年产6万吨合成氨合成工艺设计-5讲解

1、本科毕业设计年产 6 万吨合成氨合成工艺设计The Process Design of 60kt/a of Synthetic AmmoniaSynthesis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 月毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺： 所呈交的毕业设计， 是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。 尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外， 不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。 对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明

2、确的说明并表示了谢意。作 者签 名：指导教师签名：日期：日期：使用授权说明本人完全了解武汉工程大学关于收集、保存、使用毕业设计的规定，即：按照学校要求提交毕业设计的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的前提下， 学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名：日期：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国内外合成氨工业发展现状 .错误！未定义书签。1.3合成工艺概述 .21.4氨的生产方法的选择 .错误！未

3、定义书签。第二章氨合成过程工艺过程 .错误！未定义书签。第三章工艺计算 .43.1原始条件 .43.2物料衡算 .43.2.1合成塔物料衡算 .43.2.2氨分离器气液平衡计算 .53.2.3冷凝塔气液平衡计算 .63.2.4液氨贮槽气液平衡计算 .63.2.5液氨贮槽物料计算 .83.2.6合成系统物料计算 .93.2.7合成塔物料计算 .93.2.8水冷器物料计算 .103.2.9氨分离器物料计算 .113.2.10 冷凝塔物料计算 .113.2.11 氨冷器物料计算 .123.2.12 冷凝塔物料计算 .133.2.13 液氨贮槽物料计算 .143.3热量衡算 .163.3.1合成塔热量

4、计算 .163.3.2废热锅炉热量计算 .173.3.3热交换器热量计算 .18第四章 设备的计算与选型 .194.3校核总传热系数 K .194.3.1官内给热系数 计算 .194.3.2管外给热系数 o.234.3.3总传热系数 K .264.4管子拉脱力的计算 .264.5计算是否安装膨胀节 .274.6换热器主要结构尺寸和计算结果.28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年产 6 万吨合成氨合成工段工艺设计摘要： 合成氨工业是世界现代化学工业的基础，也是我国化学工业发展的重要先驱，在国民经济中占有极其重要的地位， 其中氨合成工段是合

5、成氨工艺的中心环节。 本文在充分进行合成相关文献调研的基础上综述了合成氨设备、 催化剂、合成氨工艺三方面的现状和未来发展趋势。在中压法和催化剂的条件下， 进行了年产 6 万吨合成氨合成工段进行设计。 设计合成氨合成工段的生产工艺流程， 将精制的氢氮混合气直接合成为氨， 然后将所得的气氨从未合成为氨的混合气中冷凝分离出来， 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。 并根据设计任务及操作温度、压力按相关标准对换热器的尺寸和材质进行选择。关键词： 氨合成；物料衡算；能量衡算IThe Process Design of 60k

6、t/a Synthetic Ammonia SynthesisAbstract: 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 the actuality and the future which based the

7、 literature disquisition.The production process of synthetic ammonia synthesis is designed in the medium pressure and catalyst. The optimize outputting 60,000 t/a of synthetic ammonia synthesis is designed. The refined hydrogen and nitrogen mixture is made into synthesis ammonia by the design, then

8、took the synthesis ammonia gas out of the mixture that has not been become ammonia. At last, the mixture of not reacting is supplied a certain amount of fresh gas to continue to cyclic response. The heat change of the synthesis tower, the boiler and the heat exchanger is attained by the heat balance

9、, also we selected piping size and material according to the design operation of temperature, pressure and relevant standards.Keywords: ammonia synthesis section; material balance accounting; energy balance accountingII引言合成氨是重要的基础化工产品之一， 其产量位居各种化工产品的首位， 同时也是消耗能源的大户，合成氨的生产对国民生活至关重要，而在环境和资源问题日益严重的今天，更

