【正文】 : ? ? mmmSh ?????? ? 殼內(nèi)變換氣流速： 當(dāng)量直徑： 計(jì)算流體阻力 管程流體阻力 ? ? 221 NNFppp pti ?????? 設(shè)管壁粗糙度 ? 為 ，則 ??d? ??i ,查得摩擦系數(shù) ?? ? ? PaNNFppp pti ??????????? 符合一般要求。 計(jì)算傳熱溫差 首先計(jì)算逆流時(shí)平均溫差： 化學(xué)工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 考慮到管程可能是 4程，但殼程數(shù)為 1。 流體通道的選擇 合成氨廠此 換熱器中一般是熱水走管程，變換氣走殼程，這是因?yàn)樽儞Q氣流量比水大得多，走殼程流道界面大且易于提高其α值的緣故。 確定換熱器的材料和壓力等級(jí) 考慮到腐蝕性不大，合成氨廠該換熱器一般采用碳鋼材料，故本設(shè)計(jì)中也采用碳鋼材料。 M P a89,02)88,( ???變換氣的平均壓 。設(shè)變換器出換熱器時(shí)的壓力為 。已知：變換氣流量為 hkg31010? ,變換氣進(jìn)換熱器溫度為 C?245 ，壓力為 .熱水流量為 hkg31052? ，熱水進(jìn)換熱器溫度為 C?160 ，壓力為 。最后，把所制得的合成氨儲(chǔ)存到 罐里或通往其他地方繼續(xù)加工生產(chǎn)。分離氨后的氣體即進(jìn)入合成塔。氣體隨即進(jìn)入循環(huán)壓縮機(jī)，提高壓力并與新鮮氣混合后，流入冷交換器和氨冷卻器中。 (1)兩次分離液氨產(chǎn)品的典型流程 液氨產(chǎn)品兩次分離的流程，即液氨在兩個(gè)部位 —— 水冷器及氨冷器中冷凝分離。 合成氨工藝流程 實(shí)現(xiàn)氨合成的循環(huán)，必須包括如下幾個(gè)步驟：氫、氮原料氣的壓縮并補(bǔ)入循環(huán)系統(tǒng)，循環(huán)氣的預(yù)熱與氨的合成，氨的分離，熱能的回收利用，對(duì)未反應(yīng)氣體補(bǔ)充壓力并循環(huán)使用，排放部分循環(huán)氣以維持循環(huán)氣中情性氣體的平衡等。 從反應(yīng)平衡的角度來看，當(dāng)氫氮比接近 3時(shí)，可獲得最大的平衡氨濃度?？臻g速度過大，氨分離不完全，增大設(shè)備負(fù)荷，增大動(dòng)力消耗。一般操作壓力在 30MPa 的中壓法合成氨，空間速度選擇在 2020030000m3/h之間。 空間速度 單位體積催化劑在單位時(shí)間內(nèi)處理的氣體量稱為空間速度。 溫度 氨合成反應(yīng)必須在催化劑的存在下才能進(jìn)行，而催化劑必須在一定的溫度范圍內(nèi)才具有催化活性，所以氨合成反應(yīng)溫度必須維持在催化劑的活性溫度范圍內(nèi)。同時(shí)，高壓下反應(yīng)溫度較高，催化劑使用壽命短，操作管 理也比較困難，因此壓力不宜過高。同時(shí)壓力高也有利于氨的分離，在較高溫度下氣氨即可冷凝為液氨，冷凍功減少。在一定的空間速度下，合成壓力越高，氨凈值 (合成塔出入口氨含量之差 )越高，合成塔的生產(chǎn)能力也就越大。決定生產(chǎn)條件員主要的因素是操作壓力 、溫度、空間速度、化學(xué)工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 氣體組成和催化劑等。各類鐵催化劑都有一定的起始活性溫度、最佳反應(yīng)溫度和耐熱溫度。一氧化碳、二氧化碳、水蒸氣、油類、硫化物等均會(huì)使鐵催化劑暫時(shí)或永久中毒。鐵催化劑在空氣中易受潮，引起可溶性鉀鹽析出，使活性下降。 加入 Cao 的作用：為了降低熔融物的熔點(diǎn)和粘度，并使 A12O3易于分散在 FeO ?Fe2O3中，還可提高催化劑的熱穩(wěn)定性。