【正文】 有特殊的刺激性臭味。第三部分：工藝計(jì)算。第二部分：設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。第一部分：文獻(xiàn)綜述。我們已經(jīng)完成的年產(chǎn)30萬噸合成氨布朗流程的工藝設(shè)計(jì)，它的工藝流程如下：以天然氣為原料，原料天然氣壓縮與脫硫，原料天然氣與工藝蒸汽混合在一段爐內(nèi)轉(zhuǎn)化，工藝空氣壓縮，工藝空氣與一段爐轉(zhuǎn)化氣混合在二段爐內(nèi)進(jìn)一步反應(yīng)，二段爐出來的工藝氣在經(jīng)過高低溫變換脫除一氧化碳?xì)怏w，工藝氣再經(jīng)過脫碳塔脫除二氧化碳?xì)怏w，再經(jīng)過甲烷化爐脫除剩余的一氧化碳和二氧化碳?xì)怏w，在經(jīng)過分子篩干燥器脫除工藝氣體中的水，在經(jīng)過深冷凈化裝置使工藝氣體中氫氮比為3：1，以及脫除其中多余的甲烷和氬氣，新鮮氣經(jīng)過壓縮再到合成塔合成進(jìn)行合成反應(yīng)。合成氨裝置布朗流程低壓部分工藝設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)條件表專題部分：低壓部分新鮮氣量：有關(guān)氣體組成（mol/mol）組分原料氣mol%新鮮氣mol%返氫氣mol%空氣mol%廢氣mol%0．8060ppm含噻吩總計(jì)100100100100100操作日：300天/年大氣壓：740mmHg平均溫度：25℃中文摘要合成氨是重要的化工產(chǎn)品，被廣泛的應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、國(guó)防、醫(yī)藥、冶金等方面，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中具有十分重要的意義。我國(guó)擁有多種原料、不同流程的大、中、小型合成氨廠1000多個(gè)，其中年產(chǎn)30萬噸合成氨裝置有40多套，氨年產(chǎn)量居世界第一。本設(shè)計(jì)共分三個(gè)部分。在文獻(xiàn)綜述中對(duì)氨的性質(zhì)、用途、在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的作用以及對(duì)國(guó)際、國(guó)內(nèi)合成氨生產(chǎn)的概述和發(fā)展作了詳細(xì)的敘述；幾種節(jié)能型合成氨工藝介紹。包括生產(chǎn)方案的確定、生產(chǎn)流程的確定、生產(chǎn)方法的確定、工藝參數(shù)的確定、能量回收及利用方案的確定。包括物料衡算、熱量衡算以及設(shè)備的工藝計(jì)算。人們?cè)诳諝夂睗舛龋?00ppm(76mg/Nm3)的環(huán)境中，每天接觸8小時(shí)會(huì)引起慢性中毒；5000~10000ppm時(shí)，只要接觸幾分鐘就會(huì)有致命作用。因此，應(yīng)牢記氨對(duì)人可能造成的危害及應(yīng)采取的措施。K20℃，液化為無色的液體。氨氣易溶于水，溶解時(shí)放出大量的熱。氨是一種可燃性氣體，自然點(diǎn)為630℃，故一般較難點(diǎn)燃。有飽和水蒸氣存在時(shí)，氨——空氣混合物的爆炸界限較窄。4NH3 + 5O2 → 4NO + 6N2O2NH3 + CO2→ NH4COONH2 NH4COONH2 → CO（NH2）2 + H2O 氨與無機(jī)酸反應(yīng)：NH3 + HCl → NH4ClNH3 + HNO3 → NH4NO32NH3 + H2SO4 → (NH4)2SO4NH3 + H3PO4 → (NH4)H2PO42NH3 + H3PO4 → (NH4)2HPO4 工業(yè)上利用這些反應(yīng)制取尿素、硝酸銨和磷酸銨的主要品種的氮肥。