1、4.1.6氨分离器气液平衡计算184.1.7冷交换器气液平衡计算204.1.8液氨贮槽气液平衡计算214.1.9合成系统物料计算244.1.10合成塔物料计算254.1.11水冷器物料计算264.1.12氨分离器物料计算274.1.13冷交换器物料计算274.1.15氨冷器物料计算304.1.17液氨贮槽物料计算304.2 热量衡算304.2.1冷交换器热量计算304.2.2 氨冷凝器热量衡算334.2.3循环机热量计算334.2.4合成塔热量衡算354.2.5废热锅炉热量计算374.2.6热交换器热量计算384.2.7水冷器热量衡算39第五章 设备选型及设计计算405.1 合成塔催化剂层设计
2、405.2 废热锅炉设备工艺计算425.2.1计算条件425.2.2管内给热系数的计算425.2.3管外给热系数465.2.4传热总系数K465.2.5传热温差475.2.6传热面积47参考文献50致 谢51摘 要氢气和氮气合成氨反应的反应特点：是体积缩小的反应，反应需要在高温，有催化剂的条件下进行。 目前氨合成的方法，由于采用的压力，温度，催化剂种类的不同。一般分为低压法，中压法和高压法。本设计采用中压法，设计温度450，压力30Mpa。该方法的有点是从综合经济效果来看，设备投资费用和生产费用都比较低。本设计氢氮比为3:1，通过物料衡算，热量衡算确定合成塔，冷交换器，热交换器，水冷器，氨冷器
3、等相关设备的型号。关键词：合成氨；合成工段；压力；温度；组成ABSTRACT The reaction characteristics: hydrogen and nitrogen in ammonia is smaller reaction, reaction needs in high temperature, catalyst under the conditions of.The ammonia synthesis method, due to the pressure, temperature, type of catalyst. Generally divided into low
4、 pressure method, middle pressure method and pressure method. This design adopts the method of medium voltage, design temperature 450 , 30 mpa pressure. A little from the comprehensive economic effect of the method, equipment investment cost and production cost is low.The design of hydrogen nitrogen
5、 ratio of 3:1, through the material balance, heat balance to determine the synthesis tower, cold exchanger, heat exchanger, water cooler, ammonia cooler and other related equipment models. Key words: Ammonia; Synthesis section; Pressure; Temperature; composition第一章 总 论1.1 概述 氮元素是生物所需的大量元素之一，是组成蛋白质不可
6、缺少的成分。大气中存在有大量的氮，在空气中氮占78（体积分数）以上，但是它是以游离态存在的。通常状况下不能为生物直接吸收，只有将空气中的游离氮转化为化合物状态，才能被植物吸收，然后再转化成人和动物所需的营养物质。把大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，称为固氮。固氮的方法可分为三大类，自然界通过打雷放电固氮；有些植物能直接吸收游离态的氮气进行固氮；人工固氮。目前，人工固氮最常用的方法是合成氨，也就是由氢气和氮气在一定条件下反应生成氨，再通过进一步处理生成化学肥料或用于其它工业原材料。 在国民经济中，氨占有重要地位，特别是对农业生产有着重大意义。我国是农业大国氨的合成更为重要
7、，氨主要用来制作化肥。液氨可以直接用作肥料，它的加工产品有尿素、硝酸铵、氯化氨和碳酸氢氨以及磷酸铵、氮磷钾混合肥等。氨也是非常重要的工业原料，在化学纤维、塑料工业中，则以氨、硝酸和尿素作为氮元素的来源生产己内酰胺、尼龙-6、丙烯腈等单体和尿醛树脂等产品。由氨制成的硝酸，是各种炸药和基本原料，如三硝基申苯，硝化甘油以及其它各种炸药。硝酸铵既是优良的化肥，又是安全炸药，在矿山开发等基本建设中广泛应用。 氨在其他工业中的应用也非常广泛。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，氨及其加工产品都是不可缺少的。1.2 氨的性质1.2.1 氨的物理性质 氨在常温下是无色
8、有刺激性气味的气体，密度比空气小，有毒，能刺激人体感官粘膜，空气中含氨大于0.01时即会引起人体慢性中毒。 常压下气态氨需冷却到-33.35 （沸点）才能液化。液氨为无色液体，气化时吸收大量的热，常做制冷剂。1.2.2氨的化学性质 氨极易溶于水形成氨水，氨水呈碱性。氨与氧气在催化剂和一定温度的条件下反应是生产硝酸的主要反映之一，氨还能与酸或酸酐及某些盐反应生成络合物等。在化肥厂合成氨的后续工段中就是利用氨与酸酐二氧化碳反应生成氨基甲酸铵，氨基甲酸铵进一步脱水形成尿素。 氨与空气（或氧）的混合气,在一定浓度范围内能发生剧烈的氧化作用而爆炸。在常温常压下，氨与空气爆炸极限为15%28%（NH3）。
