年產(chǎn)6萬噸合成氨合成工藝設計-5講解

1、本科畢業(yè)設計年產(chǎn) 6 萬噸合成氨合成工藝設計The Process Design of 60kt/a of Synthetic AmmoniaSynthesis學院名稱：專業(yè)班級：學生姓名：學號：指導教師姓名：指導教師職稱：2016 年 5 月畢業(yè)設計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾： 所呈交的畢業(yè)設計， 是我個人在指導教師的指導下進行的研究工作及取得的成果。 盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外， 不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機構的學位或學歷而使用過的材料。 對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明

2、確的說明并表示了謝意。作 者簽 名：指導教師簽名：日期：日期：使用授權說明本人完全了解武漢工程大學關于收集、保存、使用畢業(yè)設計的規(guī)定，即：按照學校要求提交畢業(yè)設計的印刷本和電子版本；學校有權保存畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務；學校可以采用影印、縮印、數(shù)字化或其它復制手段保存論文； 在不以贏利為目的前提下， 學校可以公布論文的部分或全部內容。作者簽名：日期：目錄摘要： .IAbstract: .II引言.1第一章 綜 述 .21.1合成氨工工業(yè)發(fā)展背景 .21.2國內外合成氨工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀 .錯誤！未定義書簽。1.3合成工藝概述 .21.4氨的生產(chǎn)方法的選擇 .錯誤！未

3、定義書簽。第二章氨合成過程工藝過程 .錯誤！未定義書簽。第三章工藝計算 .43.1原始條件 .43.2物料衡算 .43.2.1合成塔物料衡算 .43.2.2氨分離器氣液平衡計算 .53.2.3冷凝塔氣液平衡計算 .63.2.4液氨貯槽氣液平衡計算 .63.2.5液氨貯槽物料計算 .83.2.6合成系統(tǒng)物料計算 .93.2.7合成塔物料計算 .93.2.8水冷器物料計算 .103.2.9氨分離器物料計算 .113.2.10 冷凝塔物料計算 .113.2.11 氨冷器物料計算 .123.2.12 冷凝塔物料計算 .133.2.13 液氨貯槽物料計算 .143.3熱量衡算 .163.3.1合成塔熱量

4、計算 .163.3.2廢熱鍋爐熱量計算 .173.3.3熱交換器熱量計算 .18第四章 設備的計算與選型 .194.3校核總傳熱系數(shù) K .194.3.1官內給熱系數(shù) 計算 .194.3.2管外給熱系數(shù) o.234.3.3總傳熱系數(shù) K .264.4管子拉脫力的計算 .264.5計算是否安裝膨脹節(jié) .274.6換熱器主要結構尺寸和計算結果.28結論 .29致謝 .30參考文獻31附錄32附錄 A ：工藝流程圖32附錄 B：設備圖32年產(chǎn) 6 萬噸合成氨合成工段工藝設計摘要： 合成氨工業(yè)是世界現(xiàn)代化學工業(yè)的基礎，也是我國化學工業(yè)發(fā)展的重要先驅，在國民經(jīng)濟中占有極其重要的地位， 其中氨合成工段是合

5、成氨工藝的中心環(huán)節(jié)。 本文在充分進行合成相關文獻調研的基礎上綜述了合成氨設備、 催化劑、合成氨工藝三方面的現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢。在中壓法和催化劑的條件下， 進行了年產(chǎn) 6 萬噸合成氨合成工段進行設計。 設計合成氨合成工段的生產(chǎn)工藝流程， 將精制的氫氮混合氣直接合成為氨， 然后將所得的氣氨從未合成為氨的混合氣中冷凝分離出來， 最后在未反應的混合氣中補充一定量的新鮮氣繼續(xù)循環(huán)反應。并根據(jù)熱量衡算可進行合成塔、 中置鍋爐和塔外換熱器的熱量變化。 并根據(jù)設計任務及操作溫度、壓力按相關標準對換熱器的尺寸和材質進行選擇。關鍵詞： 氨合成；物料衡算；能量衡算IThe Process Design of 60k

