【正文】 ：第一步是造氣，即制備含有氫、氮的原料氣；第二步是凈化，不論選擇什么原料，用什么方法造氣，都必須對原料氣進行凈化處理，以除去氫、氮以外的雜質；第三步是壓縮和合成，將純凈的氫、氮混合壓縮到高壓，在鐵催化劑與高溫條件下合成為氨。⑶ 必須借助觸媒，以加快反應速度。 第二章 流程方案的確定 生產原理氨是由氣態(tài)氮和氫在適宜溫度壓力,并有觸媒的作用下發(fā)生反應的,其反應式為： 此式為一不可逆，放熱，體積縮小的反應，其反應過程為： 氨合成的反應特點：⑴ 反應過程要在高壓下進行，壓力越高，越有利于氨的合成。 設計任務的項目來源本課題是指導老師提高畢業(yè)生設計能力而選定的。其產品集中度達到50%，并形成35家在國際上有一定影響的大型企業(yè)集團。合成氨生產中副產大量的二氧化碳，不僅可用于冷凍、飲料、滅火，也是生產尿素、純堿、碳酸氫銨的原料。合成氨成本中能源費用占較大比重，合成氨生產的技術改進重點放在采用低能耗工藝、充分回收及合理利用能量上，主要方向是研制性能更好的催化劑、開發(fā)新的原料氣凈化方法、降低燃料消耗、回收和合理利用低位熱能等。煤的儲量約為石油、天然氣總和的10倍，自從70年代中東石油漲價后,從煤制氨路線重新受到重視,但因以天然氣為原料的合成氨裝置投資低、能耗低、成本低的緣故,預計到20世紀末,世界大多數合成氨廠仍將以氣體燃料為主要原料。在氮肥行業(yè)，要推廣新型煤氣化技術，包括粉煤氣化、水煤漿氣化技術等；新型凈化技術，如低溫變換、低溫甲醇洗MDEA等凈化技術；新型氨合成塔及大型低壓合成的成套技術和裝備。同時，對于有廉價天然氣資源的地區(qū)，鼓勵采用天然氣改造現有裝置或建設天然氣化肥基地。建議針對不同企業(yè)采用不同的技術路線。國際上以天然氣為原料的氮肥占85%。目前，國內合成氨年生產能力30萬噸以上的大型企業(yè)有26家，合成氨年生產能力10萬噸以上的中型企業(yè)有100多家，其他還有800多家小氮肥廠也生產約占總量60%的合成氨。第一次世界大戰(zhàn)結束后,轉向為農業(yè)、工業(yè)服務。 文獻綜述合成氨工業(yè)是氮肥工業(yè)的基礎，也是一些工業(yè)部門的重要原料，它的迅速發(fā)展促進了一系列科學技術和化學合成工業(yè)的發(fā)展，隨著科學技術的發(fā)展，合成氨工業(yè)在國民經濟中的作用必將日益顯著。可用蒸氣與適量的空氣或蒸氣與適量的富養(yǎng)空氣為汽化劑制得，也可用水煤氣與吹風混合配制?；旌厦簹猓阂钥諝夂瓦m量的水蒸氣為汽化劑制取的煤氣，一般作燃料用。根據所用汽化劑的不同，工業(yè)煤氣可分為下列四種：空氣煤氣：以空氣為汽化劑制取的煤氣，又稱為吹風氣。這種生成的混合氣稱為煤氣。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、水蒸氣或富氧空氣水蒸氣混合氣，經過一系列反應生成含有一氧化碳、二氧化碳、氫氣、氮氣、及甲烷等混合氣體的過程。 原料氣來源原料氣主要有兩部分：氮氣、氫氣。在常溫常壓下，氨與空氣爆炸極限為15%～28%(NH3)。 氨的化學性質⑴ 氨與氧在催化劑作用下生成氮的氧化物,并能進一步與水作用,制得硝酸：⑵ 氨與酸或酐反應生成鹽類,是制造氮肥的基本反應：⑶ 氨與二氧化碳作用生成氨基甲酸銨,進一步脫水成為尿素：⑷ 氨與二氧化碳和水作用,生成碳酸氫銨： (5) 氨可與鹽生成各種絡合物，如CuCl2?6NHCuSO4?4NH3。 ℃（沸點）才能液化。氨水在溶解時放出大量熱。 