1、1年产 8 万吨合成氨合成工段设计21 总论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; 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” 。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
2、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 1。(1) 大型化、集成化、自动化, 形成经济规模的生产中心、低能耗与环境更友好将是未来合成氨装置的主流发展方向。以Uhde公司的“双压法氨合成工艺”和Kellogg 公司的“基于钌基催化剂KAAP 工艺 ”,将会在氨合成工艺的大型化方面发挥重要的作用。氨合成工艺单元主要以增加氨合成转化率(提高氨净值) ,降低合成压力、减小合成回路压降、合理利用能量为主
3、，开发气体分布更加均匀、阻力更小、结构更加合理的合成塔及其内件; 开发低压、高活性合成催化剂, 实现“等压合成” 。(2) 以“油改气”和“油改煤”为核心的原料结构调整和以“多联产和再加工”为核心的产品结构调整,是合成氨装置“改善经济性、增强竞争力”的有效途径。实施与环境友好的清洁生产是未来合成氨装置的必然和惟一的选择。生产过程中不生成或很少生成副产物、废物,实现或接近“零排放”的清洁生产技术将日趋成熟和不断完善。提高生产运转的可靠性,延长运行周期是未来合成氨装置“改善经济性、增强竞争力”的必要保证。有利于“提高装置生产运转率、延长运行周期”的技术,包括工艺优化技术、先进控制技术等将越来越受到
4、重视。1.1 设计任务的依据设计任务书是项目设计的目的和依据：产量：80 kt/a 液氨3放空气（惰性气 Ar +CH4 ）：17%原料：新鲜补充气 N2 24%，H 2 74.5 %，Ar 0.3%，CH 4 1.2%合成塔进出口氨浓度：2.5%，13.2%放空气:（惰性气 Ar +CH4 ）17%合成塔操作压力 32 MPa （绝压）精练气温度 40水冷器出口气体温度 35 循环机进出口压差 1.47MPa年工作日 310 d计算基准 生产 1t 氨1.2 概述1.2.1 设计题目：年产 8 万吨合成氨合成工段设计1.2.2 设计具体内容范围及设计阶段本次设计的内容为合成氨合成工段的设计，
5、具体包括以下几个设计阶段：1. 进行方案设计，确定生产方法和生产工艺流程。2. 进行化工计算，包括物料衡算、能量衡算以及设备选型和计算。3. 绘制带控制点的工艺流程图（PID） 。4. 进行车间布置设计，并绘制设备平立面布置图。5. 进行管路配置设计，并绘制管路布置图。6. 撰写设计说明书。1.2.3 设计的产品的性能、用途及市场需要(1) 氨的物化性能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，相对密度 0.596，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
6、斤。极易溶于水，常温（20）常压下，一个体积的水能溶解 600 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 2。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；4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
