【文章內(nèi)容簡介】 的冷箱設(shè)置在氨合成的回路中。 LCA 工藝 LAC 工藝的主要特點(diǎn)為： 1. 全程采用新型高效的催化劑。一段轉(zhuǎn)化采用的轉(zhuǎn)化催化劑適應(yīng)低水碳比。一段變換采用 713/714 型催化劑，確保低汽氣比變換過程不發(fā)生副反應(yīng)。氨合成采用低溫低壓下高活性的 FeCo 催化劑，降低合成壓力。 2. 采用布朗 工藝中二段轉(zhuǎn)化氣返回一段轉(zhuǎn)化爐的表程提供一段反應(yīng)轉(zhuǎn)化的熱量，代替一段轉(zhuǎn)化爐。在轉(zhuǎn)化器的管內(nèi)填充轉(zhuǎn)化催化劑，管外利用二段爐加入過量空氣后的高溫轉(zhuǎn)化氣加熱，即可節(jié)省大量耐壓 4MPa 的 NiCr 合金鋼，也省略了傳統(tǒng)工藝中的煙氣回收系統(tǒng)。 3. 變換爐用水冷列管式代替高低溫變換爐。用飽和熱水器吸收變換反應(yīng)中的熱量，同時(shí)為天然氣增濕，轉(zhuǎn)化及變換反應(yīng)提供蒸汽。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 4. 用分子篩變壓吸附工藝代替常規(guī)的溶液脫碳與深冷分離脫除過量的氮以及二氧化碳、一氧化碳、甲烷及氬。 5. 流程中采用較少的傳動(dòng)設(shè)備，而且是用電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)泵，省去高壓蒸汽系統(tǒng)，操作 更穩(wěn)定。 6. 操作容易，省時(shí)省力。 本章小結(jié)研究的主要工作 本章主要介紹了氨的合成產(chǎn)業(yè)做了粗略介紹，介紹了氨的制取方法，氨的物理化學(xué)性質(zhì)以及氨的用途。同時(shí)，介紹了世界先進(jìn)的典型的合成氨生產(chǎn)工藝。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 第 2章 氨合成工藝 工藝條件的選擇 合成氨工藝條件的選擇除了考慮平衡氨含量外，還要綜合考慮反應(yīng)速率、催化劑使用特性及系統(tǒng)的生產(chǎn)能力、原料和能量消耗等。 溫度 氨合成反應(yīng)時(shí)可逆反應(yīng)，存在最佳反應(yīng)溫度 Tm, 它取決于反應(yīng)氣體的組成、壓力及所用催化劑的活性。 Tm與平衡溫度 Tc及反應(yīng)活化能 E E2之間的關(guān)系為 1212ln1 EEEE RTTTeem??? 圖為 A6 型催化劑的最佳溫度曲線。 在一定壓力下，氨含量提高相應(yīng)的平衡溫度與最佳溫度下降。惰性氣體含量增高，對應(yīng)統(tǒng)一氨含量的平衡溫度下降，最佳溫度也下降。氫氮比對最佳溫度的影響與溫度相同。 混合氣體組成一定式，壓力越高，平衡溫度與最佳溫度越高。 使用初期，催化劑活性高， E E2 的值均低，但由于二者差值不變，E1/E2 的比值增大，最佳溫度下降。反之，活性低時(shí)最佳溫度上升。 為了使溫度分布合理，按合成反應(yīng)溫度，一般 控制在 400500℃之間。催化劑床層的進(jìn)口溫度比較低，大于或等于催化劑使用溫度下限，依靠反應(yīng)熱升高床層溫度，然后溫度 在逐漸降低。床層中溫度最高點(diǎn)不應(yīng)超過催化劑的使用溫度。 壓力 生產(chǎn)上選擇合成氨的壓力的主要依據(jù)是能量消耗以及包括能量消耗、原料費(fèi)用、設(shè)備投資在內(nèi)的綜合費(fèi)用。 能量消耗主要包括原料氣壓縮功、循環(huán)氣壓縮功和氨分離冷凍功。壓力大時(shí)，原料氣壓縮功增加，循環(huán)氣壓縮功和氨分離冷凍功減少。