【正文】 學(xué)生姓名 學(xué) 號 小組成員 指導(dǎo)教師 完成日期 20200410 畢 業(yè) 論 文（設(shè) 計） 任 務(wù) 書 班級 日期 20200410 論文（設(shè) 計）題目： 合成氨合成工段工藝 論文（設(shè)計）要求： （ 1）學(xué)生應(yīng)在教師指導(dǎo)下按時完成所規(guī)定的內(nèi)容和工作量，最好是獨立完成。 （ 5）格式規(guī)范，嚴(yán)格按系部制定的論文格式模板調(diào)整格式。 0— 15 分 綜合能力 論文能運用所學(xué)知 識和技能，有一定見解和實用價值。 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。 合成氨生產(chǎn)過程中，換熱器應(yīng)用十分廣泛，主要用于熱量的交換和回收。從那以后很長一段時 間，氨的主要來源是氮化物，而氮化物的主要來源是自然界中的硝石礦產(chǎn)。然而全世界無論何處，大氣的五分之四都是氮，如果有人能學(xué)會大規(guī)模地、廉價地把單質(zhì)的氮轉(zhuǎn)化為化合物的形式，那么，氮是取之不盡、用之不竭的。 1795 年，曾有人試圖在常壓下進(jìn)行氨合成，后來又有人在 50 個大氣 壓下試驗，結(jié)果都失敗了。哈伯（ Fritz Haber）知難而化學(xué)工程系畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 進(jìn)，對合成氨進(jìn)行了全面系統(tǒng)的研究和實驗， 攻克 了 這一令人生畏的難題。 賽尼斯 伍德法 1921 德國 氮氣工程公司法 1921 美國 表 11 氨合成方法 到 20世紀(jì) 30年代 初，合成氨已經(jīng)成為世界上廣泛采用的制氨方法。20 年代，隨著鋼鐵工業(yè)的興起，出現(xiàn)了用焦?fàn)t氣深冷分離制氫的方法。第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束，以焦炭、煤為原料生產(chǎn)的氨約占一半以上。 60 年代以后，又開發(fā)了重質(zhì)油部分氧化法制氫。隨著 由汽輪機驅(qū)動的大型、高壓離心式壓縮機研制成功，為合成氨裝置大型化提供了條件，大型合成氨廠的數(shù)目也逐年增多。 氮氣主要是從空氣中提取。 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。 （ 3） 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 。 天然氣制氨 化學(xué)工程系畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 天然氣先經(jīng)脫硫，然后通過二次轉(zhuǎn)化，再分別經(jīng)過一氧化碳變換、二氧化碳脫除等工序，得到的氮氫混合氣，其中尚含有一氧化碳和二氧化碳約 ％～ ％（體積），經(jīng)甲烷化作用除去后，制得氫氮摩爾比為 3 的純凈氣，經(jīng)壓縮機壓縮而進(jìn)入氨 合成回路，制得產(chǎn)品氨。 氨合成反應(yīng)的特點和催化劑 氨合成反應(yīng)的特點 氨的合成是氨廠最后一道工序，任務(wù)是在適當(dāng)?shù)臏囟取毫陀写呋瘎┐嬖诘臈l件下，將經(jīng)過精制的氫氮混合氣直接合成成氨。 ④反應(yīng)需要有催化劑 ：實踐證明，在沒有催化劑存在的條件下，生成氨的反應(yīng)速度相當(dāng)緩慢，在 300500℃的條件下，氨合成反應(yīng)需要若干年才能達(dá)到平衡。