1、 四川理工学院毕业设计9 万吨/年合成氨合成工段工艺设计四川理工学院材料与化学工程学院四川理工学院毕业设计 摘要摘 要氨是最为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,合成氨是氮肥工业的基础。氨的合成主要有脱硫、转化、净化、合成几个工段。合成氨合成工段的设计，原料采用氮气和氢气，以合成塔为主要设备，在氨冷器、水冷器、气气交换器、循环机、分离器、冷凝塔等辅助设备的作用下制得液氨，工艺条件为： A201 为催化剂， 480，31Mpa。本设计进行了物料衡算，热量衡算，设备选型计算。关键词：合成 工艺参数 衡算 设备计算 -四川理工学院毕业设计 摘要ABSTRAmmonia
2、 is one of the most important basic chemical products in the world，Its output of various kinds of chemicals rank first in the world. Ammonia mainly used in agriculture and synthetic ammonia is the basis of nitrogen fertilizer industry. Ammonia synthesis is mainly from the four sections of desulphuri
3、zation, conversion, decontamination, and synthesis. With using nitrogen and hydrogen as materials and synthesis converter as main equipment, under the action of the auxiliary equipments of ammonia air conditioning, water-cooling device, gas to gas exchanger, circulator, separator, and condenser and
4、so on, in the end, the design of the ammonia synthesis section makes ammoniacalliquor, The process conditions are determined as following:A201 as catalyst, 480，31Mpa .The design is be designed to material balance, heat balance and calculation of Devices type.KEY WORDS: synthesis process parameter ba
5、lance calculation of Devices四川理工学院毕业设计 摘要-四川理工学院毕业设计 目录目 录第一部分 绪论 .11.1 氨的性质及其在化工生产中的地位 .11.2 合成氨的发展历程 .11.3 技术规格 .21.3.1 原材料技术规格 .21.3.2 产品技术规格 .21.3.3 危险性物料主要物性表 .31.4 合成原理 .31.5 工艺条件 .41.6 工艺流程 .41.6.1 工艺流程图 .41.6.2 流程简述 .51.6.3 工艺特点 .5第二部分 工艺设计计算 .72.1 计算依据 .72.2 物料衡算 .72.2.1 合成塔进入塔气气量计算 .72.2.2
6、 氨分离器气液平衡计算 .82.2.3 冷交换器气液平衡计算 .102.2.4 液氨储槽气液平衡计算 .112.2.5 液氨贮槽物料计算 .132.2.6 合成系统物料计算 .142.2.7 合成塔内物料计算 .162.2.8 水冷器物料计算 .162.2.9 氨分离器物料计算 .172.2.10 冷交换器物料计算 .172.2.11 氨冷器物料计算 .182.2.12 冷分离器物料计算 .202.2.13 液氨储槽物料计算 .212.2.14 物料衡算结果汇总 .232.3 热量衡算 .262.3.1 冷交换器热量计算 .262.3.2 氨冷器热量计算 .282.3.3 循环机热量计算 .3
7、02.3.4 合成塔热量计算 .312.3.5 废热锅炉热量计算 .332.3.6 热交换器热量计算 .342.3.7 水冷器热量计算 .352.3.8 氨分离器热量计算 .36- -四川理工学院毕业设计 目录2.3.9 中置锅炉产生蒸汽量的计算 .372.3.10 合成系统温度计算示意图 .38第三部分 设备设计及选型校 核 .393.1 主要设备选型计算 .393.1.1 废热锅炉设备工艺计算 .393.2.1 冷交换器设备工艺设计及校核 .424.1 主要设备选型汇总表 .55设计综述 .56参考文献 .57- -四川理工学院毕业设计 绪论第一部分 绪论1.1 氨的性质及其在化工生产中的
8、地位合成氨的化学名称为氨，氮含量为 82.3%。氨是一种无色具有强烈刺激性、催泪性和特殊臭气的无色气体，比空气轻，密度 1.429g/L，熔点77.7；沸点33.4。标准状况下，1 米 3 气氨重 0.771 公斤；1 米 3 液氨重 638.6 公斤。极易溶于水，常温（20）常压下，一个体积的水能溶解 700 个体积的氨；标准状况下，一个体积水能溶解 1300 个体积的氨氨的水溶液称为氨水，呈强碱性。因此，用水喷淋处理跑氨事故，能收到较好的效果, 氨在常温常压下为具有特殊性恶臭的无色有毒气体，比空气轻。氨在常温下稳定，但是在高温下可分解成氢和氮。一般在一个大气压下 450-500时分解，如果
9、有铁、镍等催化剂存在，可在 300时分解。氨与酸或酸酐可以直接作用，生成各种铵盐；氨与二氧化碳作用可生成氨基甲铵，脱水成尿素；在铂催化剂存在的条件下，氨与氧作用生成一氧化氮，一氧化氮继续氧化并与水作用，便能得到硝酸。氨在高温下(800以上)分解成氮和氢；氨具有易燃易爆和有毒的性质。氨的自燃点为 630，氨在氧中易燃烧，燃烧时生成蓝色火焰。氨与空气或氧按一定比例混合后，遇明火能引起爆炸。常温下氨在空气中的爆炸范围为 15.528，在氧气中为 13.582。液氨或干燥的气氨，对大部分物质没有腐蚀性，但在有水的条件下，对铜、银、锌等有腐蚀作用 12。氨是最为重要的基础化工产品之一，其产量居各种化工产
