【正文】 可達(dá)到沸騰。 1784 年，有學(xué)者證明氨是由氮和氫組成的 [2]。 1901 年法國物理化學(xué)家呂 ?查的利 3 提出氨合成的條件是高溫、高壓，并有適當(dāng)催化劑存在。 1910 年成功地建立了能生產(chǎn) 80 氨的試驗(yàn)裝置。 合成氨的原料是氫氣和氮?dú)?。工業(yè)上普遍采用的是以焦炭、煤、天然氣、重油等燃料與水蒸氣作用的氣化方法。 合成氨的工藝流程 氨合成的工藝流程 : (1)原料氣制備 將煤和天然氣等原料制成含氫和氮的粗原料氣。 (2)凈化 對粗原料氣進(jìn)行凈化處理，除去氫氣和氮?dú)庖酝獾碾s質(zhì)，主要包括變換過程、脫硫脫碳過 程以及氣體精制過程。合成氨需要的兩種組分是 H2 和 N2，因此需要除去合成氣中的 CO。第一步是高溫變換，使大部分 CO 轉(zhuǎn)變?yōu)?CO2 和 H2；第二步是低溫變換，將 CO 含量降至 %左右。 ② 脫硫脫碳過程 [5] 各種原料制取的粗原料氣，都含有一些硫和碳的氧化物，為了防止合成氨生產(chǎn)過程催化劑的中毒，必須在氨合成工序前加以脫除，以天然氣為原料的蒸汽轉(zhuǎn)化法，第一道工序是脫硫，用以保護(hù)轉(zhuǎn)化催化劑，以重油和煤為原料的部分氧化法，根據(jù)一氧化碳變 4 換是否采用耐硫的催化劑而確定脫硫的位置。 粗原料氣經(jīng) CO 變換以 后，變換氣中除 H2 外，還有 CO CO 和 CH4 等組分，其中以 CO2 含量最多。因此變換氣中 CO2 的脫除必須兼顧這兩方面的要求。根據(jù)吸收劑性能的不同，可分為兩大類。一類是化學(xué)吸收法，如熱鉀堿法，低熱耗本菲爾法，活化 MDEA 法， MEA 法等 [8]。為了防止對氨合成催化劑的毒害，規(guī)定 CO 和 CO2 總含量不得大于 10cm3/m3(體積分?jǐn)?shù) )。 目前在工業(yè)生產(chǎn)中，最終凈化方法分為深冷分離法和甲烷化法。甲烷化法是在催化劑存在下使少 量 CO、 CO2 與 H2 反應(yīng)生成 CH4 和 H2O 的一種凈化工藝，要求入口原料氣中碳的氧化物含量 (體積分?jǐn)?shù) )一般應(yīng)小于 %。甲烷化反應(yīng)如下： CO+3H2→CH 4+H2O =CO2+4H2→CH 4+2H2O = (3)氨合成 將純凈的氫、氮混合氣壓縮到高壓，在催化劑的作用下合成氨。氨合成反應(yīng)在較高壓力和催化劑存在的條件下進(jìn)行，由于反應(yīng)后氣體中氨含量不高，一般只有 10%~20%，故采用未反應(yīng)氫氮?dú)庋h(huán)的流程 [10]。我國是一農(nóng)業(yè)大國，每年對化肥的需求位于世界第一，如何提高我國化肥的生產(chǎn)技術(shù)水平是我們化學(xué)工作者得任務(wù)之一。 發(fā)展前景 我國的氮肥工業(yè)自 20 世紀(jì) 50 年代以來，不斷發(fā)展壯大。形成了特有的煤、石油、天然氣原料并存和大、中、小生產(chǎn)規(guī)模并存的生產(chǎn)格局。在與國際接軌后，具備與國際合成氨產(chǎn)品 的能力，今后發(fā)展重點(diǎn)是調(diào)整原料和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步改善經(jīng)濟(jì)性 [12]。 生產(chǎn)能力大型化目前國外合成氨生產(chǎn)規(guī)模發(fā)展趨勢是提高系列 生產(chǎn)能力。新建單系列投資比雙系列可降低 20%。這種改造投資還不到新建的 1/2。 產(chǎn)品多樣化當(dāng)今，從制氨用合成氣出發(fā)，在制取合成氨的同時，聯(lián)產(chǎn)甲醇和碳一化產(chǎn)品，已成為資源綜合利用的有效途徑。 展望我國的合成氨工業(yè)，中小型裝置除繼續(xù)延續(xù)優(yōu)勝劣汰的趨勢外，在現(xiàn)在的基礎(chǔ)上，會繼續(xù)向規(guī)?