【正文】 燃易爆和有毒的性質(zhì)。因此，用水噴淋處理跑氨事故，能收到較好的效果 [2]。標(biāo)準(zhǔn) 狀況下， 1 米 3氣氨重 公斤； 1 米 3液氨重 公斤。 設(shè)計的產(chǎn)品的性能、用途及市場需要 (1) 氨的物化性能 合成氨的化學(xué)名稱為氨，氮含量為 %。 5. 進(jìn)行管路配置設(shè)計，并繪制管路布置圖。 3. 繪制帶控制點(diǎn)的工藝流程圖 （ PID） 。 設(shè)計任務(wù)的依據(jù) 設(shè)計任務(wù)書是項目設(shè)計的目的和依據(jù)： 2 產(chǎn)量： 80 kt/a 液氨 放空氣（惰性氣 Ar +CH4 ）： 17% 原料：新鮮補(bǔ)充氣 N2 24%， H2 %， Ar %， CH4 % 合成塔進(jìn)出口氨濃度： %， % 放空氣 :（惰性氣 Ar +CH4 ）～ 17% 合成塔操作壓力 32 MPa （絕壓） 精練氣溫度 40℃ 水冷器出口氣體溫度 35 ℃ 循環(huán)機(jī)進(jìn)出口壓差 年工作日 310 d 計算基準(zhǔn) 生產(chǎn) 1t 氨 概述 設(shè)計題目：年產(chǎn) 8 萬噸合成氨合成工段設(shè)計 設(shè)計具體內(nèi)容范圍及設(shè)計階段 本次設(shè)計的內(nèi)容為合成氨合成工段的設(shè)計，具體包括以下幾個設(shè)計階段： 1. 進(jìn)行方案設(shè)計，確定生產(chǎn)方法和生 產(chǎn)工藝流程。 提高生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性 ,延長運(yùn)行周期是未來合成氨裝置“改善經(jīng)濟(jì)性、增強(qiáng)競爭力”的必要保證。 實施與環(huán)境友好的清潔生產(chǎn)是未來合成氨裝置的必然和惟一的選擇。 開發(fā)低壓、高活性合成催化劑 , 實現(xiàn)“等壓合成”。以 Uhde公司的“雙壓法氨合成工藝”和 Kellogg 公 司的“基于釕基催化劑 KAAP 工藝” ,將會在氨合成工藝的大型化方面發(fā)揮重要的作用。根據(jù)合成氨技術(shù)發(fā)展的情況分析 , 未來合成氨的基本生產(chǎn)原理將不會出現(xiàn)原則性的改變 , 其技術(shù)發(fā)展將會繼續(xù)緊密圍繞“降低生產(chǎn)成本、提高運(yùn)行周期 , 改善經(jīng)濟(jì)性”的基本目標(biāo) , 進(jìn)一步集中在“大型化、低能耗、結(jié)構(gòu)調(diào)整、清潔生產(chǎn)、長周期運(yùn)行”等方面進(jìn)行技術(shù)的研究開發(fā) [1]。氨主要用于農(nóng)業(yè) ,合成氨是氮肥工業(yè)的基礎(chǔ)，氨本身是重要的氮素肥料，其他氮素肥料也大多是先合成氨、再加工成尿素或各種銨鹽肥料，這部分約占 70 %的比例，稱之為“化肥氨”；同時氨也是重要的無機(jī)化學(xué)和有機(jī)化學(xué)工業(yè)基礎(chǔ)原料，用于生產(chǎn)銨、胺、染料、炸藥、制藥、合成纖維、合成樹脂的原料，這部分約占 30 %的比例 ,稱之為“工業(yè)氨”。 1 年產(chǎn) 8 萬噸合成氨合成工段設(shè)計 設(shè)計說明書 1 總論 氨是最為重要的基礎(chǔ)化工產(chǎn)品之一，其產(chǎn)量居各種化工產(chǎn)品的首位 。 