【正文】 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。相反，則要控制低一些。 循環(huán)氣體中惰性氣體的控制還與操 作壓力和催化劑活性有關(guān)。排放量多，可以使合成系統(tǒng)惰性氣體含量降低，氨的合成率提高。無(wú)論從化學(xué)平衡還是動(dòng)力學(xué)角度分析，他們都是有弊無(wú)利的，導(dǎo)致氨的生產(chǎn)率下降。 ⑵ 惰性氣體 襄樊學(xué)院 2021屆學(xué)士學(xué)位設(shè)計(jì) （ 論文 ） 報(bào)告紙 15 在混合氣體中含有甲烷和氬氣等，統(tǒng) 稱(chēng)為惰性氣體。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(guò)程速度的控制步驟，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)口氣的組成 合成塔進(jìn)口氣體組成包括氫氮比、惰性氣體含量和塔進(jìn)口氨含量。液氨在氨分離器中與循環(huán)氣體分開(kāi)，減壓送入貯槽。 本設(shè)計(jì)采用冷凝法。 流程設(shè)計(jì)在于合理地配置上述幾個(gè)步驟，以便得到較好的技術(shù)效果，同時(shí)在生產(chǎn)上穩(wěn)定可靠。目前，國(guó)內(nèi)一些小型合成氨廠合成壓力在 30 MPa 左右的，空間速度選擇在 2021~3000 每小時(shí)之間。此外，空間速度增大，使出塔氣體中氨的百分含量降低，為了使氨從混合氣中冷凝分離出來(lái)，必須降低出塔氣體溫度，這樣就要消耗更多的冷凍量，導(dǎo)致冷凍功耗增加。同時(shí)，單位循環(huán)氣量的產(chǎn)氨量減少。 在其他條件一定時(shí)，增加空間速度能提高合成氨的生產(chǎn)強(qiáng)度?？臻g速度增加，氣 體與催化劑接觸時(shí)間減少，反應(yīng)物來(lái)不及反應(yīng)就離開(kāi)了反應(yīng)區(qū)域，因此將是合成塔出口氣體中氨含量降低，即氨凈值降低。催化劑使用到末期，活性因衰老而減弱，應(yīng)再適當(dāng)提高溫度。新的催化劑因活性比較高，可采用較低的溫度。在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)盡可能沿著最佳溫度曲線進(jìn)行。在合成氨生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)應(yīng)于任意一個(gè)瞬時(shí)轉(zhuǎn)化率都存在一個(gè)最大的反應(yīng)速率的溫度，即最佳溫度。合成氨生產(chǎn)所用的催化劑活性溫度在 400~500 ℃ 。為了提高反應(yīng)速率，必須使用催化劑才能實(shí)現(xiàn)氨合成反應(yīng)。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。目前我國(guó)中小型合成氨廠合成操作壓力大多采用 20~32 MPa。所以。但是壓力高、時(shí)，對(duì)設(shè)備的材料和制造的要求均高。主要能量消耗包括原料氣壓縮功、循環(huán)氣壓縮功和氨分離的冷凍功。所以，提高壓力對(duì)氨合成反應(yīng)的平衡和反應(yīng)速度都有利，在一定空速下，合成壓力越高，出口氨濃度越高， 氨凈值越襄樊學(xué)院 2021屆學(xué)士學(xué)位設(shè)計(jì) （ 論文 ） 報(bào)告紙 13 高，合成塔的生產(chǎn)能力也越大。 ⑴ 最適宜的操作壓力 氨合成反應(yīng)是氣體體積縮小的反應(yīng)，提高壓力有利于反應(yīng)平衡向右移動(dòng)。 工藝流程的選擇 合成氨的生產(chǎn)工藝條件必須滿足產(chǎn)量高，消耗低，工藝流程及設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便及安全可靠等要求。世界上合成氨總的發(fā)展趨勢(shì)多 采用中壓法，其壓力范圍多數(shù)為 30～ 35 MPa。中壓法的優(yōu)缺點(diǎn)介于高壓法與低壓法中間，但從經(jīng)濟(jì)效果來(lái)看，設(shè)備投資費(fèi)用和生產(chǎn)費(fèi)用都比較低。高壓法管理比較復(fù)雜，特別是由于合成率高，催化劑層內(nèi)的反應(yīng)熱不易排除而使催化劑長(zhǎng)期處于高溫下操作，容易失去活性。從而簡(jiǎn)化了流程；設(shè)備和流程 比較低緊湊，設(shè)備規(guī)格小，投資少，但由于在高壓高溫下操作，對(duì)設(shè)備和管道的材質(zhì)要求比較高。高壓法的優(yōu)點(diǎn)是，氨合成的效率高，合成氨出口氣體中含氨達(dá) 25％～ 30％，催化劑的生產(chǎn)能力較大。該法的優(yōu)點(diǎn)是由于操作壓力和溫度較低，對(duì)設(shè)備、管道的材質(zhì)要求低生產(chǎn)容易 管理，但低壓法合成率不高，合成塔出口氣體中含氮約8％ ～ 10％，所以催化劑的生產(chǎn)能力比較低；同時(shí)由于壓力低必須將循環(huán)氣準(zhǔn)至20℃ 的低溫才能使氣體中的氨液化，分離比較完全，所以需要設(shè)置龐大的冷凍設(shè)備，使得流程復(fù)雜，且生產(chǎn)成本較高。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、溫度和催化劑種類(lèi)的不同，一般可分為低壓法、中壓法和高壓法三種。 ⑷ 混合氣中氫、氮含量越高越有利于反應(yīng)，因此，氣體中惰性氣體含量越少越好。 ⑵ 溫度低時(shí)，反應(yīng)有利于向氨合成的方向進(jìn)行，但反應(yīng)速度較慢，提高溫度不利于反應(yīng)平衡，但可以加快反應(yīng)速度，在實(shí)際操作中，溫度的選擇取決于觸媒的活性。 設(shè)計(jì)任務(wù)的項(xiàng)目來(lái)源 本課題是指導(dǎo)老師為提高畢業(yè)生設(shè)計(jì)能力而選定的。其產(chǎn)品集中度達(dá)到 50%，并形成 35 家在國(guó)際上有一定影響的大型企業(yè)集團(tuán)。如果在合成氨原料氣脫除二氧化碳過(guò)程中能聯(lián)合生產(chǎn)這些產(chǎn)品，則可以簡(jiǎn)化流程、減少能耗、降低成本。 ③ 與其他產(chǎn)品聯(lián)合生產(chǎn)。 ② 節(jié)能和降耗。 襄樊學(xué)院 2021屆學(xué)士學(xué)位設(shè)計(jì) （ 論文 ） 報(bào)告紙 10 合成氨工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì) 合成氨工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)： ① 原料路線的變化方向。二是企業(yè)結(jié)構(gòu)不合理，產(chǎn)業(yè)集中度低，技術(shù)水平不高。內(nèi)技術(shù)進(jìn)行改造。而我國(guó)氮肥原料以煤為主，天然氣僅占 20%，我國(guó)氮肥行業(yè)急需解決采用成熟的粉煤氣化技術(shù)，以本地粉煤代替無(wú)煙塊煤。 合成氨工業(yè)的現(xiàn)狀 我國(guó)合成氨工業(yè)存在一些特殊問(wèn)題，一是氮肥資源緊張。但我國(guó)合成氨工業(yè)還不夠發(fā)達(dá)，比外國(guó)的氮肥企業(yè)還有些距離。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)氨的需要量日益增長(zhǎng)，近 30 年 來(lái)合成氨工業(yè)發(fā)展很快。 合成氨工業(yè)的發(fā)展 合成氨工業(yè)在 20 世紀(jì)初期形成，開(kāi)始用氨作火炸藥工業(yè)的原料，為戰(zhàn)爭(zhēng)服務(wù) 。 在空氣吹凈階段，從爐底吹入空氣，產(chǎn)生吹風(fēng)氣將半水煤氣經(jīng)燃燒室、廢熱鍋爐、洗氣箱及洗氣塔送入氣柜。下吹煤氣直接經(jīng)洗氣箱及洗氣塔送入氣柜。半水煤氣經(jīng)過(guò)燃燒室加熱蓄熱磚（此時(shí)不加助燃空氣），再依次經(jīng)過(guò)廢熱鍋爐、洗氣箱、洗氣塔送入氣柜。吹風(fēng)氣被冷卻至 200℃ 左右，由煙囪排入大氣。吹風(fēng)氣送入燃燒蓄熱室，在此通入助燃空 氣使吹風(fēng)氣中的一氧化碳燃燒。 本設(shè)計(jì)采用半水煤氣，半水煤氣經(jīng)過(guò)凈化后得到純凈的氫氣，再配制適量的氮?dú)?，成為合成氨的原料氣? 半水煤氣：是混合煤氣中組成符合（ H2+CO） /N2=～ 的一個(gè)特例。 水煤氣：以水蒸氣（或水蒸氣與氧的混合氣）為汽化劑制取的煤氣。根據(jù)所用汽化劑的不同，工業(yè)煤氣可分為下列四種。這種生成的混合氣稱(chēng)為煤氣。氫氣是從半水煤氣中提取的，以煤為原料，在一定的高溫條件下通入空氣、水蒸氣或富養(yǎng)空氣 水蒸氣混合氣，經(jīng)過(guò)一系列反應(yīng)生成襄樊學(xué)院 2021屆學(xué)士學(xué)位設(shè)計(jì) （ 論文 ） 報(bào)告紙 8 含有一氧化碳、二氧化碳、氫氣、氮?dú)狻⒓凹淄榈然旌蠚怏w的過(guò)程。 原料氣來(lái)源 原料氣主要有兩部分：氮?dú)?、氫氣? 氨與空氣 (或氧 )的混合氣 ,在一定濃度范圍內(nèi)能發(fā)生劇烈的氧化作用而爆 炸 .在常溫常壓下 ,氨與空氣爆炸界限為非作 15%～ 28%(NH3)。液氨為 無(wú)色液體，氣化時(shí)吸收大量的熱。 常壓下氣態(tài)氨需冷卻到 ℃ （沸點(diǎn)）才能液化。氨水在溶解時(shí)放出大量熱。 襄樊學(xué)院 2021屆學(xué)士學(xué)位設(shè)計(jì) （ 論文 ） 報(bào)告紙 7 氣態(tài)氨易溶于水，成為氨水，氨水呈弱堿性。例如制冷、空調(diào)、食品冷藏系統(tǒng)大多數(shù)都是用氨作為制冷劑。 氨在其他工業(yè)中的應(yīng)用也非常廣泛。 由氨制成的硝酸，是各種炸藥和基本原料，如三硝基申苯，硝化甘油以及其它各種炸藥。液氨可以直接用作肥料，它的加工產(chǎn)品有尿素、硝酸銨、氯化氨和碳酸氫氨以及磷酸銨、氮磷鉀混合肥等。目前，固定氮最方便、最普通的方法就是合成氨，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) 在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中，氨占有重要地位，特別是對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有著重大意義。但是，如此豐富的氮，通常狀況下不能為生物直接吸收，只有將空氣中的游離氮轉(zhuǎn)化為化合物狀態(tài)，才能被植物吸收，然后再轉(zhuǎn)化成人和動(dòng)物所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。