1、 I继续教育学院毕业设计（论文）题 目 年产 3000 吨合成氨厂合成系统工艺设计专 业 化学工程与工艺姓 名学 号指导教师起讫日期 2011 年 2 月 21 日-2011 年 5 月 26 日II年产 3000 吨合成氨厂合成系统工艺设计摘 要氨是一种重要的化工产品，主要用于化学肥料的生产。合成氨工业是基础化学工业之一。其产量居各种化工产品的首位。氨本身是重要的氮素肥料除石灰氮外，其它氮素肥料都是先合成氨，然后加工成各种铵盐或尿素。合成氨的生产主要分为原料气的制取原料气的净化与合成。合成工段是指精炼气反应生成氨气与氢气，从而进一步生产氨产品。本设计是生产 3000 吨合成氨的工艺计算。本设
2、计工艺计算部分是对合成塔、水冷器、冷交换器、一级氨冷器、二级氨冷器的物料和热量衡算。主要设备计算部分是合成塔与冷交换器的外筒强度计算，里面包括筒身强度计算、主要螺栓强度计算、大顶盖强度计算、电热器盖及其螺栓强度计算。设计中，在混合气体中的气氨未冷凝时，采用分压叠加法，即先算出高压下真实分子热容，再换算为平均分子热容，在有气氨冷凝时，因处于氨饱和区内，则采用压力校正法，即先算出常压下平均分子热容，再换算为高压下平均分子热容。关键词：合成塔 冷交换器 精炼气 合成氨1目录摘 要 .I第一章 设计项目.1第二章 前言.22.1 合成氨的用途 .22.2 合成氨的性质 .22.3 合成氨的工艺流程 .
3、32.4 发展前景 .5第三章 工艺设计说明书.73.1 产品用途、原料规格要求 .73.2 设计任务书及本设计主要工艺技术指标 .73.3 主要公式、物性数据来源及计算公式 .83.4 环保及安全要求 .10第四章 设计计算书.114.1 物料衡算 .114.2 热量衡算 .194.3 主要设备工艺计算 .33第五章 小结.75参考文献.76致 谢.77附录.78 合成塔装配图 .78 带控制点的工艺流程图 .781第一章 设计项目设计项目名称：3000 吨型合成氨厂合成系统工艺和设备设计工艺设计条件：1.1 物料衡算计算基准：1000 标准立方米精炼气2.1 热量衡算计算基准：1000 标
4、准立方米精炼气小时氨产量：680 Kg基准温度：0液氨的焓：采用氮气工作者手册中的数据高压混合气体平均分子热容计算方法：本设计中，在混合气体中的气氨未冷凝时，采用分压叠加法，即先算出高压下真实分子热容，再换算为平均分子热容，在有气氨冷凝时，因处于氨饱和区内，则采用压力校正法，即先算出常压下平均分子热容，再换算为高压下平均分子热容。因此两种方法的计算结果是有出入的。有时，在同一设备中会有处于和不处于氨饱和区的几种气体同时出现，为了避免采用两种不同的热容计算法而引起误差，就统一采用压力校正法(如冷交换器等） 。1.3 主要设备工艺计算计算基准：每小时氨产量 680Kg，结合 VSH-XB 版设备复
5、核进行。2第二章 前言2.1 合成氨的用途合成氨工业是基础化学工业的重要组成部分，有十分广泛的用途。氨可生产多种氨肥，如尿素、硫酸铵、硝酸铵、碳酸氢铵等；还可生产多种复合肥，如磷肥等。氨也是重要的工业原料。基本化学工业中的硝酸、纯碱及各种含氮无机盐；有机工业各种中间体，制药中磺胺药，高分子中聚纤维、氨基塑料、丁氰橡胶、冷却剂等 1。国防工业中三硝基甲苯、硝化甘油、硝化纤维等.合成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。除液氨可直接作为肥料外，农业上使用的氮肥，例如尿素、硝酸铵、磷酸铵、氯化铵以及各种含氮复合肥，都是以氨为原料的。合成氨是大宗化工产品之一，世界每年合成氨产量已达到
6、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。合成工段在合成氨生产是最后一道工序，将前面工序送来的合格气体合成氨，作为工业原料供后产品工序使用。2.2 合成氨的性质氨是无色气体,有刺激性恶臭味。分子式 NH3。分子量 17.03。相对密度 0.7714g/l。熔点-77.7 。沸点-33.35 。自燃点 651.11。蒸气密度 0.6。蒸气压 1013.08kPa(25.7)。蒸气与空气混合物爆炸极限 1625%(最易引燃浓度 17%)。氨在 20水中溶解度34%,25时,在无水乙醇中溶解度 10%,在甲醇中溶解度 16%,溶于氯仿、乙醚,它是许多元素和化合
