【正文】 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)天然氣合成氨20萬噸合成工段設(shè)計(jì)畢業(yè)論文 氨的性質(zhì)氨化學(xué)式為NH3常溫下為無色有刺激性辛辣味的惡臭氣體，會灼傷皮膚、眼睛，刺激呼吸道器官粘膜，% ~ %就會使人在幾分鐘內(nèi)窒息。氨的主要物理性質(zhì)見表01。氨在常溫加壓易液化，稱為液氨。氨易溶于水，與水反應(yīng)形成水合氨（NH3 + H2O=NH3H2O）簡稱氨水，呈弱堿性，氨水極不穩(wěn)定，受熱分解為氨氣和水，氨含量為1%。濃氨水氨含量為28% ~ 29%。氨的化學(xué)性質(zhì)比較活潑，能與酸反應(yīng)生成鹽，如與鹽酸反應(yīng)生成氯化銨；與磷酸反應(yīng)生成磷酸銨；與硝酸反應(yīng)生成硝酸銨；與二氧化碳反應(yīng)生成甲基甲酸銨，脫水后生成尿素等等。表11氨的主要物理性質(zhì)[1]項(xiàng)目數(shù)據(jù)項(xiàng)目數(shù)據(jù)相對分子質(zhì)量 臨界密度/(g/cm3) 氮含量 臨界壓縮系數(shù)PV=ZRT 摩爾體積(0℃，)/(L/mol) 臨界熱導(dǎo)率[kj/)] 氣體密度(0℃，)/(g/L) 沸點(diǎn)()/℃`液體密度(℃,)/(g/cm3) 蒸發(fā)熱（℃)/(kJ/kg) 臨界溫度/℃ 冰點(diǎn)/℃ 臨界壓力/MPa 熔化熱(℃)/(kJ/kg) 臨界比體積/(L/kg) 氨的用途氨主要用于制造化學(xué)肥料，如農(nóng)業(yè)上使用的所有氮肥、含氮混合肥和復(fù)合肥等；也作為生產(chǎn)其他化工產(chǎn)品的原料，如基本化學(xué)工業(yè)中的硝酸、純堿、含氮無機(jī)鹽，有機(jī)化學(xué)工業(yè)的含氮中間體，制藥工業(yè)中磺胺類藥物、維生素，化纖和塑料工業(yè)中的己酰胺、己二胺、甲苯二異氰酸酯、人造絲、丙烯腈、酚醛樹脂等都需要直接或間接地以氨為原料。另外在國防工業(yè)尖端技術(shù)中，作為制造三硝基甲苯、三硝基苯酚、硝化甘油、硝化纖維等多種炸藥的原料。氨還可以做冷凍，冷藏系統(tǒng)的制冷劑。 合成氨的發(fā)展歷史 氨氣的發(fā)現(xiàn)十七世紀(jì)30年代末英國的牧師、化學(xué)家 （HaLes，1677～1761）,用氯化銨與石灰的混合物在以水封閉的曲頸瓶中加熱，只見水被吸入瓶中而不見氣體放出，1774年化學(xué)家普利斯德里重做該實(shí)驗(yàn)，用汞代替水來密封，制得了堿空氣（氨），并且他還研究發(fā)現(xiàn)了氨的性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)氨極易溶于水、可以燃燒，還發(fā)現(xiàn)該氣體通以電火花時(shí)其容積增加，而且分解為兩種氣體：H2和N2，（Davy，1778～1829）等化學(xué)家繼續(xù)研究，進(jìn)一步證明了2體積的氨通過電火花放電后，分解為1體積的氮?dú)夂?體積的氫氣[2]。 合成氨的發(fā)現(xiàn)及其發(fā)展19世紀(jì)以前農(nóng)業(yè)上所需的氮肥來源主要來自于有機(jī)物的副產(chǎn)物和動植物的廢物，如糞便、腐爛動植物等等，隨著農(nóng)業(yè)和軍工生產(chǎn)的發(fā)展的需要，迫切的需要建立規(guī)模巨大的探索性的研究，化學(xué)家們設(shè)想，能不能把空氣中大量的氮?dú)夤潭ㄏ聛恚瑥亩_始設(shè)計(jì)以氮和氫為原料的合成氨流程。