年产8万吨合成氨合成工艺设计毕业设计论文word格式模板.doc

宁夏大学

本科生毕业设计
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工艺设计

姓 名： 王康洲
指导老师： 陈学文
院 系： 化工学院
专 业： 化学工程和工艺
提交日期：

目 录

汉字摘要………………………………………………………………2
外文摘要……………………………………………………………………………3
1．总论…………………………………………………………………………4
1.1 设计任务依据………………………………………………………………4
1.2 概述……………………………………………………………………………
1.2.1 设计题目…………………………………………………………7
1.2.2 设计具体类容范围及设计阶段………………………………………7
1.2.3设计产品性能、用途及市场需要…………………………………8
1.2.4简述产品多个生产方法及特点………………………………………8
1.3产品方案………………………………………………………………………8
1.4设计产品所需要关键原料规格、起源……………………………………8
1.4.1设计产品所需要关键原料起源………………………………………8
1.4.2包含产品所需要关键原料规格………………………………………8
1.5生产中产生有害物质和处理方法……………………………………………8
1.5.1氨气和液氨………………………………………………………………8
1.5.2合成氨废水………………………………………………………………8
2．生产步骤及生产方法确实定……………………………………………8
3．生产步骤简述…………………………………………………………………14
4．工艺计算……………………………………………………………………16
4.1 原始条件…………………………………………………………16
4.2 物料衡算…………………………………………………………16
4.2.1 合成塔物料衡算……………………………………………………18
4.2.2氨分离器气液平衡计算………………………………………………19
4.2.3冷交换器气液平衡计算…………………………………………………19
4.2.4液氨贮槽气液平衡计算…………………………………………………25
4.2.5液氨贮槽物料计算………………………………………………………29
4.2.6 热交换器热量计算…………………………………………………35
4.2.7 水冷器热量计算………………………………………………………36
4.2.8 氨分离器热量核实……………………………………………………39

5. 关键设备选型…………………………………………………………………39
5.1 废热锅炉设备工艺计算………………………………………………………40
5.1.1 计算条件…………………………………………………………………40
5.1.2 官内给热系数α计算……………………………………………………41
5.1.3 管内给热系数αi计算…………………………………………………42
5.1.4 总传热系数K 计算……………………………………………………43
5.1.5 平均传热温差m Δt 计算………………………………………………44
5.1.6 传热面积…………………………………………………………………45
5.2关键设备选型汇总……………………………………………………………46
6. 环境保护和安全方法……………………………………………………………47
6.1环境保护………………………………………………………………………48
6.1.1 化学沉淀—A/ O 工艺处理合成氨废水………………………………49
6.1.2 合成氨尾气回…………………………………………………………50
6.2安全方法………………………………………………………………………51
6.2.1 防毒…………………………………………………………………52
6.2.2 防火……………………………………………………………………53
6.2.3 防爆……………………………………………………………………54
6.2.4防烧伤…………………………………………………………………55
6.2.6防机械伤…………………………………………………………………56
6.2.5防触电……………………………………………………………………57
结束语……………………………………………………………………………40
注释………………………………………………………………………………40
参考文件…………………………………………………………………………42
致谢…………………………………………………………………………………43
附录…………………………………………………………………………………43

年产8万吨合成氨合成工艺设计

指导老师：詹益民
（黄山学院化学系，黄山，安徽 245000）
摘 要：介绍合成氨合成生产工艺步骤，着重经过对此工艺步骤物料衡算，能量衡算确定关键设备选型。
关键词：氨合成； 生产工艺； 物料衡算； 能量衡算； 设备选型

PRODUCES 80,000 TONS OF AMMONIA SYNTHESIS PROCESS DESIGN
Director：XXX Associate Director：XXX
（Dept. of Chemistry，HuangShan College, China, 245000）

Abstract：Introduction of ammonia synthesis production process, highlighted by this process of material balance calculate, energy calculation confirming the main equipment selection.
Key Words：Ammonia synthesis, Production process, Material calculation, Energy calculation, Selection of equipment

