【正文】 年產(chǎn) 8 萬噸合成氨合成工段設(shè)計(jì) 說明書 25 熱量衡算 冷交換器熱量衡算 （ 1） 熱氣進(jìn)口溫度 冷交換器熱氣進(jìn)口溫度等于水冷器氣體出口溫度，由題意知 t1=35℃ （ 2） 冷氣進(jìn)口溫度 為了保證合成塔入口氨含量在 %，出氨冷器氣體的氨含量必須小于或等于 %，設(shè)過飽和度為 10%，則在該冷凝溫度下的平衡氨含量為 yNH3= 100%=% 查《小氮肥廠工藝設(shè)計(jì)手冊》圖平衡氨含量為 %時(shí)的冷凝溫度 t2=10℃ ，故冷氣進(jìn)口溫度等于 10℃ （ 3） 熱氣體帶入熱量 熱氣體在器內(nèi)處與氨飽和區(qū)內(nèi)，計(jì)算氣體比熱容時(shí)先求常壓下氣體比熱容，然后用壓力校正的辦法計(jì)算實(shí)際的氣體比熱容。 V 補(bǔ) = m３ 。(0N2)= 100﹪ =% 入口液體中組分含量 m180。(0NH3)= 100﹪ =﹪ 入口液體中甲烷含量 m180。 G％ =（ 1+y5NH3） (y8NH3yNH3)/(( y8NH3 y5NH3) (1 yNH3)) =[(1+）（ ） ]/ [（ ）（ ） ] =％ 水冷后分離液氨占總量的 ％冷交，氨冷后分離液氨占總量的年產(chǎn) 8 萬噸合成氨合成工段設(shè)計(jì) 說明書 14 ％。 圖 31 工藝流程圖 4 工藝計(jì)算 原始條件 （ 1）年產(chǎn)量 80kt，年生產(chǎn)時(shí)間扣除檢修時(shí)間后按 360 天計(jì)，則產(chǎn)量為：（ 2）新鮮補(bǔ)充氣組成 表 41 新鮮補(bǔ)充氣組成 組分 H2 N2 CH4 Ar 總計(jì) 含量（ %） 24 1. 2 100 （ 3）合成塔入口中氨含量： NH3 入 =% （ 4）合成塔出口中氨含量： NH3 出 =% （ 5）合成塔入口惰性氣體含量： CH4 +Ar=17% （ 6）合成塔操作壓力： 32Mpa （ 7）精練氣溫度： 35℃ 合成塔 水冷器 熱交換器 廢熱鍋爐 放空 油分離器 循環(huán)機(jī) 冷交換器 氨分離器 新鮮氣 弛放 液氨儲(chǔ)槽 氨冷器 年產(chǎn) 8 萬噸合成氨合成工段設(shè)計(jì) 說明書 11 .—— 精煉氣 .—— 合成氣； 13—— 放空氣 20—— 弛放氣 —— 液氨 圖 41 計(jì)算物料點(diǎn)流程 物料衡算 合成塔物料衡算 （ 1）合成塔入口氣組分： 入塔氨含量 : y5NH3=％ 。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。除盡可能提高熱回收率 ,多產(chǎn)蒸汽外 , 應(yīng)考慮提高回收熱的位能 , 即提高回收蒸汽的壓力及過熱度。中壓法技術(shù)比較成熟，經(jīng)濟(jì)性比較好，在 15～30Pa 的范圍內(nèi)，功耗的差別是不大的，因此世界上采用此法的很多。用副產(chǎn)蒸汽及預(yù)熱高壓鍋爐給水方式回收反應(yīng)熱時(shí)，生產(chǎn)一噸氨一般可回收 ～ 噸蒸汽。 (3)預(yù)熱反應(yīng)前的氫氮混合氣和預(yù)熱高壓鍋爐給水。 年產(chǎn) 8 萬噸合成氨合成工段設(shè)計(jì) 說明書 9 (2) 預(yù)熱反應(yīng)前的氫氮混合氣和副產(chǎn)蒸汽。目前回收利用反應(yīng)熱的方法主要有以下幾種： (1) 預(yù)熱反應(yīng)前的氫氮混合氣。也可采用冷凝法將放空氣中的甲烷分離出來，得到氫、氮?dú)猓缓髮⒓淄檗D(zhuǎn)化為氫，回收利用，從而降低原料氣的消耗。 (5)惰性氣體的排除 氨合成循環(huán)系統(tǒng)的情性氣體通過以下三個(gè)途徑帶出： (1)一小部分從系統(tǒng)中漏損； (2)一小部分溶解在液氨中被帶走； (3)大部分采用放空的辦法，即間斷或連續(xù)地從系統(tǒng)中排放。分離氨后剩余的氫氮?dú)?，除為降低情性氣體含量而少量放空以外，與新鮮原料氣混合后，重新返回合成塔，再進(jìn)行氨的合成，從而構(gòu)成了循環(huán)法生產(chǎn)流程。在水冷器和氨冷器之后設(shè)置氨分離器，把冷凝下來的液氨從氣相中分離出來，經(jīng)減壓后送至液氮貯槽。 