同時也是能源消耗的大戶，世界上大約有 10 %的能源用于生產(chǎn)合成氨。 世界合成氨技 術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了傳統(tǒng)型蒸汽轉(zhuǎn)化制氨工藝、低能耗制氨工藝、裝置單系列產(chǎn)量最大化三個階段。 (1) 大型化、集成化、自動化 , 形成經(jīng)濟(jì)規(guī)模的生產(chǎn)中心、低能耗與環(huán)境更友好將是未來合成氨裝置的主流發(fā)展方向。氨合成工藝單元主要以增加氨合成轉(zhuǎn)化率 (提高氨凈值 ) ,降低合成壓力、減小合成回路壓降、合理利用能量為主，開發(fā)氣體分布更加均勻、阻力更小、結(jié)構(gòu)更加合理的合成塔及其內(nèi)件 。 (2) 以“油改氣”和“油改煤”為核心的原料結(jié)構(gòu)調(diào)整和以“多聯(lián)產(chǎn)和再加工”為核心的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整 ,是合成氨裝置“改善經(jīng)濟(jì)性、增強(qiáng)競爭力”的有效途徑。生產(chǎn) 過程中不生成或很少生成副產(chǎn)物、廢物 ,實現(xiàn)或接近“零排放”的清潔生產(chǎn)技術(shù)將日趨成熟和不斷完善。有利于“提高裝置生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)率、延長運(yùn)行周期”的技術(shù) ,包括工藝優(yōu)化技術(shù)、先進(jìn)控制技術(shù)等將越來越受到重視。 2. 進(jìn)行化工計算，包括物料衡算、能量衡算以及設(shè)備選型和計算。 4. 進(jìn)行車間布置設(shè)計，并繪制設(shè)備平立面布置圖。 6. 撰寫設(shè)計說明書。氨是一種無色具有強(qiáng)烈刺激性、催淚性和特殊臭氣的無色氣體，比空氣輕，相對密度 ，熔點(diǎn)－ ℃；沸點(diǎn)－ ℃。極易溶于水，常溫（ 20℃）常壓下，一個體積的水能溶解 600 個體積的氨；標(biāo)準(zhǔn)狀況下，一個體積水能溶解 1300 個體積的氨氨的水溶液稱為氨水，呈強(qiáng)堿性。 氨與酸或酸酐可以直接作用，生成各種銨鹽；氨與二氧化碳作用可生成氨基甲銨，脫水成尿素；在鉑催化劑存在的條件下，氨與氧作用生成一氧化氮，一氧化氮繼續(xù)氧化并與水作用，便能得到硝酸。氨的 自燃點(diǎn)為 630℃，氨在氧中易燃燒，燃燒時生成藍(lán)色火焰。常溫下氨在空氣中的爆炸范圍為 ～ 28％，在氧氣中為 ～ 82％。 (2) 氨的用途 氨是基本化工產(chǎn)品之一，用途很廣。各種氮肥生產(chǎn)是以合成氨為主要原料的 ，因此，合成氨工業(yè)的發(fā)展標(biāo)志著氮肥工業(yè)的水平。還可以將氨加工制成各種含氮復(fù)合肥料?？梢?，合成氨工業(yè)是氮肥工業(yè)的基礎(chǔ)，對農(nóng)業(yè)增產(chǎn)起著重要的作用。將氨氧化可以制成硝酸，而硝酸又是生產(chǎn)炸藥、染料等產(chǎn)品的重要原料。此外，氨還是常用的冷凍劑。同時，尿素和甲醇的合成、石油加氫、高壓聚合等工業(yè)，也是在合成氨工業(yè)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。 (3)市場需要 據(jù)資料統(tǒng)計 :1997 年世界合成氨年產(chǎn)量達(dá) 。