年產(chǎn)20萬(wàn)噸合成氨合成工藝設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

1、年產(chǎn)20萬(wàn)噸合成氨合成工藝設(shè)計(jì)The Process Design of 200kt/a of Synthetic Ammonia Synthesis 目錄摘要IAbstractII引 言1第一章 綜 述21.1 氨的研究背景21.2 氨的用途21.3 氨的生產(chǎn)方法的選擇3第二章 氨合成過(guò)程的步驟及工藝流程52.1 氨合成的步驟52.2 氨合成工藝流程簡(jiǎn)述6第三章 工藝計(jì)算93.1 原始條件93.2 物料衡算93.2.1 合成塔物料衡算93.2.2 氨分離器氣液平衡計(jì)算103.2.3 冷凝塔氣液平衡計(jì)算113.2.4 液氨貯槽氣液平衡計(jì)算123.2.5 液氨貯槽物料計(jì)算143.2.6 合成系統(tǒng)

2、物料計(jì)算153.2.7 合成塔物料計(jì)算163.2.8 水冷器物料計(jì)算173.2.9 氨分離器物料計(jì)算183.2.10 冷凝塔物料計(jì)算193.2.11 氨冷器物料計(jì)算213.2.12 冷凝塔物料計(jì)算233.2.13 液氨貯槽物料計(jì)算243.3 熱量衡算263.3.1合成塔熱量計(jì)算263.3.2 廢熱鍋爐熱量計(jì)算283.3.3 熱交換器熱量計(jì)算29第四章 設(shè)備的計(jì)算與選型314.1 已知條件314.2 計(jì)算并初選換熱器規(guī)格314.3 校核總傳熱系數(shù)K314.3.1官內(nèi)給熱系數(shù)計(jì)算314.3.2 管外給熱系數(shù)o354.3.3 總傳熱系數(shù)K384.4 管子拉脫力的計(jì)算384.5 計(jì)算是否安裝膨脹節(jié)39

3、4.6 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果41結(jié) 論42致 謝43參考文獻(xiàn)44附錄45附錄A：工藝流程圖45附錄B：設(shè)備圖45年產(chǎn)20萬(wàn)噸合成氨合成工段工藝設(shè)計(jì)摘要：合成氨是化學(xué)工業(yè)的基礎(chǔ)，也是我國(guó)化學(xué)工業(yè)發(fā)展的重要先驅(qū)，其中氨合成工段是合成氨工藝的中心環(huán)節(jié)。本設(shè)計(jì)目的在于對(duì)年產(chǎn)20萬(wàn)噸合成氨合成工段進(jìn)行設(shè)計(jì)，并簡(jiǎn)要介紹了氨的用途、現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。在中壓法和催化劑的條件下，設(shè)計(jì)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(lái)，最后在未反應(yīng)的混合氣中補(bǔ)充一定量的新鮮氣繼續(xù)循環(huán)反應(yīng)。在物料衡算中出塔氣氨含量達(dá)到16.50%，合成氨27.

4、778t/h，合成率為29.133%，由熱量衡算得到合成塔、中置鍋爐和塔外換熱器的熱量變化。并根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)及操作溫度、壓力按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)換熱器的尺寸和材質(zhì)進(jìn)行選擇。塔外換熱器采用換熱面積為546.97m2的立式列管式換熱器。關(guān)鍵詞：氨合成；物料衡算；能量衡算 The Process Design of 200kt/a Synthetic Ammonia Synthesis Abstract: Ammonia is the basis of the chemical industry, but also an important pioneer of China chemical ind

5、ustry,in which ammonia synthesis section is the central part of the synthetic ammonia process. is to optimize outputting 200,000 t/a of synthetic ammonia synthesis is as the purpose of the design,and the use of ammonia, current situation and future development trend is briefly introduced. The produc

6、tion process of synthetic ammonia synthesis is designed in the medium pressure and catalyst.The refined hydrogen and nitrogen mixture is made into synthesis ammonia by the design,then took the synthesis ammonia gas out of the mixture that has not been become ammonia.At last,the mixture of not reacti

7、ng is supplied a certain amount of fresh gas to continue to cyclic response. The design of raw material of gas refining section in production process the synthetic ammonia content that gets out from synthetic ammonia tower is made rich to 16.50% in material balance calculations,synthetic ammonia 27.

8、778 t /h,synthetic rate 29.133% in this design of raw material of gas refining section in production process.The heat change of the synthesis tower,the boiler and the heat exchanger is attained by the heat balance,also we selected piping size and material according to the design operation of tempera

9、ture,pressure and relevant standards.The heat exchanging area of 546.97m2 of vertical tube type exchanger is used as external heat exchanger of tower.Keywords: ammonia synthesis section;material balance accounting;energy balance accounting 引 言合成氨的化學(xué)名稱(chēng)為氨，常溫常壓下，氨是一種具有特殊刺激性氣味的無(wú)色氣體，有強(qiáng)烈的毒性。比空氣輕，相對(duì)密度0.596