氮是蛋白質(zhì)質(zhì)中不可缺少的部分，是人類(lèi)和一切生物所必須的養(yǎng)料；可以說(shuō)沒(méi)有氮，就沒(méi)有蛋白質(zhì)，沒(méi)有蛋白質(zhì)，就沒(méi)有生命。生產(chǎn)的氨的用途和產(chǎn)生的三廢在本設(shè)計(jì)也有所提到，在合成效率 方面也有進(jìn)一步研究。本設(shè)計(jì)要求要掌握合成塔的工作原理，生產(chǎn)的工藝路線，并能根據(jù)工藝指標(biāo)進(jìn)行操作計(jì)算。 編者 ****年 *月于 ***** 襄樊學(xué)院 2021屆學(xué)士學(xué)位設(shè)計(jì) （ 論文 ） 報(bào)告紙 2 目 錄 第一章 總 論 ........................................................................................................................ 6 概述 ......................................................................................................................... 6 氨的性質(zhì) .................................................................................................................. 6 氨的物理性質(zhì) .................................................................................................. 6 氨的化學(xué)性質(zhì) .................................................................................................. 7 原料氣來(lái)源 ................................................................................................................. 7 文獻(xiàn)綜述 .................................................................................................................. 9 合成氨工業(yè)的發(fā)展 ........................................................................................... 9 合成氨工業(yè)的現(xiàn)狀 ........................................................................................... 9 合成氨工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì) ...................................................................................10 設(shè)計(jì)任務(wù)的項(xiàng)目來(lái)源 ................................................................................................10 第二章 流程方案的確定 ........................................................................................................ 11 生產(chǎn)原理 ................................................................................................................. 11 各生產(chǎn)方法及特點(diǎn) ................................................................................................... 11 工藝流程的選擇 .......................................................................................................12 合成塔進(jìn)口氣的組成 ................................................................................................14 第三章 工藝流程簡(jiǎn)述 ...........................................................................................................16 合成工段工藝流程簡(jiǎn)述 ....................................