【正文】 ，也就是氨濃度向平衡濃度接近，此時雖適宜的氫氮比接近于3。當反應(yīng)過程屬于動力學控制時，對于反應(yīng)速度最大時的最適宜氫氮比是隨氣體中氨含量和溫度而變化的。從化學反應(yīng)平衡的觀點來看，當氫氮比為3時，氨的平衡濃度最大。本設(shè)計以1000標準立方米精煉氣為基準計算。由于凈值降低的程度比空間速度的增大倍數(shù)要少，所以增加空速，合成的生產(chǎn)強度也有所提高。當壓力、溫度、進塔氣體組成一定時，對于既定結(jié)構(gòu)的氨合成塔，增加空速也就是增快氣體通過觸媒層的速度，縮短接觸時間使出塔氣中的氨含量降低，即凈值降低。其單位為標準米3氣體/小時氣體與觸媒的接觸時間的長短，通常以空速表示。通常是控制出觸媒層的溫度，對于操作壓力為30MPa，一般控制在470~475℃為宜；對于操作壓力為15MPa，控制在455~465℃。同時，把觸煤層的溫度最高的一點，稱為“熱點”。生產(chǎn)操作中希望，觸媒層溫度分布盡可能地靠近最適宜溫度曲線。因此，當反應(yīng)物在一定的條件（即惰性氣體成分、操作壓力、氫氮比等因素不變時），存在著一個最適宜的溫度，在此溫度下，反應(yīng)速度最大，氨合成轉(zhuǎn)化綠最大，也就是產(chǎn)量最高。2．溫度。因此就有個最適宜的操作壓力，也就是在此壓力下操作最經(jīng)濟。而且壓力高時，高壓設(shè)備體積可以縮小，占地面積也小，對于流程可簡化。在合成氨反應(yīng)中，反應(yīng)后氣體的體積縮小，因此就化學平衡而言，提高壓力，有利于氨的生成。 合成塔操作條件與說明 操作條件即壓力、溫度、空速、氫氮比、惰性氣體的含量，初始氨含量等。 因此，在設(shè)計氨合成塔時，必須在一定的優(yōu)惠工藝條件下，連同整個合成系統(tǒng)其它設(shè)備一起考慮，才能達到技術(shù)先進，經(jīng)濟合理和提高生產(chǎn)能力的目的。此外增加壓縮機最后一段缸的氣量，以提高其效率。新鮮氣在氨冷器之前與循環(huán)氣混化在冷凝分離液氨的同時，也可以除去混合氣中微量的水分和二氧化碳。 4．兩次分離液氨的氨合成系統(tǒng)流程，其特點是采用兩次分離液氮的方案。2．副產(chǎn)蒸汽的氨合成系統(tǒng)流程，其特點是在循環(huán)壓縮機前分離液氨，在合成塔后設(shè)置廢熱鍋爐直接產(chǎn)生蒸汽，回收能量。因此根據(jù)可逆反應(yīng)的特點，必須選擇一個適宜的操作條件，使在某一化學平衡的條件下，生成物氣體中含氨量最多。第2章 氨合成塔工藝計算 合成原理及典型工藝流程 合成原理合成氨生產(chǎn)是以氫氣、氮氣為原料，在一定的溫度與壓力并有觸媒（催化劑）存在的條件下，直接合成為氨的過程，其化學反應(yīng)式為： (21)這個反應(yīng)是放熱和體積縮小的可逆化學反應(yīng)。除了化肥工業(yè)以外，氨在工業(yè)上主要用來制造炸藥和各種化學纖維及塑料?，F(xiàn)在約有85%的氨用來制造化學肥料，其余的作為生產(chǎn)其他化工產(chǎn)品的原料。氨還可以與一些無機酸（如硫酸、硝酸、磷酸等）反應(yīng)，生成硫酸銨、硝酸銨、磷酸銨等。氨空氣遇火能爆炸、~28%，~82%（在氧氣中）。液氨或干燥的氨氣對大部分物質(zhì)不腐蝕，但在有水存在時，對銅、銀、鋅等金屬有腐蝕作用。氨極易溶于水，可生產(chǎn)含氨15~30% （重量）的商品氨水，氨溶解時放出大量的熱。在標準條件下，（空氣為1）。 氨的性質(zhì)和用途氨在常溫、常壓下為無色氣體，比空氣輕，具有特殊的刺激性臭味，較易液化。早在六十年代中期，我國開始引進一個以天然氣為原料的中型氨廠；到七十年代初，又陸續(xù)從美國、法國、日本引進了13套以天然氣、輕油以及重油和煤制氨的年產(chǎn)30萬噸氨的大型裝置；再到八十年代又建成了四套年產(chǎn)30萬噸的合成氨裝置，這不僅對增加氨的產(chǎn)量起了較大作用，而且也較快地提高了我國合成氨的生產(chǎn)技術(shù)水平。