6H2O和CuSO46NH3和CuSO4此等化合物稱為氨絡(luò)物。除液氨可以直接作為肥料外，農(nóng)業(yè)上使用的氮肥，例如尿素、硝酸銨、磷酸銨、硫酸銨、氯化銨、氨水以及各種含氮混肥和復(fù)肥，都是以氨為原料的。從氨可以制得硝酸，進(jìn)而再制造硝酸銨、硝化甘油、三硝基甲苯和氨基纖維素等炸藥。氨在其他工業(yè)用途也十分的廣泛，例如：在在制冰、空調(diào)、冷藏等系統(tǒng)的制冷劑，在冶金工業(yè)中用來提煉礦石中的銅、鎳等金屬，在醫(yī)藥工業(yè)中用作生產(chǎn)磺胺類藥物、維生素、蛋氨酸和其他氨基酸等等。Priestley）在加熱氯化銨和石灰石混合物時(shí)發(fā)現(xiàn)的，1784年伯托利(CBerthollet)確定氨由氮和氫組成。但因回收的氨量不能滿足需要，促使人們研究從空氣中將游離態(tài)氮轉(zhuǎn)變成氨的方法。㈠ 氰化法1898年弗蘭克（A氰氨化鈣除作為氮肥外，與過熱蒸汽反應(yīng)即可得到氨，人們稱這種制氨方法為氰化法。一次世界大戰(zhàn)期間，德國(guó)、美國(guó)炸藥工業(yè)需要的氨主要采用氰化法獲得。㈡ 直接合成法此法是在高壓、高溫和有催化劑時(shí)，氮?dú)夂蜌錃庵苯雍铣蔀榘钡囊环N方法。Haber）根據(jù)化學(xué)熱力學(xué)原理計(jì)算了不同壓力和溫度下氨的平衡含量（見表121）.表 121 不同溫度和壓力下氨的平衡含量溫度，℃300500700900壓力，10MPa 1909年，哈伯以很細(xì)的鋨粉末做催化劑，～20MPa和500～600℃下進(jìn)行合成氨的實(shí)驗(yàn)，得到6%NH3 。1910年，哈伯在機(jī)械工程師博施（C1911年在化學(xué)家米塔希（A鐵比鋨價(jià)廉、易得。而在合成氨工業(yè)生產(chǎn)中遇到的一些技術(shù)難題，例如：氫對(duì)鋼材的腐蝕，高壓反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)，以及制取氫氮原料氣的方法，也都在博施的協(xié)助下得到解決。1917年，另一座日產(chǎn)90t合成氨的裝置也在德國(guó)洛伊納（Leuna）建成投產(chǎn)。當(dāng)時(shí)采用焦炭為原料，1t氨需要消耗能量88GJ，與氰化法相比，已減少很多。 我國(guó)合成氨工業(yè)概況我國(guó)合成氨生產(chǎn)是在30年代開始的，但當(dāng)時(shí)僅在南京、大連兩地建有氨廠，最高年產(chǎn)量不過50kt(1941年)。建國(guó)以來，化工部門貫徹以農(nóng)業(yè)服務(wù)的方針，把發(fā)展化肥工業(yè)放在首位。我國(guó)合成氨工業(yè)的發(fā)展可以分為如下幾個(gè)階段：㈠恢復(fù)老廠和新建中型氨廠50年代初，在恢復(fù)與擴(kuò)建老廠的同時(shí)，從蘇聯(lián)引進(jìn)以煤為原料年產(chǎn)50kt的三套合成氨裝置，1957年開始先后建成投產(chǎn)。于是設(shè)計(jì)與自制設(shè)備，陸續(xù)建成一批年產(chǎn)50kt的中型氨廠。迄今為止，已建成50多座中型氨廠。從60年代開始在全國(guó)各地（除西藏外）建成了一大批小型氨廠，1979年最多時(shí)曾發(fā)展到1539座氨廠。