合成氨╲t毕业设计.doc

目 录 1 设计任务书 1 1 1 项目 10 1 2 设计内容 10 1 3 设计规模 10 1 4 设计依据 10 1 5 产品方案 10 1 6 原料方案 12 1 7 生产方式 12 2 工艺路线及流程图设计 13 2 1 合成车间工艺流程方框图 13 2 2 合成氨车间工艺流程简述 13 3 车间生产环境 15 3 1 工艺状况 高压高温 15 3 2 设备状况 高压 低压并存相通 15 3 3 有催化剂存在 16 5 设计计算 20 5 1 物料衡算 20 5 2 能量衡算 22 6 主要设备设计及设备一览表 24 6 1 氨合成塔的设计 24 6 2 设备一览表 24 9 安全生产要求 28 致谢 31 主要参考文献 32 2 附录 33 1 设计任务书 1 1 生产历史及发展趋势 合成氨工业有近 100 年的历史 氨合成的条件目前国内大型合成氨厂普遍采用 高温高压在铁催化剂作用下氢氮气合成为氨的 近年来 围绕节能和降耗这个 主题 并随着新型低温低压的合成氨催化剂的发展 国外大型氨厂在氨的合成 部分也开始出现一些改进 以天然气蒸汽连续转化法为例 90 年代后出现等压 和微加压低能耗合成氨工艺 但是受设备限制 目前仍未得到推广 是我们合 成氨工业发展所面临的难题之一 1 2 原料和产品的性质 1 2 1 氨的性质 产品名称 氨 化学名称 氨 英文名 Ammonia 分子式 NH3 分子量 17 03 性质 本品属有毒气体 是一种无色 有刺激性恶臭的气体 熔点 77 7 沸 3 点 33 5 相对密度 水 1 0 82 79 相对密度 空气 1 0 60 饱和蒸气压 506 62kPa 4 7 临界温度 132 5 临界压力 11 40MPa 本品易燃 闪点 无意义 爆炸下限 15 7 爆炸上限 27 4 引燃温度 651 最大爆炸压力 0 58MPa 本品与空气混合能形成爆炸性混合物 遇明火 高热能引起燃烧爆炸 与 氟 氯等接触会发生剧烈的化学反应 若遇高热 容器内压增大 有开裂和爆 炸的危险 本品易溶于水 乙醇 乙醚 本品主要用作制冷剂及制取铵盐和氮 肥 氮气和氢气的性质 物理性质 通常状况下是无色无味的气体 难溶于水 密度比空气密度略少 化学性质 氮气的化学性质不活泼 常温下难与其他物质发生化学反应 在当改变 条件时 如在调温下可与其他物质发生化学反应 氢气物理性质 1 密度比空气小 比空气轻 是所有气体中最小的 因此使用 瓶口 向下排空气法收集 应用于充灌探空气球 2 难溶于水 因此不和水反应 可用排水法收集 3 无色无味 气体 化学性质 1 可燃性 氢气点燃后生成水 应用 高能燃料 2 还原性 可使黑色氧化铜变红 同时生成水 应用 冶炼金属 4 1 3 产品质量标准 量标准 GB536 88 如下 表一 1 4 产品的主要用途 氨为无色 有刺激性臭味气味 能灼伤皮肤 眼睛 呼吸器官粘膜 氨在国民 经济发展中占有极其重要的地位 生产出来的氨有 80 的用于制造氮肥 另外 20 用于生产硝酸 高能燃料 炸药 合成有机物等 氨主要用于制造氮肥和 复合肥料 有的直接往土壤中施用液氨或氨水 有的将氨转化为硫酸铵 碳酸 氢铵 碳酸铵等化肥 在化学工业中可制造硝酸 丙烯腈 氯化铵 硫酸铵 氰化钠 液醇胺 制冷剂等 在染料工业中可制造二氨基蒽醌等 用于在塑料 工业制造尼龙 1010 氨基塑料等 在医药工业中制造安乃近 氨基比林等 此 外还可用作火箭 导弹的推进剂和氧化剂及钢材表面防锈等 1 5 品的生产方法 由两种组分按一定比例 1 3 组成的气体 合成气 在高温高压下 一般为 指标指标名称 优等品一等品合格品 氨含量 99 999 899 6 残留物含量 0 1 重量法 0 20 4 水分 0 1 油含量 mg kg 5 重量法 2 红外 光谱 铁含量 mg kg 1 5 400 450 15 30MPa 经催化反应生成氨的过程 制备上述合成气的原料 氮来源于空气 氢来源于水或含有碳氢化合物的各种原料 由于水电解制氢能 耗过高 工业上用的很少 现以煤为原料 以水蒸气 空气 氧 为气化剂进行 气化的方法制成含有氮 氢 一氧化碳和二氧化碳等的原料气 采用各种净化 方法 脱除其中的硫化物 一氧化碳 二氧化碳 水等杂质 经压缩机加压到 15 30MPa 压力后 送入充填有氨合成催化剂的氨合成塔进行氮 氢合成为氨 的反应 1 6 焦炭是早期合成氨生产的原料 现除中国 联邦德国外 其他国家已很少采用 3 煤直接气化有常压固定床间歇气化 加压氧 蒸汽连续气化等多种方法 以空气 和蒸汽为气化剂 在常压 高温下与焦炭作用 制得含 CO H2 N2摩尔比为 3 1 3 2 的煤气 称为半水煤气 4 半水煤气经洗涤除尘后 去气柜 经过脱硫 一氧化碳变换 并压缩到一定压力后 用加压水洗涤除去二氧化碳 再进一步用压 缩机压缩后用铜氨液进行洗涤 以除去少量一氧化碳 二氧化碳 然后送去合 成 如用水将氨吸收 所得产品为氨水 6 商品氨水浓度为 15 