建國后，經(jīng)過三十年的艱苦努力，我國才真正有了合成氨工業(yè)。比較合理的是冷法凈化流程，該流程將空分、氮洗、低溫甲醇洗三個低溫工序結(jié)合在一起，使冷量得到合理利用，氣體精制度高，氮洗后精制氣不含甲烷，還可大大減少合成吹出氣損失。前者為我國以重油為原料的中型氨廠所普通采用?；诓煌脑虾筒煌膬艋椒?，可以派生出許多種合成氨生產(chǎn)流程。第二步是凈化，無論選擇什么原料，用什么方法造氣，都必須對原料氣進行凈化處理，以除去氮、氫以外的雜質(zhì)。因此，在把氮、氫原料氣送去氨合成以前，需將這些雜質(zhì)徹底除去。現(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。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。 合成氨生產(chǎn)的發(fā)展生產(chǎn)合成氨，首先必須制備氮、氫原料氣。1912年第一個日產(chǎn)30噸的合成氨裝置在德國奧堡（Oppau）建成，并在1913年開始運轉(zhuǎn)，1914年滿負荷生產(chǎn)，這樣合成氨工業(yè)進入了一個新的時代。1901年呂隨后一百多年人們在試驗室內(nèi)進行直接合成氮的研究工作，但都未能成功。 氨的發(fā)現(xiàn)與合成氨，是1754年由普里斯特利（Priestly）加熱氯化銨和石灰時發(fā)現(xiàn)的。要求設(shè)計的氨合成塔，直徑為2200毫米，筒體為整體鍛焊式，內(nèi)部換熱器類型為固定管板式換熱器。由于電弧法和氰氨法在能耗和經(jīng)濟性方面都有較大欠缺，因此，從1913年工業(yè)上實現(xiàn)氨的合成以后，合成氨法發(fā)展很快，到三十年代已成為固定氮生產(chǎn)中的最主要方法。這種使空氣中游離態(tài)氮轉(zhuǎn)變成化合態(tài)氮的過程，稱為“氮的固定”。2200整體鍛焊式氨合成塔設(shè)計畢業(yè)論文目 錄任務(wù)書 摘要 ⅠABSTRACT Ⅱ第1章 緒論 1 氨的發(fā)現(xiàn)與合成 1 合成氨生產(chǎn)的發(fā)展 1 氨的性質(zhì)和用途 3第2章 氨合成塔工藝計算 5 合成原理及典型工藝流程 5 合成原理 5 典型工藝流程 5 合成塔操作條件與說明 6 物料衡算 8 計算依據(jù) 8 物料衡算 8 能量衡算 11 全塔的總熱量衡算 11 觸媒筐熱量衡算 12 熱交換器熱量衡算 13 工藝技術(shù)特性一覽表 15第3章 設(shè)備類型的選擇及論證 16 氨合成塔的結(jié)構(gòu)特點及基本要求 16 外筒結(jié)構(gòu)型式的選擇及論證 17 密封結(jié)構(gòu)型式的選擇及論證 18 18 19 觸媒筐結(jié)構(gòu)設(shè)計及論證 20 觸媒筐設(shè)計的一般要求 20 觸媒筐的分類 20 觸媒筐的類型選擇及論證 21 塔內(nèi)換熱器總體結(jié)構(gòu)設(shè)計及論證 22 換熱器設(shè)計的一般要求 22 換熱器的類型選擇及論證 22第4章 主要設(shè)備材料的選擇及論證 24 氨合成塔材料的選擇原則 24 外筒材料的選擇與論證 24 筒體材料的選擇與論證 24 端部法蘭材料的選擇與論證 25 上下封頭材料的選擇與論證 25 螺母、螺栓及密封件材料的選擇與論證 26 內(nèi)件材料選擇及論證 26 內(nèi)件用材的基本要求 26 內(nèi)件各零部件材料的選擇及論證 27 內(nèi)件焊接材料的選擇 28 保溫鐵皮材料的選擇 28 保溫層材料的選擇 28第5章 觸媒的選擇及觸媒筐設(shè)計 30 觸媒的選擇 30 觸媒選擇的基本要求 30 觸媒的類型選擇 30 觸媒顆粒大的選擇 32 觸媒筐設(shè)計 32 