7、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 3。(2) 氨的用途氨是基本化工产品之一，用途很广。化肥是农业的主要肥料，而其中的氮肥又是农业上应用最广泛的一种化学肥料，其生产规模、技术装备水平、产品数量，都居于化肥工业之首，在国民经济中占有极其重要的地位。各种氮肥生产是以合成氨为主要原料的，因此，合成氨工业的发展标志着氮肥工业的水平。以氨为主要原料可以制造尿素、硝酸铵、碳酸氢铵、硫酸铵、氯化铵等氮素肥料。还可以将氨加工制成各种含氮复合肥料。此外，液氨本身就是一种高效氮素肥料，可以直接施用，一些国家已大量使用液氨。可见，合成氨工业是
8、氮肥工业的基础，对农业增产起着重要的作用。氨也是重要的工业原料，广泛用于制药、炼油、纯碱、合成纤维、合成树脂、含氮无机盐等工业部门。将氨氧化可以制成硝酸，而硝酸又是生产炸药、染料等产品的重要原料。现代国防工业和尖端技术也都与氨合成工业有密切关系，如生产火箭的推进剂和氧化剂，同样也离不开氨。此外，氨还是常用的冷冻剂。合成氨工业的迅速发展，也促进和带动了许多科学技术部门的发展，如高压技术、低温技术、催化技术、特殊金属材料、固体燃料气化、烃类燃料的合理利用等。同时，尿素和甲醇的合成、石油加氢、高压聚合等工业，也是在合成氨工业的基础上发展起来的。所以合成氨工业在国民经济中占有十分重要的地位，氨及氨加工
9、工业已成为现代化学工业的一个重要部门 4。(3)市场需要据资料统计:1997 年世界合成氨年产量达103.9Mt。预计2000 年产量将达111.8Mt。其化肥用氨分别占氨产量的81.7%和82.6%。我国1996 年合成氨产量已达30.64Mt, 专家预测2000 年将达36Mt,2020 年将增加至45Mt。即今后20 年间将增加到现在的1.5 倍。因而合成氨的持续健康发展还有相当长的路要走。未来我国合成氨氮肥的实物产量将会超过石油和钢铁。合成氨工业在国民经济中举足轻重。农业生产,“有收无收在于水,收多收少在于肥” 。所以,合成氨工业是农业的基础。它的发展将对国民经济的发展产生重大影响。因
10、此,我国现有众多的化肥生产装置应成为改造扩建增产的基础。我国七十至九十年代先后重复引进30 多套大化肥装置,耗费巨额资金,在提高了化肥生产技术水平的同时,也受到国外的制约。今后应利用国内开发和消化吸收引进的工艺技术,自力更生,立足5国内,走出一条具有中国特色的社会主义民族工业的发展道路。过去引进建设一套大型化肥装置,耗资数十亿元。当今走老厂改造扩建的道路,可使投资节省1/22/3。节省的巨额资金,用作农田水利建设和农产品深加工,将在加速农村经济发展,提高农民生活水平,缩小城乡差距起着重要用。1.2.4 简述产品的几种生产方法及特点 氨的合成是合成氨生产的最后一道工序，其任务是将经过精制的氢氮混
11、合气在催化剂的作用下多快好省地合成为氨。对于合成系统来说，液体氨即是它的产品。工业上合成氨的各种工艺流程一般以压力的高低来分类 3。(1)高压法操作压力 70100MPa，温度为 550650。这种方法的主要优点是氨合成效率高，混合气中的氨易被分离。故流程、设备都比较紧凑。但因为合成效率高，放出的热量多，催化剂温度高，易过热而失去活性，所以催化剂的使用寿命较短。又因为是高温高压操作，对设备制造、材质要求都较高，投资费用大。目前工业上很少采用此法生产。(2)中压法操作压力为 2060MPa，温度 450550，其优缺点介于高压法与低压法之间，目前此法技术比较成熟，经济性比较好。因为合成压力的确定
12、，不外乎从设备投资和压缩功耗这两方面来考虑。从动力消耗看，合成系统的功耗占全厂总功耗的比重最大。但功耗决不但取决于压力一项，还要看其它工艺指标和流程的布置情况。总的来看，在 1530Pa 的范围内，功耗的差别是不大的，因此世界上采用此法的很多。因此，本次设计选用 32MPa 压力的合成氨流程。(3)低压法操作压力 10MPa 左右，温度 400450。由于操作压力和温度都比较低，故对设备要求低，容易管理，且催化剂的活性较高，这是此法的优点。但此法所用催化剂对毒物很敏感，易中毒，使用寿命短，因此对原料气的精制纯度要求严格。又因操作压力低，氨的合成效率低，分离较困难，流程复杂。实际工业生产上此法已
