年产30万吨合成氨工艺设计

年产30万吨合成氨工艺设计内容摘要：

年产30万吨合成氨工艺设计 毕业设计 题 目 名 称： 年产 30 万吨合成氨 转变工序设计 系 别： 化 学 工 程 系 专 业： 应 用 化 学 班 级： 06101 学 生： 学 号： 指导教师（职称）： （教授） 业设计 国 民 经 济 中 占 有 重 要 地 位。 合成氨生产经过多年的发展，现已发展成为一种成熟的化工生产工艺。 本设计是以天然气为原料年产三十万吨合成氨转变工序的设计。 近年来合成氨工业发展很快，大型化、低能耗、清洁生产均是合成氨设备发展的主流，技术改进主要方向是开发性能更好的催化剂、降低氨合成压力、开发新的原料气净化方法、降低燃料消耗、回收和合理利用低位热能等方面上。 设计采用的工艺流程简介：天然气经过脱硫压缩进入一段转化炉，把 烃类转化成 经过二段炉进一步转化后换热进入高变炉，在催化剂作用下大部分 水蒸气反应获 经过低变炉使 到合格水平，去甲烷化工序。 本设计综述部分主要阐述了国内外合成氨工业的现状及发展趋势以及工艺流程、参数的确定和选择，论述了建厂的选址；介绍了氨变换工序的各种流程并确定本设计高艺计算部分主要包括转化段和变换段的物料衡算、热量衡算、平衡温距及空速计算。 设备计算部分主要是高变炉催化剂用量的具体计算，并根据设计任务做了转化和变换工序带控制点的工艺流程图。 本设计的优点在于选择较为良好的厂址和原料路线，确定良好的工艺条件、合理的催化剂和能源综合利用。 另外，就是尽量减少设备投资费用。 关键字：合成氨；天然气；转化；变换；业设计is of an in of a is on 00,000 of as of In of of is to of of in a of of to to an of to of of s of of of of of of of is a of to to do of is to a to In in to 业设计业设计.述 . 的性质、用途及重要性 . 的性质 . 的用途及在国民生产中的作用 . 成氨生产技术的发展 . 界合成氨技术的发展 . 国合成氨工业的发展概况 . 成氨转变工序的工艺原理 . 成氨的典型工艺流程介绍 . 成氨转化工序的工艺原理 . 成氨变换工序的工艺原理 . 计方案的确定 . 料的选择 . 艺流程的选择 . 艺参数的确定 .0 厂的选址 .1 计工艺计算 .3 化段物料衡算 .3 段转化炉的物料衡算 .4 段转化炉的物料衡算 .7 化段热量衡算 .0 段炉辐射段热量衡算 .0 段炉的热量衡算 .7 热器 10102热量衡算 .8 换段的衡算 .0 温变换炉的衡算 .0 温变换炉的衡算 .2 热器 103换热器 104热负荷计算 .5 热器 103负荷 .5 热器 104负荷 .5 备工艺计算 .6 .0 .1 .2 业设计- 1 的性质、的性质氨 分 子 式 为 在 标 准 状 态 下 是 无 色 气 体 ， 比 空 气 轻 ， 具 有 特 殊 的 刺 激 性 臭 味。 人 们 在 大 于 100 环 境 中 ， 每 天 接 触 8 小 时 会 引 起 慢 性 中 毒。 氨 的 主 要 物 理 性 质 有 ： 极 易 溶 于 水 ， 溶 解 时 放 出 大 量 的 热。 氨 水 溶 液 呈 碱 性 ， 易挥 发。 液 氨 和 干 燥 的 氨 气 对 大 部 分 物 质 没 有 腐 蚀 性 ， 但 在 有 水 的 条 件 下 ， 对 铜 、 银 、锌 等 金 属 有 腐 蚀 作 用。 氨 的 化 学 性 质 有 ： 在 常 温 下 相 当 稳 定 ， 在 高 温 、 电 火 花 或 紫 外 光 的 作 用 下 可 分 解为 氮 和 氢。 具 有 可 燃 性 ， 自 然 点 为 630 ， 一 般 较 难 点 燃。 