【正文】 用的催化劑活性溫度在 400~500 ℃ 。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。同時，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。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。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。 氨合成的上述三種方法，各有優(yōu)缺點，不能簡單的比較其優(yōu)劣。合成塔需用高鎳優(yōu)質(zhì)合金鋼制造，即使這樣，也會產(chǎn)生破裂。 (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 ℃ 。 (1) 低壓法 操作壓力低于 20 MPa 的稱低壓。 ⑶ 必須借助觸媒，以加快反應(yīng)速度。 設(shè)計任務(wù)的項目來源 本課題是指導(dǎo)老師提高畢業(yè)生設(shè)計能力而選定的。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。煤的儲量約為石油、天然氣總和的 10 倍，自從 70 年代中東石油漲價后 ,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。同時，對于有廉價天然氣資源的地區(qū)，鼓勵采用天然氣改造現(xiàn)有裝置或建設(shè)天然氣化肥基地。國際上以天然氣為原料的氮肥占85%。第一次世界大戰(zhàn)結(jié)束后 ,轉(zhuǎn)向為農(nóng)業(yè)、工業(yè)服務(wù)?？捎谜魵馀c適量太原理工大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院《化工設(shè)計》課程設(shè)計說明書 3 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。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。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)過一系列反應(yīng)生成含有一氧化碳、二氧化碳、氫氣、氮氣、及甲烷等混合氣體的過程。 在常溫常壓下 ，氨與空氣爆炸 極 限為 15%～ 28%(NH3)。而在常溫下需加壓到 時才能液化。氨在水中的溶解度隨壓力增大而降低。在石油煉制、橡膠工業(yè)、冶金工業(yè)和機械加工等部門以及輕工、食品、醫(yī)藥工業(yè)部門中，氨及其加工產(chǎn)品都是不可缺少的。氨也是非常重要的工業(yè)原料，在化學(xué)纖維、塑料工業(yè)中，則以氨、硝酸和尿素作為氮元素的來源生產(chǎn)己內(nèi)酰胺、尼龍 丙烯腈等單體和尿醛樹脂等產(chǎn)品。目前，固定氮最方便、最普通的方法就是合成氨，也 就是直接由氮和氫合成為氨，再進一步制成化學(xué)肥料或用于其它工業(yè) 。氮是蛋白質(zhì)質(zhì)中不可缺少的部分，是人類和一切生物所必須的養(yǎng)料；可以說沒有氮，就沒有蛋白質(zhì)，沒有蛋白質(zhì)，就沒有生命。本設(shè)計要求要掌握合成塔的工作 原理、生產(chǎn)的工藝路線，并能根據(jù)工藝指標(biāo)進行操作計算。 5 塔壁溫度≤ 140 塔出口溫度 300— 350 水冷前氣體溫度：≤ 95 水冷后氣體溫度：≤ 45 氨冷溫度 0— 15 （ 5）成分 精煉氣（ CO+CO2）≤ 25ppm 循環(huán)氣 H2/ N2： — 補充氣中惰性氣體含量≤ % 堿度≤ 1500mg/L CL≤ 300mg/L 三、化工課程設(shè)計主要內(nèi)容： 一、緒論 二、生產(chǎn)流程或方法的確定 三、物料衡算和熱量衡算 四、主要工藝設(shè)備的計算及選型（包括設(shè)備一覽 表） 五、原材料、動力消耗定額及消耗量 六、參考文獻 太原理工大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院《化工設(shè)計》課程設(shè)計說明書 1 七、致謝 八、附圖（帶控制點的工藝流程圖和關(guān)鍵設(shè)備的結(jié)構(gòu)圖） 時間安排： 共設(shè)計四周，前 2 周收集資料，進行工藝流程的設(shè)計、物料和熱量衡算，后兩周進行設(shè)計說明書的撰寫、工藝流程圖和設(shè)備圖的繪制。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確 的說明并表示了謝意。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。 5，后期 490177。而本設(shè)計主要是對合成氨合成工段的設(shè)計，故所用原料直接采用氮氣和氫氣，其以合成塔為主要設(shè)備，在氨冷器、水冷器、換熱器、循環(huán)機、分離器、冷凝器等輔助設(shè)備的作用下，以四氧化三鐵為觸媒，在 485— 500℃的高溫條件下來制得氨氣。 