【文章內(nèi)容簡介】 環(huán)冷卻回水冷卻上水油雜質(zhì)液氨液氨：合成氨工藝流程圖 中壓法合成氨工藝流程條件化學(xué)反應(yīng)方程式： N2 + 3H2 → 2NH3 ΔHθ = 氨的合成反應(yīng)是放熱可逆和體積縮小的反應(yīng)，在催化劑的活性溫度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)化率很低，為了提高轉(zhuǎn)化率，反應(yīng)需在高壓下進(jìn)行。由于轉(zhuǎn)化率仍舊較低，因而，采用了循環(huán)流程，原料的利用率是很高的。因此，氨合成過程中除了考慮平衡氨含量外，主要優(yōu)化目標(biāo)不是原料利用率，而是降低動力消耗和提高設(shè)備的生產(chǎn)強(qiáng)度。這些技術(shù)經(jīng)濟(jì)問題，必將是在討論工藝條件、合成塔構(gòu)造以及生產(chǎn)流程時將起著決定性的影響。 壓強(qiáng) 提高壓強(qiáng)有利于提高平衡氨的濃度，也有利于加快反應(yīng)速率。同時壓力高時，氨分離流程還可以簡化。但高壓動力消耗大，對設(shè)備材料和加工制造要求高；高壓和較高的溫度下，催化劑使用壽命較短。由于采用的是中壓法，壓強(qiáng)一般在20~35Mpa之間。 溫度氨的合成是氣固催化反應(yīng)，最優(yōu)的工藝條件必須根據(jù)催化劑的性能而定。催化劑對工藝條件的限制，主要是活性溫度。由于氨的合成是可逆放熱反應(yīng)，最優(yōu)反應(yīng)溫度由高而低地變化著。生產(chǎn)上選用的反應(yīng)溫度就是催化劑的活性溫度（400~520 ℃ ）。 空間速度空間速度是指單位時間內(nèi)通過單位體積催化劑的氣體量（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積），單位是 m3m3h1 。空間速度的倒數(shù)為平均逗留時間，例如空間速度30000的平均逗留時間是3600/30000=。 氫氮比化學(xué)動力學(xué)指出，氮的活性吸附是控制階段，氫氮比低于3時比較有利。實驗證明，在32MPa、450 ℃、~、空速為24000h1的條件下，出口氨濃度最大。生產(chǎn)上為了追求高速率，同時又要保持生產(chǎn)穩(wěn)定，可以采取這種辦法：新鮮氣體的氫氮比等于3，循環(huán)氣體略低于3。 進(jìn)塔氣中惰氣的含量為了控制惰氣的含量不超過一定限度，生產(chǎn)上采取放掉一部分循環(huán)氣體的辦法。然而循環(huán)氣的弛放量越多，原料氣的損失也就越多。因此，進(jìn)塔氣中的最優(yōu)惰氣含量應(yīng)該在原料利用率和反應(yīng)速率的經(jīng)濟(jì)效益對比中確定。 催化劑的粒徑在以鐵為主的催化劑（鐵系催化劑）有催化活性高、壽命長、活性溫度范圍大、價廉易得、抗毒性好等特點，廣泛地被國內(nèi)外合成氨廠家采用。催化劑的活性成分是金屬鐵，而不是鐵氧混合物。使用前用氫氮混合氣對催化劑還原，使鐵氧化物還原為具有較高活性的a型氧化鐵。它們疏松地附在氧化鋁的骨架上，還原前后表現(xiàn)容積并無顯著改變，因此，除去氧后的催化劑便成為多孔的海綿狀結(jié)構(gòu)。催化劑的顆粒密度（表面密度）與純鐵的密度（）相比要小得多，說明孔隙率是很大的，一般孔呈不規(guī)則樹枝狀。還原態(tài)催化劑的內(nèi)表面積約為4~6m2/g。反應(yīng)初期，反應(yīng)溫度在440~470176。C范圍內(nèi)，~。在反應(yīng)后期。反應(yīng)溫度在420~440176。C范圍內(nèi)，使用粒徑8~16mm的催化劑較為合理。 中壓法合成氨工藝流程闡述由壓縮機(jī)送來的新鮮氮氫混合氣先在氨冷器I中降溫，從30~45℃降到0~5℃，然后入濾油器與循環(huán)壓縮機(jī)來的循環(huán)氣匯合之前，在濾油器內(nèi)除去這兩部分氣體的油、水等雜質(zhì)，同時，新鮮氣帶入的微量CO2和H2O也會與循環(huán)氣中的NH3作用生成碳酸氫銨結(jié)晶（NH4HCO3），一并在濾油器中除去。從濾油器出來的氣體，溫度為20~35℃，進(jìn)入冷凝器上部的熱交換器管內(nèi)，在此處被從冷凝塔下部氨分離器上升的冷氣體間接降溫到10~20℃，然后進(jìn)入氨冷器II，在氨冷器II內(nèi)，氣體在高壓盤管內(nèi)流動，液氨在管外蒸發(fā)而吸取了熱量。