13、不采用了。1.3 产品方案产品的名称：氨(NH 3)；产品的质量规格：液体纯氨；产品的规模：80 kt/a 液氨；产品的包装方式：氨为高压低温液体，合成后直接送到下一工段作为原料继续生产，多余部分设立氨储槽储存起来。61.4 设计产品所需的主要原料规格、来源1.4.1 主要原料来源生产合成氨，首先必须制备氢、氮原料气。氮气来源于空气，可以在低温下将空气液化、分离而得，或者在制氢过程中直接加入空气来解决。氢气来源于水或含有烃类的各种燃料，它取决于用什么方法制取。最简便的方法是将水电解，但此法由于电能消耗大、成本高而受到限制。现在工业上普遍采用以焦炭、煤、天然气、重油等原料与水蒸汽作用的气化方法。
14、1.4.2 主要原料规格(1) 合成塔进口气体组成合成塔进口气体组成包括氢氮比、惰性气体含量与初始氨含量。当氢氢比为 3 时，对于氨合成反应，可得最大平衡氨含量，但从动力学角度分析，最适宜氢氨比随氨含量的不同而变化。如果略去氢及氨在液氨中溶解损失的少量差异，氨合成反应氢与氮总是按 3：1 消耗，新鲜气氢氮比应控制为 3，否则循环系统中多余的氢或氮就会积累起来，造成循环气中氢氮比的失调。惰性气体(CH 4、Ar) 来源于新鲜原料气，它们不参与反应因而在系统中积累。惰性气体的存在，无论从化学平衡还是动力学上考虑均属有弊。但是，维持过低的惰气含量又需大量排放循环气导致原料气消耗量增加。如果循环气中惰
15、性气体含量一定，新鲜气中惰性气体含量增加，根据物料平衡关系，新鲜气消耗随之增大。因此，循环气中惰性气体含量应根据新鲜气惰性气体含量、操作压力、催化剂活性等条件而定。由于原料气制备与净化方法不同，新鲜气中惰性气体含量也各个相同，循环气中所控制的惰性气体含量也有差异。当其它条件一定时，进塔气体中氨含量越高，氨净值越小，生产能力越低。初始氨含量的高低取决于氨分离的方法。对于冷冻法分离氨，初始氨含量与冷凝温度和系统压力有关。为过分降低冷凝温度而过多地增加氨冷负荷在经济上也并不可取。操作压力 300atm 时，一般进塔氨含量控制在 3.23.8；150atm时，为 2.03.2。(2) 硫化物和碳氧化物
16、含量无论那一种原料所得原料气，都含有一定数量的硫化物。虽然原料气中硫化物含量不高，但对合成氨生产危害却很大。硫化物是各种催化剂的毒物，硫化氢能腐蚀设备管道。以烃类为原料的蒸汽转化法制取原料气，镍催化剂对硫含量限制十分严格，要求烃原料中总硫含量为 0.5PPm(重量)以下。为防止 CO 和 CO2 对催化剂的毒害，规定 CO 和 CO2 总含量不得多余20ppm5。71.5 生产中产生有害物质和处理措施中小型合成氨厂在生产过程中，常见的有毒有害物质种类很多，多以气体、蒸气、雾、粉尘等状态存在，其中有毒有害气体是合成氨生产中最常见的。1.5.1 氨气和液氨氨气是一种具有强烈刺激臭味的无色气体, 易
17、被液化成蓝色液体。车间空气中氨的最高容许浓度为 30 毫克米 3。它对人的眼睛和呼吸器官有较大的伤害作用。氨中毒的症状首先是服粘膜和呼吸道粘膜受到刺激、胸感抑郁、胃痛、打喷嚏、流口水、周身有不舒服感。如在氨气浓度不大的环境中，停留时间不长，而且能及时离开环境，到空气新鲜的地方去，上述的症状可渐渐消失。中毒严重时，会引起肺部肿胀导致死亡。氨气刺激眼睛能引起角膜炎。因氨有气味，故较好预防。合成氨生产中合成工段经常接触的液体毒物有液氨、氨水等。液氨或氨水溅入眼内，可造成眼睛严重损伤，出现眼睑水肿，眼结膜迅速充血水肿，眼剧痛，角膜混浊，甚至因角膜溃疡、穿孔而失明。接触液氨和高浓度气氨，可使皮肤引起类似