氨 与 空 气 或 氧 的 混 合 物 在一 定 范 围 内 能 够 发 生 爆 炸。 氨 的 性 质 比 较 活 泼 ， 能 与 各 种 无 机 酸 反 应 生 成 盐。 的用途及在国民生产中的作用氨 是 重 要 的 无 机 化 工 产 品 之 一 ， 在 国 民 经 济 中 占 有 重 要 地 位。 合 成 氨 指 由 氮 和氢 在 高 温 高 压 和 催 化 剂 存 在 下 直 接 合 成 的 氨。 世 界 上 的 氨 除 少 量 从 焦 炉 气 中 回 收 外 ，绝 大 部 分 是 合 成 的 氨。 氨 主 要 用 于 农 业 ， 合 成 氨 是 我 化 肥 工 业 的 基 础 ， 氨 本 身 是 最 重要 的 氮 素 肥 料 ， 其 他 氮 素 肥 料 也 大 都 是 先 合 成 氨 ， 再 加 工 成 尿 素 或 各 种 铵 盐 肥 料 ， 这部 分 均 占 70%的 比 例 ， 称 之 为 “化 肥 氨 ”； 同 时 氨 也 是 重 要 的 无 机 化 学 和 有 机 化 学工 业 基 础 原 料 ， 用 于 生 产 铵 、 胺 、 染 料 、 炸 药 、 合 成 纤 维 、 合 成 树 脂 的 原 料 ， 这 部 分约 占 30%的 比 例 ， 称 之 为 “工 业 氨 ”。 氨 作 为 工 业 原 料 和 氨 化 饲 料 ， 用 量 约 占 世 界 产量 的 12。 硝 酸 、 各 种 含 氮 的 无 机 盐 及 有 机 中 间 体 、 磺 胺 药 、 聚 氨 酯 、 聚 酰 胺 纤 维 和丁 腈 橡 胶 等 都 需 直 接 以 氨 为 原 料 生 产。 液 氨 常 用 作 制 冷 剂。 合 成 氨 是 大 宗 化 工 产 品 之 一 ， 世 界 每 年 合 成 氨 产 量 已 达 到 1 亿 吨 以 上 ， 其 中 约有 80%的 氨 用 来 生 产 化 学 肥 料 ， 20%作 为 其 它 化 工 产 品 的 原 料。 氨 作 为 最 为 重 要 的 基础 化 工 产 品 之 一 ， 同 时 也 是 能 源 消 耗 的 大 户 ， 世 界 上 大 约 有 10%的 能 源 用 于 合 成 氨。 随 着 世 界 人 口 的 不 断 增 加 ， 用 于 制 造 尿 素 、 硝 酸 铵 、 磷 酸 铵 、 硫 酸 铵 以 及 其 它 化工 产 品 的 氨 用 量 也 在 增 长。 据 统 计 1994 年 世 界 氨 产 量 为 其 中 中 国 、 美 国 、印 度 、 俄 罗 斯 四 个 主 要 产 氨 国 占 了 一 半 以 上。 在 化 学 工 业 中 合 成 氨 工 业 已 经 成 为 重 要的 支 柱 产 业 1。 业设计- 2 界合成氨技术的发展(一 ) 原 料 构 成 的 变 化为 了 合 成 氨 ， 首 先 必 须 提 供 氮 和 氢。 氮 来 自 空 气 ， 氢 来 自 水。 气 和 水 到 处 都 有 ，而 且 取 之 不 尽。 传 统 的 制 氮 方 法 是 在 低 温 下 将 空 气 液 化 、 分 离 ， 以 及 水 电 解 制 氢。 由于 电 解 制 氢 法 ， 电 能 消 耗 大 ， 成 本 高。 传 统 方 法 还 是 采 用 高 温 下 将 各 种 燃 料 和 水 蒸 气反 应 制 造 氢。 因 此 合 成 氨 生 产 的 初 始 原 料 是 焦 炭 、 煤 、 焦 炉 气 、 天 然 气 、 石 脑 油 、 重油 等 ， 60 多 年 来 世 界 合 成 氨 原 料 的 构 成 变 化 见 下 表 1 界 合 成 氨 原 料 构 成 （ %）原 料 192919391953196519711975198019851990焦 炭 、 煤 气 气 - 油 - - - - - - 19 18 15 16 100100100100100100100100100由 表 1 知 ， 合 成 氨 的 原 料 构 成 是 从 以 固 体 燃 料 为 主 转 移 到 以 气 体 燃 料 和 液 体原 料 为 主。 