19世紀(jì)，大量的化學(xué)家開始試圖合成氨，他們試圖利用高溫、高壓、電弧、催化劑等手段試驗(yàn)直接合成氨，均未成功。19世紀(jì)末，隨著化學(xué)熱力學(xué)、動力學(xué)和催化劑等領(lǐng)域取得一定進(jìn)展后，對合成氨反應(yīng)的研究有了新的進(jìn)展。1901年法國物理化學(xué)家呂查得利開創(chuàng)性地提出氨合成的條件是高溫、高壓，催化劑存在。1912年在德國建立了世界上第一個(gè)日產(chǎn)30噸的合成氨廠[2]。合成氨也隨之工業(yè)化，在以后的生產(chǎn)過程中，人們對合成氨的生產(chǎn)工藝進(jìn)行了不斷改進(jìn)和完善，如變換工藝的改進(jìn)。原料氣凈化方法的革新及合成塔的改造等，但工藝路線沒有大的變化。 國外合成氨工業(yè)發(fā)展到20世紀(jì)50年代，由于北美成功開發(fā)了天然氣資源，從此天然氣作為制氨的原料開始盛行。到了20世紀(jì)60年代末，國外主要產(chǎn)氨國都已先后停止用焦炭、煤為原料，取而代之的是以天然氣、重油等為原料，天然氣所占的比重不斷上升。1982年，世界合成氨的生產(chǎn)能力為125Mt氨,但因原料供應(yīng)、市場需求的變化，合成氨的產(chǎn)量遠(yuǎn)比生產(chǎn)能力要低。近年，合成氨產(chǎn)量以蘇聯(lián)、中國、美國、印度等十國最高，占世界總產(chǎn)量的一半以上。合成氨主要消費(fèi)部門為化肥工業(yè)，用于其他領(lǐng)域的（主要是高分子化工、火炸藥工業(yè)等）非化肥用氨，統(tǒng)稱為工業(yè)用氨。目前,合成氨年總消費(fèi)量(以N計(jì))，其中工業(yè)用氨量約為10Mt，約占總氨消費(fèi)量的12%。合成氨主要原料有天然氣、石腦油、重質(zhì)油和煤等。1981年，世界以天然氣制氨的比例約占71%，%、美國為96%、荷蘭為100%；中國仍以煤、焦炭為主要原料制氨,天然氣制氨僅占20%。70年代原油漲價(jià)后，一些采用石腦油為原料的合成氨老廠改用天然氣，新建廠絕大部分采用天然氣作原料。生產(chǎn)合成氨的方法主要區(qū)別在原料氣的制造，其中最廣泛采用的為蒸汽轉(zhuǎn)化法和部分氧化法[3]。從世界燃料儲量來看，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(jià)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(yù)計(jì)到20世紀(jì)末，世界大多數(shù)合成氨廠仍將以氣體燃料為主要原料。合成氨成本中能源費(fèi)用占較大比重，合成氨生產(chǎn)的技術(shù)改進(jìn)重點(diǎn)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、降低氨合成壓力、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。現(xiàn)在已提出以天然氣為原料的節(jié)能型合成氨新流程多種。合成氨生產(chǎn)中副產(chǎn)大量的二氧化碳，不僅可用于冷凍、飲料、滅火，也是生產(chǎn)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(chǎn)這些產(chǎn)品，則可以簡化流程、減少能耗、降低成本。