1、毕业论文（设计）2012 届题 目 合成氨合成工段工艺 专 业 学生姓名 学 号 小组成员 指导教师 完成日期 2012-04-10 毕 业 论 文（设 计） 任 务 书班级 日期 2012-04-101、论文（设计）题目： 合成氨合成工段工艺 2、论文（设计）要求：（1）学生应在教师指导下按时完成所规定的内容和工作量，最好是独立完成。（2）选题有一定的理论意义与实践价值，必须与所学专业相关。（3）主题明确，思路清晰。（4）文献工作扎实，能够较为全面地反映论文研究领域内的成果及其最新进展。（5）格式规范，严格按系部制定的论文格式模板调整格式。（6）所有学生必须在 月 日之前交论文初稿。3、论文
2、（设计）日期：任务下达日期 2011 年 12 月 10 日完成日期 2012 年 4 月 10 日 4、指导教师签字： 毕 业 论 文（设 计）成 绩 评 定 报 告序号 评分指标 具 体 要 求 分数范围 得 分1 学习态度 努力学习，遵守纪律，作风严谨务实，按期完成规定的任务。 010分调研论证能独立查阅文献资料及从事其它形式的调研，能较好地理解课题任务并提出实施方案，有分析整理各类信息并从中获取新知识的能力。015分综合能力论文能运用所学知识和技能，有一定见解和实用价值。 025分2能力与质量 论文（设计）质量论证、分析逻辑清晰、正确合理， 020分3 工作量 内容充实，工作饱满，符合
3、规定字数要求。绘图 (表 )符合要求。 0 15分4 撰写质量 结构严谨，文字通顺，用语符合技术规范，图表清楚，字迹工整，书写格式规范， 0 15分合计 0100分评语：成 绩：评阅人（签名）：日 期：毕业论文答辩及综合成绩答 辩 情 况自 述 情 况清 晰 、完 整流 利简 练清 晰完 整完 整熟 悉内 容基 本完 整熟 悉内 容不 熟悉 内容回 答 问 题提 出 问 题 正 确 基 本正 确有 一般 性错 误有 原则 性错 误没 有回 答答辩小组评语及建议成绩：答辩委员会综合成绩：答辩委员会主任签字： 年 月 日合成氨合成工段工艺摘要：在 氨 是 最 为 重 要 的 基 础 化 工 产 品
4、 之 一 ， 其 产 量 居 各 种 化 工 产 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
5、， 这 部 分 约 占 30 %的比 例 ,称 之 为 “工 业 氨 ”。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 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
6、 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 生 产 过 程 中 ， 换 热 器 应 用 十 分 广 泛 ， 主 要 用 于 热 量 的 交 换 和 回 收 。 变 换 工 段 中 主 要 涉 及 一 氧 化碳 的 转 化 和 能 量 的 回 收 利 用 ， 列 管 换 热 器 在 传 热 效 率 ， 紧 凑 性 和 金 属 耗 量 不 及 某 些 换 热 器 ， 但 它 具 有 结 构简 单 ， 坚 固 耐 用 ， 适 用 性 强 ， 制 造 材 料 广 泛 等 独 特 优 点 ， 因
7、 而 ， 在 合 成 氨 变 换 工 段 选 择 列 管 式 换 热 器 ， 而本 设 计 主 要 对 该 换 热 器 进 行 相 关 选 计 算 。关键词：氨，合成氨，反应热，氢气目录1 绪论 .11.1 怎样固氮 .11.2 氨从实验室到工业生产 .11.2.1 艰难的探索 .11.2.2 哈伯终成正果 .11.3 氨工业化后的发展 .22 氨的合成 .32.1 原料气来源 .32.1.1 煤气的生成 .32.1.2 天然气制氨 .32.1.3 重质油制氨 .42.3 氨合成反应的特点和催化剂 .42.3.1 氨合成反应的特点 .42.3.2 氨合成铁系催化剂 .42.4 最佳工艺条件的选
8、择 .52.4.1 压力 .62.4.2 温度 .62.4.3 空间速度 .62.4.4 合成塔入口气体组成 .62.5 合成氨工艺流程 .63 工艺过程设计 .831 估算传热面积 .83.1.1 查取物行数据 .83.1.2 热量衡算 .83.1.3 确定换热器的材料和压力等级 .83.1.4 流体通道的选择 .83.1.5 计算传热温差 .83.1.6 选 K 值，估算传热面积 .93.1.7 初选换热器型号 .93.2 计算流体阻力 .103.2.1 管程流体阻力 .103.2.2 壳程流体阻力 .103.3 计算传热系数，校正传热面积 .113.3.1 管程对流给热系数 i.113.
