【正文】 HH 222 ??=(－ )247。100%=% 液體中氮含量：2Nx=2NL/L=247。??????????????LVLVLV=% 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： ?? LLx NHNH /33 247。） %=% 出塔氬含量： ArAr yMMy ,585,8 ?? =（ 1000247。 工藝流程圖 1—新鮮氣 13—放空氣 20—馳放氣 圖 工藝流程圖 物料計(jì)算 合成塔入口氣體組分 入塔氨含量： 3,5NHy =% 入塔甲烷含量： 4,5CHy =15%247。 氨冷器 氨冷器使用生產(chǎn)出的液氨為冷源，把循環(huán)氣中的氨冷卻為液體，并進(jìn)行分離，以保證合成塔入口氨含量在規(guī)定的范圍。 熱交換器與廢熱鍋爐 合成氨反應(yīng)為一放熱反應(yīng)，在工業(yè)生產(chǎn)中考慮到節(jié)能及降低成本，廣泛采用熱交換器，達(dá)到熱量的有效利用。 工藝流程方框簡(jiǎn)圖 圖 合成系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖 7 設(shè)備簡(jiǎn)述 合成氨過(guò)程是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過(guò)程，根據(jù)上面流程圖，用到的設(shè)備很多，其中主要的設(shè)備為合成塔，輔助設(shè)備有氨冷器，氨分離器，冷交換器，水冷器等。 目前我國(guó)的氮肥行業(yè)產(chǎn)能普遍偏低，耗能高，污染大，急需采用成熟的粉 煤氣化技術(shù)，以提高原料利用率，降低對(duì)環(huán)境的危害。在生產(chǎn)能 力方面， 1980年中國(guó)合成氨產(chǎn)量為 1498萬(wàn)噸，到 1990年上升至 2129萬(wàn)噸，僅次于前蘇聯(lián)名列世界第二。 中國(guó)合成氨生產(chǎn)是在 20世紀(jì) 30年代開(kāi)始的，當(dāng)時(shí)僅在南京、大連兩地建有氨廠，最高年產(chǎn)量不超過(guò) 50kt（ 1941年）。目前，合成氨年總消費(fèi)量 (以 N計(jì) )約為，其中工業(yè)用氨量約為 10Mt，約占總氨消費(fèi)量的 12%。為過(guò)分降低冷凝溫度而過(guò)多的增加氨冷負(fù)荷在經(jīng)濟(jì)上并不可取。在產(chǎn)中，一般要保持新鮮氣中含惰性氣體的體積分?jǐn)?shù)在 %%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。 (2) 惰性氣體含量 5 惰性氣體來(lái)源于新鮮空氣，它們不參與反應(yīng) 因而在系統(tǒng)中積累。 合成塔進(jìn)口氣體組成 (1) 氫氮比 根據(jù)理論分析，當(dāng)原料氣中 H2 與 N2 的摩爾比為 3:1 時(shí) [9]，氨的含量最高?？账俅?，單位體積催化劑處理的氣量大，能增加生產(chǎn)能力。合成氨生產(chǎn)所用的催化劑活性溫度在 400500℃ ，反應(yīng)溫度不能低于活性溫度。所以要根據(jù)能量消耗、原料費(fèi)用、設(shè)備投資等綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果來(lái)選擇操作壓力。 合成工藝條件的選擇 操作壓力 從化學(xué)平衡和反應(yīng)速率兩個(gè)方面考慮，提高操作壓力對(duì)反應(yīng)是有利的，它不僅能提高設(shè)備的生產(chǎn)能力，還可以簡(jiǎn)化氨的分離流程。 (3) 高壓法 操作壓力為 60MPa 以上的稱為高壓法，其操作溫度大致為 550650 ℃ 。該法的優(yōu)點(diǎn)是操作壓力和溫度較低，生產(chǎn)容易管理，對(duì)設(shè)備、管道的材質(zhì)要求低。