其化肥用氨分別占氨產(chǎn) 量的 %和 %。即今后 20 年間將增加到現(xiàn)在的 倍。未來我國合成氨氮肥的實物產(chǎn)量將會超過石油和鋼鐵。農(nóng)業(yè)生產(chǎn) ,“有收無收在于水 ,收多收少在于肥”。它的發(fā)展將對國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展產(chǎn)生重大影響。我國七十至九十年代先后重復(fù)引進(jìn) 30 多套大化肥裝置 ,耗費(fèi)巨額資金 ,在提高了化肥生產(chǎn)技術(shù)水平的同時 ,也受到國外的制約。過去引進(jìn)建設(shè)一套大型化肥 4 裝置 ,耗資數(shù)十億元。節(jié)省的巨額資金 ,用作農(nóng)田水利建設(shè)和農(nóng)產(chǎn)品深加工 ,將在加速農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展 ,提高農(nóng)民生活水平 ,縮小城鄉(xiāng)差距起著重要用。對于合成系統(tǒng)來說，液體氨即是它的產(chǎn)品。 (1)高壓法 操作壓力 70～ 100MPa，溫度為 550～ 650℃。故流程、設(shè)備都比較緊湊。又因為是高溫高壓操作，對設(shè)備制造、材質(zhì)要求都較高，投資費(fèi)用大。 (2)中壓法 操作壓力為 20～ 60MPa，溫度 450～ 550℃，其優(yōu)缺點(diǎn)介于高壓法與低壓法之間，目前此法技術(shù)比較成熟，經(jīng)濟(jì)性比較好。從動力消耗看，合成系統(tǒng)的功耗占全廠總功耗的比重最大?？偟膩砜?，在 15～ 30Pa 的范圍內(nèi)，功耗的差別是不大的，因此世界上采用此法的很多。 (3)低壓法 操作壓力 10MPa 左右，溫度 400～ 450℃。但此法所用催化劑對毒物很敏感，易中毒，使用壽命短，因此對原料氣的精制純度要求嚴(yán)格。實際工業(yè)生產(chǎn)上此法已不采用了。 設(shè)計產(chǎn)品所需的主要原料規(guī)格、來源 5 主要原料來源 生產(chǎn)合成氨，首先必須制備氫、氮原料氣 。 氫氣來源于水或含有烴類的各種燃料，它取決于用什么方法制取?，F(xiàn)在工業(yè)上普遍采用以焦炭、煤、天然氣、重油等原料與水蒸汽作用的氣化方法。當(dāng)氫氫比為3 時，對于氨合成反應(yīng)，可得最大平衡氨含量，但從動力學(xué)角度分析，最適宜氫氨比隨氨含量的不同而變化。 惰性氣體 (CH Ar)來源于新鮮原料氣，它們不參與反應(yīng)因而在系統(tǒng)中積累。但是，維持過低的惰氣含量又需大量排放循環(huán)氣導(dǎo)致原料氣消耗量增加。因此，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、 催化劑活性等條件而定。 當(dāng)其它條件一定時，進(jìn)塔氣體中氨含量越高，氨凈值越小，生產(chǎn)能力越低。對于冷凍法分離氨，初始氨含量與冷凝溫度和系統(tǒng)壓力有關(guān)。操作壓力 300atm 時，一般進(jìn)塔氨含量控制在 ～ ％； 150atm 時，為 ～ ％。雖然原料氣中硫化物含量不高，但對合成氨生產(chǎn)危害卻很大。以烴類為原料的蒸汽轉(zhuǎn)化法制取原料氣，鎳催化劑對硫含量限制十分嚴(yán)格，要求烴原料中總硫含量為 (重量 )以下。 