【正文】 力，提高合成率，而進循環(huán)機的氨冷量較低，避免了塔后循環(huán)機流程容易帶液氨而導致循環(huán)機泄漏。目錄1 引言 1 氨的性質(zhì) 1 氨的用途 2 合成氨的發(fā)展歷史 2 氨氣的發(fā)現(xiàn) 2 合成氨的發(fā)現(xiàn)及其發(fā)展 2 國外合成氨工業(yè)發(fā)展 3 國內(nèi)合成氨工業(yè)發(fā)展 3 國內(nèi)合成氨工業(yè)的發(fā)展趨勢 4 合成氨工段設(shè)計主要參數(shù)計算的主要內(nèi)容 52 工藝計算 6 生產(chǎn)流程簡述 6 原始條件 6 物料衡算 8 合成塔物料衡算 8 氨分離器氣液平衡計算 9 冷交換器氣、液平衡計算 11 液氨貯槽氣、液平衡計算 11 液氨貯槽物料計算 13 合成系統(tǒng)物料計算 14 進出合成塔物料計算 15 進出水冷器物料計算 16 進出氨分離器物料計算 16 冷交換器物料計算 17 氨冷器物料計算： 18 冷交換器物料衡算 20 液氨貯槽物料計算 21 物料計算結(jié)果匯總 21 熱量核算 22 交換器熱量核算 22 氨冷器熱量核算 25 循環(huán)機熱量核算 27 合成塔熱量核算 28 廢熱鍋爐熱量核算 31 熱交換器熱量核算 32 水冷器熱量核算 33 氨分離器熱量核算 343 氨合成過程中的綠色化學化工 35 綠色化學化工的基本概念 35 合成氨工段的原子經(jīng)濟性 35 合成氨工段的熱能綜合利用 35 合成氨工段的“三廢”處理 364 設(shè)備選型 37 合成塔催化劑層設(shè)計 37 換熱器： 42 廢熱鍋爐設(shè)備工藝計算 43 計算條件 43 官內(nèi)給熱系數(shù)α計算 43 管內(nèi)給熱系數(shù)αi計算 45 總傳熱系數(shù)K 計算 46 平均傳熱溫差Δtm計算 46 傳熱面積 46 水冷器設(shè)備工藝計算: 47 計算條件 47 管內(nèi)給熱系數(shù)的計算 47 管外給熱系數(shù) 48 傳熱溫差 49 傳熱總系數(shù)K 49 傳熱面積 49 冷交換器設(shè)備工藝計算 49 計算條件 49 管內(nèi)給熱系數(shù)的計算 50 管外給熱系數(shù) 52 總傳熱系數(shù) 55 傳熱面積核算 55 主要設(shè)備選型匯總表 555 合成氨合成車間的安全生產(chǎn) 57 合成氨車間的職業(yè)危害 57 安全措施 58 合成氨工序重大事故危險與防范 59 蒸汽鍋爐的重大事故危險與防范 59 容器爆炸 60 灼燙 60 起重傷害 60參考文獻 62致謝 63III設(shè)計參數(shù)年產(chǎn)10萬噸合成氨的合成工段工藝設(shè)計（以天然氣為原料）產(chǎn)量：10萬噸/年，液氨合成塔入口惰性氣體含量：15%合成塔進口氨濃度：%合成塔出口氨濃度：%合成塔操作壓力：30MPa新鮮補充氣：N2 24%；H2 75%；CH4 %；Ar %精煉氣溫度：35℃水冷器出口氣體溫度：35℃循環(huán)機進出口壓差：年工作日：300d產(chǎn)品質(zhì)量規(guī)格：氨含量(wt%)=99%以天然氣為原料年產(chǎn)10萬噸合成氨廠合成工段的工藝設(shè)計設(shè)計說明書任務來源：本次設(shè)計按照化工系下達的設(shè)計任務書進行編制的，并且參照石家莊雙聯(lián)化工廠合成氨工段的現(xiàn)場生產(chǎn)而設(shè)計而成。