【正文】 1()( )()1(% 分,333分,333..8,5NHNHNHNHNHNH yyy yyyG ??? ??? = %1000 9 3 7 60102501650 0 9 3 7 60165002501 ???? ??? ).()..( )..().( =% 水冷后分離液氨占總量的 %，冷交換器分離液氨占總量的 %。100 %=% 表 氨分離器出口氣體組分含量（ %） NH3 CH4 Ar H2 N2 總計(jì) 100 冷交換器氣液平衡計(jì)算 冷交換器第二次出口氣體含量等于合成塔進(jìn)口氣體含量，由氣液平衡原理iii Kyx ? ，根據(jù)合成塔入口氣體含量 iy 和操作條件下的分離溫度可以查出 iK ，便可以解出 ix 。100 %=% 氣體氫含量： V Lmy HHH 222 ??=(－ )247。100 %=% 氣體甲烷含量： V Lmy CHCHCH 444 ??=(－ )247。100%=% 液體中氮含量：2Nx=2NL/L=247。100%=% 液體中甲烷含量：4CHx=4CHL/L=247。??????????????LVLVLV=% 結(jié)果合理從而可計(jì)算出液體中各組分含量 液體中氨含量： ?? LLx NHNH /33 247。??????LV=247。） %=% 出塔氬含量：ArAr yMMy ,585,8 ?? =（ 1000247。（ +） 100%=% 9 入塔氫含量： 2,5Hy =[100(++]100%=% 入塔氮?dú)夂浚?2,5Ny =[100(++)]100%=% 表 入塔氣體組分含量（ %） NH3 CH4 Ar H2 N2 總計(jì) 100 注：表 中的組分含量均為摩爾含量 合成塔出口氣體組分 以 1000kmol 入塔氣作為基準(zhǔn)求出出塔氣體組分，由以下式計(jì)算塔內(nèi)生成氨含量： 53 MMNH ?333,8,5,81NHNHNH y yy ? ? =1000（ ） 247。 工藝流程圖 1—新鮮氣 13—放空氣 20—馳放氣 圖 工藝流程圖 物料計(jì)算 合成塔入口氣體組分 入塔氨含量： 3,5NHy =% 入塔甲烷含量： 4,5CHy =15%247。 8 第三章 工藝設(shè)計(jì)計(jì)算 設(shè)計(jì)要求 年工作日： 330 天；產(chǎn)量 ；合成塔操作壓力： 32MPa（絕壓）；合成塔進(jìn)氣（摩爾百分?jǐn)?shù)）： NH3 ， CH4+Ar 15。 氨冷器 氨冷器使用生產(chǎn)出的液氨為冷源，把循環(huán)氣中的氨冷卻為液體，并進(jìn)行分離，以保證合成塔入口氨含量在規(guī)定的范圍。 廢熱鍋爐的作用相當(dāng)于一個(gè)換熱器， 對(duì)出塔的熱氣進(jìn)行冷卻，副產(chǎn)蒸汽，進(jìn)入蒸汽管網(wǎng)，可以用生產(chǎn)過程中的其他工段，實(shí)現(xiàn)了對(duì)熱量的充分利用。 熱交換器與廢熱鍋爐 合成氨反應(yīng)為一放熱反應(yīng)，在工業(yè)生產(chǎn)中考慮到節(jié)能及降低成本，廣泛采用熱交換器，達(dá)到熱量的有效利用。本設(shè)計(jì)很據(jù)實(shí)際情況，采用絕熱冷激間冷式內(nèi)件。 工藝流程方框簡(jiǎn)圖 圖 合成系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖 7 設(shè)備簡(jiǎn)述 合成氨過程是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過程，根據(jù)上面流程圖，用到的設(shè)備很多，其中主要的設(shè)備為合成塔，輔助設(shè)備有氨冷器，氨分離器，冷交換器，水冷器等。