合成氨毕业设计.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重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安全生产规定 28
致谢 31
重要参考文献： 32
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12023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善，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映。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。本品重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映.在当改变条件时,如在调温下可与其他物质发生化学反映.
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
因此不和水反映，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
1.3产品质量标准
量标准(GB536-88)如下：
指标名称
指标
优等品
一等品
合格品
氨含量,% ≥
99.9
99.8
99.6
残留物含量,% ≤
0.1(重量法)
0.2
0.4
水分,% ≤
0.1
-
-
油含量,mg/kg ≤
5(重量法) 2(红外光谱)
-
-
铁含量,mg/kg ≤
1
-
-
表一:

1.4产品的重要用途
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，此外20％用于生产硝酸、高能燃料、炸药、合成有机物等。氨重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、导弹的推动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400～450℃，15～30MPa)经催化反映生成氨的过程。制备上述合成气的原料，氮来源于空气，氢来源于水或具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具有氮、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、氢合成为氨的反映。
1.6
焦炭是初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,通过脱硫、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。如用水将氨吸取，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：
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:
成分
H2
N2
CH4
Ar
合计
%
73.729
24.558
1.420
0.293
100
m3
737.290
245.580
14.200
2.930
1000
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:
成分
H2
N2
CH4
Ar
NH3
合计
%
52.278
17.426
15.994
3.302
11.000
100

(2) 放空气量V1与放空气组成
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:
成分
H2
N2
CH4
Ar
NH3
合计
%
52.278
17.426
15.994
3.302
11.000
100
m3
46.410
15.470
14.199
2.931
9.765
88.775

(3) 氨产量
由气量平衡：V2＝V3－V1－V4＋V0
由于氨合成时体积减小：V3＝V2－(V4＋11%V1)
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：
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)
2.5%×式　2.5%V3＝2.5%V2－2.5%(V4＋11%V1)
－ (1.11－0.025)V3＝(1＋0.025)(V4＋11%V1)
∴V3＝1.025×(450.730＋0.11×88.775)/0.085＝5553.024m3
合成塔出口气体组成
表六:
成分
H2
N2
CH4
Ar
NH3
合计
%
52.278
17.426
15.994
3.302
11.000
100
m3
2903.010
967.670
888.151
183.361
610.832
5553.024

(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:
成分
H2
N2
CH4
Ar
NH3
合计
%
59.764
19.918
14.769
3.049
2.5
100
m3
3593.890
1197.780
888.152
183.360
150.337
6013.519
(6) 合成率＝×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%

2.3能量衡算
2.2.1能量衡算
(1) 进塔气体升温所吸取的热量Q1
平均分子热容Cp
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 рH2
N2: 7.371-1.45×10-3 T＋1.44×10-3 T2 ＋0.00661pN2-7.55×10-3 TрN2
NH3 : 56.853-0.2646T＋0.3565×10-3 T2＋0.988рNH3 ＋1.17×10-3р2NH3
-2.168×10-3 TрNH3
CH4 : 4.750＋2.0×10-3 T＋3.03×10-6 T2-2.63×10-9 T3＋2.6×10-3 рCH4
Ar：4.95-0.0205×10-3 T＋9.46×10-9 T2 ＋0.0046рAr -3.05×10-3 TрAr
列表计算如下（T＝365.8K P=185.9 大气压）：
表八:
组分
yi分子分率
Pi 分压
CpiKcal/kmol.℃
yi . CpiKcal/mol.℃
H2
0.59764
111.10
7.026
4.199
N2
0.19918
37.03
7.176
1.429
NH3
0.02500
4.65
8.697
0.217
CH4
0.14769
27.45
9.488
1.401
Ar：
0.03049
5.67
4.989
0.152
合计
∑1.0
∑185.9

∑7.398
∴Q1由物料衡算 进塔气量＝6013.519m3
Q1=(6013.519×103 /22.4)×7.398×(155.6-30)=249451Kcal

(2) 氨合成放出的反映热量Q2
反映热(-HR)
由《无机化工气-固相催化反映过程》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
Q2=12134×20.558=249451Kcal
Q1=Q2 热量平衡
3重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,可以满足高负荷生产的需要。
(2)催化剂的填充系数要大,可以充足提高高压容器空间的运用率,催化剂装填量高。
(3)催化剂的床层温度易于调节,可以满足合成塔动力学的规定,温度曲线接近最适宜温度曲线。
(4)可以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。减少阻力不可以减少循环机的动力消耗,并且可以装填小粒
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)反映热易于回收。回收反映热有助于低合成氨产品的总能耗。
(8)结构简朴,运营可靠,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映温度人中心管，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。

4设备一览表
表:

设备名称
规格型号
数量/台
备注（操作条件）等
合成塔
RZZ011-97φ2500
1
圆柱形
透平机
TC620-32-12
3
卧式
系统油分
φ805
1
圆柱形
补气油分
φ605
1
圆柱形
冷交
7.3m3
1
圆柱形、列管
热交
450㎡
1
圆柱形、列管
氨冷器
φ1800
1
列管
废热锅炉
140m2
1
卧式
氨分
φ805
1
圆柱形
水冷器
φ127×21
1
列管

5重要控制指标

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%

产品消耗定额

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

6结束语
合成氨是生产尿素、磷酸铵、硝酸铵等化学肥料的重要原料，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。
据记录，世界合成氨产能已超过1.76亿吨/年，重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/年)、西欧1218万吨/年、东欧3333.4万吨/年、中东/非洲1560.2万吨/年、亚太地区8720万吨/年。合成氨按终端用途来分，约85％-90％的合成氨用作化肥：液态氨、硝酸铵、尿素或其他衍生物，仅13％用于其他商品市场。

重要参考文献：
[1] 王小宝.无机化学工艺学-合成氨[M].北京:化学工业出版社,2023:11-12
[2] 姜圣阶.合成氨工学第三卷[M]. 北京:石油化工出版社,1977:123-129
[3] 湖北化工设计院主编，氨合成塔[M]. 北京:石油化学工业出版社，1977：10-15
[4] 河南省巩县回郭镇公社化肥厂编.氨的合成[M]. 北京:石油化工出版社,1978:1-3
[5] 化工生产流程图上册[M]. 北京:化工出版社,1984：123-129
[6] 沈俊.合成氨[M]. 北京:化学工业出版社,2023
[7] 上海市化学工业局设计室编,3000吨型合成氨厂工艺和设备计算[M]. 北京:化学工业出版社,1979
[8] 上海化工学院 无机化学专业,南京化工研究院.合成氨原料气的恒压比热[M],化学工程,1975, 第一期
[9] 上海化工学院．无机化工气－固相催化反映过程[M]．北京:化学工业出版社，1975
[10] 吴萍. 180kt/a氨合成塔的设计与应用[J]．化肥设计，2023,8.第44卷 第４期：23
[11] 吴萍，陈爱忠．一轴三径氨合成塔的设计与应用[J]．化肥设计，2023,2.第43卷 第1期：41
[12] 汪家铭． 我国氮肥工业发展历程及前景展望[J]．川化，2023年 第4期

附录:
合成氨的流程图（带控制点）
布置图
合成塔图