【正文】 3, ,%NH ny3 , ,/NH nM kmol h?hKJ/30萬噸 /年合成氨合成工藝設計 41 41 Q=107KJ/h (3) 傳熱系數的求取 根據設計要求，查閱《小氮肥設計手冊》， K 的取值在 350500 則取 K 的值為 2091 (4) 的計算 根據熱氣體及冷氣體的溫度，計算如下： =[(480－ )－ (355－ 325)]247。 ()= ， 0,2 3NHy = 進入第三段氣體量為： 223 MMM KK ??? =－ =則 : ? (1 － ) [1+ 247。 (1+)] － 247。 2= 105? ? 33 /mmh? fNHkErVVA 1011,131平，??????????? ( 1,0 3NHy 0,0 3NHy ) = 105? ? 33 /mmh? 第一段催化劑用量：1,01,11, VAVK ???= 35 3 .0 m2 0 6 0 2 1 .4 2 9102 .8 9 6 ??? ? 第二絕熱床層計算 第一床層的氣體在冷激氣的冷激下溫度降到 400℃，然后進入第二床層進行反應 設冷激氣的量占總入塔氣的 25%，則進第二絕熱床層摩爾流量： Mk2= Mk1+ =+ =無惰性氣體氨分解基流量： 30萬噸 /年合成氨合成工藝設計 37 37 ? ? ???????? ????????2,02,2,02,0 111 3yyyVV NH = (1－ ) [1+247。 51110= hkmol/ 出口處氨的含量 由公式 ：0,00,01,011,01,03333 NHNHNHNH yyVMyy ?????? = 247。 (1－ )]=(2)三段催化劑床層，分別計算： 第一段絕熱層溫度計算（ n=1） ,假設催化劑層溫度 T k,0=390℃ 假設第一段氣體溫度 Tk,1=480℃ 查詢物料參數得知 第一段平均溫度 1,kT平， =( 0,kT + 1,kT )247。計算如下。 催化劑層設計 確定選用該內件，并在此基礎上進行合成塔的催化劑設計。 塔厚設計： 設計溫度為 755K 即 482℃，壓力為 270atm,即 27MPA，由于合成氨有一定腐蝕性，同時反應條件為高溫高壓，所以材料的選擇必須耐腐蝕，耐高溫高壓。使用 A106 型合成塔催化劑，主要成分為： Fe3O4,Al2O3,K2O， CaO 等。 安徽建筑大學本科生畢業(yè)設計 32 32 第四章 設備的選型和計算 設備簡述 在生產合成氨的過程中，最主要的設備為合成塔，此次設計經過多方驗證最終選用冷激－間冷式內件，它是基于托普索節(jié)能型氨合成塔內件開發(fā)的一種高效節(jié)能的反應器。其中，鼓風機、換熱器 反應器、換熱器 閃蒸罐、以及循環(huán)壓縮機有能量的交換。 換熱器 2 能量衡算 換熱器 2 單元流程 能量衡算： 0105+E0102=0106 0105 的能量： 10313600 cal/sec E0102 的能量： cal/sec 0106 的能量： 16180000 cal/sec 0105+E0102===0106 能量守恒。 安徽建筑大學本科生畢業(yè)設計 24 24 第三章 能量衡算 全流程的能量衡算 單元 焓值 cal/sec 0101 307130 0102 4192100 0103 1427730 0104 19024900 0105 10313600 0106 16180000 0107 11064000 0108 2797500 0109 0110 2797200 0111 2764400 C0101 4499228 E0101 R0101 E0102 30萬噸 /年合成氨合成工藝設計 25 25 V0103 C0102 熱量衡算：系統進料總熱量 +換熱器換熱熱量 =系統出料的總熱量 即進料 +換熱熱量 = 0101+C0101+E0101+R0101+E0102+C0102+V0103= 1010568+++0118355+ = （ Gcol/hr） 系統出料總熱量 =0107+0109==（ Gcol/hr） 全流程能量是守恒的。 循環(huán)混合器物料衡算 設置參數： 物料衡算： 0108=0109+0110 0108 的物料量： Kmol/h 0109 的物料量： Kmol/h 0110 的物料量： Kmol/h 0109+0110=+==0108 物料守恒。物料守恒。 通過鼓風機加壓。 工藝流程圖 主要步驟為壓縮，合成，分離，循環(huán)四步。在此基礎上，完成繪制物料流程圖（ PFD）、帶控制點的工藝流程圖（ PID）、主要設備圖、車間平面布置圖。 本設計研究內容 本設計為 30萬噸 /年合成氨合成工藝設計，對目前國內外比較先進的 合成氨變換工藝進行比較和分析，分析設計方案的可行性，結合實際需要選擇一套經濟實用的工藝方法，通過 Aspen plus 完成物料衡算以及 能量衡算，進行靈敏度分析，找到最佳 的生產工藝以及條件，得到最優(yōu)化的模擬結果。二、三、四層 (觸媒 )溫度 ,一路作為塔底副線調節(jié)一層溫度；另一路為二入主線氣體 ,通過下部換熱器管間與反應后的熱氣 體換熱、預熱后沿中心管進入觸媒層頂端 ,經過四層觸媒的反應后進入下部換熱器管內 ,從二次出口出塔、出塔后進入廢熱鍋爐進口 ,在廢熱鍋爐中副產 25 MPa蒸氣送去管網 ,從廢熱鍋爐出來后分成二股 ,一股進入氣氣換熱器管內與管間的冷氣體換熱 。不過未來很有潛力 [14]。 常溫常壓下合成氨技術還不太成熟，難以大規(guī)模商業(yè)應用。 工藝路線的比較與選擇 高壓法在這過程中釋放出來的大量熱量容易導致催化劑溫度升高而失去活性 ,使催化劑壽命減短。 室溫和常壓下仿生合成氨 生物固氮是指生物體內的固氮菌通過固氮酶中特定的結構同時完成對氮分子的吸附、活化和反應的過程，在常溫、常壓下將空氣中的氮氣轉化為含氮化合物?？