年產(chǎn) 8 萬噸合成氨合成工段設(shè)計(jì) 說明書 8 (3)氨的分離 進(jìn)入氨合成塔催化層的氫氮混合氣，只有少部分起反應(yīng)生成氨，合成塔出口氣體氨含量一般為 10～ 20％，因此需要將氨分離出來。若采用離心式壓縮機(jī)或采用無油潤滑的往復(fù)式壓縮機(jī)，氣體中不含油水，可以取消濾油設(shè)備，簡化了流程。 (1)氣體的壓縮和除油 為了將新鮮原料氣和循環(huán)氣壓縮到氨合成所要求的操作壓力，就需要在流程中 設(shè)置壓縮機(jī)。 因此，合成氨生產(chǎn)必須滿足高溫、高壓、高純度要求。 年產(chǎn) 8 萬噸合成氨合成工段設(shè)計(jì) 說明書 7 合成氨生產(chǎn)的特點(diǎn)，概括起來有如下幾方面 [7]： (1)工藝流程長、設(shè)備管道多； (2)生產(chǎn)過程有高度的連續(xù)性； (3)各工序生產(chǎn)操作相互影響； (4)生產(chǎn)是在高溫、高壓、易燃、易爆、易中毒、易灼傷的情況下進(jìn)行的。 2 生產(chǎn)流程及生產(chǎn)方法的確定 氨的合成工段，其主要任務(wù)是在適宜的溫度、壓力和有觸媒催化的條件下，將經(jīng)過精制的氫氮混合氣體，在合成塔內(nèi)直接合成為氨。 合成氨廢水 合成氨生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢水是 COD 的主要來源。液氨或氨水濺入眼內(nèi)，可造成眼睛嚴(yán)重?fù)p傷 ，出現(xiàn)眼瞼水腫，眼結(jié)膜迅速充血水腫，眼劇痛，角膜混濁，甚至因角膜潰瘍、穿孔而失明。中毒嚴(yán)重時(shí)，會(huì)引起肺部腫脹導(dǎo)致死亡。車間空氣中氨的最高容許濃度為 30 毫克／米 3。以烴類為原料的蒸汽轉(zhuǎn)化法制取原料氣，鎳催化劑對硫含量限制十分嚴(yán)格，要求烴原料中總硫含量為 (重量 )以下。操作壓力 300atm 時(shí)，一般進(jìn)塔氨含量控制在 ～ ％； 150atm 時(shí)，為 ～ ％。 當(dāng)其它條件一定時(shí)，進(jìn)塔氣體中氨含量越高，氨凈值越小，生產(chǎn)能力越低。但是，維持過低的惰氣含量又需大量排放循環(huán)氣導(dǎo)致原料氣消耗量增加。當(dāng)氫氫比為3 時(shí)，對于氨合成反應(yīng)，可得最大平衡氨含量，但從動(dòng)力學(xué)角度分析，最適宜氫氨比隨氨含量的不同而變化。 氫氣來源于水或含有烴類的各種燃料，它取決于用什么方法制取。實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)上此法已不采用了。 (3)低壓法 操作壓力 10MPa 左右，溫度 400～ 450℃。從動(dòng)力消耗看，合成系統(tǒng)的功耗占全廠總功耗的比重最大。又因?yàn)槭歉邷馗邏翰僮?，對設(shè)備制造、材質(zhì)要求都較高，投資費(fèi)用大。 (1)高壓法 操作壓力 70～ 100MPa，溫度為 550～ 650℃。節(jié)省的巨額資金 ,用作農(nóng)田水利建設(shè)和農(nóng)產(chǎn)品深加工 ,將在加速農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展 ,提高農(nóng)民生活水平 ,縮小城鄉(xiāng)差距起著重要用。我國七十至九十年代先后重復(fù)引進(jìn) 30 多套大化肥裝置 ,耗費(fèi)巨額資金 ,在提高了化肥生產(chǎn)技術(shù)水平的同時(shí) ,也受到國外的制約。農(nóng)業(yè)生產(chǎn) ,“有收無收在于水 ,收多收少在于肥”。即今后 20 年間將增加到現(xiàn)在的 倍。 (3)市場需要 據(jù)資料統(tǒng)計(jì) :1997 年世界合成氨年產(chǎn)量達(dá) 。此外，氨還是常用的冷凍劑?？梢姡铣砂惫I(yè)是氮肥工業(yè)的基礎(chǔ)，對農(nóng)業(yè)增產(chǎn)起著重要的作用。各種氮肥生產(chǎn)是以合成氨為主要原料的 ，因此，合成氨工業(yè)的發(fā)展標(biāo)志著氮肥工業(yè)的水平。常溫下氨在空氣中的爆炸范圍為 ～ 28％，在氧氣中為 ～ 82％。 