【正文】 化學(xué)化工學(xué)院 課程設(shè)計(jì)說明書天然氣合成氨20萬噸合成工段設(shè)計(jì)說明書第一章 總 論 3 概述 3 氨的性質(zhì) 4 氨的物理性質(zhì) 4 4 原料氣來源 5 文獻(xiàn)綜述 5 合成氨工業(yè)的發(fā)展 6 6 6 設(shè)計(jì)任務(wù)的項(xiàng)目來源 7第二章 流程方案的確定 7 生產(chǎn)原理 7 各生產(chǎn)方法及特點(diǎn) 8 工藝流程的選擇 9 合成塔進(jìn)口氣的組成 11第三章 工藝流程簡(jiǎn)述 12 合成工段工藝流程簡(jiǎn)述 12 工藝流程方框圖 13第四章 工藝計(jì)算 14 物料衡算 14 14 15 15 16 17 17 19 20 23 24 26 27 28 28 30 冷交換器物料計(jì)算 32 34 熱量衡算 37 37 氨冷凝器熱量衡算 40 42 44 47 48 50 52第五章 設(shè)備選型及設(shè)計(jì)計(jì)算 53 合成塔催化劑層設(shè)計(jì) 53 廢熱鍋爐設(shè)備工藝計(jì)算 55 55 55 59 59 59 60 熱交換器設(shè)備工藝計(jì)算 60 60 61 63 67 68 水冷器設(shè)備工藝計(jì)算 68 68 69 71 71 71 氨冷器設(shè)備工藝計(jì)算 72 72 73 77 77 77 78第六章 車間布置 80第七章“三廢”治理及綜合利用 81 “三廢”的產(chǎn)生及污染 81 81 82 83 “三廢”治理原則 83結(jié)束語 84參考文獻(xiàn) 85附錄 86物料衡算匯總表 86熱量計(jì)算點(diǎn)圖 89第一章 總 論 概述氨是一種重要的含氮化合物。氮是蛋白質(zhì)質(zhì)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(zhì)，沒有蛋白質(zhì)，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?jǐn)?shù)）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(zhuǎn)化為化合物狀態(tài)，才能被植物吸收，然后再轉(zhuǎn)化成人和動(dòng)物所需的營養(yǎng)物質(zhì)。把大氣中的游離氮固定下來并轉(zhuǎn)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(jìn)一步制成化學(xué)肥料或用于其它工業(yè)。在國民經(jīng)濟(jì)中，氨占有重要地位，特別是對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(chǎn)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(xué)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(chǎn)己內(nèi)酰胺、尼龍丙烯腈等單體和尿醛樹脂等產(chǎn)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(shè)中廣泛應(yīng)用。氨在其他工業(yè)中的應(yīng)用也非常廣泛。在石油煉制、橡膠工業(yè)、冶金工業(yè)和機(jī)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(chǎn)品都是不可缺少的。例如制冷、空調(diào)、食品冷藏系統(tǒng)大多數(shù)都是用氨作為制冷劑。 氨的性質(zhì) 氨的物理性質(zhì) 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，％時(shí)即會(huì)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(shí)放出大量熱。氨水中的氨極易揮發(fā)。 ℃（沸點(diǎn)）才能液化。液氨為無色液體，氣化時(shí)吸收大量的熱。⑴ 氨與氧在催化劑作用下生成氮的氧化物,并能進(jìn)一步與水作用,制得硝酸：⑵ 氨與酸或酐反應(yīng)生成鹽類,是制造氮肥的基本反應(yīng)：⑶ 氨與二氧化碳作用生成氨基甲酸銨,進(jìn)一步脫水成為尿素：⑷ 氨與二氧化碳和水作用,生成碳酸氫銨： (5) 氨可與鹽生成各種絡(luò)合物，如CuCl2?6NHCuSO4?4NH3。