【正文】 act：Introduction of ammonia synthesis production process, highlighted by this process of material balance calculate, energy calculation confirming the main equipment selection.Key Words：Ammonia synthesis, Production process, Material calculation, Energy calculation, Selection of equipment1 總論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)氨也是重要的無機(jī)化學(xué)和有機(jī)化學(xué)工業(yè)基礎(chǔ)原料，用于生產(chǎn)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”。根據(jù)合成氨技術(shù)發(fā)展的情況分析, 未來合成氨的基本生產(chǎn)原理將不會出現(xiàn)原則性的改變, 其技術(shù)發(fā)展將會繼續(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)、長周期運(yùn)行”等方面進(jìn)行技術(shù)的研究開發(fā)[1]。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。 開發(fā)低壓、高活性合成催化劑, 實(shí)現(xiàn)“等壓合成”。實(shí)施與環(huán)境友好的清潔生產(chǎn)是未來合成氨裝置的必然和惟一的選擇。提高生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性,延長運(yùn)行周期是未來合成氨裝置“改善經(jīng)濟(jì)性、增強(qiáng)競爭力”的必要保證。設(shè)計(jì)任務(wù)書是項(xiàng)目設(shè)計(jì)的目的和依據(jù)：產(chǎn)量：80 kt/a 液氨放空氣（惰性氣Ar +CH4 ）：17% 原料：新鮮補(bǔ)充氣N2 24%，H2 %，Ar %，CH4 % 合成塔進(jìn)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(jī)進(jìn)出口壓差 年工作日 310 d計(jì)算基準(zhǔn) 生產(chǎn)1t氨：年產(chǎn)8萬噸合成氨合成工段設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)具體內(nèi)容范圍及設(shè)計(jì)階段本次設(shè)計(jì)的內(nèi)容為合成氨合成工段的設(shè)計(jì)，具體包括以下幾個(gè)設(shè)計(jì)階段： 1. 進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，確定生產(chǎn)方法和生產(chǎn)工藝流程。 3. 繪制帶控制點(diǎn)的工藝流程圖（PID）。 5. 進(jìn)行管路配置設(shè)計(jì)，并繪制管路布置圖。、用途及市場需要 (1) 氨的物化性能合成氨的化學(xué)名稱為氨，%。標(biāo)準(zhǔn)狀況下，；。因此，用水噴淋處理跑氨事故，能收到較好的效果[2]。氨在高溫下(800℃以上)分解成氮和氫；氨具有易燃易爆和有毒的性質(zhì)。氨與空氣或氧按一定比例混合后，遇明火能引起爆炸。液氨或干燥的氣氨，對大部分物質(zhì)沒有腐蝕性，但在有水的條件下，對銅、銀、鋅等有腐蝕作用[3]?；适寝r(nóng)業(yè)的主要肥料，而其中的氮肥又是農(nóng)業(yè)上應(yīng)用最廣泛的一種化學(xué)肥料，其生產(chǎn)規(guī)模、技術(shù)裝備水平、產(chǎn)品數(shù)量，都居于化肥工業(yè)之首，在國民經(jīng)濟(jì)中占有極其重要的地位。以氨為主要原料可以制造尿素、硝酸銨、碳酸氫銨、硫酸銨、氯化銨等氮素肥料。此外，液氨本身就是一種高效氮素肥料，可以直接施用，一些國家已大量使用液氨。氨也是重要的工業(yè)原料，廣泛用于制藥、煉油、純堿、合成纖維、合成樹脂、含氮無機(jī)鹽等工業(yè)部門?