年产8万吨合成氨合成工段工艺设计本科毕业设计(编辑修改稿)

年产8万吨合成氨合成工段工艺设计本科毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

实际操作中，温度的选择取决于触媒的活性。 ⑶ 必须借助触媒，以加快反应速度。 ⑷ 混合气中氢、氮含量越高越有利于反应，因此，气体中惰性气体含量越少越好。 各生产方法及特点 合成氨的生产主要包括三个步骤 ： 第一步是造气，即制备含有氢、氮的原料气；第二步是净化，不论选择什么原 料，用什么方法造气，都必须对原料气进行净化处理，以除去氢、氮以外的杂质；第三步是压缩和合成，将纯净的氢、氮混合压缩到高压，在铁催化剂与高温条件下合成为氨。 目前氨合成的方法，由于采用的压力、温度和催化剂种类的不同，一般可分为低压法、中压法和高压法三种。 ⑴ 低压法 操作压力低于 20 MPa 的称低压。 采用活性强的亚铁氰化 物作催化剂，但它对毒物很敏感，所以对气体中的杂质（ CO、 CO2）要求十分严格。 也可用磁铁矿作催化剂，操作温度 450～ 550 ℃。 该法的优点是由于操作压力和温度较低，对设备、管道的材质要求低 生产容易管理，但低压法合成率不高，合成塔出口气体中含氮约 8％ ～ 10％，所以催化剂的生产能力比较低；同时由于压力低必须将循环气准至 20℃ 的低温才能使气体中的氨液化，分离比较完全，所以需要设置庞大的冷冻设备，使得流程复杂，且生产成本较高。 ⑵ 高压法 操作压力为 60 MPa 以上的称为高压法，其操作温度大致为 550～ 650 ℃。 高压法的优点是，氨合成的效率高，合成氨出口气体中含氨达 25％～ 30％，催化剂的生产能力较大。 由于压力高，一般用水冷的方法气体中的氨就能得到完全的分离，而不需要氨冷。 从而简化了流程；设 备和流程比较低紧凑，设备规格小，投资少，但由于在高压高温下操作，对设备和管道的材质要求比较高。 合成塔需用高镍优质合金钢制造，即使这样，也会产生破裂。 高压法管理比较复杂，特别是由于合成率高，催化剂层内的反应热不易排除而使催化剂长期处于高温下操作，容易失去活性。 ⑶ 中压法 操作压力为 20～ 35 MPa 的称为中压法，操作温度为 450～ 550 ℃。 中压法的优缺点介于高压法与低压法中间，但从经济效果来看，设备投资费用和生产费用都比较低。 氨合成的上述三种方法，各有优缺点，不能简单的比较其优劣。 世界上合成氨总的发 展趋势多采用中压法，其压力范围多数为 30～ 35 MPa。 本设计采用中压法，操作压力为 32 MPa。 工艺流程的选择 合成氨的生产工艺条件必须满足产量高，消耗低，工艺流程及设备结构简单，操作方便及安全可靠等要求。 决定生产条件最主要的因素有操作压力、反应温度、空间速度和气体组成等。 ⑴ 最适宜的操作压力 氨合成反应是气体体积缩小的反应，提高压力有利于反应平衡向右移动。 压力增加平衡常数增大，因而平衡氨含量也增大。 所以，提高压力对氨合成反应的平衡和反应速度都有利，在一定空速下，合成压力越高，出口氨浓 度越高，氨净值越高，合成塔的生产能力也越大。 氨合成压力的高低，是影响氨合成生产中能量消耗的主要因素之一。 主要能量消耗包括原料气压缩功、循环气压缩功和氨分离的冷冻功。 提高操作压力，原料气压缩功增加，合成氨净值增高，单位氨所需要的循环气量减少，因而循环气压缩功减少，同时压力高也有利于氨的分离，在较高气温下，气氨即可冷凝为液氨，冷冻功减少。 但是压力高、时，对设备的材料和制造的要求均高。 同时，高压下反应温度一般较高，催化剂使用寿命也比较短，操作管理比较困难。 所以。 要根据能量消耗、原料费用、设备投资等综合技术经济效果 来选择操作压力。 目前我国中小型合成氨厂合成操作压力大多采用20~32 MPa。 ⑵ 最适宜的反应温度 合成氨反应是一个可逆放热反应，当温度升高时，平衡常数下降，平衡氨含量必定减少。 因此从化学平衡角度考虑，应尽可能采用较低的反应温度。 实际生产中还要考虑反应速率的要求。 为了提高反应速率，必须使用催化剂才能实现氨合成反应。 而催化剂必须在一定的温度范围内才具有活性，所以氨合成反应温度必须维持在催化剂的活性范围内。 