自 从 北 美 大 量 开 发 天 然 气 资 源 成 功 之 后 ， 20 世 纪 50 年 代 开 始 采 用 天 然 气 制 氨。 因 为 天 然 气 便 于 管 道 运 输 ， 用 作 合 成 氨 的 原 料 具 有 投 资 省 、 能 耗 低 等 明 显 优 点。 到20 世 纪 60 年 代 末 ， 国 外 主 要 产 氨 国 都 已业设计- 3 停 止 用 焦 炭 、 煤 为 原 料 ， 而 以 天 然 气 、 重 油 等 为 原 料 ， 天 然 气 所 占 比 重 不 断 上 升。 一 些 没 有 天 然 气 资 源 的 国 家 ， 如 日 本 、 英 国 在 解 决 了 石 脑 油 蒸 汽 转 化 过 程 的 析 碳 问 题后 ， 1962 年 开 发 成 功 石 脑 油 为 原 料 生 产 合 成 氨 的 方 法。 石 脑 油 经 脱 碳 、 气 化 后 ， 可采 用 和 天 然 气 为 原 料 的 相 同 生 产 装 置 制 氨。 但 石 脑 油 价 格 比 天 然 气 高 ， 而 且 又 是 石 油化 工 的 重 要 原 料 ， 用 于 制 氨 受 到 一 定 限 制。 为 了 扩 大 原 料 范 围 ， 又 开 发 了 用 重 油 部 分氧 化 法 制 氢。 从 此 比 石 脑 油 价 廉 、 来 源 广 泛 的 重 油 和 减 压 渣 油 开 始 作 为 合 成 氨 的 另 一种 原 料。 表 1 各 种 原 料 的 日 产 成 氨 厂 ， 相 对 投 资 和 能 量 消 耗 比 较。 由 表 可见 ， 虽 然 各 国 资 源 不 同 ， 但 选 用 原 料 的 基 本 方 向 相 同。 只 要 资 源 条 件 具 备 作 为 合 成 氨的 原 料。 首 先 应 考 虑 天 然 气 和 油 田 气 ， 其 次 采 用 石 脑 油。 表 厂 采 用 的 各 种 原 料 的 相 对 投 资 和 能 量 消 耗原 料 天 然 气 重 油 煤相 对 投 资 费 用 消 耗 /(GJ/t) 28 38 48特 别 是 以 天 然 气 为 原 料 的 合 成 氨 工 业 占 了 很 大 的 比 重 ， 本 设 计 就 是 以 天 然 气 为 原料 合 成 氨 ， 主 要 是 转 化 工 段 的 设 计。 (二) 生产规模大型化20 世 纪 50 年 代 以 前 ， 氨 合 成 塔 的 最 大 能 力 为 日 产 200t 氨 ， 到 60 年 代 初 期 为400t。 随 着 蒸 汽 透 平 驱 动 的 高 压 离 心 式 压 缩 机 研 制 成 功 ， 美 国 凯 洛 格 公 司 运 用 建 设 单系 列 大 型 炼 油 厂 的 经 验 ， 首 先 运 用 工 艺 过 程 的 余 热 副 产 高 压 蒸 汽 作 为 动 力 ， 于 1963年 和 1966 年 相 继 建 成 日 产 氨 厂 ， 实 现 了 单 系 列 合 成 氨 装 置 的大 型 化 ， 这 是 合 成 氨 工 业 发 展 史 上 第 一 次 突 破。 大 型 化 的 优 点 是 投 资 费 用 低 ， 能 量 利用 率 高 ， 占 地 少 ， 劳 动 生 产 率 高。 从 20 世 纪 60 年 代 中 期 开 始 ， 新 建 氨 厂 大 都 采 用 单系 列 的 大 型 装 置。 但 是 ， 大 型 的 单 系 列 合 成 氨 装 置 要 求 能 够 长 周 期 运 行 ， 对 机 器 和 设备 质 量 要 求 很 高 ， 而 且 在 超 过 一 定 规 模 以 后 ， 优 越 性 并 不 十 分 明 显 了。 