【正文】 制。 天然氣制氨 化學(xué)工程系畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 天然氣先經(jīng)脫硫，然后通過二次轉(zhuǎn)化，再分別經(jīng)過一氧化碳變換、二氧化碳脫除等工序，得到的氮氫混合氣，其中尚含有一氧化碳和二氧化碳約 ％～ ％（體積），經(jīng)甲烷化作用除去后，制得氫氮摩爾比為 3 的純凈氣，經(jīng)壓縮機(jī)壓縮而進(jìn)入氨合成回路，制得產(chǎn)品氨。 重質(zhì)油制氨 重質(zhì)油包括各種深度加工所得的渣 油 ，可用部 分氧化法制得合成氨原料氣，生產(chǎn)過程比天然氣蒸氣轉(zhuǎn)化法簡單，但需要有空氣分離裝置。 氨合成反應(yīng)的特點和催化劑 氨合成反應(yīng)的特點 氨的合成是氨廠最后一道工序，任務(wù)是在適當(dāng)?shù)臏囟?、壓力和有催化劑存在的條件下，將經(jīng)過精制的氫氮混合氣直接合成成氨。 氨合成的化學(xué)反應(yīng)式如下： 1/2 N2 + 3/2 H2 = NH3 這一化學(xué)反應(yīng)具有如下幾個特點： ①該反應(yīng)是可逆反應(yīng)：在氯氣和氫氣反應(yīng)生成氨的同時，氨也分解成氫氣和氮氣，前者稱為正反應(yīng)，廳者稱為逆反應(yīng)。 ④反應(yīng)需要有催化劑：實踐證明，在沒有催化劑存在的條件下，生成氨的反應(yīng)速度相當(dāng)緩慢，在 300500℃的條件下，氨合成反應(yīng)需要若干年才能達(dá)到平衡。 氨合成鐵系催化劑 在工業(yè)催化過程中，氨的合成是研究得最多，最深入的典型過程之一?？梢?，催化劑的作用事十分重要的。因而鐵系催化劑獲得了廣泛應(yīng)用。當(dāng)采用鐵催化劑時，由于改變了反應(yīng)歷程，降低了反應(yīng)的活化能，使反應(yīng)以顯著的速率進(jìn)行。接著是化學(xué)吸附的氫原子不斷地跟表面上的氮分子作用，在催化劑表面上逐步生成 — NH、 — NH2 和 NH3，最后氨分子在表面上脫吸而生成氣態(tài)的氨。 催化劑的活性組分是金屬鐵，而不是鐵的氧化物。 催化劑還原反應(yīng)為： FeO ?Fe2O3+4H2=3Fe+4H2O Δ H＝ (kJ當(dāng)催化劑被氫氯混合氣還原時，氧化鐵被還原為α型純鐵，而 A12O3不被還原，它覆蓋在α Fe 品粒的表面，防止活性鐵的微晶在還原時及以后的使用中進(jìn)一步長大。α Fe的品 粒間就出現(xiàn)了空隙，形成縱橫交錯的微型孔道結(jié)構(gòu)，大大地增加了催化劑的表面積，提高了活性。在還原過程中， MgO 也能防止活性鐵的微晶進(jìn)一步長大。 加入 Cao的作用：為了降低熔融物的熔點和粘度，并使 A12O3易于分散在 FeO ?Fe2O3中，還可提高催化劑 的熱穩(wěn)定性。鐵催化劑在空氣中易受潮，引起可溶性鉀鹽析出，使活性下降。一氧化碳、二氧化碳、水蒸氣、油類、硫化物等均會使鐵催化劑暫時或永久中毒。各類鐵催化劑都有一定的起始活性溫度、最佳反應(yīng)溫度和耐熱溫度。決定生產(chǎn)條件員主要的 因素是操作壓力、溫度、空間速度、化學(xué)工程系畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 氣體組成和催化劑等。在一定的空間速度下，合成壓力越高，氨凈值 (合成塔出入口氨含量之差 )越高，合成塔的生產(chǎn)能力也就越大。同時壓力高也有利于氨的分離，在較高溫度下氣氨即可冷凝為液氨，冷凍功減少。