【正文】 以上 )分解成氮和氫； 氨具有易燃易爆和有毒 的性質。因此，用水噴淋處理跑氨事故，能收到較好的效果 [2]。標準狀況下， 1 米 3 氣氨重 公斤； 1 米 3 液氨重 公斤。 設計的產品的性能、用途及市場需要 (1) 氨的物化性能 合成氨的化學名稱為氨，氮含量為 %。 5. 進行管路配置設計，并繪制管路布置圖。 3. 繪制帶控制點的工藝流程圖 （ PID） 。 設計任務的依據 設計任務書是項目設計的目的和依據： 產量： 80 kt/a 液氨 放空氣（惰性氣 Ar +CH4 ）： 17% 3 原料：新鮮補充氣 N2 24%， H2 %， Ar %， CH4 % 合成塔進出口氨濃度： %， % 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)機進出口壓差 年工作日 310 d 計算基準 生產 1t氨 概述 設計題目：年產 8 萬噸合成氨合成工段設計 設計具體內容范圍及設計階段 本次設計的內容為合成氨合成工段的設計，具體包括以下幾個設計階段： 1. 進行方案設計，確定 生產方法和生產工藝流程。 提高生產運轉的可靠性 ,延長運行周期是未來合成氨裝置“改善經濟性、增強競爭力”的必要保證。 實施與環(huán)境友好的清潔生產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。根據合成氨技術發(fā)展的情況分析 , 未來合成氨的基本生產原理將不會出現(xiàn)原則性的改變 , 其技術發(fā)展將會繼續(xù)緊密圍繞“降低生產成本、提高運行周期 , 改善經濟性”的基本目標 , 進一步集中在“大型化、低能耗、結構調整、清潔生產、長周期運行”等方面進行技術的研究開發(fā) [1]。氨主要用于農業(yè) ,合成氨是氮肥工業(yè)的基礎，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化學和有機化學工業(yè)基礎原料，用于生產銨、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 畢業(yè)設計 年產 8 萬噸合成氨合成工段設計 2 1 總論 氨是最為重要的基礎化工產品之一，其產量居各種化工產品的首位 。 同時也是能源消耗的大戶，世界上大約有 10 %的能源用于生產合成氨。 世界合成氨技術的發(fā)展經歷了傳統(tǒng)型蒸汽轉化制氨工藝、低能耗制氨工藝、裝置單系列產量最大化三個階段。 (1) 大型化、集成化、自動化 , 形成經濟規(guī)模的生產中心、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、結構更加合理的合成塔及其內件 。 (2) 以“油改氣”和“油改煤”為核心的原料結構調整和以“多聯(lián)產和再加工”為核心的產品結構調整 ,是合成氨裝置“改善經濟性、增強競爭力”的有效途徑。生產過程中不生成或很少生成副產物、廢物 ,實現(xiàn)或接近“零排放”的清潔生產技術將日趨成熟和不斷完善。有利于“提高裝置生產運轉率、延長運行周期”的技術 ,包括工藝優(yōu)化技術、先進控制技術等將越來越受到重視。 2. 進行化工計算，包括物料衡算、能量衡算以及設備選型和計算。 4. 進行車間布置設計，并繪制設備平立面布置圖。 6. 撰寫設計說明書。氨是一種無色具有強烈刺激性、催淚性和特殊臭氣的無色氣體，比空氣輕，相對密度 ，熔點－ ℃；沸點－ ℃。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；標準狀況下，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。氨的自燃點為 630℃，氨在氧中易燃燒，燃燒時生成藍色火焰。常溫 4 下氨在空氣中的爆炸范圍為 ～ 28％，在氧氣中為 ～ 82％。 (2) 氨的用途 氨是基本化工產品之一，用途很廣。各種氮肥生產是以合成氨 為主要原料的，因此，合成氨工業(yè)的發(fā)展標志著氮肥工業(yè)的水平。還可以將氨加工制成各種含氮復合肥料。可見，合成氨工業(yè)是氮肥工業(yè)的基礎，對農業(yè)增產起著重要的作用。將氨氧化可以制成硝酸，而硝酸又是生產炸藥、染料等產品的重要原料。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)的基礎上發(fā)展起來的。 (3)市場需要 據資料統(tǒng)計 :1997 年世界合成氨年產量達 。其化肥用 氨分別占氨產量的 %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量將會超過石油和鋼鐵。農業(yè)生產 ,“有收無收在于水 ,收多收少在于肥”。它的發(fā)展將對國民經濟的發(fā)展產生重大影響。我國七十至九十年代先后 重復引進 30 多套大化肥裝置 ,耗費巨額資金 ,在提高了化肥生產技術水平的同時 ,也受到國外的制約。過去引進建設一套大型化肥裝置 ,耗資數(shù)十億元。節(jié)省的巨額資金 ,用作農田水利建設和農產品深加工 ,將在加速農村經濟發(fā)展 ,提高農民 5 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，液體氨即是它的產品。 (1)高壓法 操作壓力 70～ 100MPa，溫度為 550～ 650℃。故流程、設備都比較緊湊。又因為是高溫高壓操作，對設備制造、材質要求都較高，投資費用大。 (2)中壓法 操作壓力為 20～ 60MPa，溫度 450～ 550℃，其優(yōu)缺點介于高壓法與低壓法之間，目前此法技術比較成熟，經濟性比較好。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?？偟膩砜矗?15～ 30Pa 的范圍內，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格。實際工業(yè)生產上此法已不采用了。 