因 此 大 型 氨 厂通 常 是 指 日 产 600t 级 ， 日 产 1000t 级 和 日 产 1500t 级 的 三 种。 现 在 世 界 上 规 模 最 大的 合 成 氨 装 置 为 日 产 1800t 氨 ， 1991 年 在 比 利 时 的 安 特 卫 普 建 成 投 产。 (三) 低能耗新工艺合 成 氨 ， 除 原 料 为 天 然 气 、 石 油 、 煤 炭 等 一 次 能 源 外。 整 个 生 产 过 程 还 需 消 耗 较多 的 电 力 、 蒸 汽 等 二 次 能 源 ， 而 用 量 又 很 大。 现 在 合 成 氨 能 耗 占 世 界 能 源 消 费 总 量 的 3%，业设计- 4 合 成 氨 生 产 能 耗 约 占 全 国 能 耗 的 4%。 由 于 吨 氨 生 产 成 本 中 能 源 费 用 占 70%以 上 ，因 此 能 耗 是 衡 量 合 成 氨 技 术 和 经 济 效 益 的 重 要 标 志。 以 天 然 气 为 原 料 的 日 产 1000t 合 成 氨 装 置 吨 氨 能 耗 目 前 已 从 20 世 纪 70 年 代 降 到 右 ， 而 且 以 天 然 气 为 原 料 的 大 型 氨 厂 的 所 需 动 力 约 有 85%可 由 余 热 供 给 3。 (四) 生产自动化合 成 氨 生 产 特 点 之 一 是 工 序 多 、 连 续 性 强。 20 世 纪 60 年 代 以 前 的 过 程 控 制 多 采取 分 散 方 式 ， 在 独 立 的 几 个 车 间 控 制 室 中 进 行。 自 从 出 现 单 系 列 装 置 的 大 型 氨 厂 ， 除泵 类 有 备 用 外 ， 其 它 设 备 和 机 器 都 是 一 台。 因 此 ， 某 一 环 节 的 失 调 就 会 影 响 生 产 ， 为了 保 证 长 周 期 的 安 全 生 产 ， 对 过 程 控 制 提 出 更 高 的 要 求 ， 从 而 发 展 到 把 全 流 程 的 温 度 、压 力 、 流 量 、 物 位 和 成 分 五 大 参 数 的 模 拟 仪 表 、 报 警 、 连 锁 系 统 全 部 集 中 在 中 央 控 制室 显 示 和 监 视 控 制。 自 从 20 世 纪 70 年 代 计 算 机 技 术 应 用 到 合 成 氨 生 产 以 后 ， 操 作 控 制 上 产 生 了 飞 跃。 1975 年 美 国 霍 尼 威 尔 公 司 开 发 成 功 体 分 散 控 制 系 统 （ ， 简 称 集 散 控 制 系 统 （。 现 代 计 算 机 技 术 、 控 制 技 术 、 数 据 通 讯 技 术 和 荧 光 显 示 技 术 （ 相 结合 的 产 物。 在 作 平 台 上 可 以 存 取 、 显 示 多 种 数 据 和 画 面 ， 包 括 带 控 制 点 的 流 程 ，全 部 过 程 变 量 、 控 制 过 程 变 量 ， 以 及 其 参 数 的 动 态 数 值 和 趋 势 图 ， 从 而 实 现 集 中 监 视和 集 中 操 作。 操 作 人 员 对 于 人 一 控 制 点 、 控 制 单 元 、 生 产 设 备 、 车 间 以 及 全 厂 的 运 作情 况 进 行 随 机 或 定 势 的 观 察 ， 只 要 通 过 键 操 作 调 出 相 应 的 画 面 ， 即 可 把 所 需 内 容 显 示在 ， 以 便 监 视 、 控 制 和 修 改 某 些 参 数。 需 要 的 数 据 、 流 程 都 可 随 机 或 定 时 在 打印 机 上 打 印 和 彩 色 硬 拷 贝 机 上 拷 贝。 