年产6万吨合成氨合成工艺设计

1、 本 科 毕 业 设 计 设计规模为6万吨氨的合成单元工艺设计The Process Design of 60kt/a of Synthetic Ammonia Synthesis 学院名称： 专业班级： 学生姓名： 学 号： 指导教师姓名： 指导教师职称： 2016年 5 月目录摘要：IAbstract:II引 言1第一章 综 述21.1 合成氨工工业发展背景21.2 合成工艺概述2第二章 工艺计算42.1 原始条件42.2 物料衡算42.2.1 合成塔物料衡算42.2.2氨分离器气液平衡计算52.2.3冷凝塔气液平衡计算62.2.4液氨贮槽气液平衡计算62.2.5液氨贮槽物料计算82.2.

2、6合成系统物料计算92.2.7合成塔物料计算92.2.8水冷器物料计算102.2.9氨分离器物料计算112.2.10冷凝塔物料计算112.2.11氨冷器物料计算122.2.12 冷凝塔物料计算132.2.13液氨贮槽物料计算142.3 热量衡算162.3.1合成塔热量计算162.3.2 废热锅炉热量计算172.3.3 热交换器热量计算18第三章 设备的计算与选型193.1已知条件193.2 计算并初选换热器规格193.3校核总传热系数K193.3.1 官内给热系数计算193.3.2 管外给热系数o233.3.3 总传热系数K263.4管子拉脱力的计算263.5 计算是否安装膨胀节273.6换热

3、器主要结构尺寸和计算结果28第四章 结 论29致 谢30参考文献31附录32附录A：工艺流程图32附录B：设备图32设计规模为6万吨氨的合成单元工艺设计摘要：合成氨是现代化工中非常重要的化工基础工艺和领域，也是我国化学工业发展的重要先驱，在我国经济发展和人民生活中发挥着重要的作用，而工艺设计是合成氨工业发展核心，在合成氨产业发展中占有重要地位，本文通过对合成氨工业进行分析调研，对合成氨产业进行初步技术分析和研究设计。通过对技术对比，在确定的工艺条件下，进行了设计规模为6万吨氨的合成单元工艺设计。通过工艺计算设计典型的合成氨工艺中氨合成单元的工艺流程，通过化学反应将系统中的氢气和氮气反应生产氨，

4、并通过回流方式将为反应的气体与产品气进行混合循环反应，最后在未反应的混合气中补充一定量的新鲜气继续循环反应。并根据热量衡算可进行合成塔、中置锅炉和塔外换热器的热量变化。根据实际设计结果，合成氨合成单元的操作条件，按照国家相关标准进行换热器的简单设计。关键词：氨合成；物料衡算；能量衡算The Process Design of 60kt/a Synthetic Ammonia Synthesis Abstract: Synthetic ammonia is very important in modern chemical field technology and chemical indust

5、ry foundation, but also an important pioneer of chemical industry development in our country, in Chinas economic development and plays an important role in peoples life, and process design is core, the synthetic ammonia industry development occupies an important position in the synthetic ammonia ind

6、ustry development, this paper analyze the synthetic ammonia industry research, analysis and study on synthetic ammonia industry in preliminary design.Through comparison of technology, under the process conditions were determined, the design scale of 60000 tons of ammonia synthesis unit process desig

7、n. Through the process calculation in the design of typical synthetic ammonia process of ammonia synthesis unit process, through the chemical reaction system of hydrogen and nitrogen reaction of ammonia production, and through the backflow way to gas and product gas mixing cycle reaction, finally in

8、 the unreacted mixture added a certain amount of fresh air to cyclic reaction. According to heat balance can be carried out in synthetic tower, tower of boiler and heat exchanger outside changes. According to the results of the practical design of ammonia synthesis unit of operating conditions, in a

9、ccordance with the relevant national standards for simple design of heat exchanger.Ammonia is one of the most important chemical production，It has an important station in national economy. This article has summarized the ammonia synthesis by ammonia equipment, catalyze, and technology to describe th

10、e actuality and the future which based the literature disquisition.Keywords: ammonia synthesis section; material balance accounting; energy balance accounting 引 言氨是一种重要的基本化工产品，对各种化工产品生产的发挥重要作用，也是一个大的能源消耗产业，氨生产是非常重要的国民生活，在环境和资源问题日益严重的今天，为了进行有效的合成氨工艺设计，符合资源节约和环境友好的生产要求的概念，合成氨工业的技术改造是必要的。在合成氨厂，我国中小合成氨厂

