合成氨合成工段工艺12.doc

毕业论文 设计 毕业论文 设计 2012 届 题 目 合成氨合成工段工艺 专 业 学生姓名 学 号 小组成员 指导教师 完成日期 2012 04 10 毕毕 业业 论论 文 设文 设 计 计 任任 务务 书书 班级班级 日期日期2012 04 10 1 论文 设计 题目 合成氨合成工段工艺合成氨合成工段工艺 2 论文 设计 要求 1 学生应在教师指导下按时完成所规定的内容和工作量 最好是独立完成 2 选题有一定的理论意义与实践价值 必须与所学专业相关 3 主题明确 思路清晰 4 文献工作扎实 能够较为全面地反映论文研究领域内的成果及其最新进展 5 格式规范 严格按系部制定的论文格式模板调整格式 6 所有学生必须在 月 日之前交论文初稿 3 论文 设计 日期 任务下达日期 2011 年 12 月 10 日 完成日期 2012 年 4 月 10 日 4 指导教师签字 毕毕 业业 论论 文 设文 设 计 成计 成 绩绩 评评 定定 报报 告告 序 号 评分指标具 体 要 求分数范围得 分 1 学习态度 努力学习 遵守纪律 作风严谨务实 按期完成规 定的任务 0 10 分 调研论 证 能独立查阅文献资料及从事其它形式的调研 能较 好地理解课题任务并提出实施方案 有分析整理各 类信息并从中获取新知识的能力 0 15 分 综合能 力 论文能运用所学知识和技能 有一定见解和实用价 值 0 25 分 2 能 力 与 质 量 论文 设计 质量 论证 分析逻辑清晰 正确合理 0 20 分 3 工作量 内容充实 工作饱满 符合规定字数要求 绘图 表 符合要求 0 15 分 4 撰写质量 结构严谨 文字通顺 用语符合技术规范 图表清 楚 字迹工整 书写格式规范 0 15 分 合计0 100 分 评语 成 绩 评阅人 签名 日 期 毕业论文答辩及综合成绩 答 辩 情 况 自 述 情 况 清 晰 完 整 流 利 简 练 清 晰 完 整 完 整 熟 悉 内 容 基 本 完 整 熟 悉 内 容 不 熟 悉 内 容 回 答 问 题 提 出 问 题 正 确 基本 正确 有一 般性 错误 有原 则性 错误 没有 回答 答辩小组评语及建议成绩 答辩委员会综合成绩 答辩委员会主任签字 年 月 日 合成氨合成工段工艺合成氨合成工段工艺 摘要 摘要 在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 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 合成氨生产过程中 换热器应用十分广泛 主要用于热量的交换和回收 变换工段中主要涉及一氧化 碳的转化和能量的回收利用 列管换热器在传热效率 紧凑性和金属耗量不及某些换热器 但它具有结构 简单 坚固耐用 适用性强 制造材料广泛等独特优点 因而 在合成氨变换工段选择列管式换热器 而 本设计主要对该换热器进行相关选计算 关键词 氨 合成氨 反应热 氢气 目录目录 1 绪论 1 1 1 怎样固氮 1 1 2 氨从实验室到工业生产 1 1 2 1 艰难的探索 1 1 2 2 哈伯终成正果 1 1 3 氨工业化后的发展 2 2 氨的合成 3 2 1 原料气来源 3 2 1 1 煤气的生成 3 2 1 2 天然气制氨 3 2 1 3 重质油制氨 4 2 3 氨合成反应的特点和催化剂 4 2 3 1 氨合成反应的特点 4 2 3 2 氨合成铁系催化剂 4 2 4 最佳工艺条件的选择 5 2 4 1 压力 6 2 4 2 温度 6 2 4 3 空间速度 6 2 4 4 合成塔入口气体组成 6 2 5 合成氨工艺流程 6 3 工艺过程设计 8 3 1 估算传热面积 8 3 1 1 查取物行数据 8 3 1 2 热量衡算 8 3 1 3 确定换热器的材料和压力等级 8 3 1 4 流体通道的选择 8 3 1 5 计算传热温差 8 3 1 6 选 K 值 估算传热面积 9 3 1 7 初选换热器型号 9 3 2 