年产4万吨合成氨合成工段的工艺设计毕业设计(编辑修改稿)

年产4万吨合成氨合成工段的工艺设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

利建设和农产品深加工 ,将在加速农村经济发展 ,提高农民生活水平 ,缩小城乡差距起着重要用。 中国合成氨工业的发展概况 中国合成氨生产是在 20世纪 30年代开始的，最早以焦炭为原料生产合成氨，但当时仅在南京、大连两地建有氨厂，最高年产量不超过 50kt（ 1941 年）。 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。 到 20 世纪 50 年代，我国氮肥事业不断发展壮大，并且开始 了以天然气为原料的合成氨技术，由于天然气具有投资少、能耗低、环境污染少等优点。 到 20 世纪 60 年代国内外都以天然气、重油等代替焦炭、煤为原料生产合成氨。 目前，我国合成氨产量已越居世界第一位，并且掌握了以焦炭、无烟煤、焦炉气、天然气及烃类为原料生产合成氨、尿素的技术，形成了特有的煤、石油、天然气并存和大、中、小生产规模并存的生产格局。 目前，合成氨总生产能力为 4500 万 t/a，氮肥已基本满足国内需求。 今后发展的重点是调整原料和产品的结构，经一步改善经济型。 国外合成氨情况与中国有很大的不同，从原料上看，目前主要生产 氨的国家中，中国、美国、英国、法国、荷兰等几乎全部采用天然气，德国和日本液态烃占相当比重。 目前我国已投产的大型合成氨装置有 34 套，设计总能力为 1000 万 t/a，中小型合成氨装置 55 套，设计总生产能力 500 万 t/a。 根据合成氨技术情况的分析，估计未来合成氨基本生产原理不会出现原则性的改变，技术发展继续围绕：降低生产成本，提高运行周期，改善经济型为基本目标，进一步集中在 “大型化、低能耗、结构调整、清洁生产、长周期运行 ”等方面进行技术的研究开发。 合成氨主要原料为天然气、石油、煤等。 我国天然气资源十分丰 富，除最近勘探的新疆塔里木盆地有大量的天然气可以通过长距离管线东输外，对海南莺歌宁夏理工学院毕业设计 4 海域蕴藏的天然已在本世纪初建一套引进的年产 450kt 合成氨装置，这是我国目前规模最大的一套合成氨装置。 合成氨的原料选择 工业生产合成氨的主要原料有天然气、重油和煤（或焦炭）等。 天然气先经脱硫，然后通过二次转化，再分别经过一氧化碳变换、二氧化碳脱除等工序，得到的氮氢混合气，其中尚含有一氧化碳和二氧化碳约 %～ %（体积），经甲烷化作用除去后，制得氢氮摩尔比为 3 的纯净气，经压缩机压缩而进入氨 合成回路，制得产品氨。 如图。 （焦炭、无烟煤）制氨。 20 世纪 50 年代以前，世界上大多数合成氨厂采用哈伯 博施法流程。 但是原料消耗比理论能耗高 4 倍多。 随着石油化工和天然气化工的发展，以煤（或焦炭、无烟煤）为原料制取氨的方式在世界上已很少采用。 以重油为原料的流程，采用部分氧化法造气。 重油包括各种深度加工所得的渣油，可用部分氧化法制得合成氨原料气，生产过程比天然气蒸汽转化法简单，但需要有空气分离装置，空气分离装置成本较高。 空气分离装置制得的氧用于重油气化，氮作为氨合成原料外，液态氮 还用作脱除一氧化碳、甲烷及氩的洗涤剂。 本设计是以天然气为原料的合成氨工艺合成工段设计。 宁夏理工学院毕业设计 5 图 以天然气为原料的制氨流程 以天然气为原料合成氨典型工艺流程 将天然气原料制成含氢和氮的粗原料气。 天然气 压 缩 压 缩 甲烷化 脱 碳 高温变换 低温变换 合 成 一段转化 二段转化 脱 硫 压 缩 蒸汽 空气 氨 二氧化碳 宁夏理工学院毕业设计 6 对粗原料气进行净化处理，除去氢气和氮气以外的杂质，主要包括变换过程、脱硫脱碳过程以及气体精制过程。 ① 一氧化碳变换过程 在合成氨生产中 ，各种方法制取的原料气都含有 CO，其体积分数一般为12%～ 40%。 合成氨需要的两种组分是 H2 和 N2，因此需要除去合成气中的 CO。 