同時，高壓下反應(yīng)溫度較高，催化劑使用 壽命短，操作管理也比較困難，因此壓力不宜過高。 溫度 氨合成反應(yīng)必須在催化劑的存在下才能進(jìn)行，而催化劑必須在一定的溫度范圍內(nèi)才具有催化活性，所以氨合成反應(yīng)溫度必須維持在催化劑的活性溫度范圍內(nèi)。 空間速度 單位體積催化劑在單位時間內(nèi)處理的氣體量稱為空間速度。一般操作壓力在 30MPa 的中壓法合成氨，空間速度選擇在 2020030000m3/h之間?？臻g速度過大，氨分離不完全，增大設(shè)備負(fù)荷，增大動力消耗。 從反應(yīng)平衡的角度來看，當(dāng)氫氮比接近 3時，可獲得最大的平衡氨濃度。 合成氨工藝流程 實現(xiàn)氨合成的循環(huán)，必須包括如下幾個步驟：氫、氮原料氣的壓縮并補(bǔ)入循環(huán)系統(tǒng)，循環(huán)氣的預(yù)熱與氨的合成，氨的分離，熱能的回收利用，對未反應(yīng)氣體補(bǔ)充壓力并循環(huán)使用，排放部分循環(huán)氣以維持循環(huán)氣中情性氣體的平衡等。 (1)兩次分離液氨產(chǎn)品的典型流程 液氨產(chǎn)品兩次分離的流程，即液氨在兩個部位 —— 水冷器及氨冷器中冷凝分離。氣體隨即進(jìn)入循環(huán)壓縮機(jī)，提高壓力并與新鮮氣混合后，流入冷交換器和氨冷卻器中。分離氨后的氣體即進(jìn)入合成塔。最后，把所制得的 合成氨儲存到罐里或通往其他地方繼續(xù)加工生產(chǎn)。已知：變換氣流量為 hkg31010? ,變換氣進(jìn)換熱器溫度為 C?245 ，壓力為 .熱水流量為 hkg31052? ，熱水進(jìn)換熱器溫度為 C?160 ，壓力為 。設(shè)變換器出換熱器時的壓力為 。 M P a89,02)88,( ???變換氣的平均壓 。 確定換熱器的材料和壓力等級 考慮到腐蝕性不大，合成氨廠該換熱器一般采用碳鋼材料，故本設(shè)計中也采用碳鋼材料。 流體通道的選擇 合成氨廠此換熱器中一般是熱水走管程，變換氣走殼程，這 是因為變換氣流量比水大得多，走殼程流道界面大且易于提高其α值的緣故。 計算傳熱溫差 首先計算逆流時平均溫差： 化學(xué)工程系畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 考慮到管程可能是 4程，但殼程數(shù)為 1。有附錄初選G800VI10100 型換熱器，有關(guān)參數(shù)列表如下： 外殼直徑 D 80 管子尺寸 mm φ 25 公稱壓強(qiáng) aMP 管子長度 l m 3 公稱面積 m2 100 管數(shù) N 44 管程數(shù) Np 6 管心距 t mm 32 管子排列方式 三角形 按上列數(shù)據(jù)核算管程、殼程的流速及 Re： 管程流通截面積： 管內(nèi)水的流速： Ctttttm ???????????????? 160164168245ln)160164()168245(ln)2121 16016811 12 ??????? tT ttP 16424512 21 ??????? tt TTR236 mtk QSm ????????22 mNNdSPii ???????smSqu iccmi / 10523600 3, ??? ??? ?45 ??? ???? ?cciii ud ? ?化學(xué)工程系畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 殼程流通截面積： ?ocdnDhS ?? (0 取 24? 取折流板間距 : ? ? 2 0 0 mmmSh ?????? ? 