壓力降低時(shí)，原料氣壓縮功增加，循環(huán)氣壓縮功和氨分離冷凍功減少。 綜合費(fèi)用不僅取決于壓力，還 取決于生產(chǎn)流程、裝置的生產(chǎn)能力、操作條件、原料動(dòng)力以及設(shè)備價(jià)格、熱量的綜合利用等因素。總的說來，壓力從 10MPa 升至 35MPa 時(shí)，綜合費(fèi)用可下降 40％左右。 本設(shè)計(jì)壓力選用 20MPa。 空間速度 空間速度與氨凈值、合成塔生產(chǎn)強(qiáng)度、循環(huán)氣量、系統(tǒng)壓力降及反應(yīng)熱的合理利用有關(guān)。在同一操作壓力下及進(jìn)塔氣體組成下，對于既定結(jié)構(gòu)哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 的氨合成塔，提高空速，出口氣體的氨含量下降，氨凈值降低，合成塔的生產(chǎn)強(qiáng)度增高。但空速提高時(shí)，系統(tǒng)阻力增大、循環(huán)功耗增加， 氨分離所需的冷負(fù)荷壓增加。 合成塔進(jìn)口氣體的組成 進(jìn)口氣體組成包括氫 氮比、惰性氣體含量和初始氮含量。 當(dāng)氫氮比為 3 時(shí)，反應(yīng)可得最大氨含量。生產(chǎn)時(shí)間表明最適宜氫氮比應(yīng)控制在 ~ 左右。 惰性氣體源于新鮮原料氣，它們不參與反應(yīng)而在系統(tǒng)中積累。惰性氣體不利于氨的生產(chǎn)，但維持過低的惰性氣體含量又需大量排出循環(huán)氣造成原料氣的浪費(fèi)。循環(huán)氣中惰性氣體含量應(yīng)根據(jù)新鮮氣惰性氣體含量、操作壓力和催化劑活性等條件確定。 其它條件一定時(shí)，進(jìn)塔氣體的氨含量越高，氨凈值越小，生產(chǎn)能力越低。而進(jìn)塔氣體氨含量的多少取決于氨分離的方法。操作壓力在 30MPa時(shí)，一般進(jìn)塔氨含量控制在 ~％； 15MPa 時(shí)，控制在 ~％。 工藝流程 冷凝 冷卻含氨混合器，使其大部分氣氨冷凝以便與不冷凝的氫氮?dú)夥蛛x開。操作壓力為 20MPa 時(shí)，先由水冷冷凝出一部分氨，再以液氨為冷凍劑，將混合氣體冷卻到 10℃以下，從而使氣相中氨含量降至 2％ ~4％。 含氨混合器的冷卻是在水冷卻器和氨冷卻器中實(shí)現(xiàn)的。冷凍的液氨由冷凍循環(huán)系統(tǒng)供給，或?yàn)橐喊碑a(chǎn)品的一部分。液氨在氨分離器中與氣體分開，進(jìn)入液氨儲(chǔ)槽。儲(chǔ)槽的壓力一般在 ~。 氨合成回路流程 新鮮氣與循環(huán)氣都由往復(fù)式壓縮機(jī)加壓，設(shè)置水冷器與氨冷器兩次冷卻 ，氨合成反應(yīng)熱僅用于預(yù)熱進(jìn)塔氣體。 如圖所示流程中，合成塔出口氣經(jīng)水冷卻器冷卻至常溫，其中部分液氨被冷凝，液氨在氨分離器中分出。為了降低惰性氣體含量，循環(huán)氣在氨分離后部分放空，大部分循環(huán)氣進(jìn)入循環(huán)換壓縮機(jī)，補(bǔ)充壓力后進(jìn)入濾油器。濾油后氣體進(jìn)入熱交換器。熱交換器將熱氣體溫度由 44℃降至℃；冷氣體溫度有 ℃升至 26℃進(jìn)入氨合成塔。熱氣體再經(jīng)兩次氨冷凝后，降至 ℃進(jìn)入儲(chǔ)罐。一級氨冷器液氨的蒸發(fā)溫度為 5℃，二級氨冷器液氨的蒸發(fā)溫度為 20℃。 本章小結(jié) 本章主要介紹了氨合成工段設(shè)計(jì) 的重要工藝參數(shù)，以及它們對氨合成哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 生產(chǎn)工藝的影響。