氨與空氣(或氧)的混合氣,在一定濃度范圍內(nèi)能發(fā)生劇烈的氧化作用而爆炸。在常溫常壓下，氨與空氣爆炸極限為15%～28%(NH3)。100℃， MPa下，%～%(NH3)。 原料氣來源原料氣主要有兩部分：氮?dú)?、氫氣。氮?dú)庵饕菑目諝庵刑崛?。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、水蒸氣或富氧空氣水蒸氣混合氣，經(jīng)過一系列反應(yīng)生成含有一氧化碳、二氧化碳、氫氣、氮?dú)?、及甲烷等混合氣體的過程。在氣化過程中所使用的空氣、水蒸氣或富氧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(jìn)行汽化的條件。根據(jù)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(fēng)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?；旌厦簹猓阂钥諝夂瓦m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=～。可用蒸氣與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(fēng)混合配制。本設(shè)計(jì)采用半水煤氣，半水煤氣經(jīng)過凈化后得到純凈的氫氣，再配制適量的氮?dú)?，成為合成氨的原料氣，其中含有氮?dú)?、氫氣、以及惰性氣體甲烷和氬。 文獻(xiàn)綜述合成氨工業(yè)是氮肥工業(yè)的基礎(chǔ)，也是一些工業(yè)部門的重要原料，它的迅速發(fā)展促進(jìn)了一系列科學(xué)技術(shù)和化學(xué)合成工業(yè)的發(fā)展，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，合成氨工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)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(jì)初期形成，開始用氨作為火炸藥工業(yè)的原料，為戰(zhàn)爭(zhēng)服務(wù)。第一次世界大戰(zhàn)結(jié)束后,轉(zhuǎn)向?yàn)檗r(nóng)業(yè)、工業(yè)服務(wù)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)氨的需要量日益增長(zhǎng)，近30年來合成氨工業(yè)發(fā)展很快。目前，國內(nèi)合成氨年生產(chǎn)能力30萬噸以上的大型企業(yè)有26家，合成氨年生產(chǎn)能力10萬噸以上的中型企業(yè)有100多家，其他還有800多家小氮肥廠也生產(chǎn)約占總量60%的合成氨。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(shù)，以本地粉煤代替無煙塊煤。建議針對(duì)不同企業(yè)采用不同的技術(shù)路線。內(nèi)技術(shù)進(jìn)行改造。同時(shí)，對(duì)于有廉價(jià)天然氣資源的地區(qū)，鼓勵(lì)采用天然氣改造現(xiàn)有裝置或建設(shè)天然氣化肥基地。二是企業(yè)結(jié)構(gòu)不合理，產(chǎn)業(yè)集中度低，技術(shù)水平不高。在氮肥行業(yè)，要推廣新型煤氣化技術(shù)，包括粉煤氣化、水煤漿氣化技術(shù)等；新型凈化技術(shù)，如低溫變換、低溫甲醇洗MDEA等凈化技術(shù)；新型氨合成塔及大型低壓合成的成套技術(shù)和裝備。合成氨工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì): ①原料路線的變化方向。煤的儲(chǔ)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。②節(jié)能和降耗。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、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(chǎn)品聯(lián)合生產(chǎn)。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。到2010年，力爭(zhēng)組建50家大型企業(yè)集團(tuán)，大型氮肥廠合成氨平均規(guī)模達(dá)40萬噸/年以上，中型氮肥廠平均規(guī)模達(dá)20萬噸/年以上。