生產(chǎn)中產(chǎn)生有害物質(zhì)和處理措施 6 中小型合成氨廠在生產(chǎn)過程中，常見的有毒有害物質(zhì)種類很多，多以氣體、蒸氣、霧、粉塵等狀態(tài)存在，其中有毒有害氣體是合成氨生產(chǎn)中最常見的。車間空氣中氨的最高容許濃度為 30 毫克／米 3。氨中毒的癥狀首先是服粘膜和呼吸道粘膜受到刺激、胸感抑郁、胃痛、打噴嚏、流口水、周身有不舒服感。中毒嚴(yán)重時，會引起肺部腫脹導(dǎo)致死亡。因氨有氣味，故較好預(yù)防。液氨或氨水濺入眼內(nèi)，可造成眼睛嚴(yán)重?fù)p傷 ，出現(xiàn)眼瞼水腫，眼結(jié)膜迅速充血水腫，眼劇痛，角膜混濁，甚至因角膜潰瘍、穿孔而失明。 在正常生產(chǎn)過程中，有很少一部份氣態(tài) NH3 無法回收，通過放空火炬燃燒掉就不會對環(huán)境造成影響。 合成氨廢水 合成氨生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢水是 COD 的主要來源。如果含有 COD 的廢水排 放出去就會繁衍菌類、藻類，污染水源和土壤，更嚴(yán)重的是會造成污染滋生源，對環(huán)境造成更大的破壞。 2 生產(chǎn)流程及生產(chǎn)方法的確定 合成氨生產(chǎn)的特點(diǎn) 氨的合成工段，其主要任務(wù)是在適宜的溫度、壓力和有觸媒催化的條件下，將經(jīng)過精制的氫氮混合氣體，在合成塔內(nèi)直接合成為氨。液氨由氨罐進(jìn)入氨冷器蒸發(fā)為氣氨，送 碳化崗位制取碳酸氫銨；或送硝酸車間制取硝酸和硝銨；或送硫銨車間制取硫酸銨；或?qū)⒁喊彼湍蛩剀囬g制取尿素等。 7 合成氨生產(chǎn)的特點(diǎn)，概括起來有如下幾方面 [7]： (1)工藝流程長、設(shè)備管道多； (2)生產(chǎn)過程有高度的連續(xù)性； (3)各工序生產(chǎn)操作相互影響； (4)生產(chǎn)是在高溫、高壓、易燃、易爆、易中毒、易灼傷的情況下進(jìn)行的。同時， 因生產(chǎn)工藝流程長、連續(xù)性強(qiáng)，設(shè)備長期承受高溫和高壓，還有內(nèi)部介質(zhì)的沖刷、滲透和外部環(huán)境的腐蝕等，各類事故發(fā)生率比較高，尤其是火災(zāi)、爆炸和重大設(shè)備事故經(jīng)常發(fā)生。 因此，合成氨生產(chǎn)必須滿足高溫、高壓、高純度要求。 氨合成過程的基本工藝步驟 實現(xiàn)氨合成的循環(huán)，必須包括如下幾個步驟 [4]：氮?dú)湓蠚獾膲嚎s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)氣中惰性氣體的平衡等。 (1)氣體的壓縮和除油 為了將新鮮原料氣和循環(huán)氣壓縮到氨合成所要求的操作壓力，就需要在流程中 設(shè)置壓縮機(jī)。氣體中所含的油不僅會使氨合成催化劑中毒、而且附著在熱交換器壁上，降低傳熱效率，因此必須清除干凈。若采用離心式壓縮機(jī)或采用無油潤滑的往復(fù)式壓縮機(jī)，氣體中不含油水，可以取消濾油設(shè)備，簡化了流程。在正常操作的情況下，加熱氣體的熱源主 要是利用氨合成時放出的反應(yīng)熱，即在換熱器中反應(yīng)前的氫氮混合氣被反應(yīng)后的高溫氣體預(yù)熱到反應(yīng)溫度。 8 (3)氨的分離 進(jìn)入氨合成塔催化層的氫氮混合氣，只有少部分起反應(yīng)生成氨，合成塔出口氣體氨含量一般為 10～ 20％，因此需要將氨分離出來。 