在還原過程中， MgO 也能防止活性鐵的微晶進(jìn)一步長大。α Fe的品粒間就出現(xiàn)了空隙，形成縱橫交錯(cuò)的微型孔道結(jié)構(gòu)，大大地增加了催化劑的表面積，提高了活性。當(dāng)催化劑被氫氯混合氣還 原時(shí)，氧化鐵被還原為α型純鐵，而 A12O3不被還原，它覆蓋在α Fe 品粒的表面，防止活性鐵的微晶在還原時(shí)及以后的使用中進(jìn)一步長大。 催化劑還原反應(yīng)為： FeO ?Fe2O3+4H2=3Fe+4H2O Δ H＝ (kJ 催化劑的活性組分是金屬鐵，而不是鐵的氧化物。接著是化學(xué)吸附的氫原子不斷地跟表面上的氮分子作用，在催化劑表面上逐步生成 — NH、 — NH2 和 NH3，最后氨分子在表面上脫吸而生成氣態(tài)的氨。當(dāng)采用鐵催化劑時(shí)，由于改變了反應(yīng)歷程，降低了反應(yīng)的活化能，使反應(yīng)以顯著的速率進(jìn)行。因而鐵系催化劑獲得了廣泛應(yīng)用?？梢?，催化劑的作用事十分重要的。 氨合成鐵系催化劑 在工業(yè)催化過程中，氨的合成是研究得最多，最深入的典型過程之一。 ④反應(yīng)需要有催化劑 ：實(shí)踐證明，在沒有催化劑存在的條件下，生成氨的反應(yīng)速度相當(dāng)緩慢，在 300500℃的條件下，氨合成反應(yīng)需要若干年才能達(dá)到平衡。 氨合成的化學(xué)反應(yīng)式如下： 1/2 N2 + 3/2 H2 = NH3 這一化學(xué)反應(yīng)具有如下幾個(gè)特點(diǎn)： ①該反應(yīng)是可逆反應(yīng)：在氯氣和氫氣反應(yīng)生成氨的同時(shí)，氨也分解成氫氣和氮?dú)?，前者稱為正反應(yīng)，廳者稱為逆反應(yīng)。 氨合成反應(yīng)的特點(diǎn)和催化劑 氨合成反應(yīng)的特點(diǎn) 氨的合成是氨廠最后一道工序，任務(wù)是在適當(dāng)?shù)臏囟取毫陀写呋瘎┐嬖诘臈l件下，將經(jīng)過精制的氫氮混合氣直接合成成氨。 重質(zhì)油制氨 重質(zhì)油包括各種深度加工所得的渣 油 ，可用部分氧化法制得合成氨原料氣，生產(chǎn)過程比天然氣蒸氣轉(zhuǎn)化法簡單，但需要有空氣分離裝置。 天然氣制氨 化學(xué)工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 天然氣先經(jīng)脫硫，然后通過二次轉(zhuǎn)化，再分別經(jīng)過一氧化碳變換、二氧化碳脫除等工序，得到的氮?dú)浠旌蠚猓渲猩泻幸谎趸己投趸技s ％～ ％（體積），經(jīng)甲烷化作用除去后，制得氫氮摩爾比為 3 的純凈氣，經(jīng)壓縮機(jī)壓縮而進(jìn)入氨 合成回路，制得產(chǎn)品氨?？捎谜魵馀c適量的空氣或蒸氣與適量的富養(yǎng)空氣為汽化劑制得，也可用水煤氣與吹風(fēng)混合配制。 （ 3） 混合煤氣：以空氣和適量的水蒸氣為汽化劑制取的煤氣，一般作燃料用 。 （ 1） 空氣煤氣：以空氣為汽化劑制取的煤氣，又稱為吹風(fēng)氣。 煤氣的成分取決于燃料和汽化劑的種類以及進(jìn)行汽化的條件。在氣化過程中所使用的空氣、水蒸氣或富養(yǎng)空氣 水蒸氣混合氣等稱為汽化劑。 氮?dú)庵饕菑目諝庵刑崛　?1963 和 1966 年美國凱洛格公司先后建成世界上第一座日產(chǎn) 540t 和 900t 氨的單系列裝置，顯示出大型裝置具有投資省、成本低、占地少和勞動(dòng)生產(chǎn)率高等顯著優(yōu)點(diǎn)。隨著 由汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的大型、高壓離心式壓縮機(jī)研制成功，為合成氨裝置大型化提供了條件，大型合成氨廠的數(shù)目也逐年增多。