1、毕业设计年产 8 万吨合成氨合成工段工艺设计前 言本设计就合成车间的工艺生产流程，着重介绍化工设计的基本原理、标准、规范、技巧和经验。本设计内容是根据鲁南化肥厂有限公司合成车间的生产实际情况而设计的，确定优化的工艺流程、工艺条件、设备选型及其他非工艺专业等内容。在全面介绍化工设计的基础知识上，重点阐述工艺流程设计、物料和能量衡算及车间布置等内容，并结合工艺计算、工程经济，力求体现当今化工设计的水平。本设计总的指导思想是：理论联系实际、简明易懂、经济实用。由于作者自身的知识水平和认识水平的有限，书中错误与不妥之处，恳请读者批评指正。作者：郑贵尹 2113 年 07 月 24 日目 录第一章 总
2、论 .61.1 概述 .61.2 氨的性质 .61.2.1 氨的物理性质 .61.2.2 氨的化学性质 .71.3 原料气来源 .71.4 文献综述 .91.4.1 合成氨工业的发展 .91.4.2 合成氨工业的现状 .91.4.3 合成氨工业的发展趋势 .101.5 设计任务的项目来源 .10第二章 流程方案的确定 .112.1 生产原理 .112.2 各生产方法及特点 .112.3 工艺流程的选择 .122.4 合成塔进口气的组成 .14第三章 工艺流程简述 .163.1 合成工段工艺流程简述 .163.2 工艺流程方框图 .17第四章 工艺计算 .184.1 物料衡算 .184.1.1
3、新鲜气流量的确定 .184.1.2 计算反应的转化率 x.194.2 热量衡算 .204.2.1 计算依据： .204.2.2 对氨冷器的热量衡算 .204.2.3 对冷凝塔作热量衡算 .234.2.4 对合成塔作热量衡算 .244.2.5 对废锅作热量衡算 .274.2.6 对气 气换热器作热量衡算 .284.2.7 对水冷器作热量衡算 .294.2.8 对氨分离器作热量衡量 .314.2.9 循环机热量衡算 .31第五章 设备选型及设计计算 .335.1 合成塔的设备计算 .335.1.1 对触媒筐的设备计算 .335.1.2 废锅的设备计算 .33第六章 车间布置 .38第七章“三废”治
4、理及综合利用 .397.1 “三废”的产生及污染 .397.1.1 废气污染危害 .397.1.2 废水污染危害 .407.1.3 工业废渣对环境的污染 .417.2 “三废”治理原则 .41第八章 结束语 .43第九章 致谢 .44参考文献 .45附 录 .47年产 8 万吨合成氨合成工段工艺设计作者：郑贵尹身份证号码：37081119860301283X联系方式：15163768110摘要：合成氨生产任务设计决定了生产合成氨的规模，设备的要求以及工艺流程的状况。本设计所采用的方法是半水煤气合成法，其主要原料是煤和氮气，利用煤来生成氢气，而本设计主要是对合成塔工段的设计，故所用原料直接采用氮
5、气和氢气，其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，以四氧化三铁为触媒，在 485500的高温条件下来制得氨气。本设计要求要掌握合成塔的工作原理，生产的工艺路线，并能根据工艺指标进行操作计算。在工艺计算过程中，包含物料衡算，热量衡算及设备选型计算等。生产的氨的用途和产生的三废在本设计也有所提到，在合成效率方面也有进一步研究。关键词 ： 半水煤气合成法 合成塔 催化剂 The year produces 80,000 tons to synthesize an ammonia to synthesize a work segment a tec
6、hnological designName of stendent: AbstractThe mission design of synthesizing the ammonia production comes to a decision production to synthesize ammoniac scale, the request of the equip.ments and the condition of the craft process. The method that this design adopts is half water coal gas to synthe
7、size a method, it the main raw material is coal and nitrogen spirit, making use of coal future life hydrogen, but this design mainly is adopt nitrogen spirit and hydrogen towards synthesizing tower work a segment of designing, pastly the raw material used directly, it with synthesize tower for main
8、equip.ments, in the ammonia cold machine, water cold machine, annoy-spirit exchanger, circulation machine, separate machine, congealed tower etc. assistance equip.ments of function under, with four oxidize three irons for accelerant , at 485-500 heat conditions come down make ammonia spirit. This de
9、sign requests and control work principle of synthesizing the tower, produce of craft route, and can carry on an operation calculation according to the craft index sign. Include material balance in the craft the calculation the process, heat balance and the equip.ments choose a calculation etc. The u