1 总论
氨是最为关键基础化工产品之一，其产量居多种化工产品首位; 同时也是能源消耗大户，世界上大约有10 %能源用于生产合成氨。氨关键用于农业,合成氨是氮肥工业基础，氨本身是关键氮素肥料，其它氮素肥料也大多是先合成氨、再加工成尿素或多种铵盐肥料，这部分约占70 %百分比，称之为“化肥氨”；同时氨也是关键无机化学和有机化学工业基础原料，用于生产铵、胺、染料、炸药、制药、合成纤维、合成树脂原料，这部分约占30 %百分比,称之为“工业氨”。
世界合成氨技术发展经历了传统型蒸汽转化制氨工艺、低能耗制氨工艺、装置单系列产量最大化三个阶段。依据合成氨技术发展情况分析, 未来合成氨基础生产原理将不会出现标准性改变, 其技术发展将会继续紧密围绕“降低生产成本、提升运行周期, 改善经济性”基础目标, 深入集中在“大型化、低能耗、结构调整、清洁生产、长周期运行”等方面进行技术研究开发[1]。
(1) 大型化、集成化、自动化, 形成经济规模生产中心、低能耗和环境更友好将是未来合成氨装置主流发展方向。以Uhde企业“双压法氨合成工艺”和Kellogg 企业“基于钌基催化剂KAAP 工艺”,将会在氨合成工艺大型化方面发挥关键作用。氨合成工艺单元关键以增加氨合成转化率(提升氨净值) ,降低合成压力、减小合成回路压降、合理利用能量为主，开发气体分布愈加均匀、阻力更小、结构愈加合理合成塔及其内件; 开发低压、高活性合成催化剂, 实现“等压合成”。
(2) 以“油改气”和“油改煤”为关键原料结构调整和以“多联产和再加工”为关键产品结构调整,是合成氨装置“改善经济性、增强竞争力”有效路径。
实施和环境友好清洁生产是未来合成氨装置肯定和惟一选择。生产过程中不生成或极少生成副产物、废物,实现或靠近“零排放”清洁生产技术将日趋成熟和不停完善。
提升生产运转可靠性,延长运行周期是未来合成氨装置“改善经济性、增强竞争力”必需确保。有利于“提升装置生产运转率、延长运行周期”技术,包含工艺优化技术、优异控制技术等将越来越受到重视。
1.1设计任务依据
设计任务书是项目设计目标和依据：
产量：80 kt/a 液氨
放空气（惰性气Ar +CH4 ）：17%
原料：新鲜补充气N2 24%，H2 74.5%，Ar 0.3%，CH4 1.2%
合成塔进出口氨浓度：2.5%，13.2%
放空气:（惰性气Ar +CH4 ）～17%
合成塔操作压力 32 MPa （绝压）
精练气温度 40℃
水冷器出口气体温度 35 ℃
循环机进出口压差 1.47MPa
年工作日 310 d
计算基准 生产1t氨
1.2概述
1.2.1设计题目：年产8万吨合成氨合成工段设计
1.2.2 设计具体内容范围及设计阶段
此次设计内容为合成氨合成工段设计，具体包含以下多个设计阶段：
1. 进行方案设计，确定生产方法和生产工艺步骤。
2. 进行化工计算，包含物料衡算、能量衡算和设备选型和计算。
3. 绘制带控制点工艺步骤图（PID）。
4. 进行车间部署设计，并绘制设备平立面部署图。
5. 进行管路配置设计，并绘制管路部署图。
6. 撰写设计说明书。
1.2.3设计产品性能、用途及市场需要
(1) 氨物化性能
合成氨化学名称为氨，氮含量为82.3%。氨是一个无色含有强烈刺激性、催泪性和特殊臭气无色气体，比空气轻，相对密度0.596，熔点－77.7℃；沸点－33.4℃。标准情况下，1米3气氨重0.771千克；1米3液氨重638.6千克。极易溶于水，常温（20℃）常压下，一个体积水能溶解600个体积氨；标准情况下，一个体积水能溶解1300个体积氨氨水溶液称为氨水，呈强碱性。所以，用水喷淋处理跑氨事故，能收到很好效果[2]。
