【正文】 的觸媒必須能滿足活性高，不易中毒，價錢低，易創(chuàng)造的特點，還需耐 熱性能好，使用壽 命長，機械強度大的特點。這時可以認為氨合成過程處于化學動力學控制區(qū)，目前一般認為在鐵催化劑表面上氨合成反應機理可能如下： ②、 氨合成的動力學方程 氮（氣相） 催化劑 氮（吸附） 催化劑 氣相中氫 2NH（吸附） 催化劑 氣相中氫 2NH2（吸附） 催化劑 氣相中氫 2NH3 催化劑 2NH3（氣相）（ QIXIANG ）（ QI） 16 根據(jù)氮在鐵催化劑表面上的活性吸附是氨合成過程的控制步驟， 由 捷姆金和佩熱夫?qū)С龅奈⒎謩恿W方程如下 ： W= dNNH3/ds=KiPN2（ P3H2/ P2NH3） 2K2（ P2NH3/ P3H2） β 此式使用時有一定范圍，如當混合氣體中的氨的分壓為 0， 或極 小時，就不能運用，因在 極限時反應速度將為無限大。 以上七個步驟， ａ、ｇ為外擴散至氣相主流，ｄ 、 ｆ為內(nèi)擴散過程，ｃ、ｄ、ｅ三步驟總稱化學動力學過程。 ｆ、解析后氨從催化劑毛細孔組織內(nèi)部向外表面擴散。 ｄ、吸附狀態(tài)的氣體在催化劑表面上起化學反應，生成一系列中間化合物，最后形成在催化劑表面吸附狀態(tài)的氨。 ｂ、氫和氮的絕大部分，自外表面向催化劑的毛細孔內(nèi)部擴散，進 15 入內(nèi)表面。為了加速反應而又不過分提高溫度，就必須使用催化劑，常用鐵催化劑，其 中加有其它催化劑：如三氧化二鋁、氧化鉀等，催化劑的化學和物理性質(zhì)對氨合成過程有重大影響。同時，合成反應不能進行到底，反應后的氣體中含氨一般在 20%一下，其余為反應的氫、氮氣和不能參加反應的惰性氣體， 這些氣體混合在 一起是需要吸收熱量，所以表現(xiàn)出來的反應熱要比按上式算出的數(shù)值小，真正的反應熱與混合熱之合稱為表現(xiàn)反應熱，即△ HT=△ HR+△ HM，混合熱的數(shù)值顯然與反應后氣體中的氨含量有關，氣體中的氨含量越高，混合熱越大。 反應原理 反應原理從熱力學和動力學兩方面考慮。 ④ 用于制冷工業(yè)，為良好的冷媒質(zhì)。 ② 用氧化法合成的濃硝酸可用于各種有機化學工業(yè)、國防。它們都是良好的肥料。 （ 3）產(chǎn)品用途：氨的用途很廣，它是工業(yè)上的重要原料，可繼續(xù)處理變成其它產(chǎn)品。 ｃ、燃燒硫磺時遇氨氣生成白煙。 ⑥ 檢定方法： ａ、氨氣與氯化氫氣體時生成白煙。 （ 2）化學性質(zhì) ① 氨在空氣中不能燃燒，在氧氣中燃燒，它與氧化合，并有黃綠色火焰，主要反應為： 4NH3+3O2→ 2N2+6H2O 有觸媒存在時，氧化過程按下面反應式進行： 4NH3+5O2→ 4NO +6H2O ② 在高溫下氣態(tài)氨分解成氫和氮 2NH3→ 3H2+N2 ③ 和各種酸化和成鹽： 與硝酸作用 NH3+ HNO3= NH4NO3 與硫酸作用 2NH3 +H2SO4= (NH4)2SO4 與鹽酸作用 NH3+HCL= NH4CL 與碳酸作用 2NH3+CO2+H2O= 2NH4HCO3 (NH4)2CO3+CO2+H2O= 2NH4HCO3 ④ 有水存在時氨對銅和銅的化合物有侵蝕性。 ⑤ 溶于水時，放出熱量、水溶液成為氨水，其濃度隨比重的增大而降低。 ③ 加壓時易被液化為物色液體，（不純時為淡黃色或淡藍色）。 ｇ、采用雙循環(huán)時，必須裝設噴射器，如果操作不當，也會影響操作的正常進行。