【正文】 于選擇較為良好的廠址和原料路線，確定良好的工藝條件、合理的催化劑和能源綜合利用。工藝計算部分主要包括轉(zhuǎn)化段和變換段的物料衡算、熱量衡算、平衡溫距及空速計算。設(shè)計采用的工藝流程簡介：天然氣經(jīng)過脫硫壓縮進入一段轉(zhuǎn)化爐，把CH4和烴類轉(zhuǎn)化成H2，再經(jīng)過二段爐進一步轉(zhuǎn)化后換熱進入高變爐，在催化劑作用下大部分CO和水蒸氣反應(yīng)獲H2和CO2，再經(jīng)過低變爐使CO降到合格水平，去甲烷化工序。本設(shè)計是以天然氣為原料年產(chǎn)三十萬噸合成氨轉(zhuǎn)變工序的設(shè)計。《化工原理》課程設(shè)計 題 目 名 稱： 年產(chǎn)30萬噸合成氨 轉(zhuǎn)變工序設(shè)計 系 別： 化工與制藥學(xué)院 專 業(yè)： 制 藥 工 程 班 級： 03制藥工程（1） 學(xué) 生： 蔣 晟 學(xué) 號： 2003063107 指導(dǎo)教師（職稱）： （教授） 41 / 48摘要氨是重要的基礎(chǔ)化工產(chǎn)品之一，在國民經(jīng)濟中占有重要地位。合成氨生產(chǎn)經(jīng)過多年的發(fā)展，現(xiàn)已發(fā)展成為一種成熟的化工生產(chǎn)工藝。近年來合成氨工業(yè)發(fā)展很快，大型化、低能耗、清潔生產(chǎn)均是合成氨設(shè)備發(fā)展的主流，技術(shù)改進主要方向是開發(fā)性能更好的催化劑、降低氨合成壓力、開發(fā)新的原料氣凈化方法、降低燃料消耗、回收和合理利用低位熱能等方面上。本設(shè)計綜述部分主要闡述了國內(nèi)外合成氨工業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢以及工藝流程、參數(shù)的確定和選擇，論述了建廠的選址；介紹了氨變換工序的各種流程并確定本設(shè)計高低變串聯(lián)的流程。設(shè)備計算部分主要是高變爐催化劑用量的具體計算，并根據(jù)設(shè)計任務(wù)做了轉(zhuǎn)化和變換工序帶控制點的工藝流程圖。另外，就是盡量減少設(shè)備投資費用。s location。 natural gas。 transformation；目錄摘要 IAbstract II目錄 IV1 綜述 1 氨的性質(zhì)、用途及重要性 1 氨的性質(zhì) 1 氨的用途及在國民生產(chǎn)中的作用 1 合成氨生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展 2 2 4 6 合成氨的典型工藝流程介紹 6 合成氨轉(zhuǎn)化工序的工藝原理 8 8 設(shè)計方案的確定 9 原料的選擇 9 工藝流程的選擇 9 工藝參數(shù)的確定 10 工廠的選址 11 2 設(shè)計工藝計算 13 轉(zhuǎn)化段物料衡算 13 一段轉(zhuǎn)化爐的物料衡算 14 二段轉(zhuǎn)化爐的物料衡算 17 轉(zhuǎn)化段熱量衡算 20 一段爐輻射段熱量衡算 20 二段爐的熱量衡算 27 換熱器101C、102C的熱量衡算 28 變換段的衡算 30 高溫變換爐的衡算 30 低溫變換爐的衡算 32 換熱器103C及換熱器104C的熱負荷計算 35 換熱器103C熱負荷 35 換熱器104C熱負荷 35 設(shè)備工藝計算 36 參考文獻 40 致謝 41 附錄 42 1 綜述 氨的性質(zhì)、用途及重要性 氨的性質(zhì)氨分子式為NH3，在標準狀態(tài)下是無色氣體，比空氣輕，具有特殊的刺激性臭味。