10、高效的合成氨生产以及符合资源节约型、 环境友好型生产理念的要求， 合成氨工业的改革显得至关重要。合成氨的现状和未来发展趋势主要围绕合成氨设备、 合成氨催化剂、合成氨工艺技术三方面进行阐述， 在合成氨设备方面， 我国中小型合成氨装置面临严峻的挑战， 中型合成氨装置面临技术改造，而小型装置则面临淘汰。国内外合成氨设备的发展和新技术方面，通过对国内冷管型合成塔和国外绝热型合成塔的对比介绍，阐述了国内外合成氨设备的不同及国外的先进之处，绝热型合成塔具有简单、可靠的特点，而且能够消除“冷壁效应 ”。目前国内也积极开发这项技术，并且也有应用。本设计对氢、氮直接合成为氨的合成工段工艺流程进行介绍， 将在传统

11、工艺流程上加以改进。拟采取的工艺路线缩短了，减少了设备投资，降低了能耗，操作简单安全。物料消耗降低，生产安全性提高，从而降低了生产成本，提升了合成氨市场竞争力。1第一章综 述1.1 合成氨工工业发展背景我国的氮肥工业自 20 世纪 50 年代以来，不断发展壮大，目前合成氨产量已跃居世界第一位，目前研发的设备可以将焦炭、 无烟煤、焦炉气、天然气及油田伴生气和液态烃多种原料生产合成氨，形成了特有的煤、石油、天然气原料并存和大、中、小生产规模并存的生产格局。目前合成氨总生产能力约为 4500 万 t/a，合成氨工业已基本满足了国内需求，但要想进一步提高生产能力，还要对设备进行进一步技改和研发。合成氨

12、工业使基础化学工业之一。 其产量居各种化工产品的首位。 氨本身是重要的氮素肥料，除石灰石氮外， 其它氮素肥料都是先合成氨，然后再加工成各种铵盐或尿素。 将氨氧化制成硝酸，不仅可用来制造肥料，亦是重要的化工原料，可制成各种炸药。氨、尿素和硝酸又是氨基树脂、 聚酰胺树脂、 硝化纤维素等高分子化合物的原料。以其为原料可制得塑料、合成纤维、油漆、感光材料等产品。作为生产氨的原料 CO+H2 合成气，可进行综合利用，以联产甲醇及羰基合成甲酸、 醋酸、醋酐等一系列化工产品。以做到物尽其用，减少排放对环境的污染， 提高企业生产的经济效益。 已成为当今合成氨工业技术发展的方向。国际上对合成氨的需求， 随着人口

13、的增长而对农作物增产的需求和环境绿化面积的扩大而不断增加。1.2 合成工艺概述在合成氨生产中， 制取氢气，在生产中占有很大比重， 因此要尽一切可能设法获得最多氢气。同时 CO 对氨合成催化剂有严重毒害，也必须除去。最好的办法使提高 CO 变换率。近几十年来，各国学者都做了不少工作，对催化剂不断改善，到目前为止，可使变换后气体中 CO 含量降到 0.2% 0.4%。通过变换工序将 CO 变为 H2 使产品成本降低，工厂经济效益提高。由于制取合成氨原料气所用的原料不同，所选择的工艺也不一样，所以原料气中 CO 含量也不同。 CO 变换，视其原料和所采取的生产方法不同，也有不同的工艺流程。上世纪 5

14、0 年代以前，在常压下制取合成氨原料气，其变换大多是在常压下进行。此后，特别是上世界 60 年代以后，合成氨原料改用天然气、油田气、石油加工气和轻油等，生产方法大多采用加压的蒸汽转化法，变换则在加压下进行，一般在 4.0Mpa 以下。以煤、焦为原料的常压造气工厂， 很多也改用加压变换， 以降低能耗，用粉煤加压气化做原料气， 其变换压力一般在5.5Mpa 以下，以油渣为原料最高压力已达8.5Mpa。CO 变换流程，对与固定层煤气化装置配套时，所用设备较多。与部分氧化法急冷流程相配套时，流程较简单，只需要在流程中设置变换炉和换热设备即可。2将半水煤气经过增湿加热， 在一定的温度和压力下变换炉内，