因此觸媒的使用壽命長，停車修理的間歇時間長，總產(chǎn)量高。 ｄ、中壓法所用操作壓力較低壓法高，因此，循環(huán)氣中的氨容易分離，所用的冷凝設備也比較小，可不專門設置氨的冷凍系統(tǒng)， 即使設置冷凍系統(tǒng)，其冷凍系統(tǒng)的生產(chǎn)能力也可以較低壓法小，因此耗電量也隨之降低。 ｂ、混合氣不直接進入合成塔，而先與循環(huán)氣在冷卻系統(tǒng)前匯合， 11 經(jīng)冷卻后，油及水分隨分離下來的液氨一同排出氨分離器，使油及水份的 分離更為徹底，可防止水及油份對觸媒的毒害作用。 ｆ、由于操作壓力低，氨的生成率少，氣氨不易液化，需要附設比較龐大的冷凍設備。 ｅ、精制觸媒反應熱量不能自行維持，反應前必須加熱， 其熱源由合成塔出口高溫氣體和精致塔 出口高溫氣體供給。 ｃ、觸媒對毒害物的靈敏性很大，易受傷害，而且操作中溫度不易控制，所以觸媒的使用壽命短。 低壓法工藝的優(yōu)缺點： ａ、所需壓力溫度低，亞鐵氰化鉀觸媒的活性較大。 ｂ、由于采用高壓和高溫，合成塔及附屬設備需要特殊的合金鋼制造，不易制作，因此價格很貴，而且檢修次數(shù)多。 ｄ、由于合成率高，因此每立方米觸媒的生產(chǎn)力也相應增大。 ｂ、在高壓下合成率高，在高壓和較高濃度下， 容易在混合氣體分離， 用水冷卻后液氨便可以分離出來。利用深度冷凍過程可以分別得到氫、氮、氬、 甲烷， 也可以將放空氣中甲烷用冷凝 方法得到氫氮氣，然后將甲烷轉(zhuǎn)化成氫，這樣氣體回收就比較完全，新鮮氣的消耗可大大降低。 放空氣中的氨可用吸收法或冷凝法加以回收，其余的氣體一般可用作燃料。（即放空的方法） 在氨合成循環(huán)系統(tǒng)中，流程中各部位的惰性氣體含量是不同的，惰 9 性氣體排除的位置應該選擇在惰性氣體含量最小的地方。 （ 5）惰性氣體的排放 如前所述，因制取合成氨原料氣所用的原料和凈化方法的不同，在新鮮原料氣中通常含有一定數(shù)量的甲烷和氬，氬氣來自空氣， 新鮮氣中氬氣與氮氣的比例大體和空氣中相同，即新鮮氣中氬的含量通常在 %左右。 （ 4） 未反應氫氮氣的處理：為了回收這部份氫 氮，工業(yè)上有兩種處理方法： ａ、 串聯(lián)法：將幾個氨合成和氨分離串聯(lián)起來， 出第一合成塔的氣體經(jīng)氨分離后進入第二合成塔，再分離。 ａ、水吸收法：用水吸收混合氣體中的氨時，由于高壓下氨在水中溶解度較大，因而氨的分離比較完全，但分離氨后氫氮混合氣體中含有 8 少量水蒸氣， 在再次利用這部分氣體進行合成時，需將水分除去， 否則將影響催化劑的活性，用水吸收氨后的產(chǎn)品為濃氨水，如得到液氨產(chǎn)品，需將濃氨水蒸餾。因此，在新的氨合成流程中， 都沒有反應熱回收裝置。這種換熱過程有一部分在催化劑床層中層過換熱裝置進行。因此， 在往復式壓縮機眉端出口都設有水冷卻器和油分離器將氣體中的油份除凈十分重要，這不僅因為油冷凝后會附著在熱交換器壁上，降低傳熱效率，更重要的是當油隨氣體帶入合成塔，會使催化劑中毒，當油進入合成塔電加熱器內(nèi)時，會使其絕緣不良而引起短路， 為避免氣體帶油，目前已推廣往復式壓縮機無油潤滑，并取得較好效果，使用離心式壓縮機從根本上解決了氣體帶油問題，使生 產(chǎn)流程得以簡化。 7 （ 1）氣體的壓縮：為使氣體 達到氨合成所要求的壓力，須將經(jīng)過精細凈化除去所有 有害成分的氫氮混合氣經(jīng)壓縮機進行壓縮。 