年产40万吨合成氨合成工段工艺设计.doc

1、 毕 业 论 文 （ 设 计 ）论文（设计）题目：年产 40 万吨合成氨合成工段工艺设计专 业 化学工程与工艺 毕业论文（设计）1目 录摘 要 .3ABSTRACT .4第一章 总 论 .51.1 概述 .51.2 氨的性质 .61.2.1 氨的物理性质 .61.2.2 氨的化学性质 .61.3 原料气来源 .71.4 文献综述 .71.4.1 合成氨工业的发展 .71.4.2 我国合成氨工业的现状 .81.4.3 合成氨工业的发展趋势 .81.5 设计任务的项目来源 .8第二章 流程方案的确定 .92.1 生产原理 .92.2 各生产方法及特点 .92.3 工艺条件的选择 .102.4 合成

2、塔进口气的组成 .12第三章 工艺流程简述 .133.1 合成工段工艺流程简述 .133.2 工艺流程方框图 .14第四章 工艺计算 .154.1 物料衡算 .154.1.1 设计要求 .154.1.2 计算物料点流程图 .164.1.3 合成塔入口气组分 .164.1.4 合成塔出口气组分 .174.1.5 合成率 .18毕业论文（设计）24.1.6 氨分离器气液平衡计算 .184.1.7 冷交换器气液平衡计算 .204.1.8 液氨贮槽气液平衡计算 .214.1.9 合成系统物料计算 .244.1.10 合成塔物料计算 .254.1.11 水冷器物料计算 .264.1.12 氨分离器物料计

3、算 .274.1.13 冷交换器物料计算 .274.1.15 氨冷器物料计算 .304.1.17 液氨贮槽物料计算 .304.2 热量衡算 .304.2.1 冷交换器热量计算 .304.2.2 氨冷凝器热量衡算 .334.2.3 循环机热量计算 .334.2.4 合成塔热量衡算 .354.2.5 废热锅炉热量计算 .374.2.6 热交换器热量计算 .384.2.7 水冷器热量衡算 .39第五章 设备选型及设计计算 .405.1 合成塔催化剂层设计 .405.2 废热锅炉设备工艺计算 .425.2.1 计算条件 .425.2.2 管内给热系数的计算 .425.2.3 管外给热系数 .465.2

4、.4 传热总系数 K .465.2.5 传热温差 .475.2.6 传热面积 .47参考文献 .50致 谢 .51毕业论文（设计）3摘 要氢气和氮气合成氨反应的反应特点：是体积缩小的反应，反应需要在高温，有催化剂的条件下进行。 目前氨合成的方法，由于采用的压力，温度，催化剂种类的不同。一般分为低压法，中压法和高压法。本设计采用中压法，设计温度 450，压力 30Mpa。该方法的有点是从综合经济效果来看，设备投资费用和生产费用都比较低。本设计氢氮比为 3:1，通过物料衡算，热量衡算确定合成塔，冷交换器，热交换器，水冷器，氨冷器等相关设备的型号。关键词：合成氨；合成工段；压力；温度；组成毕业论文（

5、设计）4ABSTRACTThe reaction characteristics: hydrogen and nitrogen in ammonia is smaller reaction, reaction needs in high temperature, catalyst under the conditions of.The ammonia synthesis method, due to the pressure, temperature, type of catalyst. Generally divided into low pressure method, middle pr

6、essure method and pressure method. This design adopts the method of medium voltage, design temperature 450 , 30 mpa pressure. A little from the comprehensive economic effect of the method, equipment investment cost and production cost is low.The design of hydrogen nitrogen ratio of 3:1, through the

7、material balance, heat balance to determine the synthesis tower, cold exchanger, heat exchanger, water cooler, ammonia cooler and other related equipment models.Key words: Ammonia; Synthesis section; Pressure; Temperature; composition毕业论文（设计）5第一章 总 论1.1 概述氮元素是生物所需的大量元素之一，是组成蛋白质不可缺少的成分。大气中存在有大量的氮，在空气

8、中氮占 78（体积分数）以上，但是它是以游离态存在的。通常状况下不能为生物直接吸收，只有将空气中的游离氮转化为化合物状态，才能被植物吸收，然后再转化成人和动物所需的营养物质。把大气中的游离氮固定下来并转变为可被植物吸收的化合物的过程，称为固氮。固氮的方法可分为三大类，自然界通过打雷放电固氮；有些植物能直接吸收游离态的氮气进行固氮；人工固氮。目前，人工固氮最常用的方法是合成氨，也就是由氢气和氮气在一定条件下反应生成氨，再通过进一步处理生成化学肥料或用于其它工业原材料。在国民经济中，氨占有重要地位，特别是对农业生产有着重大意义。我国是农业大国氨的合成更为重要，氨主要用来制作化肥。液氨可以直接用作肥

9、料，它的加工产品有尿素、硝酸铵、氯化氨和碳酸氢氨以及磷酸铵、氮磷钾混合肥等。氨也是非常重要的工业原料，在化学纤维、塑料工业中，则以氨、硝酸和尿素作为氮元素的来源生产己内酰胺、尼龙-6、丙烯腈等单体和尿醛树脂等产品。由氨制成的硝酸，是各种炸药和基本原料，如三硝基申苯，硝化甘油以及其它各种炸药。硝酸铵既是优良的化肥，又是安全炸药，在矿山开发等基本建设中广泛应用。氨在其他工业中的应用也非常广泛。在石油炼制、橡胶工业、冶金工业和机械加工等部门以及轻工、食品、医药工业部门中，氨及其加工产品都是不可缺少的。毕业论文（设计）61.2 氨的性质1.2.1 氨的物理性质氨在常温下是无色有刺激性气味的气体，密度比