9、100，0.1 MPa下，爆炸极限为14.5%29.5%（NH3）。1.3 原料气来源 从压缩工段来的原料气主要是由氮气和氢气组成。氮气主要是从空气中提取。氢气可以以水和煤，水和甲烷，及重油为原料制取。在我国氢气是从半水煤气中提取的，以煤为原料，在一定的高温条件下通入空气、水蒸气或富氧空气-水蒸气混合气，经过一系列反应生成含有一氧化碳、二氧化碳、氢气、氮气、及甲烷等混合气体的过程。在气化过程中所使用的空气、水蒸气或富氧空气-水蒸气混合气等称为汽化剂。这种生成的混合气称为煤气。 煤气的成分取决于燃料和汽化剂的种类以及进行汽化的条件。根据所用汽化剂的不同，工业煤气可分为下列四种：空气煤气，水煤气，
10、混合煤气，半水煤气。 本设计采用半水煤气，半水煤气经过净化后得到纯净的氢气，再配制适量的氮气，成为合成氨的原料气，其中含有氮气、氢气、以及惰性气体甲烷和氩。1.4 文献综述 我国作为一个农业大国化肥的生产关系到国家的命脉，氨是合成化肥的重要原料，也是很多工业部门的基础性原料，所以合成氨的迅速发展促进了一系列科学技术和化学合成工业的发展。随着科学技术的发展，氨合成技术也在不断地得到完善。1.4.1 合成氨工业的发展 合成氨工业在20世纪初期形成，开始用氨作为火炸药工业的原料，为战争服务；第一次世界大战结束后,转向为农业、工业服务。随着科学技术的发展，对氨的需要量日益增长，近30年来合成氨工业发展
11、很快。目前，国内合成氨年生产能力30万吨以上的大型企业有26家，合成氨年生产能力10万吨以上的中型企业有100多家，其他还有800多家小氮肥厂也生产约占总量60%的合成氨。1.4.2我国合成氨工业的现状 我国合成氨工业存在一些特殊问题，一是氮肥资源紧张。国际上以天然气为原料的氮肥占85%。而我国氮肥原料以煤为主，天然气仅占20%，我国氮肥行业急需解决采用成熟的粉煤气化技术，以本地粉煤代替无烟块煤。建议针对不同企业采用不同的技术路线。内技术进行改造。同时，对于有廉价天然气资源的地区，鼓励采用天然气改造现有装置或建设天然气化肥基地。二是企业结构不合理，产业集中度低，技术水平不高。在氮肥行业，要推广
12、新型煤气化技术，包括粉煤气化、水煤浆气化技术等；新型净化技术，如低温变换、低温甲醇洗MDEA等净化技术；新型氨合成塔及大型低压合成的成套技术和装备。1.4.3合成氨工业的发展趋势 合成氨工业的发展趋势: 原料路线的变化方向。煤的储量约为石油、天然气总和的10倍，自从70年代中东石油涨价后,从煤制氨路线重新受到重视,但因以天然气为原料的合成氨装置投资低、能耗低、成本低的缘故,预计到20世纪末,世界大多数合成氨厂仍将以气体燃料为主要原料。节能和降耗。合成氨成本中能源费用占较大比重，合成氨生产的技术改进重点放在采用低能耗工艺、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剂、开发新的原料气净
13、化方法、降低燃料消耗、回收和合理利用低位热能等。与其他产品联合生产。合成氨生产中副产大量的二氧化碳，不仅可用于冷冻、饮料、灭火，也是生产尿素、纯碱、碳酸氢铵的原料。1.5 设计任务的项目来源 本课题是指导老师提高毕业生设计能力而选定的。希望通过此次课程设计让学生可以较好地把理论学习中的分散知识点和实际生产操作有机结合起来，得到较为合理的设计成果，达到课程设计训练的目的，提高学生分析和解决化工实际问题的能力。第二章 流程方案的确定2.1生产原理氨是氮和氢在适宜温度和压力，并有触媒的作用下发生反应的，其反应式为：氨合成的反应特点： 反应过程要在高压下进行，压力越高，越有利于氨的合成。 温度低时，反
14、应有利于向氨合成的方向进行，但反应速度较慢，提高温度不利于反应平衡，但可以加快反应速度，在实际操作中，温度的选择取决于触媒的活性。 必须借助触媒，以加快反应速度。 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。2.2各生产方法及特点合成氨的生产主要包括三个步骤：造气，净化，压缩和合成。 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。（1） 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450550
15、。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810，所以催化剂的生产能力比较低；同时由于压力低而必须将循环气降至-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。（2）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550650 。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2530，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
16、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。（3）中压法 操作压力为2035 MPa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。 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3035MPa。本设计采用中压法，操作压力为30MPa。2.3工艺条件的选择 合成氨的生产工艺条件必须满
17、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。（1）压力的选择 根据合成氨反应的特点，增加压力有利于提高原料的转化率。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。合成氨压力的选择是影响氨产量及经济效益的主要因素之一。提高压力有利于氨产量得提高，有利于液氨的分离，但是压力过大动力消耗增加。因此，综合总体考虑中压法合成氨压力一般在3035Mpa。本设计选择30Mpa。（2）适宜的反应温度的选择 合成氨反应是一个可逆放热反应，从平衡的角度考虑，温度越低越有利于平衡向右移动；从
