年產8萬噸合成氨合成工段工藝設計(doc畢設論文)(已修改)

　

【正文】 （前面應該編寫個目錄）年產8萬噸合成氨合成工段設計設計說明書1 總論氨是最為重要的基礎化工產品之一，其產量居各種化工產品的首位。 同時也是能源消耗的大戶，世界上大約有10 %的能源用于生產合成氨。氨主要用于農業,合成氨是氮肥工業的基礎，氨本身是重要的氮素肥料，其他氮素肥料也大多是先合成氨、再加工成尿素或各種銨鹽肥料，這部分約占70 %的比例，稱之為“化肥氨”；同時氨也是重要的無機化學和有機化學工業基礎原料，用于生產銨、胺、染料、炸藥、制藥、合成纖維、合成樹脂的原料，這部分約占30 %的比例,稱之為“工業氨”。世界合成氨技術的發展經歷了傳統型蒸汽轉化制氨工藝、低能耗制氨工藝、裝置單系列產量最大化三個階段。根據合成氨技術發展的情況分析, 未來合成氨的基本生產原理將不會出現原則性的改變, 其技術發展將會繼續緊密圍繞“降低生產成本、提高運行周期, 改善經濟性”的基本目標, 進一步集中在“大型化、低能耗、結構調整、清潔生產、長周期運行”等方面進行技術的研究開發[1]。(1) 大型化、集成化、自動化, 形成經濟規模的生產中心、低能耗與環境更友好將是未來合成氨裝置的主流發展方向。以Uhde公司的“雙壓法氨合成工藝”和Kellogg 公司的“基于釕基催化劑KAAP 工藝”,將會在氨合成工藝的大型化方面發揮重要的作用。氨合成工藝單元主要以增加氨合成轉化率(提高氨凈值) ,降低合成壓力、減小合成回路壓降、合理利用能量為主，開發氣體分布更加均勻、阻力更小、結構更加合理的合成塔及其內件。 開發低壓、高活性合成催化劑, 實現“等壓合成”。(2) 以“油改氣”和“油改煤”為核心的原料結構調整和以“多聯產和再加工”為核心的產品結構調整,是合成氨裝置“改善經濟性、增強競爭力”的有效途徑。實施與環境友好的清潔生產是未來合成氨裝置的必然和惟一的選擇。生產過程中不生成或很少生成副產物、廢物,實現或接近“零排放”的清潔生產技術將日趨成熟和不斷完善。提高生產運轉的可靠性,延長運行周期是未來合成氨裝置“改善經濟性、增強競爭力”的必要保證。有利于“提高裝置生產運轉率、延長運行周期”的技術,包括工藝優化技術、先進控制技術等將越來越受到重視。設計任務書是項目設計的目的和依據：產量：80 kt/a 液氨放空氣（惰性氣Ar +CH4 ）：17% 原料：新鮮補充氣N2 24%，H2 %，Ar %，CH4 % 合成塔進出口氨濃度：%，% 放空氣:（惰性氣Ar +CH4 ）～17% 合成塔操作壓力 32 MPa （絕壓） 精練氣溫度 40℃ 水冷器出口氣體溫度 35 ℃ 循環機進出口壓差 年工作日 310 d計算基準 生產1t氨：年產8萬噸合成氨合成工段設計 設計具體內容范圍及設計階段本次設計的內容為合成氨合成工段的設計，具體包括以下幾個設計階段： 1. 進行方案設計，確定生產方法和生產工藝流程。 2. 進行化工計算，包括物料衡算、能量衡算以及設備選型和計算。 3. 繪制帶控制點的工藝流程圖（PID）。 4. 進行車間布置設計，并繪制設備平立面布置圖。 5. 進行管路配置設計，并繪制管路布置圖。 6. 撰寫設計說明書。、用途及市場需要 (1) 氨的物化性能合成氨的化學名稱為氨，%。氨是一種無色具有強烈刺激性、催淚性和特殊臭氣的無色氣體，比空氣輕，熔點－℃；沸點－℃。標準狀況下，；。極易溶于水，常溫（20℃）常壓下，一個體積的水能溶解600個體積的氨；標準狀況下，一個體積水能溶解1300個體積的氨氨的水溶液稱為氨水，呈強堿性。