10、品的首位; 同时也是能源消耗的大户，世界上大约有10 %的能源用于生产合成氨。氨主要用于农业,合成氨是氮肥工业的基础，氨本身是重要的氮素肥料，其他氮素肥料也大多是先合成氨、再加工成尿素或各种铵盐肥料，这部分约占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、制药、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” 10。1.2 合成氨的发展历程世界合成氨技术的发展经历了传统型蒸汽转化制氨工艺、低能耗制氨工艺、装置单系列产量最大化三个阶段。根据合成氨技术发展的情况分析, 未来合成氨的基本生产原理将不会出现原则性的改
11、变, 其技术发展将会继续紧密围绕“降低生产成本、提高运行周期, 改善经济性”的基本目标, 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- 1 -四川理工学院毕业设计 绪论发。据英国 FERTECON 公司预测,未来 4 年世界合成氨产量将以 3.5%/年增速继续增长。而中国的氨主要用于生产氮肥和尿素，2001 年氮肥生产量比 2000 年氮肥生产量成长 5.4%。2001 年尿素产量比 2000 年尿素生产量成长 3.1%。目前中国大陆合成氨生产基本上已满足氮肥工业的需要，今后氮肥工业的发展重点是调整产品结构，对合成氨的需求将缓慢成长。中国现有合成氨生产
12、企业 522 个，2008 年合成氨总产能约 5700 万吨，中国的商品液氨很少，主要用于生产肥料，非肥料需求不到 10%，用于浓硝酸、己内酰胺、丙烯腈等。合成氨的发展，以原料构成的变化可分为以固体燃料为原料生产合成氨和以气体燃料或液体燃料为原料生产合成氨两个阶段。20 世纪 50 年代以前，氨合成塔的最大能力为日常 200t 氨，到 1963 年和 1966 年相继建成日产 544.31t和 907.19t 的氨厂，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 14。1.3 技术规格1.3.1 原材料技术规格表
13、 1.1 原材料技术规格规格 备注序号 名称成分 百分含量（摩尔）氢气 74.70氮气 24.31氨气 0甲烷 0.711 精练气氩气 0.281.3.2 产品技术规格表 1.2 液氨产品技术规格规格序号 名称 等级 组分 含量 国家标准 备注氨 99.81 液氨 一级品水和油 0.2 GB356-65氨 99.52 液氨 二级品水和油 0.5 GB356-65- 2 -四川理工学院毕业设计 绪论表 1.3 氨水产品技术规格规格 标准 备注序号 名称等级 组分 含量一级品 氨 20 部标HGI-88-64二级品 氨 181农业用氨水三级品 氨 15氨 25 部标HGI-88-64一级品残渣 0
14、.3氨 20二级品残渣 0.32 工业用 氨水三级品 氨 201.3.3 危险性物料主要物性表表 1.4 危险性物料主要物性空气中爆炸极限（）序号 名称 分子 量 熔点（）沸点（）闪点（）燃点（） 上限 下限国家标准 备注1 氨气 17.03 -77.7 -33.5 651.22 630 27.4 15.7 乙2 氢气 2.016 -259.8 -252.8 - 400 74.2 4.1 甲3 甲烷 16.043 -184 -161.5 -190 650 15.0 5.0 甲1.4 合成原理（1）合成反应方程式： 3223NHHN 高 温 、 高 压 、 催 化 剂反应的特点：可逆反应、正反应
15、放热、正反应是气体体积减小的可逆反应。反应趋近于平衡时的限度取决于化学平衡常数。化学平衡常数可用下式表示： 322*NH0.51.5pK=()（ ）在低压与高压状态下影响平衡常数的因素是不同的。在低压下，反应物系可以看作理想气体，平衡常数仅与温度有关。高压下的平衡常数不仅与温度有关，而且与气体组成及压力有关。在工业生产中主要考虑经济效应与社会效应，基本要求单位时间内产量高、原料利用率高。需要将生成的氨及时分离出来，并不断向体系中补充原料以增加反应物浓度，使平衡向合成氨的方向进行 14。四川理工学院毕业设计 绪论- 3 -1.5 工艺条件氨合成反应与其他可逆放热反应一样，氨合成反应存在着最佳温度
16、 Tm，它取决于反应气体的组成，压力以及所用催化剂的活性。Tm 与平衡温度 Te 及正可逆反应的活化能 E1，E 2的关系为221Tem=RE+ln-压力改变时，最佳温度亦相应变化，气体组成一定，压力越高，平衡温度与最佳温度越高。从化学平衡和化学反应速率的角度看，提高操作压力是有利的。生产上选择操作压力的主要依据是能量消耗以及包括能量消耗，原料费用，设备投资在内的所谓综合费用，也就是说主要取决于技术经济效果。能量消耗主要包括原料气压缩功，循环气压缩功和氨分离的冷冻功。通常原料气和设备的费用对过程的经济指标影响较大，在 1035Mpa 范围内，压力提高，综合费用下降，主要原因是低压下操作设备投资
17、与原料气消耗均增加。对于不同的流程来说，低于 20Mpa 时，三级冷凝流程的综合费用较低；2028.5Mpa 时，二级冷凝流程的综合费用也较低；更高压力时采用一级冷凝的流程综合费用最低。总的说来，将压力从 10Mpa 提高到 35Mpa 时，综合费用可下降 40%左右，继续提高压力效果不显著。精制后的氢氮混合气是在高温，高压并有催化剂存在的条件下进行氨合成反应的。根据合成反应器所采用的压力，温度及催化剂型号的不同，氨合成的方法可以分为低压法，中压法和高压法三种。小型合成氨厂是采用低压法和中压法二种。其合成压力分别为 1520MPa 和 32Mpa14。1.6 工艺流程1.6.1 氨合成工序流程图合 成 塔油 分离 器 废 热 锅炉循 环 机 冷 交 换器热 交 换器氨 冷 器 液 氨 储槽 氨 分 离器水 冷 器12345精 炼 气 67891024718合 成 气放 空 气 0驰 放 气 5 液 氨图 -物 料 衡 算 流 程 图
