年产10万吨合成氨合成车间工艺设计任务书.doc

化工设计概论课程（年产10万吨合成氨合成车间工艺设计） 年产10万吨合成氨合成车间工艺设计目录一、设计任务21.1.1项目名称21.1.2生产产品21.1.3设计规模31.1.4全年生产时间31.1.5生产模式31.1.6建厂地区31.1.7水电气供应31.1.8广西扶绥地区水文地质资料3二、概论32.1.1氨的历史背景32.1.2氨的性质42.1.3氨的用途4三、合成氨工艺流程53.1合成氨原料(氮气)的制备531.1氮气的性质53.1.2氮气的制备63.1.3深冷空分制氮63.1.4分子筛空分制氮63.1.5膜空分制氮73.1.6 PSA制氮装置83.1.7几种空分方法的比较83.2合成氨原料（氢气）的制备103.2.1氢气的性质103.2.2氢气的制备123.2.3电解制氢技术123.2.1制氨典型流程123.2.2以焦炭（无烟煤）为原料的流程123.2.3 以天然气为原料的流程133.2.4 以重油为原料的流程13一、设计任务1.1.1项目名称：年产10万吨合成氨合成车间工艺设计1.1.2生产产品：合成氨（NH3）1.1.3设计规模：10万吨/年1.1.4全年生产时间：330天1.1.5生产模式：连续性生产1.1.6建厂地区：广西扶绥1.1.7水电气供应：由本厂提供1.1.8广西扶绥地区水文地质资料：亚热带季风气候，全年平均气温21.9。C,全年平均降水量10002000mm。二、概论2.1.1氨的历史背景 利用氮、氢为原料合成氨的工业化生产曾是一个较难的课题。从第一次实验室研制到工业化投产，约经历了150年的时间。1795年有人试图在常压下进行氨合成。后来又有人在50个大气压下试验，结果都失败了。19世纪下半叶，物理化学的巨大进展，使人们认识到由氮、氢合成氨的反应是可逆的，增加压力将使反应推向生成氨的方向，提高温度会将反应移向相反的方向，然而温度过低又使反应速度过小，催化剂对反应将产生重要影响。当时物理化学的权威、德国的能斯特就明确指出：氮和氢在高压条件下是能够合成氨的，并提供了一些实验数据。法国化学家勒夏特列第一个试图进行高压合成氨的实验，但是由于氮氢混和气中混进了氧气，引起了爆炸，使他放弃了这一危险的实验。2.1.2氨的性质 氨分子式为NH3，在标准状态下是无色气体，比空气轻，具有特殊的刺激性臭味。人们在大于100cm3/m3氨的环境中，每天接触8小时会引起慢性中毒。氨的主要物理性质有：极易溶于水，溶解时放出大量的热。氨水溶液呈碱性，易挥发。液氨和干燥的氨气对大部分物质没有腐蚀性，但在有水的条件下，对铜、银、锌等金属有腐蚀作用。氨的化学性质有：在常温下相当稳定，在高温、电火花或紫外光的作用下可分解为氮和氢。具有可燃性，自然点为630，一般较难点燃。氨与空气或氧的混合物在一定范围内能够发生爆炸。氨的性质比较活泼，能与各种无机酸反应生成盐。 2.1.3氨的用途 氨主要用于农业，合成氨是我化肥工业的基础，氨本身是最重要的氮素肥料，其他氮素肥料也大都是先合成氨，再加工成尿素或各种铵盐肥料，这部分均占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、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”。氨作为工业原料和氨化饲料，用量约占世界产量的12。硝酸、各种含氮的无机盐及有机中间体、磺胺药、聚氨酯、聚酰胺纤维和丁腈橡胶等都需直接以氨为原料生产。液氨常用作制冷剂。合成氨是大宗化工产品之一，世界每年合成氨产量已达到1亿吨以上，其中约有80%的氨用来生产化学肥料，20%作为其它化工产品的原料。氨作为最为重要的基础化工产品之一，同时也是能源消耗的大户，世界上大约有10%的能源用于合成氨。三、合成氨工艺流程3.1合成氨原料(氮气)的制备31.1氮气的性质物理性质：单质氮在常况下是一种无色无臭的气体，在标准情况下的气体密度是1.25gdm-3，熔点63K,沸点75K，临界温度为126K，它是个难于液化的气体。在水中的溶解度很小，在283K时，一体积水约可溶解0.02体积的N2。氮气在极低温下会液化成白色液体，进一步降低温度时，更会形成白色晶状固体。通常市场上供应的氮气都盛于黑色气体瓶中保存。