氨和酸或酸酐能够直接作用，生成多种铵盐；氨和二氧化碳作用可生成氨基甲铵，脱水成尿素；在铂催化剂存在条件下，氨和氧作用生成一氧化氮，一氧化氮继续氧化并和水作用，便能得到硝酸。氨在高温下(800℃以上)分解成氮和氢；
氨含有易燃易爆和有毒性质。氨自燃点为630℃，氨在氧中易燃烧，燃烧时生成蓝色火焰。氨和空气或氧按一定百分比混合后，遇明火能引发爆炸。常温下氨在空气中爆炸范围为15.5～28％，在氧气中为13.5～82％。液氨或干燥气氨，对大部分物质没有腐蚀性，但在有水条件下，对铜、银、锌等有腐蚀作用[3]。
(2) 氨用途
氨是基础化工产品之一，用途很广。化肥是农业关键肥料，而其中氮肥又是农业上应用最广泛一个化学肥料，其生产规模、技术装备水平、产品数量，全部居于化肥工业之首，在国民经济中占有极其关键地位。多种氮肥生产是以合成氨为关键原料，所以，合成氨工业发展标志着氮肥工业水平。以氨为关键原料能够制造尿素、硝酸铵、碳酸氢铵、硫酸铵、氯化铵等氮素肥料。还能够将氨加工制成多种含氮复合肥料。另外，液氨本身就是一个高效氮素肥料，能够直接施用，部分国家已大量使用液氨。可见，合成氨工业是氮肥工业基础，对农业增产起着关键作用。
氨也是关键工业原料，广泛用于制药、炼油、纯碱、合成纤维、合成树脂、含氮无机盐等工业部门。将氨氧化能够制成硝酸，而硝酸又是生产炸药、染料等产品关键原料。现代国防工业和尖端技术也全部和氨合成工业有亲密关系，如生产火箭推进剂和氧化剂，一样也离不开氨。另外，氨还是常见冷冻剂。
合成氨工业快速发展，也促进和带动了很多科学技术部门发展，如高压技术、低温技术、催化技术、特殊金属材料、固体燃料气化、烃类燃料合理利用等。同时，尿素和甲醇合成、石油加氢、高压聚合等工业，也是在合成氨工业基础上发展起来。所以合成氨工业在国民经济中占有十分关键地位，氨及氨加工工业已成为现代化学工业一个关键部门[4]。
市场需要
据资料统计:1997 年世界合成氨年产量达103.9Mt。 年产量将达111.8Mt。其化肥用氨分别占氨产量81.7%和82.6%。中国1996 年合成氨产量已达30.64Mt, 年将达36Mt, 年将增加至45Mt。即以后20 年间将增加到现在1.5 倍。所以合成氨连续健康发展还有相当长路要走。未来中国合成氨氮肥实物产量将会超出石油和钢铁。合成氨工业在国民经济中举足轻重。农业生产,“有收无收在于水,收多收少在于肥”。所以,合成氨工业是农业基础。它发展将对国民经济发展产生重大影响。所以,中国现有众多化肥生产装置应成为改造扩建增产基础。中国七十至九十年代前后反复引进30 多套大化肥装置,花费巨额资金,在提升了化肥生产技术水平同时,也受到国外制约。以后应利用中国开发和消化吸收引进工艺技术,自力更生,立足中国,走出一条含有中国特色社会主义民族工业发展道路。过去引进建设一套大型化肥装置,耗资数十亿元。当今走老厂改造扩建道路,可使投资节省1/2—2/3。节省巨额资金,用作农田水利建设和农产品深加工,将在加速农村经济发展,提升农民生活水平,缩小城镇差距起着关键用。
1.2.4简述产品多个生产方法及特点