目前氨合成的方法，由于采用的壓力的不同，一般可分為低壓法、中壓法和高壓法三種 [8]。 合成氨的生產(chǎn)方法 合成氨的生產(chǎn)主要包括以下步驟 ：第一步是造氣，即制備含有氫、氮的原料氣。常壓下氣態(tài)氨氣需冷卻到 ℃ （沸點(diǎn)）才能液化，而在常溫下需加壓到 時(shí)才能液化。如 果不慎接觸過(guò)多的氨而出現(xiàn)病癥，應(yīng)及時(shí)吸入新鮮空氣和水蒸氣，并用大量水沖洗眼睛。氨也是重要的無(wú)機(jī)化學(xué)和有機(jī)化學(xué)工業(yè)基礎(chǔ)原料，這部分約占 30%的比例，稱之為 “工業(yè)氨 ”[5] 。 目前，固定氮最方便、最 經(jīng)濟(jì) 的方法就是合成氨，也就是直接由氮和氫合成為氨，再進(jìn)一步制成化學(xué)肥料或用于其它工業(yè)。 2 第一章 合成氨綜述 氨的用 途 氮元素是生命存在的基礎(chǔ)，它是構(gòu)成蛋白質(zhì)的重要物質(zhì)。 合成氨反 應(yīng)是利用含有氮?dú)夂蜌錃獾脑蠚?，在一定的溫度壓力下，在有催化劑的作用下進(jìn)行的，此反應(yīng)為一可逆反應(yīng)。以反應(yīng)床論，可分為絕熱式和內(nèi)冷式，即床層內(nèi)含有移熱裝置，如單冷管等；以移熱方式論，可分為冷激式、層間換熱式、內(nèi)冷式以及冷激間換熱復(fù)合式；以反應(yīng)氣體流向論，可分為軸向型和徑向型以及軸徑向混流型，其各有所長(zhǎng) [2]。目前在國(guó)際上用于氨合成中具有代表性的低能耗制氨工藝有：美國(guó)的原 Kellogg 工藝 (現(xiàn)為 KBR)、丹麥托普索工藝、瑞士卡薩利工藝、德國(guó)伍德工藝等。 以煤為原料的合成氨生產(chǎn)工藝主要包括原料氣的制備、原料氣的凈化 (脫硫、變換、脫碳、精制 )、氣體壓縮、氨的合成、氨的分離、未反應(yīng)氣體的循環(huán)等部分。 synthesis tower 1 引 言 氮元素是生物生存所需的基本元素之一，而合成氨則是進(jìn)行固氮的最有效的方法。根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)，繪制出主要設(shè)備及帶控制點(diǎn)的工藝流程圖等。氨合成工段包括氨的合成、分離、氣體再循環(huán)、惰性氣體排放等基本過(guò)程，其中氨合成是合成氨工藝的中心環(huán)節(jié)。對(duì)合成氨工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，并對(duì)其過(guò)程進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。根據(jù)物料及熱量衡算的數(shù)據(jù) ,計(jì)算出內(nèi)件中絕熱床層及換熱器的有關(guān)尺寸數(shù)據(jù)，并對(duì)一些輔助設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)選型。 heat balance。由于中國(guó)煤炭資源豐富、石油和天然氣稀缺，合成氨生產(chǎn)主要以煤為主要原料。目前，大多合成氨裝置都選擇中、低壓合成工藝。隨著科技的發(fā)展，人們研究出了各種類 型的內(nèi)件。本設(shè)計(jì)則采用多段絕熱冷激式內(nèi)件。本設(shè)計(jì)則根據(jù)已有的技術(shù)，選用已經(jīng)在合成氨工業(yè)中使用較長(zhǎng)時(shí)間的 A106型催化劑。 在實(shí)際生產(chǎn)中，固定氮的方法有電弧法、 氰氨法 及合成氨法。合成氨是氮肥工業(yè)的基礎(chǔ)，氨氣本身是重要的氮 素肥料，與此同時(shí)，氨也可以用于生產(chǎn)其他氮肥，如硝酸銨、復(fù)合肥等，這部分約占 70%的比例，稱之為 “化肥氨 ”。 