7、物的良好溶剂。水溶液呈碱性,0.1N 水溶液 PH 值为 11.1。液态氨将侵蚀某些塑料制品,橡胶和涂层。遇热、明火,难以点燃而危险性较低; 但氨和空气混合物达到上述浓度范围遇明火会燃烧和爆炸,如有油类或其它可燃性物质存在,则危险性更高。与硫酸或其它强无机酸反应放热,混合物可达到沸腾。不能与下列物质共存:乙醛、丙烯醛、硼、卤素、环氧乙烷、次氯酸、硝酸、汞、氯化银、硫、锑、双氧水等。1784 年，有学者证明氨是由氮和氢组成的 2。19 世纪末，在热力学、动力学和催化剂等领域取得进展后，对合成氨反应的研究有了新的进展。1901 年法国物理化学家吕查的利提出氨合成的条件是高温、高压，并有适当催化剂存
8、在。31909 年，德国人哈伯以锇为催化剂在 17-20MPa 和 500-600温度下进行了合成氨研究，得到 6的氨。1910 年成功地建立了能生产 80 氨的试验装置。1911 年米塔研究成功以铁为活性组分的合成催化剂，铁基催化剂活性好、比锇催化剂价廉、易得 3。合成氨的原料是氢气和氮气。氮气来源于空气，可以在制氢过程中直接加入空气，或在低温下将空气液化、分离而得；氢气来源于水或含有烃的各种燃料。工业上普遍采用的是以焦炭、煤、天然气、重油等燃料与水蒸气作用的气化方法。合成氨过程由许多环节构成，氨合成反应过程是整个工艺过程的核心 4。2.3 合成氨的工艺流程氨合成的工艺流程:(1)原料气制备
9、 将煤和天然气等原料制成含氢和氮的粗原料气。对于固体原料煤和焦炭，通常采用气化的方法制取合成气；渣油可采用非催化部分氧化的方法获得合成气；对气态烃类和石脑油，工业中利用二段蒸汽转化法制取合成气。 (2)净化 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。 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+H2OH2+CO 2 =-41.2kJ/mol 0298H由于 CO 变换过程是强放热过程，必须分段进
10、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 0.3%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。 脱硫脱碳过程 5 各种原料制取的粗原料气，都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，以重油和煤为原料的部分氧化法，根据一氧化碳变4换是否采用耐硫的催化剂而确定脱硫的位置。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
11、甲醇洗法(Rectisol)、聚乙二醇二甲醚法(Selexol)等 6。粗原料气经 CO 变换以后，变换气中除 H2 外，还有 CO2、CO 和 CH4 等组分，其中以 CO2 含量最多。CO 2 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(Rectisol)，聚乙二醇二甲醚法(Selexol)，碳酸丙烯酯法 7。一类是化学吸收法，如热钾碱法，低热耗本菲尔法，活化 MDEA 法，MEA 法等 8。 气体精制过程 经 CO
12、 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 9。 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、CO 2 与 H2 反应生成 CH4 和 H2
13、O 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 0.7%。甲烷化法可以将气体中碳的氧化物(CO+CO 2)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。甲烷化反应如下： CO+3H2CH 4+H2O =-206.2kJ/mol 0298HCO2+4H2CH 4+2H2O =-165.1kJ/mol 0298H(3)氨合成 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