计算流体阻力 10 3 2 1 管程流体阻力 10 3 2 2 壳程流体阻力 10 3 3 计算传热系数 校正传热面积 11 3 3 1 管程对流给热系数 i 11 3 3 2 壳程对流传热系数 0 11 3 3 3 计算传热系数 11 3 3 4 计算传热面积 12 4 节能措施 14 5 世界合成氨工业近期进展及前景展望 15 6 总结 17 参考文献 18 致 谢 19 化学工程系毕业设计 论文 1 1 1 绪论绪论 1 1 怎样固氮怎样固氮 氨 Ammonia 分子式NH3 1754 年由英国化学家普里斯特利 J Joseph Priestley 加热氯化铵和石灰石时发现 1784 年 法国化学家贝托雷 C L Berthollet 确定了氨是由氮和氢组成的 从那以后很长一段时间 氨的主要 来源是氮化物 而氮化物的主要来源是自然界中的硝石矿产 19 世纪以来 人类步入了现代化的历程 随着农业的发展 氮肥的需求量在不断 提高 同时随着工业的突飞猛进 炸药的需求量也在迅速增长 1809 年 在智利发现 了一个很大的硝酸钠矿产地 但是面对人类不断膨胀的需求 自然界的生物和矿产资 源毕竟有限 然而全世界无论何处 大气的五分之四都是氮 如果有人能学会大规模 地 廉价地把单质的氮转化为化合物的形式 那么 氮是取之不尽 用之不竭的 因 此将空气中丰富的氮固定下来并转化为可被利用的形式 成为一项受到众多科学家注 目和关切的重大课题 而合成氨 作为固氮的一种重要形式 也变成了19 至20 世纪 化学家们所面临的突出问题之一 1 2 氨从实验室到工业生产氨从实验室到工业生产 1 2 1 艰难的探索 氨的合成反应式 N2 3H2 2NH3 合成氨的化学原理 写出来 不过这样一个方程式 但就是这样一个简单的化学 方程式 从实验室研究到最终成功 实现工业生产 却经历了约150 年的艰难探索 在此期间 曾有不少著名的化学家踏上了合成氨的研究之路 但他们的最终结局却都 是无功而返 1795 年 曾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 这实际上 就为合成氨的试验提供了理论指导 1 2 2 哈伯终成正果 在合成氨研究屡屡受挫的情况下 德国物理化学家F 哈伯 Fritz Haber 知难 化学工程系毕业设计 论文 2 而进 对合成氨进行了全面系统的研究和实验 攻克了这一令人生畏的难题 由于哈伯和博施的突出贡献 他们分别获得1918 1931 年度诺贝尔化学奖金 其 他国家根据德国发表的论文也进行了研究 并在哈伯 博施法的基础上作了一些改进 先后开发了合成压力从低压到高压的很多其他方法 表1 1 名称合成压力 MPa 年份开发国家 哈伯 博施法20 31913德国 克劳德法100 31917法国 卡塞莱法70 9 80 11920意大利 佛瑟法30 41921意大利 蒙特 赛尼斯 伍德法10 1 15 21921德国 氮气工程公司法30 41921美国 表1 1 氨合成方法 到20世纪30年代初 合成氨已经成为世界上广泛采用的制氨方法 20 世纪70 年 代以来 合成氨的生产不仅促进了如高压 低温 原料气制造 气体净化 特殊金属 冶炼以及催化剂研制等方面的发展 还对一些化学合成工业 如尿素 甲醇和高级醇 石油加氢精制 高压聚合等起了巨大的推动作用 表1 2 1931 1932年度世界氨产量 以N 计 来源产量 kt 比例 煤气副产氨水47215 3 氰化法100 3 合成氨法260984 4 1 3 氨工业化后的发展氨工业化后的发展 自从合成氨工业化后 原料构成经历了重大的变化 煤造气时期第一次世界大战结束 很多国家建立了合成氨厂 开始以焦炭为原料 20 年代 随着钢铁工业的兴起 出现了用焦炉气深冷分离制氢的方法 焦炭 焦炉气 都是煤的加工产物 为了扩大原料来源 曾对煤的直接气化进行了研究 1926 年 德 国法本公司采用温克勒炉气化褐煤成功 第二次世界大战结束 以焦炭 煤为原料生 产的氨约占一半以上 