氨合成是合成氨生产最终一道工序，其任务是将经过精制氢氮混合气在催化剂作用下多快好省地合成为氨。对于合成系统来说，液体氨即是它产品。工业上合成氨多种工艺步骤通常以压力高低来分类[3]。
(1)高压法
操作压力70～100MPa，温度为550～650℃。这种方法关键优点是氨合成效率高，混合气中氨易被分离。故步骤、设备全部比较紧凑。但因为合成效率高，放出热量多，催化剂温度高，易过热而失去活性，所以催化剂使用寿命较短。又因为是高温高压操作，对设备制造、材质要求全部较高，投资费用大。现在工业上极少采取此法生产。
(2)中压法
操作压力为20～60MPa，温度450～550℃，其优缺点介于高压法和低压法之间，现在此法技术比较成熟，经济性比很好。因为合成压力确实定，不外乎从设备投资和压缩功耗这两方面来考虑。从动力消耗看，合成系统功耗占全厂总功耗比重最大。但功耗决不仅取决于压力一项，还要看其它工艺指标和步骤部署情况。总来看，在15～30Pa范围内，功耗差异是不大，所以世界上采取此法很多。所以，此次设计选择32MPa压力合成氨步骤。
(3)低压法
操作压力10MPa左右，温度400～450℃。因为操作压力和温度全部比较低，故对设备要求低，轻易管理，且催化剂活性较高，这是此法优点。但此法所用催化剂对毒物很敏感，易中毒，使用寿命短，所以对原料气精制纯度要求严格。又因操作压力低，氨合成效率低，分离较困难，步骤复杂。实际工业生产上此法已不采取了。
1.3 产品方案
产品名称：氨(NH3)；
产品质量规格：液体纯氨；
产品规模：80 kt/a 液氨；
产品包装方法：氨为高压低温液体，合成后直接送到下一工段作为原料继续生产，多出部分设置氨储槽储存起来。
1.4设计产品所需关键原料规格、起源
1.4.1关键原料起源
生产合成氨，首先必需制备氢、氮原料气。
氮气起源于空气，能够在低温下将空气液化、分离而得，或在制氢过程中直接加入空气来处理。
氢气起源于水或含有烃类多种燃料，它取决于用什么方法制取。最简便方法是将水电解，但此法因为电能消耗大、成本高而受到限制。现在工业上普遍采取以焦炭、煤、天然气、重油等原料和水蒸汽作用气化方法。
1.4.2 关键原料规格
(1) 合成塔进口气体组成
合成塔进口气体组成包含氢氮比、惰性气体含量和初始氨含量。当氢氢比为3时，对于氨合成反应，可得最大平衡氨含量，但从动力学角度分析，最适宜氢氨比随氨含量不一样而改变。假如略去氢及氨在液氨中溶解损失少许差异，氨合成反应氢和氮总是按3：1消耗，新鲜气氢氮比应控制为3，不然循环系统中多出氢或氮就会积累起来，造成循环气中氢氮比失调。
惰性气体(CH4、Ar)起源于新鲜原料气，它们不参与反应所以在系统中积累。惰性气体存在，不管从化学平衡还是动力学上考虑均属有弊。不过，维持过低惰气含量又需大量排放循环气造成原料气消耗量增加。假如循环气中惰性气体含量一定，新鲜气中惰性气体含量增加，依据物料平衡关系，新鲜气消耗随之增大。所以，循环气中惰性气体含量应依据新鲜气惰性气体含量、操作压力、催化剂活性等条件而定。因为原料气制备和净化方法不一样，新鲜气中惰性气体含量也各个相同，循环气中所控制惰性气体含量也有差异。
当其它条件一定时，进塔气体中氨含量越高，氨净值越小，生产能力越低。初始氨含量高低取决于氨分离方法。对于冷冻法分离氨，初始氨含量和冷凝温度和系统压力相关。为过分降低冷凝温度而过多地增加氨冷负荷在经济上也并不可取。操作压力300atm时，通常进塔氨含量控制在3.2～3.8％；150atm时，为2.0～3.2％。