10、，熔點(diǎn)77.7；沸點(diǎn)33.4?？諝庵泻?.5%(體積分?jǐn)?shù))的氨，就能使人在幾分鐘內(nèi)窒息而死。在0.1MPa、-33.5，或在常溫下加壓到0.70.8MPa，就能將氨變成無(wú)色液體，同時(shí)放出大量的熱量。氨的臨界溫度為132.9，臨界壓力為11.38MPa。液氨的相對(duì)密度為0.667g/cm(20)。若將液氨在0.101MPa壓力下冷至-77.7，就能凝結(jié)成略帶臭味的無(wú)色結(jié)晶。液氨容易氣化，降低壓力可急劇蒸發(fā)，并吸收大量的熱。氨極溶于水，可制成含氨在15%至30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的商品氨水。氨溶解時(shí)放出大量的熱。氨的水溶液呈堿性，易揮發(fā)。氨的化學(xué)性質(zhì)活潑，能與酸反應(yīng)生成鹽。如與磷酸反應(yīng)生成磷酸銨；與硝

11、酸反應(yīng)生成硝酸銨；與二氧化碳反應(yīng)生成氨基甲酸銨，脫水后成為尿素；與二氧化碳和水反應(yīng)生成碳酸氫銨。在有水的條件下，氨對(duì)銅、銀、鋅等金屬有腐蝕作用。氨的自燃點(diǎn)為630。氨與空氣或氧按一定比例混合后，遇火能爆炸。常溫常壓下，氨在空氣中的爆炸極限為15.5%到28%，在氧氣中為13.5%到82%。液氨或干燥的氣氨，對(duì)大部分物質(zhì)沒(méi)有腐蝕性，但在有水的條件下，對(duì)銅、銀、鋅等有腐蝕作用1。 氨是重要的無(wú)機(jī)化工產(chǎn)品，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。其產(chǎn)量居于各種化工產(chǎn)品的首位，同時(shí)是能源消耗的大戶(hù)本設(shè)計(jì)對(duì)氫、氮直接合成為氨的合成工段工藝流程進(jìn)行介紹，將在傳統(tǒng)工藝流程上加以改進(jìn)。擬采取的工藝路線縮短了，減少了設(shè)備投資

12、，降低了能耗，操作簡(jiǎn)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。第一章 綜 述1.1 氨的研究背景世界合成氨技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了傳統(tǒng)型蒸汽轉(zhuǎn)化制氨工藝、低能耗制氨工藝、裝置單系列產(chǎn)量最大化三個(gè)階段。根據(jù)合成氨技術(shù)發(fā)展的情況分析, 未來(lái)合成氨的基本生產(chǎn)原理將不會(huì)出現(xiàn)原則性的改變, 其技術(shù)發(fā)展將會(huì)繼續(xù)緊密?chē)@“降低生產(chǎn)成本、提高運(yùn)行周期, 改善經(jīng)濟(jì)性”的基本目標(biāo), 進(jìn)一步集中在“大型化、低能耗、結(jié)構(gòu)調(diào)整、清潔生產(chǎn)、長(zhǎng)周期運(yùn)行”等方面進(jìn)行技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)2,3,4。(1) 大型化、集成化、自動(dòng)化, 形成經(jīng)濟(jì)規(guī)模的生產(chǎn)中心、低能耗與環(huán)境更友好將是未來(lái)合成氨裝置的主流發(fā)展

13、方向。在合成氨裝置大型化的技術(shù)開(kāi)發(fā)過(guò)程中, 其焦點(diǎn)主要集中在關(guān)鍵性的工序和設(shè)備, 即合成氣制備、合成氣凈化、氨合成技術(shù)、合成氣壓縮機(jī)。在低能耗合成氨裝置的技術(shù)開(kāi)發(fā)過(guò)程中, 其主要工藝技術(shù)將會(huì)進(jìn)一步發(fā)展。(2) 以“油改氣”和“油改煤”為核心的原料結(jié)構(gòu)調(diào)整和以“多聯(lián)產(chǎn)和再加工”為核心的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整,是合成氨裝置“改善經(jīng)濟(jì)性、增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力”的有效途徑。(3)實(shí)施與環(huán)境友好的清潔生產(chǎn)是未來(lái)合成氨裝置的必然和惟一的選擇。生產(chǎn)過(guò)程中不生成或很少生成副產(chǎn)物、廢物,實(shí)現(xiàn)或接近“零排放”的清潔生產(chǎn)技術(shù)將日趨成熟和不斷完善。(4)提高生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性,延長(zhǎng)運(yùn)行周期是未來(lái)合成氨裝置“改善經(jīng)濟(jì)性、增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力”的必要保

14、證。有利于“提高裝置生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)率、延長(zhǎng)運(yùn)行周期”的技術(shù),包括工藝優(yōu)化技術(shù)、先進(jìn)控制技術(shù)等將越來(lái)越受到重視。1.2氨的用途 氨是基本化工產(chǎn)品之一，用途很廣?；适寝r(nóng)業(yè)的主要肥料，而其中的氮肥又是農(nóng)業(yè)上應(yīng)用最廣泛的一種化學(xué)肥料，其生產(chǎn)規(guī)模、技術(shù)裝備水平、產(chǎn)品數(shù)量，都居于化肥工業(yè)之首，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有極其重要的地位。各種氮肥生產(chǎn)是以合成氨為主要原料的，因此，合成氨工業(yè)的發(fā)展標(biāo)志著氮肥工業(yè)的水平。以氨為主要原料可以制造尿素、硝酸銨、碳酸氫銨、硫酸銨、氯化銨等氮素肥料。還可以將氨加工制成各種含氮復(fù)合肥料。此外，液氨本身就是一種高效氮素肥料，可以直接施用，一些國(guó)家已大量使用液氨?？梢?jiàn)，合成氨工業(yè)是氮肥工業(yè)的