14、般只有 10%20%，故采用未反应氢氮气循环的流程 10。氨合成反应式如下： N2+3H22NH3(g) =-92.4kJ/mol要求：1、绘制带控制点的工艺流程图2、系统物料、能量合算53、系统主要设备能力及触媒装填量核算4、该工段设备多，工艺计算复杂，分合成塔设备及触媒核算、热量核算及主要设备能力核算意义：通过该设计锻炼自己严谨科学的治学态度，将理论知识运用于实践中，发现差距，改进方法。我国是一农业大国，每年对化肥的需求位于世界第一，如何提高我国化肥的生产技术水平是我们化学工作者得任务之一。合成气是合成氨生产的最后一道工序也是整个生产中最为重要的一环，产率合成的好坏直接影响整个化肥的生产
15、11。2.4 发展前景我国的氮肥工业自 20 世纪 50 年代以来，不断发展壮大。目前合成氨产量已跃居世界第一位，现已掌握了以焦炭、无烟煤、焦炉气、天然气及油田伴生气和液态烃多种原料生产合成氨、尿素的技术。形成了特有的煤、石油、天然气原料并存和大、中、小生产规模并存的生产格局。目前合成氨总生产能力为 4 500 万 t/ a 左右，氮肥工业已基本满足了国内需要。在与国际接轨后，具备与国际合成氨产品的能力，今后发展重点是调整原料和产品结构，进一步改善经济性 12。根据合成氨技术发展的情况分析，估计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
16、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发。生产能力大型化目前国外合成氨生产规模发展趋势是提高系列生产能力。未来氨装置单系列生产能力为日产 2kt，尿素装置相应为 3.5kt。新建单系列投资比双系列可降低20%。我国合成氨日产 2kt 大型系列应走老厂改扩道路，在现有日产 1kt 合成氨装置上采用在二段转化炉加氧，使可生产合成气生产能力加翻，达日产 2kt 再进行氨合成配置套和将氨加工成尿素，采用高压变换气气提法在生产尿素的同时代替脱除 CO2 装置，以平衡增产氨的加工产品的生产能力。这种改造投资还不到新建的 1/2。将
17、来天然气成网配置后，对 30 多套大型合成氨装置改扩后，每年就能够增产合成氨近 10M 他，同时提高了天然气原料制氨的比重 13。产品多样化当今，从制氨用合成气出发，在制取合成氨的同时，联产甲醇和碳一化6产品，已成为资源综合利用的有效途径。随着深度加工产品的不断开发，化学应用领域不断开拓，其在国民经济中的地位将愈显重要 14。展望我国的合成氨工业，中小型装置除继续延续优胜劣汰的趋势外，在现在的基础上，会继续向规模化和节能降耗的方向迈进。原料仍会气、液、固多样化，新建或扩建厂除注重采用先进成熟的工艺外，还应特别注意经济性和盈利性。最近，我国天然气的开发已进入了一个新阶段，目前已探明的天然气储量达
18、 15276 亿立方米。由于天然气合成氨的优越及国家加快天然气发展的策略，以天然气为原料的合成氨装置将在近期内加快发展，新技术的引进将引发装置的新一轮的技术改造和设备及操作的更新换代，设备的国产化率会在原有基础上增加更快 15。总之，我国合成氨工业总体水平将在 21 世纪登上一个新台阶。未来我国的合成氨工业发展方向：1.生产能力大型化目前国外合成氨生产规模发展趋势是提高单系列生产能力。2.研究天然气分子重排制尿素工艺。3.开发天然气电热换热多媒体转化器。4.产品多样化当今，从制氨用合成气出发，在制取合成氨的同时，联产甲醇和碳一化工产品。7第三章 工艺设计说明书3.1 产品用途、原料规格要求合成
19、氨主要用作化肥、冷冻剂和化工原料。 氨 合 成 的 原 料 为 碳 化 煤 球 ， 由 于 本 设计 书 是 对 合 成 氨 的 合 成 系 统 的 工 艺 和 设 备 设 计 ， 其 原 料 为 由 精炼工段来的精炼气。3.2 设计任务书及本设计主要工艺技术指标3.2.1 设计任务书以精炼工段来的精炼气为原料，对 3000 吨合成氨合成系统工艺和设备进行设计。3.2.2 工艺流程叙述（附流程简图）由精炼工段来的精炼气经一级氨分离器有部分氨冷凝成液氨，其余的经二级氨冷器到冷交换器，此时有部分氨冷凝成液氨，其余的经过合成塔，未合成的氢气、氮气进行了合成反应，然后依次到达水冷器、水冷后氨分离器，此时就系统整体考虑，放空部分气体，其余的到达循环机、油分离器后，部分返回合成塔，部分达冷交换器，此时有部分氨冷凝成液氨，其余的达一级氨冷器、一级氨分离器，此时有部分氨冷凝成液氨，其余的达二级氨冷器再到冷交换器，构成一循环系统。图 3-1 为合成系统示意流程图。图 3-1 为合成系统示意流程图
