氫氮氣合成氨。組成：外筒是一個多層焊接的高壓容器，筒體內(nèi)徑為300㎜，高為13600㎜，筒體的兩端焊有兩個法蘭，上部有一密閉式頂蓋，下面是一高壓蓋子，蓋子與法蘭有螺栓連接，在上法蘭之側(cè)有一氣體入口，下蓋有一氣體出口及冷氣入口。在上蓋設(shè)有安裝電爐用的小蓋及兩個溫度計插入管的孔，該筒體最高操作溫度為300℃，最高操作壓力320個大氣壓，安裝前經(jīng)過400大氣壓的壓力水壓強試驗。觸媒筒的內(nèi)徑為690㎜，由鋼板焊接而成。上有觸煤筒蓋，下有多孔板，在多孔板上放有鐵絲網(wǎng)，觸煤筒內(nèi)裝油28根雙層管，其外管直徑為44，內(nèi)管直徑為29㎜，為造成觸煤層上部的絕熱層，約在觸煤層上部1000㎜處，設(shè)有雙層管進行冷卻，在雙層管下端有一分氣盒，管內(nèi)還裝有兩根溫度計套管，在觸煤筒多孔板之上， m3，觸煤筒中有一中心管，管內(nèi)裝有電熱器。熱交換器與觸媒筒下部相連，其筒體直徑約為680㎜，筒體內(nèi)裝有約900多根直徑為142㎜，長約3700㎜的管子，在管間裝有隔板，隔板為圓環(huán)式，共計27塊，整個熱交換器面積約為130㎡。冷凝塔：該塔上部是冷卻循環(huán)壓縮機出來的氣體，下部是進行二次氨的分離，以降低合成塔入口的氨含量。冷凝塔的外筒是多層焊接的高壓容器，在塔底的循環(huán)氣入口上焊有一個中心管，在塔內(nèi)上部焊有一個套筒，套筒與高壓筒體的間隙用作液面計導(dǎo)壓之用，并且套筒還兼作冷交換器的外殼，在塔內(nèi)的上部裝有列管式冷交換器，它 有下面一截外殼，上面有一圈法蘭線，與高壓筒體內(nèi)的套筒緊密接觸，起密封作用。在下部有分氣套筒，由四層圓筒組成，焊接在一塊圓板之下，圓板再用螺栓固定在冷交換器之下。快速水冷卻器：該設(shè)備是用來冷卻從合成塔出來的反應(yīng)后的高溫氣體120—180℃，經(jīng)冷卻后能使氣體中氨冷凝為液氨，另外，加熱鍋爐房用的化學凈水，回收一部分熱量。氨蒸發(fā)器：該設(shè)備的作用是借助于液氨蒸發(fā)為氨，將蛇管中的循環(huán)氣進一步冷卻，使氣體中殘留的氨冷凝下來，然后到冷凝塔中進行分離。該設(shè)備的外筒是一直徑約為2100㎜，高約為3900㎜的直立式焊接而成的圓筒，該設(shè)備上有泡沫分離器。 濾油器：該設(shè)備用除去循環(huán)氣和新鮮氣中的油份、碳酸銨及其他雜質(zhì)，以免帶入合成塔，使觸煤中毒。 該設(shè)備的外筒是多層焊接的高壓容器，其內(nèi)徑為700㎜，高約1014㎜，筒體上部的側(cè)面設(shè)有一高壓蓋子，蓋子與筒體是用螺栓連接的以鋁墊密封。該器裝有一內(nèi)筒，內(nèi)筒的外形尺寸約5803900㎜，內(nèi)裝2525㎜ m3，在內(nèi)筒的外面饒有∮252㎜的鋼管呈螺旋形。在內(nèi)筒下有幾個氣體的入口圓洞，內(nèi)筒在操作過程中。 氨分離器：該設(shè)備外筒是一內(nèi)徑600㎜、高4500㎜的立式多層的焊接筒體，上有一高壓蓋子，與筒體用螺栓連接，以鋁墊進行密封。內(nèi)筒由四層圓筒組成，圓筒上開有長方形的孔，但各層孔的位置相錯，使氣體流動時改變方向，圓筒固定在上面的圓板上，圓板安裝在高壓筒體上，圓板的中心有一氣體出口。 氨水回收器：該設(shè)備用于貯存自氨蒸發(fā)器排出來的累積氨水，和觸媒還原時放出的氨水，并在氨水回收器內(nèi)蒸發(fā)出來，送往氣氨主管，把這部分氨回收。 氨水回收器為立式焊接圓筒，它的直徑約為1200㎜，高約3500㎜，容許的最高操作壓力為16氣壓，內(nèi)設(shè)有蒸汽蛇管器的側(cè)面有一玻璃管液面計。 填函氣油膨脹器：該設(shè)備用以回收循環(huán)壓縮機的填函漏處的氣體中所帶的油份，氣體自器的側(cè)面進，體積突然膨脹，因而流速大大降低，大部分油份因含有水分及溶解的氣體，從油中蒸出，油份則從器的底部排出。