，F(xiàn)代國防工業(yè)和尖端技術(shù)也都與氨合成工業(yè)有密切關(guān)系，如生產(chǎn)火箭的推進(jìn)劑和氧化劑，同樣也離不開氨。合成氨工業(yè)的迅速發(fā)展，也促進(jìn)和帶動了許多科學(xué)技術(shù)部門的發(fā)展，如高壓技術(shù)、低溫技術(shù)、催化技術(shù)、特殊金屬材料、固體燃料氣化、烴類燃料的合理利用等。所以合成氨工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中占有十分重要的地位，氨及氨加工工業(yè)已成為現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的一個(gè)重要部門[4]。2000 。我國1996 ,2000 年將達(dá)36Mt,2020 年將增加至45Mt。因而合成氨的持續(xù)健康發(fā)展還有相當(dāng)長的路要走。合成氨工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中舉足輕重。所以,合成氨工業(yè)是農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)。因此,我國現(xiàn)有眾多的化肥生產(chǎn)裝置應(yīng)成為改造擴(kuò)建增產(chǎn)的基礎(chǔ)。今后應(yīng)利用國內(nèi)開發(fā)和消化吸收引進(jìn)的工藝技術(shù),自力更生,立足國內(nèi),走出一條具有中國特色的社會主義民族工業(yè)的發(fā)展道路。當(dāng)今走老廠改造擴(kuò)建的道路,可使投資節(jié)省1/2—2/3。 氨的合成是合成氨生產(chǎn)的最后一道工序，其任務(wù)是將經(jīng)過精制的氫氮混合氣在催化劑的作用下多快好省地合成為氨。工業(yè)上合成氨的各種工藝流程一般以壓力的高低來分類[3]。這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是氨合成效率高，混合氣中的氨易被分離。但因?yàn)楹铣尚矢撸懦龅臒崃慷?，催化劑溫度高，易過熱而失去活性，所以催化劑的使用壽命較短。目前工業(yè)上很少采用此法生產(chǎn)。因?yàn)楹铣蓧毫Φ拇_定，不外乎從設(shè)備投資和壓縮功耗這兩方面來考慮。但功耗決不但取決于壓力一項(xiàng)，還要看其它工藝指標(biāo)和流程的布置情況。因此，本次設(shè)計(jì)選用32MPa壓力的合成氨流程。由于操作壓力和溫度都比較低，故對設(shè)備要求低，容易管理，且催化劑的活性較高，這是此法的優(yōu)點(diǎn)。又因操作壓力低，氨的合成效率低，分離較困難，流程復(fù)雜。 產(chǎn)品方案產(chǎn)品的名稱：氨(NH3)；產(chǎn)品的質(zhì)量規(guī)格：液體純氨；產(chǎn)品的規(guī)模：80 kt/a 液氨；產(chǎn)品的包裝方式：氨為高壓低溫液體，合成后直接送到下一工段作為原料繼續(xù)生產(chǎn)，多余部分設(shè)立氨儲槽儲存起來。氮?dú)鈦碓从诳諝猓梢栽诘蜏叵聦⒖諝庖夯?、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。 主要原料規(guī)格 (1) 合成塔進(jìn)口氣體組成合成塔進(jìn)口氣體組成包括氫氮比、惰性氣體含量與初始氨含量。如果略去氫及氨在液氨中溶解損失的少量差異，氨合成反應(yīng)氫與氮總是按3：1消耗，新鮮氣氫氮比應(yīng)控制為3，否則循環(huán)系統(tǒng)中多余的氫或氮就會積累起來，造成循環(huán)氣中氫氮比的失調(diào)。惰性氣體的存在，無論從化學(xué)平衡還是動力學(xué)上考慮均屬有弊。如果循環(huán)氣中惰性氣體含量一定，新鮮氣中惰性氣體含量增加，根據(jù)物料平衡關(guān)系，新鮮氣消耗隨之增大。由于原料氣制備與凈化方法不同，新鮮氣中惰性氣體含量也各個(gè)相同，循環(huán)氣中所控制的惰性氣體含量也有差異。初始氨含量的高低取決于氨分離的方法。為過分降低冷凝溫度而過多地增加氨冷負(fù)荷在經(jīng)濟(jì)上也并不可取。(2) 硫化物和碳氧化物含量無論那一種原料所得原料氣，都含有一定數(shù)量的硫化物。硫化物是各種催化劑的毒物，硫化氫能腐蝕設(shè)備管道。