烃类燃料造气时期早在 20 30 年代 甲烷蒸汽转化制氢已研究成功 50 年代 天然气 石油资源得到大量开采 由于以甲烷为主要组分的天然气便于输送 适于加 压操作 能降低氨厂投资和制氨成本 在性能较好的转化催化剂 耐高温的合金钢管 化学工程系毕业设计 论文 3 相继出现后 以天然气为原料的制氨方法得到广泛应用 接着 抗积炭的石脑油蒸汽 转化催化剂研制成功 缺乏天然气的国家采用了石脑油为原料 60 年代以后 又开发 了重质油部分氧化法制氢 到1965 年 焦 煤在世界合成氨原料中的比例仅占5 8 从此 合成氨工业的原料构成由固体燃料转向以气 液态烃类燃料为主的时期 由于高压设备尺寸的限制 50 年代以前 最大的氨合成塔能力不超过日产200t 氨 60年代初不超过日产400t 氨 随着由汽轮机驱动的大型 高压离心式压缩机研制成功 为合成氨装置大型化提供了条件 大型合成氨厂的数目也逐年增多 合成氨厂大型化 通常指规模在日产540t 以上的单系列装置 1963 和1966 年美国凯洛格公司先后建成 世界上第一座日产540t 和900t 氨的单系列装置 显示出大型装置具有投资省 成本低 占地少和劳动生产率高等显著优点 2 2 氨的合成氨的合成 2 1 原料气来源原料气来源 2 1 1 煤气的生成 原料气主要有两部分 氮气 氢气 氮气主要是从空气中提取 氢气是从半水煤气中提取的 以煤为原料 在一定的 高温条件下通入空气 水蒸气或富养空气 水蒸气混合气 经过一系列反应生成含有一 氧化碳 二氧化碳 氢气 氮气 及甲烷等混合气体的过程 在气化过程中所使用的 空气 水蒸气或富养空气 水蒸气混合气等称为汽化剂 这种生成的混合气称为煤气 煤气的成分取决于燃料和汽化剂的种类以及进行汽化的条件 根据所用汽化剂的 不同 工业煤气可分为下列四种 1 空气煤气 以空气为汽化剂制取的煤气 又称为吹风气 2 水煤气 以水蒸气 或水蒸气与氧的混合气 为汽化剂制取的煤气 3 混合煤气 以空气和适量的水蒸气为汽化剂制取的煤气 一般作燃料用 4 半水煤气 是混合煤气中组成符合 H2 CO N2 3 1 3 2 的一个特例 可 用蒸气与适量的空气或蒸气与适量的富养空气为汽化剂制得 也可用水煤气与吹风混 合配制 本设计采用半水煤气 半水煤气经过净化后得到纯净的氢气 再配制适量的氮气 成为合成氨的原料气 2 1 2 天然气制氨 化学工程系毕业设计 论文 4 天然气先经脱硫 然后通过二次转化 再分别经过一氧化碳变换 二氧化碳脱除 等工序 得到的氮氢混合气 其中尚含有一氧化碳和二氧化碳约 0 1 0 3 体积 经甲烷化作用除去后 制得氢氮摩尔比为 3 的纯净气 经压缩机压缩而进入氨合成回 路 制得产品氨 以石脑油为原料的合成氨生产流程与此流程相似 2 1 3 重质油制氨 重质油包括各种深度加工所得的渣油 可用部分氧化法制得合成氨原料气 生产 过程比天然气蒸气转化法简单 但需要有空气分离装置 空气分离装置制得的氧用于 重质油气化 氮作为氨合成原料外 液态氮还用作脱除一氧化碳 甲烷及氩的洗涤剂 2 3 氨合成反应的特点和催化剂氨合成反应的特点和催化剂 2 3 1 氨合成反应的特点 氨的合成是氨厂最后一道工序 任务是在适当的温度 压力和有催化剂存在的条 件下 将经过精制的氢氮混合气直接合成成氨 然后将所产的气氨从未合成为氨的混 合气体中冷凝分离出来 得到产品液氨 分离氨后的氢氮气体循环使用 氨合成的化学反应式如下 1 2 N2 3 2 H2 NH3 这一化学反应具有如下几个特点 该反应是可逆反应 在氯气和氢气反应生成氨的同时 氨也分解成氢气和氮气 前者称为正反应 厅者称为逆反应 该反应是放热反应 在生成氨的同时放出热量反应热与温度 压力有关 该反应是体积缩小的反应 从反应式可以看出 由 1 5 个分子的氢和 0 5 个分 子的氮 反应后生成 1 分子的氨 在化学反应过程中 体积减少 反应需要有催化剂 实践证明 在没有催化剂存在的条件下 生成氨的反应速 度相当缓慢 在 300 500 的条件下 