10、空气小，有毒，能刺激人体感官粘膜，空气中含氨大于 0.01时即会引起人体慢性中毒。常压下气态氨需冷却到-33.35 （沸点）才能液化。液氨为无色液体，气化时吸收大量的热，常做制冷剂。1.2.2 氨的化学性质氨极易溶于水形成氨水，氨水呈碱性。氨与氧气在催化剂和一定温度的条件下反应是生产硝酸的主要反映之一，氨还能与酸或酸酐及某些盐反应生成络合物等。在化肥厂合成氨的后续工段中就是利用氨与酸酐二氧化碳反应生成氨基甲酸铵，氨基甲酸铵进一步脱水形成尿素。氨与空气(或氧) 的混合气,在一定浓度范围内能发生剧烈的氧化作用而爆炸。在常温常压下，氨与空气爆炸极限为 15%28%(NH 3)。100，0.1 MPa

11、 下，爆炸极限为 14.5%29.5%(NH 3)。1.3 原料气来源从压缩工段来的原料气主要是由氮气和氢气组成。氮气主要是从空气中提取。氢气可以以水和煤，水和甲烷，及重油为原料制取。在我国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、水蒸气或富氧空气-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、水蒸气或富氧空气-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：空气煤气，水煤气，混合煤气，半水煤气。

12、毕业论文（设计）7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，其中含有氮气、氢气、以及惰性气体甲烷和氩。1.4 文献综述我国作为一个农业大国化肥的生产关系到国家的命脉，氨是合成化肥的重要原料，也是很多工业部门的基础性原料，所以合成氨的迅速发展促进了一系列科学技术和化学合成工业的发展。随着科学技术的发展，氨合成技术也在不断地得到完善。1.4.1 合成氨工业的发展合成氨工业在 20 世纪初期形成，开始用氨作为火炸药工业的原料，为战争服务；第一次世界大战结束后,转向为农业、工业服务。随着科学技术的发展，对氨的需要量日益增长，近 30 年来合成氨工业发展

13、很快。目前，国内合成氨年生产能力 30 万吨以上的大型企业有 26 家，合成氨年生产能力 10 万吨以上的中型企业有 100 多家，其他还有 800 多家小氮肥厂也生产约占总量 60%的合成氨。1.4.2 我国合成氨工业的现状我国合成氨工业存在一些特殊问题，一是氮肥资源紧张。国际上以天然气为原料的氮肥占 85%。而我国氮肥原料以煤为主，天然气仅占 20%，我国氮肥行业急需解决采用成熟的粉煤气化技术，以本地粉煤代替无烟块煤。建议针对不同企业采用不同的技术路线。内技术进行改造。同时，对于有廉价天然气资源的地区，鼓励采用天然气改造现有装置或建设天然气化肥基地。二是企业结构不合理，产业集中度低，技术水

14、平不高。在氮肥行业，要推广新型煤气化技术，包括粉煤气化、水煤浆气化技术等；新型净化技术，如低温变换、低温甲醇洗 MDEA 等净化技术；新型氨合成塔及大型低压合成的成套技术和装备。毕业论文（设计）81.4.3 合成氨工业的发展趋势合成氨工业的发展趋势: 原料路线的变化方向。煤的储量约为石油、天然气总和的 10 倍，自从 70 年代中东石油涨价后,从煤制氨路线重新受到重视,但因以天然气为原料的合成氨装置投资低、能耗低、成本低的缘故,预计到 20 世纪末,世界大多数合成氨厂仍将以气体燃料为主要原料。节能和降耗。合成氨成本中能源费用占较大比重，合成氨生产的技术改进重点放在采用低能耗工艺、充分回收及合理

15、利用能量上，主要方向是研制性能更好的催化剂、开发新的原料气净化方法、降低燃料消耗、回收和合理利用低位热能等。与其他产品联合生产。合成氨生产中副产大量的二氧化碳，不仅可用于冷冻、饮料、灭火，也是生产尿素、纯碱、碳酸氢铵的原料。1.5 设计任务的项目来源本课题是指导老师提高毕业生设计能力而选定的。希望通过此次课程设计让学生可以较好地把理论学习中的分散知识点和实际生产操作有机结合起来，得到较为合理的设计成果，达到课程设计训练的目的，提高学生分析和解决化工实际问题的能力。毕业论文（设计）9第二章 流程方案的确定2.1 生产原理氨是氮和氢在适宜温度和压力，并有触媒的作用下发生反应的，其反应式为： 233

16、1 46.2 HNKJ氨合成的反应特点：反应过程要在高压下进行，压力越高，越有利于氨的合成。温度低时，反应有利于向氨合成的方向进行，但反应速度较慢，提高温度不利于反应平衡，但可以加快反应速度，在实际操作中，温度的选择取决于触媒的活性。必须借助触媒，以加快反应速度。混合气中氢、氮含量越高越有利于反应，因此，气体中惰性气体含量越少越好。2.2 各生产方法及特点合成氨的生产主要包括三个步骤：造气，净化，压缩和合成。目前氨合成的方法，由于采用的压力、温度和催化剂种类的不同，一般可分为低压法、中压法和高压法三种。(1) 低压法 操作压力低于 20 MPa 的称低压。采用活性强的亚铁氰化物作催化剂，但它对毒物很敏感，所以对气体中的杂质（CO、CO 2）要求十分严格。也可用磁