化学性质：（1）与H2的反应显弱氧化性：N2+ 3H2= 2NH3（工业合成氨） （2）与O2的反应显还原性：放电化合：N 2 +O2=2NO（无色，有毒，与血红蛋白结合） NO易被氧化：2NO + O2 = 2NO2（红棕色，有毒，刺激呼吸器官） NO2易溶于水：3NO2 + H2O =2HNO3 + NO （NO2不是HNO3的酸酐） 2NO2 N2O4 （无色）（注雷雨肥过后庄稼会对N2 、NO 、NO2 、HNO3 等硝酸盐进行吸收。 NO、NO2是大气污染物，NO2能造成光化学烟雾。） 3.1.2氮气的制备:在工业中有三种，即深冷空分法、分子筛空分法(PSA)和膜空分法。3.1.3深冷空分制氮 深冷空分制氮是一种传统的制氮方法，已有近几十年的历史。它是以空气为原料，经过压缩、净化，再利用热交换使空气液化成为液空。液空主要是液氧和液氮的混合物，利用液氧和液氮的沸点不同(在1大气压下，前者的沸点为-183，后者的为-196)，通过液空的精馏，使它们分离来获得氮气。深冷空分制氮设备复杂、占地面积大，基建费用较高，设备一次性投资较多，运行成本较高，产气慢(1224h），安装要求高、周期较长。综合设备、安装及基建诸因素，3500Nm3h以下的设备，相同规格的PSA装置的投资规模要比深冷空分装置低2050。深冷空分制氮装置宜于大规模工业制氮，而中、小规模制氮就显得不经济。3.1.4分子筛空分制氮 以空气为原料，以碳分子筛作为吸附剂，运用变压吸附原理，利用碳分子筛对氧和氮的选择性吸附而使氮和氧分离的方法，通称PSA制氮。此法是七十年代迅速发展起来的一种新的制氮技术。与传统制氮法相比，它具有工艺流程简单、自动化程度高、产气快(1530分钟)、能耗低，产品纯度可在较大范围内根据用户需要进行调节，操作维护方便、运行成本较低、装置适应性较强等特点，故在1000Nm3h以下制氮设备中颇具竞争力，越来越得到中、小型氮气用户的欢迎，PSA制氮已成为中、小型氮气用户的首选方法。3.1.5膜空分制氮 以空气为原料，在一定压力条件下，利用氧和氮等不同性质的气体在膜中具有不同的渗透速率来使氧和氮分离。和其它制氮设备相比它具有结构更为简单、体积更小、无切换阀门、维护量更少、产气更快(3分钟)、增容方便等优点，它特别适宜于氮气纯度98的中、小型氮气用户，有最佳功能价格比。而氮气纯度在98%以上时，它与相同规格的PSA制氮机相比价格要高出15%以上。制氮工艺流程：变压吸附气体分离装置工作原理与工艺概述变压吸附(Pressuer Swing Adsorption，简称PSA)气体分离技术是一种利用气体不同组份对吸附剂的吸附能力不同，通过控制压力的增减实现气体分离的新技术。3.1.6 PSA制氮装置PSA空气制氮装置是以空气为原料，以碳分子筛为吸附剂，运用变压吸附原理，使充满微孔的碳分子筛对气体分子有选择性的吸附，从而达到氧、氮分离的目的，获得产品氮气。碳分子筛对空气中的氧和氮的分离原理为：这两种气体分子在碳分子筛表面上的扩速率不同，直径较小的氧气体分子扩散较快，较多地进入碳分子筛微孔，直径较大的氮气体分子扩散较慢，进入碳分子筛较少，同时根据碳分子筛随压力不同，吸附氧、氮的容量也有差异的特性，加压时碳分子筛优先吸附氧分子，这样氮在气相中被富集起来，形成成品氮气。在减压时，碳分子筛脱附所吸附的氧及其他杂质组份，碳分子筛得以再生。一般系统中设置两个吸附塔，一塔吸附产氮，另一塔脱附再生，通过全自动控制系统按特定程序自动控制加压吸附，减压脱附，常压解吸的循环过程，以实现连续生产氮气之目的。3.1.7几种空分方法的比较项目深冷空分法膜分离空分法变压吸附空分法分离原理将空气液化，根据氧和氮沸点不同达到分离。根据不同气体分子在膜中的溶解扩散性能的差异来完成分离。加压吸附，降压解吸，利用氧氮吸附能力不同达到分离。装置特点工艺流程复杂，设备较多，投资大。工艺流程简单，设备少，自控阀门少，投资较大。工艺流程简单，设备少，自控门较多，投资省。工艺特点-160-190低温下操作常温操作常温操作操作特点启动时间长，一般在1540小时，必须连续运转，不能间断运行，短暂停机，恢复工况时间长。启动时间短，一般在一般20min，可连续运行，也可间断运行。启动时间短，一般30min，可连续运行，也可间断运行。维护特点设备结构复杂，加工精度高，维修保养技术难度大，维护保养费用高。设备结构简单，维护保养技术难度低，维护保养费用较高。