【正文】 進(jìn)塔氣體中氨含量越高，氨凈值越小，生產(chǎn)能力越低。但是，維持過(guò)低的惰氣含量又需大量排放循環(huán)氣導(dǎo)致原料氣消耗量增加。當(dāng)氫氫比為3 時(shí)，對(duì)于氨合成反應(yīng)，可得最大平衡氨含量，但從動(dòng)力學(xué)角度分析，最適宜氫氨比隨氨含量的不同而變化。 氫氣來(lái)源于水或含有烴類的各種燃料，它取決于用什么方法制取。實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)上此法已不采用了。 (3)低壓法 操作壓力 10MPa 左右，溫度 400～ 450℃。從動(dòng)力消耗看，合成系統(tǒng)的功耗占全廠總功耗的比重最大。又因?yàn)槭?高溫高壓操作，對(duì)設(shè)備制造、材質(zhì)要求都較高，投資費(fèi)用大。 (1)高壓法 操作壓力 70～ 100MPa，溫度為 550～ 650℃。節(jié)省的巨額資金 ,用作農(nóng)田水利建設(shè)和農(nóng)產(chǎn)品深加工 ,將在加速農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展 ,提高農(nóng)民生活水平 ,縮小城鄉(xiāng)差距起著重要用。我國(guó)七十至九十年代先后重復(fù)引進(jìn) 30 多套大化肥裝置 ,耗費(fèi)巨額資金 ,在提高了化肥生產(chǎn)技術(shù)水平的同時(shí) ,也受到國(guó)外的制約。農(nóng)業(yè)生產(chǎn) ,“有收無(wú)收在于水 ,收多收少在于肥”。即今后 20 年間將增加到現(xiàn)在的 倍。 市場(chǎng)需要 據(jù)資料統(tǒng)計(jì) :1997 年世界合成氨年產(chǎn)量達(dá) 。此外，氨還是常用的冷凍劑?？梢?jiàn)，合成氨工業(yè)是氮肥工業(yè)的基礎(chǔ)，對(duì)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)起著重要的作用。各種氮肥生產(chǎn)是以合成氨為主要原料的，因此，合成氨工業(yè)的發(fā)展標(biāo)志著氮肥工業(yè)的水平。常溫下氨在空氣中的爆炸范圍為 ～ 28％，在氧氣中為 ～ 82％。 氨與酸或酸酐可以直接作用，生成各種銨鹽；氨與二氧化碳作用可生成氨基甲銨，脫水成尿素；在鉑催化劑存在的條件 下，氨與氧作用生成一氧化氮，一氧化氮繼續(xù)氧化并與水作用，便能得到硝酸。氨是一種無(wú)色具有強(qiáng)烈刺激性、催淚性和特殊臭氣的無(wú)色氣體，比空氣輕，相對(duì)密度 ，熔點(diǎn)－ ℃；沸點(diǎn)－℃。 4. 進(jìn)行車(chē)間布置設(shè)計(jì)，并繪制設(shè)備平立面布置圖。有利于“提高裝置生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)率、延長(zhǎng)運(yùn)行周期”的技術(shù) ,包括工藝優(yōu)化技術(shù)、先進(jìn)控制技術(shù)等將越來(lái)越受到重視。 (2) 以“油改氣”和“油改煤”為核心的原料結(jié)構(gòu)調(diào)整和以“多聯(lián)產(chǎn)和再加工”為核心的產(chǎn)品結(jié)構(gòu) 調(diào)整 ,是合成氨裝置“改善經(jīng)濟(jì)性、增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力”的有效途徑。 (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(lái)合成氨裝置的主流發(fā)展方向。 同時(shí)也是能源消耗的大戶，世界上大約有 10 %的能源用于生產(chǎn)合成氨。 關(guān)鍵詞 ： 氨合成； 生產(chǎn)工藝； 物料衡算； 能量衡算； 設(shè)備選型 PRODUCES 80,000 TONS OF AMMONIA SYNTHESIS PROCESS DESIGN Director： XXX Associate Director： XXX （ Dept. of Chemistry， HuangShan College, China, 245000） Abstract： Introduction of ammonia synthesis production process, highlighted by this process of material balance calculate, energy calculation confirming the main equipment selection. Key Words： Ammonia synthesis, Production process, Material calculation, Energy calculation, Selection of equipment 1 總論 氨是最為重要的基礎(chǔ)化工產(chǎn)品之一，其產(chǎn)量居各種化工產(chǎn)品的首位 。