【文章內(nèi)容簡介】 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。 國內(nèi)合成氨工業(yè)發(fā)展建國前，我國國內(nèi)內(nèi)的合成氨工業(yè)基礎(chǔ)非常薄弱，規(guī)模小，廠家少，并且技術(shù)落后。建國后，合成氨工業(yè)發(fā)展很快，產(chǎn)量也不斷增加。中國的合成氨工業(yè)是在20世紀30年代開始的，當時僅在南京和大連兩地建有規(guī)模不大的兩個合成氨工廠，此外在上海還有 一個電解水制氫生產(chǎn)合成氨的小型車間，全國年產(chǎn)量不到1萬噸。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。在原料方面，由單一的焦炭發(fā)展到煤、天然氣、焦爐氣、石油煉廠氣、輕油和重油等多種原料制氫。研制并生產(chǎn)多種合成氨工藝所需的催化劑，在品種、產(chǎn)量和質(zhì)量上都能滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求，一些品種的質(zhì)量已達到國際先進水平；我國已完成大型合成氨廠的設(shè)計及關(guān)鍵設(shè)備的制造。具有因地制宜特點的我國小型合成氨工業(yè)，經(jīng)過多年的改進，工藝日趨完善，能耗也有明顯降低。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。在技術(shù)力量方面，我國已擁有一支能從事合成氨生產(chǎn)的科研、設(shè)計、制造和施工的高素質(zhì)技術(shù)隊伍。在生產(chǎn)能力方面，1980年中國合成氨產(chǎn)量為1498萬噸，到1990年上升至2129萬噸，僅次于前蘇聯(lián)名列世界第二。1994年中國氨產(chǎn)量達到2442萬噸，2005年中國氨產(chǎn)量為4596萬噸，2007年中國合成氨產(chǎn)量已超過5000萬噸，從1994年后中國合成氨產(chǎn)量位列世界第一[4]。 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(xué)技術(shù)和近代化學(xué)合成工業(yè)的發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的進步和生產(chǎn)能力的不斷發(fā)展，合成氨工業(yè)在國民經(jīng)濟中的基礎(chǔ)作用必將日益顯著。展望21世紀，合成氨裝置將繼續(xù)朝著大型化、集中化、自動化、低能耗與環(huán)境友好型方向發(fā)展，并形成具有一定規(guī)模的生產(chǎn)中心，單系列合成氨裝置的能力將從1000～1350t/d提高至1500～2000t/d[5]。合成氨生產(chǎn)包括三個主要步驟：第一步是制造含氮和氫的原料氣；第二步是將原料氣進行凈化處理，以除去各種雜質(zhì)和有毒成分，從而獲得純凈的氮氫混合氣體；第三步是氨的合成。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]。21世紀，由于能源危機、清潔環(huán)保因素的制約，而且近年來提倡的低碳生活，根據(jù)合成氨技術(shù)發(fā)展的情況分析, 未來合成氨的基本生產(chǎn)原理將不會出現(xiàn)原則性的改變,其技術(shù)發(fā)展將會繼續(xù)緊密圍繞“降低生產(chǎn)成本、提高運行周期, 改善經(jīng)濟性”的基本目標,進一步集中在“大型化、低能耗、結(jié)構(gòu)調(diào)整、清潔生產(chǎn)、長周期運行”等方面進行技術(shù)的研究開發(fā)。在這種大環(huán)境下，最理想的原料氣就是天然氣，也是下一階段合成氨的清潔技術(shù)方面發(fā)展的重點。過去被合成氨工業(yè)認為沒有太多困難的環(huán)境保護問題，由于對污染控制變得日益嚴格，一些認為已經(jīng)解決的問題，現(xiàn)在又得重新加以評價。