6、t/a Synthetic Ammonia SynthesisAbstract: Ammonia is one of the most important chemical production，It has an important station in national economy. This article has summarized the ammonia synthesis by ammonia equipment, catalyze, and technology to describe the actuality and the future which based the

7、 literature disquisition.The production process of synthetic ammonia synthesis is designed in the medium pressure and catalyst. The optimize outputting 60,000 t/a of synthetic ammonia synthesis is designed. The refined hydrogen and nitrogen mixture is made into synthesis ammonia by the design, then

8、took the synthesis ammonia gas out of the mixture that has not been become ammonia. At last, the mixture of not reacting is supplied a certain amount of fresh gas to continue to cyclic response. The heat change of the synthesis tower, the boiler and the heat exchanger is attained by the heat balance

9、, also we selected piping size and material according to the design operation of temperature, pressure and relevant standards.Keywords: ammonia synthesis section; material balance accounting; energy balance accountingII引言合成氨是重要的基礎化工產(chǎn)品之一， 其產(chǎn)量位居各種化工產(chǎn)品的首位， 同時也是消耗能源的大戶，合成氨的生產(chǎn)對國民生活至關重要，而在環(huán)境和資源問題日益嚴重的今天，更

10、高效的合成氨生產(chǎn)以及符合資源節(jié)約型、 環(huán)境友好型生產(chǎn)理念的要求， 合成氨工業(yè)的改革顯得至關重要。合成氨的現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢主要圍繞合成氨設備、 合成氨催化劑、合成氨工藝技術三方面進行闡述， 在合成氨設備方面， 我國中小型合成氨裝置面臨嚴峻的挑戰(zhàn)， 中型合成氨裝置面臨技術改造，而小型裝置則面臨淘汰。國內外合成氨設備的發(fā)展和新技術方面，通過對國內冷管型合成塔和國外絕熱型合成塔的對比介紹，闡述了國內外合成氨設備的不同及國外的先進之處，絕熱型合成塔具有簡單、可靠的特點，而且能夠消除“冷壁效應 ”。目前國內也積極開發(fā)這項技術，并且也有應用。本設計對氫、氮直接合成為氨的合成工段工藝流程進行介紹， 將在傳統(tǒng)

11、工藝流程上加以改進。擬采取的工藝路線縮短了，減少了設備投資，降低了能耗，操作簡單安全。物料消耗降低，生產(chǎn)安全性提高，從而降低了生產(chǎn)成本，提升了合成氨市場競爭力。1第一章綜 述1.1 合成氨工工業(yè)發(fā)展背景我國的氮肥工業(yè)自 20 世紀 50 年代以來，不斷發(fā)展壯大，目前合成氨產(chǎn)量已躍居世界第一位，目前研發(fā)的設備可以將焦炭、 無煙煤、焦爐氣、天然氣及油田伴生氣和液態(tài)烴多種原料生產(chǎn)合成氨，形成了特有的煤、石油、天然氣原料并存和大、中、小生產(chǎn)規(guī)模并存的生產(chǎn)格局。目前合成氨總生產(chǎn)能力約為 4500 萬 t/a，合成氨工業(yè)已基本滿足了國內需求，但要想進一步提高生產(chǎn)能力，還要對設備進行進一步技改和研發(fā)。合成氨

12、工業(yè)使基礎化學工業(yè)之一。 其產(chǎn)量居各種化工產(chǎn)品的首位。 氨本身是重要的氮素肥料，除石灰石氮外， 其它氮素肥料都是先合成氨，然后再加工成各種銨鹽或尿素。 將氨氧化制成硝酸，不僅可用來制造肥料，亦是重要的化工原料，可制成各種炸藥。氨、尿素和硝酸又是氨基樹脂、 聚酰胺樹脂、 硝化纖維素等高分子化合物的原料。以其為原料可制得塑料、合成纖維、油漆、感光材料等產(chǎn)品。作為生產(chǎn)氨的原料 CO+H2 合成氣，可進行綜合利用，以聯(lián)產(chǎn)甲醇及羰基合成甲酸、 醋酸、醋酐等一系列化工產(chǎn)品。以做到物盡其用，減少排放對環(huán)境的污染， 提高企業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟效益。 已成為當今合成氨工業(yè)技術發(fā)展的方向。國際上對合成氨的需求， 隨著人口