傊?,只要壓力范圍控制在 1 5～ 3 0 MPa之內 ,那么所需的功耗基本上沒有太大差別 ,所以中壓法在國內外都應用廣泛。 高壓法：操作壓力 70～ 30 MPa,溫度為 550 ℃～ 650 ℃。多產蒸汽和提高高熱回收率的同時 ,還要考慮到回收蒸汽的壓力和過熱度。所以 ,采用中壓法是最合理的 ,也是現在大部分氨合成通常采用的方法。 氨的合成：氨的合成是在合成塔內進行的，將氨合成動力學和熱力學工藝相互融合，并在物料平衡的原則下，促使氨的含量趨于平衡 [8]。一共分為三個大的部分，分別為制氣，凈化，合成。氨本身就是一種高效肥料，液氨含 %[6]。 流程示意圖間圖 1 圖 1 H2 N2 原料氣的制備 凈化 壓縮 合成 分離 液氨 合成部分演示圖見圖 2 圖 2 30萬噸 /年合成氨合成工藝設計 11 11 生產規(guī)格 年產量為 30萬 t,設計年生產時間 300d。 表 4 20212021 世界部分地區(qū)合成氨產量統計 萬 t 國家 2021 年 2021 年 2021 年 2021 年 2021 年 2021 年 美國 合成氨 尿素 加拿大（合成氨） 歐洲（尿素） 日本（合成氨） 生產規(guī)模及產品方案 本設計為 30 萬噸 /年合成氨合成工段的設計 。近年全世界合成氨供需基本趨于平衡，發(fā)展趨勢是合成氨生產轉向低價合成氨生產區(qū)， PotashCorp 公司使特立尼達 Point Lisas 合成氨生產能力達到 223 萬 t/a。但是也出安徽建筑大學本科生畢業(yè)設計 8 8 現產能過剩的情況了。 這一鮮明特點經過 “十二五” 發(fā)展將更加突出 [3]。電離呈弱堿性。 和碳反應 : NH3+C=HCN+H2 條件加熱 （氰化氫劇毒）。 H2O 一水合氨不穩(wěn)定，受熱容易分解。氨主要用于農業(yè) ,合成氨是氮肥工業(yè)的基礎，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‖；同時氨也是重要的無機化學和有機化學工業(yè)基礎原料，用于生產銨、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。根據催化劑床層中是否設置冷管 (內冷 )方式可劃分為： ① 單層軸向內冷式內件； ②冷管改進型內件； ③ 多層絕熱冷激式 內件； ④ 多層絕熱復合換熱式內件； ⑤ 副產蒸汽式內件。合成塔的主要部分為內件。 經過近 80 多年的發(fā)展， 合成氨 技術相對比較成熟。 以煤炭為原材料進行合成氨的工藝流程包括原料氣的制備、凈化、壓縮合成、氨分離、原料氣循環(huán)等步驟。 關鍵詞：合成氨 物料衡算 能量衡算 ASPEN PLUS Process Design of the Section Which Synthetizes LiquidAmmonia of 300000t/a Abstract： Ammonia is one of the basic elements of the body and plays an important role in food production， Ammonia is also an important basic chemical product. Synthetic ammonia section includes gas production, refining, synthesis, separation of several steps, and synthetic section is divided into synthesis, separation, gas recirculation, waste discharge and other sections, synthetic ammonia section is the most important ammonia synthesis section, ammonia synthesis section of the most important is a synthetic process. The design is the use of ASPNE PLUS synthetic ammonia synthesis section of the simulation, get a variety of physical parameters, and the use of various physical parameters. Complete the equipment selection, energy, material accounting, and the drawing of your drawings. Key words: synthetic ammonia material accounting energy balance ASPEN PLUS 30萬噸 /年合成氨合成工藝設計 5 5 前言 氨是人體的基本元素之一，而固氮最有效也最搞笑的方法就是進行合成氨，合成氨工業(yè)是最重要的基礎工業(yè)之一，至今已經超過 80 年的研究歷史，同時，合成氨也消耗非常多的能源，世界上大約 10%的能源用于合成氨，生產的合成氨是極其重要的基礎化工原料，廣泛用于各種肥料，炸藥，橡膠等的制作，大約80%的合成氨用于肥料生產。30萬噸 /年合成氨合成工藝設計 1 1 安徽建筑大學 畢 業(yè) 設 計 專 業(yè) 化學工程與工藝 班 級 13化工（ 1）班 學生姓名 學 號 課 題 年產 30萬噸合成氨合成工段工藝設計 指導教師 2021 年 3 月 1 日 安徽建筑大學本科生畢業(yè)設計 2 2 目錄 30 萬噸 /年合成氨合成工藝設計 .............................................