15、基礎(chǔ)，對(duì)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)起著重要的作用5。 氨也是重要的工業(yè)原料，廣泛用于制藥、煉油、純堿、合成纖維、合成樹(shù)脂、含氮無(wú)機(jī)鹽等工業(yè)部門(mén)。將氨氧化可以制成硝酸，而硝酸又是生產(chǎn)炸藥、染料等產(chǎn)品的重要原料?，F(xiàn)代國(guó)防工業(yè)和尖端技術(shù)也都與氨合成工業(yè)有密切關(guān)系，如生產(chǎn)火箭的推進(jìn)劑和氧化劑，同樣也離不開(kāi)氨。此外，氨還是常用的冷凍劑7。 合成氨工業(yè)的迅速發(fā)展，也促進(jìn)和帶動(dòng)了許多科學(xué)技術(shù)部門(mén)的發(fā)展，如高壓技術(shù)、低溫技術(shù)、催化技術(shù)、特殊金屬材料、固體燃料氣化、烴類(lèi)燃料的合理利用等。同時(shí)，尿素和甲醇的合成、石油加氫、高壓聚合等工業(yè)，也是在合成氨工業(yè)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。所以合成氨工業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有十分重要的地位，氨及氨加工工

16、業(yè)已成為現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的一個(gè)重要部門(mén)。 同時(shí)氨也有市場(chǎng)需要，據(jù)資料統(tǒng)計(jì):1997 年世界合成氨年產(chǎn)量達(dá)103.9Mt。2000 年產(chǎn)量已達(dá)111.8Mt。其化肥用氨分別占氨產(chǎn)量的81.7%和82.6%。我國(guó)1996 年合成氨產(chǎn)量已達(dá)30.64Mt,2000 年也達(dá)36Mt,2020 年將增加至45Mt。即今后20 年間將增加到2000年的1.5 倍。因而合成氨的持續(xù)健康發(fā)展還有相當(dāng)長(zhǎng)的路要走。未來(lái)我國(guó)合成氨氮肥的實(shí)物產(chǎn)量將會(huì)超過(guò)石油和鋼鐵。合成氨工業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中舉足輕重。農(nóng)業(yè)生產(chǎn),“有收無(wú)收在于水,收多收少在于肥”。所以,合成氨工業(yè)是農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)。它的發(fā)展將對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展產(chǎn)生重大影響。因此,我國(guó)

17、現(xiàn)有眾多的化肥生產(chǎn)裝置應(yīng)成為改造擴(kuò)建增產(chǎn)的基礎(chǔ)。我國(guó)七十至九十年代先后重復(fù)引進(jìn)30 多套大化肥裝置,耗費(fèi)巨額資金,在提高了化肥生產(chǎn)技術(shù)水平的同時(shí),也受到國(guó)外的制約。今后應(yīng)利用國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)和消化吸收引進(jìn)的工藝技術(shù),自力更生,立足國(guó)內(nèi),走出一條具有中國(guó)特色的社會(huì)主義民族工業(yè)的發(fā)展道路。過(guò)去引進(jìn)建設(shè)一套大型化肥裝置,耗資數(shù)十億元。當(dāng)今走老廠改造擴(kuò)建的道路,可使投資節(jié)省1/22/3。節(jié)省的巨額資金,用作農(nóng)田水利建設(shè)和農(nóng)產(chǎn)品深加工,將在加速農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展,提高農(nóng)民生活水平,縮小城鄉(xiāng)差距起著重要用。1.3氨的生產(chǎn)方法的選擇 氨的合成是合成氨生產(chǎn)的最后一道工序，其任務(wù)是將經(jīng)過(guò)精制的氫氮混合氣在催化劑的作用下多快好

18、省地合成為氨。對(duì)于合成系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，液體氨即是它的產(chǎn)品。工業(yè)上合成氨的各種工藝流程一般以壓力的高低來(lái)分類(lèi)。(1)高壓法 操作壓力70100MPa，溫度為550650。這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是氨合成效率高，混合氣中的氨易被分離。故流程、設(shè)備都比較緊湊。但因?yàn)楹铣尚矢?，放出的熱量多，催化劑溫度高，易過(guò)熱而失去活性，所以催化劑的使用壽命較短。又因?yàn)槭歉邷馗邏翰僮?，?duì)設(shè)備制造、材質(zhì)要求都較高，投資費(fèi)用大。目前工業(yè)上很少采用此法生產(chǎn)。(2)中壓法操作壓力為2060MPa，溫度450550，其優(yōu)缺點(diǎn)介于高壓法與低壓法之間，目前此法技術(shù)比較成熟，經(jīng)濟(jì)性比較好。因?yàn)楹铣蓧毫Φ拇_定，不外乎從設(shè)備投資和壓縮功耗這兩方面