11、面临着严峻的挑战，中氨厂面临着技术改造。氨合成部分的直接合成氢气、氮的设计，介绍了工艺过程，传统工艺流程将得到改进。在缩短加工线，减少设备投资，降低能耗，操作简单，安全。降低了材料消耗，提高了生产安全性，降低了生产成本，提高了合成氨市场竞争力。第一章 综 述1.1 合成氨工工业发展背景自50年代以来，我国的氮肥工业已在强度增长，合成氨的生产已成为世界上第一，目前的研究和开发的设备可以焦炭，无烟煤，焦炉煤气，天然气和石油领域相关的天然气和各种原料生产合成氨液体烃，形成了煤炭，石油，天然气原料并存的特点，大，中，小规模的生产格局。总生产能力约4500万吨/氨，还需要进一步的技术改造和设备的研究和发

12、展1。氨本身是一种重要的氮肥，除了石灰石的氮肥，另一种是第一次合成氨施氮肥，然后再加工成各种铵或尿素。氨对硝酸的氧化，不仅可以用来做肥料，而且是一种重要的化学原料，可以制成各种炸药。合成氨、尿素、硝酸、氨基树脂、聚酰胺树脂、硝化棉，如高分子材料。以其为原料制成的塑料、合成纤维、涂料、感光材料等产品。以钴+氢气为原料合成氨，可以进行综合利用，具有甲醇和羰基合成甲酸、乙酸、乙酸二酸酐等一系列化工产品。为了最大的优势，减少排放对环境的污染，提高企业的经济效益。已成为合成氨工业技术发展的方向。合成氨的国际需求，随着人口的增长和需求的扩大和作物生产和绿地面积的增长。1.2 合成工艺概述由于合成氨原料中使

13、用的原料不同，技术的选择也不一样，所以在原料气中的合作也不同。合作转化，取决于所采用的原料和生产方式在不同的，也有不同的过程。50年代，生产合成氨原料气在大气压力下，大多是在大气压力下的转变2。此后，特别是在60年代，合成氨原料使用天然气、石油天然气、石油、天然气和轻质油等生产方法大多采用加压蒸汽重整工艺，在过渡压力下，平均不到4兆帕。煤炭，作为常压气化厂原料焦炭，也可以用压改造，降低能源消耗，粉煤加压气化原料气中使用，压力一般在5.5 MPa，转化渣油为原料的最高压力达到8.5 MPa 3-5。共转化工艺，结合固定层煤气化设备，设备使用；与部分氧化工艺相匹配的淬火工艺，过程简单，只需在工艺过

14、程中对炉内换热设备进行改造。半水煤气化加热，在一定温度和压力下转化炉，具有催化剂、一氧化碳（28%）的半水煤气和水蒸气的化学反应，转化为二氧化碳。资质较好的转化和氢气（CO0.3%），为了在满足工艺要求的部分6。一氧化碳和水蒸气产生的氢气和二氧化碳，一氧化碳转化过程中的催化剂转化，长期以来一直被用于合成氨工业，这在生产过程中的氨合成，因为生产气体增加了生产成本的比例。因此，尽一切可能地尝试获得更多的氢气，有严重中毒的一氧化碳气体的合成氨催化剂，必须努力消除。利用氢气和二氧化碳的一氧化碳生成反应，水蒸气可以增加合成氨原料气中的氢含量，根据不同的催化剂和工艺条件。在气体中的一氧化碳含量可以减少0.

15、2%至0.4%，由于二氧化碳的去除是更容易一氧化碳，从而简化了气体精炼过程7-12。同时，回收后可作为原料，生产尿素、汽水等，因此，一氧化碳转化反应在合成氨工业中具有重要意义。氨作为化工产品在我国占有重要地位。氮肥、尿素、磷酸铵和含氮复合肥都是用氨生产的。每年全世界氨产量已达1亿吨，80%用来生产化学肥料。氨一般由氢和氮和合成，又叫氨气，氨除极少少量由焦炉气回收外，基本都是合成的氨。氨由里斯特利发现，贝托雷确定由氮和氢组成。19 世纪，人类随着农业的发展，工业的进步，化肥和炸药的需求量增长，虽然智利发现巨大的硝酸钠矿；但是自然界的矿产资源毕竟有限。然而大气的五分之四是氮，人如能学会廉价地单质氮

16、转化为化合物，那么空气中的氮固定下来，成为一项受到注目和关切的课题，固氮也变成了化学家们的突出问题之一。氨的合成反应式：N2+3H2=2NH3合成氨的化学原理是这样一个方程式；但这简单的化学方程式，实现工业生产，经历了100多年的探索。有不少著名的化学家的结局却无功而返。在1795，化学家试图研究合成氨在大气压力下，在50个大气压力测试后，但所有的失败了。19世纪化学使人们认识到合成氨反应是可逆，增加压力使反应向生成氨方向，提高温度将反应移向相反方向，而温度过低反应速度过小；催化剂将产生重要影响，这为合成氨提供了理论指导13-18。1900 年，勒沙特列研究平衡移动后通过理论，认为在高压条件下