殼內(nèi)變換氣流速： 當(dāng)量直徑： 計算流體阻力 管程流體阻力 ? ? 221 NNFppp pti ?????? 設(shè)管壁粗糙度 ? 為 ，則 ??d? ??i ,查得摩擦系數(shù) ?? ? ? PaNNFppp pti 1 3 5 3 6 1 1221 ??????????? 符合一般要求。239。 計算傳熱系數(shù)，校正傳熱面積 管程對流給熱系數(shù) i? ??i 殼程對流傳熱系數(shù)α 0 殼程采用弓形折流板，故 計算傳熱系數(shù) 取污垢熱阻 kwCmRskwCmRs i ?? ???? 202 , 以管外面積為基準(zhǔn) 21 1 1 . 6 50 . 5 0 . 4 2 6 2 4 ( 7 1 ) 2 . 9 8 8 2 7 0 . 2 6 ,2p P a?? ? ? ? ? ? ? ? ?22 0 .4 1 1 .6 57 ( 3 .5 2 ) 2 .9 8 3 5 3 9 ,0 .8 2p P a?? ? ? ? ? ? ? ? 53 ?????? ?h hphi C ? ?)/()( CmWd iiiii????????? ?? 530 ?????? ?c cpcC ? ?)/()( 23/3/100000CmWd w??????????????????????化學(xué)工程系畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 計算傳熱面積 所選換熱器實際面積為 20 mdnS ?????? ? 236 mtK QSm??? ?????計需 ??需供SS)/(3034512020593825111200000CmWRsdbdddRsddKmiiii????????????????????計化學(xué)工程系畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 0I1060 型換熱器主要參數(shù)及計算結(jié)果 主要參數(shù) 計算結(jié)果 外殼直徑 mm 公稱壓強(qiáng) kg/cm2 公稱面積 m2 管程數(shù) 管子排列方式 管子尺寸 mm 管長 m 管數(shù) N 管中心距 t mm 管程通道截面積 m2 折流板間距 mm 殼程通道截面積mm 600 10 60 1 三角形排列 φ 25 3 269 32 600 0． 0504 熱負(fù)荷 kJ/h 傳熱溫差 C? 管內(nèi)液體流速 m/s 管外氣體流速 m/s 管內(nèi)液體雷諾數(shù) 管外氣體雷諾數(shù) 管內(nèi)液體壓降 Pa 管外氣體壓降 Pa 管內(nèi)液體對流給熱系數(shù)? ?Cmw ??2 管外氣體對流給熱系數(shù)? ?Cmw ??2 傳熱系數(shù)計算值 ? ?Cmw ??2 傳熱面積需要值 m2 所以本次設(shè)計使用 6010600 ??? IG 固定管板式換熱器。因此，如何合理、高效利用能源，做好節(jié)能降耗工作對合成氨的生產(chǎn)具有重要的意義 [9]。 造氣用煤合理分配，大、中塊造氣用，小顆粒及爐渣作為鍋爐用煤。 采用全低溫變換，加入軟水取代蒸汽，節(jié)省變換 用工藝蒸汽，變換余熱加熱軟水。 合成選用適當(dāng)壓力的廢熱鍋爐，產(chǎn)生的蒸汽在工藝中使用。 全裝置熱能綜合利用，如合成廢熱產(chǎn)飽和蒸汽供變換，變換、造氣產(chǎn)低壓蒸汽供造氣，全裝置做到蒸汽自給。 化學(xué)工程系畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 5 世界合成氨工業(yè)近期進(jìn)展及前景展望 由于生態(tài)和環(huán)保的原因，今后發(fā)達(dá)國家化肥用量將減少，世界合成氨生產(chǎn)能力將緩慢增長。