氨與酸或酸酐可以直接作用，生成各種銨鹽；氨與二氧化碳作用可生成氨基甲銨，脫水成尿素；在鉑催化劑存在的條件下，氨與氧作用生成一氧化氮，一氧化氮繼續(xù)氧化并與水作用，便能得到硝酸。氨是一種無色具有強(qiáng)烈刺激性、催淚性和特殊臭氣的無色氣體，比空氣輕，相對密度 ，熔點(diǎn)－ ℃；沸點(diǎn)－ ℃。 4. 進(jìn)行車間布置設(shè)計(jì)，并繪制設(shè)備平立面布置圖。有利于“提高裝置生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)率、延長運(yùn)行周期”的技術(shù) ,包括工藝優(yōu)化技術(shù)、先進(jìn)控制技術(shù)等將越來越受到重視。 (2) 以“油改氣”和“油改煤”為核心的原料結(jié)構(gòu)調(diào)整和以“多聯(lián)產(chǎn)和再加工”為核心的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整 ,是合成氨裝置“改善經(jīng)濟(jì)性、增強(qiáng)競爭力”的有效途徑。 (1) 大型化、集成化、自動(dòng)化 , 形成經(jīng)濟(jì)規(guī)模的生產(chǎn)中心、低能耗與環(huán)境更友好將是未來合成氨裝置的主流發(fā)展方向。 同時(shí)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。氨主要用于農(nóng)業(yè) ,合成氨是氮肥工業(yè)的基礎(chǔ)，氨本身是重要的氮素肥料，其他氮素肥料也大多是先合成氨、再加工成尿素或各種銨鹽肥料，這部分約占 70 %的比例，稱之為“化肥氨”；同時(shí)氨也是重要的無機(jī)化學(xué)和有機(jī)化學(xué)工業(yè)基礎(chǔ)原料，用于生產(chǎn)銨、胺、染料、炸藥、制藥、合成纖維、合成樹脂的原料，這部分約占 30 %的比例 ,稱之為“工業(yè)氨”。以 Uhde公司的“雙壓法氨合成工藝”和 Kellogg 公 司的“基于釕基催化劑 KAAP 工藝” ,將會(huì)在氨合成工藝的大型化方面發(fā)揮重要的作用。 實(shí)施與環(huán)境友好的清潔生產(chǎn)是未來合成氨裝置的必然和惟一的選擇。 設(shè)計(jì)任務(wù)的依據(jù) 設(shè)計(jì)任務(wù)書是項(xiàng)目設(shè)計(jì)的目的和依據(jù)： 年產(chǎn) 8 萬噸合成氨合成工段設(shè)計(jì) 說明書 2 產(chǎn)量： 80 kt/a 液氨 放空氣（惰性氣 Ar +CH4 ）： 17% 原料：新鮮補(bǔ)充氣 N2 24%， H2 %， Ar %， CH4 % 合成塔進(jìn)出口氨濃度： %， % 放空氣 :（惰性氣 Ar +CH4 ）～ 17% 合成塔操作壓力 32 MPa （絕壓） 精練氣溫度 40℃ 水冷器出口氣體溫度 35 ℃ 循環(huán)機(jī)進(jìn)出口壓差 年工作日 310 d 計(jì)算基準(zhǔn) 生產(chǎn) 1t氨 概述 設(shè)計(jì)題目：年產(chǎn) 8 萬噸合成氨合成工段設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)具體內(nèi)容范圍及設(shè)計(jì)階段 本次設(shè)計(jì)的內(nèi)容為合成氨合成工段的設(shè)計(jì)，具體包括以下幾個(gè)設(shè)計(jì)階段： 1. 進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，確定生產(chǎn)方法和生 產(chǎn)工藝流程。 5. 進(jìn)行管路配置設(shè)計(jì)，并繪制管路布置圖。標(biāo)準(zhǔn) 狀況下， 1 米 3 氣氨重 公斤； 1 米 3 液氨重 公斤。氨在高溫下 (800℃以上 )分解成氮和氫； 年產(chǎn) 8 萬噸合成氨合成工段設(shè)計(jì) 說明書 3 氨具有易燃易爆和有毒的性質(zhì)。液氨或干燥的氣氨，對大部分物質(zhì)沒有腐蝕性，但在有水的條件下，對銅、銀、鋅等有腐蝕作用 [3]。以氨為主要原料可以制造尿素、硝酸銨、碳酸氫銨、硫酸銨、氯化銨等氮素肥料。 