關(guān)鍵詞 ： 半水煤氣 合成氨 合成工段 Abstract The productive task design of synthesis ammonia determines the size of the production of synthetic ammonia , equipment requirements , and the status of the design adopts the method of semi water gas synthetic method,and its raw material are coal and nitrogen gas,using the coal to generate the design is mainly concerned about the design of the ammonia synthesis section,so the raw materials directly adopt nitrogen and synthetic tower as the main equipment, with the ammonia cooler,watercooler,heat exchanger, circulator, separator, condenser and other auxiliary equipment,ferroferric oxide as catalyst,in 485~500℃ high temperature condition to produce design require to master the working principle of the synthetic tower,the production process,and to be able to conduct the operation calculation according to technic the process of the process calculation,it contains material balance and heat balance calculation,and equipments selection calculation, application of ammonia production and the three wastes also have related design,in terms of the synthetic efficiency also having a further study. 太原理工大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院《化工設(shè)計》課程設(shè)計說明書 1 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并轉(zhuǎn)變?yōu)榭杀恢参镂盏幕衔锏倪^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。 常壓下氣態(tài)氨需冷卻 到 ℃ （沸點）才能液化。 氨與空氣 (或氧 )的混合氣 ,在一定濃度范圍內(nèi)能發(fā)生劇烈的氧化作用而爆炸 。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行汽化的條件。 半水煤氣：是混合煤氣中組成符合（ H2+CO） /N2=～ 的一個特例。 合成氨工業(yè)的發(fā)展 合成氨工業(yè)在 20 世紀(jì)初期形成，開始用氨作 為 火炸藥工業(yè)的原料，為戰(zhàn)爭服務(wù) 。 合成氨工業(yè)的現(xiàn)狀 我國合成氨工業(yè)存在一些特殊問題，一是氮肥資源緊張。內(nèi)技術(shù)進行改造。 合成氨工業(yè)的發(fā)展趨勢 合成氨工業(yè)的發(fā)展趨勢 : ① 原料路線的變化方向。 ③ 與其他產(chǎn)品聯(lián)合生產(chǎn)。同時，調(diào)整企業(yè)結(jié)構(gòu)，減少基礎(chǔ)肥料生產(chǎn)廠數(shù)量，提高單套裝置的規(guī)模，使合成氨工業(yè)朝現(xiàn)代化又邁進一 步。 ⑵ 溫度低時，反應(yīng)有利于向氨合成的方向進行，但反應(yīng)速度較慢，提高溫度不利于反應(yīng)平衡，但可以加快反應(yīng)速度，在實際操作中，溫度的選擇取決于觸媒的活性。 目前氨合成的方法，由于采用的壓力、溫度和催化劑種類的不同，一般可分為低壓法、中壓法和高壓法三種。該法的優(yōu)點是由于操作壓力和溫度較低，對設(shè)備、管道的材質(zhì)要 求低 、 生產(chǎn)容易管理，但低壓法合成率不高，合成塔出口氣體中含氮約 8％ ～ 10％，所以催化劑的生產(chǎn)能力比較低；同時由太原理工大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院《化工設(shè)計》課程設(shè)計說明書 6 于壓力低 而 必須將循環(huán)氣 降 至 20℃ 的低溫才能使氣體中的氨液化，分離比較完全，所以需要設(shè)置龐大的冷凍設(shè)備，使得流程復(fù)雜，且生產(chǎn)成本較高。