(2) 硫化物和碳氧化物含量
不管那一个原料所得原料气，全部含有一定数量硫化物。即使原料气中硫化物含量不高，但对合成氨生产危害却很大。硫化物是多种催化剂毒物，硫化氢能腐蚀设备管道。以烃类为原料蒸汽转化法制取原料气，镍催化剂对硫含量限制十分严格，要求烃原料中总硫含量为0.5PPm(重量)以下。
为预防CO和CO2对催化剂毒害，要求CO和CO2总含量不得多出20ppm[5]。
1.5生产中产生有害物质和处理方法
中小型合成氨厂在生产过程中，常见有毒有害物质种类很多，多以气体、蒸气、雾、粉尘等状态存在，其中有毒有害气体是合成氨生产中最常见。
1.5.1 氨气和液氨
氨气是一个含有强烈刺激臭味无色气体, 易被液化成蓝色液体。车间空气中氨最高许可浓度为30 毫克／米3。它对人眼睛和呼吸器官有较大伤害作用。氨中毒症状首先是服粘膜和呼吸道粘膜受到刺激、胸感抑郁、胃痛、打喷嚏、流口水、周身有不舒适感。如在氨气浓度不大环境中，停留时间不长，而且能立即离开环境，到空气新鲜地方去，上述症状可逐步消失。中毒严重时，会引发肺部肿胀造成死亡。氨气刺激眼睛能引发角膜炎。因氨有气味，故很好预防。
合成氨生产中合成工段常常接触液体毒物有液氨、氨水等。液氨或氨水溅入眼内，可造成眼睛严重损伤，出现眼睑水肿，眼结膜快速充血水肿，眼剧痛，角膜混浊，甚至因角膜溃疡、穿孔而失明。接触液氨和高浓度气氨，可使皮肤引发类似强碱严重灼伤，出现红斑、水泡，甚至因吸收水分，使皮肤脂肪皂化而坏死。
在正常生产过程中，有极少一部份气态NH3无法回收，经过放空火炬燃烧掉就不会对环境造成影响。对于成品氨罐放空气态NH3可引入冰机中进行加压冷凝，不仅回收了NH3，同时也不会造成环境污染[3]。
1.5.2 合成氨废水
合成氨生产过程中产生废水是COD关键起源。比如，隔油池中废水就含有COD。假如含有COD废水排放出去就会繁衍菌类、藻类，污染水源和土壤，更严重是会造成污染滋生源，对环境造成更大破坏。
要降低废水和工艺冷凝液中COD排放，可改善生产工艺，使废水排放降低，建设特生化处理装置，进行废水处理，使废水中COD含量达成国家控制标准[6]。
2 生产步骤及生产方法确实定
2.1合成氨生产特点
氨合成工段，其关键任务是在适宜温度、压力和有触媒催化条件下，将经过精制氢氮混合气体，在合成塔内直接合成为氨。然后将所得气氨，从氢氮混合气中经冷却冷凝成为液态氨分离出来。液氨由氨罐进入氨冷器蒸发为气氨，送碳化岗位制取碳酸氢铵；或送硝酸车间制取硝酸和硝铵；或送硫铵车间制取硫酸铵；或将液氨送尿素车间制取尿素等。未合成为氨氢氮混合气体继续在合成系统内循环使用。
合成氨生产特点，概括起来有以下几方面[7]：
(1)工艺步骤长、设备管道多；(2)生产过程有高度连续性；(3)各工序生产操作相互影响；(4)生产是在高温、高压、易燃、易爆、易中毒、易灼伤情况下进行。
在整个合成氨生产过程中，合成氨生产比较复杂，一直存在着高温、高压、易燃、易爆、易中毒等危险原因，多种控制条件比较严格，稍有疏忽就可能发生事故。同时，因生产工艺步骤长、连续性强，设备长久承受高温和高压，还有内部介质冲刷、渗透和外部环境腐蚀等，各类事故发生率比较高，尤其是火灾、爆炸和重大设备事故常常发生。不过，只要我们能充足认识这一客观规律并掌握这一客观规律就能做到安全生产，实现稳产、高产。