18、强碱的严重灼伤，出现红斑、水泡，甚至因吸收水分，使皮肤脂肪皂化而坏死。在正常生产过程中，有很少一部份气态 NH3 无法回收，通过放空火炬燃烧掉就不会对环境造成影响。对于成品氨罐放空的气态 NH3 可引入冰机中进行加压冷凝，不仅回收了 NH3，同时也不会造成环境的污染 3。1.5.2 合成氨废水合成氨生产过程中产生的废水是 COD 的主要来源。比如，隔油池中废水就含有 COD。如果含有 COD 的废水排放出去就会繁衍菌类、藻类，污染水源和土壤，更严重的是会造成污染滋生源，对环境造成更大的破坏。要减少废水和工艺冷凝液中的 COD 的排放，可改进生产工艺，使废水排放减少，建设特生化处理装置，进行废水
19、处理，使废水中的 COD 含量达到国家控制标准 6。2 生产流程及生产方法的确定2.1 合成氨生产的特点氨的合成工段，其主要任务是在适宜的温度、压力和有触媒催化的条件下，将经过精制的氢氮混合气体，在合成塔内直接合成为氨。然后将所得的气氨，从氢氮混合气中经冷却冷凝成为液态氨分离出来。液氨由氨罐进入氨冷器蒸发为气氨，送碳化岗位制取碳酸氢铵；或送硝酸车间制取硝酸和硝铵；或送硫铵8车间制取硫酸铵；或将液氨送尿素车间制取尿素等。未合成为氨的氢氮混合气体继续在合成系统内循环使用。合成氨生产的特点，概括起来有如下几方面 7：(1)工艺流程长、设备管道多；(2) 生产过程有高度的连续性；(3)各工序生产操作相
20、互影响；(4)生产是在高温、高压、易燃、易爆、易中毒、易灼伤的情况下进行的。在整个合成氨生产过程中，合成氨生产比较复杂，始终存在着高温、高压、易燃、易爆、易中毒等危险因素，各种控制条件比较严格，稍有疏忽就可能发生事故。同时，因生产工艺流程长、连续性强，设备长期承受高温和高压，还有内部介质的冲刷、渗透和外部环境的腐蚀等，各类事故发生率比较高，尤其是火灾、爆炸和重大设备事故经常发生。但是，只要我们能充分认识这一客观规律并掌握这一客观规律就能做到安全生产，实现稳产、高产。因此，合成氨生产必须满足高温、高压、高纯度要求。在生产过程中有一系列化学反应、传热、燃烧、分离等过程,温度、压力、浓度等因素都影响
21、反应的进行,这些因素又受到设备质量、水质、煤质、季节、气候、操作水平、调度与管理的影响,这样就形成了合成氨生产工艺过程、设备结构、操作管理与生产技术的复杂性。2.2 氨合成过程的基本工艺步骤 实现氨合成的循环，必须包括如下几个步骤 4：氮氢原料气的压缩并补入循环系统；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并循环使用，排放部分循环气以维持循环气中惰性气体的平衡等。由于采用压缩机的型式、氨分冷凝级数、热能回收形式以及各部分相对位置的差异，而形成不同的工业生产流程，但实现氨合成过程的基本工艺步骤是相同的。(1)气体的压缩和除油为了将新鲜原料气和循环气压缩到氨合成所要求
22、的操作压力，就需要在流程中设置压缩机。当使用往复式压缩机时，在压缩过程中气体夹带的润滑油和水蒸汽混合在一起，呈细雾状悬浮在气流中。气体中所含的油不仅会使氨合成催化剂中毒、而且附着在热交换器壁上，降低传热效率，因此必须清除干净。除油的方法是压缩机每段出口处设置油分离器，并在氨合成系统设置滤油器。若采用离心式压缩机或采用无油润滑的往复式压缩机，气体中不含油水，可以取消滤油设备，简化了流程。(2)气体的预热和合成压缩后的氢氮混合气需加热到催化剂的起始活性温度，才能送入催化剂层9进行氨合成反应。在正常操作的情况下，加热气体的热源主要是利用氨合成时放出的反应热，即在换热器中反应前的氢氮混合气被反应后的高
23、温气体预热到反应温度。在开工或反应不能自热时，可利用塔内电加热炉或塔外加热炉供给热量。(3)氨的分离进入氨合成塔催化层的氢氮混合气，只有少部分起反应生成氨，合成塔出口气体氨含量一般为 1020，因此需要将氨分离出来。氨分离的方法有两种，一是水吸收法；二是冷凝法，将合成后气体降温，使其中的气氮冷凝成液氨，然后在氨分离器中，从不凝气体中分离出来。目前工业上主要采用冷凝法分离循环气中的氨。以水和氨冷却气体的过程是在水冷器和氨冷器中进行的。在水冷器和氨冷器之后设置氨分离器，把冷凝下来的液氨从气相中分离出来，经减压后送至液氮贮槽。在氨冷凝过程，部分氢氮气及惰性气体溶解在液氨中。当液氨在贮槽内减压后，溶解