其產(chǎn)品集中度達(dá)到50%，并形成35家在國際上有一定影響的大型企業(yè)集團(tuán)。同時(shí)，調(diào)整企業(yè)結(jié)構(gòu)，減少基礎(chǔ)肥料生產(chǎn)廠數(shù)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(jìn)一步。 設(shè)計(jì)任務(wù)的項(xiàng)目來源本課題是指導(dǎo)老師提高畢業(yè)生設(shè)計(jì)能力而選定的。希望通過此次課程設(shè)計(jì)讓學(xué)生可以較好地把理論學(xué)習(xí)中的分散知識(shí)點(diǎn)和實(shí)際生產(chǎn)操作有機(jī)結(jié)合起來，得到較為合理的設(shè)計(jì)成果，達(dá)到課程設(shè)計(jì)訓(xùn)練的目的，提高學(xué)生分析和解決化工實(shí)際問題的能力。 第二章 流程方案的確定 生產(chǎn)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(yīng)的,其反應(yīng)式為： 此式為一不可逆，放熱，體積縮小的反應(yīng)，其反應(yīng)過程為： 氨合成的反應(yīng)特點(diǎn)：⑴ 反應(yīng)過程要在高壓下進(jìn)行，壓力越高，越有利于氨的合成。⑵ 溫度低時(shí)，反應(yīng)有利于向氨合成的方向進(jìn)行，但反應(yīng)速度較慢，提高溫度不利于反應(yīng)平衡，但可以加快反應(yīng)速度，在實(shí)際操作中，溫度的選擇取決于觸媒的活性。⑶ 必須借助觸媒，以加快反應(yīng)速度。⑷ 混合氣中氫、氮含量越高越有利于反應(yīng)，因此，氣體中惰性氣體含量越少越好。 各生產(chǎn)方法及特點(diǎn)合成氨的生產(chǎn)主要包括三個(gè)步驟 ：第一步是造氣，即制備含有氫、氮的原料氣；第二步是凈化，不論選擇什么原料，用什么方法造氣，都必須對(duì)原料氣進(jìn)行凈化處理，以除去氫、氮以外的雜質(zhì)；第三步是壓縮和合成，將純凈的氫、氮混合壓縮到高壓，在鐵催化劑與高溫條件下合成為氨。目前氨合成的方法，由于采用的壓力、溫度和催化劑種類的不同，一般可分為低壓法、中壓法和高壓法三種。(1) 低壓法 操作壓力低于20 MPa的稱低壓。采用活性強(qiáng)的亞鐵氰化物作催化劑，但它對(duì)毒物很敏感，所以對(duì)氣體中的雜質(zhì)（CO、CO2）要求十分嚴(yán)格。也可用磁鐵礦作催化劑，操作溫度450～550 ℃。該法的優(yōu)點(diǎn)是由于操作壓力和溫度較低，對(duì)設(shè)備、管道的材質(zhì)要求低、生產(chǎn)容易管理，但低壓法合成率不高，合成塔出口氣體中含氮約8％～10％，所以催化劑的生產(chǎn)能力比較低；同時(shí)由于壓力低而必須將循環(huán)氣降至20℃的低溫才能使氣體中的氨液化，分離比較完全，所以需要設(shè)置龐大的冷凍設(shè)備，使得流程復(fù)雜，且生產(chǎn)成本較高。(2) 高壓法 操作壓力為60 MPa 以上的稱為高壓法，其操作溫度大致為550～650 ℃。高壓法的優(yōu)點(diǎn)是，氨合成的效率高，合成氨出口氣體中含氨達(dá)25％～30％，催化劑的生產(chǎn)能力較大。由于壓力高，一般用水冷的方法氣體中的氨就能得到完全的分離，而不需要氨冷。從而簡(jiǎn)化了流程；設(shè)備和流程比較低緊湊，設(shè)備規(guī)格小，投資少，但由于在高壓高溫下操作，對(duì)設(shè)備和管道的材質(zhì)要求比較高。合成塔需用高鎳優(yōu)質(zhì)合金鋼制造，即使這樣，也會(huì)產(chǎn)生破裂。高壓法管理比較復(fù)雜，特別是由于合成率高，催化劑層內(nèi)的反應(yīng)熱不易排除而使催化劑長(zhǎng)期處于高溫下操作，容易失去活性。(3) 中壓法 操作壓力為20～35 MPa的稱為中壓法，操作溫度為450～550 ℃。中壓法的優(yōu)缺點(diǎn)介于高壓法與低壓法中間，但從經(jīng)濟(jì)效果來看，設(shè)備投資費(fèi)用和生產(chǎn)費(fèi)用都比較低。氨合成的上述三種方法，各有優(yōu)缺點(diǎn)，不能簡(jiǎn)單的比較其優(yōu)劣。世界上合成氨總的發(fā)展趨勢(shì)多采用中壓法，其壓力范圍多數(shù)為30～35 MPa。本設(shè)計(jì)采用中壓法，操作壓力為32 MPa。 