所以，合成氨生产必需满足高温、高压、高纯度要求。在生产过程中有一系列化学反应、传热、燃烧、分离等过程,温度、压力、浓度等原因全部影响反应进行,这些原因又受到设备质量、水质、煤质、季节、气候、操作水平、调度和管理影响,这么就形成了合成氨生产工艺过程、设备结构、操作管理和生产技术复杂性。
2.2 氨合成过程基础工艺步骤
实现氨合成循环，必需包含以下多个步骤[4]：氮氢原料气压缩并补入循环系统；循环气预热和氨合成；氨分离；热能回收利用；对未反应气体补充压力并循环使用，排放部分循环气以维持循环气中惰性气体平衡等。
因为采取压缩机型式、氨分冷凝级数、热能回收形式和各部分相对位置差异，而形成不一样工业生产步骤，但实现氨合成过程基础工艺步骤是相同。
(1)气体压缩和除油
为了将新鲜原料气和循环气压缩到氨合成所要求操作压力，就需要在步骤中设置压缩机。当使用往复式压缩机时，在压缩过程中气体夹带润滑油和水蒸汽混合在一起，呈细雾状悬浮在气流中。气体中所含油不仅会使氨合成催化剂中毒、而且附着在热交换器壁上，降低传热效率，所以必需清除洁净。除油方法是压缩机每段出口处设置油分离器，并在氨合成系统设置滤油器。若采取离心式压缩机或采取无油润滑往复式压缩机，气体中不含油水，能够取消滤油设备，简化了步骤。
(2)气体预热和合成
压缩后氢氮混合气需加热到催化剂起始活性温度，才能送入催化剂层进行氨合成反应。在正常操作情况下，加热气体热源关键是利用氨合成时放出反应热，即在换热器中反应前氢氮混合气被反应后高温气体预热到反应温度。在开工或反应不能自热时，可利用塔内电加热炉或塔外加热炉供给热量。
(3)氨分离
进入氨合成塔催化层氢氮混合气，只有少部分起反应生成氨，合成塔出口气体氨含量通常为10～20％，所以需要将氨分离出来。氨分离方法有两种，一是水吸收法；二是冷凝法，将合成后气体降温，使其中气氮冷凝成液氨，然后在氨分离器中，从不凝气体中分离出来。
现在工业上关键采取冷凝法分离循环气中氨。以水和氨冷却气体过程是在水冷器和氨冷器中进行。在水冷器和氨冷器以后设置氨分离器，把冷凝下来液氨从气相中分离出来，经减压后送至液氮贮槽。在氨冷凝过程，部分氢氮气及惰性气体溶解在液氨中。当液氨在贮槽内减压后，溶解气体大部分释放出来，通常称为“贮罐气”。
(4)气体循环
氢氮混合气经过氨合成塔以后，只有一小部分合成为氨。分离氨后剩下氢氮气，除为降低情性气体含量而少许放空以外，和新鲜原料气混合后，重新返回合成塔，再进行氨合成，从而组成了循环法生产步骤。因为气体在设备、管道中流动时，产生了压力损失。为赔偿这一损失，步骤中必需设置循环压缩机。循环机进出口压差约为20～30大气压，它表示了整个合成循环系统阻力降大小。
(5)惰性气体排除
氨合成循环系统情性气体经过以下三个路径带出：(1)一小部分从系统中漏损；(2)一小部分溶解在液氨中被带走；(3)大部分采取放空措施，即间断或连续地从系统中排放。
在氨合成循环系统中，步骤中各部位惰性气体含量是不一样，放空位置应该选择在惰性气体含量最大而氨含量最小地方，这么放空损失最小。由此可见，放空位置应该在氨已大部分分离以后，而又在新鲜气加入之前。放空气中氨可用水吸收法或冷凝法加以回收，其它气体一股可用作燃料。也可采取冷凝法将放空气中甲烷分离出来，得到氢、氮气，然后将甲烷转化为氢，回收利用，从而降低原料气消耗。
有些工厂设置二循环合成系统，合成系统放空气进入二循环系统合成塔，继续进行合成反应，分离氨后部分情性气体放空，其它部分在二循环系统继续循环。这么，提升了放空气中惰性气体含量，从而降低了氢氮气损失。