該設(shè)備是立式焊接設(shè)備，直徑約為1200㎜，高約為2200㎜，器內(nèi)填充有鋼環(huán)，下面有一底座支架。 放空槽：該設(shè)備為臥式圓筒，用鋼板焊接而成，其直徑約為500㎜，長約1827㎜。從冷凝塔、氨分離器、油過濾器出口排出來的氣體，都經(jīng)過放空槽集中后，排入大氣。 循環(huán)氣壓縮機：用來把未反應(yīng)的氫氮混合氣自285大氣壓壓縮到320大氣壓，重新返回合成塔，使氣體循環(huán)使用。該設(shè)備是雙動單級的，是由同軸同步電動機帶動的，主軸考曲柄的一端支承在機座的主軸承上，主軸是由碳素鋼鍛造加工而成。該設(shè)備的潤滑分兩個系統(tǒng)，一個是機械油循環(huán)潤滑泵系統(tǒng)， 另一個是汽缸油加壓潤滑系統(tǒng)。 循環(huán)壓縮機技術(shù)特性如下： 生產(chǎn)能力： 270 米3/小時 轉(zhuǎn) 速： 125 轉(zhuǎn)/分鐘 同步電動機容量： 450 千 瓦八、生產(chǎn)技術(shù)依據(jù)，生產(chǎn)步驟及生產(chǎn)方法的選擇 生產(chǎn)技術(shù)依據(jù) 《合成氨器、 氨的合成》；《無機化工工藝學》；《化工工藝設(shè)計概論》；無機化工專業(yè)業(yè)設(shè)計任務(wù)書。 生產(chǎn)步驟： 工業(yè)上采用的氨合成工藝流程雖然很多，而且流程中設(shè)備結(jié)構(gòu)操作條件也各有差別，但是實現(xiàn)氨合成過程的基本步驟是相同的。（1）氣體的壓縮：為使氣體達到氨合成所要求的壓力，須將經(jīng)過精細凈化除去所有有害成分的氫氮混合氣經(jīng)壓縮機進行壓縮。當使用往復(fù)式壓縮機時，部分潤滑油在氣缸內(nèi)的高溫條件下產(chǎn)生氣化，并被氣體帶出。因此，在往復(fù)式壓縮機眉端出口都設(shè)有水冷卻器和油分離器將氣體中的油份除凈十分重要，這不僅因為油冷凝后會附著在熱交換器壁上，降低傳熱效率，更重要的是當油隨氣體帶入合成塔，會使催化劑中毒，當油進入合成塔電加熱器內(nèi)時，會使其絕緣不良而引起短路，為避免氣體帶油，目前已推廣往復(fù)式壓縮機無油潤滑，并取得較好效果，使用離心式壓縮機從根本上解決了氣體帶油問題，使生產(chǎn)流程得以簡化。 （2）氣體的預(yù)熱和合成：如前所述，氨合成鐵催化劑有一定的活性溫度，氫氮混合氣體需加熱到催化劑的起始溫度，才能進行氨合成反應(yīng)，正常操作的情況下，是反應(yīng)前的氫氮混合氣被反應(yīng)后的高溫氣體預(yù)熱到反應(yīng)溫度后進入催化機床層。這種換熱過程有一部分在催化劑床層中層過換熱裝置進行。合成過程中的反應(yīng)熱有很大回收價值，可以直接通過廢熱鍋爐副產(chǎn)品蒸汽，也可加熱高壓鍋爐給水。因此，在新的氨合成流程中，都沒有反應(yīng)熱回收裝置。（3）氨的分離：進入氨合成塔催化劑床的氫氮混合氣，只有一小部分反應(yīng)生成氨，大部分未反應(yīng)的氫和氮，同氮混合在一起，流出催化劑床層，混合氣體中氨需經(jīng)過分離才能得到，方法有兩種。ａ、水吸收法：用水吸收混合氣體中的氨時，由于高壓下氨在水中溶解度較大，因而氨的分離比較完全，但分離氨后氫氮混合氣體中含有少量水蒸氣，在再次利用這部分氣體進行合成時，需將水分除去， 否則將影響催化劑的活性，用水吸收氨后的產(chǎn)品為濃氨水，如得到液氨產(chǎn)品，需將濃氨水蒸餾。ｂ、冷凝法：首先需將出合成塔的高溫混合氣體冷卻、降溫，在經(jīng)氣—液分離設(shè)備冷凝后獲得的液氨即可從氫氮混合氣中分離出來。（4）未反應(yīng)氫氮氣的處理：為了回收這部份氫氮，工業(yè)上有兩種處理方法：ａ、串聯(lián)法：將幾個氨合成和氨分離串聯(lián)起來， 出第一合成塔的氣體經(jīng)氨分離后進入第二合成塔，再分離。