17、直接化合生成氨。他用实验验证，但实验过程发生爆炸。他没有调查原因，觉得实验有危险，就放开了这项研究，合成氨实验就这样结束了。后来查明是他所用气体中含有氧气。能斯特通过理论计算，认为合成氨是不能进行。由于能斯特的权威性，人工合氨研究又遭厄运。而他误用一个热力学数据，以致错误的结论。哈伯对合成氨进行全面实验，决心攻克这难题，哈伯先进行一系列实验，探索最佳物理化学条件。他所做的数据与东方不同，但他靠实验来检验，最后证明他错了。在luosennuo援助，哈勃成功设计出一套实验装置和过程：焦炭在蒸汽吹扫前，如一氧化碳和氢气的混合气体的体积。：在焦炭上方吹入水蒸汽，可得等体积的一氧化碳和氢气混和气。一氧化

18、碳进一步与水反应，得到二氧化碳和氢气。在一定压力下二氧化碳被吸收，得了纯净氢气。水与适量的空气一样，通过碳、氧和碳的发光，形成一氧化碳和二氧化碳被吸收，所需的氮。氮气和氢气在高温高压下及催化剂下合成氨。但什么高温和高压为最佳？什么催化剂最好？通过不断的实验，哈勃实现1909的结果是600，200高压和锇催化剂，氨合成。哈伯知道合成氨不可能达到高的转化率，哈伯认为在高压下加工，并不断把反应的氨分离，则这个过程是可行，他成功设计了循环工艺。进行工业化生产要付出艰辛劳动，哈伯将工艺流程申请专利后，交给了巴登苯胺公司。该公司立即取消技术人员用电弧法在一氧化氮的生产由博世哈珀将组织的设计与实现。首先，找

19、到合理方法，生产氮气、氢气。通过试验，认识到锇难于加工，与空气接触易转变为四氧化物；另外储量极少，价格高。哈伯催化剂是铀，铀对痕量水很敏感。为了寻找催化剂，他们多次试验，测试不同配方，最后定铅镁的铁催化剂，开发高压设备，最后在低碳钢管子里加一层衬里，解决了难题。此时，德国急需大量炸药，而硝酸是生产炸药的原料，于是1912 年建成世界上第一座合成氨装置，1913年开始运转，很快达到设计能力。科学家们的设想实现了。合成氨从实验室走向工业化，成了高压催化反应的里程碑。由于突出贡献，他们获得诺贝尔化学奖金。其他国家也进行了究，并作了改进，开发很多方法。在20世纪40年代初，合成氨成为一种广泛使用的合成

20、氨的方法。20世纪80年代以来，合成氨生产促进高压、原料气制造、特殊金属冶炼等方面发展，对化学合成工业，如甲醇和石油加氢精制、高压聚合等起了推动作用。由于工业化，原材料发生重大变化，战争结束后，许多国家开始焦炭作为原料，使用焦炉煤气的氢气生产方法。焦炭，焦炉煤气是煤炭加工的产品，在二战后，与焦炭，煤炭生产的氨占一半以上的总。后来，天然气、石油大量开采，天然气便于输送，能降低氨厂成本，在性能较好的催化剂、合金钢管出现后，天然气制氨方法广泛应用。接着石脑油转化催化剂成功，采用石脑油、重质油制氢。以前，氨合成塔不超过日产200t 氨，70年代不超400t 氨。随着由汽轮机驱动、离心式压缩机成功，大型

21、合成氨厂逐年增多。大型化指在产540t 以上的装置。1963年美国建成世界上日产900t氨装置，显示出装置投资省、占地少等优点。解放前，我国只有2种氨厂，上海的小合成氨厂。建国后，氨产量迅速增加。中国成立后，氨产量增长很快。建成吉林、四川四个氨厂。在试制成功氮氢气压缩机和高压氨合成塔上，在云南、衢州、广州等地建设了20 多座氨厂。70 年代建立年产30万t 的氨厂，拥有不同流程的装置多座。1983 年我国氨产量为16770kt，占世界第二位最近在中国的氨生产急剧增加，在2002，中国的总生产能力的氨在世界上第一位。为满足农业生产需求，我国氨产业，迅速发展起来，达到世界先进水平。我国煤炭资源丰富