1973年開始，從美國(guó)、日本、法國(guó)首批引進(jìn)13套年產(chǎn)300kt合成氨的成套裝置，其中以天然氣為原料的4套，以油田氣為原料的4套，以石腦油為原料的5套。這些大型合成氨引進(jìn)裝置的建成投產(chǎn)，不僅較快地增加合成氨產(chǎn)量和提高生產(chǎn)技術(shù)水平，而且也縮小了與世界先進(jìn)水平的差距。 最近我國(guó)又引進(jìn)3套具有80年代末期世界先進(jìn)技術(shù)水平，以天然氣為原料的節(jié)能型合成氨裝置。⒈原料：合成氨系統(tǒng)的能源消耗占有很大的比重，主要是原料用天然氣和燃料天然氣兩個(gè)方面。我國(guó)有豐富的天然氣資源，且是清潔燃料，可采儲(chǔ)量前景好，所以合成氨以天然氣做燃料的比例還會(huì)大幅度上升。⒊生產(chǎn)規(guī)模大型化：以前我國(guó)建設(shè)了一批中型氮肥企業(yè)，合成氨單系列裝置生產(chǎn)能力達(dá)到6—12萬t/a，隨著我國(guó)化學(xué)工業(yè)的迅速發(fā)展，合成氨產(chǎn)量增長(zhǎng)較快，我國(guó)大型氨廠約有30家左右，且年產(chǎn)30萬噸。1975年美國(guó)Honeywe公司開發(fā)成功TPC—2000總體分散性控制系統(tǒng)DCS。 設(shè)計(jì)任務(wù)1. 生產(chǎn)規(guī)模：節(jié)能型年產(chǎn)30萬噸合成氨轉(zhuǎn)化工藝。表151 原料規(guī)格組分N2%H2%CH4%CO2%C2H6%C3H8%C4H10%S%組成60ppm含噻吩3. 主副產(chǎn)品的規(guī)格 主產(chǎn)品規(guī)格：液氨含量＞% 副產(chǎn)品規(guī)格：副產(chǎn)品為CO2 （再生氣），其含量＞%4. 廠址的選擇本設(shè)計(jì)廠址選擇在四川省瀘州市合江縣榕山鎮(zhèn)，榕山鎮(zhèn)位于合江縣城東北方向，黃金水道長(zhǎng)江，省道合渝公路穿鎮(zhèn)而過，水陸交通便利，水電資源豐富，且離中心城市較遠(yuǎn)。按照供熱方式的不同，制取粗原料氣有以下三種方法：⑴外部供熱的蒸汽轉(zhuǎn)化法 此法廣泛用于天然氣、石腦油等輕質(zhì)烴類為原料的合成氨廠。⑵內(nèi)部蓄熱的間歇操作法 此法分為吹風(fēng)和制氣兩個(gè)階段。隨后轉(zhuǎn)入下一循環(huán)的吹風(fēng)、制氣。⑶自熱反應(yīng)的部分氧化法 在高溫下利用不完全燃燒放出的熱量來保證吸熱的制氣反應(yīng)進(jìn)行，以維持過程連續(xù)的自然操作。① 甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化法反應(yīng)原理：CH4 + H2O → CO + 3H2CH4 + 2H2O → CO2 + 4H2CH4 + CO2 → 2CO + 2H2CH4 + 2CO2 → 3CO + H2 + H2OCH4 + 3CO2 → 4CO + 2H2OCO + H2O → CO2 + H2 副反應(yīng)：CH4 → C＋2H２2CO →C＋CO２CO＋H２→C＋H２O主反應(yīng)是我們所希望的，而副反應(yīng)既消耗原料，析出的炭黑又沉積在催化劑表面，使催化劑失活。提高反應(yīng)壓力，可以節(jié)省動(dòng)力消耗，可以提高過熱蒸汽余熱的利用價(jià)值，可以減少原料氣制備與凈化系統(tǒng)的設(shè)備投資；提高溫度對(duì)反應(yīng)有利；降低水碳比，采用能適當(dāng)降低水碳比的催化劑，可以防止發(fā)生析碳反應(yīng)；壓力越高，可適當(dāng)采取較高的空速，即少用一些催化劑。