论文年产30万吨合成氨合成工段工艺设计毕业论文［精选整理］

论文年产30万吨合成氨合成工段工艺设计毕业论文［精选整理］内容摘要：

气中的游离氮固定下来并转变为可被植物吸收的化合物的过程，称为固定氮。 在实际生产中，固定氮的方法有电弧法、 氰氨法 及合成氨法。 目前，固定氮最方便、最 经济 的方法就是合成氨，也就是直接由氮和氢合成为氨，再进一步制成化学肥料或用于其它工业。 氨是最重要的基础化工产品之一，其产量居各种化工产品的首位。 氨主要用于农业生产。 合成氨是氮肥工业的基础，氨气本身是重要的氮 素肥料，与此同时，氨也可以用于生产其他氮肥，如硝酸铵、复合肥等，这部分约占 70%的比例，称之为 “化肥氨 ”。 氨也是重要的无机化学和有机化学工业基础原料，这部分约占 30%的比例，称之为 “工业氨 ”[5]。 氨气可作为生产铵、胺、染料、炸药、制药、合成纤维、合成树脂的原料 [6]。 在石油炼制、橡胶工业、冶金工业和机械加工等部门以及轻工、食品、医药工业部门中，氨气及其加工产品都是不可缺少的。 氨的性质 氨的物理性质 氨气在常温下是无色有刺激性气味的气体， 对人体的眼、鼻、喉等有刺激作用，接触时应小心。 如 果不慎接触过多的氨而出现病症，应及时吸入新鲜空气和水蒸气，并用大量水冲洗眼睛。 氨极易溶于水，在常温、常压下， 1 体积水能溶解约 700 体积的氨。 因此，用水喷淋处理漏氨事故，能收到较好的效果。 氨气在水中的溶解度随着压力增大而降低，氨水在溶解时放出大量热，氨水中的氨极易挥发。 常压下气态氨气需冷却到 ℃ （沸点）才能液化，而在常温下需加压到 时才能液化。 液氨为 无色液体，气化时吸收大量的热，因此可以作为制冷剂。 氨的化学性质 氨气溶于水以后叫氨水，其显弱碱性，化学性质类似于其他碱性物质， 如可以与酸性物质反应，能与一些氧化物反应等。 其他的性质如下： (1) 氨与氧在催化剂作用下生成氮的氧化物 ,并能进一步与水作用 ,制得硝酸： 3 3 2 24 5 4 6N H O N O H O   (2) 氨与酸或酐反应生成盐类 ,是制造氮肥的基本反应： 3 3 4 3 N H H N O N H N O (3) 氨与二氧化碳作用生成氨基甲酸铵 ,进一步脱水成为尿素： 3 2 4 22N H C O N H C O O N H (4) 氨与二氧化碳和水作用 ,生成碳酸氢铵： 3 2 2 4 3N H C O H O N H H C O   (5) 氨可与盐生成各种络合 物 ， 如 CuCl2 6NH CuSO4 4NH3。 合成氨的生产方法 合成氨的生产主要包括以下步骤 ：第一步是造气，即制备含有氢、氮的原料气。 第二步是原料气的净化，具体流程有脱硫、转化、变换、脱碳、甲烷化 [7]等。 第三步是压缩和合成，将纯净的氢、氮混合压缩到高压，在催化剂与高温条件下合成为氨。 合成的氨需要进行冷却分离，才能得到产品，分离后的气体要继续回到合成系统中，补充原料气后继续参与反应。 目前氨合成的方法，由于采用的压力的不同，一般可分为低压法、中压法和高压法三种 [8]。 (1) 低压法 操作压力低于 20MPa 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450550℃。 该法的优点是操作压力和温度较低，生产容易管理，对设备、管道的材质要求低。 但低压法合成率不高，合成塔出口气体中含氮约 8%10%，催化剂的生产能力比较低，合成流程复杂，生产成本较高，在实际生产中并不适用。 (2) 中压法 操作压力为 2035MPa 的称为中压法，操作温度为 450550℃。 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。 (3) 高压法 操作压力为 60MPa 以上的称为高压法，其操作温度大致为 550650 ℃。 高压法的优点是，催化 剂的生产能力较大，氨合成的效率高，合成氨出口气体中含氨达 25%30%。 此种方法氨分离效果好，设备和流程比较紧凑，设备规格小，投资少，但由于在高压高温下操 4 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。 高压法合成率高，但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。 