22、，以煤为原料仍有发展前景。煤基合成氨工艺以煤为原料，可分为水煤浆气化和常压气化。水煤浆气化是较完善气化技术，温度13501450 ，压力从3.96MPa 到 6.47MPa 。特点是以煤为原料，配置大型空分，氧气供气化，气化后合成气变换使CO反应为CO2。清洗和去除H2S甲醇、液态氮脱除CO等杂质，用于合成气合成氨工艺纯化氮气系统。常压气化以无烟块煤为原料，用富氧空气气化、低压段压缩、净化去氨合成。一般工艺如下：采用空气法制得氮气以焦炭褐煤或轻油或焦炉气制取氢气，加入空气获得氮。原料气产生一氧化碳等气体须彻底脱除，以防止催化剂中毒。因此过程一般分为造气、净化、脱除杂质。（1）煤气化煤受热分解，

23、释放出碳氢化合物，生成工业煤气，气化剂有碳与含氧等。碳与水蒸汽生成水煤气；与空气反应生成煤气；水蒸汽作为气化剂，生成半水煤气。合成氨工业制取方法有固定气化法、连续气化法、气化法。我国合成氨厂采用固定气化法。固定气化法将煤间歇方式加入，空气从炉底加入，在燃料层内反应。灰渣从炉底徘出。燃料层分为干燥层等。在半水煤气生产中，一般用直径3m的发生炉。采用吹风气热量流程。从上吹送入空气，风机送来的空气；进入煤气炉，氧与碳生成二氧化碳，放出热量。为了回收反应热，在燃烧室内加入空气。一氧化碳在燃烧室燃烧释放出热量，部分细尘在燃烧室沉降。吹风气回收显热后排至大气层。 燃烧层有很高温度，与加氮空气温合加入，经预

24、热后生成半水煤气。进入燃烧室回收显热后，除尘后送入气柜。蒸汽加入空气主要为了氮气。由于气化剂大量吸热，使气化层底部温度下降，上部温度不断被加热，煤气炉温度升高，显热损失增加。因此，改变吹气方向避免上述现象发生。将混合的空气预热后，送入气化层。半水煤气热量被吸收后排出。下吹制气后，进行吹风提高炉温。但煤气炉下部存着半水煤气，有可能爆炸。因此二次上吹制气用空气置换半水煤气。在炉内通入空气吹净燃烧、洗气箱后送入气柜。生产水煤气炉温一般1200，发生炉中燃料层温度高时，生成一氧化碳，反应增快，炉温过高，炉内结疤，一般炉温是比灰熔点低100。为减少热量损失要求在最短的时间内温升所需温度。加大速度会加速燃

25、烧，使炉温高，降低一氧化碳损失。但风速较大，燃料会吹出来的，一般煤气炉在18000nm3h风控制，小块煤喷吹风量22000立方米/小时。制取半水煤气，需合适的蒸汽用量一般吹气时间不宜过长。（2）变换工艺一氧化碳变换是将一氧化碳进行变换反应生成氢气以满足下游工序对合成气中氢/碳比的要求并对变换气的热量进行回收。 催化剂的选择Fe是一种催化剂的转化过程，工作温度在500320摄氏度以上，被称为中温转换过程，操作温度较高，催化剂的耐硫性、蒸汽消耗高有最低水气比要求。Co-Mo系变换催化剂的变换工艺，操作温度在240480，称为耐硫宽温变换工艺。宽温变换催化剂操作温区较宽，抗硫毒能力极强，对总硫含量无

26、上限要求，同时对水气比也无要求。原料气的性质影响到变换催化剂的选择，采用MK+和GSP气化技术生产粗合成气，粗合成气中总硫含量分别为0.159和0.244（vol）。由于粗合成气中含硫较高,对催化剂的选择更加重要。由于Fe-Cr系催化剂有最低水气比要求，所以必须向粗合成气补入蒸汽，如采用Fe-Cr系催化剂，将导致能耗增加。铜锌系列低温转化工艺一般都采用在天然气处理过程中，有必要将钴降低到0.3%或更少，因此不用于系统中。 钴钼系耐硫催化剂工作温度低，一般宽温变换催化剂的活性温度为200，最高温度通过合理的耐硫变换催化剂的耐480可控制变换反应，以降低变换炉的床层热点温度。钴钼耐硫低温变换催化剂

27、的活性温度180，在高于30低温运行的露点温度，有利于转化反应，可以节省大量的外部蒸汽。（3）酸性气体脱除从脱除CO2、H2S及少量有机硫来看，CO变换的变换气中CO2、H2S含量高，采用纯物理吸收法脱除酸性气体有利。1）NHD工艺Selexol工艺20世纪60年代开发，21世纪发展为选择性脱除酸性气体。南京NHD溶剂化工研究院、化工部鉴定为NHD净化工艺，对NHD脱硫脱碳工业化示范装置的第一套完成，后CO20.2%转炉煤气净化。目前，在这一过程中广泛使用，淮南18万吨/年合成氨的最大容量。2） 低温甲醇洗低温甲醇洗德国林德开发的一种净化工艺。第一个设备是由陆奇在南非建造的，目前拥有超过100