可見，催化劑的作用事十分重要的。當(dāng)采用鐵催化劑時，由于改變了反應(yīng)歷程，降低了反應(yīng)的活化能，使反應(yīng)以顯著的速率進(jìn)行。 催化劑的活性組分是金屬鐵，而不是鐵的氧化物。當(dāng)催化劑被氫氯混合氣還 原時，氧化鐵被還原為α型純鐵，而 A12O3不被還原，它覆蓋在α Fe 品粒的表面，防止活性鐵的微晶在還原時及以后的使用中進(jìn)一步長大。在還原過程中， MgO 也能防止活性鐵的微晶進(jìn)一步長大。鐵催化劑在空氣中易受潮，引起可溶性鉀鹽析出，使活性下降。各類鐵催化劑都有一定的起始活性溫度、最佳反應(yīng)溫度和耐熱溫度。在一定的空間速度下，合成壓力越高，氨凈值 (合成塔出入口氨含量之差 )越高，合成塔的生產(chǎn)能力也就越大。同時，高壓下反應(yīng)溫度較高，催化劑使用壽命短，操作管 理也比較困難，因此壓力不宜過高。 空間速度 單位體積催化劑在單位時間內(nèi)處理的氣體量稱為空間速度。空間速度過大，氨分離不完全，增大設(shè)備負(fù)荷，增大動力消耗。 合成氨工藝流程 實現(xiàn)氨合成的循環(huán)，必須包括如下幾個步驟：氫、氮原料氣的壓縮并補入循環(huán)系統(tǒng)，循環(huán)氣的預(yù)熱與氨的合成，氨的分離，熱能的回收利用，對未反應(yīng)氣體補充壓力并循環(huán)使用，排放部分循環(huán)氣以維持循環(huán)氣中情性氣體的平衡等。氣體隨即進(jìn)入循環(huán)壓縮機，提高壓力并與新鮮氣混合后，流入冷交換器和氨冷卻器中。最后，把所制得的合成氨儲存到 罐里或通往其他地方繼續(xù)加工生產(chǎn)。設(shè)變換器出換熱器時的壓力為 。 確定換熱器的材料和壓力等級 考慮到腐蝕性不大，合成氨廠該換熱器一般采用碳鋼材料，故本設(shè)計中也采用碳鋼材料。 計算傳熱溫差 首先計算逆流時平均溫差： 化學(xué)工程系畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 考慮到管程可能是 4程，但殼程數(shù)為 1。239。 所以本次設(shè)計使用 6010600 ??? IG 固定管板式換熱器。 造氣用煤合理分配，大、中塊造氣用，小顆粒及爐渣作為鍋爐用煤。 合成選用適當(dāng)壓力的廢熱鍋爐，產(chǎn)生的蒸汽在工藝中使用。 化學(xué)工程系畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 5 世界合成氨工業(yè)近期進(jìn)展及前景展望 由于生態(tài)和環(huán)保的原因，今后發(fā)達(dá)國家化肥用量將減少，世界合成氨生產(chǎn)能力將緩慢增長。近幾年來，世界合成氨工業(yè)的技術(shù)進(jìn)展主要有以下幾方面： 1．英國 ICI 公司采用 LCA 工藝流程，在英國的 Severance 氨廠建了兩套并列的產(chǎn)量各為 450 噸／天，但只有一套公用工程系統(tǒng)的合成氨裝置。用含鈷催化劑作氨合成觸媒，合成壓力為 8MPa。 3．德國伍德公司經(jīng)二十多年來對工藝效率、工廠安全、能量總消耗等方面連續(xù)研究結(jié)果，推出了低能耗工藝，并于 1991 年在德國 BASF 公司建立了一個日產(chǎn) 1800 噸的工廠。目前，該新型轉(zhuǎn)化爐的工業(yè)示范裝置的生產(chǎn)能力已達(dá) hm/3 ，加壓設(shè)備內(nèi)部裝有 19根轉(zhuǎn)化管。