工藝流程的選擇合成氨的生產(chǎn)工藝條件必須滿足產(chǎn)量高，消耗低，工藝流程及設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便及安全可靠等要求。決定生產(chǎn)條件最主要的因素有操作壓力、反應(yīng)溫度、空間速度和氣體組成等。(1) 最適宜的操作壓力 氨合成反應(yīng)是氣體體積縮小的反應(yīng)，提高壓力有利于反應(yīng)平衡向右移動(dòng)。壓力增加平衡常數(shù)增大，因而平衡氨含量也增大。所以，提高壓力對(duì)氨合成反應(yīng)的平衡和反應(yīng)速度都有利，在一定空速下，合成壓力越高，出口氨濃度越高，氨凈值越高，合成塔的生產(chǎn)能力也越大。氨合成壓力的高低，是影響氨合成生產(chǎn)中能量消耗的主要因素之一。主要能量消耗包括原料氣壓縮功、循環(huán)氣壓縮功和氨分離的冷凍功。提高操作壓力，原料氣壓縮功增加，合成氨凈值增高，單位氨所需要的循環(huán)氣量減少，因而循環(huán)氣壓縮功減少，同時(shí)壓力高也有利于氨的分離，在較高氣溫下，氣氨即可冷凝為液氨，冷凍功減少。但是壓力高時(shí)，對(duì)設(shè)備的材料和制造的要求均高。同時(shí)，高壓下反應(yīng)溫度一般較高，催化劑使用壽命也比較短，操作管理比較困難。所以要根據(jù)能量消耗、原料費(fèi)用、設(shè)備投資等綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果來選擇操作壓力。目前我國中小型合成氨廠合成操作壓力大多采用20~32 MPa。(2) 最適宜的反應(yīng)溫度 合成氨反應(yīng)是一個(gè)可逆放熱反應(yīng)，當(dāng)溫度升高時(shí)，平衡常數(shù)下降，平衡氨含量必定減少。因此從化學(xué)平衡角度考慮，應(yīng)盡可能采用較低的反應(yīng)溫度。實(shí)際生產(chǎn)中還要考慮反應(yīng)速率的要求。為了提高反應(yīng)速率，必須使用催化劑才能實(shí)現(xiàn)氨合成反應(yīng)。而催化劑必須在一定的溫度范圍內(nèi)才具有活性，所以氨合成反應(yīng)溫度必須維持在催化劑的活性范圍內(nèi)。合成氨生產(chǎn)所用的催化劑活性溫度在400~500 ℃。反應(yīng)溫度不能低于活性溫度，在活性溫度范圍內(nèi)選用較低溫度，也有利于延長(zhǎng)催化劑的使用壽命。在合成氨生產(chǎn)過程中，對(duì)應(yīng)于任意一個(gè)瞬時(shí)轉(zhuǎn)化率都存在一個(gè)最大的反應(yīng)速率的溫度，即最佳溫度。就整個(gè)反應(yīng)過程來說，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，轉(zhuǎn)化率不斷增加，最佳溫度隨轉(zhuǎn)化率增加而降低。在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)盡可能沿著最佳溫度曲線進(jìn)行。反應(yīng)溫度的控制還與催化劑的使用時(shí)間有關(guān)。新的催化劑因活性比較高，可采用較低的溫度。在中期活性降低，操作溫度應(yīng)比初期適當(dāng)提高8~10 ℃。催化劑使用到末期，活性因衰老而減弱，應(yīng)再適當(dāng)提高溫度。(3) 空間速度 空間速度反映氣體與催化劑接觸時(shí)間的長(zhǎng)短?？臻g速度增加，氣體與催化劑接觸時(shí)間減少，反應(yīng)物來不及反應(yīng)就離開了反應(yīng)區(qū)域，因此將是合成塔出口氣體中氨含量降低，即氨凈值降低。但由于氨凈值降低的程度比空間速度的增大倍數(shù)要少，所以當(dāng)空間速度增加時(shí)，合成氨的產(chǎn)量也有所增加。在其他條件一定時(shí)，增加空間速度能提高合成氨的生產(chǎn)強(qiáng)度。但空間速度增大，將使系統(tǒng)阻力增加，壓縮循環(huán)氣功耗增加，分離氨所需的冷凍量也增大，因此冷凍功耗增加。同時(shí)，單位循環(huán)氣量的產(chǎn)氨量減少。但在一定限度內(nèi)，其他條件不變，增加空間速度，合成氨產(chǎn)量增加，單位時(shí)間所得的總反應(yīng)熱增多，通過水冷器和氨冷器的氣體流量增大，需要移走的熱量增多，導(dǎo)致冷凝器的冷卻面積要相應(yīng)增大，否則就不能將高流速氣體中的氨冷凝下來。此外，空間速度增大，使出塔氣體中氨的百分含量降低，為了使氨從混合氣中冷凝分離出來，必須降低出塔氣體溫度，這樣就要消耗更多的冷凍量，導(dǎo)致冷凍功耗增加。 綜合以上各方面的考慮，空間速度的增加是有限度的。目