現(xiàn)今所有的合成氨消費中，只有 13％是用在化學(xué)和工業(yè)應(yīng)用上，其他 87％都用于生產(chǎn)化肥。近幾年來，世界合成氨工業(yè)的技術(shù)進(jìn)展主要有以下幾方面： 1．英國 ICI 公司采用 LCA 工藝流程，在英國的 Severance 氨廠建了兩套并列的產(chǎn)量各為 450 噸／天，但只有一套公用工程系統(tǒng)的合成氨裝置。 LCA 流程與當(dāng)今的大型裝置流程不同，該法的噸氨能耗為 30． 1GJ，采用氣熱轉(zhuǎn)化爐取代通用的轉(zhuǎn)化爐，在隔熱管式變換器中進(jìn)行變換，反應(yīng)熱用于制備原料氣與蒸汽的飽和氣。用含鈷催化劑作氨合成觸媒，合成壓力為 8MPa。其中 KAAP 工藝將是未來一個很有前途的氨廠改造方案，其合成壓力為 7— 9． 1MPa，采用以石墨為載體，涂釘并用銣鹽活化的氨合成催化劑，比通常的催化劑活性高 20倍，合成轉(zhuǎn)化率也隨之顯著提高，能增產(chǎn) 40％左右。 3．德國伍德公司經(jīng)二十多年來對工藝效率、工廠安全、能量總消耗等方面連續(xù)研究結(jié)果，推出了低能耗工藝，并于 1991 年在德國 BASF 公司建立了一個日產(chǎn) 1800 噸的工廠。燃料氣經(jīng)水冷噴嘴加氧并進(jìn)入燃燒室中，通過調(diào)整噴嘴的位置和燃燒室的形狀設(shè)計，使燃燒室內(nèi)產(chǎn)生渦流，以保證轉(zhuǎn)化反應(yīng)穩(wěn)定進(jìn)行。目前，該新型轉(zhuǎn)化爐的工業(yè)示范裝置的生產(chǎn)能力已達(dá) 萬 hm/3 ，加壓設(shè)備內(nèi)部裝有 19 根轉(zhuǎn)化管。世界許多合成氨專家對此意見是一致的，并對今后合成氨工業(yè)的發(fā)展前景作出如下展望： 化學(xué)工程系畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 1． 生產(chǎn)規(guī)模不會再擴(kuò)大 80 年代世界共建成了 110 套合成氨裝置，平均生產(chǎn)規(guī)模為 1120 噸／天。但考慮到規(guī)模過大，會造成設(shè)備制造和運輸、開停車復(fù)雜化和長期可靠的原料保證等方面的問題，使整套生產(chǎn)裝置的投資費用大幅度上升。 2． 天然氣依然是合成氨生產(chǎn)的主要原科 目前全世界合成氨的年產(chǎn)量約為 1． 45 億噸，其中采用原料重油 3％，煤和焦 13％，天然氣 84％。 3． 降低能耗的潛力已基本得到發(fā)揮 以天然氣為原料的合成氨能耗設(shè)計值為27GJ，目前有些生產(chǎn)裝置的最低能耗已達(dá) 28GJ，只比理論值高出 20％左右而與設(shè)計值相接近。 4． 降低投資和提高操作可靠性問題日益受到重視 鑒于節(jié)能降耗已無太多的潛力可挖，今后的技術(shù)發(fā)展將通過減少費用的較小的集成化工藝部分、簡化管道系統(tǒng)相儀器儀表、改進(jìn)催化刑，提高設(shè)備的制造和維修質(zhì)量以及安裝先進(jìn)的自動控制系統(tǒng)來進(jìn)行，同時也將更加主重采用各種現(xiàn)代化的技術(shù)管理手段，來保證生產(chǎn)裝置盡量減少停車損失，始終處于良好的運行狀態(tài)。 氨主要用于制造氮肥和復(fù)合肥料，氨作為工業(yè)原料和氨化飼料，用量約占世界產(chǎn)量的 12％。液氨常用作制冷劑