18、反映速率和催化剂活度的角度考虑，温度越高反应速率越快，温度过高或过低都会影响催化剂活性。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810 。催化剂使用到末期，活性因衰老而减弱，应再适当提高温度。（3）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。 综合以上各方面的考虑，空间速度的增加是有限度的。目
19、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20003000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。2.4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。（1）氢氮比 当氢氮比为3:1时，对于
20、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2.82.9比较适宜。（2）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
21、，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0.5%1.0%之间，并控制循环气中惰性气体的体积分数在10%15%之间。（3）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
22、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2.5%3.5%之间。第三章 工艺流程简述3.1 合成工段工艺流程简述 由氮氢气压缩机送来的35的新鲜气，在油分离器中与循环机来的循环气混合，除去气体中的油、水及其杂质。混合气进冷交换
23、器上部换热管内，与冷交换器下部来的冷气体进行换热回收冷量，热气体被冷却至17，然后进入氨冷器。气体在管内流动，液氨在管外蒸发，由于氨大量蒸发吸收了混合气的热量，使管内气体进一步冷却至-10，出氨冷器后的气液混合物，在冷交换器的下部用氨分离器将液氨分离。 分氨后的循环气上升至上部换热器壳程被热气体加热至25后出冷交换器。然后气体分两股进入合成塔，一股主线经主阀由塔顶进入塔内环隙，另一股副线经副阀从倒塔底进入塔内中心管，以调节催化剂床层温度。入塔气氨含量为2.5%。反应换热后温度降为140160，氨含量13%的反应气体出合成塔进入水冷器，气体经水冷器冷却至常温，其中部分气氨被冷凝，液氨在氨分离器中
24、分出。 为降低惰性气体含量，保持循环系统中一定量的惰性气体，循环气岀氨分离器后部分放空，然后进循环机增压后送往油分离器，从而完成一个循环。 冷交换器和氨分离器内的液氨，经液位调节系统减压后送往液氨贮槽。该流程具有能如下一些特征：氨合成反应热未充分予以回收，用来副产蒸汽，或用来预热锅炉给水。流程简单，设备投资抵。放空气位置设在惰性气体含量最高，氨含量较低处以减少氨和原料气损失。循环机位于水冷器和氨冷器之间，适用于有油润滑往复式压缩机。新鲜气和循环气中油、水及杂质可通过氨冷器低温液氨洗涤后除去。3.2 工艺流程方框图图3-1合成氨工艺流程方框图合成塔水冷器热交换器废热锅炉油分离器冷交换器循环机新鲜
25、气放空液氨储槽氨冷器氨分离塔驰放气第四章 工艺计算4.1 物料衡算4.1.1设计要求1. 年产40万吨液氨,设计裕度及液氨损失均不计2. 精炼气组成（%）：如下表 表4-1-1精炼气组成（mol）组 成N2H2CH4Ar 小计mol24.1274.451.10.333. 合成塔入口氨含量（mol）： 合成塔出口氨含量（mol）： 合成塔入口惰性气体含量（mol）：4. 合成塔操作压力: 30MPa（绝压）5. 精炼气温度：356. 水冷器出口温度：7. 循环机进出口压差：2.5Mpa8. 年工作日：300天9. 产量：55.5556t NH3/h10. 计算基准：1000Nm3新鲜原料气4.1
26、.2计算物料点流程图34514212019172613 114.1.3合成塔入口气组分根据计算依据有入塔氨含量：入塔甲烷含量：入塔氩含量：入塔氢含量：入塔氮含量：表4-1-2 入塔气组分含量（%）NH3小计2.50013.63.460.375 20.1251004.1.4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：出塔气量： n=入塔气量-生产氨量=1000-121.68=878.32kmol出塔氨含量：出塔甲烷含量：出塔氢含量：出塔氮含量：表4-1-3 出塔气体组分含量（%）16.715.4843.871047.95915.9864.1.5合成率4
27、.1.6氨分离器气液平衡计算已知氨分离器入口混合物组分表4-1-4 氨分离器入口混合物组分0.1670.154840.038710.479590.15986查 ，各组分平衡常数：表4-1-5 平衡常数表0.0988.228.227.534.5设时，代入计算各组分溶解液量:分离液体量：分离气体量：计算气液比：结果合理从而可计算出液体中各组分含量：液体中氨含量：液体中氩含量：液体中甲烷含量：液体中氢含量：液体中氮含量：表4-1-6 氨分离器出口液体含量（%）95.3542.0620.1511.9230.510100.00分离气体组分含量：气体氨含量 气体甲烷含量 气体氩含量 气体氢含量 气体氮含量 表4-1-7 氨分离器出口气体含量（%）9.26916.7524.22252.30817.4484.1.7冷
