年产15万吨合成氨合成工段--毕业设计

录 第一部分 说明书 一章 概 述 二章 原材料及产品主要技术规格 三章 危险性物料主要物性表 四章 生产原理及流程简述 五章 主要设备的选择与计算 六章 原材料及动力消耗 七章 生产分析及三废排量 八章 存在问题及建议 九章 主要参考书目 十章 工艺设计计算书 二部分 物料衡算和热量衡算 三部分 设备的选型与计算 四部分 带主要控制点的工艺流程图 一部分 说明书 第一章 概 述 1段的概况及特点： 1设计依据： 本设计按照材化系下达设计任务书进行编制，参照鸿鹄化工总厂的现场生产，以及中国五环化学工程总公司（原 化工部第四设计院），和石油化工部化工设计院的有关资料设计而成。 2设计规模及特点： 本工段生产液氨，生产能力为 15 万吨液氨 /年，与传统流程相比较，具有节能低耗的特点，通过设计两个串联的氨冷器，在低压下，既减少了动力消耗，又保证了合成塔入口氨含量的要求；现具体起来如下： （ 1）循环机位置： 本工段设置在氨分离系统后，合成塔之前，从而充分利用循环机压缩功，提高进合成塔温度，减少冷量消耗，降低氨冷器负荷，同时提高进塔压力，提高合成率，而进循环机的氨冷量较低，避免了塔后循环机流程容易带液氨而导致循环机泄漏。 （ 2）反应热回收的方式及利用： 这涉及到废热锅炉的热量利用几合成塔塔外换热器如何科学设置的问题，废热锅炉的配置实际上是如何提高反应热的回收率和获得高品位热的问题，本设计选择塔后换热器及后置锅炉的工艺路线，设置塔后换热器使废热锅炉出口气体与合成塔二进气体换热，充分提高合成塔二进温度，相应提高了合成塔二出温度，进废热锅炉的气体温度为 360 度，副产 帕的中压蒸汽，充分提高回收热量品位。 （ 3）采用“二进二出”合成流程： 全部冷气经合成塔环隙后进入热交换器，可使合成塔体个点温度分布均匀，出口气体保持较低温度，确保 合成塔长期安全稳定运行，与循环机来的冷气直接进入热交换器相比，使热交换器出口温度增大。进入水冷的气体温度降低意味着合成余热回收率高和水冷负荷低。 （ 4）水冷器、氨冷器的设置： 水冷后分离液氨再进行冷交，氨冷有利于降低后续氨冷的负荷，边冷却边分离液氨，即提高了液氨的分离效果，又避免了气液两相流的存在，通过设置两氨冷器的冷凝充分解决了低压下，水冷后很少有氨冷凝下来的矛盾，达到了进一步冷却，保证合成塔入口氨冷量的要求。 （ 5）补充气及放空点位置设置： 补充气设置在冷交的二次入口，以便减少系统阻力，并通过氨冷进一步 洗脱微量二氧化碳和一氧化碳及氨基甲酸等杂质，有利于保护触媒防止管道和设备堵塞。放空点设置在冷交换器和氨分离器之间，氨分后有效气体浓度较低，惰性气体含量较高，有利于降低新鲜气单耗。 （ 6）新型设备的使用： 离心式循环压缩机 离心式循环压缩机用于合成工段，能避免油污渗入循环气，提高合成气质量，从而可不设油分离器降低能耗，对于本工段选用冷激式内件，要求合成气质量较高，无油压缩机更为合适，离心式循环压缩机还具有运行时间长的特点，经 苏宜兴化肥厂资料表明，无油压缩机与注油压缩机相比较平均使用寿命可延长十倍。 冷交 换器 分离器为外向型旋流板，上部换热器为列管换热器和下部氨分离器，将热气体在进入氨冷器前用冷气体进行冷却换热，以回收冷气体的冷冻量，使入氨冷器的热气体预冷却，从而节省冷冻量，同时分离经氨冷后含氨混和气中的液氨，安徽淮南化工公司发表与小氮肥杂志上的有关资料表明，该设备节能降耗显著。 3三废治理及环境保护： 放空气弛放气送氢回收系统，先用洗涤塔回收几乎全部氨，制成浓氨水，再回收大部分氨送入高压机压缩后制氨既可以避免氨气进入大气，与放空气作燃料相比又更合理经济。 废物集中处理达到国家排放标准后排放。 4生产制度： 每年操作日 330 天，三班连续操作。 