氨合成反应需要若干年才能达到平衡 但在适当 催化剂的作用下 减少了氢氮气化合时所需要的能量 因此大大加快了反应速度 2 3 2 氨合成铁系催化剂 在工业催化过程中 氨的合成是研究得最多 最深入的典型过程之一 近年来合 成氨工业的进展 很大程度上是由于催化剂质量的提高而取得的 氨合成中的工艺条 件也大都取决于所选用催化剂的性质 可见 催化剂的作用事十分重要的 通过研究 发现 对氨合成反应具有活性的一系列金属中 以铁为主体 并添加有促进剂的铁系 催化剂 价廉易得 活性良好 使用寿命长 因而铁系催化剂获得了广泛应用 化学工程系毕业设计 论文 5 热力学计算表明 低温 高压对合成氨反应是有利的 但无催化剂时 反应的 活化能很高 反应几乎不发生 当采用铁催化剂时 由于改变了反应历程 降低了 反应的活化能 使反应以显著的速率进行 目前认为 合成氨反应的一种可能机理 首先是氮分子在铁催化剂表面上进行化学吸附 使氮原子间的化学键减弱 接着 是化学吸附的氢原子不断地跟表面上的氮分子作用 在催化剂表面上逐步生成 NH NH2 和 NH3 最后氨分子在表面上脱吸而生成气态的氨 上述反应途径可简单地表示为 N2 FexNxFe H 吸 NFexNHFex H 吸 FexNH2NHFex FexNH2 H 吸 FexNH3xFe NH3 铁系催化剂的主要成分是和 Fe2O3并加入少量的其他金属氧化物FeO A12O3 K2O Cao 等为促进剂 又称助催化剂 催化剂的活性组分是金属铁 而不是铁的氧化物 因此 使用前在一定的温度下 用氢氮混合气使其还原 即使氧化铁被还原为具有活性的 型纯铁 催化剂还原反应为 Fe2O3 4H2 3Fe 4H2O H 149 9 kJ mo1 1 FeO 加入 A12O3 的作用 它能与氧化铁生成 A12O3晶体 其晶体结构与FeO Fe2O3相同 当催化剂被氢氯混合气还原时 氧化铁被还原为 型纯铁 而FeO A12O3不被还原 它覆盖在 Fe 品粒的表面 防止活性铁的微晶在还原时及以后的使 用中进一步长大 这样 Fe 的品粒间就出现了空隙 形成纵横交错的微型孔道结构 大大地增加了催化剂的表面积 提高了活性 加入的作用与 A12O3有相似之处 在还原过程中 也能防止活性铁的微MgOMgO 晶进一步长大 但其主要作用是增强催化剂对硫化物的抗毒能力 并保护催化剂在高 温下不致因晶体破坏而降低活性 故可延长催化剂寿命 加入 Cao 的作用 为了降低熔融物的熔点和粘度 并使 A12O3易于分散在 Fe2O3中 还可提高催化剂的热稳定性 FeO 氨合成铁催化剂是一种黑色 有金属光泽 带磁性 外形不规则的固体颗粒 铁 催化剂在空气中易受潮 引起可溶性钾盐析出 使活性下降 经还原的铁催化剂若暴 露在空气中则迅速燃烧 立即失掉活性 一氧化碳 二氧化碳 水蒸气 油类 硫化 物等均会使铁催化剂暂时或永久中毒 长时间的含氧化合物中毒亦会造成永久中毒 各类铁催化剂都有一定的起始活性温度 最佳反应温度和耐热温度 2 4 最佳工艺条件的选择最佳工艺条件的选择 氨合成的生产工艺条件必须满足产量高 消耗定额低 工艺流程及设备结构简单 操作方便及安全可靠等要求 决定生产条件员主要的因素是操作压力 温度 空间速 化学工程系毕业设计 论文 6 度 气体组成和催化剂等 2 4 1压力 工业上合成氨的各种工艺流程 一般都以压力的高低来分 从化学平衡和化学反 应速度的角度看 提高操作压力对氨的合成是有利的 在一定的空间速度下 合成压 力越高 氨净值 合成塔出入口氨含量之差 越高 合成塔的生产能力也就越大 从图 2 6 可以看出 氨产率是随着压力的升高而上升的 同时压力高也有利于氨的分离 在较高温度下气氨即可冷凝为液氨 冷冻功减少 氨合成压力高 设备紧凑 流程简 单 但对设备的材质和制造的要求较高 同时 高压下反应温度较高 催化剂使用寿 命短 操作管理也比较困难 因此压力不宜过高 目前我国中小型合成氨厂操作压力大多数采用 20 32MPa 而采用离心式压缩机的 大型合成氨厂的操作压力一般为 U 