在廢熱鍋爐和水冷器之間設(shè)計一個熱交換器，通過熱交換器回收了廢熱鍋爐出來的氣體中剩余的熱量并同時為原料氣進行了預熱，另外也進一步降低了合成氣的溫度，為對后續(xù)的冷凝工作有利，間接的節(jié)約了消耗的熱量和冷量。進入水冷的氣體溫度降低意味著合成余熱回收率高和水冷器的負荷低。（6）冷交換器設(shè)備的使用分離器為外向型旋流板，上部換熱器為列管換熱器和下部氨分離器，將熱氣體在進入氨冷器前用冷氣體進行冷卻換熱，以回收冷氣體的冷凍量，使入氨冷器的熱氣體預冷卻，從而節(jié)省冷凍量，同時分離經(jīng)氨冷后含氨混和氣中的液氨，安徽淮南化工公司發(fā)表與《小氮肥》雜志上的有關(guān)資料表明，該設(shè)備節(jié)能降耗顯著。（9）結(jié)論本設(shè)計主要是對于合成氨的工藝流程的設(shè)計；其中包括合成氨各主要工段設(shè)備的物料衡算和熱量核算包括：合成塔的物料衡算和熱量衡算、氨冷器的物料衡算及熱量核算、冷交換器的物料衡算和熱量核算等；合成氨各主要設(shè)備的工藝計算和選型；合成氨車間的安全因素及防范措施；工藝流程、車間中設(shè)備布置圖以及氨合成塔、廢熱鍋爐、水冷器三個主要設(shè)備的CAD圖紙。 thermal calculation。其中合成氨法的能耗最低。氨在常溫加壓易液化，稱為液氨。氨的化學性質(zhì)比較活潑，能與酸反應生成鹽，如與鹽酸反應生成氯化銨；與磷酸反應生成磷酸銨；與硝酸反應生成硝酸銨；與二氧化碳反應生成甲基甲酸銨，脫水后生成尿素等等。 合成氨的發(fā)展歷史 氨氣的發(fā)現(xiàn)十七世紀30年代末英國的牧師、化學家 （HaLes，1677～1761）,用氯化銨與石灰的混合物在以水封閉的曲頸瓶中加熱，只見水被吸入瓶中而不見氣體放出，1774年化學家普利斯德里重做該實驗，用汞代替水來密封，制得了堿空氣（氨），并且他還研究發(fā)現(xiàn)了氨的性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)氨極易溶于水、可以燃燒，還發(fā)現(xiàn)該氣體通以電火花時其容積增加，而且分解為兩種氣體：H2和N2，（Davy，1778～1829）等化學家繼續(xù)研究，進一步證明了2體積的氨通過電火花放電后，分解為1體積的氮氣和3體積的氫氣[2]。1901年法國物理化學家呂原料氣凈化方法的革新及合成塔的改造等，但工藝路線沒有大的變化。近年，合成氨產(chǎn)量以蘇聯(lián)、中國、美國、印度等十國最高，占世界總產(chǎn)量的一半以上。1981年，世界以天然氣制氨的比例約占71%，%、美國為96%、荷蘭為100%；中國仍以煤、焦炭為主要原料制氨,天然氣制氨僅占20%。合成氨成本中能源費用占較大比重，合成氨生產(chǎn)的技術(shù)改進重點放在采用低能耗工藝、充分回收及合理利用能量上，主要方向是研制性能更好的催化劑、降低氨合成壓力、開發(fā)新的原料氣凈化方法、降低燃料消耗、回收和合理利用低位熱能等。中國開發(fā)的用氨水脫除二氧化碳直接制碳酸氫銨新工藝，以及中國、意大利等國開發(fā)的變換氣氣提法聯(lián)合生產(chǎn)尿素工藝，都有明顯的優(yōu)點。建國以來，基于農(nóng)業(yè)的迫切需要，我國的合成氨工業(yè)得到了快速發(fā)展。經(jīng)過50多年的努力，我國已擁有多種原料、不同流程的大、中、小型合成氨工廠550余個。 