19、來(lái)考慮。從動(dòng)力消耗看，合成系統(tǒng)的功耗占全廠總功耗的比重最大。但功耗決不但取決于壓力一項(xiàng)，還要看其它工藝指標(biāo)和流程的布置情況?？偟膩?lái)看，在1530Pa的范圍內(nèi)，功耗的差別是不大的，因此世界上采用此法的很多。因此，本次設(shè)計(jì)選用32MPa壓力的合成氨流程。(3)低壓法操作壓力10MPa左右，溫度400450。由于操作壓力和溫度都比較低，故對(duì)設(shè)備要求低，容易管理，且催化劑的活性較高，這是此法的優(yōu)點(diǎn)。但此法所用催化劑對(duì)毒物很敏感，易中毒，使用壽命短，因此對(duì)原料氣的精制純度要求嚴(yán)格。又因操作壓力低，氨的合成效率低，分離較困難，流程復(fù)雜。實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)上此法已不采用了。 考慮氨合成工段的工藝和設(shè)備問(wèn)題時(shí)，必須

20、遵循三個(gè)原則：一是有利于氨的合成和分離；二是有利于保護(hù)催化劑，盡量延長(zhǎng)使用壽命；三是有利于余熱回收降低能耗。氨合成工藝選擇主要考慮合成壓力、合成塔結(jié)構(gòu)型式及熱回收方法。氨合成壓力高對(duì)合成反應(yīng)有利, 但能耗高。中壓法技術(shù)比較成熟，經(jīng)濟(jì)性比較好，在1530Pa的范圍內(nèi)，功耗的差別是不大的，因此世界上采用此法的很多。 一般中小氮肥廠多為32MPa , 大型廠壓力較低,為1020MPa。由于近來(lái)低溫氨催化劑的出現(xiàn), 可使合成壓力降低。 合成反應(yīng)熱回收是必需的, 是節(jié)能的主要方式之一。除盡可能提高熱回收率,多產(chǎn)蒸汽外, 應(yīng)考慮提高回收熱的位能, 即提高回收蒸汽的壓力及過(guò)熱度。高壓過(guò)熱蒸汽的價(jià)值較高, 當(dāng)

21、然投資要多, 根據(jù)整體流程統(tǒng)一考慮。 本次設(shè)計(jì)選用中壓法(壓力為32MPa)合成氨流程，采用預(yù)熱反應(yīng)前的氫氮混合氣和副產(chǎn)蒸汽的方法回收反應(yīng)熱，塔型選擇見(jiàn)設(shè)備選型部分。第二章 氨合成過(guò)程的步驟及工藝流程2.1氨合成的步驟實(shí)現(xiàn)氨合成的循環(huán)，必須包括如下幾個(gè)步驟：氮?dú)湓蠚獾膲嚎s并補(bǔ)入循環(huán)系統(tǒng)；循環(huán)氣的預(yù)熱與氨的合成；氨的分離；熱能的回收利用；對(duì)未反應(yīng)氣體補(bǔ)充壓力并循環(huán)使用，排放部分循環(huán)氣以維持循環(huán)氣中惰性氣體的平衡等。由于采用壓縮機(jī)的型式、氨分冷凝級(jí)數(shù)、熱能回收形式以及各部分相對(duì)位置的差異，而形成不同的工業(yè)生產(chǎn)流程，但實(shí)現(xiàn)氨合成過(guò)程的基本工藝步驟是相同的9。(1)氣體的壓縮和除油 為了將新鮮原料氣

22、和循環(huán)氣壓縮到氨合成所要求的操作壓力，就需要在流程中設(shè)置壓縮機(jī)。當(dāng)使用往復(fù)式壓縮機(jī)時(shí)，在壓縮過(guò)程中氣體夾帶的潤(rùn)滑油和水蒸汽混合在一起，呈細(xì)霧狀懸浮在氣流中。氣體中所含的油不僅會(huì)使氨合成催化劑中毒、而且附著在熱交換器壁上，降低傳熱效率，因此必須清除干凈。除油的方法是壓縮機(jī)每段出口處設(shè)置油分離器，并在氨合成系統(tǒng)設(shè)置濾油器。若采用離心式壓縮機(jī)或采用無(wú)油潤(rùn)滑的往復(fù)式壓縮機(jī)，氣體中不含油水，可以取消濾油設(shè)備，簡(jiǎn)化了流程。(2)氣體的預(yù)熱和合成 壓縮后的氫氮混合氣需加熱到催化劑的起始活性溫度，才能送入催化劑層進(jìn)行氨合成反應(yīng)。在正常操作的情況下，加熱氣體的熱源主要是利用氨合成時(shí)放出的反應(yīng)熱，即在換熱器中反應(yīng)

