合成氨毕业设计.doc

目 录1设计任务书11.1项目101.2设计内容101.3设计规模101.4设计依据101.5产品方案101.6原料方案121.7生产方式122工艺路线及流程图设计132.1合成车间工艺流程方框图132.2合成氨车间工艺流程简述133车间生产环境153.1工艺状况（高压高温）153.2设备状况（高压、低压并存相通）153.3有催化剂存在165设计计算205.1物料衡算205.2能量衡算226重要设备设计及设备一览表246.1氨合成塔的设计246.2设备一览表249安全生产规定28致谢31重要参考文献：32附录:331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,% 99.999.899.6残留物含量,% 0.1(重量法)0.20.4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400450，1530MPa)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1530MPa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3.13.2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1530（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71.7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H2N2CH4Ar合计%73.72924.5581.4200.293100m3737.290245.58014.2002.93010003.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：357.气体在液氨中的溶解量忽略不计8.为方便计算H2 / N2 3:12.2物料衡算：(1) 出塔气体成分已知：出塔气中NH311%，CH4 + Ar19.296%，H2:N23:1 3 H2 + N2 100%(11%+19.296%)69.704% H2 3/469.704%52.278% N2 1/469.704%17.426%CH319.296%1.420/(1.420+0.293)15.994%Ar19.296%0.293/(1.420+0.293)3.302%出塔气成分：表四:成分H2N2CH4ArNH3合计%52.27817.42615.9943.30211.000100(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：V11000(0.01420+0.00293)/0.1929688.775放空气体组成：表五:成分H2N2CH4ArNH3合计%52.27817.42615.9943.30211.000100m346.41015.47014.1992.9319.76588.775(3) 氨产量由气量平衡：V2V3V1V4V0 由于氨合成时体积减小：V3V2(V411%V1) V0：补充新鲜氢氮气体体积 m3V1：放空气体体积 m3V2：进入合成塔混合气体体积 m3V3：出合成塔混合气体体积 m3V4：冷凝成产品氨的气体体积 m3 以V3代入式：V2V2(V411%V1)V1V4V0V4(V01.11V1)/2(10001.1188.775)/2450.730m3 (4) 合成塔出口气量V3由氨平衡11%V32.5%V2(V411%V1) 2.5%式2.5%V32.5%V22.5%(V411%V1) (1.110.025)V3(10.025)(V411%V1)V31.025(450.7300.1188.775)/0.0855553.024m3 合成塔出口气体组成表六:成分H2N2CH4ArNH3合计%52.27817.42615.9943.30211.000100m32903.010967.670888.151183.361610.8325553.024 (5) 合成塔进口气量V2及组成由气量平衡V2V3V1V4V0 5553.02488.775450.7301000 6013.519m3合成塔进口气体组成为：H22903.01046.410737.2903593.890m3N2967.67015.470245.5801197.780m3CH4888.15114.19914.200888.152m3Ar183.3612.9312.930183.360m3NH3610.8329.765450.730150.337m3合成塔进口气体组成表七:成分H2N2CH4ArNH3合计%59.76419.91814.7693.0492.5100m33593.8901197.780888.152183.360150.3376013.519(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(0.79680.6970)/0.7968(20.6970)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(30155.6)/292.8 T92.8273365.8K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+0.07510-3 T0.1510-3 H2N2: 7.371-1.4510-3 T1.4410-3 T2 0.00661pN2-7.5510-3 TN2NH3 : 56.853-0.2646T0.356510-3 T20.988NH3 1.1710-32NH3 -2.16810-3 TNH3CH4 : 4.7502.010-3 T3.0310-6 T2-2.6310-9 T32.610-3 CH4Ar：4.95-0.020510-3 T9.4610-9 T2 0.0046Ar -3.0510-3 TAr 列表计算如下（T365.8K P=185.9 大气压）：表八:组分yi分子分率Pi 分压CpiKcal/kmol.yi . CpiKcal/mol.H20.59764111.107.0264.199N20.1991837.037.1761.429NH30.025004.658.6970.217CH40.1476927.459.4881.401Ar：0.030495.674.9890.152合计1.0185.97.398Q1由物料衡算 进塔气量6013.519m3 Q1=(6013.519103 /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=1213420.558=249451KcalQ1=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RZZ011-9725001圆柱形透平机TC620-32-123卧式系统油分8051圆柱形补气油分6051圆柱形冷交7.3m31圆柱形、列管热交4501圆柱形、列管氨冷器18001列管废热锅炉140m21卧式氨分8051圆柱形水冷器127211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3060%升降压速度0.40.6MPa氨冷器液位以不带液为准合成塔塔壁温度120透平机油位1/22/3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912氨冷温度-50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2301010505520801520355总计5306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,2023:11-122 姜圣阶.合成氨工学第三卷M. 北京:石油化工出版社,1977:123-1293 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，1977：10-154 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,1978:1-35 化工生产流程图上册M. 北京:化工出版社,1984：123-1296 沈俊.合成氨M. 北京:化学工业出版社,20237 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,19798 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，197510 吴萍. 180kt/a氨合成塔的设计与应用J化肥设计，2023,8.第44卷 第期：2311 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：4112 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