【正文】 Q KJ熱 量 ， /M kg km o l摩 爾 質 量 ， /I K J kg冷 凝 熱 ， n 數 量 K 絕 熱 指 數 p MPa壓 強 ， N K W壓 縮 功 ， rm半 徑 ， Z 壓 縮 系 數 /RH KJ km ol反 應 焓 ， T 溫 度 ， ℃ 2Fm傳 熱 面 積 ， 3Vm體 積 ， ? ?2 /K J m h? ?傳 熱 系 數 ， m? 直 徑 ， y 氣 相 摩 爾 分 數 /W kg h重 量 流 量 ， / ( )K J m h? ??導 熱 系 數 ， ℃ λ 摩 擦 系 數 a cP s P? ?粘 度 ， 或 P r 普 蘭 特 常 數 3 /kg mρ 密 度 ， /Q K J h熱 負 荷 ， 2 ( ) /R m h KJ??污 垢 系 數 ， ℃ x 液 相 摩 爾 分 數 年產 20 萬噸合成氨合成工段工藝設計課程設計說明書 9 第一章 總 論 概述 氨是一種重要的含氮化合 物。 本設計要求要掌握合成塔的工作原理，生產的工藝路線，并能根據工藝指標進行操作 計算。 4. 氮肥工藝設計手冊 理化數據分冊，石油化學工業(yè)出版社， 1977。年產 20 萬噸合成氨合成工段工藝設計課程設計說明書 1 太 原 理 工 大 學 課 程 設 計 任 務 書 課程設計題目： 年產 20萬噸合成氨合成工段工藝設計 課程設計要求： 設計采用中壓兩級分氨流程，年產 20 萬噸合成氨合成工段的工藝設計。 二．參考文獻 1 中國環(huán)球化學工程公司編 . 氮肥工藝設計手冊 [M].1985 2 郝曉剛等編著 . 化工原理課程設計 . 北京：化學工業(yè)出版 社， 2020 年產 20 萬噸合成氨合成工段工藝設計課程設計說明書 2 3 陳甘棠主編 .化學反應工程 [M]. 第三版 .北京：化學工業(yè)出版社 .1990（ 11） 4 黃璐 . 化工設計 . 北京：化學工業(yè)出版社， 2020 5 陳五平主編 .無機化工工藝學 .第三版 . 北京：化學工業(yè)出版社， 1985 6 姜勝階 .合成氨工學【 J】 .石油化學工業(yè)出版社， 1978（ 7） 7 湖北華工設計院 .氨合成塔 【 J】 .石油化學工業(yè)出版社， 1977(12) 8 化學工業(yè)出版社組織編寫 .中國化工產品大全 [M].第二版上卷 . 9 司航主編 .化工產品手冊 [M].第三版 .北京：化學工業(yè)出版社 . 10 李祥君著 .新編精細化 工產品手冊 [M].北京：化學工業(yè)出版社 .1996. 11 萬家亮 曾勝年主編 .分析化學 [M].第三版 . 北京：高等教育出版社 .2020（ 6）． 12 天津化工研究院編 .無機與工業(yè)手冊 【 M】 .北京 :化學工業(yè)出版， 1988(2) 13 江壽建 . 化工廠共用設施設計手冊 . 北京：化工工業(yè)出版社， 2020 14 時 均等 . 化學工程手冊 . 北京：化學工業(yè)出版社， 1996 15 趙國方 . 化工工藝設計概論 . 北京：原子能出版社， 1990 16 化工工程師手冊編輯委員會 . 化學工程師手冊 . 北京：機械工業(yè)出版社， 2020 17 陳敏 恒等 . 化工原理，上下冊 . 北京：化學工業(yè)出版社， 1985 18 吳志泉等 . 化工工藝計算，物料、能量衡算 . 上海：華東理工大學出版社， 1992 18 倪進方 . 化工過程設計 . 北京：化學工業(yè)出版社， 1999 專業(yè)班級 化學工程與工藝 0802 班 學生 李林豪 組別 第四組 組員 李林豪 李旭 連文豪 馬楠 宋路華 要求設計工作起止日期 ～ 指導教師簽 字 日期 系主任批準簽字 日期 年產 20 萬噸合成氨合成工段工藝設計課程設計說明書 3 前 言 《化工設計》課程設計是培養(yǎng)學生化工設 計能力的重要教學環(huán)節(jié)，通過課程設計使我們初步掌握化工設計的基礎知識、設計原則及方法；學會各種手冊的使用方法及物理性質、化學性質的查找方法和技巧；掌握各種結果的校核，能畫出工藝流程、各類塔結構等圖形。