28、套工业设备，约20套中国，这一过程是适用于气体中产生的气体二氧化碳和硫化物的处理。甲醇作为典型的物理吸附法，溶剂，酸溶性大，气中酸性气体被去除。低温甲醇洗工艺在低温条件下，CO2和H2S的溶解度随温度的升高，溶剂用量少、设备少。在30下能选择性脱除H2S。该工艺净化度高，将气中CO2脱至20ppm，脱硫和脱碳同一个塔内地进行。工艺技术成熟，具有很好的应用性能，广泛应用于合成氨和其他羰基合成、工业氢气和天然气脱硫等设备。以煤为原料生产的大型合成氨厂采用该技术。从溶液吸收、气体损失、再生温度、溶剂稳定性及溶剂价来源、工艺技成熟性、投资的等方面进行比较： 吸收和循环量NHD吸收温度50，低温甲醇洗操

29、作温度2060，因此，吸收等量的酸性气体时甲醇溶剂量较小。甲醇对CO2是NHD的四倍，导致NHD净化装置能耗增加。NHD输送功耗远高于低温甲醇洗。和NHD工艺比低温甲醇洗工艺高得多。气体损失比较由于气体选择性不同，工艺的有体损失也不同。低温甲醇洗工艺损失H2量的0.12%，NHD工艺损失H2量的0.39%。NHD工艺损失大于低温甲醇洗。 0.1 ppm硫化氢在低温甲醇洗净化工艺流程NHD工艺气体中H2S 5ppm。因此，在NHD工艺需增加精脱硫装置。 再生温度NHD脱硫，有较高的再生蒸汽，蒸汽消耗量也大。为了能耗，目前装置向溶剂中加入水蒸汽形成混合蒸汽。当NHD溶剂仍高于低温甲醇洗工艺。NHD

30、脱碳系统高温运行。该装置可采用普通碳钢。 溶剂稳定性比较NHD溶剂稳定性较好，但是是一种多组份混合物，高温稳定性不利的，再生时需加入水。低温甲醇洗有良好的化学和热稳定性。在操作温度下无任何变化。 溶剂来源合格的NHD溶剂厂家不多，而甲醇非常普遍。NHD溶剂价格为甲醇的56倍。NHD价格较贵，初次充费用高达近千万元，高于低温甲醇洗工艺，增加建设投资。在操作中，NHD溶剂的消耗高于甲醇。但甲醇是有毒的，很难操作，必须在设计中考虑。 溶剂传质性能比较NHD溶剂粘度较大的传质变化，需要增加填料高度，不利于传热，在NHD系统，换热面积大，粘度小于NHD溶剂甲醇，甲醇是容易达到吸附平衡，它也有良好的传热的

31、溶剂，和热交换器网络可以合理地布置，使设备的能量可以更有效。 工艺成熟性低温甲醇洗工艺可靠，技术上有保证。国内有多套低温甲醇洗净化工艺。NHD净化工艺最大为年产18万吨合成氨装置。投资因素低温甲醇洗涤过程是为了有效地回收能量，工艺更为复杂，更多的换热设备，设备和管道材料要求较高，软件成本和硬件成本较高。NHD工艺为工艺相对较为简单，采用普通钢材即可满足要求，软件费用和硬件费用相对较低，所需大型溶剂泵及水力透平需要进口。3）甲烷化技术选择上世纪70年代，lugri在南非建立一套合成天然气煤实验装置，除维也纳奥地利石建筑的另一套半工业试验装置，进行了长时间的运行，取得了很好的效果。在1984，美国

32、建了一个煤气厂。甲烷化的研究是从合成氨工业，由于CO和CO2将有毒的氨合成催化剂，合成气进入合成反应器将在CO和CO2的转换所需的微量。由于温度区使用窄（活性温度高，CO甲烷化反应器+ CO2要求小于0.8%，以防止催化剂中毒的硫含量小于0.1 ppm。国内城市燃气广泛使用，一个是使用鲁奇气化，气体净化，送城市管网，甲烷浓度约为15%，典型使用的植物有哈尔滨煤气厂等。另一种是固定层气化，经过净化后CO为29%，等温移热，对其甲烷化。中国五环工程有限公司研究工艺技术，并采用中国大连化物所催化剂，在湖十堰第二汽车制造厂等用气的供应中实现工业化。4）氨合成氨合成氨的重要工艺之一，在适当的条件下，合成