但考慮到規(guī)模過大，會造成設(shè)備制造和運輸、開停車復(fù)雜化和長期可靠的原料保證等方面的問題，使整套生產(chǎn)裝置的投資費用大幅度上升。 3． 降低能耗的潛力已基本得到發(fā)揮 以天然氣為原料的合成氨能耗設(shè)計值為27GJ，目前有些生產(chǎn)裝置的最低能耗已達(dá) 28GJ，只比理論值高出 20％左右而與設(shè)計值相接近。 氨主要用于制造氮肥和復(fù)合肥料，氨作為工業(yè)原料和氨化飼料，用量約占世界產(chǎn)量的 12％。氨合成反應(yīng)在較高壓力和催化劑存在的條件下進(jìn) 行，由于反應(yīng)后氣體中氨含量不高，一般只有 %20~%10 ，故采用未反應(yīng)氫氮氣循環(huán)的流程。 增加壓力將使反應(yīng)移向生成氨的方向，提高溫度 會將反應(yīng)移向相反的方向，但溫度過低又使反應(yīng)速度過小。 通過本次畢業(yè)設(shè)計，讓我們對化工工藝的認(rèn)識有了一個里程碑式的突破，同時我們還認(rèn)識到理論實際是密不可分的，在今后的設(shè)計中，它給我們一個很好的警示：任何一個設(shè)計路線必須結(jié)合實際中的理論依據(jù)才能得到很好的結(jié)果。 在此，向所有關(guān)心和幫助過我的領(lǐng)導(dǎo)、老師、同學(xué)和朋友表示由衷的謝意！ 張陽 2020． 。在本課題的完成過程中，我還得到了其它各方面的支持和幫助 。從尊敬的導(dǎo)師身上，我不僅學(xué)到了扎 實、寬廣的專業(yè)知識，也學(xué)到了做人的道理。 工業(yè)生產(chǎn)中常用的壓強為 Pa1056001200 ?? ，溫度為 C??600450 ，用金屬鐵作催化劑，轉(zhuǎn)化率可提高到約 %8 。液氨常用作制冷劑 氨合成 是 將純凈的氫、氮混合氣壓縮到高壓，在催化劑的作用下合成氨。 4． 降低投資和提高操作可靠性問題日益受到重視 鑒于節(jié)能降耗已無太多的潛力可挖，今后的技術(shù)發(fā)展將通過減少費用的較小的集成化工藝部分、簡化管道系統(tǒng)相儀器儀表、改進(jìn)催化刑，提高設(shè)備的制造和維修質(zhì)量以及安裝先進(jìn)的自動控制系統(tǒng)來進(jìn)行，同時也將更加主重采用各種現(xiàn)代化的技術(shù)管理手段，來保證生產(chǎn)裝置盡量減少停車損失，始終處于良好的運行狀態(tài)。 2． 天然氣依然是合成氨生產(chǎn)的主要原科 目前全世界合成氨的年產(chǎn)量約為 1． 45 億噸，其中采用原料重油 3％，煤和焦 13％，天然氣 84％。世界許多合成氨專家對此意見是一致的，并對今后合成氨工業(yè)的發(fā)展前景作出如下展望： 化學(xué)工程系畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 1． 生產(chǎn)規(guī)模不會再擴大 80年代世界共建成了 110 套合成氨裝置，平均生產(chǎn)規(guī)模為 1120 噸／天。燃料氣經(jīng)水冷噴嘴加氧并進(jìn)入燃燒室中，通過調(diào)整噴嘴的位置和燃燒室的形狀設(shè)計，使燃燒室內(nèi)產(chǎn)生渦流，以保證轉(zhuǎn)化反應(yīng)穩(wěn)定進(jìn)行。其中 KAAP 工藝將是未來一個很有前途的氨廠改造方案， 其合成壓力為 7— 9． 1MPa，采用以石墨為載體，涂釘并用銣鹽活化的氨合成催化劑，比通常的催化劑活性高 20 倍，合成轉(zhuǎn)化率也隨之顯著提高，能增產(chǎn) 40％左右。 LCA 流程與當(dāng)今的大型裝置流 程不同，該法的噸氨能耗為 30．