第二章 原材料及产品主要技术规格 （一） 原材料技术规格： 序号 名称 规格 备注 成分 百分含量（摩尔） 1 精练气 氢气 气 气 0 甲烷 气 二）液氨产品技术规格 序号 名称 规格 国家标准 备注 等级 组分 含量 1 液氨 一级品 氨 和油 液氨 二级品 氨 和油 三）氨水产品技术规格 序号 名称 规格 标准 备注 等级 组分 含量 1 农业用 氨水 一级品 氨 20 部标 二级品 氨 18 三级品 氨 15 2 工业用 氨水 一级品 氨 25 部标 残渣 级品 氨 20 渣 级品 氨 20 残渣 三章 危险性物料主要物性表 序号 名称 分子量 熔点（度） 沸点（度） 闪点（度） 燃点（度） 空气中爆炸极限（ ） 国家标准 备注 上限 下限 1 氨气 30 2 氢气 400 3 甲烷 184 190 650 第四章 流 程简述 由氮氢气压缩机送来的 35 45 的新鲜气，与放空后经冷交换器来的循环气混合，而后温度被降至 20 ，进入氨冷器 。气体管内流动，液氨在管外蒸发，由于氨大量蒸发吸收了混合气的热量，使管内气体进一步被冷却至 0 左右，为降低氨冷器 负荷，进入 氨冷器 继续冷却至 左右，出氨冷器后的气液混合物，在冷交换器的下部用分离器将液氨分离，分离出的液氨进入液氨贮罐，分氨后的循环气上升至上部换热器壳程被热气体加热至 22 后出冷交换器，然后，气体经循环压缩机，补充压力至 15 兆帕，由合成塔的下部进入层间换热器， 移走第二绝热床反应热，冷气体升温进入第一绝热床进行合成反应，再入第一、二绝热床空间（冷激器）由 185度左右的冷气体作冷激气原与出第一绝热床的反应气体混合降温到 385度左右，混合后气体进入第二绝热床进行合成反应，气体氨净值升高，出第二绝热床气体进入层间换热器，移走热量，使冷气升温，热气体降温后进入第三绝热床进行合成反应，气体氨含量增加到 ，再经塔内下换热器将热量移走，后进入沸热锅炉，副产 热产生蒸汽后进入循环器加热器一次出塔气体至 160 ，本身温度降至 112 左右进水冷器被冷却产生部 分液氨，温度降至 35 ，混合气液进氨分离器，分离液氨，分离的液氨去液氨罐贮存，出氨分离器的气体则部分放空，放空气去氢回收装置，放空 后的循环气经冷交换器降温至 17 与新鲜气混合，继续下一循环。液氨产品易蒸发，有强烈刺激性气味，对人的消化系统和呼吸系统都造成伤害，与空气混合后遇火会爆炸，应密闭贮存，管道输送，尽可能避免泄漏。 第五章 主要设备的选择与计算 后） 合成塔内件 合成塔的选择主要是触媒筐和塔内换热器，本着节约自身 的水电和冷冻量消耗同时提高氨合成反应热的回收品位和利用率本设计触媒筐选用三段绝热冷激间冷式内件。三段绝热冷激间冷式内件有如下特点： 1）高效节能 冷激 净值高； 2）生产能力大； 3）床层间复合换热； 4）节约管材； 5）便于催化剂还原。 装填 合成塔催化剂，此种催化剂具有良好的抗毒性能，低温高活性，较好的热稳定性特点。 四川轻化工学院 工程名称 设备一览表 编制 蔡爱民 编号 1 校核 第1 页 共 1 页 设计项目 审核 序号 位号 设备名称及规格 图号或标准号 单位 数量 材料 技术特性表编号 备注 1 成 塔 台 1 2 冷凝器 台 1 16 3 冷凝器 台 1 16 4 环加热器 台 1 1 5 热锅炉 台 1 1 6 交换器 台 1 16 7 冷器 台 1 8 环压缩机 台 1 9 分离器 台 1 16 10 罐 1 20 修改标记 姓名 蔡爱民 日期 2002/6/03 第六章 原材料及动力消耗 （一） 原材料消耗 序号 名称 消耗定额（每吨 氨） 消耗量 单位 备注 每小时 每年 1 新鲜补充气 二）动力消耗 序号 名称 消耗定额（每吨氨） 消耗量 单位 备注 每小时 每年 1 液氨 2 冷却水 3 锅炉给 水 4 电 W 注：消耗定额以每吨合格液氨产品计 第七章 生产分析及三废排量 （一）生产控制分析方法 序号 取样点 分析项目 分析方法 控制指标 分析次数 1 合成塔二 次出口 氨气 两小时一次 氢气 2=3 氮气 （二）三废排量 序号 1 2 3 名称 冷却水 放空气 废污 温度（度） 40 21 压力， 除点 水冷量 氨分后 氨分离器，冷交换器 排放量 /H 114568有害物含量 体含量 2000放标准 处理意见 送凉水塔 回收利用 送水处 理 第八章 存在问题和意见 催化剂的装卸问题 由于第二段反应床与第三段反应床采用中间换热器，床层催化剂不能从顶部装卸，为解决此问题，建议在换热器下面的筒体上开一至二个装卸孔。 