氣態(tài)氨易溶于水，成為氨水，氨水呈弱堿性。例如制冷、空調、食品冷藏系統(tǒng)大多數都是用氨作為制冷劑。氨在其他工業(yè)中的應用也非常廣泛。由氨制成的硝酸，是各種炸藥和基本原料，如三硝基申苯，硝化甘油以及其它各種炸藥。液氨可以直接用作肥料，它的加工產品有尿素、硝酸銨、氯化氨和碳酸氫氨以及磷酸銨、氮磷鉀混合肥等。在國民經濟中，氨占有重要地位，特別是對農業(yè)生產有著重大意義。把大氣中的游離氮固定下來并轉變?yōu)榭杀恢参镂盏幕衔锏倪^程，稱為固定氮。大氣中存在有大量的氮，在空氣中氨占78％（體積分數）以上，它是以游離狀態(tài)存在的。年產20萬噸合成氨合成工段工藝設計書 概述氨是一種重要的含氮化合物。氮是蛋白質質中不可缺少的部分，是人類和一切生物所必須的養(yǎng)料；可以說沒有氮，就沒有蛋白質，沒有蛋白質，就沒有生命。但是，如此豐富的氮，通常狀況下不能為生物直接吸收，只有將空氣中的游離氮轉化為化合物狀態(tài)，才能被植物吸收，然后再轉化成人和動物所需的營養(yǎng)物質。目前，固定氮最方便、最普通的方法就是合成氨，也就是直接由氮和氫合成為氨，再進一步制成化學肥料或用于其它工業(yè)。氨主要用來制作化肥。氨也是非常重要的工業(yè)原料，在化學纖維、塑料工業(yè)中，則以氨、硝酸和尿素作為氮元素的來源生產己內酰胺、尼龍丙烯腈等單體和尿醛樹脂等產品。硝酸銨既是優(yōu)良的化肥，又是安全炸藥，在礦山開發(fā)等基本建設中廣泛應用。在石油煉制、橡膠工業(yè)、冶金工業(yè)和機械加工等部門以及輕工、食品、醫(yī)藥工業(yè)部門中，氨及其加工產品都是不可缺少的。 氨的性質 氨的物理性質 氨在常溫下是無色氣體，比空氣輕，具有刺激性臭味，能刺激人體感官粘膜空氣中，％時即會引起人體慢性中毒。氨在水中的溶解度隨壓力增大而降低。氨水中的氨極易揮發(fā)。液氨為無色液體，氣化時吸收大量的熱。氨與空氣(或氧)的混合氣,在一定濃度范圍內能發(fā)生劇烈的氧化作用而爆炸。100℃， MPa下，%～%(NH3)。氮氣主要是從空氣中提取。在氣化過程中所使用的空氣、水蒸氣或富氧空氣水蒸氣混合氣等稱為汽化劑。煤氣的成分取決于燃料和汽化劑的種類以及進行汽化的條件。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。半水煤氣：是混合煤氣中組成符合（H2+CO）/N2=～。本設計采用半水煤氣，半水煤氣經過凈化后得到純凈的氫氣，再配制適量的氮氣，成為合成氨的原料氣，其中含有氮氣、氫氣、以及惰性氣體甲烷和氬。 合成氨工業(yè)的發(fā)展 合成氨工業(yè)在20世紀初期形成，開始用氨作為火炸藥工業(yè)的原料，為戰(zhàn)爭服務。隨著科學技術的發(fā)展，對氨的需要量日益增長，近30年來合成氨工業(yè)發(fā)展很快。 合成氨工業(yè)的現狀我國合成氨工業(yè)存在一些特殊問題，一是氮肥資源緊張。而我國氮肥原料以煤為主，天然氣僅占20%，我國氮肥行業(yè)急需解決采用成熟的粉煤氣化技術，以本地粉煤代替無煙塊煤。內技術進行改造。二是企業(yè)結構不合理，產業(yè)集中度低，技術水平不高。 合成氨工業(yè)的發(fā)展趨勢合成氨工業(yè)的發(fā)展趨勢: ①原料路線的變化方向。②節(jié)能和降耗。③與其他產品聯合生產。到2010年，力爭組建50家大型企業(yè)集團，大型氮肥廠合成氨平均規(guī)模達40萬噸/年以上，中型氮肥廠平均規(guī)模達20萬噸/年以上。