在工藝計算過程中，包含物料衡算，熱量衡算及設備選型計算等。氮是蛋白質質中不可缺少的部分，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，沒有蛋白質，就沒有生命。氨也是非常重要的工業(yè)原料，在化學纖維、塑料工業(yè)中，則以氨、硝酸和尿素作為氮元素的來源生產己內酰胺、尼龍丙烯腈等單體和尿醛樹脂等產品。氨在水中的溶解度隨壓力增大年產 20 萬噸合成氨合成工段工藝設計課程設計說明書 10 而降低。 在常溫常壓下 ， 氨與空氣爆炸 極 限為 15%～ 28%(NH3)。根據所用汽化劑的不同，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，又稱為吹風氣。第一次世界大戰(zhàn)結束后 ,轉向為農業(yè)、工業(yè)服務。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有裝置或建設天然氣化肥基地。合成氨生產中副產大量的二氧化碳，不僅可用于冷凍、飲料、滅火，也是生產尿素、純堿、碳酸氫銨的原料。 ⑶ 必須借助觸媒，以加快反應速度。 (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 ℃ 。 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。氨合成壓力的高低，是影響氨合成生產中能量消耗的主要因素之一。因此從化學平衡角度考慮，應盡可能采用較低的反應溫度。在實際生產中，應盡可能沿著最佳溫度曲線進行。 在其他條件一定時，增加空間速度能提高合成氨的生產強度。 流程設計在于合理地配置上述幾個步驟，以便得到較好的技術效果，同時在生產上穩(wěn)定可靠。從氨的合成反應動力學機年產 20 萬噸合成氨合成工段工藝設計課程設計說明書 17 理可知，氮的活性吸附是合成氨反應過程速度的控制步驟，因此適當提高氮氣濃度，對氨合成反應速度有利。 循環(huán)氣體中惰性氣體的控制還與操作壓力和催化劑活性有關。但將進口氨含量降的過低，會導致冷凍功耗增加過多，經濟上并不可取。氣體在管內流動，液氨在管外蒸發(fā)，由于氨大量蒸發(fā)吸收了混合氣的熱量，使管內氣體進一步冷卻至 10℃ ，出氨冷器后的氣液混合物，在冷交換器的下部用氨分離器將液氨分離。 ○ 2 流程簡單，設備投資抵。兩種液體百分比估算值，即水冷后分離液氨占總量的 百 分數 。1 1 . 1 1 0 1 1 . 1 0 51 0 0 % 1 0 0 % 0 . 0 4 5 %1 1 . 1 1 0VVLLVL??? ?????? ? ? ? ?誤 差 結果合理從而可計算出液體中各組分含量： 液體中氨含量： 33 78 99 10 0% = 95 .61 8% 82 61NHNH Lx L? ? ? 液體中氬含量： rr 0 . 0 0 0 1 3 1 0 0 % = 0 . 1 5 7 %0 . 0 8 2 6 1AA Lx L? ? ? 液體 中甲烷含量： 44 01 43 10 0% = 31 % 82 61CHCH Lx L? ? ? 液體中氫含量： 22 100% = % Lx L? ? ? 液體中氮含量： 22 100% = % Lx L? ? ? 表 416 氨分離器出口液體含量（ %） NH3 CH4 Ar H2 N2 小計 分離氣體組分含量： 氣體氨含量 333 100% % H N HNH mLy V? ?? ? ? ? 氣體甲烷含量 444 100% % H C HCH mLy V? ?? ? ? ? 氣體氬含量 0 . 0 3 9 3 5 0 . 0 0 0 1 3 1 0 0 % 4 . 