氨的性質(zhì) 氨的物理性質(zhì) 氨氣在常溫下是無(wú)色有刺激性氣味的氣體， 對(duì)人體的眼、鼻、喉等有刺激作用，接觸時(shí)應(yīng)小心。 氨氣在水中的溶解度隨著壓力增大而降低，氨水在溶解時(shí)放出大量熱，氨水中的氨極易揮發(fā)。其他的性質(zhì)如下： (1) 氨與氧在催化劑作用下生成氮的氧化物 ,并能進(jìn)一步與水作用 ,制得硝酸： 3 3 2 24 5 4 6N H O N O H O? ? ? (2) 氨與酸或酐反應(yīng)生成鹽類 ,是制造氮肥的基本反應(yīng)： 3 3 4 3 N H H N O N H N O?? (3) 氨與二氧化碳作用生成氨基甲酸銨 ,進(jìn)一步脫水成為尿素： 3 2 4 22N H C O N H C O O N H?? (4) 氨與二氧化碳和水作用 ,生成碳酸氫銨： 3 2 2 4 3N H C O H O N H H C O? ? ? (5) 氨可與鹽生成各種絡(luò)合 物 ， 如 CuCl2? 6NH CuSO4? 4NH3。合成的氨需要進(jìn)行冷卻分離，才能得到產(chǎn)品，分離后的氣體要繼續(xù)回到合成系統(tǒng)中，補(bǔ)充原料氣后繼續(xù)參與反應(yīng)。也可用磁鐵礦作催化劑，操作溫 度450550℃ 。中壓法的優(yōu)缺點(diǎn)介于高壓法與低壓法中間，但從經(jīng)濟(jì)效果來(lái)看，設(shè)備投資費(fèi)用和生產(chǎn)費(fèi)用都比較低。高壓法合成率高，但催化劑層內(nèi)的反應(yīng)熱不易排除而使催化劑長(zhǎng)期處于高溫下操作，容易失去活性。為保證具有較高的平衡氨濃度，在降低壓力的同時(shí)，要求催化劑在比較低的反應(yīng)溫度下即有較高的反應(yīng)活性。在合成氨反應(yīng)中使用催化劑是較好的選 擇，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)。 空速 空速是反應(yīng)氣在催化劑床層的停留時(shí)間的倒數(shù)。因此，空速要保持在一定的范圍。在實(shí)際生產(chǎn)中，進(jìn)塔氣體的氫氮比控制在 ~ 比較適宜。因此，循環(huán)氣中惰性氣體含量應(yīng)根據(jù)新鮮氣惰性氣體含量、操作壓力、催化劑活性等條件而定。對(duì)于冷凍法分離氨，初始氨含量與 冷凝溫度和系統(tǒng)壓力有關(guān)。 合成氨工業(yè)的發(fā)展 合成氨是化學(xué)工業(yè)中產(chǎn)量很大的化工產(chǎn)品。生產(chǎn)合成氨的方法主要區(qū)別在原料氣的制造，其中最廣泛采用的是蒸汽轉(zhuǎn)化法和部分氧化法 [10]。在技術(shù)力量方面，我國(guó)已擁有一支能從事合成氨生產(chǎn)的科研、設(shè)計(jì)、制造和施工的高素質(zhì)技術(shù)隊(duì)伍。 2020年，國(guó)內(nèi)合成氨生產(chǎn)原料中，煤炭約占 %，天然氣約占 %，油約占 %，焦?fàn)t氣約占 %[12]。換熱產(chǎn)生蒸汽后進(jìn)入塔外換熱器，蒸汽本身溫度降至 112℃ 左右進(jìn)水冷器被冷卻產(chǎn)生部分液氨，溫度降至 35℃ ，混合氣液進(jìn)氨分 離器，分離液氨，分離的液氨去液氨罐貯存，出氨分離器的氣體則部分放空，放空氣去氫回收裝置，放空后的循環(huán)氣經(jīng)冷交換器降溫至 17℃ 與新鮮氣混合，繼續(xù)下一循環(huán)。大致結(jié)構(gòu)為第一絕熱床 +冷激器 +第二絕熱床 +層間換熱器 +第三絕熱床+下?lián)Q熱器，層間換熱器與下?lián)Q熱器串聯(lián)，絕熱床層中裝填催化劑。 冷交換器 冷交換器分為上下兩部分，上部換熱器為列管換熱器，下部為氨分離器，將熱氣體在進(jìn)入氨冷器前用冷氣體進(jìn)行冷卻換熱，以回收冷氣體的冷凍量，使進(jìn)入氨冷器的熱氣體預(yù)冷卻，從而節(jié)省冷凍量，同時(shí)分離經(jīng)氨冷后含氨混和氣中的液氨。