為防止CO和CO2對催化劑的毒害，規(guī)定CO和CO2總含量不得多余20ppm[5]。 氨氣和液氨氨氣是一種具有強(qiáng)烈刺激臭味的無色氣體, 易被液化成藍(lán)色液體。它對人的眼睛和呼吸器官有較大的傷害作用。如在氨氣濃度不大的環(huán)境中，停留時(shí)間不長，而且能及時(shí)離開環(huán)境，到空氣新鮮的地方去，上述的癥狀可漸漸消失。氨氣刺激眼睛能引起角膜炎。合成氨生產(chǎn)中合成工段經(jīng)常接觸的液體毒物有液氨、氨水等。接觸液氨和高濃度氣氨，可使皮膚引起類似強(qiáng)堿的嚴(yán)重灼傷，出現(xiàn)紅斑、水泡，甚至因吸收水分，使皮膚脂肪皂化而壞死。對于成品氨罐放空的氣態(tài)NH3可引入冰機(jī)中進(jìn)行加壓冷凝，不僅回收了NH3，同時(shí)也不會造成環(huán)境的污染[3]。比如，隔油池中廢水就含有COD。要減少廢水和工藝?yán)淠褐械腃OD的排放，可改進(jìn)生產(chǎn)工藝，使廢水排放減少，建設(shè)特生化處理裝置，進(jìn)行廢水處理，使廢水中的COD含量達(dá)到國家控制標(biāo)準(zhǔn)[6]。然后將所得的氣氨，從氫氮混合氣中經(jīng)冷卻冷凝成為液態(tài)氨分離出來。未合成為氨的氫氮混合氣體繼續(xù)在合成系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)使用。在整個(gè)合成氨生產(chǎn)過程中，合成氨生產(chǎn)比較復(fù)雜，始終存在著高溫、高壓、易燃、易爆、易中毒等危險(xiǎn)因素，各種控制條件比較嚴(yán)格，稍有疏忽就可能發(fā)生事故。但是，只要我們能充分認(rèn)識這一客觀規(guī)律并掌握這一客觀規(guī)律就能做到安全生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)。在生產(chǎn)過程中有一系列化學(xué)反應(yīng)、傳熱、燃燒、分離等過程,溫度、壓力、濃度等因素都影響反應(yīng)的進(jìn)行,這些因素又受到設(shè)備質(zhì)量、水質(zhì)、煤質(zhì)、季節(jié)、氣候、操作水平、調(diào)度與管理的影響,這樣就形成了合成氨生產(chǎn)工藝過程、設(shè)備結(jié)構(gòu)、操作管理與生產(chǎn)技術(shù)的復(fù)雜性。由于采用壓縮機(jī)的型式、氨分冷凝級數(shù)、熱能回收形式以及各部分相對位置的差異，而形成不同的工業(yè)生產(chǎn)流程，但實(shí)現(xiàn)氨合成過程的基本工藝步驟是相同的。當(dāng)使用往復(fù)式壓縮機(jī)時(shí)，在壓縮過程中氣體夾帶的潤滑油和水蒸汽混合在一起，呈細(xì)霧狀懸浮在氣流中。除油的方法是壓縮機(jī)每段出口處設(shè)置油分離器，并在氨合成系統(tǒng)設(shè)置濾油器。(2)氣體的預(yù)熱和合成 壓縮后的氫氮混合氣需加熱到催化劑的起始活性溫度，才能送入催化劑層進(jìn)行氨合成反應(yīng)。在開工或反應(yīng)不能自熱時(shí)，可利用塔內(nèi)電加熱爐或塔外加熱爐供給熱量。氨分離的方法有兩種，一是水吸收法；二是冷凝法，將合成后氣體降溫，使其中的氣氮冷凝成液氨，然后在氨分離器中，從不凝氣體中分離出來。以水和氨冷卻氣體的過程是在水冷器和氨冷器中進(jìn)行的。在氨冷凝過程，部分氫氮?dú)饧岸栊詺怏w溶解在液氨中。(4)氣體的循環(huán)氫氮混合氣經(jīng)過氨合成塔以后，只有一小部分合成為氨。由于氣體在設(shè)備、管道中流動時(shí)，產(chǎn)生了壓力損失。循環(huán)機(jī)進(jìn)出口壓差約為20～30大氣壓，它表示了整個(gè)合成循環(huán)系統(tǒng)阻力降的大小。在氨合成循環(huán)系統(tǒng)中，流程中各部位的惰性氣體含量是不同的，放空位置應(yīng)該選擇在惰性氣體含量最大而氨含量最小的地方，這樣放空的損失最小。放空氣中的氨可用水吸收法或冷凝法加以回收，其余的氣體一股可用作燃料。有些工廠設(shè)置二循環(huán)合成系統(tǒng)，合成系統(tǒng)放空氣進(jìn)入二循環(huán)系統(tǒng)的合成塔，繼續(xù)進(jìn)行合成反應(yīng)，分離氨后部分情性氣體放空，其余部分在二循環(huán)系統(tǒng)繼續(xù)循環(huán)。