氨的主要物理性質(zhì)有：極易溶于水，溶解時放出大量的熱。液氨和干燥的氨氣對大部分物質(zhì)沒有腐蝕性，但在有水的條件下，對銅、銀、鋅等金屬有腐蝕作用。具有可燃性，自然點為630℃，一般較難點燃。氨的性質(zhì)比較活潑，能與各種無機酸反應(yīng)生成鹽。合成氨指由氮和氫在高溫高壓和催化劑存在下直接合成的氨。氨主要用于農(nóng)業(yè)，合成氨是我化肥工業(yè)的基礎(chǔ)，氨本身是最重要的氮素肥料，其他氮素肥料也大都是先合成氨，再加工成尿素或各種銨鹽肥料，這部分均占70%的比例，稱之為“化肥氨”； 同時氨也是重要的無機化學(xué)和有機化學(xué)工業(yè)基礎(chǔ)原料，用于生產(chǎn)銨、胺、染料、炸藥、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”。硝酸、各種含氮的無機鹽及有機中間體、磺胺藥、聚氨酯、聚酰胺纖維和丁腈橡膠等都需直接以氨為原料生產(chǎn)。合成氨是大宗化工產(chǎn)品之一，世界每年合成氨產(chǎn)量已達到1億噸以上，其中約有80%的氨用來生產(chǎn)化學(xué)肥料，20%作為其它化工產(chǎn)品的原料。隨著世界人口的不斷增加，用于制造尿素、硝酸銨、磷酸銨、硫酸銨以及其它化工產(chǎn)品的氨用量也在增長。在化學(xué)工業(yè)中合成氨工業(yè)已經(jīng)成為重要的支柱產(chǎn)業(yè)[1]。氮來自空氣，氫來自水。傳統(tǒng)的制氮方法是在低溫下將空氣液化、分離，以及水電解制氫。傳統(tǒng)方法還是采用高溫下將各種燃料和水蒸氣反應(yīng)制造氫。（%）原料192919391953196519711975198019851990焦炭、煤37焦爐氣2220天然氣266077石腦油206重油3其它19181516合計100100100100100100100100100由表11可知，合成氨的原料構(gòu)成是從以固體燃料為主轉(zhuǎn)移到以氣體燃料和液體原料為主。因為天然氣便于管道運輸，用作合成氨的原料具有投資省、能耗低等明顯優(yōu)點。一些沒有天然氣資源的國家，如日本、英國在解決了石腦油蒸汽轉(zhuǎn)化過程的析碳問題后，1962年開發(fā)成功石腦油為原料生產(chǎn)合成氨的方法。但石腦油價格比天然氣高，而且又是石油化工的重要原料，用于制氨受到一定限制。從此比石腦油價廉、來源廣泛的重油和減壓渣油開始作為合成氨的另一種原料。由表可見，雖然各國資源不同，但選用原料的基本方向相同。首先應(yīng)考慮天然氣和油田氣，其次采用石腦油。(二) 生產(chǎn)規(guī)模大型化20世紀50年代以前，氨合成塔的最大能力為日產(chǎn)200t氨，到60年代初期為400t。大型化的優(yōu)點是投資費用低，能量利用率高，占地少，勞動生產(chǎn)率高。但是，大型的單系列合成氨裝置要求能夠長周期運行，對機器和設(shè)備質(zhì)量要求很高，而且在超過一定規(guī)模以后，優(yōu)越性并不十分明顯了?，F(xiàn)在世界上規(guī)模最大的合成氨裝置為日產(chǎn)1800t氨，1991年在比利時的安特衛(wèi)普建成投產(chǎn)。整個生產(chǎn)過程還需消耗較多的電力、蒸汽等二次能源，而用量又很大。由于噸氨生產(chǎn)成本中能源費用占70%以上，因此能耗是衡量合成氨技術(shù)和經(jīng)濟效益的重要標志。(四) 生產(chǎn)自動化合成氨生產(chǎn)特點之一是工序多、連續(xù)性強。