2 7 5 %0 . 9 1 7 3 9A r A rAr mLy V??? ? ? ? 氣體氫含量 222 98 38 01 63 10 0% 54 .14 8% 17 39HHH mLy V? ?? ? ? ? 氣體氮含量 222 66 12 00 43 10 0% 18 .06 1% 17 39NNN mLy V? ? ? ? 年產 20 萬噸合成氨合成工段工藝設計課程設計說明書 25 表 417 氨分離器出口氣體含量（ %） NH3 CH4 Ar H2 N2 小計 100 冷交換器氣液平衡計算： 根據氣液平衡原理 ii iyx K?，由于冷交換器第二次出口氣體 含量等于合成塔進口氣體含量，由合成塔入口氣體含量 iy 和操作條件下的分離溫度可查出iK ，便可解出 ix 。 冷交換器和氨分離器內的液氨，經液位調節(jié)系統(tǒng)減壓后送往液氨貯槽。 年產 20 萬噸合成氨合成工段工藝設計課程設計說明書 18 第三章 工藝流程簡述 合成工段工藝流程簡述 由 氮氫氣壓縮機送來的 35℃的新鮮氣，在 油分離器中與循環(huán)機來的循環(huán)氣混合，除去氣體中 的 油、水及其雜質。冷凝溫度越低，分離效果越好，則進塔氣 體中氨含量也就越低。排放量多，可以使合成系統(tǒng)惰性氣體含量降低，氨的合成率提高。 合成塔進口氣的組成 合成塔進口氣體組成包括氫氮比、惰性氣體含量和塔進口氨含量。目前，國內一些小型合成氨廠合成壓力在 30 MPa 左右的，空間速度選擇在 2020~3000 每小時之間?？臻g速度增加，氣體與催化劑接觸時間減少，反應物來不及反應就離開了反應區(qū)域，因此將是合成塔出口氣體中氨含量降低，即氨凈值降低。在合成氨生產過程中，對應于任意一個瞬時轉化率都存在一個最大的反應速率的溫度，即最佳溫度。目前我國中小型合成氨廠合成操作壓力大多采用20~32 MPa。年產 20 萬噸合成氨合成工段工藝設計課程設計說明書 15 壓力增加平衡常數增大，因而平衡氨含量也增大。 (3) 中壓法 操作壓力為 20～ 35 MPa 的稱為中壓法，操作溫度為 450～ 550 ℃ 。也可用磁鐵礦作催化劑，操作溫度 450～ 550 ℃ 。 年產 20 萬噸合成氨合成工段工藝設計課程設計說明書 13 第二章 流程方案的確定 生產原理 氨是由氣態(tài)氮和氫在適宜溫度壓力 ,并有觸媒的作用下發(fā)生反應的 ,其反應式為： 2 2 331 4 6 .2 2 22H N NH KJ? ? ? 此式為一不可逆，放熱，體積縮小的反應，其反 應過程為： 2 2 3 32 2 2 2 2N N NH NH NH NH? ? ? ? ?（ 擴 散 ） （ 吸 附 ） （ 吸 附 ） （ 吸 附 ） （ 附 ） （ 擴 散 到 氣 相 ）氨合成的反應特點： ⑴ 反應過程要在高壓下進行，壓力越高，越有利于氨的合成。合成氨成本中能源費用占較大比重，合成氨生產的技術改進重點放在采 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、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。建議針對不同企業(yè)采用不同的技術路線。 文 獻綜述 合成氨工業(yè)是氮肥工業(yè)的基礎， 也是一些工業(yè)部門的重要原料，它的迅速發(fā)展促進了一系列科學技術和化學合成工業(yè)的發(fā)展，隨著科學技術的發(fā)展， 合成氨工業(yè)在國民經濟中的作用必將日益顯著。這種生成的混合氣稱為煤氣。 氨的化學性質 ⑴ 氨與氧在催化劑作用下生成氮的氧化物 ,并能進一步與水作用 ,制得硝酸： 3 2 24 5 4 6N H O N O H O? ? ? ⑵ 氨與酸或酐反應生成鹽類 ,是制造氮肥的基本反應： 3 2 4 4 2 42)N H H SO N H SO??（ 3 3 4 3 NH