27MPa 2 4 2 温度 氨合成反应必须在催化剂的存在下才能进行 而催化剂必须在一定的温度范围内 才具有催化活性 所以氨合成反应温度必须维持在催化剂的活性温度范围内 目前工 业上使用的铁催化剂的活性温度范围大体在 400 525 之间 2 4 3 空间速度 单位体积催化剂在单位时间内处理的气体量称为空间速度 空间速度大小意味着 处理气量的大小 在一定的温度 压力下 增大空间速度 就加快了气体通过催化剂 的速度 气体与催化剂接触时间缩短 在确定条件下 出塔气体中氨含量要降低 一 般操作压力在 30MPa 的中压法合成氨 空间速度选择在 20000 30000m3 h 之间 空间 速度 处理的气量大 能增大产量 但氨净值有所降低 空间速度过大 氨分离不完 全 增大设备负荷 增大动力消耗 2 4 4 合成塔入口气体组成 合成塔入口气体组成包括氢氮比 惰性气体含量与初始氨含量 从反应平衡的角度来看 当氢氮比接近 3 时 可获得最大的平衡氨浓度 在实际 生产中 进塔循环气的氢氯比控制在比较合适 2 9 2 5 2 5 合成氨工艺流程合成氨工艺流程 实现氨合成的循环 必须包括如下几个步骤 氢 氮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情性气体的平衡等 由于采用压缩机的型式 氨分离冷凝级数 热能回收形式以及各部分相对位置的 差异 而形成不同的工艺流程 1 两次分离液氨产品的典型流程 液氨产品两次分离的流程 即液氨在两个部位 水冷器及氨冷器中冷凝分离 这类流程按是否副产蒸汽而分为不副产蒸汽和副产蒸汽两种流程 化学工程系毕业设计 论文 7 合成塔出口气体先经水冷却器冷却到一定程度 使其中大部分氨冷凝下来 从第 一氨分离器中分出来 气体随即进入循环压缩机 提高压力并与新鲜气混合后 流入 冷交换器和氨冷却器中 气体中余下的氨在冷却 冷凝 并在第二氨分离器中分出 分离氨后的气体即进入合成塔 2 一次分离液氨工艺流程 净化合成气在 38 和 2 5MPa 条件下进入合成气压缩机 合成气由离心式压缩机压 缩 合成循环气进入压缩机第二缸中间氏轮 并经最后一段压缩与合成循环中的新鲜 原料气相混合 最后 把所制得的合成氨储存到罐里或通往其他地方继续加工生产 高压机氨冷嚣 冷凝塔 气 气换热嚣 合成塔水冷器分离器 新鲜气 新鲜气 有液氨 的高压 混合气 循环气 气体气液混合 混合气体 循环气 氨 氨 化学工程系毕业设计 论文 8 3 工艺过程设计工艺过程设计 合成氨厂变换工段为回收变换气的热量以提高进饱和塔的热水温度 需设计一台 列管式换热器 已知 变换气流量为 变换气进换热器温度为 压hkg 3 1010 C 245 力为 热水流量为 热水进换热器温度为 压力为 MPa9 0hkg 3 1052 C 160MPa95 0 要求热水升温 设变换器出换热器时的压力为 C 8MPa88 0 3 1 估算传热面积估算传热面积 3 1 1 查取物行数据 水的定性温度为 C 1642 168160 设变换气出换热器的温度为 则变MPa89 02 88 09 0 变换气的平均压C 168 换器的平均温度为 查得水与变换器的物性数据如下 C 5 2062 168245 介质密度 3 mkg 比热容 CkgkJCp 粘度 sPa 导热系数 CmW 水 变换 气 98 2 8 924 96 0 308 4 5 5 10717 1 1001 24 0783 0 686 0 3 1 2 热量衡算 热负荷hkjttCqQ CPcm 79 1 160168 266 4 1051 3 12 hkjttCqQ cpcm 63 12 1076 1 160168266 4 1051 变换气出口温度 CCqQTT hphm 16996 1 10101079 1 245 36 12 此值与原设相近 故不再试算 以上物行数据有效 2 TCT 168 2 3 1 3 确定换热器的材料和压力等级 考虑到腐蚀性不大 合成氨厂该换热器一般采用碳钢材料 