目前工業(yè)上主要采用冷凝法分離循環(huán)氣中的氨。在水冷器和氨冷器之后設(shè)置氨分離器，把冷凝下來的液氨從氣相中分離出來，經(jīng)減壓后送至液氮貯槽。當(dāng)液氨在貯槽內(nèi)減壓后，溶解的氣體大部分釋放出來，通常稱為“貯罐氣”。分離氨后剩余的氫氮?dú)?，除為降低情性氣體含量而少量放空以外，與新鮮原料氣混合后，重新返回合成塔，再進(jìn)行氨的合成，從而構(gòu)成了循環(huán)法生產(chǎn)流程。為補(bǔ)償這一損失，流程中必須設(shè)置循環(huán)壓縮機(jī)。 (5)惰性氣體的排除 氨合成循環(huán)系統(tǒng)的情性氣體通過以下三個途徑帶出： (1)一小部分從系統(tǒng)中漏損； (2)一小部分溶解在液氨中被帶走； (3)大部分采用放空的辦法，即間斷或連續(xù)地從系統(tǒng)中排放。由此可見，放空的位置應(yīng)該在氨已大部分分離之后，而又在新鮮氣加入之前。也可采用冷凝法將放空氣中的甲烷分離出來，得到氫、氮?dú)?，然后將甲烷轉(zhuǎn)化為氫，回收利用，從而降低原料氣的消耗。這樣，提高了放空氣中惰性氣體含量，從而減少了氫氮?dú)鈸p失。目前回收利用反應(yīng)熱的方法主要有以下幾種： (1) 預(yù)熱反應(yīng)前的氫氮混合氣。這種方法簡單，但熱量回收不完全。 9 (2) 預(yù)熱反應(yīng)前的氫氮混合氣和副產(chǎn)蒸汽。按副產(chǎn)蒸汽鍋爐安裝位置的不同，可分為塔內(nèi)副產(chǎn)蒸汽合成塔 (內(nèi)置式 )和塔外副產(chǎn)蒸汽合成塔 (外置式 )兩類。 (3)預(yù)熱反應(yīng)前的氫氮混合氣和預(yù)熱高壓鍋爐給水。此法的優(yōu)點(diǎn)是減少了塔內(nèi)換器的面積，從而減小了塔的體積，同時熱能回收完全。用副產(chǎn)蒸汽及預(yù)熱高壓鍋爐給水方式回收反應(yīng)熱時，生產(chǎn)一噸氨一般可回收 ～ 噸蒸汽。 氨合成工藝選擇主要考慮合成壓力、合成塔結(jié)構(gòu)型式及熱回收方法。中壓法技術(shù)比較成熟，經(jīng)濟(jì)性比較好，在 15～30Pa 的范圍內(nèi)，功耗的差別是不大的，因此世界上采用此法的很多。由于近來低溫氨催化劑的出現(xiàn) , 可使合成壓力降低。除盡可能提高熱回收率 ,多產(chǎn)蒸汽外 , 應(yīng)考慮提高回收熱的位能 , 即提高回收蒸汽的壓力及過熱度。 本次設(shè)計選用中壓法（壓力為 32MPa）合成氨流程，采用 預(yù)熱反應(yīng)前的氫氮混合氣和副產(chǎn)蒸汽的方法回收反應(yīng)熱，塔型選擇見設(shè)備選型部分。升溫后從冷氣出口出來分五路進(jìn)入合成塔、其中三路作為冷激線分別調(diào)節(jié)合成塔。在水冷器內(nèi)管被管外的循環(huán)水冷卻后出水冷器，進(jìn)入氨分離器，部分液氨被分離出來，氣體出氨分離器，進(jìn)入透平循環(huán)機(jī)入口，經(jīng)加壓后進(jìn)入循環(huán)氣濾油器出來后進(jìn)入冷交換器熱氣進(jìn)口。 圖 31 工藝流程圖 4 工藝計算 原始條件 （ 1）年產(chǎn)量 80kt，年生產(chǎn)時間扣除檢修時間后按 360 天計，則產(chǎn)量為：（ 2）新鮮補(bǔ)充氣組成 表 41 新鮮補(bǔ)充氣組成 組分 H2 N2 CH4 Ar 總