与 此 同 时 ， 报 警 、 连 锁 系 统 ， 程 序 控 制 系 统 ， 采用 了 微 机 技 术 的 可 编 程 序 逻 辑 控 制 器 （ 代 替 过 去 的 继 电 器 ， 采 用 由 用 户 编 写 的程 序 ， 实 现 自 动 或 手 动 的 “开 ”或 “停 ”和 复 杂 程 序 不 同 的 各 种 逻 辑 控 制 ， 计 时 、 计数 、 模 拟 控 制 等。 近 年 由 于 机 电 一 体 化 需 要 逻 辑 控 制 和 模 拟 控 制 计 时 、 计 数 、 运 算 等功 能 相 结 合 ， 各 仪 表 厂 家 的 产 品 已 从 单 一 的 逻 辑 控 制 ， 趋 向 多 种 控 制 功 能 结 合 为 一 体。 因 此 ， 用 “可 编 程 序 控 制 器 ”（ 这 一 名 称 较 为 确 切。 此 外 ， 若 配 置 有 高 一 级 管 理 、 控 制 功 能 的 上 位 机 系 统 ， 还 能 进 行 全 厂 综 合 优 化 控制 和 管 理 ， 这 种 新 颖 的 过 程 控 制 系 统 不 仅 可 以 取 代 常 规 模 拟 仪 表 ， 而 且 还 可 以 完 成 局部 优 化 控 制 以 及 模 拟 仪 表 难 以 实 现 的 复 杂 自 控 系 统。 若 能 用 仿 真 技 术 进 行 操 作 人 员 的业设计- 5 培 训 只 需 在 一 台 高 性 能 的 计 算 机 上 配 合 相 应 的 软 件 以 代 替 实 际 生 产 装 置 的 控 制 、运 作 设 备 ， 这 样 就 可 以 在 较 短 的 时 间 内 学 习 开 停 车 、 正 常 操 作 和 事 故 状 态 操 作。 这 些都 表 示 氨 生 产 技 术 自 动 化 进 入 新 的 阶 段 ， 改 变 了 几 十 年 合 成 氨 生 产 控 制 的 面 貌。 国合成氨工业的发展概况中 国 合 成 氨 生 产 是 从 20 世 纪 30 年 代 开 始 的 ， 但 当 时 仅 在 南 京 、 大 连 两 地 建 有 氨厂 ， 一 个 是 由 著 名 爱 国 实 业 家 范 旭 东 先 生 创 办 的 南 京 永 利 化 学 工 业 公 司 铔 厂 永利 宁 厂 ， 现 南 京 化 学 工 业 公 司 的 前 身 ； 另 一 个 是 日 本 占 领 东 北 后 在 大 连 开 办 的 满 洲 化学 工 业 株 式 会 社 ， 最 高 年 产 量 不 超 过 501941 年 ）。 此 外 在 上 海 还 有 一 个 电 解 水制 氢 生 产 合 成 氨 、 硝 酸 的 小 型 车 间。 中 华 人 民 共 和 国 成 立 以 来 ， 化 工 部 门 贯 彻 为 农 业 服 务 的 方 针 ， 把 发 展 化 肥 生 产 放在 首 位。 经 过 50 多 年 的 努 力 ， 中 国 已 拥 有 多 种 原 料 、 不 同 流 程 的 大 、 中 、 小 型 合 成氨 厂 1000 多 个 ， 1999 年 总 产 量 为 ， 已 跃 居 世 界 第 1 位 ， 已 掌 握 了 以 焦炭 、 无 烟 煤 、 褐 煤 、 焦 炉 气 、 天 然 气 及 油 田 气 和 液 态 烃 等 气 固 液 多 种 原 料 生 产 合 成 氨的 技 术 ， 形 成 中 国 大 陆 特 有 的 煤 、 石 油 、 天 然 气 原 料 并 存 和 大 、 中 、 小 生 产 规 模 并 存的 合 成 氨 生 产 格 局。 中 国 合 成 氨 工 业 的 发 展 经 历 了 以 下 几 个 阶 段。 第 一 、 恢 复 老 厂 和 新 建 中 型 氨 厂20 世 纪 50 年 代 初 ， 在 恢 复 和 扩 建 老 厂 的 同 时 ， 从 原 苏 联 引 进 以 煤 为 原 料 、 年 产50 三 套 合 成 氨 装 置 ， 并 创 建 了 吉 化 、 兰 州 、 太 原 三 大 化 工 基 地 ， 后 又 自 行 设 计 、制 造 了 吨 合 成 氨 系 统。