【正文】 four oxidize three irons for accelerant , at 485500℃ heat conditions e down make ammonia spirit. This design requests and control work principle of synthesizing the tower, produce of craft route, and can carry on an operation calculation according to the craft index sign. Include material balance in the craft the calculation the process, heat balance and the choose a calculation etc.. The use of the ammonia produced and output of three discard in this design to also have to speak of, Be synthesizing an efficiency to also have a further research. [keyword]: semiwater gas synthesize method synthetic tower 襄樊學院 2021屆學士學位設計 （ 論文 ） 報告紙 6 第一章 總 論 概述 氨是一種重要的含氮化合 物。大氣中存在有大量的氮，在空氣中氨占 78％（體積分數(shù)）以上，它是以游離狀態(tài)存在的。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。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(chǎn)己內(nèi)酰胺、尼龍 丙烯腈等單體和尿醛樹脂等產(chǎn)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(chǎn)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，含氨大于 ％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)。而在常溫下需加壓到 時才能液化。 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： 4NH3+5O2 4NO+6H2O ⑵ 氨與酸或酐反應生成鹽類 ,是制造氮肥的基本反應： 2NH3+H2SO4 = (NH4)2SO4 NH3+HNO3= NH4NO3 NH3+HCl= NH4Cl NH3+H3PO4 =NH4H2PO4 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： 2NH3+CO2 =NH4COONH2 NH4COONH2 =CO(NH2)2+H2O ⑷ 氨與二氧化碳和水作用 ,生成碳酸氫銨： NH3+CO2+H2O=NH4HCO3 氨可與鹽生成各種絡合 物 ， 如 CuCl2?6NH CuSO4?4NH3。 100℃ , MPa 下，爆炸界限為 %～ %(NH3)。 氮氣主要是從空氣中提取。在氣化過程中所使用的空氣、水蒸氣或富養(yǎng)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。 空氣煤氣：以空氣為汽化劑制取的煤氣，又稱為吹風 氣。 混合煤氣：以空氣和適量的水蒸氣為汽化劑制取的煤氣，一般作燃料用?？捎谜魵馀c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。 半水煤氣生產(chǎn)的工藝流程：在吹風階段中，空氣由煤氣發(fā)生爐的底部吹入，由爐頂排出吹風氣。再將吹風氣送入廢熱鍋爐以產(chǎn)生水蒸氣。 在上吹階段中，由煤氣發(fā)生爐爐底吹入空氣 水蒸氣混合氣，半水煤氣由爐頂排出。 在下吹階段中，水蒸氣與空氣混合，經(jīng)燃燒室回收蓄熱磚的熱量后，從煤氣發(fā)生爐頂部吹入（空氣較水蒸氣略遲通入），從爐底排出半水煤氣。 在二次上吹階段中，空氣 水蒸氣混合氣由爐底吹入，流向與上吹階段完全 相同。 襄樊學院 2021屆學士學位設計 （ 論文 ） 報告紙 9 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(jīng)濟中的作用必將日益顯著。第一次世界大戰(zhàn)結束后 ,轉向為農(nóng)業(yè)、工業(yè)服務。目前，全國有規(guī)模以上基礎化肥生產(chǎn)企業(yè)近 1000 家，其中，氮肥廠約 500 家，合成氨年生產(chǎn)能力 30 萬噸以上的大型企業(yè)有 26 家，合成氨年生產(chǎn)能力 10 萬噸以上的中型企業(yè)也有 100 多家，其他還有 800 多家小氮肥廠也生產(chǎn)合成氨，而其產(chǎn)量約占氮肥總量的 60%。據(jù)有關資料統(tǒng)計，世界合成氨產(chǎn)能已超過 億噸 /年，主要生產(chǎn)能力分布在俄羅斯約有 35 家氮肥廠，合成氮平均規(guī)模為 40 萬噸；美國有 50 多家氮肥廠，合成氨平均規(guī)模在 30 萬噸以上。國際上以天然氣為原料的氮肥占 85%。建議針對不同企業(yè)采用不同的技術路線。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(xiàn)有裝置或建設天然氣化肥基地。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。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(shù)合成氨廠仍將以氣體燃料為主要原料。