(6)反應(yīng)熱的回收利用氨的合成反應(yīng)是放熱反應(yīng)，必須回收利用這部分反應(yīng)熱。在塔內(nèi)設(shè)置換熱器，用反應(yīng)后的高溫氣體預(yù)熱反應(yīng)前的氫氮混合氣，使其達(dá)到催化劑的活性溫度。目前小型氨廠及部分中型氨廠采用此法回收利用反應(yīng)熱。既在塔內(nèi)設(shè)置換熱器預(yù)熱反應(yīng)前的氫氮混合氣，又利用余熱副產(chǎn)蒸汽。目前一般采用外置式，該法熱量回收比較完全，同時(shí)得到了副產(chǎn)蒸汽，目前中型氮廠應(yīng)用較多。反應(yīng)后的高溫氣體首先通過塔內(nèi)側(cè)換熱器預(yù)熱反應(yīng)前的氫氮混合氣，然后再通過塔外的換熱器預(yù)熱高壓鍋爐給水。目前大型合成氨廠一般采用這種方法回收熱量?？紤]氨合成工段的工藝和設(shè)備問題時(shí)，必須遵循三個(gè)原則：一是有利于氨的合成和分離；二是有利于保護(hù)催化劑，盡量延長使用壽命；三是有利于余熱回收降低能耗。氨合成壓力高對合成反應(yīng)有利, 但能耗高。 一般中小氮肥廠多為32MPa , 大型廠壓力較低,為10～20MPa。合成反應(yīng)熱回收是必需的, 是節(jié)能的主要方式之一。高壓過熱蒸汽的價(jià)值較高, 當(dāng)然投資要多, 根據(jù)整體流程統(tǒng)一考慮。3 生產(chǎn)流程簡述氣體從冷交換器出口分二路、一路作為近路、一路進(jìn)入合成塔一次入口，氣體沿內(nèi)件與外筒環(huán)隙向下冷卻塔壁后從一次出口出塔，出塔后與合成塔近路的冷氣體混合，進(jìn)入氣氣換熱器冷氣入口，通過管間并與殼內(nèi)熱氣體換熱。二、三、四層(觸媒)溫度，一路作為塔底副線調(diào)節(jié)一層溫度，另一路為二入主線氣體，通過下部換熱器管間與反應(yīng)后的熱氣體換熱、預(yù)熱后沿中心管進(jìn)入觸媒層頂端，經(jīng)過四層觸媒的反應(yīng)后進(jìn)入下部換熱器管內(nèi)，從二次出口出塔、出塔后進(jìn)入廢熱鍋爐進(jìn)口，在廢熱鍋爐中副產(chǎn)25MPa 蒸氣送去管網(wǎng)，從廢熱鍋爐出來后分成二股，一股進(jìn)入氣氣換熱器管內(nèi)與管間的冷氣體換熱，另一股氣體進(jìn)入鍋爐給水預(yù)熱器在管內(nèi)與管間的脫鹽，脫氧水換熱，換熱后與氣氣換熱器出口氣體會合，一起進(jìn)入水冷器。在冷交換器管內(nèi)被管間的冷氣體換熱，冷卻后出冷交換器與壓縮送來經(jīng)過新鮮氣濾油器的新鮮氣氫氣、氮?dú)鈺线M(jìn)入氨冷器，被液氨蒸發(fā)冷凝到5～10℃，被冷凝的氣體再次進(jìn)入冷交，在冷交下部氣液分離，液氨送往氨庫氣體與熱氣體換熱后再次出塔，進(jìn)入合成塔再次循環(huán)。 入塔甲烷含量：y5CH4=％（+）100％=％； 入塔氫含量：y5H2=［100（+17）］3/4100％=％； 入塔氬含量：y5Ar=17％％=％； 入塔氮含量：y5N2=［100 （+17）］1/4100％=％表42 入塔氣組分含量（％）NH3CH4ArH2N2小計(jì)100 （2）合成塔出口氣組分： 以1000kmol入塔氣作為基準(zhǔn)求出塔氣組分， 由下式計(jì)算塔內(nèi)生成氨含量：MNH3=M5 (y8NH3y5NH3)/ (1+y8NH3) =1000( )/ (1+) = 出塔氣量: M8=入塔氣量—生成氨含量== 出塔氨含量： y8NH3=％ 出塔甲烷含量：y8CH4=(M5/M8)y5CH4=(1000/)％=％ 出塔氬含量： y8Ar=(M5/M8)y5Ar=1000/％=％ 出塔氫含量： y8H2=3/4(1y8NH3y8CH4y8Ar)100％=3/4()100％=％ 出塔氮含量： y8N2=1/4()100％=％表43 出塔氣體組分含量（％）NH3CH4ArH2N2小計(jì)100 （3）合成率： 合成率=2MNH3/［M5(1y5NH3y5CH4y5Ar)］100％ =2［1000()］100％=％表45 已知氨分離器入口混合物組分m(i)NH3CH4ArH2N2小計(jì) 查t=35℃，P=：表46 各組分平衡常數(shù)KNH3KCH4KArKH2KN2 設(shè)（V/L）=，帶入L(i)=m(i)/［1+(V/L)K(i)］=L(i): LNH3=mNH3/［1+(V/L)KNH3］=