循環(huán)壓縮機技術特性如下： 生產(chǎn)能力： 270 米 3/小時 轉(zhuǎn) 速 ： 125 轉(zhuǎn) /分鐘 同步電動機容量： 450 千 瓦 八、生產(chǎn)技術依據(jù)，生產(chǎn)步驟及生產(chǎn)方法的選擇 生產(chǎn)技術依據(jù) 《合成氨器、 氨的合成》 ； 《無機化工工藝學》 ； 《化工工藝設計 概論》 ；無機化工專業(yè) 業(yè)設計任務書 。該設備是雙動 單級的，是由同軸同步電動機帶動的，主軸考曲柄的一端支承在機座 的主軸承上， 主軸是由碳素鋼鍛造加工而成。從冷凝塔、氨分離器、油過濾器出口排出來 的氣體，都經(jīng)過放空槽集中后，排入大氣。該設備是立式焊接設備，直徑約為 1200 ㎜，高約 為 2200 ㎜，器內(nèi)填充有鋼環(huán)，下面有一底座支架。 氨水回收器為 立式焊接圓筒，它的直徑約為 1200 ㎜，高約 3500 ㎜，容許的最高操作壓力為 16 氣壓，內(nèi)設有蒸汽蛇管器的側面有一 玻璃管液面計。 內(nèi)筒由四層圓筒組成，圓筒上開有長方形的孔，但各層孔的位置 相錯，使氣體流動時改變方向，圓筒固定在上面的圓板上，圓板安裝 在高壓筒體上，圓板的中心有一氣體出口。在內(nèi)筒下有幾個氣體的入口圓洞，內(nèi)筒在操作過程 中，承受的最高壓力差必須小于 氣壓。 該設備的外筒是多層焊接的高壓容器，其內(nèi)徑為 700 ㎜，高約 1014 ㎜，筒體上部的側面設有一高壓蓋子，蓋子與筒體是用螺栓連 接的以鋁墊密封。該設備的外筒是一直徑約為 2100 ㎜，高約為 3900 ㎜的直立式焊接而成的圓筒，該設備上有泡沫分離器。 快速水冷卻器：該設備是用來冷卻從合成塔出來的反應后的高 溫氣體 120— 180℃，經(jīng)冷卻后能使氣體中氨冷凝為液氨，另外，加熱鍋爐房用的化學凈水，回收一部分熱量。 冷凝塔的外筒是多層焊接的高壓容器，在塔底的循環(huán)氣入口上焊有一個中心管，在塔內(nèi)上部焊有一個套筒，套筒與高壓筒體的間隙用作液面 計導壓之用，并且套筒還兼作冷交換器的外殼，在塔內(nèi)的上 部裝有列管式冷交換器，它 有下面一截外殼，上面有一圈法蘭線，與高壓筒體內(nèi)的套筒緊密接觸，起密封作用。 熱交換器與觸媒 筒下部相連，其筒體直徑約為 680 ㎜，筒體內(nèi)裝有約900 多根直徑為 14 2 ㎜，長約 3700 ㎜的管子，在管間裝有隔板， 隔板為圓環(huán)式，共計 27 塊，整個熱交換器面積約為 130 ㎡。 觸媒 筒的內(nèi)徑為 690 ㎜，由鋼板焊接而成。 組成：外筒是一個多層焊接的高壓容器，筒體內(nèi)徑為 300 ㎜，高為13600 ㎜，筒體的兩端焊有兩個法蘭，上部有一密閉式頂蓋，下面是一高壓蓋子，蓋子與法蘭有螺栓連接，在上法蘭之側有一氣體入口 ，下蓋有一氣體出口及冷氣入口。 第二類：水分含量不超過 1%，并含有微量的油份。 六、 產(chǎn)品規(guī)格：氨包括氣氨產(chǎn)品占總產(chǎn)量的 75%荷葉按產(chǎn)品占總產(chǎn)量的20%， 以及將氣缸氣和吹出氣送至硫銨車間所回收的氨產(chǎn)品占總產(chǎn)量的 5%。 機械油 ： 牌號“” ，閃點 110℃，粘度 50℃時， — 恩氏度。 