設計產品所需的主要原料規(guī)格、來源 主要原料來源 生產合成氨，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。當氫氫比為3 時，對于氨合成反應，可得最大平衡氨含量，但從動力學角度分析，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)氣導致原料氣消耗量增加。因此，循環(huán)氣中惰性氣體含量應根據新鮮氣惰性氣體含量 、操作壓力、催化劑活性等條件而定。 當其它條件一定時，進塔氣體中氨含量越高，氨凈值越小，生產能力越低。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。操作壓力 300atm 時，一般進塔氨含量控制在 ～ ％； 150atm 時，為 ～ ％。雖然原料氣中硫化物含量不高，但對合成氨生產危害卻很大。以烴類為原料的蒸汽轉化法制取原料氣，鎳催化劑對硫含量限制十分嚴格，要求烴原料中總硫含量為 (重量 )以下。 生產中產生有害物質和處理措施 中小型合成氨廠在生產過程中，常見的有毒有害物質種類很多，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。中毒嚴重時，會引起肺部腫脹導致死亡。因氨有氣味，故較好預防。液氨或氨水濺入眼內，可造成 眼睛嚴重損傷，出現(xiàn)眼瞼水腫，眼結膜迅速充血水腫，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 合成氨生產過程中產生的廢水是 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 生產流程及生產方法的確定 氨的合成工段，其主要任務是在適宜的溫度、壓力和有觸媒催化的條件下，將經過精制的氫氮混合氣體，在合成塔內直接合成為氨。液氨由氨罐進入氨冷器蒸 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；或將液氨送尿素車間制取尿素等。 合成氨生產的特點，概括起來有如下幾方面 [7]： 8 (1)工藝流程長、設備管道多； (2)生產過程有高度的連續(xù)性； (3)各工序生產操作相互影響； (4)生產是在高溫、高壓、易燃、易爆、易中毒、易灼傷的情況下進行的。同時，因生產工藝流程長、連續(xù)性強，設備長期承受高溫和高壓，還有內部介質的沖刷、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、爆炸和重大設備事故經常發(fā)生。 因此，合成氨生產必須滿足高溫、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]：氮氫原料氣的壓縮并補入循環(huán)系統(tǒng)；循環(huán)氣的預熱與氨的合成；氨的分離；熱能的回收利用；對未反應氣體補充壓力并循環(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 需要在流程中設置壓縮機。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或采用無油潤滑的往復式壓縮機，氣體中不含油水，可以取消濾油設備，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熱，即在換熱器中反應前的氫氮混合氣被反應后的高溫氣體預熱到反應溫度。 (3)氨的分離 9 進入氨合成塔催化層的氫氮混合氣，只有少部分起反應生成氨，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置氨分離器，把冷凝下來的液氨從氣相中分離出來，經減壓后送至液氮貯槽。當液氨在貯槽內減壓后，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氣，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，再進行氨的合成，從而構成了循環(huán)法生產流程。為補償這一損失，流程中必須設置 循環(huán)壓縮機。 (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、氮氣，然后將甲烷轉化為氫，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，從而減少了氫氮氣損失。目前回收利用反應熱的方法主要有以下幾種： (1) 預熱反應前的氫氮混合氣。這種方法簡單，但熱量回收不完全。 (2) 預熱反應前的氫氮混合氣和副產蒸汽。按副產蒸汽鍋爐安裝位置的不同，可分為塔內副產蒸汽合成塔 (內置式 )和塔外副產蒸汽合成塔 (外置式 )兩類。 (3)預熱反應前的氫氮混合氣和預熱高壓鍋爐給水。此法的優(yōu)點是減少了塔內換器的面積，從而減小了塔的體積，同時熱能回收完全。用副產蒸汽及預熱高壓鍋爐給水方式回收反應熱時，生產一噸氨一般可回收 ～ 噸蒸汽。 氨合成工藝選擇主要考慮合成壓力、合成塔結構型式及熱回收方法。中壓法技術比較成熟，經濟性比較好，在 15～30Pa 的范圍內，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 ,多產蒸汽外 , 應考慮提高回收熱的位能 , 即提高回收蒸汽的壓力及過熱度。 本次設計選用中壓法（壓力為 32MPa）合成 氨流程，采用預熱反應前的氫氮混合氣和副產蒸汽的方法回收反應熱，塔型選擇見設備選型部分。升溫后從冷氣出口出來分五路進入合成塔、其中三路作為冷激線分別調節(jié)合成塔。在水冷器內管被管外的循環(huán)水冷卻后出水冷器，進入氨分離器，部分液氨被分離出來，氣體出氨分離器，進入透平循環(huán)機入口，經加壓后進入循環(huán)氣濾油器出來后進入冷交換器熱氣進口。 圖 31 工藝流程圖 4 工藝計算 原始條件 （ 1）年產量 80kt，年生產時間扣除檢修時間后按 360 天計，則產量為：（ 2）新鮮補充氣組成 表 41 新鮮補充氣組成