9、3.2 壳程对流传热系数 0 .113.3.3 计算传热系数 .113.3.4 计算传热面积 .124 节能措施 .145 世界合成氨工业近期进展及前景展望 .156 总结 .17参考文献 .18致 谢 .19化学工程系毕业设计（论文）11 绪论1.1 怎样固氮氨（Ammonia），分子式NH 3，1754 年由英国化学家普里斯特利（ J.Joseph Priestley）加热氯化铵和石灰石时发现。1784 年，法国化学家贝托雷（C.L.Berthollet）确定了氨是由氮和氢组成的。从那以后很长一段时间，氨的主要来源是氮化物，而氮化物的主要来源是自然界中的硝石矿产。19 世纪以来，人类步入了
10、现代化的历程。随着农业的发展，氮肥的需求量在不断提高；同时随着工业的突飞猛进，炸药的需求量也在迅速增长。1809 年，在智利发现了一个很大的硝酸钠矿产地；但是面对人类不断膨胀的需求，自然界的生物和矿产资源毕竟有限。然而全世界无论何处，大气的五分之四都是氮，如果有人能学会大规模地、廉价地把单质的氮转化为化合物的形式，那么，氮是取之不尽、用之不竭的。因此将空气中丰富的氮固定下来并转化为可被利用的形式，成为一项受到众多科学家注目和关切的重大课题，而合成氨，作为固氮的一种重要形式，也变成了19 至20 世纪化学家们所面临的突出问题之一。1.2 氨从实验室到工业生产1.2.1 艰难的探索氨的合成反应式：
11、N 2+3H2=2NH3合成氨的化学原理，写出来，不过这样一个方程式；但就是这样一个简单的化学方程式，从实验室研究到最终成功、实现工业生产，却经历了约150 年的艰难探索。在此期间，曾有不少著名的化学家踏上了合成氨的研究之路，但他们的最终结局却都是无功而返。1795 年，曾有人试图在常压下进行氨合成，后来又有人在50 个大气压下试验，结果都失败了。19 世纪下半叶，物理化学的巨大进展，使人们认识到由氮、氢合成氨的反应是可逆的，增加压力将使反应推向生成氨的方向，提高温度会将反应移向相反的方向，然而温度过低又使反应速度过小；催化剂对反应将产生重要影响。这实际上就为合成氨的试验提供了理论指导。1.2
12、.2 哈伯终成正果在合成氨研究屡屡受挫的情况下，德国物理化学家F哈伯（Fritz Haber）知难化学工程系毕业设计（论文）2而进，对合成氨进行了全面系统的研究和实验，攻克了这一令人生畏的难题。由于哈伯和博施的突出贡献，他们分别获得1918、1931 年度诺贝尔化学奖金。其他国家根据德国发表的论文也进行了研究，并在哈伯-博施法的基础上作了一些改进，先后开发了合成压力从低压到高压的很多其他方法（表1-1）。名称 合成压力（MPa) 年份 开发国家哈伯-博施法 20.3 1913 德国克劳德法 100.3 1917 法国卡塞莱法 70.9-80.1 1920 意大利佛瑟法 30.4 1921 意大
13、利蒙特赛尼斯-伍德法 10.1-15.2 1921 德国氮气工程公司法 30.4 1921 美国表1-1 氨合成方法到20世纪30年代初，合成氨已经成为世界上广泛采用的制氨方法。20 世纪70 年代以来，合成氨的生产不仅促进了如高压、低温、原料气制造、气体净化、特殊金属冶炼以及催化剂研制等方面的发展，还对一些化学合成工业，如尿素、甲醇和高级醇、石油加氢精制、高压聚合等起了巨大的推动作用。表1-2 19311932年度世界氨产量（以N 计）来源 产量（ ）kt比例（%）煤气副产氨水 472 15.3氰化法 10 0.3合成氨法 2609 84.41.3 氨工业化后的发展自从合成氨工业化后，原料构
14、成经历了重大的变化。煤造气时期第一次世界大战结束，很多国家建立了合成氨厂，开始以焦炭为原料。20 年代，随着钢铁工业的兴起，出现了用焦炉气深冷分离制氢的方法。焦炭、焦炉气都是煤的加工产物。为了扩大原料来源，曾对煤的直接气化进行了研究。1926 年，德国法本公司采用温克勒炉气化褐煤成功。第二次世界大战结束，以焦炭、煤为原料生产的氨约占一半以上。烃类燃料造气时期早在 2030 年代，甲烷蒸汽转化制氢已研究成功。50 年代，天然气、石油资源得到大量开采，由于以甲烷为主要组分的天然气便于输送，适于加压操作，能降低氨厂投资和制氨成本，在性能较好的转化催化剂、耐高温的合金钢管化学工程系毕业设计（论文）3相
15、继出现后，以天然气为原料的制氨方法得到广泛应用。接着，抗积炭的石脑油蒸汽转化催化剂研制成功，缺乏天然气的国家采用了石脑油为原料。60 年代以后，又开发了重质油部分氧化法制氢。到1965 年，焦、煤在世界合成氨原料中的比例仅占5.8。从此，合成氨工业的原料构成由固体燃料转向以气、液态烃类燃料为主的时期。由于高压设备尺寸的限制，50 年代以前，最大的氨合成塔能力不超过日产200t 氨，60年代初不超过日产400t 氨。随着由汽轮机驱动的大型、高压离心式压缩机研制成功，为合成氨装置大型化提供了条件，大型合成氨厂的数目也逐年增多。合成氨厂大型化通常指规模在日产540t 以上的单系列装置。1963 和1
16、966 年美国凯洛格公司先后建成世界上第一座日产540t 和900t 氨的单系列装置，显示出大型装置具有投资省、成本低、占地少和劳动生产率高等显著优点。2 氨的合成2.1 原料气来源2.1.1 煤气的生成原料气主要有两部分：氮气、氢气。氮气主要是从空气中提取。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、水蒸气或富养空气-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、水蒸气或富养空气-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。（1）空气煤气：以空气为汽化剂制取的煤气，又称为吹风气。（2）水煤气：以水蒸气（或水蒸气与氧的混合气）为汽化剂制取的煤气。（3）混合煤气：以空气和适量的水蒸气为汽化剂制取的煤气，一般作燃料用。（4）半水煤气：是混合煤气中组成符合（H 2+CO）/N 2=3.13.2 的一个特例。可用蒸气与适量的空气或蒸气与适量的富养空气为汽化剂制得，也可用水煤气与吹风混合配制。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。2.1.2 天然气制氨