根據(jù)合成氨技術(shù)發(fā)展的情況分析 , 未來(lái)合成氨的基本生產(chǎn)原理將不會(huì)出現(xiàn)原則性的改變 , 其技術(shù)發(fā)展將會(huì)繼續(xù)緊密?chē)@“降低生產(chǎn)成本、提高運(yùn)行周期 , 改善經(jīng)濟(jì)性”的基本目標(biāo) , 進(jìn)一步集中在“大型化、低能耗、結(jié)構(gòu)調(diào)整、清潔生產(chǎn)、長(zhǎng)周期運(yùn)行”等方面進(jìn)行技術(shù)的研究開(kāi)發(fā) [1]。 開(kāi)發(fā)低壓、高活性合成催化劑 , 實(shí)現(xiàn)“等壓合成”。 提高生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性 ,延長(zhǎng)運(yùn)行周期是未來(lái)合成氨裝置“改善經(jīng)濟(jì)性、增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力”的必要保證。 3. 繪制帶控制點(diǎn)的工藝流程圖 （ PID） 。 設(shè)計(jì)的產(chǎn)品的性能、用途及市場(chǎng)需要 (1) 氨的物化性能 合成氨的化學(xué)名稱為氨，氮 含量為 %。因此，用水噴淋處理跑氨事故，能收到較好的效果 [2]。氨與空氣或氧按一定比例混合后，遇明火能引起爆炸?；适寝r(nóng)業(yè)的主要肥料，而其中的氮肥又是農(nóng)業(yè)上應(yīng)用 最廣泛的一種化學(xué)肥料，其生產(chǎn)規(guī)模、技術(shù)裝備水平、產(chǎn)品數(shù)量，都居于化肥工業(yè)之首，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有極其重要的地位。此外，液氨本身就是一種高效氮素肥料，可以直接施用，一些國(guó)家已大量使用液氨?，F(xiàn)代國(guó)防工業(yè)和尖端技術(shù)也都與氨合成工業(yè)有密切關(guān)系，如生產(chǎn)火箭的推進(jìn)劑和氧化劑，同樣也離不開(kāi)氨。所以合成氨工業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有十分重要的地位，氨及氨加工工業(yè)已成為現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的一個(gè)重 要部門(mén) [4]。我國(guó) 1996 年合成氨產(chǎn)量已達(dá),2020 年將達(dá) 36Mt,2020 年將增加至 45Mt。合成氨工業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中舉足輕重。因此 ,我國(guó)現(xiàn)有眾多的化肥生產(chǎn)裝置應(yīng)成為改造擴(kuò)建增產(chǎn)的基礎(chǔ)。當(dāng)今走老廠改造擴(kuò)建的道路 ,可使投資節(jié)省 1/2— 2/3。工業(yè)上合成氨的各種工藝流程一般以壓力的高低來(lái)分類 [3]。但因?yàn)楹铣尚矢?，放出的熱量多，催化劑溫度高，易過(guò)熱而失去活性，所以催化劑的使用壽命較短。因?yàn)楹铣蓧毫Φ拇_定，不外乎從設(shè)備投資和壓縮功耗這兩方面來(lái)考慮。因此，本次設(shè)計(jì)選用 32MPa 壓力的合 成氨流程。又因操作壓力低，氨的合成效率低，分離較困難，流程復(fù)雜。 氮?dú)鈦?lái)源于空氣，可以在低溫下將空氣液化、分離而得，或者在制氫過(guò)程中直接加入空氣來(lái)解決。 主要原料規(guī)格 (1) 合成塔進(jìn)口氣體組成 合成塔進(jìn)口氣體組成包括氫氮比、惰性氣 體含量與初始氨含量。惰性氣體的存在，無(wú)論從化學(xué)平衡還是動(dòng)力學(xué)上考慮均屬有弊。由于原料氣制備與凈化方法不同，新鮮氣中惰性氣體含量也各個(gè)相同，循環(huán)氣中所控制的惰性氣體含量也有差異。為過(guò)分降低冷凝溫度而過(guò)多地增加氨冷負(fù)荷在經(jīng)濟(jì)上也并不可取。硫化物是各種催化劑的毒物，硫化氫能腐蝕設(shè)備管道。 氨氣和液氨 氨氣是一種具有強(qiáng)烈刺激臭味的無(wú)色氣體 , 易被液化成藍(lán)色液體。如在氨氣濃度不大的環(huán)境中，停留時(shí)間不長(zhǎng)，而且能及時(shí)離開(kāi)環(huán)境，到空氣新鮮的地方去，上述的癥狀可漸漸消失。 合成氨生產(chǎn)中合成工段經(jīng)常接觸的液體毒物有液氨、氨水等。對(duì)于成品氨罐放空的氣態(tài) NH3 可引入冰機(jī)中進(jìn)行加壓冷凝，不僅回收了 NH3，同時(shí)也不會(huì)造成環(huán)境的污染 [3]。 要減少?gòu)U水和工藝?yán)淠褐械?COD 的排放，可改進(jìn)生產(chǎn)工藝，使廢水排放減少，建設(shè)特生化處理裝置，進(jìn)行廢水處理，使廢水中的 COD 含量達(dá)到國(guó)家控制標(biāo)準(zhǔn) [6]。未合成為氨的氫氮混合氣體繼續(xù)在合成系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)使用。但是，只要我們能充分認(rèn)識(shí)這一客觀規(guī)律并掌握這一客觀規(guī)律就能做到安全生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)。 