同時，調整企業(yè)結構，減少基礎肥料生產廠數量，提高單套裝置的規(guī)模，使合成氨工業(yè)朝現代化又邁進一步。希望通過此次課程設計讓學生可以較好地把理論學習中的分散知識點和實際生產操作有機結合起來，得到較為合理的設計成果，達到課程設計訓練的目的，提高學生分析和解決化工實際問題的能力。⑵ 溫度低時，反應有利于向氨合成的方向進行，但反應速度較慢，提高溫度不利于反應平衡，但可以加快反應速度，在實際操作中，溫度的選擇取決于觸媒的活性。⑷ 混合氣中氫、氮含量越高越有利于反應，因此，氣體中惰性氣體含量越少越好。目前氨合成的方法，由于采用的壓力、溫度和催化劑種類的不同，一般可分為低壓法、中壓法和高壓法三種。采用活性強的亞鐵氰化物作催化劑，但它對毒物很敏感，所以對氣體中的雜質（CO、CO2）要求十分嚴格。該法的優(yōu)點是由于操作壓力和溫度較低，對設備、管道的材質要求低、生產容易管理，但低壓法合成率不高，合成塔出口氣體中含氮約8％～10％，所以催化劑的生產能力比較低；同時由于壓力低而必須將循環(huán)氣降至20℃的低溫才能使氣體中的氨液化，分離比較完全，所以需要設置龐大的冷凍設備，使得流程復雜，且生產成本較高。高壓法的優(yōu)點是，氨合成的效率高，合成氨出口氣體中含氨達25％～30％，催化劑的生產能力較大。從而簡化了流程；設備和流程比較低緊湊，設備規(guī)格小，投資少，但由于在高壓高溫下操作，對設備和管道的材質要求比較高。高壓法管理比較復雜，特別是由于合成率高，催化劑層內的反應熱不易排除而使催化劑長期處于高溫下操作，容易失去活性。中壓法的優(yōu)缺點介于高壓法與低壓法中間，但從經濟效果來看，設備投資費用和生產費用都比較低。世界上合成氨總的發(fā)展趨勢多采用中壓法，其壓力范圍多數為30～35 MPa。 工藝流程的選擇合成氨的生產工藝條件必須滿足產量高，消耗低，工藝流程及設備結構簡單，操作方便及安全可靠等要求。(1) 最適宜的操作壓力 氨合成反應是氣體體積縮小的反應，提高壓力有利于反應平衡向右移動。所以，提高壓力對氨合成反應的平衡和反應速度都有利，在一定空速下，合成壓力越高，出口氨濃度越高，氨凈值越高，合成塔的生產能力也越大。主要能量消耗包括原料氣壓縮功、循環(huán)氣壓縮功和氨分離的冷凍功。但是壓力高時，對設備的材料和制造的要求均高。所以要根據能量消耗、原料費用、設備投資等綜合技術經濟效果來選擇操作壓力。(2) 最適宜的反應溫度 合成氨反應是一個可逆放熱反應，當溫度升高時，平衡常數下降，平衡氨含量必定減少。實際生產中還要考慮反應速率的要求。而催化劑必須在一定的溫度范圍內才具有活性，所以氨合成反應溫度必須維持在催化劑的活性范圍內。反應溫度不能低于活性溫度，在活性溫度范圍內選用較低溫度，也有利于延長催化劑的使用壽命。就整個反應過程來說，隨著反應的進行，轉化率不斷增加，最佳溫度隨轉化率增加而降低。反應溫度的控制還與催化劑的使用時間有關。在中期活性降低，操作溫度應比初期適當提高8~10 ℃。(3) 空間速度 空間速度反映氣體與催化劑接觸時間的長短。但由于氨凈值降低的程度比空間速度的增大倍數要少，所以當空間速度增加時，合成氨的產量也有所增加。但空間速度增大，將使系統(tǒng)阻力增加，壓縮循環(huán)氣功耗增加，分離氨所需的冷凍量也增大，因此冷凍功耗增加。但在一定限度內，其他條件不變，增加空間速度，合成氨產量增加，單位時間所得的總反應熱增多，通過水冷器和氨冷器的氣體流量增大，需要移走的熱量增多，導致冷凝器的冷卻面積要相應增大，否則就不能將高流速氣體中的氨冷凝下來。 