；凸?jié)能降耗的方向邁進(jìn)。最近，我國天然氣的開發(fā)已進(jìn)入了一個新階段，目前已探明的天然氣儲量達(dá) 15276 億立方米?？傊覈铣砂惫I(yè)總體水平將在 21 世紀(jì)登上一個新臺階。 。 ，從制氨用合成氣出發(fā)，在制取合成氨的同時， 聯(lián)產(chǎn)甲醇和碳一化工產(chǎn)品 。氨合成的原料為碳化煤球，由于本設(shè)計(jì)書是對合成氨的合成系統(tǒng)的工藝和設(shè)備設(shè)計(jì)，其原料為由 精煉工段來的精煉氣 。 工藝流程敘述（附流程簡圖） 由 精煉工段來的精煉氣經(jīng)一級氨分離器有部 分氨冷凝成液氨，其余的經(jīng)二級氨冷器到冷交換器，此時有部分氨冷凝成液氨，其余的經(jīng)過合成塔，未合成的氫氣、氮?dú)膺M(jìn)行了合成反應(yīng)，然后依次到達(dá)水冷器、水冷后氨分離器，此時就系統(tǒng)整體考慮，放空部分氣體，其余的到達(dá)循環(huán)機(jī)、油分離器后，部分返回合成塔，部分達(dá)冷交換器，此時有部分氨冷凝成液氨，其余的達(dá)一級氨冷器、一級氨分離器，此時有部分氨冷凝成液氨，其余的達(dá)二級氨冷器再到冷交換器，構(gòu)成一循環(huán)系統(tǒng)。 圖 31 為合成系統(tǒng)示意流程 圖 1—合成塔， 2—水冷器， 3—水冷后氨分離 器， 4—循環(huán)機(jī)， 5—油分離器， 8 6—一級氨冷器， 7—一級氨分離器， 8—二級氨冷器， 9—冷交換器； V0 — 新鮮氫氮?dú)猓?V1 — 放空氣， V2 — 進(jìn)塔氣， V3 — 出塔氣 。 主要工藝技術(shù)指標(biāo) 精煉氣成份按 表 31 計(jì)算 。 氣體在液氨中的溶解量忽略不計(jì)，熱 (冷 )損失亦忽略不計(jì) 。d? 《制冷機(jī)及制冷設(shè)備》克魯西林公式管外給熱系數(shù) Cq?? (318) 由上?；W(xué)院：螺旋板式熱交換器設(shè)計(jì)與計(jì)算 , 1972； Ф500 微碳純鐵單管并流氨合成塔內(nèi)件計(jì)算說明書， 1973 有： 螺旋總?cè)?shù) N=21)(2 200 ?? ?? bdD ? ? (319) 每塊板的平均圈數(shù) n= mN (320) 每塊板的平均長度 )()(4)( 2 bnbnl nd n ?????? ?????? (321) 10 環(huán)保及安全要求 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。 在整個合成氨生產(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、易中毒等危險因素 [7]，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)。 11 第四章 設(shè)計(jì)計(jì)算書 物料衡算 計(jì)算基準(zhǔn)： 1000 標(biāo)準(zhǔn)立方米精煉氣 (一 ) 精揀氣組成 小氮肥廠在分析惰性氣體時一般只分析甲烷，氬氣是不分析的，由于氮和氬都來自空氣，遂讓氬和氮混在一起，一概作為氮?dú)舛腥雿徫挥涗?。但至合成工段，循環(huán)氣中的氬含量上升至 3%左右，若不從氮中分出來，將導(dǎo)致較大的誤差，故合成工段按照氮、氬分 開 .將氬計(jì)入惰性氣體進(jìn)行計(jì)算。 表 41 精煉工段來的精煉氣組成 成份 H2 N2+Ar CH4 合計(jì) 標(biāo)準(zhǔn)米 3 % 100 將 Ar 從 N2 中分列出來， 由布拉夏克《固定氮工藝學(xué)合成氨》下冊， 371 頁。 表 42 將 Ar 從 N2 中分列出來后的精煉氣組成 成份 H2 N2 CH4 Ar 合計(jì) 標(biāo)準(zhǔn)米 3 % 100 (二 ) 已知條件 1. 