由于采用壓縮機(jī)的型式、氨分冷凝級(jí)數(shù)、熱能回收形式以及各部分相對(duì)位置的差異，而形成不同的工業(yè)生產(chǎn)流程 ，但實(shí)現(xiàn)氨合 成過(guò)程的基本工藝步驟是相同的。除油的方法是壓縮機(jī)每段出口處設(shè)置油分離器，并在氨合成系統(tǒng)設(shè)置濾油器。在開(kāi)工或反應(yīng)不能自熱時(shí)，可利用塔內(nèi)電加熱爐或塔外加熱爐供給熱量。以水和氨冷卻氣體的過(guò)程是在水冷器和氨冷器中進(jìn)行的。 (4)氣體的循環(huán) 氫氮混合氣經(jīng)過(guò)氨合成塔以后，只有一小部分合成為氨。循環(huán)機(jī)進(jìn)出口壓差約為 20～ 30 大氣壓，它表示了整個(gè)合成循環(huán)系統(tǒng)阻力降的大小。放空氣中的氨可用水吸收法或冷凝法加以回收，其余的氣體一股可用作燃料。 (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。氨合成壓力高對(duì)合成反應(yīng)有利 , 但能耗高。 合成反應(yīng)熱回收是必需的 , 是節(jié)能的主要方式之一。 3 生產(chǎn)流程簡(jiǎn)述 氣體從冷交換器出口分二路、一路作為近路、一路進(jìn)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(jìn)入氣氣換熱器冷氣入口，通過(guò)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(lái)經(jīng)過(guò)新鮮氣濾油器的新鮮氣氫氣、氮?dú)鈺?huì)合進(jìn)入氨冷器，被液氨蒸發(fā)冷凝到 5～ 10℃，被冷凝的氣體再次進(jìn)入冷交，在冷交下部氣液分離，液氨送往氨庫(kù)氣體與熱氣體換熱后再次出塔，進(jìn)入合成塔再次循環(huán)。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)。(0i)=L(21i)/L(21): 入口液體中氨含量 m180。(0H2)= 100﹪ =% 入口液體中氮 氣含量 m180。 圖 42 系統(tǒng)示意圖 由前計(jì)算數(shù)據(jù)如下表： 表 415 各組分的含量 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 ┉┉┉┉┉┉① 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 ┉┉┉┉┉┉② 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 + ┉┉┉┉┉┉③ 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 + ┉┉┉┉┉┉④ 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= V 出 + V 補(bǔ) － V 放 ┉┉┉┉┉┉⑤ 聯(lián)立 ①②③④⑤ 各式解得： V 放 = m３ 。 即 V8=V9=V10= m3 水冷器物料計(jì)算 進(jìn)器物料：水冷器進(jìn)氣物料等于熱交換器出口物料，即 V10 入 = m3 出器物料：在水冷器中部分氣氨被冷凝；由氨分離器氣液平衡計(jì)算得氣液比(V/L)=,有如下方程 : V11 出 /L11 出 =(V/L)= ┉┉┉┉┉┉① V11 出 +L11 出 =L10 入 = ┉┉┉┉┉┉② 將 V11 出 = 出 帶入 ② 得 : L11 出 = m3 V11 出 = m3 出口氣 體組分由 V11i=V11 出 y11i得 : 其中， NH3 V11NH3=%= CH4 V11CH4=% = Ar V11Ar= % = H2 V11H2=% = N2 V11N2=% = 出口液體各組分由 L11i=V8iV11i 其中， NH3 L11NH3= = CH4 L11CH4= = Ar L11Ar= = H2 L11H2= = N2 L11N2= = 氨分離器物料計(jì)算 進(jìn)器物料：氨分離器進(jìn)器總物料等于水冷器出口氣液混合物總物料 即 V11=V11 出 +L11 出 = + = m3 出器物料：氣液混合物在器內(nèi)進(jìn)行分離，分別得到氣體和液體 出器氣體 V12＝ V11 出 ＝ m3，出器液體 L15＝ L11 出 ＝ m3 氨分離器出口氣體放空 V13= m3 其中， NH3 V13NH3=% = CH4 V13CH4=% = Ar V13Ar= % = H2 V13H2=% = N2 V13N2=% = 冷交換器物料計(jì)算 進(jìn)器物料：進(jìn)器物料等于氨分離器出口氣體物料減去放空氣量 V14=V12V13= = m3 其中， NH3 V14NH3= % = m3 CH4 V14CH4= % = m3 Ar V14Ar= %= m3 H2 V14H2= % = m3 N2 V14N2= % = m3 出器物料（熱氣）： 設(shè)熱氣出口溫度 17℃ 查 t=17℃ ,P= 氣相平衡氨含量 y NH3=﹪，計(jì)算熱氣出口冷凝液氨時(shí)，忽略溶解在液氨