通过这次设计达到了锻炼的目的，学会了用计算机网络和图书馆查阅、收集、整理资料，并运用工具书解决实际问题，能够在老师的指导下独立处理一些设计中遇到的困难，同时进一步加强了对计算机编辑和绘图功能的学习和运用。当然设计中还存在一些问题需要进一步加强学习。这次设计的顺利完成还得益于翁贤芬老师和其他老师、同学的大力支持，在此一并感谢。 第 九章 主要参考书目 物理化学（上、下）天津大学物理化学教研室编，高等教育出版社出版， 993 年 6 月第三版 化工工艺设计手册（上、下）国家医药管理局编，化学工业出版社， 1986年 6 月第一版 小合成氨厂工艺技术与设计手册（上、下），梅安华主编，化学工业出版社 化工工艺设计技术概论，扬国荣编 小氮肥， 1998各期 化工设计通讯， 1990各期 化工计算，葛家华编 化工原理（上、下），天津大学化工原理教研室主编 合成氨，陈五平主编 化工热力学，张联科编 氮肥工艺设计手册 理化数据，石油化学工业部化工设计院编，石油化学工业出版社出版 第十章 工艺设计计算书 一、设计要求： 年工作日： 330 天；系统工作压力： 15练气组成（ ）： 2 成塔进气（ ）： r 15;出气， 冷器出口温度： 35 设计裕度： 10 二、工艺流程图： 第二部分 物料计算和热量计算 料计算： 合成塔 废热锅炉 热交换器 水冷器 氨分离器 冷交换器 循环机 氨冷器 氨冷器 液氨贮槽 新鲜气 塔氨含量： ; 入塔甲烷含量： =； 入塔氢含量： 100-（ =； 入塔氩含量： =； 入塔氮含量： 100-（ = 入塔气组分含量 （ ） r 2 小计 00 以 1000塔气作为基准求出塔气组分， 由下式计算塔内生成氨含量： 5(1+1000(1+塔气量 : 塔气量 生成氨含量 =塔氨含量： 出塔甲烷含量： 8)1000/= 出塔氨含量： 8)000/= 出塔氢含量： (1 =3/4(= 出塔氮含量： (= 出塔气体组分含量（ ） r 2 小计 00 成率： 合成率 =2 = 1000( = 分离器气液平衡计算： 已知氨分离器入口混合物组分 m(i) 计 35 ， P=组分平衡常数： （ V/L） =，带入 Lx(i)=m(i)/ 1+(V/L)xK(i) =L(i): 1+(V/L)= 1+(V/L)=Ar= 1+(V/L)r =H2= 1+(V/L)=H2= 1+(V/L)= 总 = L( L( L( L( L( L(离气体量： V=1 计算气液比：（ V/L） =误差 （ V/L） -（ V/L） /（ V/L） =（ =，结果合理从而可计算出液体中各组分含量： 体中氨含量： = 液体中氩含量： = 液体中甲烷含量： = 液体中氢含量： = 液体中氮含量： = 氨分离器出口液体含量 r 2 小计 离气体组分含量： 气体氨含量 ( = 气体甲烷含量 (= 气体氩含量 ( = 气体氢含量 ( = 气体氮含量 ( = 氨分离器出口气体含量（ ） r 2 小计 冷交换器气液平衡计算 ： 查 t=15 ,p=平衡常数 交换器出口液体组分含量： 出口液体甲烷含量 = 出口液体氨含量 = 出口液体氩含 量 = 出口液体氢含量 = 出口液体氮含量 = 冷交换器出口液体组分含量（ ） r 2 小计 液氨贮槽气液平衡计算： 由于氨分离器液体和冷交换器出口分离液体汇合 后进入液氨贮槽经减压后溶解在液氨中的气体会解吸，即弛放气 ;两种液体百分比估算值，即水冷后分离液氨占总量的白分数 . G =（ 1+x( )/( x(1- ) =(1+x（ / （ x（ = 水冷后分离液氨占总量的 冷交，氨冷后分离液氨占总量的 . 