合成氨工业设计及其计算.doc

第一章 合成氨的现状及发展概况1.1 概况氨是20世纪世界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。氨既是主要的最终产品，同时又是重要的中间体6。按其提供反应氮用途分为“化肥氮”和“工业氮”。氨主要用于农业，合成氨是氮肥工业的基础，氨本身就是重要的氮素肥料，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”7。氨在21世纪世界经济中仍将占有十分重要的地位。展望21世纪合成氨的发展，对于我们了解合成氨发展和变化规律，预测21世纪合成氨发展趋势，制定规划和促进社会经济可持续发展具有十分重要的现实意义。1.2 世界合成氨工业概况1.2.1 氨的生产能力和产量合成氨是化学工业中产量很大的化工产品。1982年，世界合成氨的生产能力为125Mt，但因原料供应、市场需求的变化，合成氨的产量远比生产能力要低。近年，合成氨产量以苏联、中国、美国、印度等十国最高，占世界总产量的一半以上8。1.2.2 消费和用途合成氨主要消费部门为化肥工业，用于其他领域的（主要是高分子化工、火炸药工业等）非化肥用氨，统称为工业用氨9。目前，合成氨年总消费量约为78.2Mt，其中工业用氨量约为10Mt，约占总氨消费量的12。1.2.3 原料合成氨主要原料有天然气、石油、重质油和煤等。1981年，世界以天然气制氨的比例约占71，苏联为92.2、美国为96、荷兰为100；中国仍以煤、焦炭为主要原料制氨，天然气制氨仅占20%。70年代原油涨价后，一些采用石油为原料的合成氨老厂改用天然气，新建厂绝大部分采用天然气作原料10。1.2.4生产方法生产合成氨的方法主要区在原料气的制造，其中最广泛采用的为蒸汽转化法和部分氧化法。1.3 尿素的生产工艺流程1.3.1 原料气制备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；对气态烃类和石油，工业中利用二段蒸汽转化法制取合成气11。1.3.2 净化将粗原料进行净化处理，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。(1) 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+CO2 -41.2kJ/mol (1-1)由于CO变换过程是强放热过程，必须分段进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12。(2) 脱硫脱碳过程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，常用的有低温甲醇洗法(Rectisol)、聚乙二醇二甲醚法(Selexol)等13。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。CO2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。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14。(3) 气体精制过程经CO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。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(ts ； 壳程介质温度为2233；管程介质温度为12542。 (3) 由工艺计算求得换热面积为170m2。6.2.2 计算(1) 管子数n选用252.5的无缝钢管，材质20号钢，管长3米。 因为 (6-2) 所以 根其中因安排拉杆需减少6根，实际管数为796根。(2) 管子排列方式，管间距的确定 采用正三角形排列，查工具手册，得知管层数为13层。 由工具手册表查得，管间距a=32mm。(3) 低压冷凝器壳体直径的确定 Di =a(b1)+2l (6-3)式中 Di 冷凝器内径，mm；Di 正六角形对角线上的管子数，查表，取b=27；l 最外层管子的中心到壳壁边缘的距离，取l=2d0； Di =32(271)+2225=932 取壳体直径Di =1000mm。(4) 冷凝器壁厚的计算材料选用20R钢，计算壁厚为 (6-4)Pc 计算压力，取Pc=1.0MPa；Di=1000mm；=0.85(局部无损焊接)；(设壳壁温度125)；取腐蚀裕量，查钢板厚度负偏差表得，其负偏差；所以此钢板厚度的附加值为，圆整后实际取值。(5) 低压冷凝器封头选择本设计上下封头均选用标准椭圆形封头(即)，根据JB/T47372002标准，封头为，曲面高度；直边高度，如图所示(见图6.2)，材料选用20R钢；下封头与裙座焊接直边高度去40mm。(6) 容器法兰的选择材料选用16MnR，根据JB470392标准，选用，的榫槽密封面长颈对焊法兰。