氨合成流程 氨合成流程圖可參見圖 4 1 0 . 9 3 2 57 8 .1 7 8 .1?? 12 圖 4 1 氨合成流程圖 1—合成塔， 2—水冷器， 3—水冷后氨分離器， 4—循環(huán)機(jī)， 5—油分離器， 6—一級氨冷器， 7—一級氨分離器， 8—二級氨冷器， 9—冷交換器； V0 —新鮮氫氮?dú)猓?V1 —放空氣， V2 —進(jìn)塔氣， V3 —出塔氣 。 括號內(nèi)數(shù)字單位 :千克 /厘米 2(絕壓 )( 1 千克 /厘米 2=)，括號前數(shù)字單位 :大氣壓 (絕壓 )。 2． 精煉氣成份可參見表 41. 3． 進(jìn)塔氣中氨含量： % 4． 出塔氣中氨含量： 11% 5． 出塔氣中惰性氣體含量： % 6． 精煉氣溫度： 35℃ 7． 壓力 :循環(huán)機(jī)出口 Mpa，其余各點(diǎn)壓力見示意流程圖 8． 氣體在液氨中的溶解量忽略不計(jì)，熱 (冷 )損失亦忽略不計(jì)。1000 標(biāo)準(zhǔn)米 3 精煉氣 (1) 出塔氣成份 已知：出塔氣中 NH3＝ 11% CH4+Ar =% H2 ： N2=3： 1 ∴ 3H2＋ N2=100%－ (11%+%)=% ∴ H2=43 ? %=% N2=41 ? %=% CH4=% ?? =% Ar= % ?? =% 所以出塔氣成份 如 表 43 所示。 放空氣量為： V1 = 1 9 2 9 )0 0 2 9 . 0 1 4 2 01 0 0 0 ??（ = 標(biāo)準(zhǔn)米 3 所以放空氣組成如 表 44。 14 V1 —放空氣體積，標(biāo)準(zhǔn)米 3 V2 —進(jìn)入合成塔混合氣體積，標(biāo)準(zhǔn)米 3 V3 —出合成塔混合氣體積，標(biāo)準(zhǔn)米 3 V4 —冷凝成產(chǎn)品氨的氣體體積，標(biāo)準(zhǔn)米 3 以 V3 代入 ① V2＝ V2－（ V4＋ 11％ V1）－ V1－ V4＋ V0 ∴ V3 = 10 VV ? = 2 7 7 0 0 0 ?? = 標(biāo)準(zhǔn)米 3 由氨平衡 11%V3 =%V2 +(V4 +11%V1 ) ③ % ? ② %V3 =%V2 一 % (V4 十 1l%V1 ) ④ ③ 一 ④ ( 一 ) V3 = (1+)( V4 十 ) ∴ V3 = 0 . 0 8 5 8 8 . 7 7 50 . 1 14 5 0 . 7 3 01 . 0 2 5 ）（ ??? = 標(biāo)準(zhǔn)米 3 合成塔出口氣組成如 表 45。 表 46 塔出口所體組成 成份 H2 N2 CH4 Ar NH3 合計(jì) 標(biāo)準(zhǔn)米3 % 100 （１ ) 進(jìn)口與合成塔出口氣體相同 (２ ) 出口 設(shè)：水次器出口溫度為 35℃ ? =308K， ? = 大氣壓 由《氮?dú)夤ぷ髡呤謨浴分欣瓲栠d一布列克經(jīng)驗(yàn)公式 ： logyA=+－ 式中 ： yA—液氨上方氣體中的平衡氨濃度， %； ? —混合氣體的壓力，大氣壓； ? —混合氣體的絕對溫度， ? 。故出口氣體的組成和氣量均無變化，仍與出塔氣體相同 (按上式計(jì)算，冷 卻至 ℃ 時，出口氣體的飽和氨濃度為 11%，但氣氨開始冷凝時形成霧滴，不易分離出來。 (1) 進(jìn)口 進(jìn)口熱氣體量 =V3 － V1 =－ = 標(biāo)準(zhǔn)米 3 進(jìn)口熱氣體組成為 H2 － = 標(biāo)準(zhǔn)米 3 N2 － = 標(biāo)準(zhǔn)米 3 CH4 － = 標(biāo)準(zhǔn)米 3 Ar － = 標(biāo)準(zhǔn)米 3 16 NH3 － = 標(biāo)準(zhǔn)米 3 合計(jì) － = 標(biāo)準(zhǔn)米 3 即 冷交換器進(jìn)口氣體組成 可 見表 47 表 47 冷交換