氨氣：用耐 15 氣壓的鋼瓶充裝，使用時減壓力 5 個氣 壓，供系統(tǒng)置換水冷卻器的吹出和局部滅火用，氮氣中的氧含量不得超過2%。 水溫 24℃（夏季）所含之懸浮物 ， 3 不超過 50 毫克∕升，在洪水期水中懸浮物達 100 毫克∕升。 合成氨觸媒 ：在 300 大氣壓、 溫度 475～ 510℃ 下合成氨則用氧化 鋁與氧化鉀為促進劑的融鐵觸煤。 大修： 20 天 3 年 |次 （一般） 中修： 7 天 1 年 |次 小修： 1～ 5 天 （經(jīng)常） 發(fā)展規(guī)劃：向年產(chǎn) 30 萬噸合成氨發(fā)展。 2 操作制度：根據(jù)化工生產(chǎn)的特點，采用四班三倒 輪換操作。 以畢業(yè)設計任務書和化工工藝專業(yè)課本及 參考書為依據(jù)。 總之，經(jīng)過初步訓練，具有一定的化工 工藝設計能力后，在生產(chǎn)、基建、科研和管理等方面，一定會發(fā)揮出重要的作用。因此，化工工藝專業(yè)的學員一定要掌握 化工設計方面的基礎知識。因此，設計質(zhì)量的好壞，對化工行業(yè)的發(fā)展影響極大，一定要在思想上充分的重視。 1 第一章 總 論 一、 指導思想 化工設計是 政治、經(jīng)濟和技術緊密結合的一門科學技術?；ぴO計在新廠建設，老廠改造挖潛中具有極其重要的作用，也可以說設計是生產(chǎn)的先導，是科研成果轉(zhuǎn)化為工業(yè)化大生產(chǎn)的 必經(jīng) 途徑 。 有關化工 設計方面的知識和技能，不僅對專門從事化工設計的人員需要學習和掌握 ，而且對從事化工生產(chǎn)、科學實驗和技術管 理方面的人員，也同樣需要具備。 從教學出發(fā)對學生進行化工設計方面的基本訓練，有 助于培養(yǎng)學生綜合運用理論知識，聯(lián)系生產(chǎn)實際，提高分析和解決問題的能力，有助于提高學生的運算技巧和設計繪圖的能力，當然設計能力的培養(yǎng)和深化，有賴于更多的實踐，只有通過實踐，積累經(jīng)驗， 才能培養(yǎng)思維、想象和創(chuàng)造的能力，才能促進設計能力的不斷提高。 二、 設計依據(jù) 畢業(yè)設計是以設計者深入現(xiàn)場收集的數(shù)據(jù)，掌握所設計 項目的生產(chǎn)程序 。 三、設計規(guī)模及操作制度 設計規(guī)模：年產(chǎn) 15 萬噸合成氨裝置。 生產(chǎn)制度：根據(jù)設備的大、中、小修及偶然事故的發(fā)生，年生產(chǎn)日一般為 330 天左右。 四、主要原料來源、數(shù)量及組成 主要原料氣為新鮮氣： 生產(chǎn)原料：合 成氨用的氫氮混合氣 規(guī)格：壓力為 320 大氣壓（表壓） 成份：按氣體體積百分數(shù) H2=% N2=% （ CH4+Ar） =% 消耗定額 氫氮混合氣： 2800m3∕噸氨 河 水： 62 噸∕噸氨 鍋爐用化學凈 水： 噸∕噸氨 電： 130 千瓦∕小時 噸氨 五、輔助原料來源、組成及數(shù)量 來源：來自水、氣及其它副產(chǎn)品。 河水：供合成系統(tǒng)的水冷 卻氣作用。 供鍋爐房用的化學凈水： 于合成系統(tǒng)水冷卻器上部的列管中，作冷卻氣體用。 潤滑油：供循環(huán)壓縮機機械部位及氣缸部位潤滑 用 的 。 汽缸油：牌號“ T ”的汽缸油閃點為 240℃，粘度在 100℃時