法兰尺寸如图所示，见图6.3。(7) 管板尺寸确定选用固定式换热器管板，并兼做法兰。由钢制列管式固定管板换热器结构设计手册，查得，见图6.4。(8) 管子拉脱力计算a、： (6-5)式中 b、温差应力导致的每平方米胀接周边上的拉脱力： (6-6)式中 (6-7) 查操作手册得， ；于是由已知条件可知，与的作用方向相同，都使管子受压，则合拉脱力为：因此，拉脱力在许用范围之内。(9) 计算是否安装膨胀节管、壳壁温差所产生的轴向力： (6-8) 作用与壳体上的轴向力： (6-9)其中 作用于管子上的轴向力： (6-10) 则 (6-11) (6-12) 根据钢制管壳式换热器设计规定 条件成立，故本冷凝器不必设置膨胀节。(10) 折流板设计折流板为弓形，折流板间距取600mm；查表得折流板最小厚度为6mm，查得折流板外径995.5mm，折流板开孔直径查表得，材料为Q235A钢，见图6.5。拉杆选用12，共六根，材料为Q235AF钢。(11) 开孔补强冷凝器壳体和封头上的接管处开孔需要补强，常用的结构是在开孔外面焊接上一块与容器材料和厚度都相同即6mm厚度的20R钢板。其补强结构图见图6.6。(12) 支座采用裙座。这里选裙座厚度=8mm，基础环厚度取=14mm。低压冷凝器的设备结构图见图6.7。第七章 低压工段工艺流程图及设备览表7.1 低压工段工艺流程图见图7.17.2 低压工段工艺流程图设备说明表7.2 低压工段流程图设备说明Tab.7.2 The equipment explanation of construction section flow chart in low pressure1E-103低压分解器2E-104真空预浓缩器3E-108低压冷凝器4E-112低压氨吸收塔（与C-104组装）5E-116解吸塔预热器6E-118水解器预热器7V-104真空预浓缩器分离器8V-106碳铵液储罐9V-124E-103蒸汽冷凝液分离器10C-102解吸塔11C-104低压惰性气洗涤塔12L-103低压分解塔受槽13L-104真空预浓缩器受槽14R-102水解器15P-103A/B中压碳铵液泵16P-105氨升压泵17P-106A/B尿素溶液泵结 论氨在21世纪世界经济中仍将占有十分重要的地位。其产量将居各种工业化工产品的首位。世界合成氨中其化肥用氨已经占氨产量的85%以上。专家预测我国合成氨年产量2020 年将增加至45Mt。即今后20 年间将增加到现在的2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。斯那姆尿素工艺以其工艺技术上的先进性，正逐渐在世界尿素生产中占主导地位，并为越来越多的企业所接受。可以预见21世纪合成氨技术将会不断向前发展， 效率更高、能耗更低、与环境友好的合成氨生产技术将满足世界对氨的需求。减少排放物对环境的污染，提高企业生产的经济效益，已成为当今合成氨工业生产技术发展的方向21。国际上对合成氨的需求，随着人口的增长而对农作物增产的需求和环境绿化面积的扩大而不断增加。展望21世纪我国的合成氨工业，原料将仍会气、液、固多样化，新建或扩建厂将会注重采用先进成熟的工艺，还会注意经济性和盈利性，并进一步集中向低能耗、清洁生产的方向迈进。参考文献：1 刘志臣氨汽提法尿素新技术应用总结与探讨J.化学学报，2007，45：1316.2 汪广春，赵金辉等氨汽提法全循环尿素装置改造总结J.化肥工业，2005，33：4749.3 唐文骞，韩喜民等氨汽提法尿素装置设计技术及改造方案J.化工设计情报简讯，1999，9（2）：1316.4 唐文骞水溶液全循环法尿素生产中几个问题的探索J.氮肥技术，2007，28：13.5 程远庭.水溶液全循环法尿素工艺设计改进J.化肥设计，1998，36：2122.6 钱镜清采用预分离- 预蒸馏工艺流程改造水溶液全循环尿素装置的技术展J.中氮肥，2004，2：15.7 王君， 祁勇， 崔琨.尿素生产工艺简介J.中氮肥，2001，3：2729.8 钱镜清水溶液全循环尿素装置蒸发造粒系统技改综述J.中氮肥，2004，5：69.9 周 峰，季 青.尿素蒸发系统改造J.河南化工，2001，8：3133.10 王志峰.值得推广的斯那姆尿素技术J.化肥工业，2002，33：4245. 11 王庭富.21世纪合成氨的展望J.化工进展，2001，20：6-8.12 李子彬. 中国化工商品大全(上)M.化学工业出版社， (1995).13 黄 璐，王保国. 化工设计M.北京：化学工业出版社，2001.14 姚玉英. 化工原理M.天津：天津科学技术出版社，2006.15 王正烈，周亚平. 物理化学M.北京：高等教育出版社，2001.16 侯德榜.制碱工学M.化学工业出版社，1960.17 刁玉玮，王立业. 化工设备机械基础M.大连：大连理工大学出版社，2003.18 刘欣.SNAM氨自汽提工艺介绍与分析J .化学学报，2004，32：912.19 化工部第四设