管內(nèi)氣體進(jìn)一步被冷卻到5~5度，并使循環(huán)氣體中的氣氨進(jìn)一步冷凝為液氨。氨冷器出來帶有液氨的循環(huán)氣，進(jìn)入冷凝塔下部的氨分離器，以分離液氨。在此，氣體中殘存的微量水蒸氣、油及碳酸氫銨，也被液氨洗滌隨之除去。除氨后的循環(huán)氣上升至上部熱交換器的管間，被管內(nèi)的熱氣體預(yù)熱至20~40℃出冷凝塔，分兩路進(jìn)入合成塔，一路是主線（大量）經(jīng)主閥由塔頂入塔，另一路副線（其量由反應(yīng)溫度需要而定）經(jīng)副閥從塔底進(jìn)入作調(diào)節(jié)催化劑層溫度之用。進(jìn)合成塔的循環(huán)氣中，%~%。自合成塔出來的氣體，溫度在230度以下，含氨量13%~17%，經(jīng)水冷器間接冷卻至25~50℃，使大部分氣氨初步液化。從水冷器出來帶有液氨的循環(huán)氣，進(jìn)入氨分離器分離液氨。在氨分離器的氣體出口管上設(shè)有放空管，可排放惰性氣體。從氨分離器出來的氣體進(jìn)入循環(huán)壓縮機(jī)，經(jīng)壓縮補(bǔ)償系統(tǒng)壓力損失以后，又開始下一個循環(huán)，如此實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。同時，從氨分離器和冷凝塔不斷地分離出液氨。~，由液氨管道送往液氨倉庫。 中壓法合成氨工藝流程論證 凈化后的新鮮原料氣在與循環(huán)氣混合之前先降溫，從30℃~45℃降到0℃~5℃，以降低氣體中水和油的分壓；同時在油過濾器后增設(shè)氨冷器II，將補(bǔ)充氣在進(jìn)入氨冷器II之前與循環(huán)氣匯合，在濾油器內(nèi)除去這兩部分氣體的油、水等雜質(zhì)，同時，新鮮氣帶入的微量CO2和H2O也會與循環(huán)氣中的NH3作用生成碳酸氫銨結(jié)晶（NH4HCO3），一并在濾油器中除去，然后進(jìn)入分離器分離。為使氣體到氨合成時所要求的壓力，需將經(jīng)過精制凈化除去有害成分的氫氮混合原料氣經(jīng)壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮，由于壓縮后氣體中夾帶油霧，新鮮原料氣的引入循環(huán)壓縮機(jī)的位置均不宜在氨合成塔之前，需經(jīng)濾油器除油后再引入合成塔。同時循環(huán)壓縮機(jī)還應(yīng)盡可能設(shè)置在流程中氣量較小，溫度較低的部位，以降低功耗。為避免氣體帶油，目前已推廣無油潤滑的往復(fù)式壓縮機(jī)或采用離心式壓縮機(jī)，以便從根本上解決氣體帶油問題，并使流程簡化。氫氮混合氣體需預(yù)熱到接近反應(yīng)溫度后進(jìn)入催化劑層，才能維持氨合成反應(yīng)的正常操作，反應(yīng)前的氫氮混合氣是用反應(yīng)后的高溫氣體預(yù)熱的。這種換熱過程一部分在催化劑床層中通過換熱裝置進(jìn)行，另一部分在催化劑床層外的換熱設(shè)備中進(jìn)行。合成過程中的反應(yīng)熱有很大回收價值，還可以在反應(yīng)器之外設(shè)置廢熱鍋爐來副產(chǎn)蒸汽。進(jìn)入氨合成塔的氫、氮混合氣，一次通過催化劑層的單程轉(zhuǎn)化率是有限的，大部分氫氮氣并沒有反應(yīng)，所以必須將出合成塔氣體中氨分離出來，得到純凈的氨產(chǎn)品，同時將未反應(yīng)的氫氮氣體送入合成塔循環(huán)使用。從氫氮混合氣體中分離氨的方法大致有兩種： （1） 水吸收法 氨在水中溶解度很大，與溶液成平衡的氣相氨分壓也很小，因而用水吸收法分離氨的效果很好。但是氣相也會被水蒸氣飽和，為防止催化劑中毒，循環(huán)氣需嚴(yán)格脫除水分后才能循環(huán)送入合成塔。水吸收法得到的產(chǎn)品是濃氨水，若要制取液氨還必須經(jīng)過氨水蒸餾及氣氨冷凝等步驟而消耗一定的能量，所以工業(yè)上用該法分離氨的較少。 （2） 冷凝法 由于氣氨容易液化，在壓力條件下，采用一般降溫的方法就可使氣氨液化成液氨，而循環(huán)氣中其他氣體由于沸點很低，仍呈氣態(tài)，所以可使氨從中分離出來。但冷凝法不可能達(dá)到百分之百氨分離的目的，氨的液化分離效率與溫度、壓力及分離器的結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。