【文章內(nèi)容簡介】 to the 以天然氣為原料的年產(chǎn) 10 萬噸合成氨合成工段設(shè)計(jì) VI ammonia cooler cooling, which can save frozen volume, meanwhile separated the liquid ammonia after ammonia cooling ammonia containing gas mixture. Anhui chemical industry pany in Huainan and Small Nitrogenous Fertilizer published on the magazine of relevant data show that the equipment is saving energy and reducing consumption is significant. (7) Waste management and environmental protection ① Empty gas and purge gas film feeding hydrogen extraction recovery system, using ammonia washing tower recovery almost all ammonia, make concentrated ammonia, and recycling most ammonia then into high pressure machine pressed ammonia can avoid the ammonia gas into the atmosphere, and the discharge gas as fuel and more reasonable than emic. ② The other wastewater reatment to focus on waste residue after national emission standard emissions. (8) Te production system Annual operating on the 300 days and three consecutive operations. (9) Conclusion This design is mainly to the synthetic ammonia processing flow design。 it includes synthetic ammonia process flow design, the material balance and heat calculation of synthesis tower, ammonia cooler calculation and cold exchanger, the process calculation and equipment selection of the major equipments of ammonia synthesis, and ammonia synthesis plant safety factors and preventive measure. According to the results, five CAD drawings on process, workshop equipment layout and ammonia synthesis tower, waste heat boiler, water cooler are attached in the article. Key words: Ammonia synthesis。 material balance。 thermal calculation。 process design 第 1 頁 共 63 頁 1 引言 氮是植物營養(yǎng)的重要成分之一，大多數(shù)的植物不能直接吸收存在于空氣中的游離氮，只有當(dāng)?shù)c其他元素化合以后，才能被植物吸收利用。將空氣中的游離氮轉(zhuǎn)變?yōu)榛蠎B(tài)氮的過程稱為 “ 固定氮 ” 。 20 世紀(jì)初，經(jīng)過人們的不懈探索，終于成功的開發(fā)了三種固定氮的方法：電弧法、氰氨法、和合成氨法。其中合成氨法的能耗最低。 1913 年工業(yè)上實(shí)現(xiàn)了 氨 合成以后，合成氨法發(fā)展迅速， 30 年代以后，合成氨法已成為人工固氮的主要方法。 氨的性質(zhì) 氨化學(xué)式為 NH3 常溫下為無色有刺激性辛辣味的惡臭氣體，會灼傷皮膚、眼睛，刺激呼吸道器官粘膜，空氣中氨 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)占 % ~ %就會使人在幾分鐘內(nèi)窒息。氨的主要物理性質(zhì)見表 01。氨在常溫加壓易液化，稱為液氨。氨易溶于水，與水反應(yīng)形成水合氨（ NH3 + H2O=NH3H2O）簡稱氨水，呈弱堿性，氨水極不穩(wěn)定，受熱分解為氨氣和水，氨含量為 1%的水溶液 PH 為 。濃氨水氨含量為 28% ~ 29%。氨的化學(xué)性質(zhì)比較活潑，能與酸反應(yīng)生成鹽，如與鹽酸反應(yīng)生成氯化銨；與磷酸反應(yīng)生成磷酸銨；與硝酸反應(yīng)生成硝酸銨；與二氧化碳反應(yīng)生成甲基甲酸銨，脫水后生成尿素等等。 表 11 氨的主要物理性質(zhì) [1] 項(xiàng)目 數(shù)據(jù) 項(xiàng)目 數(shù)據(jù) 相對分子質(zhì)量 臨界密度 /(g/cm3) 氮含量 臨界壓縮系數(shù) PV=ZRT 摩爾體積 (0℃ ， )/(L/mol) 臨界熱導(dǎo)率 [kj/)] 氣體密度 (0℃ ， )/(g/L) 沸點(diǎn) ()/℃ ` 液體密度 (℃ ,)/(g/cm3) 蒸發(fā)熱（ ℃ )/(kJ/kg) 臨界溫度 /℃ 冰點(diǎn) /℃ 臨界壓力 /MPa 熔化熱 (℃ )/(kJ/kg) 臨界比體積 /(L/kg) 以天然氣為原料的年產(chǎn) 10 萬噸合成氨合成工段設(shè)計(jì) 第 2 頁 共 63 頁 氨的用途 氨主要用于制造 化學(xué)肥料，如農(nóng)業(yè)上使用的所有氮肥、含氮混合肥和復(fù)合肥等；也作為生產(chǎn)其他化工產(chǎn)品的原料，如基本化學(xué)工業(yè)中的硝酸、純堿、含氮無機(jī)鹽，有機(jī)化學(xué)工業(yè)的含氮中間體，制藥工業(yè)中磺胺類藥物、維生素，化纖和塑料工業(yè)中的己酰胺、己二胺、甲苯二異氰酸酯、人造絲、丙烯腈、酚醛樹脂等都需要直接或間接地以氨為原料。另外在國防工業(yè)尖端 技術(shù)中，作為制造三硝基甲苯、三硝基苯酚、硝化甘油、硝化纖維等多種炸藥的原料。氨還可以做冷凍，冷藏系統(tǒng)的 制冷劑。 合成氨的發(fā)展歷史 氨氣的發(fā)現(xiàn) 十七世紀(jì) 30 年代末英國的牧師、化學(xué)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(xué)家普利斯德里重做 該實(shí)驗(yàn)，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，其后 （ Davy， 1778～1829）等化學(xué)家繼續(xù)研究，進(jìn)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?dú)夂?3 體積的氫氣 [2]。 