氣體管內(nèi)流動(dòng)，液氨在管外蒸發(fā)，使管內(nèi)氣體冷卻至 0℃ 左右，進(jìn)入氨冷器 Ⅱ 繼續(xù)冷卻至 10℃ 左右，出氨冷器后的氣液混合物，在冷交換器的下部用分離器將液氨分離，分離出的液氨進(jìn)入液氨貯罐，分氨后的循環(huán)氣上升至上部換熱器殼程被熱氣體加熱至 22℃ 后出冷交換器，氣體經(jīng)循環(huán)壓縮機(jī)，由塔上部進(jìn)入，先經(jīng)塔內(nèi)環(huán) 隙后，出合成塔，然后進(jìn)塔外換熱器預(yù)熱，再由合成塔的下部進(jìn)入下?lián)Q熱器，移走第三絕熱床反應(yīng)熱，氣體升溫后再進(jìn)入層間換熱器，后經(jīng)中心管進(jìn)入第一絕熱床層進(jìn)行絕熱反應(yīng)，出第一絕熱層后經(jīng)冷激器降溫，再入第二絕熱床進(jìn)行合成反應(yīng)，氣體氨凈值升高，出第二絕熱床氣體進(jìn)入層間換熱器，移走熱量，使冷氣升溫，熱氣體降溫后進(jìn)入第三絕熱床進(jìn)行合成反應(yīng)，氣體氨含量增加到 %，再經(jīng)塔內(nèi)下?lián)Q熱器將熱量移走，后進(jìn)入沸熱鍋爐。 目前我國(guó)的氮肥行業(yè)產(chǎn)能普遍偏低，耗能高，污染大，急需采用成熟的粉 煤氣化技術(shù)，以提高原料利用率，降低對(duì)環(huán)境的危害。 我國(guó)合成氨工業(yè)存在一些特殊問題，我國(guó)的油氣資源貧乏，但煤炭資源相對(duì)豐富，這就決定了我國(guó)合成氨工業(yè)的原料要以煤炭為主。在生產(chǎn)能 力方面， 1980年中國(guó)合成氨產(chǎn)量為 1498萬(wàn)噸，到 1990年上升至 2129萬(wàn)噸，僅次于前蘇聯(lián)名列世界第二。經(jīng)過多年的努力，我國(guó)已擁有多種原料，不同流程的大、中、小型合成氨工廠 550余個(gè)。 中國(guó)合成氨生產(chǎn)是在 20世紀(jì) 30年代開始的，當(dāng)時(shí)僅在南京、大連兩地建有氨廠，最高年產(chǎn)量不超過 50kt（ 1941年）。世界以天然氣制氨的比例約占 71%，俄羅斯為 %、美國(guó)為 96%、荷蘭為 100%；中國(guó)仍以煤 、焦炭為主要原料制氨 , 天然氣制氨僅占 20%。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%。中國(guó)有些廠采用水吸收法分離氨，初始氨含量可在 %以下。為過分降低冷凝溫度而過多的增加氨冷負(fù)荷在經(jīng)濟(jì)上并不可取。初始氨含量的高低取決于氨分離的方法。在產(chǎn)中，一般要保持新鮮氣中含惰性氣體的體積分?jǐn)?shù)在 %%之間，并控制循環(huán)氣中惰性氣體的體積分?jǐn)?shù)在 10%15%之間。但是，維持過低的惰性氣體含量又需要大量排放循環(huán)氣，導(dǎo)致原料氣消耗隨之增大。 (2) 惰性氣體含量 5 惰性氣體來源于新鮮空氣，它們不參與反應(yīng) 因而在系統(tǒng)中積累。從氨的合成反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理可知，氮的活性吸附是合成氨反應(yīng)過程中速度的控制步驟，因此適當(dāng)提高氮?dú)鉂舛?，?duì)氨合成反應(yīng)速度有利。 合成塔進(jìn)口氣體組成 (1) 氫氮比 根據(jù)理論分析，當(dāng)原料氣中 H2 與 N2 的摩爾比為 3:1 時(shí) [9]，氨的含量最高。另外，氣量過大，使設(shè)備負(fù)荷及動(dòng)力消耗增大，氨分離不完全?？账俅?，單位體積催化劑處理的氣量大，能增加生產(chǎn)能力。在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)盡可能沿著最佳溫度曲線進(jìn)行。合成氨生產(chǎn)所用的催化劑活性溫度在 400500℃ ，反應(yīng)溫度不能低于活性溫度。因此從化學(xué)平衡角度考慮，應(yīng)盡可能采用較低的反應(yīng)溫度。所以要根據(jù)能量消耗、原料費(fèi)用、設(shè)備投資等綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果來選擇操作壓力。目前高壓法已經(jīng)淘汰。 