15、借助催化剂的催化作用，使半水煤气中的一氧化碳（ 28%）与水蒸气进行化学反应，转变为二氧化碳。和氢气制得合格的变换气（ CO0.3%），以满足后工段的工艺要求。一氧化碳与水蒸气在催化剂上变换生成氢和二氧化碳的过程为一氧化碳的变换， 这一过程很早就用于合成氨工业，在合成氨生产中，由于制取气的生产成本中占加大的比重。因此，要尽一切可能设法获得更多的氢气， 煤气中的一氧化碳对于合成氨催化剂有严重的毒害，必须设法除去。 利用一氧化碳与水蒸气作用生成氢和二氧化碳的反应， 可以增加合成氨原料煤气中氢气的含量； 根据不同的催化剂和工艺条件。 煤气中的一氧化碳含量可以降低为 0.2% 0.4%，由于二氧化碳的

16、除去较一氧化碳要容易的多，这样就简化了煤气的精制过程。同时，经过回收后可以作为生产尿素、纯碱等的原料，因此，一氧化碳变换反应在合成氨工业中具有重要的意义。3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12.7 105Pa(11)气体进锅炉温度375(12)锅炉软水进口温度100(13)

17、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-(2.5+15)3/4 100%=61.875%；入塔氩含量： y6Ar =15%-11.538%=3.462%；入塔氮含量： y6N2=100 -(2.5+15)1/4 100%=20.625%(2)合成塔

18、出口气组分：4以 1000kmol 入塔气作为基准求出塔气组分，由下式计算塔内生成氨含量： mNH3=m6 (y9NH3 -y6NH3)/ (1+y9NH3)=1000(0.165-0.025)/ (1+0.165)=120.172kmol出塔气量 : m9=入塔气量 生成氨含量 =1000-120 172=879.828kmol 出塔甲烷含量： y9CH4=(M6/M9) y6CH4=(1000/879.828) 11.538%=13.114% 出塔氩含量： y9Ar =(M6/M9) y5Ar =(1000/879.828) 3.462%=3.935%出塔氢含量：y9H2=3/4(1-y9

19、NH3-y9CH4-y9Ar) 100% =3/4(1-0.165-0.13114-0.03935) 100%=49.838%出塔氮含量：y9N2=1/4(1-0.165-0.13114-0.03935) 100%=16.613%(3)合成率：合成率 =2mNH3/ m6(1-y6NH3-y6CH4-y6Ar ) 100%=2120.172/1000(1-0.025-0.15)100%=29.133%2.2.2 氨分离器气液平衡计算设氨分离器进口气液混合物F，进口物料组分 m(i) ，分离器组分y(i) ，液量其中进口物料组分 m(i) 等于合成塔出口气体组分。根据气液平衡原理，以F=1Kmo

20、l/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K NH3K CH4K ArK H2K N20.0988.228.20027.50034.500设 (V/L)=11.1 时，带入 L(i)=m(i)/ 1+(V/L) K(i) =L(i):LNH3=mNH3 /1+(

21、V/L) KNH3 =0.165/(1+11.1 0.098)=0.07903KmolLCH4= mCH4/ 1+(V/L) KCH4=0.13114/(1+11.1 8.)=0.00143 KmolLAr=mAr/ 1+(V/L) KAr =0.03935/(1=11.1 28.2)=0.00013 KmolLH2=mH2/1+(V/L) KH2=0.49838/(1=11.1 27.5)=0.0163KmolLH2=mN2)/ 1+(V/L) KN2 =0.16613/(1=11.1 34.5)=0.00043 KmolL 总 = L(NH3)+ L(CH4)+ L(Ar)+ L(Ar)+