特別是近年來因地球氣候日益變暖而提出的對溫室效應(yīng)的控制，將會對二氧化碳的排放加以嚴格限制。所有這些新舊問題對合成氨工業(yè)的發(fā)展，都會起到舉足輕重的影響。 合成氨工段設(shè)計主要參數(shù)計算的主要內(nèi)容合成氨的生產(chǎn)工藝主要分為原料氣的制取和原料氣的凈化以及氨的合成。 氨的合成是全工段的中樞，是合成氨廠的最后一道工序，它的任務(wù)是在一定溫度、壓力及催化劑存在的條件下，由凈化工段過來的合成氣（N2+H2）進入合成塔在催化劑的作用下開始氨的合成，其后便是液氣分離，得到液氨產(chǎn)品和未反應(yīng)的氣體做循環(huán)氣使用，氨合成的反應(yīng)的化學(xué)方程式是： 由反應(yīng)方程式可以看出氨的合成具有如下幾個特點：①可逆反應(yīng) ② 放熱反應(yīng) ③ 體積縮小的反應(yīng) ④ 反應(yīng)需要有催化劑才能較快的進行故對于這次畢業(yè)設(shè)計的主要環(huán)節(jié)包括：(1) 對合成氨工段的工藝資料進行綜合整理； (2) 合成工段中各個反應(yīng)設(shè)備的物料衡算和熱量衡算，包括合成塔、水冷器、廢熱鍋爐、熱交換器、冷交換器、氨冷器以及液氨貯槽；(3) 合成工段合理利用熱能；(4) 制定變換工段的工藝流程，并繪制工藝流程圖；(5) 主要的設(shè)備選型及計算；(6) 安全因素、經(jīng)濟效益方面等；(7) 廠房與設(shè)備布置。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。升溫后從冷氣出口出來分五路進入合成塔、其中三路作為冷激線分別調(diào)節(jié)合成塔。二、三、四層(觸媒)溫度，一路作為塔底副線調(diào)節(jié)一層溫度，另一路為二入主線氣體，通過下部換熱器管間與反應(yīng)后的熱氣體換熱、預(yù)熱后沿中心管進入觸媒層頂端，經(jīng)過四層觸媒的反應(yīng)后進入下部換熱器管內(nèi)，從二次出口出塔、出塔后進入廢熱鍋爐進口， 蒸氣送去管網(wǎng)，從廢熱鍋爐出來后分成二股，一股進入氣氣換熱器管內(nèi)與管間的冷氣體換熱，另一股氣體進入鍋爐給水預(yù)熱器在管內(nèi)與管間的脫鹽，脫氧水換熱，換熱后與氣氣換熱器出口氣體會合，一起進入水冷器。在水冷器內(nèi)管被管外的循環(huán)水冷卻后出水冷器，進入氨分離器，部分液氨被分離出來，氣體出氨分離器，進入透平循環(huán)機入口，經(jīng)加壓后進入循環(huán)氣濾油器出來后進入冷交換器熱氣進口。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)。合成氨合成工藝流程見圖21。圖21 工藝流程圖 原始條件 （1） 年產(chǎn)10萬噸，年產(chǎn)時間扣除檢修時間后按300天計算， （2） 新鮮補充氣組成如表21。表21 新鮮補充氣組成組分H2N2CH4Ar總計含量/% （3） 合成塔入口氨含量：NH3=% （4） 合成塔出口氨含量：NH3=% （5） 合成塔入口惰性氣體含量：CH4+Ar=15% （6） 合成塔操作壓力：30MPa （7） 精煉氣溫度：35℃1.——精煉氣。 13——放空氣。 20——弛放氣。 ——液氨。其余各節(jié)點為循環(huán)氣圖22 計算物料點流程 物料衡算 合成塔物料衡算 （1） 合成塔入塔氣組分： 入塔氨含量： yNH3=%； 入塔甲烷含量：y5,CH4=%%/(+) 100%=% 入塔氫含量： y5,H2=[100(+15)] 3/4100%=% 入塔氬含量： y5,Ar=15%%=% 入塔氮含量： y5,N2=[100(+15)] 1/4100%=%將入塔組分歸入表22。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23 出塔氣體組分含量/%組分NH3H2N2CH4Ar總計含量132 100（3） 氨的合成率：合成率 氨分離器氣液平衡計算氨分離器進口氣體組成等于合成塔出口氣體組成及氨分離器入口混合物組分如表24所示。