故本设计中也采用碳 钢材料 本设计中压力稍大于 为安全设计 采用的公称压力等级 MPa5 0MPa0 1 3 1 4 流体通道的选择 合成氨厂此换热器中一般是热水走管程 变换气走壳程 这是因为变换气流量比 水大得多 走壳程流道界面大且易于提高其 值的缘故 本设计亦采用此管 壳程流 体的方案 3 1 5 计算传热温差 首先计算逆流时平均温差 化学工程系毕业设计 论文 9 考虑到管程可能是 2 4 程 但壳程数为 1 查图 2 29 得 t 0 89 0 8 所以两流体的平均温差为 tm t tm 0 89 24 68 21 96C 3 1 6 选 K 值 估算传热面积 根据生产经验 取 则 200 2 CmWk 3 1 7 初选换热器型号 由于两流体温差小于 故可采用固定管板式换热器 有附录初选 G800VI 10 C 50 100 型换热器 有关参数列表如下 外壳直径 D800管子尺寸 mm 25 2 5 公称压强 a MP0 1管子长度 l m3 公称面积 m2100管数 N444 管程数 Np6管心距 t mm32 管子排列方式三角形 按上列数据核算管程 壳程的流速及 Re 管程流通截面积 管内水的流速 C t t tt tm 68 24 160164 168245 ln 160164 168245 ln 2 1 21 094 0 160245 160168 11 12 tT tt P 12 10 160168 164245 12 21 tt TT R 2 36 3 98 360096 21200 101055 1 m tk Q S m 22 02324 0 6 444 02 0 44 m N N dS P ii sm S q u ic cm i 665 0 02324 0 8 9343600 1052 3600 3 4 5 1071 5 1077 21 8 934665 0 02 0 Re c cii i ud 化学工程系毕业设计 论文 10 壳程流通截面积 ocd nDhS 0 取24 c n 取折流板间距 2 08 0 025 0 248 04 0400mmmSh 壳内变换气流速 当量直径 3 2 计算流体阻力计算流体阻力 3 2 1 管程流体阻力 221 NNFppp pti 设管壁粗糙度为 则 mm1 0005 0 201 0 d 查得摩擦系数 4 1099 4 Re i 03 0 PaNNFppp pti 13534164 11611 221 符合一般要求 3 2 2 壳程流体阻力 2 2 10 NNFppp pt 因为 故5001058 3 Re 4 i 2 234441 11 1 nnc 2 2 1 i c i u d l p 3 0 0 10 10 11 65 360036002 980 08 m h h q um s S m d dt de0202 0 025 0 025 0 4 032 0 2 3 4 42 3 4 22 0 0 2 4 0 0 5 11 652 980 0202 Re4 08 10 1 717 10 eh h d u 2 3 2 2 i cu p Pa u d l pp i c i 1611 2 665 0 8 934 3 02 0 3032 0 2 3 2 2 21 2 1 2 001 0 u NnFfp h B 2 25 3 2 0 2 u DhNp h B 458 0 1058 3 0 5Re0 5 228 0 4 228 00 o f 化学工程系毕业设计 论文 11 管子排列为正三角形排列 取 F 0 5 当板数取为 75 61 4 03 1 1 hNB 取污垢校正系数 Fs 1 0 a Mpoop2 6 1143810 196 5 5 6342 0 故管 壳程压力损失均符合要求 3 3 计算传热系数 校正传热面积计算传热系数 校正传热面积 3 3 1 管程对流给热系数 i 4 1071 5 Re i 3 3 2 壳程对流传热系数 0 壳程采用弓形折流板 故 3 3 3 计算传热系数 