合成工藝條件的選擇 操作壓力 從化學(xué)平衡和反應(yīng)速率兩個(gè)方面考慮，提高操作壓力對(duì)反應(yīng)是有利的，它不僅能提高設(shè)備的生產(chǎn)能力，還可以簡(jiǎn)化氨的分離流程。此種方法氨分離效果好，設(shè)備和流程比較緊湊，設(shè)備規(guī)格小，投資少，但由于在高壓高溫下操 4 作，對(duì)設(shè)備和管道的材質(zhì)要求比較高，合成塔需用高鎳優(yōu)質(zhì)合金鋼制造。 (3) 高壓法 操作壓力為 60MPa 以上的稱為高壓法，其操作溫度大致為 550650 ℃ 。 (2) 中壓法 操作壓力為 2035MPa 的稱為中壓法，操作溫度為 450550℃ 。該法的優(yōu)點(diǎn)是操作壓力和溫度較低，生產(chǎn)容易管理，對(duì)設(shè)備、管道的材質(zhì)要求低。采用活性強(qiáng)的亞鐵氰化 物作催化劑，但它對(duì)毒物很敏感，所以對(duì)氣體中的雜質(zhì)（ CO、 CO2）要求十分嚴(yán)格。目前氨合成的方法，由于采用的壓力的不同，一般可分為低壓法、中壓法和高壓法三種 [8]。第三步是壓縮和合成，將純凈的氫、氮混合壓縮到高壓，在催化劑與高溫條件下合成為氨。 合成氨的生產(chǎn)方法 合成氨的生產(chǎn)主要包括以下步驟 ：第一步是造氣，即制備含有氫、氮的原料氣。 氨的化學(xué)性質(zhì) 氨氣溶于水以后叫氨水，其顯弱堿性，化學(xué)性質(zhì)類似于其他堿性物質(zhì)， 如可以與酸性物質(zhì)反應(yīng)，能與一些氧化物反應(yīng)等。常壓下氣態(tài)氨氣需冷卻到 ℃ （沸點(diǎn)）才能液化，而在常溫下需加壓到 時(shí)才能液化。因此，用水噴淋處理漏氨事故，能收到較好的效果。如 果不慎接觸過多的氨而出現(xiàn)病癥，應(yīng)及時(shí)吸入新鮮空氣和水蒸氣，并用大量水沖洗眼睛。 在石油煉制、橡膠工業(yè)、冶金工業(yè)和機(jī)械加工等部門以及輕工、食品、醫(yī)藥工業(yè)部門中，氨氣及其加工產(chǎn)品都是不可缺少的。氨也是重要的無機(jī)化學(xué)和有機(jī)化學(xué)工業(yè)基礎(chǔ)原料，這部分約占 30%的比例，稱之為 “工業(yè)氨 ”[5] 。氨主要用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。 目前，固定氮最方便、最 經(jīng)濟(jì) 的方法就是合成氨，也就是直接由氮和氫合成為氨，再進(jìn)一步制成化學(xué)肥料或用于其它工業(yè)。把大氣中的游離氮固定下來并轉(zhuǎn)變?yōu)榭杀恢参镂盏幕衔锏倪^程，稱為固定氮。 2 第一章 合成氨綜述 氨的用 途 氮元素是生命存在的基礎(chǔ)，它是構(gòu)成蛋白質(zhì)的重要物質(zhì)。合成氨的催化劑有三條技術(shù)路線：傳統(tǒng)的 43OFe 路線，英國(guó) BP 公司的釕基催化劑及我國(guó)的 OFex?1 基催化劑體系 [4]。 合成氨反 應(yīng)是利用含有氮?dú)夂蜌錃獾脑蠚?，在一定的溫度壓力下，在有催化劑的作用下進(jìn)行的，此反應(yīng)為一可逆反應(yīng)。根據(jù)催化劑床層中是否設(shè)置冷管 (內(nèi)冷 )方式可劃分為： ① 單層軸向內(nèi)冷式內(nèi)件； ② 冷管改進(jìn)型內(nèi)件； ③ 多層絕熱冷激式內(nèi)件； ④ 多層絕熱復(fù)合換熱式內(nèi)件； ⑤ 副產(chǎn)蒸汽式內(nèi)件 [3]。以反應(yīng)床論，可分為絕熱式和內(nèi)冷式，即床層內(nèi)含有移熱裝置，如單冷管等；以移熱方式論，可分為冷激式、層間換熱式、內(nèi)冷式以及冷激間換熱復(fù)合式；以反應(yīng)氣體流向論，可分為軸向型和徑向型以及軸徑向混流型，其各有所長(zhǎng) [2]。合成塔的主要部分為內(nèi)件。目前在國(guó)際上用于氨合成中具有代表性的低能耗制氨工藝有：美國(guó)的原 Kellogg 工藝 (現(xiàn)為 KBR)、丹麥托普索工藝、瑞士卡薩利工藝、德國(guó)伍德工藝等。 合成氨工業(yè)經(jīng)過近 80 多年的發(fā)展，技術(shù)相對(duì)比較成熟。 