22、 L(H2)+ L(N2)=0.08265 Kmol分离气体量： V=1-L=1-0.08265=0.91735 Kmol5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)/11.10 100%=0.009%，结果合理。从而可计算出液体中各组分含量：液体中氨含量：xNH3=LNH3 /L=0.07903/0.08265 100=%95.62%液体中氩含量：xAr =LAr/L=0.00013/0.08265 I00%=0.157%液体中甲烷含量： xCH4=LCH4/L=0.00143/0.0826

23、5 100%=1.73%液体中氢含量 :xH2=LH2/L=0.00163/0.08265 100%=1.972%液体中氮含量： xN2=LH2 /L=0.00043/0.08265 100%=0.5202% 分离气体组分含量：气体氨含量：yNH3= mNH3-LNH3/V=(0.165-0.07903)/0.91735=9.37%气体甲烷含量：yCH4= mCH4-LCH4/V=(0.13114-0.00013)/0.91735=14.14%气体氩含量：yAr=mAr-LAr /V=(0.03935-0.00013)/0.91735=4.28%气体氢含量：yH2=mH2-LH2 /V=(0.

24、49838-0.00163)/0.91735=54.15%气体氮含量： yN2=mN2-LN2 /V=(0.16613-0.00043)/0.91735=18.063% 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K NH3K CH4K ArK H2K N20.025427517580冷交换器出口液体组分含量：出口液体氨含量：xNH3=yNH3/ KNH3 =0.25/0.0254=98.425%出口液体甲烷含量：xCH4=yCH4/ KCH4=0.11538/27=0.427%出口液体氩含量 :xAr =yAr/ KAr=0.03

25、462/51=0.068%出口液体氢含量 :xH2=yH2/ KH2=0.61875/75=0.825%出口液体氮含量 :xN2=yN2/ KN2=0.20625/80=0.258%2.2.4 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+y6NH3 ) (y9NH3-yNH3)/( y9NH3- y6NH3) (1- yNH3)6=(1+0.025) (0.165-0.0937)/ (0.165-0.025) (1-0.0937)=57.599%水冷后分

26、离液氨占总量的57.599%，冷凝塔分离液氨占总量的42.401%。液氨贮槽入口 1Kmol 液体计算为准，即L 0=1Kmol ，入口液体混合后组分含量：m(0i)=L(16)X16i+L17X17i= G%L0X16i+(1- G%)X17i=0.57599X16i+0.42401X17i混合后入口氨含量：m0NH3=0.57599 0.9562+0.42401 0.98425=0.96809混合后入口甲烷含量 : m0CH4=0.57599 0.01730+0.42401 0.004271=0.01178混合后入口氩含量 :m0Ar=0.57599 0.00157+0.42401 0.0

27、0068=0.00119混合后入口氢含量：m0H2=0.57599 0.01972+0.42401 0.00825=0.01486混合后入口氮含量：m0N2=0.57599 0.005202+0.42401 0.00258=0.00409当 t=17， P=1.568MPa时，计算得热平衡常数：表 3.11 各组分的平衡常数K NH3K CH4K ArK H2K N20.598170540575620根据气液平衡 L(i )=m(0i)/1+( V/L)k(i ), 设(V/L)=0.0821,代入上式得 :出口液体氨含量：LNH3=m0NH3 /(1+( V/L) kNH3=0.96809/

28、(1+0.0821 0.598)=0.92279 Kmol出口液体甲烷含量： LCH4=m0CH4/ 1+(V/L) kCH4=0.01178(1+0.0821 170)=0.00079Kmol出口液体氩含量：LAr=m0Ar/ 1+( V/L) kAr =0.00119/(1+0.0821 540)=0.00003 Kmol出口液体氢气含量： LH2 =m0H2/ 1+( V/L) kH2=0.01486/(1+0.0821 575)=0.00031Kmol出口液体氮气含量： LN2=m0N2/ 1+(V/L) kN2=0.00409/(1+0.0821 620)=0.00008 KmolL