合成工艺条件的选择 操作压力 从化学平衡和反应速率两个方面考虑，提高操作压力对反应是有利的，它不仅能提高设备的生产能力，还可以简化氨的分离流程。 但是对设备的材质和加工提出了更高的要求，操 作中催化剂易碎，这会增加反应气体的流动阻力和影响催化剂的使用寿命，操作安全性较差。 目前高压法已经淘汰。 为保证具有较高的平衡氨浓度，在降低压力的同时，要求催化剂在比较低的反应温度下即有较高的反应活性。 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。 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，平衡时氨含量必定减少，因此必须及时的将反应热移除，以降低合成塔的温度。 因此从化学平衡角度考虑，应尽可能采用较低的反应温度。 在合成氨反应中使用催化剂是较好的选 择，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 400500℃ ，反应温度不能低于活性温度。 在合成氨生产过程中，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。 空速 空速是反应气在催化剂床层的停留时间的倒数。 空速大，单位体积催化剂处理的气量大，能增加生产能力。 但是空速过大，催化剂与反应气体的接触时间太短，部分反应物未参与反应就离开了催化剂表面，进入气流，导致反应 速率下降。 另外，气量过大，使设备负荷及动力消耗增大，氨分离不完全。 因此，空速要保持在一定的范围。 合成塔进口气体组成 (1) 氢氮比 根据理论分析，当原料气中 H2 与 N2 的摩尔比为 3:1 时 [9]，氨的含量最高。 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中速度的控制步骤，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。 (2) 惰性气体含量 5 惰性气体来源于新鲜空气，它们不参与反应 因而在系统中积累。 惰性气体的存在，无论从化学平衡还是动力学上考虑均属不利。 但是，维持过低的惰性气体含量又需要大量排放循环气，导致原料气消耗随之增大。 因此，循环气中惰性气体含量应根据新鲜气惰性气体含量、操作压力、催化剂活性等条件而定。 在产中，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。 (3) 初始氨含量 当其他条件一定时，进塔气体中氨含量越高，氨净值越小，生产能力越低。 初始氨含量的高低取决于氨分离的方法。 对于冷冻法分离氨，初始氨含量与 冷凝温度和系统压力有关。 为过分降低冷凝温度而过多的增加氨冷负荷在经济上并不可取。 操作压力为 30MPa左右时，一般进塔氨含量控制在 %~%。 中国有些厂采用水吸收法分离氨，初始氨含量可在 %以下。 合成氨工业的发展 合成氨是化学工业中产量很大的化工产品。 目前，合成氨年总消费量 (以 N计 )约为，其中工业用氨量约为 10Mt，约占总氨消费量的 12%。 合成氨主要原料有天然气、石脑油、重质油和煤等。 世界以天然气制氨的比例约占 71%，俄罗斯为 %、美国为 96%、荷兰为 100%；中国仍以煤 、焦炭为主要原料制氨 , 天然气制氨仅占 20%。 生产合成氨的方法主要区别在原料气的制造，其中最广泛采用的是蒸汽转化法和部分氧化法 [10]。 中国合成氨生产是在 20世纪 30年代开始的，当时仅在南京、大连两地建有氨厂，最高年产量不超过 50kt（ 1941年）。 中华人民共和国成立以来，化工部贯彻为农业服务的方针，把发展化肥生产放在首位。 经过多年的努力，我国已拥有多种原料，不同流程的大、中、小型合成氨工厂 550余个。 在技术力量方面，我国已拥有一支能从事合成氨生产的科研、设计、制造和施工的高素质技术队伍。 在生产能 力方面， 1980年中国合成氨产量为 1498万吨，到 1990年上升至 2129万吨，仅次于前苏联名列世界第二。 目前，全球合成氨的生产能力已经超过 160Mt/a，中国的生产能力达到 45Mt/a，居全球第一位 [11]。 我国合成氨工业存在一些特殊问题，我国的油气资源贫乏，但煤炭资源相对丰富，这就决定了我国合成氨工业的原料要以煤炭为主。 