中國開發(fā)的用氨水脫除二氧化碳直接制碳酸氫銨新工藝，以及中國、意大利等國開發(fā)的變換氣氣提法聯(lián)合生產(chǎn)尿素工藝，都有明顯的優(yōu)點(diǎn)。 國內(nèi)合成氨工業(yè)發(fā)展建國前，我國國內(nèi)內(nèi)的合成氨工業(yè)基礎(chǔ)非常薄弱，規(guī)模小，廠家少，并且技術(shù)落后。建國后，合成氨工業(yè)發(fā)展很快，產(chǎn)量也不斷增加。中國的合成氨工業(yè)是在20世紀(jì)30年代開始的，當(dāng)時(shí)僅在南京和大連兩地建有規(guī)模不大的兩個(gè)合成氨工廠，此外在上海還有 一個(gè)電解水制氫生產(chǎn)合成氨的小型車間，全國年產(chǎn)量不到1萬噸。建國以來，基于農(nóng)業(yè)的迫切需要，我國的合成氨工業(yè)得到了快速發(fā)展。在原料方面，由單一的焦炭發(fā)展到煤、天然氣、焦?fàn)t氣、石油煉廠氣、輕油和重油等多種原料制氫。研制并生產(chǎn)多種合成氨工藝所需的催化劑，在品種、產(chǎn)量和質(zhì)量上都能滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求，一些品種的質(zhì)量已達(dá)到國際先進(jìn)水平；我國已完成大型合成氨廠的設(shè)計(jì)及關(guān)鍵設(shè)備的制造。具有因地制宜特點(diǎn)的我國小型合成氨工業(yè)，經(jīng)過多年的改進(jìn)，工藝日趨完善，能耗也有明顯降低。經(jīng)過50多年的努力，我國已擁有多種原料、不同流程的大、中、小型合成氨工廠550余個(gè)。在技術(shù)力量方面，我國已擁有一支能從事合成氨生產(chǎn)的科研、設(shè)計(jì)、制造和施工的高素質(zhì)技術(shù)隊(duì)伍。在生產(chǎn)能力方面，1980年中國合成氨產(chǎn)量為1498萬噸，到1990年上升至2129萬噸，僅次于前蘇聯(lián)名列世界第二。1994年中國氨產(chǎn)量達(dá)到2442萬噸，2005年中國氨產(chǎn)量為4596萬噸，2007年中國合成氨產(chǎn)量已超過5000萬噸，從1994年后中國合成氨產(chǎn)量位列世界第一[4]。 國內(nèi)合成氨工業(yè)的發(fā)展趨勢合成氨工業(yè)的迅速發(fā)展促進(jìn)了一系列科學(xué)技術(shù)和近代化學(xué)合成工業(yè)的發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和生產(chǎn)能力的不斷發(fā)展，合成氨工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中的基礎(chǔ)作用必將日益顯著。展望21世紀(jì)，合成氨裝置將繼續(xù)朝著大型化、集中化、自動化、低能耗與環(huán)境友好型方向發(fā)展，并形成具有一定規(guī)模的生產(chǎn)中心，單系列合成氨裝置的能力將從1000～1350t/d提高至1500～2000t/d[5]。合成氨生產(chǎn)包括三個(gè)主要步驟：第一步是制造含氮和氫的原料氣；第二步是將原料氣進(jìn)行凈化處理，以除去各種雜質(zhì)和有毒成分，從而獲得純凈的氮?dú)浠旌蠚怏w；第三步是氨的合成。目前工業(yè)上采用的原料氣主要分為三種：固體原料（焦炭、無煙煤、褐煤等）、液體原料（重油、原油、輕油等）、氣體原料（天然氣、油田氣、焦?fàn)t氣、煉廠氣等）[5]。