【正文】 15 分 合計(jì) 0— 100 分 評(píng)語(yǔ)： 成 績(jī)： 評(píng)閱人（簽名）： 日 期： 畢業(yè)論文答辯 及綜合成績(jī) 答 辯 情 況 自 述 情 況 清 晰、完 整流 利 簡(jiǎn) 練 清 晰 完 整 完 整熟 悉內(nèi) 容 基 本 完 整熟 悉內(nèi) 容 不 熟悉 內(nèi)容 提 出 問(wèn) 題 回 答 問(wèn) 題 正 確 基本 正確 有一般 性錯(cuò)誤 有原則 性錯(cuò)誤 沒(méi)有 回答 答辯小組評(píng)語(yǔ)及建議成績(jī)： 答辯委員會(huì)綜合成績(jī)： 答辯委員會(huì)主任簽字： 年 月 日 合成氨合成工段工藝 摘要： 在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 。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(shí)氨也是重要的無(wú)機(jī)化學(xué)和有機(jī)化學(xué)工業(yè)基礎(chǔ)原料，這部分約占 30 %的比例 ,稱之為“工業(yè)氨”。根據(jù)合成氨技術(shù)發(fā)展的情況分析 , 未來(lái)合成氨的基本生產(chǎn)原理將不會(huì)出現(xiàn)原則性的改變 , 其技術(shù)發(fā)展將會(huì)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(zhǎng)周期運(yùn)行”等方面進(jìn)行技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)。變換工段中主要涉及一氧化碳的轉(zhuǎn)化和能量的回收利用，列管換熱器在傳熱效率，緊湊性和金屬耗量不及某些換熱器，但它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，堅(jiān)固耐用，適用性強(qiáng)， 制造材料廣泛等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，因而，在合成氨變換工段選擇列管式換熱器，而本設(shè)計(jì)主要對(duì)該換熱器進(jìn)行相關(guān)選計(jì)算。 1784 年，法國(guó)化學(xué)家貝托雷（ ）確定了氨是由氮和氫組成的。 19 世紀(jì)以來(lái)，人類步入了現(xiàn)代化的歷程。 1809 年，在智利發(fā)現(xiàn)了一個(gè)很大的硝酸鈉礦產(chǎn)地；但是面對(duì)人類不斷膨脹的需求，自然界的生物和礦產(chǎn)資源畢竟有限。因此將空氣中豐富的氮固定下來(lái)并轉(zhuǎn)化為可被利用的形式，成為一項(xiàng)受到眾多科 學(xué)家注目和關(guān)切的重大課題，而合成氨，作為固氮的一種重要形式，也變成了 19 至 20 世紀(jì)化學(xué)家們所面臨的突出問(wèn)題之一。在此期間，曾有不少著名的化學(xué)家踏上了合成氨的研究之路，但他們的最終結(jié)局卻都是無(wú)功而返。 19 世紀(jì)下半葉，物理化學(xué)的巨大進(jìn)展，使人們認(rèn)識(shí)到由氮、氫合成氨的反應(yīng)是可逆的，增加壓力將使反應(yīng)推向生成氨的方向，提高溫度會(huì)將反應(yīng)移向相反的方向，然而溫度過(guò)低又使反應(yīng)速度過(guò)??；催化劑對(duì)反應(yīng)將產(chǎn)生重要影響。 哈伯終成正果 在合成氨研究屢屢受挫的情況下，德國(guó)物理化學(xué)家 F 由于哈伯和博施的突出貢獻(xiàn)，他們分別獲得 191 1931 年度諾貝 爾化學(xué)獎(jiǎng)金。 