33、氢气、氮气、混合气体、分离液、氨、氮、氢气的循环。氨法合成化学的特点是可逆反应，在生产氨的同时，也分为氢气和氮气两个方面；反应是放热，放热量与温度、压力有关；是体积缩小反应，反应过程中，体积减少；在催化剂的情况下，氨的产率是比较慢的，在300和500的氨反应是需要数年，在催化剂的作用下，加快反应速率。催化过程是研究最深入的过程，氨工业的进展是由于催化剂质量提高取得的，工艺条件也决于催化剂性质。催化剂作用十分重要。铁是一种具有成本低、易获得、使用寿命长、应用范围广的合成氨合成铁的主要机构。热力学表明高压对反应是利，无催化剂反应活化能高，反应不发生。采用催化剂时降低活化能，反应显著速率进行。合成氨

34、反应首先是氮分子在催化剂上进行吸附，氮化学键减弱，氢原子跟氮分子作用，在催化剂上步NH2，最后生成气态氨。催化剂主要成分Fe2O3并加入A12O等促进剂，活性组分是铁，使用前用氢氮混合气还原，铁还原型纯铁。氧化铝和氧化铁的生产晶体，当催化剂减少，-铁和铝铁还原不降低，防止铁晶粒进一步生长。形成微型孔道结构，增加催化剂活性。MgO与A12O3相似，在还原过程中，MgO防止铁微晶进一步长大，但其要作用是增强对硫化物抗毒能力，保护催化剂不晶体破坏，延长催化剂寿命。Cao降低熔点和粘度，使A12O3易于分散，提高催化剂热稳定性。铁催化剂是一种不规则的固体颗粒，在空气中易受潮析出活性下降。还原催化剂在空

35、气中迅速燃烧，失掉活性。一氧化碳、油类会使催化剂中毒，含氧化合物亦会永久中毒。铁催化剂有起始活性温度和耐热温度。氨合成工艺必须符合低消耗、工艺简单、安全可靠的要求。主要因素是操作温度、气体组成和催化剂等。合成氨工艺流程一般以压力来分，提高操作压力对氨合成有利。合成氨工艺一般对点压力，提高氨合成操作压力。氨产率随压力升高而上升，压力高也有利氨分离，冷冻功减少，设备紧凑，但对材质要求较高催化剂寿命短，操作困难，因此不宜过高。我国合成氨厂压力采用2032MPa，大型合成氨厂的压力为27MPa。氨合成中存在的催化剂，它必须在一定的温度下是活性，氨反应温度必须在催化剂的活性温度。铁催化剂的活性温度在39

36、0530之间。空间速度意味着处理气量，增大空间速度，加快气体速度，接触时间缩短，出塔气体氨含量降低。增加空间速度，处理量大增大产量，但氨净值降低；速度过大，分离不完全增大动力消耗。合成塔入口组成氢氮比接近3时，平衡氨浓度最大，一般实际生产氢氯比控制在2.62.9合适。氨循环须包括补入循环气、氨合成，氨分离，热回收、气体补压力、排放循环气等，采用压缩机、氨分离、热能回收形成不同工艺流程。液氨两次分离流程，液氨在水冷器及氨冷器中分离，出口气体先冷却到一定程度，氨分离器出来。气体进入压缩机，与新鲜气混合后，流入氨冷却器中。余下氨在第二氨分离器中分出，进入合成塔。煤合成氨特点是氨能耗较高，做好节能工作

37、对氨生产有重要意义，工艺的节能措施有采用微机控制系统，合理分配大、中块煤，设置吹风气锅炉，可燃成份热量利用，全低变工艺，节约蒸汽、CO2脱除物理吸附，适当选择蒸汽余热锅炉，使用的过程中，回收氢气、甲烷作为燃料气、热能设备综合利用做蒸汽自给。我国已建成大多以煤为原料，新建一批以煤为原料装置，供选择技术很多，应根据装置地特点，考虑节能降耗做到投资省、操作稳。第二章 工艺计算2.1 原始条件(1)合成塔进口压力299105Pa(2)合成塔出口压力289105Pa(3)循环气中惰性气体含量 CH4+Ar=15%(4)补充气中惰性气体含量 CH4+Ar=0.8%(5)氨净值 12.76%(6)合成塔进口

38、气温度 30(7)合成塔出口气温度 90(8)水冷器出口温度 35(9)触媒筐出口温度 475(10)锅炉所产蒸汽的饱和蒸汽压 12.7105Pa(11)气体进锅炉温度 375(12)锅炉软水进口温度 100(13)年总工以300天计算 (14)操作压力按（305+295）/2=300kg/cm2(15)年产量60kt，年生产时间扣除检修时间后按300天计，则产量为：8.333 t/h 计算基准 生产1t氨2.2 物料衡算2.2.1 合成塔物料衡算(1)合成塔入口气组分： 选择入塔氨含量（典型）:y6NH3=2.5%; 入塔甲烷含量：y6CH4=11.538%； 入塔氢含量：y6H2=100-