表24 氨分離器入口混合氣體組分m（i）組分NH3H2N2CH4Ar總計含量 查t=35℃，P=，見表25所示。表25 各組分平衡常數(shù)K（i）[6]KNH3KH2KN2KCH4KAr設(shè)時，代入L總=LNH3+LCH4+LH2+LN2+LAr=分離氣體量：V=1－=計算液氣比誤差，符合要求，故結(jié)果合理從而可計算液體中各組分含量，由式 x（i）=L（i）/L 可得液體中各組分的含量，將計算結(jié)果匯入下表26。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。表27 氨分離器出口氣體含量/%組分NH3H2N2CH4Ar總計yi,12/% 冷交換器氣、液平衡計算冷交換器各組分平衡常數(shù)在t=10℃，p=，見表28。表28 冷交換器各組分的平衡常數(shù)[6]組分NH3H2N2CH4ArKi冷交換器出口液體組分含量：出口液體氨含量： x16，NH3=yNH3/KNH3=%同理： x16，H2=%x16，N2=%x16，CH4=%x16，Ar=%將冷交換器出口液體組分含量歸入表29。表29 冷交換器出口液體組分含量組分NH3H2N2CH4Ar總計xi,16/% 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，即弛放氣。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)。%冷交，%。以貯槽進口1kmol液體為計算基準，進口液體的組成由下式計算：得到進入氨貯槽的液氨組成匯入表210。表 210氨貯槽的液氨組成組分NH3H2N2CH4Ar總計z21,i/% 當t=17℃，P=，計算得熱平衡常數(shù)歸入表211。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。出口液體組分含量： 出口液體氨含量： xNH3=LNH3/L=100%=% 出口液體甲烷含量： xCH4=LCH4/L=100%=% 出口液體氬含量： xAr=LAr/L=100%=% 出口液體氫氣含量： xH2=LH2/L=100%=% 出口液體氮氣含量： xN2=LN2/L=100%=%將液氨貯槽出口液氨組分歸入表212。表212 液氨貯槽出口液氨組分（%）NH3CH4ArH2N2小計出口弛放氣組分含量： 弛放氣氨含量： yNH3=(z21,NH3LNH3)/V=()/100%=% 弛放氣甲烷含量： yCH4=(z21,CH4LCH4)/V=()/ 100%=% 弛放氣氬含量： yAr=(z21, ArLAr)/V=()/ 100%=% 弛放氣氫氣含量： yH2=(z21,H2LH2)/V=()/ 100%=% 弛放氣氮氣含量： yN2=(z21,N2LN2)/V=()/ 100%=%將出口馳放氣組分含量歸入表213。表213 出口弛放氣組分含量（%）NH3CH4ArH2N2小計100 液氨貯槽物料計算以液氨貯槽出口一噸純液氨為基準折標立方米計算液氨貯槽出口液體量L19=1000(17)=其中， NH3 ，L19,NH3=L19NH3x19NH3=﹪= m3 CH4，L19,CH4=L19,CH4x19,CH4=﹪= m3 Ar ，L19,Ar=L19,Arx19,Ar=﹪= m3 H2 ，L19,H2=L19,H2x19,H2=﹪= N2 ，L19,N2=L19,N2x19,N2=﹪= 液氨貯槽出口弛放氣（V/L）=V20=L19== m３其中， NH3 ，V20,NH3=V20,NH3y20,NH3=﹪= m3CH4，V20,CH4=V20,CH4y20,CH4= ﹪= m3Ar ，V20,Ar=V20Ary20,Ar= ﹪= m3H2 ，V20,H2=V20,H2y20,H2= ﹪=N2 ，V20,N2=V20,N2)y20,N2= ﹪= m3 液氨貯槽出口總物料=L19+ V20=+= m3 液氨貯槽進口液體： 由物料平衡，入槽總物料=出槽總物料，L21=L19+V20= m3 入口液體各組分