21世紀(jì)，由于能源危機(jī)、清潔環(huán)保因素的制約，而且近年來提倡的低碳生活，根據(jù)合成氨技術(shù)發(fā)展的情況分析, 未來合成氨的基本生產(chǎn)原理將不會出現(xiàn)原則性的改變,其技術(shù)發(fā)展將會繼續(xù)緊密圍繞“降低生產(chǎn)成本、提高運(yùn)行周期, 改善經(jīng)濟(jì)性”的基本目標(biāo),進(jìn)一步集中在“大型化、低能耗、結(jié)構(gòu)調(diào)整、清潔生產(chǎn)、長周期運(yùn)行”等方面進(jìn)行技術(shù)的研究開發(fā)。在這種大環(huán)境下，最理想的原料氣就是天然氣，也是下一階段合成氨的清潔技術(shù)方面發(fā)展的重點(diǎn)。過去被合成氨工業(yè)認(rèn)為沒有太多困難的環(huán)境保護(hù)問題，由于對污染控制變得日益嚴(yán)格，一些認(rèn)為已經(jīng)解決的問題，現(xiàn)在又得重新加以評價(jià)。特別是近年來因地球氣候日益變暖而提出的對溫室效應(yīng)的控制，將會對二氧化碳的排放加以嚴(yán)格限制。所有這些新舊問題對合成氨工業(yè)的發(fā)展，都會起到舉足輕重的影響。 合成氨工段設(shè)計(jì)主要參數(shù)計(jì)算的主要內(nèi)容合成氨的生產(chǎn)工藝主要分為原料氣的制取和原料氣的凈化以及氨的合成。 氨的合成是全工段的中樞，是合成氨廠的最后一道工序，它的任務(wù)是在一定溫度、壓力及催化劑存在的條件下，由凈化工段過來的合成氣（N2+H2）進(jìn)入合成塔在催化劑的作用下開始氨的合成，其后便是液氣分離，得到液氨產(chǎn)品和未反應(yīng)的氣體做循環(huán)氣使用，氨合成的反應(yīng)的化學(xué)方程式是： 由反應(yīng)方程式可以看出氨的合成具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：①可逆反應(yīng) ② 放熱反應(yīng) ③ 體積縮小的反應(yīng) ④ 反應(yīng)需要有催化劑才能較快的進(jìn)行故對于這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要環(huán)節(jié)包括：(1) 對合成氨工段的工藝資料進(jìn)行綜合整理； (2) 合成工段中各個(gè)反應(yīng)設(shè)備的物料衡算和熱量衡算，包括合成塔、水冷器、廢熱鍋爐、熱交換器、冷交換器、氨冷器以及液氨貯槽；(3) 合成工段合理利用熱能；(4) 制定變換工段的工藝流程，并繪制工藝流程圖；(5) 主要的設(shè)備選型及計(jì)算；(6) 安全因素、經(jīng)濟(jì)效益方面等；(7) 廠房與設(shè)備布置。第 63 頁 共 63 頁2 工藝計(jì)算 生產(chǎn)流程簡述放空新鮮氣弛放氨分離器水冷器熱交換器合成塔廢熱鍋爐油分離器循環(huán)機(jī)冷交換器液氨儲槽氨冷器氣體從冷交換器出口分二路、一路作為近路、一路進(jìn)入合成塔一次入口，氣體沿內(nèi)件與外筒環(huán)隙向下冷卻塔壁后從一次出口出塔，出塔后與合成塔近路的冷氣體混合，進(jìn)入氣氣換熱器冷氣入口，通過管間并與殼內(nèi)熱氣體換熱。升溫后從冷氣出口出來分五路進(jìn)入合成塔、其中三路作為冷激線分別調(diào)節(jié)合成塔。