24、的气体大部分释放出来，通常称为“贮罐气” 。(4)气体的循环氢氮混合气经过氨合成塔以后，只有一小部分合成为氨。分离氨后剩余的氢氮气，除为降低情性气体含量而少量放空以外，与新鲜原料气混合后，重新返回合成塔，再进行氨的合成，从而构成了循环法生产流程。由于气体在设备、管道中流动时，产生了压力损失。为补偿这一损失，流程中必须设置循环压缩机。循环机进出口压差约为 2030 大气压，它表示了整个合成循环系统阻力降的大小。(5)惰性气体的排除氨合成循环系统的情性气体通过以下三个途径带出：(1)一小部分从系统中漏损；(2)一小部分溶解在液氨中被带走；(3) 大部分采用放空的办法，即间断或连续地从系统中排放。在
25、氨合成循环系统中，流程中各部位的惰性气体含量是不同的，放空位置应该选择在惰性气体含量最大而氨含量最小的地方，这样放空的损失最小。由此可见，放空的位置应该在氨已大部分分离之后，而又在新鲜气加入之前。放空气中的氨可用水吸收法或冷凝法加以回收，其余的气体一股可用作燃料。也可采用冷凝法将放空气中的甲烷分离出来，得到氢、氮气，然后将甲烷转化为氢，回收利用，从而降低原料气的消耗。有些工厂设置二循环合成系统，合成系统放空气进入二循环系统的合成塔，继续进行合成反应，分离氨后部分情性气体放空，其余部分在二循环系统继续循环。这样，提高了放空气中惰性气体含量，从而减少了氢氮气损失。(6)反应热的回收利用10氨的合成
26、反应是放热反应，必须回收利用这部分反应热。目前回收利用反应热的方法主要有以下几种：(1) 预热反应前的氢氮混合气。在塔内设置换热器，用反应后的高温气体预热反应前的氢氮混合气，使其达到催化剂的活性温度。这种方法简单，但热量回收不完全。目前小型氨厂及部分中型氨厂采用此法回收利用反应热。(2) 预热反应前的氢氮混合气和副产蒸汽。既在塔内设置换热器预热反应前的氢氮混合气，又利用余热副产蒸汽。按副产蒸汽锅炉安装位置的不同，可分为塔内副产蒸汽合成塔(内置式)和塔外副产蒸汽合成塔(外置式)两类。目前一般采用外置式，该法热量回收比较完全，同时得到了副产蒸汽，目前中型氮厂应用较多。 (3)预热反应前的氢氮混合气
27、和预热高压锅炉给水。反应后的高温气体首先通过塔内则换热器预热反应前的氢氮混合气，然后再通过塔外的换热器预热高压锅炉给水。此法的优点是减少了塔内换器的面积，从而减小了塔的体积，同时热能回收完全。目前大型合成氨厂一般采用这种方法回收热量。用副产蒸汽及预热高压锅炉给水方式回收反应热时，生产一吨氨一般可回收 0.50.9 吨蒸汽。2.3 氨合产工艺的选择考虑氨合成工段的工艺和设备问题时，必须遵循三个原则：一是有利于氨的合成和分离；二是有利于保护催化剂，尽量延长使用寿命；三是有利于余热回收降低能耗。氨合成工艺选择主要考虑合成压力、合成塔结构型式及热回收方法。氨合成压力高对合成反应有利, 但能耗高。中压法
28、技术比较成熟，经济性比较好，在 1530Pa 的范围内，功耗的差别是不大的，因此世界上采用此法的很多。 一般中小氮肥厂多为 32MPa , 大型厂压力较低,为 1020MPa。由于近来低温氨催化剂的出现, 可使合成压力降低。合成反应热回收是必需的, 是节能的主要方式之一。除尽可能提高热回收率,多产蒸汽外, 应考虑提高回收热的位能, 即提高回收蒸汽的压力及过热度。高压过热蒸汽的价值较高, 当然投资要多, 根据整体流程统一考虑。本次设计选用中压法（压力为 32MPa）合成氨流程，采用预热反应前的氢氮混合气和副产蒸汽的方法回收反应热，塔型选择见设备选型部分。3 生产流程简述气体从冷交换器出口分二路、一路作为近路、一路进入合成塔一次入口，气体沿内件与外筒环隙向下冷却塔壁后从一次出口出塔，出塔后与合成塔近路的冷气体混合，进入气气换热器冷气入口，通过管间并与壳内热气体换热。升