觸媒筐工藝指標的選擇 32 觸媒筐的直徑和高度 33 絕熱層高度 34 冷管的選型和配置 34 中心管的選擇 34 溫度計套管的設(shè)計 34 折流頭高度 34 保溫型式及其厚度 35 觸媒筐筒體壁厚的計算 35第6章 電加熱器設(shè)計 36 電加熱器的作用及其結(jié)構(gòu) 36 電加熱器設(shè)計的一般要求 36 電加熱器結(jié)構(gòu)型式選擇 36 電加熱器材料的選擇 37 電熱元件材料的一般要求 37 電加熱器材料的選擇 37 電加熱器功率的確定 38 電熱元件的電氣計算 40 電加熱器端電壓的選擇 40 電加熱器相數(shù)的選擇 40 電加熱器的溫度調(diào)節(jié)方式 40 電熱元件的計算 40 電加熱器端蓋設(shè)計 42 主螺栓及主螺母的設(shè)計 42 端蓋設(shè)計 43第7章 換熱器設(shè)計 46 氨合成塔內(nèi)換熱器的設(shè)計條件 46 設(shè)計方案選擇 46 流程安排 46 物性數(shù)據(jù)的確定 46 換熱器工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計 48 初算換熱面積 48 工藝結(jié)構(gòu)尺寸 49 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸 51第8章 氨合成塔的強度計算 53 筒體的設(shè)計計算 53 設(shè)計條件 53 筒體厚度計算 53 底部封頭的設(shè)計計算 54 封頭型式選擇 54 封頭厚度計算 54 密封件的設(shè)計計算 55 雙錐環(huán)結(jié)構(gòu)尺寸 55 主螺栓的計算 56 筒體上下端部平蓋設(shè)計 58 筒體下端部平蓋設(shè)計 58 筒體下端部平蓋設(shè)計 60 筒體端部法蘭的設(shè)計計算 61 法蘭型式及尺寸的確定 61 法蘭強度校核 62 四通的結(jié)構(gòu)設(shè)計 64 水壓試驗 64 熱膨脹量計算 65 觸媒筒中心管熱膨脹量估算 65 內(nèi)件總膨脹量估算 65第9章 典型零部件的制造安裝工藝 66 原料的檢驗 66 原材料的矯形和凈化 66 矯形 66 凈化 67 氨合成塔外筒的制造 67 簡介 67 制造工藝 67 氨合成塔內(nèi)件的制造 68 三套管式觸媒筐的制造 68 列管式換熱器的制造 70 氨合成塔的檢驗 71 氨合成塔試壓 72 氨合成塔的安裝 73 施工前的準備 73 氨合成塔的安裝 74 安裝安全技術(shù) 77 氨合成塔的維護和檢修 79 氨合成塔的維護 79 氨合成塔的檢查 80第10章 專題討論 82 本設(shè)計遇到的問題 82 低封頭與筒體連接的過渡型式解決方案 82 法蘭與筒體焊接處的應(yīng)力分析 82 應(yīng)力計算 82 結(jié)果分析 84總結(jié) 86參考文獻 87致謝 8893四川理工學院畢業(yè)設(shè)計（論文）第1章 緒 論 我們知道，空氣中含有78%（體積）的氮。但是大多數(shù)植物不能直接吸收這種游離狀態(tài)的氮只有當?shù)c其它元素化合以后，才能為植物所利用。上世紀初，人們研究成功并在工業(yè)上實現(xiàn)了三種固定氮的方法：電弧法、氰氨法和合成氨法。本次設(shè)計是在合成氨工業(yè)的基礎(chǔ)上，對合成氨工業(yè)中的核心設(shè)備——氨合成塔進行設(shè)計。本次設(shè)計的最大特點為在常規(guī)設(shè)計的基礎(chǔ)上筒體采用分析設(shè)計的方法，更好的節(jié)約了材料，降低了生產(chǎn)成本，且更加安全可靠。1784年，伯托利（）通過分析，確定氨是由氮和氫組成的。到十九世紀末葉，物理化學得到蓬勃發(fā)展，建立了化學熱力學、反應(yīng)動力學的概念，大力開展基礎(chǔ)理論研究后，才使氨的合成在正確的理論指導下進行。