天然氣合成氨20萬噸合成工段設計說明書畢業設計-文庫吧

【正文】 前，國內一些小型合成氨廠合成壓力在30 MPa左右的，空間速度選擇在2000~3000每小時之間。 工業上采用的氨合成工藝流程雖然很多，而且流程中設備結構操作條件也各有差異，但實現氨合成過程的基本步驟是相同的，都必須包括以下幾個步驟：氮、氫原料氣的壓縮并補充到循環系統；循環氣的預熱與氨的合成；氨的分離；熱能的回收利用；對未反應氣體補充壓力，循環使用；排放部分循環氣以維持循環氣中惰性氣體的平衡等。 流程設計在于合理地配置上述幾個步驟，以便得到較好的技術效果，同時在生產上穩定可靠。 從氫氮混合氣體中分離氨的方法大致有兩種：水吸收法、冷凝法。本設計采用冷凝法。一般含氨混合氣體的冷凝分離是經水冷卻器和氨冷囂二步實現的。液氨在氨分離器中與循環氣體分開，減壓送入貯槽。～ MPa，此時，冷凝過程中溶解在液氨中的氫、氮及惰性氣體大部分可減壓釋放出來，即弛放氣。 合成塔進口氣的組成合成塔進口氣體組成包括氫氮比、惰性氣體含量和塔進口氨含量。(1) 氫氮比 當氫氮比為3:1時，對于氨合成反應可以獲得最大的平衡氨濃度，但從動力學角度分析，最適宜氫氮比隨著氨含量的變化而變化。從氨的合成反應動力學機理可知，氮的活性吸附是合成氨反應過程速度的控制步驟，因此適當提高氮氣濃度，對氨合成反應速度有利。在實際生產中，~。(2) 惰性氣體在混合氣體中含有甲烷和氬氣等，統稱為惰性氣體。惰性氣體不參與反應，也不毒害催化劑，但由于他們的存在會降低氫氮比的分壓。無論從化學平衡還是動力學角度分析，他們都是有弊無利的，導致氨的生產率下降。 惰性氣體來源于新鮮氣，隨著合成反應的進行，它們不參與反應而在系統中積累，這樣合成系統中惰性氣體越來越多，為了提高氨的合成率，必須不斷在循環氣中將它們排放出去。排放量多，可以使合成系統惰性氣體含量降低，氨的合成率提高。但是氫氮氣和部分氨也隨之排放，造成一定損失，故循環氣體中惰性氣體的控制含量不能過高也不能過低。循環氣體中惰性氣體的控制還與操作壓力和催化劑活性有關。操作壓力比較高，及催化劑活性比較好時，惰性氣體的含量可以高一些。相反，則要控制低一些。由于原料氣的制備與凈化方法不同，新鮮氣體中惰性氣體的含量也不同。在生產中，%~%之間，并控制循環氣中惰性氣體的體積分數在10%~15%之間。(3) 塔進口氨含量 進塔氣體中氨的含量，主要決定于氨分離時的冷凝溫度和分離效率。冷凝溫度越低，分離效果越好，則進塔氣體中氨含量也就越低。降低進口氨含量，可加快反應速度，提高氨凈值和生產能力。但將進口氨含量降的過低，會導致冷凍功耗增加過多，經濟上并不可取。進口氨含量還與合成操作壓力和冷凝溫度有關。壓力高，氨合成反應速度快，進口氨含量可適當控制高一些；壓力低，為保持一定的反應速度，進口氨含量可適當控制低一些。綜合考慮的結果，一般中小型合成氨廠當操作壓力在30 MPa左右時，%~%之間。對于壓力在15 MPa的合成氨廠，%左右。% 。第三章 工藝流程簡述 合成工段工藝流程簡述由氮氫氣壓縮機送來的35℃的新鮮氣，在油分離器中與循環機來的循環氣混合，除去氣體中的油、水及其雜質。混合氣進冷交換器上部換熱管內，與冷交換器下部來的冷氣體進行換熱回收冷量，熱氣體被冷卻至17℃，然后進入氨冷器。氣體在管內流動，液氨在管外蒸發，由于氨大量蒸發吸收了混合氣的熱量，使管內氣體進一步冷卻至10℃，出氨冷器后的氣液混合物，在冷交換器的下部用氨分離器將液氨分離。