设备结构简单，维护保养技术难度低，维护保养费用低。土建及安装特点占地面积大，厂房和基础要求高，工程造价高。安装周期长，技术难度大，安装费用高。占地面积小，厂房无特殊要求，造价低。安装周期短，安装费用低。占地面积小，厂房无特殊要求，造价低。 安装周期短，安装费用低。产气成本0.51.0KW.H/Nm3以RICH膜分离制氮设备单位产气量能耗为例：单位产98%纯度氮气的电耗为0.29KW.H/Nm3。以RICH常温变压吸附制氮设备单位产气量能耗为例：单位产98%纯度氮气的电耗为0.25KW.H/Nm3。安全性在超低温、高压环境运行可造成碳氢化合物局部聚集，存在爆炸的可能性。常温较高压力下操作，不会造成碳氢化合物的局部聚集。常温常压下操作，不会造成碳氢化合物的局部聚集。可调性气体产品产量、纯度不可调，灵活性差气体产品产量、纯度可调，灵活性较好。气体产品产量、纯度可调，灵活性好。经济适用性气体产品种类多，气体纯度高，适用于大规模制气、用气场合。投资小、能耗低，适用于氮气纯度79%99.99的中小规模应用场合。膜分离制氮能耗在氮气纯度99%以下和变压吸附制氮能耗相差不大，氮气纯度99.5%以上经济性比变压吸附差。膜分离制氧工艺尚不成熟，一般产氧纯度21%45%，基本未得到工业应用。投资小、能耗低，适用于氧气纯度21%95%、氮气纯度79%99.9995的中小规模应用场合。RICH牌节能型变压吸附系列制氮装置经济性优异，特别是氮气纯度99.9%以上的设备更体现了变压吸附空分法的无与伦比的优势。注：其他供气方式是基于上述空分制气产业基础上的产业延伸，供气过程产生了中间环节的费用，增加了用气成本，可操作性差，其中运输式和钢瓶式供气存在较大安全隐患。3.2合成氨原料（氢气）的制备3.2.1氢气的性质物理性质:单质氢是由两个H原子以共价单键的形式结合而成的双原子分子,其键长为74pm。氢是已知的最轻的气体，无色无臭，几乎不溶于水（273K时1体积的水仅能溶解0.02体积的氢），氢具有很大的扩散速度和很高的导热性。将氢冷却至20K时，气态氢可被液化。液态氢可以把除氦以外的其他气体冷却转变为固体。同温同压下，氢气的密度最小，常用来填充气球。化学性质：（1）氢同非金属反应氢在常温下能与单质氟在暗处迅速反应生成HF，而与其他卤素或痒不发生反应。H2(g)+F2(g)2HF(g) -1.73103kjkg-1氢气在288K和0.1013MPa下雨氧气的反应热方程式为：H2(g)+1/2O2(g)H2O(g) -241.418kjmol-1在高温下，氢气还能同卤素、氮气等非金属反应，生成共价键型氢化物，例如工业上的合成氨反应。氢同硫或硒在250C时方可直接化合。（2）氢同金属反应多数金属可以在高温下直接同氢气作用生成金属氢化物。这些金属包括碱金属（除和镁）、某些稀土金属、第六主族金属（除硅），以及钯、你、铌、铀和钚。此外，铁、镍、铬和铂系金属都能依确定的化学配比吸收氢气。（3）氢同氧化物反应在高温下，氢气还能还原许多金属氧化物或金属卤化物为金属，被还原的金属是那些在电化学顺序中位置低于铁的金属，这类反应多用于制备纯金属。H2+CuOCu+H2O4H2+Fe3O43Fe+4H2O3H2+WO3W+3H2O2H2O+TiCl4Ti+4HCl(4)氢同其他化合物反应许多金属的卤化物或其他盐类都能被氢气还原。CuCl2+H2Cu+2HCl在格林试剂的存在下，氢气同Cr、Fe、Ni、Co、W或Mo的卤化物反应，可制备不稳定的整比金属氢化物。MCl2+2H2+2C6H5MgBrMH2+2C6H6+2MgBrCl许多硫化物可被氢气还原成相应的金属。FeS2+2H2Fe+2H2S3.2.2氢气的制备：电解制氢技术、化石原料制氢、太阳能制氢技术。3.2.3电解制氢技术电解槽是电解过程的关键设备，先后经历了几次更新换代：第一代是水平式和立式石墨阳极石棉隔膜槽；第二代是金属阳极石棉隔膜电解槽；第三代是离子交换膜电解槽。电解水制氢的电解槽是有电解池内装备的电解质、隔膜及沉浸在电解液中的成对的电极组成的。碱性电解液用氢氧化钾软化的水溶液做电解液，两极间用隔膜隔开，防止短路，并起到分离氢和氧的作用，分离器常做成多孔的隔膜，使电解液中的导电离子通过，不能通过气体，分离隔膜要有足够的强度和耐腐蚀性。 3.2.1制氨典型流程3.2.2以焦炭（无烟煤）为原料的流程 50年代以前，世界