從此，合成氨工業(yè)的原料構(gòu)成由固體燃料轉(zhuǎn)向以氣、液態(tài)烴類燃料為主的時(shí)期 。 60 年代以后，又開發(fā)了重質(zhì)油部分氧化法制氫。 50 年代，天然氣、石油資源得到大量開采，由于以甲烷為主要組分的天然氣便于輸 送，適于加壓操作，能降低氨廠投資和制氨成本，在性能較好的轉(zhuǎn)化催化劑、耐高溫的合金鋼管相繼化學(xué)工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 出現(xiàn)后，以天然氣為原料的制氨方法得到廣泛應(yīng)用。第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束，以焦炭、煤為原料生產(chǎn)的氨約占一半以上。為了擴(kuò)大原料來源，曾對(duì)煤的直接氣化進(jìn)行了研究。20 年代，隨著鋼鐵工業(yè)的興起，出現(xiàn)了用焦?fàn)t氣深冷分離制氫的方法。 表 12 1931～ 1932年度世界氨產(chǎn)量（以 N 計(jì)） 來源 產(chǎn)量（ kt） 比例（ %） 煤氣副產(chǎn)氨水 472 氰化法 10 合成氨法 2609 氨工業(yè)化后的發(fā)展 自從合 成氨工業(yè)化后，原料構(gòu)成經(jīng)歷了重大的變化。 賽尼斯 伍德法 1921 德國 氮?dú)夤こ坦痉? 1921 美國 表 11 氨合成方法 到 20世紀(jì) 30年代 初，合成氨已經(jīng)成為世界上廣泛采用的制氨方法。其他國家根據(jù)德國發(fā)表的論文也進(jìn)行了研究，并在哈伯 博施法的基礎(chǔ)上作了一些改進(jìn)，先后開發(fā)了合成壓力從低壓到高壓的很多其他方法（表 11）。哈伯（ Fritz Haber）知難而化學(xué)工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 進(jìn)，對(duì)合成氨進(jìn)行了全面系統(tǒng)的研究和實(shí)驗(yàn)， 攻克 了 這一令人生畏的難題。這實(shí)際上就為合成氨的試驗(yàn)提供了理論指導(dǎo)。 1795 年，曾有人試圖在常壓下進(jìn)行氨合成，后來又有人在 50 個(gè)大氣 壓下試驗(yàn)，結(jié)果都失敗了。 氨從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)生產(chǎn) 艱難的探索 氨的合成反應(yīng)式： N2+3H2=2NH3 合成氨的化學(xué)原理，寫出來，不過這樣一個(gè)方程式；但就是這樣一個(gè)簡單的化學(xué)方程式，從實(shí)驗(yàn)室研究到最終成功、實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)，卻經(jīng)歷了約 150 年的艱難探索。然而全世界無論何處，大氣的五分之四都是氮，如果有人能學(xué)會(huì)大規(guī)模地、廉價(jià)地把單質(zhì)的氮轉(zhuǎn)化為化合物的形式，那么，氮是取之不盡、用之不竭的。隨著農(nóng)業(yè)的發(fā)展，氮肥的需求量在不斷提高；同時(shí)隨著工業(yè)的突飛猛進(jìn)，炸藥的需求量也在迅速增長。從那以后很長一段時(shí) 間，氨的主要來源是氮化物，而氮化物的主要來源是自然界中的硝石礦產(chǎn)。 關(guān)鍵詞： 氨，合成氨，反應(yīng)熱，氫氣 目錄 1 緒論 .................................................................... 1 怎樣固氮 ...................................................