ｂ、循環(huán)法：為反應(yīng)的氫氮混合氣，經(jīng)分離氨后用循環(huán)壓縮機補足壓力，與新鮮的原料氣混合，重新進入合成塔進行反應(yīng)，目前，絕大數(shù)的氨合成工藝流程都采用循環(huán)法。（5）惰性氣體的排放如前所述，因制取合成氨原料氣所用的原料和凈化方法的不同，在新鮮原料氣中通常含有一定數(shù)量的甲烷和氬，氬氣來自空氣，新鮮氣中氬氣與氮氣的比例大體和空氣中相同，%左右。采用循環(huán)法時，新鮮原料氣中的氫和氮會連續(xù)不斷地合成氨，而惰性氣體除一部分溶解于液氨中被帶出外，大部分在循環(huán)氣中積累下來，在工業(yè)生產(chǎn)上，為了保持循環(huán)氣體中惰性氣含量不致過高，常采取將一部分含惰性氣體較高的循環(huán)氣體連續(xù)獲間斷地排除氨合成系統(tǒng)的方法。（即放空的方法）在氨合成循環(huán)系統(tǒng)中，流程中各部位的惰性氣體含量是不同的，惰性氣體排除的位置應(yīng)該選擇在惰性氣體含量最小的地方。因為這時放空的損失最小，顯然，放空的位置應(yīng)該在氨已大部分分離掉以后，而又在新鮮氣加入之前。放空氣中的氨可用吸收法或冷凝法加以回收，其余的氣體一般可用作燃料。分離放空氣可采用冷凝、冷卻和減壓、膨脹降溫等方法。利用深度冷凍過程可以分別得到氫、氮、氬、甲烷，也可以將放空氣中甲烷用冷凝方法得到氫氮氣，然后將甲烷轉(zhuǎn)化成氫，這樣氣體回收就比較完全，新鮮氣的消耗可大大降低。生產(chǎn)方法（1）高壓法 壓力700～1000氣壓 溫度550～650℃（2）中壓法 壓力 300氣壓 溫度500～550℃（3）抵押法 壓力70～150氣壓 溫度400～450℃高壓法工藝優(yōu)缺點：此法是采用較高的操作壓力和溫度，合成率比較高，其優(yōu)點為：ａ、與同樣產(chǎn)量的中、低壓法比較，所用的高壓設(shè)備的體積小，用料少，節(jié)省工廠用地面積。ｂ、在高壓下合成率高，在高壓和較高濃度下，容易在混合氣體分離，用水冷卻后液氨便可以分離出來。ｃ、電的定額消耗較低，顯然因提高壓力消耗的電能提高，但氨的合成率增大的更快，所以單位產(chǎn)品的消耗定額降低了。ｄ、由于合成率高，因此每立方米觸媒的生產(chǎn)力也相應(yīng)增大。缺點：ａ、由于氨的合成率高，所生成的反應(yīng)熱多，可使觸媒溫度上升到1000℃，在這樣的溫度下，觸媒因過熱而損壞，因此觸媒的壽命很短，約使用600小時就須換一次。ｂ、由于采用高壓和高溫，合成塔及附屬設(shè)備需要特殊的合金鋼制造，不易制作，因此價格很貴，而且檢修次數(shù)多。使用日期短，操作管理也比較困難。低壓法工藝的優(yōu)缺點：ａ、所需壓力溫度低，亞鐵氰化鉀觸媒的活性較大。ｂ、由于壓力低，設(shè)備物質(zhì)要求不高，并且易于制造。ｃ、觸媒對毒害物的靈敏性很大，易受傷害，而且操作中溫度不易控制，所以觸媒的使用壽命短。ｄ、再生產(chǎn)過程中，經(jīng)常有觸媒分解物產(chǎn)生，很容易堵塞管道和設(shè)備，影響生產(chǎn)正常進行。ｅ、精制觸媒反應(yīng)熱量不能自行維持，反應(yīng)前必須加熱，其熱源由合成塔出口高溫氣體和精致塔出口高溫氣體供給。因此，設(shè)備與管線的材質(zhì)要求很高，由于高溫高壓下氨氣對鋼材有脫碳作用，因此采用的高溫管線易爆炸。ｆ、由于操作壓力低，氨的生成率少，氣氨不易液化，需要附設(shè)比較龐大的冷凍設(shè)備。中壓法工藝的優(yōu)缺點：ａ、所用合成氨觸媒對觸媒的毒害物靈敏性小，如果在混合氣中觸媒的毒害物質(zhì)含量不高，可采用非產(chǎn)品精致塔進行氣體精制，進行雙循環(huán)生產(chǎn)，如果混合氣中毒害物含量很少，則可不采用精致塔。ｂ、混合氣不直接進入合成塔，而先與循環(huán)氣在冷卻系統(tǒng)前匯合，經(jīng)冷卻后，油及水分隨分離下來的液氨一同排出氨分離器，使油及水份的分離更為