水冷器出口溫度： 35℃ ；精煉氣溫度： 35℃ ；精煉氣組成： H2 ， N2 , CH4 ， Ar 。（ 1+） = 出塔氣量： M8=入塔氣量 生成氨含量 == 出塔氨含量： 3,8NHy =% 出塔甲烷含量： 4,8CHy =4,585 CHyMM ? =（ 1000247。= 誤差 %10039。100%=% 液體中氫含量：2Hx=2HL/L=247。100 %= 氣體氬含量： V Lmy ArArAr ??=(－ 000013)247。 表 查 T=10℃ ， P= 的平衡常數(shù) 3NHK 4CHK ArK 2HK 2NK 27 51 75 80 冷交換器出口液體組分含量 出口液體甲烷含量： 444CHCHCH Kyx ? = ?? %100270115390. % 出口液體氨含量： 12 %42598%100025220 0250333 ...KyxNHNHNH ???? 出口液體氬含量： %0680%100510 3 4 6 20 ..KyxArArAr ???? 出口液體氫含量： %8250%10032133 6 1 8 7 50222 ...KyxHHH ???? 出口液體氮含量： %2550%100802 0 6 2 50222 ..KyxNNN ???? 表 冷交換器出口液體組分含量（ %） NH3 CH4 Ar H2 N2 總計(jì) 100 液氨儲(chǔ)槽氣液平衡計(jì)算 圖 液氨儲(chǔ)槽物料簡(jiǎn)圖 氨分離器液體和冷交換器出口分離液體匯合進(jìn)入液氨儲(chǔ)槽經(jīng)減壓溶解在液氨中的氣體會(huì)解吸形成馳放氣，兩種液體百分比估值，即水冷后分離液氨占總量的百分?jǐn)?shù)。 出口液體含氨量： LLx NHNH 33 ? =247。100%=% 出口液體氮?dú)夂浚??? LLx NN 22247。100%=% 弛放氣中氫氣含量： V LMy HHH 222 0?? =(－ )247。(0i)=L(21i)247。 CHm = 247。 Hm = 247。 ? 滿足設(shè)計(jì)要求。取過(guò)飽和度 10% 故317NHV=%=% 設(shè)熱氣出口氨體積為 a，則： %496a8 6 5 . 7 4 99 2 3 3 . 6 7 a .??? 計(jì)算 得 a= ??? aVL NHNH 33 1417 － = 冷交換器熱氣出口氣量及組分： 其中： NH3 333 171417 NHNHNH LVV ?? = CH4 44 1417 CHCH LV ? = Ar ArAr LV 1417 ? = H2 22 1717 HH LV ? = N2 22 1717 NN LV ? = 出口總氣量 3171417 NHLVV ??=－ = m3 出口氣體各組分： NH3 1717 3VVNH =247。100%=% N2 17172VVN =247。100%=% H2 218Hy=247。182 NHNHNH LLL+= 氨冷器出口氣量： V2=V18－ b=－ = m3 其中： NH3 32NHV= CH4 42CHV= 418CHV= Ar ArV2 = ArV18 = H2 22HV= 218HV= N2 22NV= 218NV= 各組分百分含量：222 VVy ii ? NH3 32NHy=247。100%=% N2 22Ny=247。1739。39。= 由 VL 可求出冷交換器冷凝液體量： 316VL =VL = 冷凝液體量： L16=== m3 出器物料：冷交換器（冷氣）出口氣體物料等于進(jìn)口總物料減去冷激液體量 V3=－ = 其中： NH3 33NHV=%= CH4 43CHV=%= Ar ArV3 =%= H2 23HV=%= N2 23NV=%= 計(jì)算誤差 =553VVV? 100%=（ － ） 247。39。100%=% Ar Arx21 =