催化部分氧化法實(shí)際上是烴類部分氧化與蒸汽轉(zhuǎn)化相結(jié)合的方法。主反應(yīng)：CH4 + 1/2O2 →CO + 2H2 + 為了防止反應(yīng)過程中結(jié)碳，需要加入一定量的水蒸氣。因此本設(shè)計(jì)采用甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化法。工業(yè)脫硫方法種類很多，歸納起來可分為濕法和干法兩類。但因受物理或化學(xué)平衡的制約，其脫硫的精度比不上干法。常用的干法脫硫有氫氧化鐵法、氧化鋅脫硫法和鈷鉬加氫脫硫法。㈡氧化鋅法 脫硫精度高，硫容量大，使用性能穩(wěn)定可靠，可脫除天然氣、石油餾分、油田氣、以及原料氣中的硫化氫和多種有機(jī)硫，有機(jī)硫一般在350—450℃范圍類被脫除，但在此溫度下噻吩不易分解，所以，氧化鋅基本上不能用來脫除噻吩。至今，屬于加氫脫硫催化劑已有很多系列，如鈷鉬系、鎳鉬系、鎳鈷銅系等。如果為了保護(hù)烴類蒸汽轉(zhuǎn)化催化劑，則以采用鈷鉬系催化劑為好，鈷鉬催化劑在正常操作下，使用壽命可在五年以上，甚至能到達(dá)十年，但若長(zhǎng)期不加氫循環(huán)操作，或者操作不慎使床層溫度超過430℃，將引起催化劑嚴(yán)重析碳和活性下降，使后序工序氧化鋅脫硫以及一段轉(zhuǎn)化爐惡化，所以，必須將積碳的催化劑再生，有控制地將積碳燒掉，以恢復(fù)其活性。在合成氨生產(chǎn)中，制取氫在生產(chǎn)成本中占有很大的比重，因此要盡一切可能獲得最多的氫，同時(shí)一氧化碳對(duì)氨合成催化劑有嚴(yán)重的毒害，必須除去。利用一氧化碳在不同溫度下分兩步進(jìn)行，第一步是高溫變換，高變催化劑的主要活性組分是鐵的氧化物；第二步是低溫變換，低變催化劑是銅鋅催化劑。二氧化碳即是合成氨催化劑的毒物，又是制造尿素、碳酸氫銨等氮肥的重要原料，因此變換氣中的二氧化碳的脫除必須兼顧這兩個(gè)方面的要求。根據(jù)吸收性能的不同，一般可以分為兩大類。吸收后的溶液可有效的用減壓蒸汽使大部分二氧化碳解析。因此本設(shè)計(jì)采用本菲爾工藝脫除二氧化碳。①銅氨液吸收法這是在高壓和低溫下用銅鹽的氨溶液吸收一氧化碳、二氧化碳的方法。銅氨溶液吸收法工藝復(fù)雜，費(fèi)用高。它可將氣體中的碳的氧化物（CO+CO2）的含量脫除到10cm3/m3 以下，反應(yīng)原理：CO + 3H2 → CH4 + H2OCO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O與銅氨溶液吸收法相比，甲烷化法具有工藝簡(jiǎn)單，操作方便，費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)。銅氨溶液吸收法與甲烷化法都是利用化學(xué)反應(yīng)吧碳的氧化物脫除到10cm3/m3 以下，%—1%的甲烷和氬。深冷凈化分離法是在深度冷凍（﹤100）條件下用液氨吸收分離少量CO，而且也能脫除甲烷和大部分的氬。從流程的經(jīng)濟(jì)性考慮，本設(shè)計(jì)選用深冷分離法最終凈化。本設(shè)計(jì)的一段轉(zhuǎn)化爐的入口溫度為415℃，出口溫度為695℃，二段轉(zhuǎn)化爐入口溫度為695℃，出口溫度為876℃。提高壓力，為達(dá)到預(yù)期得到甲烷殘余量，必須提高轉(zhuǎn)化溫度或水碳比。