分氨后的循環氣上升至上部換熱器殼程被熱氣體加熱至25℃后出冷交換器。然后氣體分兩股進入合成塔，一股主線經主閥由塔頂進入塔內環隙，另一股副線經副閥從倒塔底進入塔內中心管，以調節催化劑床層溫度。%。反應換熱后溫度降為140~160℃，氨含量13%的反應氣體出合成塔進入水冷器，氣體經水冷器冷卻至常溫，其中部分氣氨被冷凝，液氨在氨分離器中分出。為降低惰性氣體含量，保持循環系統中一定量的惰性氣體，循環氣岀氨分離器后部分放空，然后進循環機增壓后送往油分離器，從而完成一個循環。 冷交換器和氨分離器內的液氨，經液位調節系統減壓后送往液氨貯槽。該流程具有能如下一些特征：氨合成反應熱未充分予以回收，用來副產蒸汽，或用來預熱鍋爐給水。流程簡單，設備投資抵。放空氣位置設在惰性氣體含量最高，氨含量較低處以減少氨和原料氣損失。循環機位于水冷器和氨冷器之間，適用于有油潤滑往復式壓縮機。新鮮氣和循環氣中油、水及雜質可通過氨冷器低溫液氨洗滌后除去。 工藝流程方框圖合成塔水冷器熱交換器廢熱鍋爐油分離器冷交換器循環機新鮮氣放空液氨儲槽氨冷器氨分離塔馳放氣圖31合成氨工藝流程方框圖第四章 工藝計算 物料衡算 1. 年產20萬噸液氨,設計裕度及液氨損失均不計 2. 精煉氣組成（%）：如下表 表411精煉氣組成（mol％）組 成N2H2CH4Ar 合 計mol％ 100 3. 合成塔入口氨含量（mol％）： 合成塔出口氨含量（mol％）： 合成塔入口惰性氣體含量（mol％）： 4. 合成塔操作壓力: 32MPa(絕壓) 5. 精煉氣溫度：35℃ 6. 水冷器出口溫度：35℃ 7. 循環機進出口壓差： 8. 年工作日：330天 9. 產量： NH3/h 10. 計算基準：生產1噸液氨1 2 3 4 5精煉氣 6 7 8 9 10 11 12 14 17 18合成氣；13放空氣 20弛放氣 圖411 計算物料點流程圖合成塔氨分離塔水冷器氨冷器熱交換器液氨儲槽廢熱鍋爐放空油分離器新鮮氣冷交換器循環機液氨儲槽氨冷器氨分離塔循環機314571614122115201918172910116813根據計算依據有入塔氨含量：入塔甲烷含量：入塔氬含量：入塔氫含量：入塔氮含量：表412 入塔氣組分含量（%）NH3CH4ArH2N2小計100以 入塔氣作為基準求出塔氣組分，由下式計算塔內生成氨含量：出塔氣量: 出塔氨含量： 出塔甲烷含量：出塔氬含量： 出塔氫含量： 出塔氮含量： 表413 出塔氣體組分含量（%）NH3CH4ArH2N2小計100 已知氨分離器入口混合物組分表414 氨分離器入口混合物組分小計1查 ，各組分平衡常數：表415 平衡常數表設時，代入計算各組分溶解液量:分離液體量：分離氣體量：計算氣液比：結果合理從而可計算出液體中各組分含量：液體中氨含量：液體中氬含量：液體中甲烷含量： 液體中氫含量：液體中氮含量：表416 氨分離器出口液體含量（%）NH3CH4ArH2N2小計分離氣體組分含量：氣體氨含量 氣體甲烷含量 氣體氬含量 氣體氫含量 氣體氮含量 表417 氨分離器出口氣體含量（%）NH3CH4ArH2N2小計100根據氣液平衡原理，由于冷交換器第二次出口氣體含量等于合成塔進口氣體含量，由合成塔入口氣體含量和操作條件下的分離溫度可查出，便可解出。