氨也是重要的工業(yè)原料，廣泛用于制藥、煉油、純堿、合成纖維、合成樹脂、含氮無機(jī)鹽等工業(yè)部門。 合成氨工業(yè)的迅速發(fā)展，也促進(jìn)和帶動(dòng)了許多科學(xué)技術(shù)部門的發(fā)展，如高壓技術(shù)、低溫技術(shù)、催化技術(shù)、特殊金屬材料、固體燃料氣化、烴類燃料的合理利用等。預(yù)計(jì) 20xx 年產(chǎn)量將達(dá)。因而合成氨的持續(xù)健康發(fā)展還有相當(dāng)長的路要走。所以 ,合成氨工業(yè)是農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)。今后應(yīng)利用國內(nèi)開發(fā)和消化吸收引進(jìn)的工藝技術(shù) ,自力更生 ,立足國內(nèi) ,走出一條具有中國特色的社會(huì)主義民族工業(yè)的發(fā)展道路。 簡述產(chǎn)品的幾種生產(chǎn)方法及特點(diǎn) 氨的合成是合成氨生產(chǎn)的最后一道工序，其任務(wù)是將經(jīng)過精制的氫氮混 合氣在催化劑的作用下多快好省地合成為氨。這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是氨合成效率高，混合氣中的氨易被分離。目前工業(yè)上很少采用此法生產(chǎn)。但功耗決不但取決于壓力一項(xiàng)，還要看其它工藝指標(biāo)和流程的布置情況。由于操作壓力和溫度都比較低，故對設(shè)備要求低，容易管理，且催化 劑的活性較高，這是此法的優(yōu)點(diǎn)。 產(chǎn)品方案 產(chǎn)品的名稱：氨 (NH3)； 產(chǎn)品的質(zhì)量規(guī)格：液體純氨； 產(chǎn)品的規(guī)模： 80 kt/a 液氨； 產(chǎn)品的包裝方式：氨為高壓低溫液體，合成后直接送到下一工段作為原料繼續(xù)生產(chǎn)，多余部分設(shè)立氨儲(chǔ)槽儲(chǔ)存起來。最簡便的方法是將水電解，但此法由于電能消耗大、成本高而受到限制。如果略 去氫及氨在液氨中溶解損失的少量差異，氨合成反應(yīng)氫與氮總是按 3： 1 消耗，新鮮氣氫氮比應(yīng)控制為 3，否則循環(huán)系統(tǒng)中多余的氫或氮就會(huì)積累起來，造成循環(huán)氣中氫氮比的失調(diào)。如果循環(huán)氣中惰性氣體含量一定，新鮮氣中惰性氣體含量增加，根據(jù)物料平衡關(guān)系，新鮮氣消耗隨之增大。初始氨含量的高低取決于氨分離的方法。 (2) 硫化物和碳氧化物含量 無論那一種原料所得原料氣，都含有一定數(shù)量的硫 化物。 為防止 CO 和 CO2 對催化劑的毒害，規(guī)定 CO 和 CO2 總含量不得多余20ppm[5]。它對人的眼睛和呼吸器官有較大的傷害作用。氨氣刺激眼睛能引起角膜炎。接觸液氨和高濃度氣氨，可使皮膚引起類似強(qiáng)堿的嚴(yán)重灼傷，出現(xiàn)紅斑、水泡，甚至因吸收水分，使皮膚脂肪皂化而壞死。比如，隔油池中廢水就含有 COD。然后將所得的氣氨，從氫氮混合氣中經(jīng)冷卻冷凝成為液態(tài)氨分離出來。 在整個(gè)合成氨生產(chǎn)過程中，合成氨生產(chǎn)比較復(fù)雜，始終存在著高溫、高壓、易燃、易爆、易中毒等危險(xiǎn)因素，各種控制條件比較嚴(yán)格，稍有疏忽就可能發(fā)生事故。在生產(chǎn)過程中有一系列化學(xué)反應(yīng)、傳熱、燃燒、分離等過程 ,溫度、壓力、濃度等因素都影響反應(yīng)的進(jìn)行 ,這些因素又受到設(shè)備質(zhì)量、水質(zhì)、煤質(zhì)、季節(jié)、氣候、操作水平、調(diào)度與管理的影響 ,這樣就形成了合成氨生產(chǎn)工藝過程、設(shè)備結(jié)構(gòu)、操作 管理與生產(chǎn)技術(shù)的復(fù)雜性。當(dāng)使用往復(fù)式壓縮機(jī)時(shí)，在壓縮過程中氣體夾帶的潤滑油和水蒸汽混合在一起，呈細(xì)霧狀懸浮在氣流中。 (2)氣體的預(yù)熱和合成 壓縮后的氫氮混合氣需加熱到催化劑的起始活性溫度，才能送入催化劑層進(jìn)行氨合成反應(yīng)。氨