2020年，国内合成氨生产原料中，煤炭约占 %，天然气约占 %，油约占 %，焦炉气约占 %[12]。 目前我国的氮肥行业产能普遍偏低，耗能高，污染大，急需采用成熟的粉 煤气化技术，以提高原料利用率，降低对环境的危害。 6 第二章 合成工段工艺简介 合成工段工艺流程简述 由氮氢气压缩机送来温度 35℃ ～ 45℃ 的新鲜气，与放空后经冷交换器来的循环气体混合，而后温度被降至 17℃ ，进入氨冷器 Ⅰ。 气体管内流动，液氨在管外蒸发，使管内气体冷却至 0℃ 左右，进入氨冷器 Ⅱ 继续冷却至 10℃ 左右，出氨冷器后的气液混合物，在冷交换器的下部用分离器将液氨分离，分离出的液氨进入液氨贮罐，分氨后的循环气上升至上部换热器壳程被热气体加热至 22℃ 后出冷交换器，气体经循环压缩机，由塔上部进入，先经塔内环 隙后，出合成塔，然后进塔外换热器预热，再由合成塔的下部进入下换热器，移走第三绝热床反应热，气体升温后再进入层间换热器，后经中心管进入第一绝热床层进行绝热反应，出第一绝热层后经冷激器降温，再入第二绝热床进行合成反应，气体氨净值升高，出第二绝热床气体进入层间换热器，移走热量，使冷气升温，热气体降温后进入第三绝热床进行合成反应，气体氨含量增加到 %，再经塔内下换热器将热量移走，后进入沸热锅炉。 换热产生蒸汽后进入塔外换热器，蒸汽本身温度降至 112℃ 左右进水冷器被冷却产生部分液氨，温度降至 35℃ ，混合气液进氨分 离器，分离液氨，分离的液氨去液氨罐贮存，出氨分离器的气体则部分放空，放空气去氢回收装置，放空后的循环气经冷交换器降温至 17℃ 与新鲜气混合，继续下一循环。 工艺流程方框简图 图 合成系统流程简图 7 设备简述 合成氨过程是一个相当复杂的过程，根据上面流程图，用到的设备很多，其中主要的设备为合成塔，辅助设备有氨冷器，氨分离器，冷交换器，水冷器等。 氨合成塔 氨合成塔是合成氨工段的核心设备，合成塔内部的主要设备是合成塔内件，其按结构形式可分为：冷管型内件、冷激型内件、段间热型内件及 混合型内件等；按内件气体流向可分为：轴向型内件、径向型内件和轴径向混合型内件等。 本设计很据实际情况，采用绝热冷激间冷式内件。 大致结构为第一绝热床 +冷激器 +第二绝热床 +层间换热器 +第三绝热床+下换热器，层间换热器与下换热器串联，绝热床层中装填催化剂。 热交换器与废热锅炉 合成氨反应为一放热反应，在工业生产中考虑到节能及降低成本，广泛采用热交换器，达到热量的有效利用。 热交换器的使用把合成反应中生成的热量交换出来，用来预热原料气，提高入塔气的温度，降低了合成塔的热负荷。 废热锅炉的作用相当于一个换热器， 对出塔的热气进行冷却，副产蒸汽，进入蒸汽管网，可以用生产过程中的其他工段，实现了对热量的充分利用。 冷交换器 冷交换器分为上下两部分，上部换热器为列管换热器，下部为氨分离器，将热气体在进入氨冷器前用冷气体进行冷却换热，以回收冷气体的冷冻量，使进入氨冷器的热气体预冷却，从而节省冷冻量，同时分离经氨冷后含氨混和气中的液氨。 氨冷器 氨冷器使用生产出的液氨为冷源，把循环气中的氨冷却为液体，并进行分离，以保证合成塔入口氨含量在规定的范围。 本设计中采取两台氨冷器串联，降低了冷却负荷，提高了分离效率。 8 第三章 工艺设计计算 设计要求 年工作日： 330 天；产量 ；合成塔操作压力： 32MPa（绝压）；合成塔进气（摩尔百分数）： NH3 ， CH4+Ar 15。 水冷器出口温度： 35℃ ；精炼气温度： 35℃ ；精炼气组成： H2 ， N2 , CH4 ， Ar。 工艺流程图 1—新鲜气 13—放空气 20—驰放气 图 工艺流程图 物料计算 合成塔入口气体组分 入塔氨含量： 3,5NHy =% 入塔甲烷含量： 4,5CHy =15%247。 （ +） 100%=% 入塔氩含量： Ary,5 =15%247。 （ +） 100%=% 9 入塔氢含量： 2,5Hy =[100(++]100%=% 入塔氮气含量： 2,5Ny =[100(++)]100%=% 表 入塔气体组分含量（ %） NH3 CH4 Ar H2 N2 总计 100 注：表 中的组分含量均为摩尔含量 合成塔出口气体组分 以 1000kmol 入塔气作为基准求出出塔气体组分，由以下式计算塔内生成氨含量： 53 MMNH 333,8,5,81NHNHNH y yy   =1000（ ） 247。 （ 1+） = 出塔气量： M8=入塔气量 生成氨含量 ==。