【正文】 ..................................................... 46 致 謝 ........................................................................................................................................ 48 參考文獻 .................................................................................................................................. 49 年產(chǎn) 20 萬噸合 成氨工廠工藝設計 1 1 工程設計背景與發(fā)展狀況 工程設計的背景 合成氨是化學工業(yè)中的一種重要的基礎原料 。 I 年產(chǎn) 20萬噸 合成氨廠 工藝設計 摘 要 氨的 工業(yè) 生產(chǎn)主要是 利用 氮氣和氫氣通過催化劑的催化而得到 。 本設計是年產(chǎn) 20萬噸 合成氨廠 的工藝設計， 但由于合成氨的 整個 生產(chǎn)工藝較長，細節(jié)問題較多，鑒于設計時間的緊迫，本設計 主要 對合成氨的主要工段 ——合成工段 進行了工藝計算、設備選型，并繪制了全廠平面布置圖、 合成氨工藝流程示意圖、合成工段帶控制點工藝流程圖、合成工段物料流程圖、合成 車間的立面圖和平面圖。 它 主要用于制造 氮肥 和復合肥料，氨作為工業(yè)原料和氨化飼料，用量約占世界產(chǎn)量的 12％。 我國是一個農(nóng)業(yè)大國，對于氨的需求是一直呈上升趨勢。合成氨以天然氣為原料的 工業(yè)生產(chǎn)以 二段蒸氣轉(zhuǎn)化法為主，該法具有技術(shù)成熟、能耗 低等優(yōu)點。近些年來我國對化肥工業(yè)的重視，使合成氨工業(yè)有了較快的發(fā)展， 1982 年達到 萬噸，成為世界產(chǎn)量最高的國家之一。 我國 合成氨 需求現(xiàn)狀 及設計規(guī)模 我國合成氨主要是作為中間產(chǎn)品加工成尿素、硝銨、碳酸氫銨、硫酸銨、氯化銨、磷酸一銨、磷酸二銨和硝酸磷肥等化學肥料 ； 此外 合成氨 還大量用以生產(chǎn)硝酸、純堿、丙烯 腈 、己內(nèi)酰胺和甲胺等化工產(chǎn)品。下表就是近年來我國合成氨消費增長和供求 情況： 陜西科技大學畢業(yè)設計 2 表 11 我國合成氨消費增長和供求情況 萬 t 年份 產(chǎn)量 進口量 出口量 表觀消 費量 1995 2021 2021 年均增長率 /% 從上表可以看出，我國對合成氨的需求一直穩(wěn)定增長，針對我過合成氨產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀，在我國建立大型的合成氨廠是很有必要也是很有前途的；因此，設計的合成氨廠的規(guī)模定為年產(chǎn) 20萬噸合成氨。 公用工程概述 廠址選在四川某市的郊區(qū)， 有可靠的供電網(wǎng)，輸、供電系統(tǒng)，附近 有鐵路、國道，交通便利，另外在不遠處有著一條河流，解決了水的難題。 總平面布置 總平面布置的基本原則 （ 1） 總平面布置首先必須滿足生產(chǎn)要求，以最大限度的保證生產(chǎn)作業(yè)線的連接、短捷、方便， 從原料進廠到成品出廠，整個流程必須符合生產(chǎn)工藝要求，力求做到流程線路暢通、連續(xù)、短捷、避免交叉進行 ， 使 各種物料的輸送距離 為最小。 陜西科技大學畢業(yè)設計 4 （ 2） 要能夠充分結(jié)合場地優(yōu)勢、地位、地貌等有利條件，因地制宜，緊湊布置，節(jié)約土地，少占良田，少拆房屋，提高土地利用率。 （ 4） 各車間之間注意滿足防火、衛(wèi)生 等國家安全規(guī)定，各種廠房按性質(zhì)分區(qū)集中。 （ 5） 人流、物流各行其道，路線短捷，避免交叉。 （ 7） 近期建設和遠期發(fā)展相結(jié)合，主要生產(chǎn)車間留有適當?shù)陌l(fā)展余地，輕化工工廠變化較快，綜合利用較廣，加工深度較深，大多數(shù)工藝 流程更新快，這要求在設計實現(xiàn)留有較大的預留地，以滿足工廠發(fā)展變化的需要。 （ 9） 采取各種措施，提高建筑系數(shù)和場地利用稀疏。 總平面布置概述 （ 1） 生產(chǎn)區(qū)布置：由于合成氨的生產(chǎn)不適合于室內(nèi)生產(chǎn)，因此全部是露天式生產(chǎn)，各工段按流程的順序建設，本設計中呈 U型。 年產(chǎn) 20 萬噸合 成氨工廠工藝設計 5 B 鍋爐房：布置在用蒸汽較多的地方，且是主導風向的下風向。 D 水處理車間：靠近負荷中心，處理每日生產(chǎn)車間所需的工業(yè)用水，并提供部分生活用水。 （ 4） 堆場和倉庫：布置在主導風向的下風向，置于廠區(qū)邊緣，靠近主生產(chǎn)車間，且位于主力干道邊緣。 （ 5） 行政管理機構(gòu)和福利區(qū)：辦公樓位于廠前區(qū)且位于主導風向的上風向。既有專門的綠化區(qū)，也有環(huán)繞廠房及其他建筑物的綠化帶。這樣，可使場區(qū)空氣得以凈化，噪音減小，美化和改善了環(huán)境的衛(wèi)生條件，使本廠的小環(huán)境﹑小氣候得以明顯改善。 綜上所述，平面布置有以下幾個特點： A 廠房建筑物的布置與生產(chǎn)工藝流程相適應。 另外 ，總平面布置圖右上方 繪 有風向玫瑰圖，下方 繪 有明細表等。 年產(chǎn) 20 萬噸合 成氨工廠工藝設計 7 3 化工工藝設計 車間組成概述 本設計中合成氨的生產(chǎn)由轉(zhuǎn)化、變換、凈化、合成四個工段組成，由于 合成氨的生產(chǎn)不適合室內(nèi)生產(chǎn)，因此生產(chǎn)在露天進行。 在合成工段起決定作用的是催化劑，催化劑的選擇將決定整個合成工段設計。釕系催化劑是近年來合成氨催化劑歷史上的一個突破，可以說是真正做到了 “低溫、低壓 ”。雖說釕系催化劑的成本要比鐵系催化劑要高很多，但從長遠考慮，還是選擇釕系催化劑。壓縮空氣與部分混合氣一起導入ATR進口 ——專門設計的混合區(qū)。一部分烴類在自熱式轉(zhuǎn)化爐中燃燒 ,釋放的熱供 KRES裝置中剩余的烴類蒸 汽 轉(zhuǎn)化的需要。當混合氣沿管子向下流時與傳統(tǒng)的蒸 汽 轉(zhuǎn)化催化劑接觸 ， 蒸 汽 轉(zhuǎn)化所需的熱由殼側(cè)氣體提供 ， 殼側(cè)氣體是 ATR 流出物和 KRES 管側(cè)流出物的混合物 ， KRES 管測出口溫度為870℃ ， 混合物的溫度為 925℃ 。出口氣經(jīng)冷卻送到二氧化碳脫除工藝 ， 二氧化碳可以用已經(jīng)商業(yè)化的工藝除去。深冷凈化器對粗合成氣 進行最后的凈化 ， 它由三個簡單的部分組成 :進出口換熱器、低速膨脹機及頂部有冷凝器的精餾塔。膨脹機流出物在換熱器底部進一步冷卻并部分冷凝后進入精餾塔。部分精餾塔底部的液體減壓蒸發(fā) ， 先通過精餾塔頂部冷凝器殼側(cè)使塔形成回流然后與凈化器進氣換熱 ， 預熱后作為再生合成氣干燥器的廢氣 ， 這廢氣最后作為工藝加熱器的燃料。經(jīng)過凈化的氣體壓縮到合成回路的壓力 ， 進入內(nèi)冷、熱壁、徑向合成塔進行反應 ， 合成塔的第 1床用傳統(tǒng)的催化劑 ， 其余三床用釕催化劑。因補充氣中惰性氣體的含量較低 ， 合成回路的弛放氣量較少，除去氨后的弛放氣與干燥器的進氣混合進入工藝系統(tǒng)，因此不需要單獨的弛放氣回收裝置。 