查得利（Le Chatelier）第一個提出氨的合成條件是高溫、高壓，并采用一定的催化劑。合成氨法的研究成功，不僅為獲取化合態(tài)氮開辟了廣闊的道路，而且也促進了許多科學技術(shù)部門（例如高壓技術(shù)、低溫技術(shù)、催化、特殊金屬材料、固體燃料氣化、烴類燃料的合理利用等）的發(fā)展。氮氣來源于空氣，可以在低溫下將空氣液化、分離而得，或者在制氫過程中直接加入空氣來解決。最簡便的方法是將水電解，但此法由于電能消耗大、成本高而受到限制。 除電解水方法以外，不管用什么原料得到的氮、氫原料氣中都臺有硫化合物、一氧化碳、二氧化碳等，而這些不純物都是氨合成催化劑的毒物。這樣，合成氨的生產(chǎn)過程就包括三個主要步驟：第一步是造氣，即制備含有氮、氫的原料氣。 第三步是壓縮和合成，將純凈的氮、氫混合氣壓縮到高壓，在催化劑與高溫條件下合成為氮?，F(xiàn)將具有代表性的三種流程列舉如下：1．無煙煤（焦炭）制合成氨的流程：圖11 無煙煤（焦炭）制合成氨的示意流程2．天然氣（輕油）加壓蒸汽轉(zhuǎn)化法制合成氨的流程：圖12 天然氣（輕油）蒸汽轉(zhuǎn)化法制氨的示意流程3．重油部分氧化法制合成氨的流程：重油造氣又有熱法凈化和冷法凈化兩類流程。但目前中型氨廠的熱法凈化流程用于重油造氣并不合理，原料氣要經(jīng)過兩次變換、兩次脫碳、三次脫硫和多次加熱冷卻，不但流程太長而且能量損耗很大。圖13 重油造氣冷法凈化流程示意圖我國合成氨工業(yè)是在建國后才發(fā)展起來的，解放前我國只有兩座合成氨廠，一是1937年建立的南京永利寧廠，為美國設(shè)備；另一座是1935年建立的大連化學廠，為日本和德國的設(shè)備，這兩座廠解放前最高年產(chǎn)量（1941年）?，F(xiàn)在已經(jīng)擁有多種原料、不同流程的大、中、小型合成氨廠一千多個，年產(chǎn)量已躍居世界第一位，而且有了一支從事合成氨生產(chǎn)的科研、設(shè)計、制造與施工的技術(shù)隊伍。今年來合成氨工業(yè)發(fā)展很快，大型化、低耗能、清潔生產(chǎn)是合成氨工業(yè)發(fā)展的主流，技術(shù)改進的主要方向是以降低合成氨工業(yè)能耗，提高能量效率為目的而提出的各種新工藝流程，新型合成塔以及新型合成氨催化劑；降低氨合成壓力；開發(fā)新的原料氣凈化方法；回收和合理利用低位熱能等方面。氨有強烈的毒性，%（評積）的氨，就能使人在幾分鐘內(nèi)窒息死亡。當溫度25℃、壓力1MPa時氣態(tài)氨可液化為無色的液氨。氨的水溶液是弱堿姓，易揮發(fā)。氨是一種可燃性氣體，自燃點為630℃，在空氣中燃燒分解為氮和水。氨易與許多物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，例如：在催化劑作用下能與氧反應(yīng)生成NO，與CO2反應(yīng)生成氨基甲酸銨，然后脫水成尿素。 (11) (12) (13)氨在國民經(jīng)濟中有著重要地位，在化學工業(yè)中則是骨干行業(yè)。除液氨可直接作為肥料外，農(nóng)業(yè)上使用的氮肥，例如尿素、硝酸銨、磷酸銨、硫酸銨、碳酸氫銨、氯化銨、氨水以及各種含氮混肥和復肥，都是以氨作為原料的。氨還可以用作致冷劑，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。放熱、體積縮小和可逆是合成氨工藝過程的特性，這個特性影響工藝操作，也影響合成塔的結(jié)構(gòu)。 典型工藝流程氨合成生產(chǎn)的幾種典型工藝流程及特點如下：1．不副產(chǎn)蒸汽的氨合成系統(tǒng)流程，如圖21。3．一次分離液氨的氨合成系統(tǒng)流程，其特點是在循環(huán)壓縮機前一次分離液氨，在氨合成塔后設(shè)置鍋爐給水預熱器，以回收能量。在合成塔