【正文】 的原料。硝酸、各種含氮的無機鹽及有機中間體、磺胺藥、聚氨酯、聚酰胺纖維和丁腈橡膠等都需直接以氨為原料生產(chǎn)。氨主要用于農(nóng)業(yè)，合成氨是我化肥工業(yè)的基礎(chǔ)，氨本身是最重要的氮素肥料，其他氮素肥料也大都是先合成氨，再加工成尿素或各種銨鹽肥料，這部分均占70%的比例，稱之為“化肥氨”； 同時氨也是重要的無機化學(xué)和有機化學(xué)工業(yè)基礎(chǔ)原料，用于生產(chǎn)銨、胺、染料、炸藥、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”。合成氨指由氮和氫在高溫高壓和催化劑存在下直接合成的氨。氨的性質(zhì)比較活潑，能與各種無機酸反應(yīng)生成鹽。具有可燃性，自然點為630℃，一般較難點燃。液氨和干燥的氨氣對大部分物質(zhì)沒有腐蝕性，但在有水的條件下，對銅、銀、鋅等金屬有腐蝕作用。氨的主要物理性質(zhì)有：極易溶于水，溶解時放出大量的熱。年產(chǎn)30萬噸合成氨工藝設(shè)計畢業(yè)論文目錄摘要 IAbstract II目錄 IV1 綜述 1 氨的性質(zhì)、用途及重要性 1 氨的性質(zhì) 1 氨的用途及在國民生產(chǎn)中的作用 1 合成氨生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展 2 2 4 6 合成氨的典型工藝流程介紹 6 合成氨轉(zhuǎn)化工序的工藝原理 8 8 設(shè)計方案的確定 9 原料的選擇 9 工藝流程的選擇 9 工藝參數(shù)的確定 10 工廠的選址 11 2 設(shè)計工藝計算 13 轉(zhuǎn)化段物料衡算 13 一段轉(zhuǎn)化爐的物料衡算 14 二段轉(zhuǎn)化爐的物料衡算 17 轉(zhuǎn)化段熱量衡算 20 一段爐輻射段熱量衡算 20 二段爐的熱量衡算 27 換熱器101C、102C的熱量衡算 28 變換段的衡算 30 高溫變換爐的衡算 30 低溫變換爐的衡算 32 換熱器103C及換熱器104C的熱負(fù)荷計算 35 換熱器103C熱負(fù)荷 35 換熱器104C熱負(fù)荷 35 設(shè)備工藝計算 36 參考文獻 40 致謝 41 附錄 42 1 綜述 氨的性質(zhì)、用途及重要性 氨的性質(zhì)氨分子式為NH3，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下是無色氣體，比空氣輕，具有特殊的刺激性臭味。人們在大于100cm3/m3氨的環(huán)境中，每天接觸8小時會引起慢性中毒。氨水溶液呈堿性，易揮發(fā)。氨的化學(xué)性質(zhì)有：在常溫下相當(dāng)穩(wěn)定，在高溫、電火花或紫外光的作用下可分解為氮和氫。氨與空氣或氧的混合物在一定范圍內(nèi)能夠發(fā)生爆炸。 氨的用途及在國民生產(chǎn)中的作用氨是重要的無機化工產(chǎn)品之一，在國民經(jīng)濟中占有重要地位。世界上的氨除少量從焦?fàn)t氣中回收外，絕大部分是合成的氨。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。氨作為最為重要的基礎(chǔ)化工產(chǎn)品之一，同時也是能源消耗的大戶，世界上大約有10%的能源用于合成氨。其中中國、美國、印度、俄羅斯四個主要產(chǎn)氨國占了一半以上。 合成氨生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展(一) 原料構(gòu)成的變化為了合成氨，首先必須提供氮和氫。氣和水到處都有，而且取之不盡。由于電解制氫法，電能消耗大，成本高。因此合成氨生產(chǎn)的初始原料是焦炭、煤、焦?fàn)t氣、天然氣、石腦油、重油等，60多年來世界合成氨原料的構(gòu)成變化見下表11。自從北美大量開發(fā)天然氣資源成功之后，20世紀(jì)50年代開始采用天然氣制氨。到20世紀(jì)60年代末，國外主要產(chǎn)氨國都已先后停止用焦炭、煤為原料，而以天然氣、重油等為原料，天然氣所占比重不斷上升。石腦油經(jīng)脫碳、氣化后，可采用和天然氣為原料的相同生產(chǎn)裝置制氨。為了擴大原料范圍，又開發(fā)了用重油部分氧化法制氫。，相對投資和能量消耗比較。只要資源條件具備作為合成氨的原料。 