液氨 贮槽入口 1体计算为准，即 入口液体混合后组分含量： m(0i)=L(15)16 G x 15i+(1- G )15i+16i 混合后入口氨含量： 848+合后入口甲烷含量 :057+合后入口氩含量 :0053=合后入口氢含量： 064+合后入口氮含量： 024+氨 贮槽入口液体含量 计 热 t=17 平衡计算得，平衡常数 P=70 540 575 620 根据气液平衡 L(i)=m(0i)/1+(V/L)xk(i),设 (V/L)=入上式得 : 出口液体氨含量：(1+(V/L)1+口液体甲烷含量： 1+(V/L)= 1+口液体氩含量： r/ 1+(V/L)=1+口液体氢气含量： 1+(V/L)=1+口液体氮气含量： 1+(V/L)=1+(总 )=V/L) =V/L=差 ( 当 V/L= V=1 )=V/L) =V/L=差 (= 出口液体组分含量： 出口液体氨含量： = 出口液体甲烷含量： = 出口液体氩含量： = 出口液体氢气含量： = 出口液体氮气含量： = 液氨贮槽出口液氨组分（ ） r 2 小计 口弛放气组分含量： 弛放气氨含量： V=( 放气甲烷含量： V=( 弛放气氩含量： V=(= 弛放气氢气含量： V=( 弛放气氮气含量： V=(= 出口弛放气组分含量 r 2 小计 液氨贮槽物料计算： 以液氨贮槽出口一吨纯液氨为基准折标立方米计算液氨贮槽出口液体量L(19)=其中 L(19L(199= L(19L(199= L(19L(19Ar)9= L(19L(19H2)9= L(19L(19N2)9=液氨贮槽出口弛放气（ V/L） =(20)=9)=其中 V(20V(20 y( 20=V(20V(20 y( 20=V(20V(20 y( 20=(20V(20 y( 20=V(20V(20 y( 20=液氨贮槽出口总物料 =L(19)+ V(20)=液氨贮槽进口液体： 由物料平衡，入槽总物料 =出槽总物料， L(21)=L(19)+V(20)=入口液体各组分含量 计算 :L(21i)= L(19i) + V(20i) 其中 L(21 L(21 L(21 L(21 L(21入口液体中组分含量核算 ,由 m(0i)=L(21i)/L(21): 入口液体中氨含量 m(0= 入口液体中甲烷含量 m(0 = 入口液体中氩含量 m(0 = 入口液体中氢气含量 m(0 = 入口液体中氮气含量 m(0 = 入口液体中组分含量 m(0i) M(0i) 成系统物料计算 : 将整个合成看着一个系统，进入该系统的物料有新鲜补充 气补 离开该系统的物料有放空气 液氨贮槽弛放 V 弛 ，产平液氨 L 氨 由前计算数据如下表： 名称 r 2 气量 补充气 补 放空气 放 弛放气 氨 0141 塔气 入 出塔气 出 根据物料平衡和元素组分平衡求 V 补 ,V 放 ,V 入 ,V 出 ： 循环回路中氢平衡： V 补 =V 放 V 弛 +3/2V 放 +3/2V 弛 循环回路中氮平衡 :V 补 =V 放 V 弛 +1/2V 放 +1/2V 弛 +1/2 循环回路中惰性气体平衡 : V 补 ( + )= 弛 ( + )+V 弛 ( + ) V 补 (V 放( 补 = 放 + 循环回路中惰性气体平衡 :V 出 =V 放 y 放 +V 弛 y + = + x 循环回路中总物料体平衡 : V 入 =V 出 + V 补 - V 放 - V 弛 - + 联立 各式解得： V 放 = V 补 =2917.8 V 出 = V 入 = 合成塔物料计算： 入塔物料： 5=x =x =r x =2 x =2 x =成塔一出，二进物料，热交换器，冷气进出物料等于合成塔入塔物料 即 5=7=塔物料 x = x =r x =2 x =2 x =成塔生成氨含量： 8热锅炉进出口物料，热交换器进出口物料等于合成塔出塔物料。 即 9=0 水冷器物料计算：