綜合以上各方面的考慮，空間速度的增加是有限度的。 工業(yè)上采用的氨合成工藝流程雖然很多，而且流程中設備結構操作條件也各有差異，但實現氨合成過程的基本步驟是相同的，都必須包括以下幾個步驟：氮、氫原料氣的壓縮并補充到循環(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，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。 從氫氮混合氣體中分離氨的方法大致有兩種：水吸收法、冷凝法。一般含氨混合氣體的冷凝分離是經水冷卻器和氨冷囂二步實現的?！?MPa，此時，冷凝過程中溶解在液氨中的氫、氮及惰性氣體大部分可減壓釋放出來，即弛放氣。(1) 氫氮比 當氫氮比為3:1時，對于氨合成反應可以獲得最大的平衡氨濃度，但從動力學角度分析，最適宜氫氮比隨著氨含量的變化而變化。在實際生產中，~。惰性氣體不參與反應，也不毒害催化劑，但由于他們的存在會降低氫氮比的分壓。 惰性氣體來源于新鮮氣，隨著合成反應的進行，它們不參與反應而在系統(tǒng)中積累，這樣合成系統(tǒng)中惰性氣體越來越多，為了提高氨的合成率，必須不斷在循環(huán)氣中將它們排放出去。但是氫氮氣和部分氨也隨之排放，造成一定損失，故循環(huán)氣體中惰性氣體的控制含量不能過高也不能過低。操作壓力比較高，及催化劑活性比較好時，惰性氣體的含量可以高一些。由于原料氣的制備與凈化方法不同，新鮮氣體中惰性氣體的含量也不同。(3) 塔進口氨含量 進塔氣體中氨的含量，主要決定于氨分離時的冷凝溫度和分離效率。降低進口氨含量，可加快反應速度，提高氨凈值和生產能力。進口氨含量還與合成操作壓力和冷凝溫度有關。綜合考慮的結果，一般中小型合成氨廠當操作壓力在30 MPa左右時，%~%之間。% ?；旌蠚膺M冷交換器上部換熱管內，與冷交換器下部來的冷氣體進行換熱回收冷量，熱氣體被冷卻至17℃，然后進入氨冷器。分氨后的循環(huán)氣上升至上部換熱器殼程被熱氣體加熱至25℃后出冷交換器。%。為降低惰性氣體含量，保持循環(huán)系統(tǒng)中一定量的惰性氣體，循環(huán)氣岀氨分離器后部分放空，然后進循環(huán)機增壓后送往油分離器，從而完成一個循環(huán)。該流程具有能如下一些特征：氨合成反應熱未充分予以回收，用來副產蒸汽，或用來預熱鍋爐給水。放空氣位置設在惰性氣體含量最高，氨含量較低處以減少氨和原料氣損失。新鮮氣和循環(huán)氣中油、水及雜質可通過氨冷器低溫液氨洗滌后除去。查 , 的平衡常數：表418 平衡常數表27517580冷交換器出口液體組分含量：出口液體氨含量 出口液體甲烷含量 出口液體氬含量 出口液體氫含量 出口液體氮含量 表419 冷交換器出口液體組分含量（%）NH3CH4ArH2N2小計100：圖412 液氨貯槽氣液平衡圖L19L16L15V20L21由于氨分離器液體和冷交換器出口分離液體匯合后進入液氨貯槽經減壓后溶解在液氨中的氣體會解吸，即弛放氣。水冷后分離液氨占總量的，冷交分離液氨占總量的。 。 ：入塔物料： 其中 NH3 CH4 Ar H2 N2 合成塔一出，二進物料，熱交換器冷氣進出物料等于合成塔入塔物料即　　 出塔物料　 NH3 CH4 Ar H2 N2 合成塔生成氨含量：廢熱鍋爐進出口物料，熱交換器進出口物料等于合成塔出塔物料。取過飽和度 ，故 。 解得 則氨冷器中冷凝液氨量： 氨冷器出器總液氨量: 氨冷