合成氨生产所用的催化剂活性温度在400~500 ℃。 反应温度不能低于活性温度，在活性温度范围内选用 较低温度，也有利于延长催化剂的使用寿命。 在合成氨生产过程中，对应于任意一个瞬时转化率都存在一个最大的反应速率的温度，即最佳温度。 就整个反应过程来说，随着反应的进行，转化率不断增加，最佳温度随转化率增加而降低。 在实际生产中，应尽可能沿着最佳温度曲线进行。 反应温度的控制还与催化剂的使用时间有关。 新的催化剂因活性比较高，可采用较低的温度。 在中期活性降低，操作温度应比初期适当提高 8~10 ℃。 催化剂使用到末期，活性因衰老而减弱，应再适当提高温度。 ⑶ 空间速度 空间速度反映气体与催化剂接触时间的长短。 空间速度 增加，气体与催化剂接触时间减少，反应物来不及反应就离开了反应区域，因此将是合成塔出口气 体中氨含量降低，即氨净值降低。 但由于氨净值降低的程度比空间速度的增大倍数要少，所以当空间速度增加时，合成氨的产量也有所增加。 在其他条件一定时，增加空间速度能提高合成氨的生产强度。 但空间速度增大，将使系统阻力增加，压缩循环气功耗增加，分离氨所需的冷冻量也增大，因此冷冻功耗增加。 同时，单位循环气量的产氨量减少。 但在一定限度内，其他条件不变，增加空间速度，合成氨产量增加，单位时间所得的总反应热增多，通过水冷器和氨冷器的气体流量 增大，需要移走的热量增多，导致冷凝器的冷却面积要相应增大，否则就不能将高流速气体中的氨冷凝下来。 此外，空间速度增大，使出塔气体中氨的百分含量降低，为了使氨从混合气中冷凝分离出来，必须降低出塔气体温度，这样就要消耗更多的冷冻量，导致冷冻功耗增加。 综合以上各方面的考虑，空间速度的增加是有限度的。 目前，国内一些小型合成氨厂合成压力在 30 MPa 左右的，空间速度选择在 20xx~3000 每小时之间。 工业上采用的氨合成工艺流程虽然很多，而且流程中设备结构操作条件也各有差异，但实现氨合成过程的基本步骤是相同 的，都必须包括以下几个步骤：氮、氢原料气的压缩并补充到循环系统；循环气的预热与氨的合成；氨的分离；热能的回收利用；对未反应气体补充压力，循环使用；排放部分循环气以维持循环气中惰性气体的平衡等。 流程设计在于合理地配置上述几个步骤，以便得到较好的技术效果，同时在生产上稳定可靠。 从氢氮混合气体中分离氨的方法大致有两种：水吸收法、冷凝法。 本设计采用冷凝法。 一般含氨混合气体的冷凝分离是经水冷却器和氨冷嚣二步实现的。 液氨在氨分离器中与循环气体分开，减压送入贮槽。 贮槽压力一般为～ MPa，此时，冷凝过程中溶解在液氨中的氢、氮及惰性气体大部分可减压释放出来。 合成塔进口气的组成 合成塔进口气体组成包括氢氮比、惰性气体含量和塔进口氨含量。 ⑴ 氢氮比 当氢氮比为 3:1 时，对于氨合成反应可以获得最大的平衡氨浓度，但从动力 学角度分析，最适宜氢氮比随着氨含量的变化而变化。 从氨的合成反应动力学机理可知，氮的活性吸附是合成氨反应过程速度的控制步骤，因此适当提高氮气浓度，对氨合成反应速度有利。 在实际生产中，进塔气体的氢氮比控制在 ~比较适宜。 ⑵ 惰性气体 在混合气体中含有甲烷和氩 气等，统称为惰性气体。 惰性气体不参与反应，也不毒害催化剂，但由于他们的存在会降低氢氮比的分压。 无论从化学平衡还是动力学角度分析，他们都是有弊无利的，导致氨的生产率下降。 惰性气体来源于新鲜气，随着合成反应的进行，它们不参与反应而在系统中积累，这样合成系统中惰性气体越来越多，为了提高氨的合成率，必须不断在循环气中将它们排放出去。 排放量多，可以使合成系统惰性气体含量降低，氨的合成率提高。 但是氢氮气和部分氨也随之排放，造成一定损失，故循环气体中惰性气体的控制含量不能过高也不能过低。 循环气体中惰性气体的控 制还与操作压力和催化剂活性有关。 操作压力比较高，及催化剂活性比较好时，惰性气体的含量可以高一些。 相反，则要控制低一些。 由于原料气的制备与净化方法不同，新鲜气体中惰性气体的含量也不同。 在生产中，一般要保持新鲜气中含惰性气体的体积分数在 %~%之间，并控制循环气中惰性气体的体积分数在 10%~15%之间。 ⑶ 塔进口氨含量 进塔气体中氨的含量，主要决定于氨分离时的冷凝温度和分离效率。 冷凝温度越低，分离效果越好，则进塔气体中氨含量也就越低。 降低进口氨含量，可加快反应速度，提高氨净值和生产能力。 但将进口 氨含量降的过低，会导致冷冻功耗增加过多，经济上并不可取。 进口氨含量还与合成操作压力和冷凝温度有关。 压力高，氨合成反应速度快，进口氨含量可适当控制高一些；压力低，为保持一定的反应速度，进口氨含量可适当控制低一些。 综合考虑的结果，一般中小型合成氨厂当操作压力在 30 MPa 左右时，塔进口氨含量约控制在 %~%之间。 对于压力在 15 MPa 的合成氨厂，一般应控制在 %左右。 第三章 工艺流程简述 合成工段工艺流程简述 由高压机送来的新鲜气与冷凝塔一次出口循环气混合送入氨冷器，在氨冷器内，气体过管内，液氨过管外，由于液氨的蒸气吸取热量，气体被进一步冷却，并使气体中部分气氨冷凝管外蒸气的气氨经沫除器分离掉液氨后，去氨气柜或硝铵车间。 氨的高压混合气，自氨冷器出来，进入冷凝塔下部的氨分离器，分离液氨 ,除氨后的混合气，再经过冷凝塔上部的热交换器与循环机气体换热，二次出冷凝塔。 自冷凝塔二次出口的循环气其中一部分进入合成塔上部一次入口，气体沿着内件与外箱间环隙向下冷却塔壁后，进入下部换热器管外，另一部分循环气直接进入塔外气 气换热器冷气入口，通过管外并与管内废锅口出来气体换热后，设有副线气流分成 四股，其中二股作为冷凝气分别从塔顶进入菱形分布器和层间换热器，一股为塔底副线，另一股进入合成塔下部二次入口与一次入口气体混合，通过下部热交换器与管内气体换热后与塔底副线气混合，由内中心管进入第一轴层反应，反应后气体与塔顶引入的第一冷凝气混合进入第二轴向层反应气体进入层间换热器管内与第二冷凝气换热降低气体温度进入径向层，第二冷凝气换热后提高自身温度进入外中心管与内中心管，气体混合进入第一轴向层，径向层自里向外径向流出，通过整个触媒层进入下部换热器管内，与管外换热后出塔进入废锅炉，与脱氧水换热副产品， 的蒸汽 ,气体温度降低到 217 ℃ 以下 ,进入气气换热器 ,气流经与管外气体换热器降温后进入水冷器 ,后进入循环机 ,补充压力 ,经滤油器除去油圬后 ,进入冷凝塔上部的热交换器 ,出热交换器后与新鲜气混后开始下一个循环。 工艺流程方框图 高压机 氨冷嚣 冷凝塔气 气换热嚣合成塔 水冷器 分离器新鲜气 新鲜气有液氨的高压混合气 循环气气体 气液混合混合气体循环气 氨氨 图一 第四章 工艺计算 物料衡算 新鲜气流量的确定 ⒈ 计算依据 表 41 进合成系统新鲜气组成 组 成 N2 H2 Ar/CH3 合 计 mol％ 20 64 16 100 表 42 空气组成 组 成 N2 O2 Ar 合 计 mol％ 78 21 1 100 表 43 循环气组成 合 成 N2 H2 O2 NH3 Ar/CH3 合 计 mol％ 26 60 5 6 3 100 ⒉ 计算基准 ⑴ 生产任务 年产八万吨的合成氨，取一年 300 天为基准，则 80000/y = 80000/（ 30024） ≈ ≈11t/h= 647 kmolh1 ⑵ 计算基准 本计算中以 kmolh1 为基准，进行物料衡算 ⒊ 合成系统总图 ⒋ 以元素和物质列出原子矩阵 表 44 原子矩阵 元素 物质 N2 H2 O2 Ar N 2 0 0 0 H 0 2 0 0 O 0 0 2 0 Ar 0 0 0 1 ⒌ 根据元素守恒列式，求各流量 对 H： 2F1－ 2F3－ 3F3 = F43 ① 对 N： 2F1 + 2F2 – 2F3－ F3 = F41 ② 对 O: 2F2 – 2F3 = 0 ③ F4 = 647 kmolh1 ④ 由 ③ 式得： F2 = F3/ ⑤ 把 ⑤ 代入 ② 得： – = F4 ⑥ 把 ④ 分别代入 ① ， ⑥ 两式后，再由 ⑥ ① 可得： F3=183kmolh1= Nm3h1 ⑦ 把 ⑦ 代入 ⑤ 式，可得： F2=44kmolh1= Nm3h1 ⑧ 把 ⑦ 代入 ⑥ 式，可得： F1 = 1714 kmolh1 = Nm3h1 F1──进入合成。