⑷水碳比：提高水碳比對(duì)轉(zhuǎn)化有利，可以防止析碳反應(yīng)發(fā)生，但過高的水碳比經(jīng)濟(jì)上不合理，且蒸汽通過轉(zhuǎn)化管時(shí)增加系統(tǒng)的阻力，又需要吸收一些熱量。⒉變換工段的工藝參數(shù)⑴變換爐入口溫度：溫度是一氧化碳變換的重要工藝條件。對(duì)一定類型的催化劑和一定氣體而言，對(duì)應(yīng)的有最佳溫度或最適宜溫度。⑵壓力：壓力對(duì)變換反應(yīng)的平衡幾乎沒有影響，但提高壓力使析碳和生成甲烷的副反應(yīng)易于進(jìn)行。，；。經(jīng)高溫變換和低溫變換兩步完成。⒊脫碳工段⑴吸收前進(jìn)氣溫度：較高溫度下吸收可以提高吸收反應(yīng)速率，而且可以增加溶液中溶質(zhì)溶解度，提高溶液吸收能力。本設(shè)計(jì)將一氧化碳變換后的氣體冷卻到104℃，進(jìn)入二氧化碳吸收塔的溫度為70℃，進(jìn)入再生塔的溫度為112℃。再生過程比吸收過程復(fù)雜，不但要把吸收的氣體解吸出來，而且要使溶液再生后加以補(bǔ)充。本設(shè)計(jì)的甲烷化爐入口溫度選為316℃。通過對(duì)能量的利用率和操作的可靠性等因素的綜合考慮，本設(shè)計(jì)采用燃?xì)馔钙津?qū)動(dòng)工藝空氣壓縮機(jī)，含氧約15%的燃?xì)廨啓C(jī)尾氣供一段轉(zhuǎn)化爐燃用。，能夠預(yù)熱原料氣、空氣和鍋爐給水。 工藝流程的確定 本設(shè)計(jì)選用節(jié)能型流程布朗流程 布朗工藝合成氨裝置流程示意圖1. 原料氣 A、 一段轉(zhuǎn)化 B、二段轉(zhuǎn)化 C、變換 D、脫碳 E、甲烷化F、干燥 G、深冷凈化 H、合成 I、冷凍 布朗流程的簡(jiǎn)介合成氨的生產(chǎn)能耗大體分為兩部分，即原料能耗和燃料能耗。布朗工藝流程與其他合成氨流程大同小異，主要包括天然氣壓縮及脫硫、一段轉(zhuǎn)化、工藝空氣壓縮、二段轉(zhuǎn)化、一氧化碳變換、二氧化碳脫出、甲烷化、干燥、深冷凈化、壓縮、氨合成及冷凍等工段。所有壓縮機(jī)均為離心式壓縮機(jī)。鍋爐給水泵、鍋爐循環(huán)水泵(一臺(tái)蒸汽透平、兩臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng))、壓縮機(jī)潤(rùn)滑油和密封油泵等都采用蒸汽透平驅(qū)動(dòng)，但為了操作安全可靠，備用機(jī)泵用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，一段轉(zhuǎn)化爐引風(fēng)機(jī)采用一臺(tái)透平、一臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。硫化氫設(shè)計(jì)濃度為400毫克／標(biāo)準(zhǔn)立方米，有機(jī)硫最高濃度為60毫克／標(biāo)準(zhǔn)立方米，其中硫醇占90％。原料氣經(jīng)過分離器V4和過濾器F13，然后進(jìn)入原料氣壓縮機(jī)C4。用作燃?xì)馔钙降娜剂?。?jīng)過過濾和壓縮的原料氣，在 E18中被加熱至140℃，再經(jīng)過一段轉(zhuǎn)化爐的對(duì)流段盤管被加熱至350℃（實(shí)際330℃左右），在E18中預(yù)熱的原因是為了防止煙道氣中有任何酸性物在一段爐的盤管表面冷凝。氧化鋅保護(hù)床的大小是按吸附硫化氫的期限為兩年來設(shè)計(jì)的，使用兩年后就用新的物料更換。⑵一段轉(zhuǎn)化 。原料氣和蒸氣的混合氣先用高溫變換爐出口氣換熱