名稱 合成壓力（ MPa) 年份 開(kāi)發(fā)國(guó)家 哈伯 博施法 1913 德國(guó) 克勞德法 1917 法國(guó) 卡塞萊法 1920 意大利 佛瑟法 1921 意大利 蒙特 20 世紀(jì) 70 年代以來(lái)，合成氨的生產(chǎn)不僅促進(jìn)了如高壓、低溫、原料氣制造、氣體凈化、特殊金屬冶煉以及催化劑研制等方面的發(fā)展，還對(duì)一些化學(xué)合成工業(yè)，如尿素、甲醇和高級(jí)醇、石油加氫精制、高壓聚合等起了巨大的推動(dòng)作用。 煤造氣時(shí)期第一次世界大戰(zhàn)結(jié)束，很多國(guó)家建立了合成氨廠，開(kāi)始以焦炭為原料。焦炭、焦?fàn)t氣都是煤的加工產(chǎn)物。 1926 年，德國(guó)法本公司采用溫克勒爐氣化褐煤成功。 烴類燃料造氣時(shí)期早在 20— 30 年代，甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化制氫已研究成功。接著，抗積炭的石腦油蒸汽轉(zhuǎn)化催化劑研制成功，缺乏天然氣的國(guó)家采用了石腦油為原料。到 1965 年，焦、煤在世界合成氨原料中的比例僅占 ％。 由于高壓設(shè)備尺寸的限制， 50 年代以前，最大的氨合成塔能力不超過(guò)日產(chǎn) 200t 氨，60年代初不超過(guò)日產(chǎn) 400t 氨。合成氨廠大型化通常指規(guī)模在日產(chǎn) 540t 以上的單系列裝置。 2 氨 的 合成 原料氣來(lái)源 煤氣的生成 原料氣主要有兩部分：氮?dú)?、氫氣。氫氣是從半水煤氣中提取的，以煤為原料，在一定的高溫條件下通 入空氣、水蒸氣或富養(yǎng)空氣 水蒸氣混合氣，經(jīng)過(guò)一系列反應(yīng)生成含有一氧化碳、二氧化碳、氫氣、氮?dú)狻⒓凹淄榈然旌蠚怏w的過(guò)程。這種生成的混合氣稱為煤氣。根據(jù)所用汽化劑的不同，工業(yè)煤氣可分為下列四種。 （ 2） 水煤氣：以水蒸氣（或水蒸氣與氧的混合氣）為汽化劑制取的煤氣。 （ 4） 半水煤氣：是混合煤氣中組成符合（ H2+CO） /N2=～ 的一個(gè)特例。 本設(shè)計(jì)采用半水煤氣，半水煤氣經(jīng)過(guò)凈化后得到純凈的氫氣，再配制適量的氮?dú)?，成為合成氨的原料氣。以石腦油為原料的合成氨生產(chǎn)流程與此流程相似?？諝夥蛛x裝置制得的氧用于重質(zhì)油氣化，氮作為氨合成原料外，液態(tài)氮還用作脫除一氧化碳、甲烷及氬的洗滌劑。然后將所產(chǎn)的氣氨從未 合成為氨的混合氣體中冷凝分離出來(lái)，得到產(chǎn)品液氨，分離氨后的氫氮?dú)怏w循環(huán)使用。 ②該反應(yīng)是放熱反應(yīng)：在生成氨的同時(shí)放出熱量反應(yīng)熱與溫度、壓力有關(guān) ③該反應(yīng)是體積縮小的反應(yīng)：從反應(yīng)式可以看出，由 個(gè)分子的氫和 個(gè)分子的氮，反應(yīng)后生成 1 分子的氨，在化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，體積減少。但在適當(dāng)催化劑的作用下，減少了氫氮?dú)饣蠒r(shí)所需要的能量，因此大大加快了反應(yīng)速度 。近年來(lái)合成氨工業(yè)的進(jìn)展，很大程度上是由于催化劑質(zhì)量的提高而取得的，氨合成中的工藝條件也大都取決于所選用催化劑的性質(zhì)。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)氨合成反應(yīng)具有活性的一系列金屬中，以鐵為主體，并添 加有促進(jìn)劑的鐵系催化劑，價(jià)廉易得，活性良好，使用壽命長(zhǎng)。 