23、前的氫氮混合氣被反應(yīng)后的高溫氣體預(yù)熱到反應(yīng)溫度。在開(kāi)工或反應(yīng)不能自熱時(shí)，可利用塔內(nèi)電加熱爐或塔外加熱爐供給熱量。(3)氨的分離 進(jìn)入氨合成塔催化層的氫氮混合氣，只有少部分起反應(yīng)生成氨，合成塔出口氣體氨含量一般為1020%，因此需要將氨分離出來(lái)。氨分離的方法有兩種，一是水吸收法；二是冷凝法，將合成后氣體降溫，使其中的氣氮冷凝成液氨，然后在氨分離器中，從不凝氣體中分離出來(lái)。目前工業(yè)上主要采用冷凝法分離循環(huán)氣中的氨。以水和氨冷卻氣體的過(guò)程是在水冷器和氨冷器中進(jìn)行的。在水冷器和氨冷器之后設(shè)置氨分離器，把冷凝下來(lái)的液氨從氣相中分離出來(lái)，經(jīng)減壓后送至液氮貯槽。在氨冷凝過(guò)程，部分氫氮?dú)饧岸栊詺怏w溶解在液氨中

24、。當(dāng)液氨在貯槽內(nèi)減壓后，溶解的氣體大部分釋放出來(lái)，通常稱(chēng)為“貯罐氣”。(4)氣體的循環(huán)氫氮混合氣經(jīng)過(guò)氨合成塔以后，只有一小部分合成為氨。分離氨后剩余的氫氮?dú)?，除為降低情性氣體含量而少量放空以外，與新鮮原料氣混合后，重新返回合成塔，再進(jìn)行氨的合成，從而構(gòu)成了循環(huán)法生產(chǎn)流程。由于氣體在設(shè)備、管道中流動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生了壓力損失。為補(bǔ)償這一損失，流程中必須設(shè)置循環(huán)壓縮機(jī)。循環(huán)機(jī)進(jìn)出口壓差約為2030大氣壓，它表示了整個(gè)合成循環(huán)系統(tǒng)阻力降的大小。(5)惰性氣體的排除氨合成循環(huán)系統(tǒng)的情性氣體通過(guò)以下三個(gè)途徑帶出：一小部分從系統(tǒng)中漏損；一小部分溶解在液氨中被帶走；大部分采用放空的辦法，即間斷或連續(xù)地從系統(tǒng)中排放。

25、在氨合成循環(huán)系統(tǒng)中，流程中各部位的惰性氣體含量是不同的，放空位置應(yīng)該選擇在惰性氣體含量最大而氨含量最小的地方，這樣放空的損失最小。由此可見(jiàn)，放空的位置應(yīng)該在氨已大部分分離之后，而又在新鮮氣加入之前。放空氣中的氨可用水吸收法或冷凝法加以回收，其余的氣體一股可用作燃料。也可采用冷凝法將放空氣中的甲烷分離出來(lái)，得到氫、氮?dú)猓缓髮⒓淄檗D(zhuǎn)化為氫，回收利用，從而降低原料氣的消耗。(6)反應(yīng)熱的回收利用氨的合成反應(yīng)是放熱反應(yīng)，必須回收利用這部分反應(yīng)熱。目前回收利用反應(yīng)熱的方法主要有以下幾種： 預(yù)熱反應(yīng)前的氫氮混合氣。在塔內(nèi)設(shè)置換熱器，用反應(yīng)后的高溫氣體預(yù)熱反應(yīng)前的氫氮混合氣，使其達(dá)到催化劑的活性溫度。這種

26、方法簡(jiǎn)單，但熱量回收不完全。目前小型氨廠及部分中型氨廠采用此法回收利用反應(yīng)熱。 預(yù)熱反應(yīng)前的氫氮混合氣和副產(chǎn)蒸汽。既在塔內(nèi)設(shè)置換熱器預(yù)熱反應(yīng)前的氫氮混合氣，又利用余熱副產(chǎn)蒸汽。按副產(chǎn)蒸汽鍋爐安裝位置的不同，可分為塔內(nèi)副產(chǎn)蒸汽合成塔(內(nèi)置式)和塔外副產(chǎn)蒸汽合成塔(外置式)兩類(lèi)。目前一般采用外置式，該法熱量回收比較完全，同時(shí)得到了副產(chǎn)蒸汽，目前中型氮廠應(yīng)用較多。 預(yù)熱反應(yīng)前的氫氮混合氣和預(yù)熱高壓鍋爐給水。反應(yīng)后的高溫氣體首先通過(guò)塔內(nèi)側(cè)換熱器預(yù)熱反應(yīng)前的氫氮混合氣，然后再通過(guò)塔外的換熱器預(yù)熱高壓鍋爐給水。此法的優(yōu)點(diǎn)是減少了塔內(nèi)換器的面積，從而減小了塔的體積，同時(shí)熱能回收完全。目前大型合成氨廠一般采用