國內(nèi)合成氨工業(yè)的發(fā)展趨勢合成氨工業(yè)的迅速發(fā)展促進了一系列科學技術(shù)和近代化學合成工業(yè)的發(fā)展。目前工業(yè)上采用的原料氣主要分為三種：固體原料（焦炭、無煙煤、褐煤等）、液體原料（重油、原油、輕油等）、氣體原料（天然氣、油田氣、焦爐氣、煉廠氣等）[5]。特別是近年來因地球氣候日益變暖而提出的對溫室效應的控制，將會對二氧化碳的排放加以嚴格限制。第 65 頁 共 63 頁2 工藝計算 生產(chǎn)流程簡述放空新鮮氣弛放氨分離器水冷器熱交換器合成塔廢熱鍋爐油分離器循環(huán)機冷交換器液氨儲槽氨冷器氣體從冷交換器出口分二路、一路作為近路、一路進入合成塔一次入口，氣體沿內(nèi)件與外筒環(huán)隙向下冷卻塔壁后從一次出口出塔，出塔后與合成塔近路的冷氣體混合，進入氣氣換熱器冷氣入口，通過管間并與殼內(nèi)熱氣體換熱。在冷交換器管內(nèi)被管間的冷氣體換熱，冷卻后出冷交換器與壓縮送來經(jīng)過新鮮氣濾油器的新鮮氣氫氣、氮氣會合進入氨冷器，被液氨蒸發(fā)冷凝到5～10℃，被冷凝的氣體再次進入冷交，在冷交下部氣液分離，液氨送往氨庫氣體與熱氣體換熱后再次出塔，進入合成塔再次循環(huán)。 13——放空氣。表22 入塔氣組分含量/%組分NH3H2N2CH4Ar總計含量/% （2） 合成塔出口氣組分以1000kmol入塔氣作為基準求出塔氣組分，由下式計算塔內(nèi)生成氨含量[6]： 出塔氣量： M8=入塔氣量－生成氨氣量=1000－= 出塔氨含量：y8，NH3=%出塔甲烷含量： 出塔氬含量：出塔氫含量：出塔氮含量：將出塔氣體組分歸入表23。表26 氨分離器出口液體含量/%組分NH3H2N2CH4Ar總計xi,15/% 分離氣體組分含量： 氣體氨含量： y12,NH3=[mNH3－LNH3]/V=% 同理有：y12，CH4=%y12，H2=%y12，N2=%y12，Ar=%將分離氣體組分含量歸入表27。兩種液體百分比估算值，即水冷后分離液氨占總量的白分數(shù)。表211 各組分的平衡常數(shù)[6]KNH3KCH4KArKH2KN2170540575620根據(jù)氣液平衡L(i)= z21,i/[1+(V/L)Ki]，設(shè)(V/L)=，代入上式得：出口液體氨含量：LNH3=z21,NH3/[(1+(V/L)kNH3]=(1+)=出口液體甲烷含量：LCH4=z21,CH4/[ 1+(V/L)kCH4]=(1+170)= Kmol出口液體氬含量：LAr=z21,Ar/[ 1+(V/L)kAr]=(1+540)=出口液體氫氣含量：LH2=z21,H2/[ 1+(V/L)kH2]=(1+575)= Kmol出口液體氮氣含量：LN2=z21,N2/[ 1+(V/L)kN2]=(1+620)= Kmol所以得，L(總)=,V==則，(V/L) `=V/L=,誤差 =()/=%，假定正確。(21,i)=L21,i/L21 入口液體中氨含量， x180。21,H2= 100﹪=% 入口液體中氮氣含量 x180。 由前計算數(shù)據(jù)如下表214。 由《物理化學》[7]查t=35℃，P=30MPa時的各組分比熱容，見表217。