從而簡化 了流程；設(shè)備和流程比較低緊湊，設(shè)備規(guī)格小，投資少，但由于在高壓高溫下操作，對設(shè)備和管道的材質(zhì)要求比較高。中壓法的優(yōu)缺點介于高壓法與低壓法中間，但從經(jīng)濟效果來看，設(shè)備投資費用和生產(chǎn)費用都比較低。 工藝流程的選擇 合成氨的生產(chǎn)工藝條件必須滿足產(chǎn)量高，消耗低，工藝流程及設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，操作方便及安全可靠等要求。所以，提高壓力對氨合成反應(yīng)的平衡和反應(yīng)速度都有利，在一定空速下，合成壓 力越高，出口氨濃度越高，氨凈值越高，合成塔的生產(chǎn)能力也越大。但是壓力高時，對設(shè)備的材料和制造的要求均高。 (2) 最適宜的反應(yīng)溫度 合成氨反應(yīng)是一個可逆放熱反應(yīng)，當(dāng)溫度升高時，平衡常數(shù)下降，平衡氨含量必定減少。而催化劑必須在一定的溫度范圍內(nèi)才具有活性，所以氨合成反應(yīng)溫度必須維持在催化劑的活性范圍內(nèi)。就整個反應(yīng)過程來說，隨著反應(yīng)的進行，轉(zhuǎn)化率不斷增加，最佳溫度隨轉(zhuǎn)化率增加而降低。在中期活性降低，操作溫度應(yīng)比初期適當(dāng)提高 8~10 ℃ 。但由于氨凈值降低的程度比空間速度的增大倍數(shù)要少，所以當(dāng)空間速度增加時，合成氨的產(chǎn)量也有所增加。但在一定限度內(nèi)，其他條件不變，增加空間速度，合成氨產(chǎn)量增加，單位時間所得的總反應(yīng)熱增多，通過水冷器和 氨冷器的氣體流量增大，需要移走的熱量增多，導(dǎo)致冷凝器的冷卻面積要相應(yīng)增大，否則就不能將高流速氣體中的氨冷凝下來。 工業(yè)上采用的氨合成工藝流程雖然很多，而且流程中設(shè)備結(jié)構(gòu)操作條件也各有差異，但實現(xiàn)氨合成過程的基本步驟 是相同的，都必須包括以下幾個步驟：氮、氫原料氣的壓縮并補充到太原理工大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院《化工設(shè)計》課程設(shè)計說明書 8 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，循環(huán)使用；排放部分循環(huán)氣以維持循環(huán)氣中惰性氣體的平衡等。一般含氨混合氣體的冷凝分離是經(jīng)水冷卻器和氨冷囂二步實現(xiàn)的。 (1) 氫氮比 當(dāng)氫氮比為 3:1 時，對于氨合成反應(yīng)可以獲得最大的平衡氨濃度，但從動力學(xué)角度分析，最適宜氫氮比隨著氨含量的變化而變化。惰性氣體不參與反應(yīng)，也不毒害催化劑，但由于他們的存在會降低氫氮比的分壓。但是氫氮氣和部分氨也隨之排放，造成一定損失，故循環(huán)氣體中惰性氣體的控制含量不能過高也不能過低。由于原料氣的制備與凈化方法不同，新鮮氣體中惰性氣體的含量也不同。降低進口氨含量，可加快反應(yīng)速度，提高氨凈值和生產(chǎn)能力。 綜合考慮的結(jié)果，一般中小型合成氨廠當(dāng)操作壓力在 30 MPa 左右時，塔進口氨含量約控制在 %~%之間?；旌蠚膺M冷交換器上部換熱管內(nèi)，與冷交換器下部來的冷氣體進行換熱回收冷量，熱氣體被冷卻至 17℃ ，然后進入氨冷器。入塔氣氨含量為 %。 該流程具有能如下一些特征： ○ 1 氨合成反應(yīng)熱未充分予以回收，用來副產(chǎn)蒸汽，或用來預(yù)熱鍋爐給水 。 ○ 5 新鮮氣和循環(huán)氣中油、水及雜質(zhì)可通過氨冷器低溫液氨洗滌后除去。 查 10T??℃ , 8p MPa? 的平衡常數(shù)： 表 418 平衡常數(shù) 表 3NHK 4CHK ArK 2HK 2HK 27 51 75 80 冷交換器出口液體組分含量： 出口液體氨含量 3330 . 0 2 5 1 0 0 % = 9 8 . 4 2 5 %0 . 2 5 4NHNHNHyx K? ? ? 出口液體甲烷含量 4440 . 1 1 5 3 9 1 0 0 % = 0 . 4 2 7 %27CHCHCHyx K? ? ? 出口液體氬含量 0 . 0 3 4 6 2 1 0 0 % 0 . 0 6 8 %51ArAr Aryx K? ? ? ? 出口液體氫含量 2220 . 6 1 8 7 4 1 0 0 % = 0 . 8 2 5 %75HHHyx K? ? ? 出口液體氮含量 2220 . 2 0 6 2 5 1 0 0 % = 0 . 2 5 5 %80NNHyx K? ? ? 太原理工大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院《化工設(shè)計》課程設(shè)計說明書 18 表 419 冷交換器出口液體組分含量（ %） NH3 CH4 Ar H2 N2 小計 5 100 液氨貯槽氣液平衡計算： 由于氨分離器液體和冷交換器出口分離液體匯合后進入液氨貯槽經(jīng)減壓后溶解在液氨中的氣體會解吸，即