29、(总)=0.924,V=1-0.924=0.076Kmol,(V/L) =V/L=0.0823,误差 =(0.082-0.0823)/0.0821=-0.244%，假定正确。出口液体组分含量：出口液体氨含量：xNH3=LNH3 /L=0.92279/0.924 100%=99.869%出口液体甲烷含量：xCH4=LCH4/L=0.00079/0.924 100%=0.085%出口液体氩含量：xAr=LAr/L=0.00003/0.924 100%=0.003%7出口液体氢气含量：xH2=LH2 /L=0.00031/0.924 100%=0.034%出口液体氮气含量：xN2=LN2 /L=0.

30、0008/0.924 100%=0.009%出口弛放气组分含量：弛放气氨含量：yNH3=(m0NH3 -LNH3)/V=(0.96809-0.92279)/0.076 100%=59.6%弛放气甲烷含量： yCH4=(m0CH4 -LCH4)/V=(0.01178-0.00079)/0.076 100%=14.46%弛放气氩含量：yAr=(m0 Ar-LAr)/V=(0.00119-0.00003)/0.076 100%=1.53%弛放气氢气含量： yH2=(m0H2-LH2)/V=(0.01486-0.00031)/0.076 100%=19.14%弛放气氮气含量：yN2=(m0N2-LN2

31、)/V=(0.00409-0.00008)/0.076 100%=5.28%2.2.5 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)=100022.4/(0.99869 17)=1319.375m其中 NHL=LX3(19NH3)(19NH3)=1319.375 99.869=1317.647 m(19)CHL=LX4(19CH4)(19CH4)=1319.375 0.085=1.121 m(19)ArL(19Ar) =L (19)X(19Ar)=1319.375 0.003 =0.0396 mHL=LX2(19H2)(19H2)=1319.375

32、0.034=0.449 m(19)N2L(19N2)=L (19)X(19N2)=1319.375 0.009=0.119 m液氨贮槽出口弛放气 (V/L)=0.0821V(20)=0.0821 L(19)=0.0821 1319.375=108.321 m其中 NH3V(20NH3) =V(20)y(20NH3) =108.321 59.6=64.559 mCH4V(20CH4) =V(20)y(20CH4)=108.321 14,46=15.663mArV(20Ar) =V(20)y(20Ar)=108.321 1.53 =1.657 mHV=Vy2=108.321 19.14 =20.7

33、73m(20H2)(20)(20H2)N2V(20N2) =V(20)y(20N2) =108.321 5.28=5.719 m液氨贮槽出口总物料 =L(19)+ V =1319.375+108.321=1427.696 m(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(18)=L(19)+V(20)=1427.696 m入口液体各组分含量计算:L(18i)= L(19i) + V(20i)其中 NH 3L(18NH3) =1317.647+64.559=1382.206mCH4 L(18CH4)=1.121+15.663=16.784mArL(18Ar) =0.0396+

34、1.657 =1.6966 m8H2 L(18H2) =0.499 +20.733= 21.182 mN2 L(18N2) =0.119+ 5.719=5.838m入口液体中组分含量核算 ,由 m =L(18i)/L(18):(18i)入口液体中氨含量(18NH3)m=1382.206/1427.696 100=96.814入口液体中甲烷含量m(18CH4)=16.784/1427.696 100=1.176入口液体中氩含量(18Ar)= 1.6966/1427.696 100=0.119m入口液体中氢气含量m(18H2)= 21.182/1427.696 100=1.484%入口液体中氮气含量m(18N2)= 5.838/1427.696 100 =0.409%入口液体中组分含量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，进入该系统的物料有新鲜补充气补 V 补， 离开该系统的物料有放空气V 放 ，液氨贮槽弛放气 V 弛 ，产品液氨 L 氨 。(如上页图 )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 yH2 补 =V 放 yH2 放 V 弛 yH2 弛 +3/2V 放 yNH3 放 +3/2V 弛 yNH3 弛 +3/2LNH3(3-