(6)反应热回收利用
氨合成反应是放热反应，必需回收利用这部分反应热。现在回收利用反应热方法关键有以下多个：
(1) 预热反应前氢氮混合气。在塔内设置换热器，用反应后高温气体预热反应前氢氮混合气，使其达成催化剂活性温度。这种方法简单，但热量回收不完全。现在小型氨厂及部分中型氨厂采取此法回收利用反应热。
(2) 预热反应前氢氮混合气和副产蒸汽。既在塔内设置换热器预热反应前氢氮混合气，又利用余热副产蒸汽。按副产蒸汽锅炉安装位置不一样，可分为塔内副产蒸汽合成塔(内置式)和塔外副产蒸汽合成塔(外置式)两类。现在通常采取外置式，该法热量回收比较完全，同时得到了副产蒸汽，现在中型氮厂应用较多。
(3)预热反应前氢氮混合气和预热高压锅炉给水。反应后高温气体首先经过塔内侧换热器预热反应前氢氮混合气，然后再经过塔外换热器预热高压锅炉给水。此法优点是降低了塔内换器面积，从而减小了塔体积，同时热能回收完全。现在大型合成氨厂通常采取这种方法回收热量。用副产蒸汽及预热高压锅炉给水方法回收反应热时，生产一吨氨通常可回收0.5～0.9吨蒸汽。
2.3氨合产工艺选择
考虑氨合成工段工艺和设备问题时，必需遵照三个标准：一是有利于氨合成和分离；二是有利于保护催化剂，尽可能延长使用寿命；三是有利于余热回收降低能耗。
氨合成工艺选择关键考虑合成压力、合成塔结构型式及热回收方法。氨合成压力高对合成反应有利, 但能耗高。中压法技术比较成熟，经济性比很好，在15～30Pa范围内，功耗差异是不大，所以世界上采取此法很多。 通常中小氮肥厂多为32MPa , 大型厂压力较低,为10～20MPa。因为最近低温氨催化剂出现, 可使合成压力降低。
合成反应热回收是必需, 是节能关键方法之一。除尽可能提升热回收率,多产蒸汽外, 应考虑提升回收热位能, 即提升回收蒸汽压力及过热度。高压过热蒸汽价值较高, 当然投资要多, 依据整体步骤统一考虑。
此次设计选择中压法（压力为32MPa）合成氨步骤，采取预热反应前氢氮混合气和副产蒸汽方法回收反应热，塔型选择见设备选型部分。
3 生产步骤简述
气体从冷交换器出口分二路、一路作为近路、一路进入合成塔一次入口，气体沿内件和外筒环隙向下冷却塔壁后从一次出口出塔，出塔后和合成塔近路冷气体混合，进入气气换热器冷气入口，经过管间并和壳内热气体换热。升温后从冷气出口出来分五路进入合成塔、其中三路作为冷激线分别调整合成塔。二、三、四层(触媒)温度，一路作为塔底副线调整一层温度，另一路为二入根本气体，经过下部换热器管间和反应后热气体换热、预热后沿中心管进入触媒层顶端，经过四层触媒反应后进入下部换热器管内，从二次出口出塔、出塔后进入废热锅炉进口，在废热锅炉中副产25MPa 蒸气送去管网，从废热锅炉出来后分成二股，一股进入气气换热器管内和管间冷气体换热，另一股气体进入锅炉给水预热器在管内和管间脱盐，脱氧水换热，换热后和气气换热器出口气体会合，一起进入水冷器。在水冷器内管被管外循环水冷却后出水冷器，进入氨分离器，部分液氨被分离出来，气体出氨分离器，进入透平循环机入口，经加压后进入循环气滤油器出来后进入冷交换器热气进口。在冷交换器管内被管间冷气体换热，冷却后出冷交换器和压缩送来经过新鲜气滤油器新鲜气氢气、氮气会合进入氨冷器，被液氨蒸发冷凝到-5～-10℃，被冷凝气体再次进入冷交，在冷交下部气液分离，液氨送往氨库气体和热气体换热后再次出塔，进入合成塔再次循环。