自從出現(xiàn)單系列裝置的大型氨廠，除泵類有備用外，其它設(shè)備和機器都是一臺。自從20世紀70年代計算機技術(shù)應(yīng)用到合成氨生產(chǎn)以后，操作控制上產(chǎn)生了飛躍。DCS是現(xiàn)代計算機技術(shù)、控制技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊技術(shù)和熒光顯示技術(shù)（CRT）相結(jié)合的產(chǎn)物。操作人員對于人一控制點、控制單元、生產(chǎn)設(shè)備、車間以及全廠的運作情況進行隨機或定勢的觀察，只要通過鍵操作調(diào)出相應(yīng)的畫面，即可把所需內(nèi)容顯示在CRT上，以便監(jiān)視、控制和修改某些參數(shù)。與此同時，報警、連鎖系統(tǒng)，程序控制系統(tǒng)，采用了微機技術(shù)的可編程序邏輯控制器（PLC）代替過去的繼電器，采用由用戶編寫的程序，實現(xiàn)自動或手動的“開”或“?！焙蛷?fù)雜程序不同的各種邏輯控制，計時、計數(shù)、模擬控制等。因此，用“可編程序控制器”（PC）這一名稱較為確切。若能用仿真技術(shù)進行操作人員的模擬培訓(xùn)只需在一臺高性能的計算機上配合相應(yīng)的軟件以代替實際生產(chǎn)裝置的控制、運作設(shè)備，這樣就可以在較短的時間內(nèi)學(xué)習開停車、正常操作和事故狀態(tài)操作。中國合成氨生產(chǎn)是從20世紀30年代開始的，但當時僅在南京、大連兩地建有氨廠，一個是由著名愛國實業(yè)家范旭東先生創(chuàng)辦的南京永利化學(xué)工業(yè)公司铔廠—— 永利寧廠，現(xiàn)南京化學(xué)工業(yè)公司的前身；另一個是日本占領(lǐng)東北后在大連開辦的滿洲化學(xué)工業(yè)株式會社，最高年產(chǎn)量不超過50Kt（1941年）。中華人民共和國成立以來，化工部門貫徹為農(nóng)業(yè)服務(wù)的方針，把發(fā)展化肥生產(chǎn)放在首位。中國合成氨工業(yè)的發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個階段。到60年代中期中氮已投產(chǎn)了15家。第二、小型氨廠的發(fā)展從20世紀60年代開始在全國各地建設(shè)了一大批小型氨廠，1979年最多時曾發(fā)展到1539座氨廠。由于大型合成氨裝置的優(yōu)越性，1972年2月中國作出了成套引進化學(xué)肥料技術(shù)和設(shè)備的決定。中國是世界上人口最多的農(nóng)業(yè)大國，為了在2000年氮肥產(chǎn)量達到基本自給自足，最近十年先后陸續(xù)引進14套具有20世紀90年代先進水平的年產(chǎn)300kt合成氨成套設(shè)備，同時從20世紀70年代起，我國開始了大型合成氨成套裝置的自行設(shè)計、自行制造工作，第一套年產(chǎn)30萬噸的合成氨裝置于80年在上海建成投產(chǎn)。從而掌握了世界上幾乎所有先進的工藝和先進技術(shù)如低能耗的凱洛格工藝、布朗工藝等，通過對引進技術(shù)的消化吸收和改造創(chuàng)新，不但使合成氨的技術(shù)水平跟上了世界前進的步伐，而且促進了國內(nèi)中小型氨廠的技術(shù)發(fā)展。中國潛在的天然氣資源十分豐富，除新勘探的新疆塔里木盆地有大量的天然氣可以通過長距離的管線東輸外，對海南鶯歌海域蘊藏的天然氣已決定在新世紀初新建一套引進的年產(chǎn)450kt合成氨裝置，這將是中國規(guī)模最大的一套合成氨裝置[1]。