27、這種方法回收熱量。用副產(chǎn)蒸汽及預(yù)熱高壓鍋爐給水方式回收反應(yīng)熱時(shí)，生產(chǎn)一噸氨一般可回收0.50.9噸蒸汽。2.2氨合成工藝流程簡(jiǎn)述由壓縮送來(lái)的新鮮氣（30）在濾油器中與循環(huán)氣混合并分離油水后（35），經(jīng)壓出總管，氣體進(jìn)入冷凝塔上部（一次進(jìn)口），在上部熱交換器管程內(nèi)進(jìn)行預(yù)冷，其中的氣氨有部分冷凝，然后氣體（17）在分氣盒匯合，經(jīng)中心管向上，由一次出口出冷凝塔，同時(shí)進(jìn)入氨冷器A/B進(jìn)一步冷卻，冷卻后的低溫氣體（-10），在冷凝塔底部匯合，由底部二次入口進(jìn)入冷凝塔下部分離器二次分離液氨，冷凝的液氨由冷凝塔底部排出后，冷氣進(jìn)入上部熱交換器的管間，與一次入口氣體換熱后（27左右），從上部二次出口出來(lái)，分為

28、兩路：一路由V3閥進(jìn)入合成塔一次入口（作為塔壁保護(hù)氣，約占總氣量20%），從合成塔一次入口進(jìn)入外筒和內(nèi)件之間的環(huán)隙，向下冷卻塔壁后從塔下部一次出塔（70）。從一次出口出塔的氣體分為三部分：一部分經(jīng)V5作為1冷激氣，另一部分（1/6）經(jīng)V4（V4閥，防止塔內(nèi)件單向受壓）與主線匯合進(jìn)入塔二次入口，其余可以經(jīng)V2閥（V5和V2至少有一個(gè)打開(kāi)）同經(jīng)過(guò)V1的氣體在塔外換熱器前匯合，進(jìn)入塔外換熱器冷氣入口。一路是經(jīng)過(guò)V1閥的氣體（80%），和V2來(lái)的一出氣體混合后，進(jìn)入塔外換熱器上部冷氣入口與管程高溫氣體換熱后從下部冷氣出口出來(lái)。出塔外換熱器的氣體分為二部分：一部分（25）經(jīng)過(guò)V6作為2冷激氣，從頂部進(jìn)入

29、合成塔在冷激器內(nèi)與第一層出口氣體間接換熱后經(jīng)中心管四周進(jìn)入第一層入口。另一部分經(jīng)主線閥V7與經(jīng)V4的一出氣體混合后由塔下部二次入口進(jìn)入合成塔，通過(guò)下部換熱器與塔二出氣體換熱后即進(jìn)入中心管，然后上升至第一層入口與2冷激氣混合，經(jīng)過(guò)觸媒一層反應(yīng)后，在冷激器內(nèi)和1冷激氣換熱后進(jìn)入觸媒二層由外向內(nèi)反應(yīng)后，在層間換熱器內(nèi)和1冷激氣混合后進(jìn)入觸媒三層由內(nèi)向外反應(yīng)后，進(jìn)入下部換熱器與管間冷氣體換熱后從塔下部二次出口出塔。塔二出氣體從下側(cè)進(jìn)入中置鍋爐的U型管內(nèi)加熱鍋爐脫氧軟水，從塔外換熱器底部熱氣入口（210）進(jìn)入熱交換器內(nèi)被管間冷氣冷卻，從頂部熱氣出口（110）出來(lái)進(jìn)入高壓水冷器進(jìn)一步冷卻至常溫，其中部分氣

30、氨被冷凝，液氨在氨分離器中分出。在氨分離器中，大部分的氨被冷凝分離，剩余的氣體則在排放一部分放空氣后經(jīng)過(guò)循環(huán)機(jī)壓縮循環(huán)成為循環(huán)氣。為降低惰性氣體含量，保持循環(huán)系統(tǒng)中一定量的惰性氣體，循環(huán)氣岀氨分離器后部分放空，然后進(jìn)循環(huán)機(jī)增壓后送往油分離器，從而完成一個(gè)循環(huán)。在從氨分離器、冷凝塔分離的液氨，經(jīng)自調(diào)和手動(dòng)兩路降壓后排入液氨總管送入液氨貯槽，貯槽內(nèi)排放一部分馳放氣，液氨再通過(guò)倒氨管線向新區(qū)氨庫(kù)倒氨11。 圖2.1 氨合成工段工藝流程圖 第三章 工藝計(jì)算根據(jù)前面的工藝流程進(jìn)行物料衡算和熱量衡算3.1 原始條件(1)年產(chǎn)量200kt，年生產(chǎn)時(shí)間扣除檢修時(shí)間后按300天計(jì)，則產(chǎn)量為：27.778t/h

31、(2)新鮮補(bǔ)充氣組成表3.1 新鮮補(bǔ)充氣組成(摩爾分?jǐn)?shù)%)組分H2N2CH4Ar 總計(jì)含量74.45 24.121.100.33100(3) 合成塔入口中氨含量：NH3入=2.5%(4)合成塔出口中氨含量：NH3出=16.5%(5)合成塔入口惰性氣體含量：CH4 +Ar=15%(6)合成塔操作壓力：32Mpa(7)精練氣溫度：35(8)水冷器出口氣體溫度 35(9)循環(huán)機(jī)進(jìn)出口壓差 1.47MPa(10)年工作日 300 d 計(jì)算基準(zhǔn) 生產(chǎn)1t氨3.2 物料衡算3.2.1 合成塔物料衡算(1)合成塔入口氣組分： 入塔氨含量:y6NH3=2.5%; 入塔甲烷含量：y6CH4=15.00%