13、的增長而對農(nóng)作物增產(chǎn)的需求和環(huán)境綠化面積的擴大而不斷增加。1.2 合成工藝概述在合成氨生產(chǎn)中， 制取氫氣，在生產(chǎn)中占有很大比重， 因此要盡一切可能設法獲得最多氫氣。同時 CO 對氨合成催化劑有嚴重毒害，也必須除去。最好的辦法使提高 CO 變換率。近幾十年來，各國學者都做了不少工作，對催化劑不斷改善，到目前為止，可使變換后氣體中 CO 含量降到 0.2% 0.4%。通過變換工序將 CO 變?yōu)?H2 使產(chǎn)品成本降低，工廠經(jīng)濟效益提高。由于制取合成氨原料氣所用的原料不同，所選擇的工藝也不一樣，所以原料氣中 CO 含量也不同。 CO 變換，視其原料和所采取的生產(chǎn)方法不同，也有不同的工藝流程。上世紀 5

14、0 年代以前，在常壓下制取合成氨原料氣，其變換大多是在常壓下進行。此后，特別是上世界 60 年代以后，合成氨原料改用天然氣、油田氣、石油加工氣和輕油等，生產(chǎn)方法大多采用加壓的蒸汽轉化法，變換則在加壓下進行，一般在 4.0Mpa 以下。以煤、焦為原料的常壓造氣工廠， 很多也改用加壓變換， 以降低能耗，用粉煤加壓氣化做原料氣， 其變換壓力一般在5.5Mpa 以下，以油渣為原料最高壓力已達8.5Mpa。CO 變換流程，對與固定層煤氣化裝置配套時，所用設備較多。與部分氧化法急冷流程相配套時，流程較簡單，只需要在流程中設置變換爐和換熱設備即可。2將半水煤氣經(jīng)過增濕加熱， 在一定的溫度和壓力下變換爐內，

15、借助催化劑的催化作用，使半水煤氣中的一氧化碳（ 28%）與水蒸氣進行化學反應，轉變?yōu)槎趸?。和氫氣制得合格的變換氣（ CO0.3%），以滿足后工段的工藝要求。一氧化碳與水蒸氣在催化劑上變換生成氫和二氧化碳的過程為一氧化碳的變換， 這一過程很早就用于合成氨工業(yè)，在合成氨生產(chǎn)中，由于制取氣的生產(chǎn)成本中占加大的比重。因此，要盡一切可能設法獲得更多的氫氣， 煤氣中的一氧化碳對于合成氨催化劑有嚴重的毒害，必須設法除去。 利用一氧化碳與水蒸氣作用生成氫和二氧化碳的反應， 可以增加合成氨原料煤氣中氫氣的含量； 根據(jù)不同的催化劑和工藝條件。 煤氣中的一氧化碳含量可以降低為 0.2% 0.4%，由于二氧化碳的

16、除去較一氧化碳要容易的多，這樣就簡化了煤氣的精制過程。同時，經(jīng)過回收后可以作為生產(chǎn)尿素、純堿等的原料，因此，一氧化碳變換反應在合成氨工業(yè)中具有重要的意義。3第二章 工藝計算2.1原始條件(1)合成塔進口壓力 299105Pa(2)合成塔出口壓力 289105Pa(3)循環(huán)氣中惰性氣體含量CH4+Ar=15%(4)補充氣中惰性氣體含量CH4+Ar=0.8%(5)氨凈值12.76%(6)合成塔進口氣溫度30(7)合成塔出口氣溫度90(8)水冷器出口溫度35(9)觸媒筐出口溫度475(10)鍋爐所產(chǎn)蒸汽的飽和蒸汽壓12.7 105Pa(11)氣體進鍋爐溫度375(12)鍋爐軟水進口溫度100(13)