例如操作壓力在45Mpa以上時，用水冷卻降溫即能使氨冷凝；操作壓力在20~30Mpa時，水冷降溫僅能分出部分氨，氣相尚含氨7%~9%，需進(jìn)一步以液氨作冷凍劑降溫到0度以下，才能使氣相中的氨含量降至2%~4%，以符合循環(huán)氣體回合成塔使用的條件。本流程圖中的氨分離器設(shè)置在水冷卻器之后，從合成塔出來的含氨量為14%~20%的混合氣體溫度在180℃~230℃之間，高溫混合氣通過水冷卻器內(nèi)被冷卻至20℃~40℃，部分氣氨被冷凝下來，進(jìn)入氨分離器中減壓分離出液氨。液氨在氨分離器中與循環(huán)氣體分開，減壓過程中溶解在液氨中的氫、氮氣及惰性氣體大部分可減壓釋放出來。然后通過循環(huán)壓縮系統(tǒng)壓縮作為補(bǔ)充氣與新鮮原料氣匯合。在合成塔中參加反應(yīng)的原料氫、氮量可用氨合成率來表示（氨合成率是參加反應(yīng)的氫氮量占反應(yīng)前氫氮量的百分?jǐn)?shù)），一般氨合成率只有25%，因而有75%的氫氮氣體為參加反應(yīng)，經(jīng)分離氨后的循環(huán)氣用循環(huán)壓縮機(jī)補(bǔ)充壓力，與新鮮原料氣匯合，重新進(jìn)入合成塔進(jìn)行反應(yīng)。 循環(huán)壓縮機(jī)進(jìn)出口壓差（即氣體增壓）約為2~3Mpa，它說明了整個合成循環(huán)系統(tǒng)阻力降得大小。采用循環(huán)法操作時，新鮮原料氣中的氫和氮會連續(xù)不斷地合成為氨，而惰性氣體除一小部分溶解于液氨中被帶出外，大部分會在循環(huán)氣中積累下來。因此，在工業(yè)生產(chǎn)中，常采用放空的方法，即將一部分含惰性氣體較高的循環(huán)氣體連續(xù)或間斷地排出氨合成系統(tǒng)，以維持循環(huán)氣體中惰性氣體含量穩(wěn)定。綜合以上特點，該工藝流程能夠?qū)崿F(xiàn)氨的合成工藝，能夠達(dá)到循環(huán)操作，連續(xù)不間斷的工藝效果，同時為能夠維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性，采用適當(dāng)?shù)姆趴?，具有一定的可行性。第三?物料衡算由本題目中要求產(chǎn)量為年產(chǎn)12萬噸，則以一年中除去維修時間后以一年330天計算，一天24小時，所以設(shè)每小時的氨產(chǎn)量為G： G= 合成塔物料衡算在本設(shè)計中以合成塔為例，作其物料衡算，：（數(shù)據(jù)為假設(shè)值） 各點處氣體組分氣體名稱H2 %N2 %CH4 %Ar %NH3 % 進(jìn)塔氣放空氣出塔氣 ….. ….8 … .6 …..4合 成塔H2 %+N2 %NH3 %對合成塔作物料衡算，以合成塔為依據(jù)，：：氨合成塔物料衡算 13 根據(jù)產(chǎn)量與合成塔進(jìn)出口氨含量，計算合成塔進(jìn)出口氣量及組成： 則： V進(jìn)=公式中 V進(jìn)—合成塔進(jìn)口氣量，kg/h； G—產(chǎn)量，kg/h； Z2—塔出口氣中的氨量，%； Z1—塔進(jìn)口氣中氨含量，% 。 V進(jìn)==(1+%)247。17(%4%)=V出= V進(jìn)G=247。17=有以上得出來的數(shù)據(jù)歸納出各點處氣體百分比，： 各點處氣體組分百分比氣體組成合成塔進(jìn)口氣體合成塔出口氣體N2H2CH4ArNH3%864100kgmol/h%=%=%=%=%=%100kgmol/h%=%=%= 水冷器物料衡算進(jìn)器物料：水冷器進(jìn)氣物料等于合成塔出口物料V總=出氣物料：在水冷器中部分氣氨被冷凝；由氨分離器氣液平衡計算得氣液比V/L=，有如下方程：V247。L=V+L=得V出= L出=出口氣體組分：NH3==CH4==N2==H2==Ar==出口液體各組分：NH3==CH4==N2==H2==Ar== 氨分離器物料計算進(jìn)氣物料：氨分離器進(jìn)氣總物料等于水冷器出口氣液混合物總物料即：V總=V+L=出氣物料：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= 、 出器液體= 液氨儲槽施放氣和液相組成計算氨分離器出口液氧與冷交換器的氨分出口液氨匯合于儲槽，由于減壓，溶解在液氨中的氣體會解析出來和部分氧的蒸發(fā)氣形成施放氣。對液氨儲槽進(jìn)行組成計算，： V y1 L1 x1 施放氣