取污垢热阻kwCmRskwCmRsi 2 0 2 50 0 03 0 以管外面积为基准 2 1 11 65 0 5 0 42624 71 2 988270 26 2 pPa 2 2 0 411 65 7 3 52 2 983539 0 82 pPa 51 1 686 0 1001 2410308 4 Pr 53 h hph i C 593851 1 1071 5 02 0 686 0 023 0 PrRe023 0 24 08 04 4 08 0 CmW d ii i i i 626 0 0783 0 105 21096 1 Pr 53 0 c cpc C 4510 1626 0 109 4 0202 0 0783 0 36 0 PrRe36 0 23 155 0 4 3 1 0 55 0 0 0 0 0 CmW d w 化学工程系毕业设计 论文 12 3 3 4 计算传热面积 所选换热器实际面积为 2 0 6 1043025 0 14 3 4441mdnS 2 36 7 64 360096 21303 101055 1 m tK Q S m 计 需 61 1 7 64 6 104 需 供 S S 303 451 1 0005 0 5 2245 250025 0 20 25 0003 0 205938 25 1 1 1 2 0 0 000 CmW Rs d bd d d Rs d d K mi i ii 计 化学工程系毕业设计 论文 13 0 I 10 600 I 10 60 型换热器主要参数及计算结果型换热器主要参数及计算结果 主要参数计算结果 外壳直径 mm 公称压强 kg cm2 公称面积 m2 管程数 管子排列方式 管子尺寸 mm 管长 m 管数 N 管中心距 t mm 管程通道截面积 m2 折流板间距 mm 壳程通道截面积 mm 600 10 60 1 三角形排列 25 2 5 3 269 32 0 0845 600 0 0504 热负荷 kJ h 传热温差C 管内液体流速 m s 管外气体流速 m s 管内液体雷诺数 管外气体雷诺数 管内液体压降 Pa 管外气体压降 Pa 管内液体对流给热系数 Cmw 2 管外气体对流给热系数 Cmw 2 传热系数计算值 Cmw 2 传热面积需要值 m2 1 55 104 36 8 0 160 16 24 1 37 104 5 69 104 140 9643 1 82 103 448 264 44 3 安全系数 以上计算表明 选用固定管板式列管换热器可用于合成氨变换工6010600 IG 段的余热回收 所以本次设计使用固定管板式换热器 6010600 IG 60 0 1 35 44 3 S S 供 需 化学工程系毕业设计 论文 14 4 4 节能措施节能措施 以煤为原料的合成氨的特点是生产能力低 吨氨能耗较高 因此 如何合理 高 效利用能源 做好节能降耗工作对合成氨的生产具有重要的意义 9 常压造气氨厂工艺的节能措施有 1 造气炉采用微机液压控制系统 2 造气用煤合理分配 大 中块造气用 小颗粒及炉渣作为锅炉用煤 3 设置造气吹风气锅炉 吹除气夹带的可燃成份及本身的热量加以利用 4 采用全低温变换 加入软水取代蒸汽 节省变换用工艺蒸汽 变换余热加热软 水 5 脱 CO2 用物理吸收 6 合成选用适当压力的废热锅炉 产生的蒸汽在工艺中使用 7 合成吹除气用氢回收装置回收氢气 其余 CH4等作为燃料气 8 全装置热能综合利用 如合成废热产饱和蒸汽供变换 变换 造气产低压蒸汽 供造气 全装置做到蒸汽自给 综合考虑 在我国已建成的合成氨厂中 大多以煤为原料 且各地根据需求还可 能新建一批以煤为原料的装置 近年来合成氨技术发展很快 可供选择的技术很多 应实事求是地根据装置所在地的特点综合考虑 主要应考虑节能降耗 工艺流程 做 到配套合理 投资省 操作稳定可靠 化学工程系毕业设计 论文 15 5 世界合成氨工业近期进展及前景展望世界合成氨工业近期进展及前景展望 由于生态和环保的原因 今后发达国家化肥用量将减少 