17、年總工以 300 天計算(14)操作壓力按（ 305+295）/2=300kg/cm2(15)年產(chǎn)量 60kt，年生產(chǎn)時間扣除檢修時間后按300 天計，則產(chǎn)量為： 8.333 t/h計算基準 生產(chǎn) 1t 氨2.2物料衡算2.2.1 合成塔物料衡算(1)合成塔入口氣組分：選擇入塔氨含量（典型）:y6NH3=2.5%;入塔甲烷含量： y6CH4=11.538%；入塔氫含量： y6H2=100-(2.5+15)3/4 100%=61.875%；入塔氬含量： y6Ar =15%-11.538%=3.462%；入塔氮含量： y6N2=100 -(2.5+15)1/4 100%=20.625%(2)合成塔

18、出口氣組分：4以 1000kmol 入塔氣作為基準求出塔氣組分，由下式計算塔內生成氨含量： mNH3=m6 (y9NH3 -y6NH3)/ (1+y9NH3)=1000(0.165-0.025)/ (1+0.165)=120.172kmol出塔氣量 : m9=入塔氣量 生成氨含量 =1000-120 172=879.828kmol 出塔甲烷含量： y9CH4=(M6/M9) y6CH4=(1000/879.828) 11.538%=13.114% 出塔氬含量： y9Ar =(M6/M9) y5Ar =(1000/879.828) 3.462%=3.935%出塔氫含量：y9H2=3/4(1-y9

19、NH3-y9CH4-y9Ar) 100% =3/4(1-0.165-0.13114-0.03935) 100%=49.838%出塔氮含量：y9N2=1/4(1-0.165-0.13114-0.03935) 100%=16.613%(3)合成率：合成率 =2mNH3/ m6(1-y6NH3-y6CH4-y6Ar ) 100%=2120.172/1000(1-0.025-0.15)100%=29.133%2.2.2 氨分離器氣液平衡計算設氨分離器進口氣液混合物F，進口物料組分 m(i) ，分離器組分y(i) ，液量其中進口物料組分 m(i) 等于合成塔出口氣體組分。根據(jù)氣液平衡原理，以F=1Kmo

20、l/h 進口物料為計算基準 ,則 m(i)=Lx(i)+Vy(i),y(i)=K(i)x(i).K(i) 為組分 i 的平衡常數(shù) 13 。由兩式得L(i)=m(i)/1+( V/L) K(i) ；V=F-L=1-L液體組分x(i)=L(i)/L ；氣體組分y(i)=V(i)/V=m(i)-L(i)/V查 t=35， P=29.5MPa時各組分平衡常數(shù)：表 3.1 各組分平衡常數(shù)K NH3K CH4K ArK H2K N20.0988.228.20027.50034.500設 (V/L)=11.1 時，帶入 L(i)=m(i)/ 1+(V/L) K(i) =L(i):LNH3=mNH3 /1+(

21、V/L) KNH3 =0.165/(1+11.1 0.098)=0.07903KmolLCH4= mCH4/ 1+(V/L) KCH4=0.13114/(1+11.1 8.)=0.00143 KmolLAr=mAr/ 1+(V/L) KAr =0.03935/(1=11.1 28.2)=0.00013 KmolLH2=mH2/1+(V/L) KH2=0.49838/(1=11.1 27.5)=0.0163KmolLH2=mN2)/ 1+(V/L) KN2 =0.16613/(1=11.1 34.5)=0.00043 KmolL 總 = L(NH3)+ L(CH4)+ L(Ar)+ L(Ar)+

22、 L(H2)+ L(N2)=0.08265 Kmol分離氣體量： V=1-L=1-0.08265=0.91735 Kmol5計算氣液比： (V/L) =0.91735/0.08265=11.099誤差 (V/L)-(V/L) /(V/L)=(11.10-11.099)/11.10 100%=0.009%，結果合理。從而可計算出液體中各組分含量：液體中氨含量：xNH3=LNH3 /L=0.07903/0.08265 100=%95.62%液體中氬含量：xAr =LAr/L=0.00013/0.08265 I00%=0.157%液體中甲烷含量： xCH4=LCH4/L=0.00143/0.0826

23、5 100%=1.73%液體中氫含量 :xH2=LH2/L=0.00163/0.08265 100%=1.972%液體中氮含量： xN2=LH2 /L=0.00043/0.08265 100%=0.5202% 分離氣體組分含量：氣體氨含量：yNH3= mNH3-LNH3/V=(0.165-0.07903)/0.91735=9.37%氣體甲烷含量：yCH4= mCH4-LCH4/V=(0.13114-0.00013)/0.91735=14.14%氣體氬含量：yAr=mAr-LAr /V=(0.03935-0.00013)/0.91735=4.28%氣體氫含量：yH2=mH2-LH2 /V=(0.