32、5;1.10/(1.10+0.33)×100%=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%表3.2 入塔氣組分含量(摩爾分?jǐn)?shù)%)NH3CH4ArH2N2總計(jì)2.511.5383.46261.87520.625100(2)合成塔出口氣組分： 以1000kmol入塔氣作為基準(zhǔn)求出塔氣組分， 由下式計(jì)算塔內(nèi)生成氨含量：mNH3=m6 (y9NH3-y

33、6NH3)/ (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 出塔氨含量： y9NH3=16.5% 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-y9NH3-y9CH4-y9Ar)×100%=

34、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%表3.3 出塔氣體組分含量(摩爾分?jǐn)?shù)%)NH3CH4ArH2N2總計(jì)16.513.1143.93549.83816.613100(3)合成率： 合成率=2mNH3/m6(1-y6NH3-y6CH4-y6Ar)×100% =2×120.172/1000×(1-0.025-0.15)×100%=29.133%3.2.2氨分離器氣液平衡計(jì)算 設(shè)氨分離器進(jìn)

35、口氣液混合物F，進(jìn)口物料組分m(i)，分離器組分y(i)，液量其中進(jìn)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=1Kmol/h進(jìn)口物料為計(jì)算基準(zhǔn),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 表3.4 已知氨分離器入口混合物組分(摩爾分?jǐn)?shù)%)NH3CH4ArH2N2總計(jì)16.513.11403.93549.83816.613100 查t=

36、35，P=29.4MPa時(shí)各組分平衡常數(shù)：表3.5 各組分平衡常數(shù)KNH3KCH4KArKH2KN20.0988.228.20027.50034.500 設(shè)(V/L)=11.1時(shí)，帶入L(i)=m(i)/1+(V/L)×K(i)=L(i): LNH3=mNH3/1+(V/L)×KNH3=0.165/(1+11.1×0.098)=0.07903Kmol LCH4= mCH4/1+(V/L)×KCH4=0.13114/(1+11.1×8.)=0.00143 Kmol LAr=mAr/1+(V/L)×KAr=0.03935/(1=11.1&

37、#215;28.2)=0.00013 Kmol LH2=mH2/1+(V/L)×KH2=0.49838/(1=11.1×27.5)=0.0163Kmol LH2=mN2)/1+(V/L)×KN2=0.16613/(1=11.1×34.5)=0.00043 Kmol L總= L(NH3)+ L(CH4)+ L(Ar)+ L(Ar)+ L(H2)+ L(N2)=0.08265 Kmol 分離氣體量：V=1-L=1-0.08265=0.91735 Kmol 計(jì)算氣液比：(V/L)=0.91735/0.08265=11.099 誤差(V/L)-(V/L)/(V/

38、L)=(11.10-11.099)/11.10×100%=0.009%，結(jié)果合理。 從而可計(jì)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=0.00143/0.08265×100%=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=0.00043/0.08

39、265×100%=0.5202%表3.6 氨分離器出口液體含量(摩爾分?jǐn)?shù)%)NH3CH4ArH2N2總計(jì)95.621.7300.1571.9720.52100 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=(0.49838-0.00163)/0

40、.91735=54.15% 氣體氮含量： yN2=mN2-LN2/V=(0.16613-0.00043)/0.91735=18.063%表3.7 氨分離器出口氣體含量(摩爾分?jǐn)?shù)%)NH3CH4ArH2N2總計(jì)9.3714.144.2854.1518.061003.2.3冷凝塔氣液平衡計(jì)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)KNH3KCH4KArKH2KN20.025427517580 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=0.1

41、1538/27=0.427% 出口液體氬含量: xAr=yAr/ KAr=0.03462/51=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%表3.9 冷交換器出口液體組分含量(摩爾分?jǐn)?shù)%)NH3CH4ArH2N2總計(jì)98.4250.4270.06780.8250.2581003.2.4液氨貯槽氣液平衡計(jì)算 由于氨分離器液體和冷交換器出口分離液體匯合后進(jìn)入液氨貯槽經(jīng)減壓后溶解在液氨中的氣體會(huì)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?jǐn)?shù)。 G%=(

42、1+y6NH3)×(y9NH3-yNH3)/( y9NH3- y6NH3)×(1- yNH3) =(1+0.025)×(0.165-0.0937)/ (0.165-0.025)×(1-0.0937)=57.599% 水冷后分離液氨占總量的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(jì)算為準(zhǔn)，即L0=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=0.5759

43、9×0.9562+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+0.42401×0.00068=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

44、.00409表3.10 液氨貯槽入口液體含量(摩爾分?jǐn)?shù)%)m0NH3m0CH4m0Arm0H2m0N2總計(jì)96.8091.1780.1191.4860.409100 當(dāng)t=17，P=1.568MPa時(shí)，計(jì)算得熱平衡常數(shù)：表3.11 各組分的平衡常數(shù)KNH3KCH4KArKH2KN20.598170540575620 根據(jù)氣液平衡L(i)=m(0i)/1+(V/L)k(i),設(shè)(V/L)=0.0821,代入上式得: 出口液體氨含量： LNH3=m0NH3/(1+(V/L)×kNH3 =0.96809/(1+0.0821×0.598)=0.92279 Kmol 出口液體甲烷含量