以煤為原料的合成氨生產(chǎn)工藝主要包括原料氣的制備、原料氣的凈化 (脫硫、變換、脫碳、精制 )、氣體壓縮、氨的合成、氨的分離、未反應(yīng)氣體的循環(huán)等部分。早期合成氨主要以焦?fàn)t氣、水電解氫氣及焦炭氣化產(chǎn)生的水煤氣為原料， 70 年代開始轉(zhuǎn)向以天然氣、石腦油為原料 [1]。 synthesis tower 1 引 言 氮元素是生物生存所需的基本元素之一，而合成氨則是進(jìn)行固氮的最有效的方法。 materal balance。根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)，繪制出主要設(shè)備及帶控制點(diǎn)的工藝流程圖等。合成工段中的主要設(shè)備為氨合成塔，結(jié)合設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)及技術(shù)現(xiàn)狀，本設(shè)計(jì)選擇的氨合成塔的內(nèi)件為三段絕熱冷激 內(nèi)冷式內(nèi)件，該內(nèi)件具有結(jié)構(gòu)合理、氨凈值高、產(chǎn)量大等優(yōu)點(diǎn)。氨合成工段包括氨的合成、分離、氣體再循環(huán)、惰性氣體排放等基本過程，其中氨合成是合成氨工藝的中心環(huán)節(jié)。 年產(chǎn) 30萬(wàn)噸合成氨合成工段工藝設(shè)計(jì) 目 錄 摘要 ................................................................................................................................................. I Abstract........................................................................................................................................ II 引 言 ........................................................................................................................................... 1 第一章 合成氨綜述 ................................................................................................................. 2 氨的用途 ........................................................................................................................... 2 氨的性質(zhì) ........................................................................................................................... 2 氨的物理性質(zhì) ................................................................................................................ 2 氨的化學(xué)性質(zhì) ................................................................................................................ 2 合成氨的生產(chǎn)方法 ...........................................