39、(2.5+15)3/4100%=61.875%； 入塔氩含量：y6Ar=15%-11.538%=3.462%； 入塔氮含量：y6N2=100 -(2.5+15)1/4100%=20.625% (2)合成塔出口气组分： 以1000kmol为基准， 氨含量：mNH3=m6 (y9NH3-y6NH3)/ (1+y9NH3) =1000(0.165-0.025)/ (1+0.165)=120.172kmol 出塔气量: m9= 879.828kmol 出塔甲烷含量：y9CH4=13.114% 出塔氩含量： y9Ar=3.935% 出塔氢含量： y9H2=49.838% 出塔氮含量： y9N2=1/4(

40、1-0.165-0.13114-0.03935)100%=16.613% (3)合成率： 合成率=29.133%2.2.2氨分离器气液平衡计算根据气液平衡原理，以F=1Kmol/h进口物料为计算基准,则m(i)=Lx(i)+Vy(i),y(i)=K(i)x(i).K(i)为组分i的平衡常数13。由两式得 L(i)=m(i)/1+(V/L)K(i)；V=F-L=1-L液体组分 x(i)=L(i)/L；气体组分 y(i)=V(i)/V=m(i)-L(i)/V 查t=35，P=29.5MPa时各组分平衡常数：表3.1 各组分平衡常数KNH3KCH4KArKH2KN20.0988.228.20027.

41、50034.500 设(V/L)=11.1时，带入L(i)=m(i)/1+(V/L)K(i)=L(i): LNH3= 0.07903Kmol LCH4= 0.00143 Kmol LAr= 0.00013 Kmol LH2= 0.0163Kmol LN2= 0.00043 Kmol L总= 0.08265 Kmol 分离气体量：V=1-L=1-0.08265=0.91735 Kmol 计算气液比：(V/L)=0.91735/0.08265=11.099 误差(V/L)-(V/L)/(V/L)=(11.10-11.099)/11.10100%=0.009%，结果合理。 从而可计算出液体中各组分含

42、量： 氨含量： xNH3= 95.62% 氩含量： xAr= 0.157% 甲烷含量：xCH4= 1.73% 氢含量: xH2= 1.972% 氮含量： xN2= 0.5202% 分离气体组分含量： 氨含量： yNH3=9.37% 甲烷含量： yCH4=14.14% 氩含量： yAr=4.28% 氢含量： yH2=54.15% 氮含量： yN2=8.063%2.2.3冷凝塔气液平衡计算 查t=-10,p=28.3MPa的平衡常数：表3.8 各组分的平衡常数KNH3KCH4KArKH2KN20.025427517580 冷交换器出口液体组分含量：氨： xNH3=98.425% 甲烷： xCH4=

43、 0.427% 氩: xAr= 0.068% 氢: xH2= 0.825% 氮: xN2= 0.258%2.2.4液氨贮槽气液平衡计算 G%=(1+y6NH3)(y9NH3-yNH3)/( y9NH3- y6NH3)(1- yNH3) =(1+0.025)(0.165-0.0937)/ (0.165-0.025)(1-0.0937)=57.599% 以液氨贮槽的入口液体1Kmol为准，则 m(0i)=L(16)X16i+L17X17i= G%L0X16i+(1- G%)X17i=0.57599X16i+0.42401X17i 氨： m0NH3=0.575990.9562+0.424010.98

44、425=0.96809 甲烷: m0CH4=0.575990.01730+0.424010.=0.01178 氩: m0Ar=0.575990.00157+0.424010.00068=0.00119 氢： m0H2=0.575990.01972+0.424010.00825=0.01486 氮： m0N2=0.575990.+0.424010.00258=0.00409 t=17，P=1.569MPa时：表3.11 各组分的平衡常数KNH3KCH4KArKH2KN20.598170540575620 根据气液平衡L(i)=m(0i)/1+(V/L)k(i),设(V/L)=0.0821,代入上

45、式得:氨含量： LNH3=0.96809/(1+0.08210.598)=0.92279 Kmol 甲烷含量：LCH4=0.01178(1+0.0821170)=0.00079Kmol氩含量： LAr=0.00119/(1+0.0821540)=0.00003 Kmol 氢气含量：LH2=0.01486/(1+0.0821575)=0.00031Kmol 氮气：LN2=0.00409/(1+0.0821620)=0.00008 Kmol L(总)=0.924,V=1-0.924=0.076Kmol,(V/L) =V/L=0.0823, 误差 =(0.082-0.0823)/0.0821=-0.

