【正文】 ..... II 引 言 .................................................. 1 第 一 章 綜 述 ............................................. 2 氨的研究背景 .................................................. 2 氨的用途 ...................................................... 2 氨的 生產(chǎn)方法的選擇 ............................................ 3 第 二 章 氨合成過程的步驟及工藝流程 ......................... 5 氨合成的步驟 .................................................. 5 氨合成工藝流程簡述 ............................................ 6 第 三 章 工藝計(jì)算 .......................................... 9 原始條件 ...................................................... 9 物料衡算 ...................................................... 9 合成塔物料衡算 .............................................. 9 氨分離器氣液平衡計(jì)算 ....................................... 10 冷凝塔氣液平衡計(jì)算 ......................................... 11 液氨貯槽氣液平衡計(jì)算 ....................................... 12 液氨貯槽物料計(jì)算 ........................................... 14 合成系統(tǒng)物料計(jì)算 ........................................... 15 合成塔物料計(jì)算 ............................................. 16 水冷器物料計(jì)算 ............................................. 17 氨分離器物料計(jì)算 ........................................... 18 冷凝塔物料計(jì)算 ............................................ 19 氨 冷器物料計(jì)算 ............................................ 21 冷凝塔物料計(jì)算 ............................................ 23 液氨貯槽物料計(jì)算 .......................................... 24 熱量衡算 ..................................................... 26 .............................................. 26 廢熱鍋爐熱量計(jì)算 ........................................... 28 熱交換器熱量計(jì)算 ........................................... 29 第 四 章 設(shè)備的計(jì)算與選型 .................................. 31 已 知條件 ..................................................... 31 計(jì)算并初選換熱器規(guī)格 ......................................... 31 校核總傳熱系數(shù) K .............................................. 31 官內(nèi)給熱系數(shù)α計(jì)算 .......................................... 31 管外給熱系數(shù)α o ............................................ 35 總傳熱系數(shù) K ................................................ 38 管子拉脫力的計(jì)算 ............................................. 38 計(jì)算是否安裝膨脹節(jié) ........................................... 39 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果 ................................. 41 結(jié) 論 ................................................. 41 致 謝 .....................................錯(cuò)誤 !未定義書簽。 I 年產(chǎn) 20 萬噸合成氨合成工段工藝設(shè)計(jì) 摘要： 合成氨是化學(xué)工業(yè)的基礎(chǔ)，也是我國化學(xué)工業(yè)發(fā)展的重要先驅(qū)，其中氨合成工段是合成氨工藝的中心環(huán)節(jié)。 并根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)及操作溫度、壓力按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對換熱器的尺寸和材質(zhì)進(jìn)行選擇。energy balance accounting 1 引 言 合成氨的化學(xué)名稱為氨，常溫常壓下，氨是一種具有特殊刺激性氣味的無色氣體，有強(qiáng)烈的毒性。氨的臨界溫度為 ℃ ，臨界壓力為 。氨極溶于水，可制成含氨在 15%至 30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù) )的商品氨水。如與磷酸反應(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)生成氨基甲酸銨，脫水后成為尿素；與二氧化碳和水反應(yīng)生成碳酸氫銨。常溫常壓下， 氨在空氣 中的爆炸極限為 %到 28%，在氧氣中為 %到 82%。擬采取的工藝路線縮短了，減少了設(shè)備投資，降低了能耗，操作簡單安全。 (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。 (3)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。 氨的用途 氨是基本化工產(chǎn)品之一，用途很廣。還可以將氨加工制成各種含氮復(fù)合肥料。將氨氧化可以制成硝酸，而硝酸又是生產(chǎn)炸藥、染料等產(chǎn)品的重要原料。同時(shí)，尿素和甲醇的合成、石油加氫、高壓聚合等工業(yè)，也是在合成氨工業(yè)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。其化肥用氨分別占氨產(chǎn)量 的 %和 %。未來我國合成氨氮肥的實(shí)物產(chǎn)量將會超過石油和鋼鐵。它的發(fā)展將對國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展產(chǎn)生重大影響。過去引進(jìn)建設(shè)一套大型化肥裝置 ,耗資數(shù)十億元。對于合成系統(tǒng)來說，液體氨即是它的產(chǎn)品。故流程、設(shè)備都比較緊湊。 4 (2)中壓法 操作壓力為 20～ 60MPa，溫度 450～ 550℃ ，其優(yōu)缺點(diǎn)介于高壓法與低壓法之間，目前此法技術(shù)比較成熟，經(jīng)濟(jì)性比較好?？偟膩砜?，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。但此法所用催化劑對毒物很敏感，易中毒，使用壽命短，因此對原料氣的精制純度要求嚴(yán)格。 氨合成工藝選擇主要考慮合成壓力、合成塔結(jié)構(gòu)型式及熱回收方法。由于近來低溫氨催化劑的出現(xiàn) , 可使合成壓力降低。 本次設(shè)計(jì)選用中壓法 (壓力為 32MPa)合成氨流程，采用預(yù)熱反應(yīng)前的氫氮混合氣和副產(chǎn)蒸汽的方法回收反應(yīng)熱，塔型選擇見設(shè)備選型部分。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)。氨分離的方法有兩種，一是水吸收法；二是冷凝法，將合成后氣體降溫，使其中的氣氮冷凝成液氨，然后在氨分離器中，從不凝氣體中分離出來。在氨冷凝過程，部分氫氮?dú)饧岸栊詺怏w溶解在液氨中。由于氣體在設(shè)備、管道中流動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生了壓力損失。 在氨合成循環(huán)系統(tǒng)中，流程中各部位的惰性氣體含量是不同的，放空位置應(yīng)該選擇在惰性氣體含量最大而氨含量最小的地方，這樣放空的損失最小。 (6)反應(yīng)熱的回收利用 氨的合成反應(yīng)是放熱反應(yīng)，必須回收利用這部分反應(yīng)熱。目前小型氨廠及部分中型氨廠采用此法回收利用反應(yīng)熱。目前一般采用外置式，該法熱量回收比較完全，同時(shí)得到了副產(chǎn)蒸汽，目前中型氮廠應(yīng)用較多。目前大型合成氨廠一般采用這種方法回收熱量。 一路是經(jīng)過 V1 閥的氣體（ 80%），和 V2 來的一出氣體混合后， 進(jìn)入 塔 外換熱器 上 部冷氣入口與管程高溫氣體換熱后從下部冷氣出口出來。 在 氨分離器中，大部分的氨被冷凝分離，剩余的氣體則在排放一部分放空氣后經(jīng)過循環(huán)機(jī)壓縮循環(huán)成為循環(huán)氣。 入塔甲烷含量： y6CH4=%(+)100%=%； 入塔氫含量： y6H2=［ 100(+15)］ 3/4100%=%； 入塔氬含量： y6Ar=15%%=%； 入塔氮含量： y6N2=［ 100 (+15)］ 1/4100%=% 表 入塔氣組分含量 (摩爾分?jǐn)?shù) %) NH3 CH4 Ar H2 N2 總 計(jì) 100 10 (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： mNH3=m6 (y9NH3y6NH3)/ (1+y9NH3) =1000()/ (1+)= 出塔氣量 : m9=入塔氣量 — 生成氨含量 =1000120 172= 出塔氨含量： y9NH3=% 出塔甲烷含量： y9CH4=(M6/M9)y6CH4=(1000/)%=% 出塔氬含量： y9Ar=(M6/M9)y5Ar=(1000/)%=% 出塔氫含量： y9H2=3/4(1y9NH3y9CH4y9Ar)100% =3/4()100%=% 出塔氮含量： y9N2=1/4()100%=% 表 出塔氣體組分含量 (摩爾分?jǐn)?shù) %) NH3 CH4 Ar H2 N2 總 計(jì) 100 (3)合成率： 合成率 =2mNH3/［ m6(1y6NH3y6CH4y6Ar)］ 100% =2［ 1000()］ 100%=% 氨分離器氣液平衡計(jì)算 設(shè)氨分離器進(jìn)口氣液混合物 F，進(jìn)口物料組分 m(i)， 分離器組分 y(i)，液量其中進(jìn)口物料組分 m(i)等于合成塔出口氣體組分。兩種液體百分比估算值，即水冷后分離液氨占總量的白分?jǐn)?shù)。(18i)=L(18i)/L(18): 15 入口液體中氨含量 m180。(18H2)= 100﹪ =% 入口液體中氮?dú)夂? m180。 (如上頁圖 ) 由前計(jì)算數(shù)據(jù)如下表： 表 各組分的含量 (摩爾分?jǐn)?shù) %) 名稱 NH3 CH4 Ar H2 N2 氣量 補(bǔ)充氣 V 補(bǔ) 放空氣 V 放 弛放氣 液氨 入塔氣 V 入 出塔氣 V 出 根據(jù)物料平衡和元素組分平衡求 V 補(bǔ) ,V 放 ,V 入 ,V 出 ： 循環(huán)回路中氫平衡： V 補(bǔ) yH2 補(bǔ) =V 放 yH2 放 ＋ V 弛 yH2 弛 +3/2V 放 yNH3 放 +3/2V 弛 yNH3 弛 +3/2LNH3 (31) 循環(huán)回路中氮平衡 : V 補(bǔ) yN2 補(bǔ) =V 放 yN2 放 ＋ V 弛 yN2 弛 +1/2V 放 yNH3 放 +1/2V 弛 yNH3 弛 +1/2LNH3 (32) 循環(huán)回路中惰性氣體平衡 : V 補(bǔ) (yCH4 放 +yAr 放 )=V 弛 (yCH4 放 +yAr 放 )+V 弛 (yCH4 弛 +yAr 弛 ) V 補(bǔ) (+)=V 放 (+)+(+) V 補(bǔ) = 放 + (33) 循環(huán)回路中惰性氣體平衡 :V 出 yNH3V 入 yNH3 入 =V 放 y 放 +V 弛 y NH3 弛 +LNH3 出 入 = 放 + (34) 循環(huán)回路中總物料體平衡 : V 入 =V 出 + V 補(bǔ) V 放 V 弛 LNH3= V 出 + V 補(bǔ) － V 放 16 = V 出 + V 補(bǔ) － V 放 (35) 聯(lián)立 (31)