表220 各組分含量，分壓及比熱容組分NH3H2N2CH4Ar氣體含量各組分分壓/MpaCp（KJ/(Kmol℃)）Cp5=++++=(Kmol℃)t5=℃(11) 冷交換器熱量負荷計算ΔQ放=（管內(nèi)熱氣帶入熱+管內(nèi)液氨冷凝熱）（管內(nèi)熱氣帶出熱+管內(nèi)液氨帶出熱） =(+)(+) = 氨冷器熱量核算(1) 氣體帶入熱量Q3由冷交換器計算計算的Q3= KJ/tNH3(2) 氣體中液氨帶入熱量Q3L由冷交換器熱量計算得： Q3L= KJ/tNH3(3) 氨冷器中氣氨冷凝熱查10℃氣氨冷凝熱（《小氮肥廠工藝設(shè)計手冊》?；旌虾蟀崩淦魅肟跓釟鉁囟?0℃(6) 氣體帶出熱量Q2 由冷交換器熱量計算Q2= kJ/tNH3(7) 氣體中液氨帶出熱量Q2L由冷交換器熱量計算Q2L=(8) 液氨蒸發(fā)吸收熱量Q吸 （冷凍量）由熱平衡計算：Q吸=Q入(Q2+Q2L)=++=查25℃液氨焓INH3L=（由液氨儲槽來）15℃蒸發(fā)蒸氣，INH3=ΔINH3=INH3INH3L==（9） 冷凍量計算 W=Q吸/ΔINH3=將氨冷器進出熱量匯總，見表223。表226 循環(huán)機進出熱量匯總?cè)肟诔隹跉怏w帶入熱量氣體帶出熱量壓縮熱總Q入總Q出 合成塔熱量核算(1) 環(huán)隙溫升t2計算(2) 設(shè)合成塔環(huán)隙高度高度h=，由經(jīng)驗公式知，℃計，則合成塔一出溫度t2為，t2=t1+=36+14=℃。表227 各組分含量，分壓及比熱容組分NH3H2N2CH4Ar氣體含量各組分分壓/MpaCp（KJ/(Kmol℃)）Cp=(Kmol℃)Q6==(7) 合成塔二出氣體帶出熱量Q8當t=365℃ P=，見表228?！嗪铣伤怏w二次入口帶入熱量。表232 廢熱鍋爐熱量匯總表入口出口管內(nèi)熱氣帶入熱量管內(nèi)熱氣帶出熱量軟水帶入熱量蒸汽帶出熱量總Q進總Q出 熱交換器熱量核算（1）冷氣體帶入熱量Q6由合成塔熱平衡計算，Q6=（2）熱氣體帶入熱量Q9由廢熱鍋爐熱平衡計算，Q9=（3）冷氣體帶出熱量Q7由合成塔熱平衡計算，Q7= kJ/tNH3（4）熱氣體出口溫度計算Q6+Q9=Q7+Q10熱平衡得 Q10=Q6+Q9Q7=+=Q10=V10Cp10t10所以，t10=Q10/V10/Cp10=設(shè)t5=60℃ P=。表235 各組分含量，分壓及比熱容組分NH3H2N2CH4Ar氣體含量各組分分壓/MpaCp（KJ/(Kmol℃)）Cp11=(Kmol℃)熱氣體帶出熱量：Q11=V11Cp11t11=35=(4)液氨帶出熱量查35 ℃液氨比熱容,CpL=(kmol℃)Q液=V11L/MCpLt11=35=(5) 冷卻水量計算設(shè)需要冷卻水量為W,冷卻上水ta=30℃ ,冷卻下水tb=38℃,取冷卻水比熱容CpL=則冷卻水吸收量為：ΔQ=Q進Q出=(Q10+Q冷)(Q11+Q液)=ΔQ=WCp(tbta)1000所以， W=ΔQ/(1000Cp(tbta)) =(1000(3830))= 冷卻上水帶入熱量：Q上水=100030=冷卻下水帶入熱量：Q下水=ΔQ+Q上水=+=將水冷器熱量匯入表236。另外，氨反應所需熱量由煤或者其他礦物質(zhì)的燃燒供熱，而礦物質(zhì)的燃燒又伴隨著大量的CO、CO氮氧化物以及煙塵等大氣污染氣體的生成，從而對環(huán)境造成污染。 在合成氨的合成氨工段，本設(shè)計采用原料氣循環(huán)利用的原則，以充分的利用每一份原料，對于循環(huán)過程中的放空氣以及馳放氣，采用膜分離提氫裝置，將這部分廢氣中的有效組分氫氣提取出來在作為原料氣進入循環(huán)管網(wǎng)用以生