水冷器
热交换器

合成塔
废热锅炉

放空

油分离器
循环机
冷交换器
氨分离器

新鲜气

弛放

液氨储槽
氨冷器

图3-1 工艺步骤图
4 工艺计算
4.1 原始条件
（1）年产量80kt，年生产时间扣除检修时间后按310天计，则产量为：10.7527t/h
（2）新鲜补充气组成
表4-1 新鲜补充气组成
组分
H2
N2
CH4
Ar
总计
含量（%）
74.5
24
1.2
0.3
100

（3）合成塔入口中氨含量：NH3入=2.5%
（4）合成塔出口中氨含量：NH3出=13.2%
（5）合成塔入口惰性气体含量：CH4 +Ar=17%
（6）合成塔操作压力：32Mpa
（7）精练气温度：35℃

？？？？？？？

4.2 物料衡算
4.2.1 合成塔物料衡算
（1）合成塔入口气组分：
入塔氨含量: y5NH3=2.5％;
入塔甲烷含量：y5CH4=17.00％×1.2/（1.2+0.3）×100％=13.6％；
入塔氢含量：y5H2=［100-（2.5+17）］×3/4×100％=60.375％；
入塔氩含量：y5Ar=17％-13.6％=3.4％；
入塔氮含量：y5N2=［100 -（2.5+17）］×1/4×100％=20.125％
表4-2 入塔气组分含量（％）
NH3
CH4
Ar
H2
N2
小计
2.5
13.6
3.4
60.375
20.125
100
（2）合成塔出口气组分：
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=M5 (y8NH3-y5NH3)/ (1+y8NH3) =1000(0.132- 0.025)/ (1+0.132) =94.523kmol
出塔气量: M8=入塔气量—生成氨含量=1000-94.523=905.477kmol
出塔氨含量： y8NH3=13.2％
出塔甲烷含量：y8CH4=(M5/M8)×y5CH4=(1000/905.477)×13.6％=15.2％
出塔氩含量： y8Ar=(M5/M8)×y5Ar=1000/905.477×3.4％=3.754％
出塔氢含量： y8H2=3/4(1-y8NH3-y8CH4-y8Ar)×100％
=3/4(1-0.132-0.152-0.03754)×100％=50.8845％
出塔氮含量： y8N2=1/4(1-0.132-0.152-0.03754)×100％=16.9615％
表4-3 出塔气体组分含量（％）
NH3
CH4
Ar
H2
N2
小计
13.2
15.2
3.754
50.8845
16.9615
100
（3）合成率：
合成率=2MNH3/［M5(1-y5NH3-y5CH4-y5Ar)］×100％
=2×94.523/［1000×(1-0.025-0.17)］×100％=23.484％
4.2.2氨分离器气液平衡计算
表4-5 已知氨分离器入口混合物组分m(i)
NH3
CH4
Ar
H2
N2
小计
0.132
0.152
0.03754
0.50885
0.16961
1.00000
查t=35℃，P=29.1MPa时各组分平衡常数：
表4-6 各组分平衡常数
KNH3
KCH4
KAr
KH2
KN2
0.098
8.2
28.200
27.500
34.500
设（V/L）=11.1时，带入L×(i)=m(i)/［1+(V/L)×K(i)］=L(i):
LNH3=mNH3/［1+(V/L)×KNH3］=0.07903Kmol
LCH4= mCH4/［1+(V/L)×KCH4］=0.00143 Kmol
LAr=mAr/［1+(V/L)×KAr］=0.00013 Kmol
LH2=mH2/［1+(V/L)×KH2］=0.0163Kmol
LH2=mN2)/［1+(V/L)×KN2］=0.00043 Kmol
L总= L(NH3)+ L(CH4)+ L(Ar)+ L(Ar)+ L(H2)+ L(N2)=0.08264 Kmol
分离气体量：V=1-L=1-0.08264=0.91736 Kmol
计算气液比：（V/L）＇=0.91739/0.08261=11.1005
误差［（V/L）-（V/L）＇］/（V/L）=（11.10-11.1005）/11.10×100％=0.0047％，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=0.07899/0.08261×100％=95.631％
液体中氩含量： xAr=LAr/L=0.000013/0.08261×IOO％=0.152％
液体中甲烷含量：xCH4=LCH4/L=0.00143/0.08261×100％=1.725％
液体中氢含量: xH2=LH2/L=0.00163/0.08261×100％=1.969％
液体中氮含量： xN2=LH2/L=0.00043/0.08261×100％=0.524％

表4-7 氨分离器出口液体含量
NH3
CH4
Ar
H2
N2
小计
95.631
1.725
0.152
1.969
0.524
100.00
分离气体组分含量：
气体氨含量： yNH3=［mNH3-LNH3］/V=8.23％
气体甲烷含量： yCH4=［mCH4-LCH4］/V=15.86％
气体氩含量： yAr=［mAr-LAr］/V=3.93％
气体氢含量： yH2=［mH2-LH2］/V=53.93％
气体氮含量： yN2=［mN2-LN2］/V=18.06％
表4-8 氨分离器出口气体含量（％）
NH3
CH4
Ar
H2
N2
小计
8.23
15.86
3.93
53.93
18.06
100.00
4.2.3冷交换器气液平衡计算
查t=-10℃,p=28.3MPa平衡常数：
表4-9 各组分平衡常数
KNH3
KCH4
KAr
KH2
KN2
0.0254
27
51
75
80
冷交换器出口液体组分含量：
出口液体甲烷含量： xCH4=yCH4/ KCH4=0.427％
出口液体氨含量： xNH3=yNH3/ KNH3=98.425％
出口液体氩含量: xAr=yAr/ KAr=0.068％
出口液体氢含量: xH2=yH2/ KH2=0.825％
出口液体氮含量: xN2=yN2/ KN2=0.258％
表4-10 冷交换器出口液体组分含量（％）
NH3
CH4
Ar
H2
N2
小计
98.425
0.427
0.0679
0.8