24、49838-0.00163)/0.91735=54.15%氣體氮含量： yN2=mN2-LN2 /V=(0.16613-0.00043)/0.91735=18.063% 2.2.3 冷凝塔氣液平衡計算查 t=-10,p=28.3MPa 的平衡常數(shù)：表 3.8 各組分的平衡常數(shù)K NH3K CH4K ArK H2K N20.025427517580冷交換器出口液體組分含量：出口液體氨含量：xNH3=yNH3/ KNH3 =0.25/0.0254=98.425%出口液體甲烷含量：xCH4=yCH4/ KCH4=0.11538/27=0.427%出口液體氬含量 :xAr =yAr/ KAr=0.03

25、462/51=0.068%出口液體氫含量 :xH2=yH2/ KH2=0.61875/75=0.825%出口液體氮含量 :xN2=yN2/ KN2=0.20625/80=0.258%2.2.4 液氨貯槽氣液平衡計算由于氨分離器液體和冷交換器出口分離液體匯合后進入液氨貯槽經(jīng)減壓后溶解在液氨中的氣體會解吸，即弛放氣;兩種液體百分比估算值，即水冷后分離液氨占總量的白分數(shù)。G%=(1+y6NH3 ) (y9NH3-yNH3)/( y9NH3- y6NH3) (1- yNH3)6=(1+0.025) (0.165-0.0937)/ (0.165-0.025) (1-0.0937)=57.599%水冷后分

26、離液氨占總量的57.599%，冷凝塔分離液氨占總量的42.401%。液氨貯槽入口 1Kmol 液體計算為準，即L 0=1Kmol ，入口液體混合后組分含量：m(0i)=L(16)X16i+L17X17i= G%L0X16i+(1- G%)X17i=0.57599X16i+0.42401X17i混合后入口氨含量：m0NH3=0.57599 0.9562+0.42401 0.98425=0.96809混合后入口甲烷含量 : m0CH4=0.57599 0.01730+0.42401 0.004271=0.01178混合后入口氬含量 :m0Ar=0.57599 0.00157+0.42401 0.0

27、0068=0.00119混合后入口氫含量：m0H2=0.57599 0.01972+0.42401 0.00825=0.01486混合后入口氮含量：m0N2=0.57599 0.005202+0.42401 0.00258=0.00409當 t=17， P=1.568MPa時，計算得熱平衡常數(shù)：表 3.11 各組分的平衡常數(shù)K NH3K CH4K ArK H2K N20.598170540575620根據(jù)氣液平衡 L(i )=m(0i)/1+( V/L)k(i ), 設(V/L)=0.0821,代入上式得 :出口液體氨含量：LNH3=m0NH3 /(1+( V/L) kNH3=0.96809/

28、(1+0.0821 0.598)=0.92279 Kmol出口液體甲烷含量： LCH4=m0CH4/ 1+(V/L) kCH4=0.01178(1+0.0821 170)=0.00079Kmol出口液體氬含量：LAr=m0Ar/ 1+( V/L) kAr =0.00119/(1+0.0821 540)=0.00003 Kmol出口液體氫氣含量： LH2 =m0H2/ 1+( V/L) kH2=0.01486/(1+0.0821 575)=0.00031Kmol出口液體氮氣含量： LN2=m0N2/ 1+(V/L) kN2=0.00409/(1+0.0821 620)=0.00008 KmolL

29、(總)=0.924,V=1-0.924=0.076Kmol,(V/L) =V/L=0.0823,誤差 =(0.082-0.0823)/0.0821=-0.244%，假定正確。出口液體組分含量：出口液體氨含量：xNH3=LNH3 /L=0.92279/0.924 100%=99.869%出口液體甲烷含量：xCH4=LCH4/L=0.00079/0.924 100%=0.085%出口液體氬含量：xAr=LAr/L=0.00003/0.924 100%=0.003%7出口液體氫氣含量：xH2=LH2 /L=0.00031/0.924 100%=0.034%出口液體氮氣含量：xN2=LN2 /L=0.