氨廠采用的各種原料的相對投資和能量消耗原料天然氣重油煤相對投資費用能量消耗/(GJ/t)283848特別是以天然氣為原料的合成氨工業(yè)占了很大的比重，本設(shè)計就是以天然氣為原料合成氨，主要是轉(zhuǎn)化工段的設(shè)計。隨著蒸汽透平驅(qū)動的高壓離心式壓縮機研制成功，美國凱洛格公司運用建設(shè)單系列大型煉油廠的經(jīng)驗，首先運用工藝過程的余熱副產(chǎn)高壓蒸汽作為動力，實現(xiàn)了單系列合成氨裝置的大型化，這是合成氨工業(yè)發(fā)展史上第一次突破。從20世紀(jì)60年代中期開始，新建氨廠大都采用單系列的大型裝置。因此大型氨廠通常是指日產(chǎn)600t級，日產(chǎn)1000t級和日產(chǎn)1500t級的三種。(三) 低能耗新工藝合成氨，除原料為天然氣、石油、煤炭等一次能源外。現(xiàn)在合成氨能耗占世界能源消費總量的3%，中國合成氨生產(chǎn)能耗約占全國能耗的4%。，而且以天然氣為原料的大型氨廠的所需動力約有85%可由余熱供給[3]。20世紀(jì)60年代以前的過程控制多采取分散方式，在獨立的幾個車間控制室中進行。因此，某一環(huán)節(jié)的失調(diào)就會影響生產(chǎn)，為了保證長周期的安全生產(chǎn)，對過程控制提出更高的要求，從而發(fā)展到把全流程的溫度、壓力、流量、物位和成分五大參數(shù)的模擬儀表、報警、連鎖系統(tǒng)全部集中在中央控制室顯示和監(jiān)視控制。1975年美國霍尼威爾公司開發(fā)成功TCP2000總體分散控制系統(tǒng)（Totol Distributed Control System），簡稱集散控制系統(tǒng)（DCS）。在CRT操作平臺上可以存取、顯示多種數(shù)據(jù)和畫面，包括帶控制點的流程，全部過程變量、控制過程變量，以及其參數(shù)的動態(tài)數(shù)值和趨勢圖，從而實現(xiàn)集中監(jiān)視和集中操作。需要的數(shù)據(jù)、流程都可隨機或定時在打印機上打印和彩色硬拷貝機上拷貝。近年由于機電一體化需要邏輯控制和模擬控制計時、計數(shù)、運算等功能相結(jié)合，各儀表廠家的產(chǎn)品已從單一的邏輯控制，趨向多種控制功能結(jié)合為一體。此外，若配置有高一級管理、控制功能的上位機系統(tǒng)，還能進行全廠綜合優(yōu)化控制和管理，這種新穎的過程控制系統(tǒng)不僅可以取代常規(guī)模擬儀表，而且還可以完成局部優(yōu)化控制以及模擬儀表難以實現(xiàn)的復(fù)雜自控系統(tǒng)。這些都表示氨生產(chǎn)技術(shù)自動化進入新的階段，改變了幾十年合成氨生產(chǎn)控制的面貌。此外在上海還有一個電解水制氫生產(chǎn)合成氨、硝酸的小型車間。經(jīng)過50多年的努力，中國已擁有多種原料、不同流程的大、中、小型合成氨廠1000多個，已躍居世界第1位，已掌握了以焦炭、無煙煤、褐煤、焦?fàn)t氣、天然氣及油田氣和液態(tài)烴等氣固液多種原料生產(chǎn)合成氨的技術(shù)，形成中國大陸特有的煤、石油、天然氣原料并存和大、中、小生產(chǎn)規(guī)模并存的合成氨生產(chǎn)格局。第一、恢復(fù)老廠和新建中型氨廠20世紀(jì)50年代初，在恢復(fù)和擴建老廠的同時，從原蘇聯(lián)引進以煤為原料、年產(chǎn)50kt的三套合成氨裝置，并創(chuàng)建了吉化、蘭州、太原三大化工基地，后又自行設(shè)計、以川化的創(chuàng)建為標(biāo)志。20世紀(jì)60年代隨著石油、天然氣資源的開采，又從英國引進一套以天然氣為原料的加壓蒸汽轉(zhuǎn)化法年產(chǎn)100kt合成氨裝置(即瀘天化)；從意大利引進一套以重油為原料的部分氧化法年產(chǎn)50kt合成氨裝置，從而形成了煤油氣原料并舉的中型氨廠生產(chǎn)系統(tǒng)，迄今為止，已建成50多座中型氨廠。第三、大型氨廠的崛起20世紀(jì)70年代是世界合成氨工業(yè)大發(fā)展時期。1973年開始，首批引進13套年產(chǎn)300kt合成氨的成套裝置(其中10套為天然氣為原料，建在川化、瀘天化、云南、貴州等地)，為了擴大原料范圍，1978年又開始第二批引進4套年產(chǎn)300kt合成氨裝置。