合成氨的發(fā)現(xiàn)及其發(fā)展 19 世紀(jì)以前農(nóng)業(yè)上所需的氮肥來源主要來自于有機(jī)物的副產(chǎn)物和動植物的廢物，如糞便、腐爛動植物等等，隨著農(nóng)業(yè)和軍工生產(chǎn)的發(fā)展的需要，迫切的需要建立規(guī)模巨大的探索性的研究，化學(xué)家們設(shè)想，能不能把空氣中大量的氮?dú)夤潭ㄏ聛恚瑥亩_始設(shè)計(jì)以氮和氫為原料的合成氨流程 。 19 世紀(jì)，大量的化學(xué)家開始試圖合成氨，他們試圖利用高溫、高壓、電弧、催化劑等手段試驗(yàn)直接合成氨， 均未成功。 19 世紀(jì)末，隨著化學(xué)熱力學(xué)、動力學(xué)和催化劑等領(lǐng)域取得一定進(jìn)展后，對合成氨反應(yīng)的研究有了新的進(jìn)展。 1901年法國物理化學(xué)家呂 查得利開創(chuàng)性地提出氨合成的條件是高溫、高壓，催化劑存在。 1912年在德國建立了世界上第一個日產(chǎn) 30 噸的合成氨廠 [2]。合成氨也隨之工業(yè)化，在以后的生產(chǎn)過程中，人們對合成氨的生產(chǎn)工藝進(jìn)行了不斷改進(jìn)和完善，如變換工藝的改進(jìn)。原第 3 頁 共 63 頁 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。 國外合成氨工業(yè)發(fā)展 到 20 世紀(jì) 50 年代，由于北美成功開發(fā)了天然氣資源，從此天然氣作為制氨的原料開始盛行。到了 20 世紀(jì) 60 年代末，國外主要產(chǎn)氨國都已先后停止用焦炭、煤為原料，取而代之的是以天然氣、重油等為原料，天然氣所占的比重不斷上升。 1982 年，世界合成氨的生產(chǎn)能力為 125Mt 氨 ,但因原料供應(yīng)、市場需求的變化，合成氨的產(chǎn)量遠(yuǎn)比生產(chǎn)能力要低。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。合成氨主要消費(fèi)部門為化肥工業(yè)，用于其他領(lǐng)域的（主要是高分子化工、火炸藥工業(yè)等）非化肥用氨，統(tǒng)稱為工業(yè)用氨。目前 ,合成氨年總消費(fèi)量 (以 N 計(jì) )約為，其中工業(yè)用氨量約為 10Mt，約占 總氨消費(fèi)量的 12%。合成氨主要原料有天然氣、石腦油、重質(zhì)油和煤等。 1981 年，世界以天然氣制氨的比例約占 71%， 蘇聯(lián)為 %、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%。70 年代原油漲價后，一些采用石腦油為原料的合成氨老廠改用天然氣，新建廠絕大部分采用天然氣作原料。生產(chǎn)合成氨的方法主要區(qū)別在原料氣的制造，其中最廣泛采用的為蒸汽轉(zhuǎn)化法和部分氧化法 [3]。 從世界燃料儲量來看，煤的儲量約為石油、天然氣總和的 10 倍，自從 70 年代中東石油漲價后 ， 從煤制氨路線重新受到重視 ,但因以天然氣為原料的合成氨裝置投資低、能耗低、成本低的緣故 ， 預(yù)計(jì)到 20 世紀(jì)末 ， 世界大多數(shù)合成氨廠仍將以氣體燃料為主要原料。合成氨成本中能源費(fèi)用占較大比重，合成氨生產(chǎn)的技術(shù)改進(jìn)重點(diǎn)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?，F(xiàn)在已提出以天然氣為原料的節(jié)能型合成氨新流程多種，每噸液氨的設(shè)計(jì)能耗可降低到約。合成氨生產(chǎn)中副產(chǎn)大量的二氧化碳，不僅可用于冷凍、飲料、滅火，也是生產(chǎn)尿素、純堿、碳酸 氫銨的原料。如果在合成氨原料氣脫除二氧化碳過程中能聯(lián)合生產(chǎn)這些產(chǎn)品，則可以簡化流程、減少能耗、降低成本。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(diǎn)。 國內(nèi)合成氨工業(yè)發(fā)展 以天然氣為原料的年產(chǎn) 10 萬噸合成氨合成工段設(shè)計(jì) 第 4 頁 共 63 頁 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(jì) 30 年代開始的，當(dāng)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?fàn)t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(dá)到國際先進(jìn)水平；我國已完成大型合成氨廠的設(shè)計(jì)及關(guān)鍵設(shè)備的制造。具有因地制宜特點(diǎn)的我國小型合成氨工業(yè)，經(jīng)過多年的改進(jìn)，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(jì)、制造和施工的高素質(zhì)技術(shù)隊(duì)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(dá)到 2442 萬噸， 2020 年中國氨產(chǎn)量為 4596 萬噸， 2020 年中國合成氨產(chǎn)量為 萬噸， 2020 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(jìn)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(jìn)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(jì)中的基礎(chǔ)作用必將日益顯著。展望 21世紀(jì)，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～ 2020t/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(jìn)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?dú)浠旌蠚怏w；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?fàn)t氣、煉廠氣等） [5]。 21世紀(jì)，由于能源危機(jī)、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 ,其第 5 頁 共 63 頁 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(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)、長周期運(yùn)行 ” 等方面進(jìn)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(diǎn)。過去被合成氨工業(yè)認(rèn)為 沒有太多困難的環(huán)境保護(hù)問題，由于對