【正文】 中廣泛應(yīng)用。氨主要用來(lái)制作化肥。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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)?；瘜W(xué)化工學(xué)院 課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書天然氣合成氨20萬(wàn)噸合成工段設(shè)計(jì)說(shuō)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(lái)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(lái)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(yǔ) 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。把大氣中的游離氮固定下來(lái)并轉(zhuǎn)變?yōu)榭杀恢参镂盏幕衔锏倪^(guò)程，稱為固定氮。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。氨在其他工業(yè)中的應(yīng)用也非常廣泛。 氣態(tài)氨易溶于水，成為氨水，氨水呈弱堿性。 ℃（沸點(diǎn)）才能液化。在常溫常壓下，氨與空氣爆炸極限為15%～28%(NH3)。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(guò)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(guò)程。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?？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(fēng)混合配制。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)。國(guó)際上以天然氣為原料的氮肥占85%。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。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。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。 設(shè)計(jì)任務(wù)的項(xiàng)目來(lái)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。⑶ 必須借助觸媒，以加快反應(yīng)速度。(1) 低壓法 操作壓力低于20 MPa的稱低壓。(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 ℃。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。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。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。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。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。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。合成氨生產(chǎn)所用的催化劑活性溫度在400~500 ℃。在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)盡可能沿著最佳溫度曲線進(jìn)行。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。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。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(lái)，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。 流程設(shè)計(jì)在于合理地配置上述幾個(gè)步驟，以便得到較好的技術(shù)效果，同時(shí)在生產(chǎn)上穩(wěn)定可靠。液氨在氨分離器中與循環(huán)氣體分開(kāi)，減壓送入貯槽。從氨的合成反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理可知，氮的活性吸附是合成氨反應(yīng)過(guò)程速度的控制步驟，因此適當(dāng)提高氮?dú)鉂舛龋瑢?duì)氨合成反應(yīng)速度有利。無(wú)論從化學(xué)平衡還是動(dòng)力學(xué)角度分析，他們都是有弊無(wú)利的，導(dǎo)致氨的生產(chǎn)率下降。循環(huán)氣體中惰性氣體的控制還與操作壓力和催化劑活性有關(guān)。在生產(chǎn)中，%~%之間，并控制循環(huán)氣中惰性氣體的體積分?jǐn)?shù)在10%~15%之間。但將進(jìn)口氨含量降的過(guò)低，會(huì)導(dǎo)致冷凍功耗增加過(guò)多，經(jīng)濟(jì)上并不可取。對(duì)于壓力在15 MPa的合成氨廠，%左右。氣體在管內(nèi)流動(dòng)，液氨在管外蒸發(fā)，由于氨大量蒸發(fā)吸收了混合氣的熱量，使管內(nèi)氣體進(jìn)一步冷卻至10℃，出氨冷器后的氣液混合物，在冷交換器的下部用氨分離器將液氨分離。