陜西科技大學畢業(yè)設計 10 4 合成工段的 工藝 計算及設備選型 合成工段設計要求 年工作日： 330天； 系統(tǒng)工作壓力： 練氣組成（％）： H2 ， N2 ， 合成塔進氣（％）： NH3 ， Ar 16 合成塔出氣（ %）： NH3 21 合成工段物料衡算圖 1——新鮮氣； 14——弛放氣； 16， 17， 19——液氨；其余各點為循環(huán)氣 合成工段的工藝計算 年產(chǎn) 20 萬噸合 成氨工廠工藝設計 11 物料衡算 （ 1）合成塔計算 ① 合成塔入口氣組成： 入塔氨含量：36NHy =％； 入塔氫含量：2Hy =()x100％ =％； 入塔氬含量： 6Ary =16％； 入塔氮含量：2Ny=()x100％ =％。 由氣液平衡原理： F m ( i ) Vy ( i ) L x( i ) m ( i )? ? ? （ 1） y(i)K(i)=x(i) （ 2） K（ i） 組分 i 平衡常 數(shù) 將（ 2）式代入（ 1）式得： 年產(chǎn) 20 萬噸合 成氨工廠工藝設計 13 m (i) V( )K (i) 1L x (i) L?? m ( i)L x( i) = L ( i )V1+( ) K ( i )L ? （ 3） L L(i)?? （ 4） 液體組分 Lix(i)=L（ ） （ 5） 1V F L L? ? ? ? （ 6） 氣體組分 ( ) ( ) ( )() V i m i L iyi VV??? （ 7） 已知分離器入口混合物組分 m(i) 表 43 入口混合物組分 3NHm Arm 2Hm 2Nm 小計 查 t=20℃ ,P= 各組分平衡常數(shù) 表 44 平衡常數(shù) KNH3 KAr KH2 KN2 設 ( ) ? 代入 (3)式中計算各組分溶解液量 333 1 5 ( )NHNH NHmL K m olV KL? ? ???? 88 211 200 ( )ArAr ArmL K molVKL? ? ???? 222 48 391 240 ( )HH HmL K molV KL? ? ???? 陜西科技大學畢業(yè)設計 14 222 64 151 270 ( )NN NmL K molV KL? ? ???? 分離液體量 3 2 2NH A r H NL L L L L? ? ? ? =+++ = 分離氣體量 1 1 82 18 17 82V L K mol? ? ? ? ? 計算氣液比 39。VV( ) ( ) 4 .5 0 0 4 .4 8 9LL 1 0 0 % 0 .2 4 4 %V4 .5 0 0()L? ?? ? ? ?誤 差 假定正確。 0 . 0 0 8 4 6( ) ( ) 0 . 0 0 8 5 30 . 9 9 1 5 4VVLL? ? ? 39。 由前面計算數(shù)據(jù)列入下表 表 411 衡算表 名稱 NH3 Ar H2 N2 氣量 3m( )標 補充氣 V補 回收氣 V回 弛放氣 液氨 入塔氣 V入 出塔氣 V出 根據(jù)物料平衡和元素組分平衡求 V補 ， V回 ， V入 ， V出 。 P= 查得此條件下各組分比熱容并計算得 p7C 32 .6 93 K J / K m ol C? 7 7 p 7 7 7 3 6 0 . 7 4 4Q V C t 3 2 . 6 9 3 4 5 2 4 8 5 5 8 6 8 . 3 5 8 K J2 2 . 4? ? ? ? ? ② 管內(nèi)熱氣體帶出熱量 8Q 年產(chǎn) 20 萬噸合 成氨工廠工藝設計 25 8t 29 8 C P =9 .32 MP a? 查得此條件下各組分比熱容并計算得 p8C 31 .2 56 K J / K m ol C? 8 8 p 8 8 7 3 6 0 . 7 4 4Q V C t 3 1 . 2 5 6 2 9 8 3 0 6 0 7 1 8 . 2 8 2 K J2 2 . 4? ? ? ? ? ③ 廢熱鍋爐熱負荷 87Q =Q Q 306 071 8 .28 2 485 586 8 .35 8= 179 515 76K J? ? ? ? ? ④ 軟水量計算 設廢熱鍋爐加入軟水溫度 t=30 C ，壓力 P= ；副產(chǎn) ，需軟水量 X 查 軟水焓 1I 125 .484K J/ K g? 蒸汽焓 2I 278 KJ/Kg? 由熱平衡得 21Q=X I I?