世界合成氨生产能力将 缓慢增长 虽然使用 无机 氮的生物农业将会有所发展 但是 在以后的 15 20 年 内 生物技 如固定氮工艺 还不可能取代合成氨作为化学肥料的主要来源 现今所 有的合成氨消费中 只有 13 是用在化学和工业应用上 其他 87 都用于生产化肥 因此 氮肥的供应还得继续依靠合成氨的生产 近几年来 世界合成氨工业的技术进 展主要有以下几方面 1 英国 ICI 公司采用 LCA 工艺流程 在英国的 Severance 氨厂建了两套并列的产 量各为 450 吨 天 但只有一套公用工程系统的合成氨装置 这种生产规模较小的工 厂从某些方面来说 仍是有吸引力和竞争力的 如建 3 个 LCA 流程的 500 吨 天工厂 就比建一个日产 1500 吨的传统世界规模工厂的投资要低些 LCA 流程与当今的大型装 置流程不同 该法的吨氨能耗为 30 1GJ 采用气热转化炉取代通用的转化炉 在隔热 管式变换器中进行变换 反应热用于制备原料气与蒸汽的饱和气 变压吸附脱除二氧 化碳 用含钴催化剂作氨合成触媒 合成压力为 8MPa 2 美国凯洛格公司对氨厂的某些工艺单元及设备的传统构型进行了改革 开发出 了合成氨生产的 4 种新技术 即用于氨合成回路的 KAAP 工艺 用于工艺气转化换热的 KRES 系统 以计算机为基础的氨厂节能降耗动态控指 KDAC 技术和公用工程蒸汽系统的 冷凝液汽提 KICS 技术 其中 KAAP 工艺将是未来一个很有前途的氨厂改造方案 其合 成压力为 7 9 1MPa 采用以石墨为载体 涂钉并用铷盐活化的氨合成催化剂 比通 常的催化剂活性高 20 倍 合成转化率也随之显著提高 能增产 40 左右 1992 年 采用 KAAP 工艺的氨合成塔已在加拿大 Ocelot 制氨公司的 Kismet 厂进行了工业化生产 3 德国伍德公司经二十多年来对工艺效率 工厂安全 能量总消耗等方面连续研 究结果 推出了低能耗工艺 并于 1991 年在德国 BASF 公司建立了一个日产 1800 吨的 工厂 该厂采用了伍德公司开发的组合自热式转化炉 与传统的二段转炉不同之处在 于 转化反应管安装于一个有内衬里的加压设备中 管内装有一段转化催化剂 管下 端开口 原料工艺气温度升高到 580 自上而下通过管内 燃料气经水冷喷嘴加氧并 进入燃烧室中 通过调整喷嘴的位置和燃烧室的形状设计 使燃烧室内产生涡流 以 保证转化反应稳定进行 转化产生的高温气又用于加热转化管 以节省能源和投资 目前 该新型转化炉的工业示范装置的生产能力已达 1 3 万 加压设备内部装有hm 3 19 根转化管 虽然合成氨生产技术的更远的改变时是可以预见的 但是 就目前来说 除对氨 厂的个别传统工艺程序 催化剂和设备的较小改进外 至少在今后 10 15 年内 合成 化学工程系毕业设计 论文 16 氨生产技术还不会发生根本的改变 世界许多合成氨专家对此意见是一致的 并对今 后合成氨工业的发展前景作出如下展望 1 生产规模不会再扩大 80 年代世界共建成了 110 套合成氨装置 平均生产规模 为 1120 吨 天 目前的装置规模多为 1500 吨 天 1800 吨 天的生产也在日益增加 但考虑到规模过大 会造成设备制造和运输 开停车复杂化和长期可靠的原料保证等 方面的问题 使整套生产装置的投资费用大幅度上升 今后世界合成氨产量的大部分 都将由规模为日产 1000 2000 吨的工厂所生产 2 天然气依然是合成氨生产的主要原科 目前全世界合成氨的年产量约为 1 45 亿吨 其中采用原料重油 3 煤和焦 13 天然气 84 从长远来看 原料路线改 为油或煤是可以考虑的 但据预测 在未来 20 年内 合成氨生产原料的情况会维持上 述百分比例不变 天然气仍是能被利用的比较好的合成氨生产原料 3 降低能耗的潜力已基本得到发挥 以天然气为原料的合成氨能耗设计值为 27GJ 目前有些生产装置的最低能耗已达 28GJ 只比理论值高出 20 左右而与设计值 相接近 其他几种生产方法 重油或渣油气化法吨氨能耗为