合成氨成本中能源費用占較大比重，合成氨生產(chǎn)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。合成氨生產(chǎn)中副產(chǎn)大量的二氧化碳，不僅可用于冷凍、飲料、滅火，也是生產(chǎn)尿素、純堿、碳酸氫銨的原料。 到 2021 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(diào)整企業(yè)結構，減少基礎肥料生產(chǎn)廠數(shù)量， 提高單套裝置的規(guī)模，使合成氨工業(yè)朝現(xiàn)代化又邁進一步。 襄樊學院 2021屆學士學位設計 （ 論文 ） 報告紙 11 第二章 流程方案的確定 生產(chǎn)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： 3/2H2+1/2N2 NH3+ kJ 此式為一不可逆，放熱，體積縮小的反應，其反應過程為： N2（擴散） 2N（吸附） 2NH（吸附） 2NH2（吸附）2NH3（附） 2NH3（擴散到氣相） 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。 ⑶ 必須借助觸媒，以加快反應速度。 各生產(chǎn)方法及特點 合成氨的生產(chǎn)主要包括三個步驟 ： 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。 ⑴ 低壓法 操作壓力低于 20 MPa 的稱低壓。也可用磁鐵礦作催襄樊學院 2021屆學士學位設計 （ 論文 ） 報告紙 12 化劑，操作溫度 450～ 550 ℃ 。 ⑵ 高壓法 操作壓力為 60 MPa 以上的稱為高壓法，其操作溫度大致為 550～ 650 ℃ 。由于壓力高，一般用水冷的方法氣體中的氨就能得到完全的分離，而不需要氨冷。合成塔需用高鎳優(yōu)質合金鋼制造，即使這樣，也會產(chǎn)生破裂。 ⑶ 中壓法 操作壓力為 20～ 35 MPa 的稱為中壓法，操作溫度為 450～ 550 ℃ 。 氨合成的上述三種方法，各有優(yōu)缺點，不能簡單的比較其優(yōu)劣。本設計采用中壓法，操作壓力為 32 MPa。決定生產(chǎn)條件最主要的因素有操作壓力、反應溫度、空間速度和氣體組成等。壓力增加平衡常數(shù)增大，因而平衡氨含量也增大。氨合成壓力的高低，是影響氨合成生產(chǎn)中能量消耗的主要因素之一。提高操作壓力，原料氣壓縮功增加，合成氨凈值增高，單位氨所需要的循環(huán)氣量減少，因而循環(huán)氣壓縮功減少，同時壓力高也有利于氨的分離，在較高氣溫下，氣氨即可冷凝為液氨，冷凍功減少。同時，高壓下反應溫度一般較高，催化劑使用壽命也比較短，操作管理比較困難。要根據(jù)能量消耗、原料費用、設備投資等綜合技術經(jīng)濟效果來選擇操作壓力。 ⑵ 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(shù)下降，平衡氨含量必定減少。實際生產(chǎn)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(nèi)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(nèi)。反應溫度不能低于活性溫度，在活性溫度范圍內(nèi)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 ℃ 。 ⑶ 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(shù)要少，所以當空間速度增加時，合成氨的產(chǎn)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，因此冷凍襄樊學院 2021屆學士學位設計 （ 論文 ） 報告紙 14 功耗增加。但在一定限度內(nèi)，其他條件不變，增加空間速度，合成氨產(chǎn)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(xiàn)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(jīng)水冷卻器和氨冷囂二步實現(xiàn)的。貯槽壓力一般為 ～ 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。 ⑴ 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(chǎn)中，進塔氣體的氫氮比控制在 ~ 比較適宜。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。 ⑶ 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(chǎn)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，塔進口氨含量約控制在 %~%之間。 襄樊學院 2021屆學士學位設計 （ 論文 ） 報告紙 16 第三章 工藝流程簡述 合成工段工藝流程簡述 由高壓機送來的新鮮氣與冷凝塔一次出口循環(huán)氣混合送入氨冷器，在氨冷器內(nèi)，氣體 過管內(nèi)，液氨過管外，由于液氨的蒸氣吸取熱量，氣體被進一步冷卻，并使氣體中部分氣氨冷凝管外蒸氣的氣氨經(jīng)沫除器分離掉液氨后，去氨氣柜或硝銨車間。 自冷凝塔二次出口的循環(huán)氣其中一部分進入合成塔上部一次入口，氣體沿著內(nèi)件與外箱間環(huán)隙向下冷卻塔壁后，進入下部換熱器管外，另一部分循環(huán)氣直接進入塔外氣 氣換熱器冷氣入口，通過管外并與管內(nèi)廢鍋口