30 质量 如用冷凝法分离氨 所得产品为液氨 含氮 82 3 氨水和液氨均可直接用作 肥料 7 1 7 本设计的工艺流程简图 补气油分透平机TC 油分 合成塔废热锅炉热交 预热器 水冷器氨分 氨库 冷交氨冷器 工艺指标 6 2 设计计算 2 1 已知条件 1 计算标准 1000 m3 精炼气 标准状态 2 精炼气成分 表三 3 进塔气中 氨含量 2 5 4 出塔气中 氨含量 11 5 出塔气中惰性气体含量 19 296 6 精炼气温度 35 7 气体在液氨中的溶解量忽略不计 8 为方便计算 H2 N2 3 1 2 2 物料衡算 1 出塔气体成分 已知 出塔气中 NH3 11 CH4 Ar 19 296 H2 N2 3 1 3 H2 N2 100 11 19 296 69 704 H2 3 4 69 704 52 278 N2 1 4 69 704 17 426 CH3 19 296 1 420 1 420 0 293 15 994 Ar 19 296 0 293 1 420 0 293 3 302 出塔气成分 表四 2 放空气 量 V1与放空 成分H2N2CH4Ar合计 73 72924 5581 4200 293100 m3737 290245 58014 2002 9301000 成分H2N2CH4ArNH3合计 52 27817 42615 9943 30211 000100 7 气组成 水冷器内无液氨冷凝出来 故放空气成分与出塔气体相同 放空气量为 V1 1000 0 01420 0 00293 0 19296 88 775 放空气体组成 表五 3 氨产量 由气量平 衡 V2 V3 V1 V4 V0 1 由于氨合成时体积减小 V3 V2 V4 11 V1 2 V0 补充新鲜氢氮气体体积 m3 V1 放空气体体积 m3 V2 进入合成塔混合气体体积 m3 V3 出合成塔混合气体体积 m3 V4 冷凝成产品氨的气体体积 m3 以 V3代入式 1 V2 V2 V4 11 V1 V1 V4 V0 V4 V0 1 11V1 2 1000 1 11 88 775 2 450 730m3 4 合成塔出口气量 V3 由氨平衡 11 V3 2 5 V2 V4 11 V1 3 2 5 式 2 5 V3 2 5 V2 2 5 V4 11 V1 2 4 成分H2N2CH4ArNH3合计 52 27817 42615 9943 30211 000100 m346 41015 47014 1992 9319 76588 775 8 1 11 0 025 V3 1 0 025 V4 11 V1 3 4 V3 1 025 450 730 0 11 88 775 0 085 5553 024m3 合成塔出口气体组成 表六 5 合成塔 进口气量 V2 及组成 由气量平衡 V2 V3 V1 V4 V0 5553 024 88 775 450 730 1000 6013 519m3 合成塔进口气体组成为 H2 2903 010 46 410 737 290 3593 890m3 N2 967 670 15 470 245 580 1197 780m3 CH4 888 151 14 199 14 200 888 152m3 Ar 183 361 2 931 2 930 183 360m3 NH3 610 832 9 765 450 730 150 337m3 合成塔进口气体组成 表七 6 合成率 2 a b a 2 b 100 式中 a 进塔气体中氢和氮的总含量 b 出塔气体中氢和氮的总含量 合成率 2 0 7968 0 6970 0 7968 2 0 6970 100 19 22 成分H2N2CH4ArNH3合计 52 27817 42615 9943 30211 000100 m32903 010967 670888 151183 361610 8325553 024 成分H2N2CH4ArNH3合计 59 76419 91814 7693 0492 5100 m33593 8901197 78 0 888 152183 360150 3376013 519 9 2 3 能量衡算 2 2 1 能量衡算 1 进塔气体升温所吸收的热量 Q1 平均分子热容 Cp 1 进塔气体温度 30 出塔气体温度 155 6 平均温度 30 155 6 2 92 8 T 92 8 273 365 8K 采用分压叠加法计算高压高温混合气体真实热容 各纯组分气体高压下真实 分子热容采用 合成氨原料气的恒压 真空 比热 算式 H2 6 982 0 075 10 3 T 0 15 10 3 H2 N2 7 371 1 45 10 3 T 1 44 10 3 T2 0 00661pN2 7 55 10 3 T N2 NH3 56 853 0 2646T 0 3565 10 3 T2 0 988 NH3 1 17 10 3 2NH3 2 168 10 3 T NH3 CH4 4 750 2 0 10 3 T 3 03 