(1)原料氣制備 將煤和天然氣等原料制成含氫和氮的粗原料氣。(2)凈化對粗原料氣進行凈化處理，除去氫氣和氮氣以外的雜質(zhì)，主要包括變換過程、脫硫脫碳過程以及氣體精制過程。合成氨需要的兩種組分是H2和N2，因此需要除去合成氣中的CO。第一步是高溫變換，使大部分CO轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2和H2；第二步是低溫變換，%左右?！　、?脫硫脫碳過程　　各種原料制取的粗原料氣，都含有一些硫和碳的氧化物，為了防止合成氨生產(chǎn)過程催化劑的中毒，必須在氨合成工序前加以脫除，以天然氣為原料的蒸汽轉(zhuǎn)化法，第一道工序是脫硫，用以保護轉(zhuǎn)化催化劑，以重油和煤為原料的部分氧化法，根據(jù)一氧化碳變換是否采用耐硫的催化劑而確定脫硫的位置?！　〈衷蠚饨?jīng)CO變換以后，變換氣中除H2外，還有COCO和CH4等組分，其中以CO2含量最多。因此變換氣中CO2的脫除必須兼顧這兩方面的要求。根據(jù)吸收劑性能的不同，可分為兩大類。一類是化學(xué)吸收法，如熱鉀堿法，低熱耗本菲爾法，活化MDEA法，MEA法等。為了防止對氨合成催化劑的毒害，規(guī)定CO和CO2總含量不得大于10cm3/m3(體積分數(shù))?！　∧壳霸诠I(yè)生產(chǎn)中，最終凈化方法分為深冷分離法和甲烷化法。甲烷化法是在催化劑存在下使少量CO、CO2與H2反應(yīng)生成CH4和H2O的一種凈化工藝，要求入口原料氣中碳的氧化物含量(體積分數(shù))%。甲烷化反應(yīng)如下：CO+3H2CH4+H2O ΔH=； CO2+4H2CH4+2H2O ΔH=； (3)氨合成 將純凈的氫、氮混合氣壓縮到高壓，在催化劑的作用下合成氨。氨合成反應(yīng)在較高壓力和催化劑存在的條件下進行，由于反應(yīng)后氣體中氨含量不高，一般只有10%～20%，故采用未反應(yīng)氫氮氣循環(huán)的流程。轉(zhuǎn)換工序是指天燃氣中的氣態(tài)烴類轉(zhuǎn)換成HCO和CO2，并達到要求，合成氨廠的轉(zhuǎn)化工序分為兩段進行。烷烴：CnH2n+n+nH2O→nCO+(2n+1)H2或 C0nH2n+n+2nH2O→nCO2+(3n+1)H2烯烴：CnH2n+nH2O→nCO+2nH2CnH2n+2nH2O→nCO2+3nH2接著一段轉(zhuǎn)化氣進入二段轉(zhuǎn)化爐，在此加入空氣，由一部分H2燃燒放出熱量，催化劑床層溫度上升到1200～1250 ℃，并繼續(xù)進行甲烷的轉(zhuǎn)化反應(yīng)。變換工序是指CO與水蒸氣反應(yīng)生成二氧化碳和氫氣的過程。目前，各種方法制取的原料氣都含有CO，其體積分數(shù)一般為12%～40%，合成氨需要的兩種組分是H2和N2，因此需要除去合成氣中的CO。因此，CO變換既是原料氣制造的繼續(xù)，又是凈化的過程。本設(shè)計選擇天然氣作為原料，主要考慮到我國天然氣資源豐富及清潔節(jié)能等原因，詳如下述。地質(zhì)資源總量約38～39萬億立方米，列世界第十位，其中陸上30萬億立方米，海上9萬億立方米。近年來我國天然氣勘探取得了重大突破，陸上已在川渝、陜甘寧、新疆和青海形成四大氣區(qū)；海上氣田以渤海、南海西部地區(qū)和東海西湖凹陷作為重點勘探和增加產(chǎn)量的地區(qū)。其次，我國天然氣工業(yè)高速發(fā)展方興未艾。近年來，國家對環(huán)境問題越來越重視。無論是在傳統(tǒng)的天然氣產(chǎn)