二、三、四層(觸媒)溫度，一路作為塔底副線調(diào)節(jié)一層溫度，另一路為二入主線氣體，通過下部換熱器管間與反應(yīng)后的熱氣體換熱、預(yù)熱后沿中心管進(jìn)入觸媒層頂端，經(jīng)過四層觸媒的反應(yīng)后進(jìn)入下部換熱器管內(nèi)，從二次出口出塔、出塔后進(jìn)入廢熱鍋爐進(jìn)口， 蒸氣送去管網(wǎng)，從廢熱鍋爐出來后分成二股，一股進(jìn)入氣氣換熱器管內(nèi)與管間的冷氣體換熱，另一股氣體進(jìn)入鍋爐給水預(yù)熱器在管內(nèi)與管間的脫鹽，脫氧水換熱，換熱后與氣氣換熱器出口氣體會合，一起進(jìn)入水冷器。在水冷器內(nèi)管被管外的循環(huán)水冷卻后出水冷器，進(jìn)入氨分離器，部分液氨被分離出來，氣體出氨分離器，進(jìn)入透平循環(huán)機(jī)入口，經(jīng)加壓后進(jìn)入循環(huán)氣濾油器出來后進(jìn)入冷交換器熱氣進(jìn)口。在冷交換器管內(nèi)被管間的冷氣體換熱，冷卻后出冷交換器與壓縮送來經(jīng)過新鮮氣濾油器的新鮮氣氫氣、氮?dú)鈺线M(jìn)入氨冷器，被液氨蒸發(fā)冷凝到5～10℃，被冷凝的氣體再次進(jìn)入冷交，在冷交下部氣液分離，液氨送往氨庫氣體與熱氣體換熱后再次出塔，進(jìn)入合成塔再次循環(huán)。合成氨合成工藝流程見圖21。圖21 工藝流程圖 原始條件 （1） 年產(chǎn)10萬噸，年產(chǎn)時(shí)間扣除檢修時(shí)間后按300天計(jì)算， （2） 新鮮補(bǔ)充氣組成如表21。表21 新鮮補(bǔ)充氣組成組分H2N2CH4Ar總計(jì)含量/% （3） 合成塔入口氨含量：NH3=% （4） 合成塔出口氨含量：NH3=% （5） 合成塔入口惰性氣體含量：CH4+Ar=15% （6） 合成塔操作壓力：30MPa （7） 精煉氣溫度：35℃1.——精煉氣。 13——放空氣。 20——弛放氣。 ——液氨。其余各節(jié)點(diǎn)為循環(huán)氣圖22 計(jì)算物料點(diǎn)流程 物料衡算 合成塔物料衡算 （1） 合成塔入塔氣組分： 入塔氨含量： yNH3=%； 入塔甲烷含量：y5,CH4=%%/(+) 100%=% 入塔氫含量： y5,H2=[100(+15)] 3/4100%=% 入塔氬含量： y5,Ar=15%%=% 入塔氮含量： y5,N2=[100(+15)] 1/4100%=%將入塔組分歸入表22。表22 入塔氣組分含量/%組分NH3H2N2CH4Ar總計(jì)含量/% （2） 合成塔出口氣組分以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[6]： 出塔氣量： M8=入塔氣量－生成氨氣量=1000－= 出塔氨含量：y8，NH3=%出塔甲烷含量： 出塔氬含量：出塔氫含量：出塔氮含量：將出塔氣體組分歸入表23。表23 出塔氣體組分含量/%組分NH3H2N2CH4Ar總計(jì)含量132 100（3） 氨的合成率：合成率 氨分離器氣液平衡計(jì)算氨分離器進(jìn)口氣體組成等于合成塔出口氣體組成及氨分離器入口混合物組分如表24所示。表24 氨分離器入口混合氣體組分m（i）組分NH3H2N2CH4Ar總計(jì)含量 查t=35℃，P=，見表25所示。表25 各組分平衡常數(shù)K（i）[6]KNH3KH2KN2KCH4KAr設(shè)時(shí)，代入L總=LNH3+LCH4+LH2+LN2+LAr=分離氣體量：V=1－=計(jì)算液氣比誤差，符合要求，故結(jié)果合理從而可計(jì)算液體中各組分含量，由式 x（i）=L（i）/