特別是于90年代初在川化建成投產(chǎn)的年產(chǎn)20萬噸合成氨裝置達到了當(dāng)時的國際先進水平。至今，在32套引進裝置中，原料為天然氣、油田氣的17套，渣油7套，石腦油5套，煤2套和尤里卡瀝青1套，加上上海吳涇，成都的兩套國產(chǎn)化裝置。 合成氨的典型工藝流程介紹合成氨的生產(chǎn)過程包括三個主要步驟：原料氣的制備、凈化和壓縮和合成。對于固體原料煤和焦炭，通常采用氣化的方法制取合成氣；渣油可采用非催化部分氧化的方法獲得合成氣；對氣態(tài)烴類和石腦油，工業(yè)中利用二段蒸汽轉(zhuǎn)化法制取合成氣?！　、?一氧化碳變換過程　　在合成氨生產(chǎn)中，各種方法制取的原料氣都含有CO，其體積分?jǐn)?shù)一般為12%～40%。變換反應(yīng)如下：CO+H2O→H2+CO2 ΔH=；由于CO變換過程是強放熱過程，必須分段進行以利于回收反應(yīng)熱，并控制變換段出口殘余CO含量。因此，CO變換反應(yīng)既是原料氣制造的繼續(xù)，又是凈化的過程，為后續(xù)脫碳過程創(chuàng)造條件。工業(yè)脫硫方法種類很多，通常是采用物理或化學(xué)吸收的方法，常用的有低溫甲醇洗法(Rectisol)、聚乙二醇二甲醚法(Selexol)等。CO2既是氨合成催化劑的毒物，又是制造尿素、碳酸氫銨等氮肥的重要原料。　　一般采用溶液吸收法脫除CO2。一類是物理吸收法，如低溫甲醇洗法(Rectisol)，聚乙二醇二甲醚法(Selexol)，碳酸丙烯酯法。 　?、?氣體精制過程　　經(jīng)CO變換和CO2脫除后的原料氣中尚含有少量殘余的CO和CO2。因此，原料氣在進入合成工序前，必須進行原料氣的最終凈化，即精制過程。深冷分離法主要是液氮洗法，是在深度冷凍(100℃)條件下用液氮吸收分離少量CO，而且也能脫除甲烷和大部分氬，這樣可以獲得只含有惰性氣體100cm3/ m3以下的氫氮混合氣，深冷凈化法通常與空分以及低溫甲醇洗結(jié)合。甲烷化法可以將氣體中碳的氧化物(CO+CO2)含量脫除到10cm3/m3以下，但是需要消耗有效成分H2，并且增加了惰性氣體CH4的含量。氨的合成是提供液氨產(chǎn)品的工序，是整個合成氨生產(chǎn)過程的核心部分。氨合成反應(yīng)式如下：N2+3H2 2NH3(g) ΔH=； 合成氨轉(zhuǎn)化工序的工藝原理本設(shè)計中的合成氨轉(zhuǎn)變工序是指轉(zhuǎn)化工序和變換工序的合稱。在一段轉(zhuǎn)化爐里，大部分烴類與蒸汽于催化劑作用下轉(zhuǎn)化成HCO和CO2。CH4+H2O→CO+3H2CH4+2H2O→CO+4H2二段轉(zhuǎn)化爐出口氣體溫度約950～1000 ℃，殘余甲烷含量和（H2+CO）/N2比均可達到指標(biāo)。在合成氨工藝流程中起著非常重要的作用。變換工段主要利用CO變換反應(yīng)式：CO+H2O→CO2+H2 ΔH 298=在不同溫度下分兩步進行，第一步是高溫變換（簡稱高變）使大部分CO轉(zhuǎn)化為CO2和H2，第二步是低溫變換簡稱低變，%左右。 設(shè)計方案的確定 原料的選擇合成氨生產(chǎn)的原料有焦炭、煤、焦?fàn)t氣、天然氣、石腦油、重油等。 首先，我國天然氣資源比較豐富，寧夏地區(qū)有得天獨厚的區(qū)位優(yōu)勢。僅占資源總量的5%左右，列世界第16位，天然氣資源勘探潛力很大。寧夏天然氣資源也十分豐富，所以在選擇天然氣作為原料合成氨有著明顯的區(qū)位優(yōu)勢。據(jù)最新的《石油與勘探開發(fā)》介紹，目前，我國天然氣工業(yè)正處于發(fā)展高峰時期，且發(fā)展速度越來越快。天然氣作為一種清潔優(yōu)質(zhì)的能源，在我國改善能源結(jié)構(gòu)，以及我國在大力推動低碳經(jīng)濟發(fā)展的過程中，獲得了前所未有的大發(fā)展。我國將大力提高天然氣在我國能源消費結(jié)構(gòu)中的比重。在目前我國的能源消費結(jié)構(gòu)里，煤炭占67％，石油占20％，％，％的世界平均水平。第三，以天然氣為原料合成氨工藝比重油和煤為原料的工藝成本低，而且能耗低?？梢姡谶@4種原料中，以煤為原料制氨成本最低,然而，以煤為原料合成氨能耗遠(yuǎn)大于天然氣（見表11）。煤頭技術(shù)中，固定層氣化流程，雖然工藝成熟，但氣化消耗高，環(huán)保污染嚴(yán)重、難以達標(biāo)、廠區(qū)環(huán)境惡劣；水煤漿氣