在此基礎(chǔ)上，確定了本文的工藝路線以及工藝參數(shù)。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 13 第 3章 合成氨合成工段工藝計(jì)算 物料衡算 已知條件 1. 氨合成流程 圖 1. 氨合成工段工藝流程圖 2. 精煉氣成分 精煉氣成分見表 31 表 31 精煉氣成分 成分 H2 N2 CH4 Ar 含量％ 3. 進(jìn)塔氣中氨含量 3％ 4. 進(jìn)塔氣中惰性氣體的含量 ％（含氨基） 5. 出塔氣中氨含量 ％ 6. 精煉氣的溫度 35℃ 7. 出水冷氣的溫度 35℃ 8. 以下各項(xiàng)在計(jì)算中略去不計(jì) （ 1）溶解在液氨中的氣體量 （ 2）設(shè)備阻力造成的壓力降 （ 3）設(shè)備及管道的熱（冷）損失 9. 工作壓力 300大氣壓 計(jì)算基準(zhǔn) 1000m179。（標(biāo)）精煉氣 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 14 合成塔物料衡算 出塔氣成分的計(jì)算 已知：出塔氣中 NH3=11CH4+Ar=： N2=3： 1 所以 3H2+N2=100（ 11+） = H2= 3 ? = N2= 1 ? = CH4= 1 .4 2 0 1 5 .9 9 41 .4 2 0 0 .2 9 3??? Ar= ??? 出塔氣成分見表 32 表 32出塔氣體成分 成分 H2 N2 CH4 Ar NH3 含量 放空氣量 V1及放空氣的組成 200大氣壓下，水冷器內(nèi)無液氨冷凝出來，故放空氣成分與出塔氣成分相同。 放空氣 量為： V1= 1 0 0 0 ( 0 . 0 1 4 2 0 0 . 0 0 2 9 3 ) 8 8 . 7 7 50 . 1 9 2 9 6?? ? 放空氣的組成見表 33 表 33 放空氣組成 實(shí)際氨產(chǎn)量的計(jì)算 由氣量平衡 2 3 1 4 0V V V V V? ? ? ?① 由氨合成時(shí)體積減小 3 2 4 0( 0 . 1 1 )V V V V? ? ?② 式中 0V —— 補(bǔ)充新鮮氫氮體積， m3(標(biāo) )； 1V —— 放空氣體積 ,m3(標(biāo) )； 2V —— 進(jìn)入合成塔混合氣體體積， m3(標(biāo) )； 3V —— 出合成塔混合氣體體積， m3(標(biāo) )； 4V —— 冷凝成產(chǎn)品氨的氣體體積， m3(標(biāo) )； 以 3V 帶入式 ① 2 2 4 1 1 4 0( 0 .1 1 )V V V V V V V? ? ? ? ? ? 成分 H2 N2 CH4 Ar NH3 總計(jì) 含量 1 標(biāo)準(zhǔn)體積 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 15 所以 013 ( 1 . 1 1 ) 1 0 0 0 1 . 1 1 8 8 . 7 7 5 4 5 0 . 7 322VVV ? ??? ? ?m3(標(biāo) )； 合成塔出口氣量 3V 由氨平衡 =+(V4+) ③ ％② ％ V3=％ ％ (V4+）④ ③ ④ （ ） V3=（ 1+）（ V4+） 3 1 . 0 2 5 ( 4 5 0 . 7 3 0 . 1 1 8 8 . 7 7 5 )5 5 5 3 . 0 2 40 . 0 8 5V ????m3(標(biāo) )； 出塔氣成分見表 32。 合成塔進(jìn)口氣量及組成 由氣量平衡 V2=V3V1V4+V0=+1000=(標(biāo) )； H2 =+ =179。（標(biāo)） N2 = +=179。（標(biāo)） CH4 = + =179。 （標(biāo) ） Ar = +=179。 （標(biāo)） NH3==179。 （標(biāo)） 合計(jì) = +=179。（標(biāo)） 合成塔進(jìn)口氣體組成見表 35。 表 35合成塔進(jìn)口氣體的組成 成分 H2 N2 CH4 Ar NH3 總計(jì) 標(biāo)米 分率 1 本設(shè)計(jì)任務(wù)為年產(chǎn) 5萬噸，每小時(shí)氨產(chǎn)量為 6313kg，為 8318m179。（標(biāo)）。按相應(yīng)的倍數(shù)放大得到合成塔各部氣體的量及組成。 1. 每小時(shí)進(jìn)塔氣量及組成 進(jìn)塔氣量 = 8 3 1 8 6 0 1 3 .5 2 1 1 0 9 0 9 .8 44 5 0 .7 3? ?m179。（標(biāo)） 進(jìn)塔氣組成見表 35。 2. 每小時(shí)出塔氣量及組成 出塔氣量 = 8 3 1 8 5 5 5 3 .0 2 1 0 2 4 7 8 .2 44 5 0 .7 3? ?m179。（標(biāo)） 組成見表 32。 3. 放空氣體的量及組成 放空 氣體量 = 8318 ? ?m179。（標(biāo)） 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 16 組成見表 33。 4. 補(bǔ)充新鮮氣 補(bǔ)充新鮮氣量 = 8 3 1 8 1 0 0 0 1 8 4 5 4 .5 14 5 0 .7 3? ? m179。（標(biāo)） 補(bǔ)充氣體組成與精煉氣相同見表 31。 水冷器物料衡算 1. 進(jìn)口 與合成塔出口氣體相同 2. 出口 設(shè) : 水冷器出口溫度為 35℃， T=313K， P= 由《氮?dú)夤ぷ髡呤謨浴?[1]中拉爾遜 布列克經(jīng)驗(yàn)公式： 8 7 8 7 o g ????Tpy A（ 31） 式中 ya—— 液氨上方氣體中的平衡氨濃度，％； P—— 混合氣體的壓力，大氣壓； T—— 混合氣體的絕對溫度， K； 87 87 9 10 99 .54 4l og 85 6 66 830817 ? ? ? ? Ay = 水冷器進(jìn)口氣進(jìn)口氣體中氨氣濃度為 ％，較 35℃時(shí)平衡氨濃度％為小，因氨未到達(dá)飽和，不會(huì)出現(xiàn)冷凝。故出口氣體的組成和氣量均沒有變化，仍與出塔氣體相同 。 水冷交換器物料衡算 1. 進(jìn)口 進(jìn)口熱氣體量 =V3V1== m179。（標(biāo)） H2==179。（標(biāo)） N2==179。（標(biāo)） CH4==179。（標(biāo)） Ar==179。（標(biāo)） NH3==179。（標(biāo)） 合計(jì) =179。（標(biāo)） 進(jìn)口熱氣體組成見表 36。 表 36 進(jìn)口熱氣體成分 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 17 2. 出口 用試差法在下面的冷交換器熱量衡算中先進(jìn)行試差，從而決定熱氣體的出口溫度為 ℃， T=， P= 壓。 由拉爾遜 布列克公式 87 87 9 10 99 .54 4l og 85 6 42 529 419 ? ? ? ? 由相關(guān)資料查的在該溫度和壓力下，氨在氣相中有霧狀析出，取過飽和度 10％，則液氨上方氣體中的過飽和氨濃度 Ay、 （％）： Ay、 = Ay = = 令：出口氣體中氣氨體積為 ym179。（標(biāo)） 于是 76 54(1 00 84 1 .99 11 09 2 .39 )y y ??? 0 . 0 7 6 5 4 8 9 7 4 9 . 6 7 4 3 8 . 8 01 0 . 0 7 6 5 4y ??