反應(yīng)換熱后溫度降為140~160℃，氨含量13%的反應(yīng)氣體出合成塔進(jìn)入水冷器，氣體經(jīng)水冷器冷卻至常溫，其中部分氣氨被冷凝，液氨在氨分離器中分出。流程簡(jiǎn)單，設(shè)備投資抵。 工藝流程方框圖合成塔水冷器熱交換器廢熱鍋爐油分離器冷交換器循環(huán)機(jī)新鮮氣放空液氨儲(chǔ)槽氨冷器氨分離塔馳放氣圖31合成氨工藝流程方框圖第四章 工藝計(jì)算 物料衡算 1. 年產(chǎn)20萬(wàn)噸液氨,設(shè)計(jì)裕度及液氨損失均不計(jì) 2. 精煉氣組成（%）：如下表 表411精煉氣組成（mol％）組 成N2H2CH4Ar 合 計(jì)mol％ 100 3. 合成塔入口氨含量（mol％）： 合成塔出口氨含量（mol％）： 合成塔入口惰性氣體含量（mol％）： 4. 合成塔操作壓力: 32MPa(絕壓) 5. 精煉氣溫度：35℃ 6. 水冷器出口溫度：35℃ 7. 循環(huán)機(jī)進(jìn)出口壓差： 8. 年工作日：330天 9. 產(chǎn)量： NH3/h 10. 計(jì)算基準(zhǔn)：生產(chǎn)1噸液氨1 2 3 4 5精煉氣 6 7 8 9 10 11 12 14 17 18合成氣；13放空氣 20弛放氣 圖411 計(jì)算物料點(diǎn)流程圖合成塔氨分離塔水冷器氨冷器熱交換器液氨儲(chǔ)槽廢熱鍋爐放空油分離器新鮮氣冷交換器循環(huán)機(jī)液氨儲(chǔ)槽氨冷器氨分離塔循環(huán)機(jī)314571614122115201918172910116813根據(jù)計(jì)算依據(jù)有入塔氨含量：入塔甲烷含量：入塔氬含量：入塔氫含量：入塔氮含量：表412 入塔氣組分含量（%）NH3CH4ArH2N2小計(jì)100以 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：出塔氣量: 出塔氨含量： 出塔甲烷含量：出塔氬含量： 出塔氫含量： 出塔氮含量： 表413 出塔氣體組分含量（%）NH3CH4ArH2N2小計(jì)100 已知氨分離器入口混合物組分表414 氨分離器入口混合物組分小計(jì)1查 ，各組分平衡常數(shù)：表415 平衡常數(shù)表設(shè)時(shí)，代入計(jì)算各組分溶解液量:分離液體量：分離氣體量：計(jì)算氣液比：結(jié)果合理從而可計(jì)算出液體中各組分含量：液體中氨含量：液體中氬含量：液體中甲烷含量： 液體中氫含量：液體中氮含量：表416 氨分離器出口液體含量（%）NH3CH4ArH2N2小計(jì)分離氣體組分含量：氣體氨含量 氣體甲烷含量 氣體氬含量 氣體氫含量 氣體氮含量 表417 氨分離器出口氣體含量（%）NH3CH4ArH2N2小計(jì)100根據(jù)氣液平衡原理，由于冷交換器第二次出口氣體含量等于合成塔進(jìn)口氣體含量，由合成塔入口氣體含量和操作條件下的分離溫度可查出，便可解出。以液氨貯槽入口 液體計(jì)算為準(zhǔn)，即 ，入口液體混合后組分含量：混合后入口氨含量：混合后入口甲烷含量：混合后入口氬含量：混合后入口氫含量：混合后入口氮含量： 表4110 液氨貯槽入口液體含量（%）小計(jì)100當(dāng) (由熱平衡計(jì)算得) 平衡常數(shù)：表4111 平衡常數(shù)表170540575620根據(jù)氣液平衡 ,設(shè) ,代入上式得:出口液體氨含量：出口液體甲烷含量：出口液體氬含量：出口液體氫氣含量：出口液體氮?dú)夂浚撼隹谝后w總量：出口氣體總量：l出口液體組分含量 出口液體氨含量：出口液體甲烷含量：出口液體氬含量：出口液體氫氣含量：出口液體氮?dú)夂浚罕?112 液氨貯槽出口液氨組分（%）NH3CH4ArH2N2小計(jì)100出口弛放氣組分含量：弛放氣氨含量：弛放氣甲烷含量：弛放氣氬含量：弛放氣氫氣含量：弛放氣氮?dú)夂浚罕?113 出口弛放氣組分含量(%)NH3CH4ArH2N2小計(jì)100以液氨貯槽出口一噸純液氨為基準(zhǔn)折標(biāo)立方米計(jì)算液氨貯槽出口液體量 其中NH3 CH4 Ar H2 N2 液氨貯槽出口弛放氣 其中 NH3 CH4 Ar H2 N2 液氨貯槽出口總物料液氨貯槽進(jìn)口液體：由物料平衡，入口液體各組分含量計(jì)算：其中 NH3 CH4 Ar H2 N2 入口液體中組分含量核算,由 入口液體中氨含量 入口液體中甲烷含量 入口液體中氬含量 入口液體中氫氣含量 入口液體中氮?dú)夂? 入口液體中組分含量 將整個(gè)合成看著一個(gè)系統(tǒng)，進(jìn)入該系統(tǒng)的物料有新鮮補(bǔ)充氣 ,離開(kāi)該系統(tǒng)的物料有放空氣 ，液氨貯槽弛放氣 ，產(chǎn)品液氨 ，見(jiàn)圖413所示： 合成塔V補(bǔ)V出V馳V放V氨V入圖413 合成系統(tǒng)物料計(jì)算示意圖由前計(jì)算數(shù)據(jù)如下表：表4114 合成系統(tǒng)物料計(jì)算數(shù)據(jù)名稱NH3CH4ArH2N2氣量Nm３補(bǔ)充氣放空氣弛放氣液氨入塔氣出塔氣根據(jù)物料平衡和元素組分平衡求,: 循環(huán)回路中氫平衡： 循環(huán)回路中氮平衡: 循環(huán)回路中惰性氣體平衡: 循環(huán)回路中惰性氣體平衡: 循環(huán)回路中總物料平衡: 聯(lián)立各式解得：。即 進(jìn)器物料：水冷器進(jìn)氣物料等于熱交換器出口物料，即 出器物料：在水冷器中部分氣氨被冷凝；由氨分離器氣液平衡計(jì)算得氣液比 ，,有如下方程: 將 代入 得: 出口氣體組分由得:其中， NH3 CH4 Ar H2 N2 出口液體各組分由 得其中 NH3 CH4 Ar H2 N2 進(jìn)器物料：氨分離器進(jìn)器總物料等于水冷器出口氣液混合物總物料即　出器物料：氣液混合物在器內(nèi)進(jìn)行分離，分別得到氣體和液體出器氣體，出器液體氨分離器出口氣體放空 其中， NH3 CH4 Ar H2 N2 進(jìn)器物料：進(jìn)器物料等于氨分離器出口氣體物料減去放空氣量其中， NH3 CH4 Ar