10、se of the ammonia produced and output of three discard in this design to also have to speak of, Be synthesizing an efficiency to also have a further research.keywords: semiwater gas synthesize method synthetic tower第一章 总 论1.1 概述氨是一种重要的含氮化合物。氮是蛋白质质中不可缺少的部分，是人类和一切生物所必须的养料；可以说没有氮，就没有蛋白质，没有蛋白质，就没有生命。大气中
11、存在有大量的氮，在空气中氨占 78（体积分数）以上，它是以游离状态存在的。但是，如此丰富的氮，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，称为固定氮。目前，固定氮最方便、最普通的方法就是合成氨，也就是直接由氮和氢合成为氨，再进一步制成化学肥料或用于其它工业在国民经济中，氨占有重要地位，特别是对农业生产有着重大意义。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
12、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。例如制冷、空调、食品冷藏系统大多数都是用氨作为制冷剂。1.2 氨的性质1.2.1 氨的物理性质氨在常温下是无色气体，比空气轻，具有刺激性臭味，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。
13、气态氨易溶于水，成为氨水，氨水呈弱碱性。氨在水中的溶解度随压力增大而降低。氨水在溶解时放出大量热。氨水中的氨极易挥发。常压下气态氨需冷却到-33.35 （沸点）才能液化。而在常温下需加压到0.87MPa时才能液化。液氨为无色液体，气化时吸收大量的热。1.2.2 氨的化学性质 氨与氧在催化剂作用下生成氮的氧化物,并能进一步与水作用,制得硝酸：4NH3+5O2 4NO+6H2O 氨与酸或酐反应生成盐类,是制造氮肥的基本反应：2NH3+H2SO4 = (NH4)2SO4NH3+HNO3= NH4NO3NH3+HCl= NH4ClNH3+H3PO4 =NH4H2PO4 氨与二氧化碳作用生成氨基甲酸铵,
14、进一步脱水成为尿素：2NH3+CO2 =NH4COONH2NH4COONH2 =CO(NH2)2+H2O 氨与二氧化碳和水作用,生成碳酸氢铵：NH3+CO2+H2O=NH4HCO3 氨可与盐生成各种络合物，如 CuCl26NH3、CuSO 44NH3。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,氨与空气爆炸界限为非作 15%28%(NH 3)。100,0.1 MPa 下，爆炸界限为 14.5%29.5%(NH 3)。1.3 原料气来源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
15、、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。空气煤气：以空气为汽化剂制取的煤气，又称为吹风气。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。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。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
16、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。半水煤气生产的工艺流程：在吹风阶段中，空气由煤气发生炉的底部吹入，由炉顶排出吹风气。吹风气送入燃烧蓄热室，在此通入助燃空气使吹风气中的一氧化碳燃烧。再将吹风气送入废热锅炉以产生水蒸气。吹风气被冷却至200左右，由烟囱排入大气。在上吹阶段中，由煤气发生炉炉底吹入空气-水蒸气混合气，半水煤气由炉顶排出。半水煤气经过燃烧室加热蓄热砖（此时不加助燃空气） ，再依次经过废热锅炉、洗气箱、洗气塔送入气柜。在下吹阶段中，水蒸气与空气混合，经燃烧室回收蓄热砖的热量后，从煤
17、气发生炉顶部吹入（空气较水蒸气略迟通入） ，从炉底排出半水煤气。下吹煤气直接经洗气箱及洗气塔送入气柜。在二次上吹阶段中，空气-水蒸气混合气由炉底吹入，流向与上吹阶段完全相同。在空气吹净阶段，从炉底吹入空气，产生吹风气将半水煤气经燃烧室、废热锅炉、洗气箱及洗气塔送入气柜。1.4 文献综述合成氨工业是氮肥工业的基础，也是一些工业部门的重要原料，它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，合成氨工业在国民经济中的作用必将日益显著。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
18、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很快。目前，全国有规模以上基础化肥生产企业近 1000 家，其中，氮肥厂约 500 家，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也有100 多家，其他还有 800 多家小氮肥厂也生产合成氨，而其产量约占氮肥总量的 60%。但我国合成氨工业还不够发达，比外国的氮肥企业还有些距离。据有关资料统计，世界合成氨产能已超过 1.76 亿吨/ 年，主要生产能力分布在俄罗斯约有 35 家氮肥厂，合成氮平均规模为 40 万吨；美国有 50 多家氮肥厂，合成氨平均规模在 30 万吨
19、以上。1.4.2 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
20、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。如果在合成氨原料气脱除二氧化碳过程中能联合生产这些产品，则可以简化流程、减少能耗、降低成本。到 2010 年，力争组建 50 家大型企业集团，大型氮肥厂合成氨平均规模达40 万吨/年以上，中型氮肥厂平均规模达 20 万吨/年以上。其产品集中度达到 50%，并形成 3-5 家在国际上有一定影响的大型企业集团。同时，调整企业结构，减少基础肥料生产厂数量，提高单套装置的规模，使合成氨工业朝现代化又迈进一步。 1.5 设计任务的项目来源（删去）本课题是指导老师为提高毕业生设计能力而选定的。