化學(xué)工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 熱力學(xué)計(jì)算表明，低溫、高壓對(duì)合成氨反應(yīng)是有利的，但無(wú)催化劑時(shí)，反應(yīng)的活化能很高，反應(yīng)幾乎不發(fā)生。目前認(rèn)為，合成氨反應(yīng)的一種可能機(jī)理，首先是氮分子在鐵催化劑表面上進(jìn)行化學(xué)吸附，使氮原子間的化學(xué)鍵減弱。 上 述反應(yīng)途徑可簡(jiǎn)單地表示為： xFe + N2→Fe xN NFex +［ H］ 吸 → NHFex NHFex +［ H］吸 →Fe xNH2 FexNH2 ＋［ H］吸→ FexNH3xFe+NH3 鐵系催化劑的主要成分是 FeO 和 Fe2O3并加入少量的其他金屬氧化物 A12O K2O、 Cao等為 促進(jìn)劑 (又稱助催化劑 )。因此，使用前在一定的溫度下，用氫氮混合氣使其還原，即使氧化鐵被還原為具有活性的α型純鐵。 mo11) 加入 A12O3 的作用：它能與氧化鐵生成 FeO ?A12O3晶體，其晶體結(jié)構(gòu)與 FeO ?Fe2O3相同。這樣。 加入 MgO 的作用與 A12O3有相似之處。但其主要作用是增強(qiáng)催化劑對(duì)硫化物的抗毒能力，并保護(hù)催化劑在高溫下不致因晶體破壞而降低活性，故可延長(zhǎng)催化劑 壽命。 氨合成鐵催化劑是一種黑色、有金屬光澤、帶磁性、外形不規(guī)則的固體顆粒。經(jīng)還原的鐵催化劑若暴露在空氣中則迅速燃燒，立即失掉活性。長(zhǎng)時(shí)間的含氧化合物中毒亦會(huì)造成永久中毒。 最佳工藝條件的選擇 氨合成的生產(chǎn)工藝條件必須滿足產(chǎn)量高，消耗定額低、工藝流程及設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便及安全可靠等要求。 壓力 工業(yè)上合成氨的各種工藝流程，一般都以壓力的高低來(lái)分，從化學(xué)平衡和化學(xué)反應(yīng)速度的角度看，提高操作壓力對(duì)氨的合成是有利的。從圖 2— 6可以看出，氨產(chǎn)率是隨著壓力的升高而上升的。氨合成壓力高，設(shè)備緊湊，流程簡(jiǎn)單，但對(duì)設(shè)備的材質(zhì)和制造的要求較高。 目前我國(guó)中小型合成氨廠操作壓力大多數(shù)采用 2032MPa，而采用離心式壓縮機(jī)的大型合成氨廠的操作壓力一般為 U=27MPa。目前工業(yè)上使用的鐵催化劑的活性溫度范圍大體在 400525℃之間。空間速度大小意味著處理氣量的大小，在一定的溫度、壓力下 ，增大空間速度，就加快了氣體通過(guò)催化劑的速度，氣體與催化劑接觸時(shí)間縮短，在確定條件下，出塔氣體中氨含量要降低?？臻g速度，處理的氣量大，能增大產(chǎn)量，但氨凈值有所降低。 合成塔入口氣體組成 合成塔入口氣體組成包括氫氮比、惰性氣體含量與初始氨含量。在實(shí)際生產(chǎn)中，進(jìn)塔循環(huán)氣的氫氯比 控制在 ~ 比較合適。 由于采用壓縮機(jī)的型式、氨分離冷凝級(jí)數(shù)、熱能回收形式以及各部分相對(duì)位置的差異，而形成不同的工藝流程。這類流程按是否副 產(chǎn)蒸汽而分為不副產(chǎn)蒸汽和副產(chǎn)蒸汽兩種流程， 化學(xué)工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 合成塔出口氣體先經(jīng)水冷卻器冷卻到一定程度，使其中大部分氨冷凝下來(lái)，從第一氨分離器中分出來(lái)。氣體中余下的氨在冷卻、冷凝、并在第二氨分離器中分出。（ 2）一