查 , 的平衡常數：表418 平衡常數表27517580冷交換器出口液體組分含量：出口液體氨含量 出口液體甲烷含量 出口液體氬含量 出口液體氫含量 出口液體氮含量 表419 冷交換器出口液體組分含量（%）NH3CH4ArH2N2小計100圖412 液氨貯槽氣液平衡圖液氨儲槽L19L16L15V20L21由于氨分離器液體和冷交換器出口分離液體匯合后進入液氨貯槽經減壓后溶解在液氨中的氣體會解吸，即弛放氣。兩種液體百分比估算值，即水冷后分離液氨占總量的百分數。水冷后分離液氨占總量的，冷交分離液氨占總量的。以液氨貯槽入口 液體計算為準，即 ，入口液體混合后組分含量：混合后入口氨含量：混合后入口甲烷含量：混合后入口氬含量：混合后入口氫含量：混合后入口氮含量： 表4110 液氨貯槽入口液體含量（%）小計100當 (由熱平衡計算得) 平衡常數：表4111 平衡常數表170540575620根據氣液平衡 ,設 ,代入上式得:出口液體氨含量：出口液體甲烷含量：出口液體氬含量：出口液體氫氣含量：出口液體氮氣含量：出口液體總量：出口氣體總量：l出口液體組分含量 出口液體氨含量：出口液體甲烷含量：出口液體氬含量：出口液體氫氣含量：出口液體氮氣含量：表4112 液氨貯槽出口液氨組分（%）NH3CH4ArH2N2小計100出口弛放氣組分含量：弛放氣氨含量：弛放氣甲烷含量：弛放氣氬含量：弛放氣氫氣含量：弛放氣氮氣含量：表4113 出口弛放氣組分含量(%)NH3CH4ArH2N2小計100以液氨貯槽出口一噸純液氨為基準折標立方米計算液氨貯槽出口液體量 其中NH3 CH4 Ar H2 N2 液氨貯槽出口弛放氣 其中 NH3 CH4 Ar H2 N2 液氨貯槽出口總物料液氨貯槽進口液體：由物料平衡，入口液體各組分含量計算：其中 NH3 CH4 Ar H2 N2 入口液體中組分含量核算,由 入口液體中氨含量 入口液體中甲烷含量 入口液體中氬含量 入口液體中氫氣含量 入口液體中氮氣含量 入口液體中組分含量 將整個合成看著一個系統，進入該系統的物料有新鮮補充氣 ,離開該系統的物料有放空氣 ，液氨貯槽弛放氣 ，產品液氨 ，見圖413所示： 合成塔V補V出V馳V放V氨V入圖413 合成系統物料計算示意圖由前計算數據如下表：表4114 合成系統物料計算數據名稱NH3CH4ArH2N2氣量Nm３補充氣放空氣弛放氣液氨入塔氣出塔氣根據物料平衡和元素組分平衡求,: 循環回路中氫平衡： 循環回路中氮平衡: 循環回路中惰性氣體平衡: 循環回路中惰性氣體平衡: 循環回路中總物料平衡: 聯立各式解得：。 。 。 入塔物料： 其中 NH3 CH4 Ar H2 N2 合成塔一出，二進物料，熱交換器冷氣進出物料等于合成塔入塔物料即　　 出塔物料　 NH3 CH4 Ar H2 N2 合成塔生成氨含量：廢熱鍋爐進出口物料，熱交換器進出口物料等于合成塔出塔物料。即 進器物料：水冷器進氣物料等于熱交換器出口物料，即 出器物料：在水冷器中部分氣氨被冷凝；由氨分離器氣液平衡計算得氣液比 ，,有如下方程: 將 代入 得: 出口氣體組分由得:其中， NH3 CH4 Ar H2 N2 出口液體各組分由 得其中 NH3 CH4 Ar H2 N2 進器物料：氨分離器進器總物料等于水冷器出口氣液混合物總物料即　出器物料：氣液混合物在器內進行分離，分別得到氣體和液體出器氣體，出器液體氨分離器出口氣體放空 其中， NH3 CH4 Ar H2 N2 進器物料：進器物料等于氨分離器出口氣體物料減去放空氣量其中， NH3 CH4 Ar