变换反应如下： CO+H2O→H 2+CO2 ΔH = 由于 CO 变换过程是强放热过程，必须分段进行以利于回收反应热，并控制变换段出口残余 CO 含量。 第一步是高温变换，使大部分 CO 转变为 CO2 和 H2；第二步是低温变换，将 CO 含量降至 %左右。 因此， CO 变换反应既是原料气制造的继续，又是净化的过程，为后续脱碳过程创造条件。 ② 脱硫脱碳过 程 以天然气为原料制取的粗原料气，含有一些硫和碳的氧化物，为了防止合成氨生产过程催化剂的中毒，必须在氨合成工序前加以脱除，以天然气为原料的蒸汽转化法，第一道工序是脱硫，用以保护转化催化剂。 工业脱硫方法种类很多，通常是采用物理或化学吸收的方法，常用的有低温甲醇洗法、聚乙二醇二甲醚法等。 粗原料气经 CO 变换以后，变换气中除 H2 外，还有 CO CO 和 CH4 等组分，其中以 CO2 含量最多。 CO2 既是氨合成催化剂的毒物，又是制造尿素、碳酸氢铵等氮肥的重要原料。 因此变换气中 CO2 的脱除必须兼顾这两方面的要求。 一般采用溶液吸收法脱除 CO2。 根据吸收剂性能的不同，可分为两大类。 一类是物理吸收法，如低温甲醇洗法，聚乙二醇二甲醚法，碳酸丙烯酯法。 一类是化学吸收发，如热钾碱法，低热耗本菲尔法，活化 MDEA 法， MEA 法等。 ③ 气体精制过程 经 CO 变换和 CO2 脱除后的原料气中尚含有少量残余的 CO 和 CO2。 为了防止对氨合成催化剂的毒害，规定 CO 和 CO2 总含量不得大于 10cm3/m3（体积分数）。 因此，原料气在进入合成工序前，必须进行原料气的最终净化，即精制过程。 [2] 目前在工业生产中，最终净化方法分 为深冷分离法和甲烷化法。 深冷分离法宁夏理工学院毕业设计 7 主要是液氮洗法，是在深度冷冻（ 100℃ ）条件下用液氮吸收分离少量 CO，而且也能脱除甲烷和大部分氩，这样可以获得只含有惰性气体 100cm3/m3 以下的氢氮混合气，深冷净化法通常与空分以及低温甲醇洗结合。 甲烷化法是在催化剂存在下使少量 CO、 CO2 与 H2 反应生成 CH4 和 H2O 的一种净化工艺，要求入口原料气中碳的氧化物含量（体积分数）一般应小于 %。 甲烷化法可以将气体中碳的氧化物（ CO+CO2）含量脱除到 10cm3/m3 以下，但是需要消耗有效成分 H2，并且增加了惰性气体 CH4 的含量 [3]。 甲烷化反应如下： CO+3H2→CH 4+H2O ΔH= CO2+4H2→CH 4+2H2O ΔH= 将纯净的氢、氮混合气压缩到高压，在催化剂的作用下合成氨。 氨的合成是提供液氨产品的工序，是整个合成氨生产过程的核心部分。 氨合成反应在较高压力和催化剂存在的条件下进行，由于反应后气体中氨含量不高，一般只有 10%～ 20%，故采用未反应氢氮气循环的流程。 氨合成反应式如下： N2+3H2→2N H3(g) ΔH= 工艺条件的确定 ：压力对变换反应的平衡几乎没有影响。 但是提高压力将使析炭和生成甲烷等副反应易于进行。 单就平衡而言，加压并无好处。 但从动力学角度，加压可提高反应速率。 从能量消耗上看，加压也是有利。 由于干原料气摩尔数小于干变换气的摩尔数，所以，先压缩原料气后再进行变换的能耗，比常压变换再进行压缩的能耗底。 具体操作压力的数值，应根据中小型氨厂的特点，特别是工艺蒸汽的压力及压缩机投各段压力的合理配置而定。 一般小型氨厂操作压力为,中型氨厂为。 本设计的原料气由小型合成氨厂天然气蒸汽转化而来，故压力可取 . ： 变化反应是可逆放热反应。 从反应动力学的角度来看，温度升高，反应速率常数增大对反应速率有利，但平衡常数随温度的升高而变小，即 CO平衡含量增大，反应推动力变小，对反应速率不利，可见温度对两者的影响是相反的。 因而存在着最佳反应温对一定催化剂及气相组成，从动力学角度推导的计算式为 宁夏理工学院毕业设计 8 Tm=1212ln1 EEEE RTTee 式中 Tm、 Te—分别为最佳反应温度及平衡温度，最佳反应温度随系统 组成和催化剂的不同而变化。 ： 水蒸汽比例一般指 H2O/CO 比值或水蒸汽 /干原料气。 改变水蒸汽比例是工业变换反应中最主要的调节手段。 