30、0008/0.924 100%=0.009%出口弛放氣組分含量：弛放氣氨含量：yNH3=(m0NH3 -LNH3)/V=(0.96809-0.92279)/0.076 100%=59.6%弛放氣甲烷含量： yCH4=(m0CH4 -LCH4)/V=(0.01178-0.00079)/0.076 100%=14.46%弛放氣氬含量：yAr=(m0 Ar-LAr)/V=(0.00119-0.00003)/0.076 100%=1.53%弛放氣氫氣含量： yH2=(m0H2-LH2)/V=(0.01486-0.00031)/0.076 100%=19.14%弛放氣氮氣含量：yN2=(m0N2-LN2

31、)/V=(0.00409-0.00008)/0.076 100%=5.28%2.2.5 液氨貯槽物料計算以液氨貯槽出口一噸純液氨為基準折標立方米計算液氨貯槽出口液體量L(19)=100022.4/(0.99869 17)=1319.375m其中 NHL=LX3(19NH3)(19NH3)=1319.375 99.869=1317.647 m(19)CHL=LX4(19CH4)(19CH4)=1319.375 0.085=1.121 m(19)ArL(19Ar) =L (19)X(19Ar)=1319.375 0.003 =0.0396 mHL=LX2(19H2)(19H2)=1319.375

32、0.034=0.449 m(19)N2L(19N2)=L (19)X(19N2)=1319.375 0.009=0.119 m液氨貯槽出口弛放氣 (V/L)=0.0821V(20)=0.0821 L(19)=0.0821 1319.375=108.321 m其中 NH3V(20NH3) =V(20)y(20NH3) =108.321 59.6=64.559 mCH4V(20CH4) =V(20)y(20CH4)=108.321 14,46=15.663mArV(20Ar) =V(20)y(20Ar)=108.321 1.53 =1.657 mHV=Vy2=108.321 19.14 =20.7

33、73m(20H2)(20)(20H2)N2V(20N2) =V(20)y(20N2) =108.321 5.28=5.719 m液氨貯槽出口總物料 =L(19)+ V =1319.375+108.321=1427.696 m(20)液氨貯槽進口液體：由物料平衡，入槽總物料=出槽總物料， L(18)=L(19)+V(20)=1427.696 m入口液體各組分含量計算:L(18i)= L(19i) + V(20i)其中 NH 3L(18NH3) =1317.647+64.559=1382.206mCH4 L(18CH4)=1.121+15.663=16.784mArL(18Ar) =0.0396+

34、1.657 =1.6966 m8H2 L(18H2) =0.499 +20.733= 21.182 mN2 L(18N2) =0.119+ 5.719=5.838m入口液體中組分含量核算 ,由 m =L(18i)/L(18):(18i)入口液體中氨含量(18NH3)m=1382.206/1427.696 100=96.814入口液體中甲烷含量m(18CH4)=16.784/1427.696 100=1.176入口液體中氬含量(18Ar)= 1.6966/1427.696 100=0.119m入口液體中氫氣含量m(18H2)= 21.182/1427.696 100=1.484%入口液體中氮氣含量m(18N2)= 5.838/1427.696 100 =0.409%入口液體中組分含量m(18i) m(0i)2.2.6 合成系統(tǒng)物料計算將整個合成看著一個系統(tǒng)，進入該系統(tǒng)的物料有新鮮補充氣補 V 補， 離開該系統(tǒng)的物料有放空氣V 放 ，液氨貯槽弛放氣 V 弛 ，產(chǎn)品液氨 L 氨 。(如上頁圖 )根據(jù)物料平衡和元素組分平衡求V 補,V 放,V 入 ,V 出 ：循環(huán)回路中氫平衡：V 補 yH2 補 =V 放 yH2 放 V 弛 yH2 弛 +3/2V 放 yNH3 放 +3/2V 弛 yNH3 弛 +3/2LNH3(3-