10 6 T2 2 63 10 9 T3 2 6 10 3 CH4 Ar 4 95 0 0205 10 3 T 9 46 10 9 T2 0 0046 Ar 3 05 10 3 T Ar 列表计算如下 T 365 8K P 185 9 大气压 表八 Q1由物料衡算 进塔气量 6013 519m3 组分yi分子分率Pi 分压 CpiKcal kmol yi CpiKcal mol H20 59764111 107 0264 199 N20 1991837 037 1761 429 NH30 025004 658 6970 217 CH40 1476927 459 4881 401 Ar 0 030495 674 9890 152 合计 1 0 185 9 7 398 10 Q1 6013 519 103 22 4 7 398 155 6 30 249451Kcal 2 氨合成放出的反应热量 Q2 反应热 HR 1 由 无机化工气 固相催化反应过程 查得 t 155 6 时 在 300 大气压下 HR 11599 30216t 12099Kcal kmol 在 200 大气压下 HR 11623 3 194t 12120Kcal kmol 在 145 大气压下 HR 11732 2 779t 11640 Kcal kmol 绘制曲线 用内插法可以求得 P 178 1 大气压 155 6 下 HR 12134 Kcal kmol 合成氨量 450 730 9 765 22 4 20 558 kmol 2 Q2 12134 20 558 249451Kcal 3 Q1 Q2 热量平衡 11 3 主要设备设计及设备一览表 3 1 氨合成塔的设计 6 1 1 设计原则 1 合成塔的生产能力高 能够满足高负荷生产的需要 2 催化剂的填充系数要大 能够充分提高高压容器空间的利用率 催化剂装填量 高 3 催化剂的床层温度易于调节 能够满足合成塔动力学的要求 温度曲线接近最 适宜温度曲线 4 能够满足催化剂升温还原的需要 使催化剂的活性高 使用寿命长 能适应生 产负荷 气体分的变化 且氨净值高 操作弹性好 5 合成塔 合成系统阻力小 降低阻力不能够降低循环机的动力消耗 而且可 以装填小粒 的催化剂 提高塔的生产能力 6 换热器的传热面积大 换热效果好 7 反应热易于回收 回收反应热有利于低合成氨产品的总能耗 8 结构简单 运行可靠 装填催化剂方便内件各部分的结构 设计 材质的选用 必须合理 尽量避免产生过大的热应力和内漏 焊接件的自由胀等问题 3 2 内件流程 依据上述设计原则 选择内件流程如下 主气从塔口 一进 进人塔壁环隙 从 一出 去塔外换热器 加热后气 体从 二进 进人 经下部换热器管外加热至反应温度人中心管 上升至顶部 后自上而下流过第 1 轴向层 然后从第 2 径向层的中心分布管自里向外通过触 媒层 再经集气筒流出 进人第 3 径向层外环隙 从外向里径向流过触媒层 从中心管集中 再直接流下进人第 4 径向层中 心管 又自里向外流出径向层 最后气体经下部换热器从 二出 出合成塔 4 层触媒的温度由冷激气从塔顶引人加以控制 第 1 层由塔副线控制 第 2 3 4 层分别由 3 股冷激气控制 12 4 设备一览表 表 13 5 主要控制指标 设备名称规格型号数量 台备注 操作条件 等 合成塔 RZZ011 97 25001 圆柱形 透平机 TC620 32 123 卧式 系统油分 8051 圆柱形 补气油分 6051 圆柱形 冷交 7 3m31 圆柱形 列管 热交 450 1 圆柱形 列管 氨冷器 18001 列管 废热锅炉 140m21 卧式 氨分 8051 圆柱形 水冷器 127 211 列管 14 产品消耗定额 项目指标项目指标 导入压力 31 4MPa 触媒层热点温度波动 5 放氨压力 3 0MPa 锅炉出口温度 230 合成塔压差 1 0MPa 触媒升温速率 50 h 气氨总管压力 0 22MPa 废热锅炉30 60 升降压速度0 4 0 6MPa氨冷器液位以不带液为准 合成塔塔壁温度 120 透平机油位1 2 2 3 合成塔出口温度 350 合成塔进口氨含量 3 0 水冷温度 50 锅炉 pH 值9 12 氨冷温度 5 0 甲烷含量波动范围 1 15 项目投资 万元 厂房土建 水电 消防 通风 空调 700 设备 合成塔 补气油分 系统油分 冷交 热交 水冷器 氨分 中置锅炉 透平机 氨冷器 预热器 230 10 10 50 55 20 80 15 20 35 5 总计 530 16 6 结束语 合成氨是生产尿素 磷酸铵 硝酸铵等化学肥料的主要原料 工业生产过 程是以天然气或煤炭为原料通过水蒸气重整工艺制得氢气 然后与氮气进行高 温 高压合成制得合成氨 据统计 世界合成氨产能已超过 1 76 亿吨 年 主要生产能力分布情况 美 国 1000 万吨 年 加拿大 520 万吨 年 墨西哥 291 万吨 年 南美地区 856 万吨 年 其中特立尼达 453 万吨