增加水蒸汽用量，提高了 CO 的平衡变换率，从而有利于降低 CO 残余含量，加速变换反应的进行。 由于过量水蒸汽的存在，保证催化剂中活性组分 Fe3O4 的稳定而不被还原，并使析炭及生成甲烷等副反应不易发生。 但是，水蒸气用量是变换过程中最主要消耗指标，尽量减少其用量对过程的经济性具有重要的意义，蒸汽比例如果过高，将造成催化剂床层阻力增加； CO 停留时间缩短，余热回收设备附和加重等，所以 ，中（高）变换时适宜的水蒸气比例一般为： H2O/CO=3～ 5，经反应后，中变气中 H2O/CO 可达 15以上，不必再添加蒸汽即可满足低温变换的要求 [4]。 工厂的选址 本设计合成氨厂选址为位于宁夏回族自治区灵武市境内的宁东能源重化工基地。 该化工基地有着得天独厚的优势： （ 1）资源优势 基地位于黄河东畔荒山丘陵地带，地形平缓，地势开阔，有成片的发展用地，为工业建设提供了广阔的土地资源 ，中心区距黄河仅 35 公里左右， 20xx 年底开工建设的宁东供水工程，预计 20xx 年 5 月建成通水，总供水量为 15970 万立方米，能为基地提供充足的水源保障。 临近陕甘宁天然气田，此气田是我国迄今探明的世界级特大型整装气田，探明控制储量达 7000 多亿立方米，生产原料可以就进使用，大大降低了生产成本。 （ 2） 交通优势 四通八达的道路交通是基地的一大突出优势，银川 青岛高速公路及 307 国道横贯基地；大古铁路连接包兰、宝中铁路与京包、陇海线连通可辐射全国；银川河东机场距基地中心区仅 30 公里，每日航班达 50 余次，通往北京、上海、广州、西安、太原、济南、青岛、兰州等重要城市。 （ 3）电力优势 宁夏目前无拉闸限电之虞， 20xx 年宁夏电网统调装机容量达到 366 万千瓦，而且基地规划建设的八大电厂将形成千万千瓦级的火电基地，宁夏理工学院毕业设计 9 这些都将为基地提供充足的电力供应。 （ 4）政策优势 随着西部大开发战略的深入推进，国家实施重点支持西部大开发的政策措施，以及自治区、银川市全面改善投资环境的重大举措，为基地建设提供了强有力的政策支持。 宁夏理工学院毕业设计 10 第二部分 工艺计算 原始条件 （ 1）年产量 4 104t，年生产时间扣除检修时间后按 360 天计，则产量为：[5] . （ 2）新鲜补充气组成 组分 H2 N2 CH4 Ar 总计 含量（ %） 24 1. 2 100 表 21 新鲜补充气组成 （ 3）合成塔入口中氨含量： NH3 入 =% （ 4）合成塔出口中氨含量： NH3 出 =% （ 5）合成塔入口惰性气体含量： CH4 +Ar=17% （ 6）合成塔操作压力： 32MPa （ 7）精练气温度： 35℃ .——精炼气 .——合成气； 13——放空气 20——弛放气 ——液氨 图 21 计算物料点流程 宁夏理工学院毕业设计 11 物料衡算 合成塔物料衡算 （ 1）合成塔入口气组分： 入塔氨含量 : y5NH3=％。 入塔甲烷含量： y5CH4=％ （ +） 100％ =％； 入塔氢含量： y5H2=［ 100（ +17）］ 3/4100％ =％； 入塔氩含量： y5Ar=17％ ％ =％； 入塔氮含量： y5N2=［ 100（ +17）］ 1/4100％ =％ NH3 CH4 Ar H2 N2 小计 100 表 22 入塔气组分含量（％） （ 2）合成塔出口气组分： 以 1000kmol入塔气作为基准求出塔气组分， 由下式计算塔内生成氨含量 ： MNH3=M5(y8NH3y5NH3)/(1+y8NH3)=1000( )/(1+)= 出塔气量 : M8=入塔气量 —生成氨含量 == 出塔氨含量： y8NH3=％ 出塔甲烷含量： y8CH4=(M5/M8)y5CH4=(1000/)％ =％ 出塔氨含量 ： y8Ar=(M5/M8)y 5Ar=1000/％ =％ 出塔氢含量 ： y8H2=3/4(1y8NH3y8CH4y8Ar)100％ =3/4()100％ =％ 出塔氮含量 ： y8N2=1/4()100％ =％ NH3 CH4 Ar H2 N2 小计 100 表 23。