46、244%，假定正确。出口液体组分含量： 氨： xNH3= 99.869% 甲烷： xCH4= 0.085% 氩： xAr= 0.003% 氢气： xH2= 0.034% 氮气： xN2= 0.009%出口： 氨： yNH3=59.6% 甲烷：yCH4=14.46% 氩： yAr=1.53% 氢气：yH2=19.14% 氮气： yN2=5.28%2.2.5液氨贮槽物料计算 以一吨纯液氨折出口液体量 L(19)=100022.4/(0.9986917)=1319.375m 其中 NH3 L(19NH3)= 1317.647 m CH4 L(19CH4)= 1.121 m Ar L(19Ar)=L(

47、19)X(19Ar)=1319.3750.003=0.0396 m H2 L(19H2)= 0.449 m N2 L(19N2)= 0.119 m 液氨贮槽出口弛放气(V/L)=0.0821 V(20)=0.0821L(19)=0.08211319.375=108.321 m 其中NH3 V(20NH3)=V(20)y(20NH3)=108.32159.6=64.559 mCH4 V(20CH4)=V(20)y(20CH4)=108.32114,46=15.663mAr V(20Ar)=V(20)y(20Ar)=108.3211.53=1.657 mH2 V(20H2)=V(20)y(20H2

48、)=108.32119.14=20.773mN2 V(20N2)=V(20)y(20N2)=108.3215.28=5.719 m 出口=L(19)+ V(20)= 1427.696 m 液氨贮槽进口液体： L(18)= 1427.696 m 其中 NH3 L(18NH3)= 1382.206m CH4 L(18CH4)=1.121+15.663=16.784m Ar L(18Ar)=0.0396+1.657 =1.6966 m H2 L(18H2)=0.499 +20.733= 21.182 m N2 L(18N2)=0.119+ 5.719=5.838m 含量核算): 氨 m(18NH3)

49、= 96.814 甲烷 m(18CH4)= 1.176 氩 m(18Ar)= 0.119 氢气 m(18H2)= 1.484% 氮气 m(18N2)= 0.409% m(18i) m(0i)2.2.6合成系统物料计算将整个合成看着一个系统则 循环回路中氢平衡： V补yH2补=V放yH2放V弛yH2弛+3/2V放yNH3放+3/2V弛yNH3弛+3/2LNH3 (3-1) 循环回路中氮平衡: V补yN2补=V放yN2放V弛yN2弛+1/2V放yNH3放+1/2V弛yNH3弛+1/2LNH3 (3-2) 循环回路中惰性气体平衡: V补(0.011+0.0033)=V放(0.1414+0.04275

50、)+108.321(0.18104+0.01929) V补=12.878V放+1139.673 (3-3) 循环回路中惰性气体平衡: 0.165V出-0.025V入=0.09736V放 + 1325.896 (3-4) 循环回路中总物料体平衡: -32.974-1317.647= V出 + V补V放- 1401.627 (3-5) 联立(3-1)(3-2)(3-3)(34-)(3-5)各式解得： V放=133.846 m; V补=2935.296m; V出=10208.129m; V入=11583.611m32.2.7合成塔物料计算 入塔物料： V6=11583.611 m3 NH3 V6NH

51、3=289.59m3 CH4 V6CH4=1336.517m3 Ar V6Ar=401.025m3 H2 V6H2=7167.359m3 N2 V6N2=2389.12m3 V6=V7=V8=10208.129m3 出塔物料 V9=10208.129m3 NH3 V9NH3=1684.341 m3 CH4 V9CH4=1338.694 m3 Ar V9Ar=401.690 m3 H2 V9H2=5087.527m3 N2 V9N2=1695.876m3 合成塔生成氨含量：VNH3= 1058.516Kg 沸热锅炉进出口物料，热交换器进出口物料等于合成塔出塔物料。 即 V9=V10=V11=10

52、208.129m32.2.8水冷器物料计算 进器物料： V11入=10208.129m3 出器物料： (V/L)=11.1,有如下方程:V12出/L12出=(V/L)=11.1 (3-6)V12出+L12出=L11入=10208.129 (3-7) 将 V12出=11.1L12出带入得: L12出=843.647 m3 V12出=9364.482 m3 出口气体组分由V12i=V1出y12i得: 其中， NH3 V12NH3=877.452m3CH4 V12CH4=9364.48214.14% =1324.138m3Ar V12Ar=9364.4824.28% =400.8m3H2 V12H2

53、=9364.48254.15% =5070.867m3N2 V12N2=9364.48218.062% =1691,506m3 出口： NH3 L12NH3=1684.341 -877.452 =806.889m3CH4 L12CH4=1338.694 -1324.138 =14.556m3Ar L12Ar=401.69 -400.8 =0.89m3H2 L12H2=5087.527 -5070.867 =16.66m3N2 L12N2=1695.876 -1691,506= 4.37m32.2.9氨分离器物料计算 进物料： V12= 10208.129m3 气体 V139364.482 m3，液体 L