45、：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?dú)夂浚篖N2=m0N2/ 1+(V/L)×kN2 =0.00409/(1+0.0821×620)=0.00008 K

46、mol L(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% 出口液體氫氣含量： xH2=LH2/L=0.00031/0.924×10

47、0%=0.034% 出口液體氮?dú)夂浚?xN2=LN2/L=0.0008/0.924×100%=0.009%表3.12 液氨貯槽出口液氨組分(摩爾分?jǐn)?shù)%)NH3CH4ArH2N2總計(jì)9986.908.50.33.40.9100 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=(0.0011

48、9-0.00003)/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?dú)夂浚?yN2=(m0N2-LN2)/V=(0.00409-0.00008)/0.076×100%=5.28%表3.13 出口弛放氣組分含量(摩爾分?jǐn)?shù)%)NH3CH4ArH2N2總計(jì)59.614.461.5319.145.281003.2.5液氨貯槽物料計(jì)算 以液氨貯槽出口一噸純液氨為基準(zhǔn)折標(biāo)立方米計(jì)算液氨貯槽出口液體量 L(19)=1000×22.4/(0.99869

49、×17)=1319.375m 其中 NH3 L(19NH3)=L(19)×X(19NH3)=1319.375×99.869=1317.647 m CH4 L(19CH4)=L(19)×X(19CH4)=1319.375×0.085=1.121 m Ar L(19Ar)=L(19)×X(19Ar)=1319.375×0.003=0.0396 m H2 L(19H2)=L(19)×X(19H2)=1319.375×0.034=0.449 m N2 L(19N2)=L(19)×X(19N2)=1319

50、.375×0.009=0.119 m 液氨貯槽出口弛放氣(V/L)=0.0821 V(20)=0.0821×L(19)=0.0821×1319.375=108.321 m 其中NH3 V(20NH3)=V(20)×y(20NH3)=108.321×59.6=64.559 mCH4 V(20CH4)=V(20)×y(20CH4)=108.321×14,46=15.663mAr V(20Ar)=V(20)×y(20Ar)=108.321×1.53=1.657 mH2 V(20H2)=V(20)×y(

51、20H2)=108.321×19.14=20.773mN2 V(20N2)=V(20)×y(20N2)=108.321×5.28=5.719 m 液氨貯槽出口總物料=L(19)+ V(20)=1319.375+108.321=1427.696 m 液氨貯槽進(jìn)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(jì)算:L(18i)= L(19i) + V(20i) 其中 NH3 L(18NH3)=1317.647+64.559=1382.206m CH4 L(18CH4)=1.121+15.663=

52、16.784m Ar L(18Ar)=0.0396+1.657 =1.6966 m H2 L(18H2)=0.499 +20.733= 21.182 m N2 L(18N2)=0.119+ 5.719=5.838m 入口液體中組分含量核算,由 m´(18i)=L(18i)/L(18): 入口液體中氨含量 m´(18NH3)=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 m´(18Ar)= 1.6966/1427.6

53、96×100=0.119 入口液體中氫氣含量 m´(18H2)= 21.182/1427.696×100=1.484% 入口液體中氮?dú)夂?m´(18N2)= 5.838/1427.696×100=0.409% 入口液體中組分含量 m´(18i) m´(0i)3.2.6合成系統(tǒng)物料計(jì)算將整個(gè)合成看著一個(gè)系統(tǒng)，進(jìn)入該系統(tǒng)的物料有新鮮補(bǔ)充氣補(bǔ)V補(bǔ)， 離開(kāi)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(yè)圖) 由前計(jì)算數(shù)據(jù)如下表：表3.14 各組分的含量(摩爾分?jǐn)?shù)%)名稱(chēng)NH3CH4ArH2N2氣量補(bǔ)充氣-1.

54、10.3374.4524.12V補(bǔ)放空氣9.3714.144.2854.1518.063V放弛放氣59.614.461.5319.145.28108.321液氨99.8690.0850.0030.0340.0091319.375入塔氣2.511.5383.46261.87520.625V入出塔氣16.513.1143.93549.83816.6613 V出 根據(jù)物料平衡和元素組分平衡求V補(bǔ),V放,V入,V出： 循環(huán)回路中氫平衡： V補(bǔ)yH2補(bǔ)=V放yH2放V弛yH2弛+3/2V放yNH3放+3/2V弛yNH3弛+3/2LNH3 (3-1) 循環(huán)回路中氮平衡: V補(bǔ)yN2補(bǔ)=V放yN2放V弛yN2弛+1/2V放yNH3放+1/2V弛yNH3弛+1/2LNH3 (3-2) 循環(huán)回路中惰性氣體平衡: V補(bǔ)(yCH4放+yAr放)=V弛(yCH4放+yAr放)+V弛(yCH4弛+yAr弛) V補(bǔ)(0.011+