因此，用水噴淋處理跑氨事故，能收到較好的效果[2]。氨與酸或酸酐可以直接作用，生成各種銨鹽；氨與二氧化碳作用可生成氨基甲銨，脫水成尿素；在鉑催化劑存在的條件下，氨與氧作用生成一氧化氮，一氧化氮繼續氧化并與水作用，便能得到硝酸。氨在高溫下(800℃以上)分解成氮和氫；氨具有易燃易爆和有毒的性質。氨的自燃點為630℃，氨在氧中易燃燒，燃燒時生成藍色火焰。氨與空氣或氧按一定比例混合后，遇明火能引起爆炸?！?8％，～82％。液氨或干燥的氣氨，對大部分物質沒有腐蝕性，但在有水的條件下，對銅、銀、鋅等有腐蝕作用[3]。(2) 氨的用途氨是基本化工產品之一，用途很廣。化肥是農業的主要肥料，而其中的氮肥又是農業上應用最廣泛的一種化學肥料，其生產規模、技術裝備水平、產品數量，都居于化肥工業之首，在國民經濟中占有極其重要的地位。各種氮肥生產是以合成氨為主要原料的，因此，合成氨工業的發展標志著氮肥工業的水平。以氨為主要原料可以制造尿素、硝酸銨、碳酸氫銨、硫酸銨、氯化銨等氮素肥料。還可以將氨加工制成各種含氮復合肥料。此外，液氨本身就是一種高效氮素肥料，可以直接施用，一些國家已大量使用液氨。可見，合成氨工業是氮肥工業的基礎，對農業增產起著重要的作用。氨也是重要的工業原料，廣泛用于制藥、煉油、純堿、合成纖維、合成樹脂、含氮無機鹽等工業部門。將氨氧化可以制成硝酸，而硝酸又是生產炸藥、染料等產品的重要原料?，F代國防工業和尖端技術也都與氨合成工業有密切關系，如生產火箭的推進劑和氧化劑，同樣也離不開氨。此外，氨還是常用的冷凍劑。合成氨工業的迅速發展，也促進和帶動了許多科學技術部門的發展，如高壓技術、低溫技術、催化技術、特殊金屬材料、固體燃料氣化、烴類燃料的合理利用等。同時，尿素和甲醇的合成、石油加氫、高壓聚合等工業，也是在合成氨工業的基礎上發展起來的。所以合成氨工業在國民經濟中占有十分重要的地位，氨及氨加工工業已成為現代化學工業的一個重要部門[4]。(3) 市場需要據資料統計:1997 。預計2000 。%%。我國1996 ,專家預測2000 年將達36Mt,2020 年將增加至45Mt。即今后20 倍。因而合成氨的持續健康發展還有相當長的路要走。未來我國合成氨氮肥的實物產量將會超過石油和鋼鐵。合成氨工業在國民經濟中舉足輕重。農業生產,“有收無收在于水,收多收少在于肥”。所以,合成氨工業是農業的基礎。它的發展將對國民經濟的發展產生重大影響。因此,我國現有眾多的化肥生產裝置應成為改造擴建增產的基礎。我國七十至九十年代先后重復引進30 多套大化肥裝置,耗費巨額資金,在提高了化肥生產技術水平的同時,也受到國外的制約。今后應利用國內開發和消化吸收引進的工藝技術,自力更生,立足國內,走出一條具有中國特色的社會主義民族工業的發展道路。過去引進建設一套大型化肥裝置,耗資數十億元。當今走老廠改造擴建的道路,可使投資節省1/2—2/3。節省的巨額資金,用作農田水利建設和農產品深加工,將在加速農村經濟發展,提高農民生活水平,縮小城鄉差距起著重要用。 氨的合成是合成氨生產的最后一道工序，其任務是將經過精制的氫氮混合氣在催化劑的作用下多快好省地合成為氨。對于合成系統來說，液體氨即是它的產品。工業上合成氨的各種工藝流程一般以壓力的高低來分類[3]。(1)高壓法操作壓力70～100MPa，溫度為550～650℃。這種方法的主要優點是氨合成效率高，混合氣中的氨易被分離。故流程、設備都比較緊湊。但因為合成效率高，放出的熱量多，催化劑溫度高，易過熱而失去活性，所以催化劑的使用壽命較短。又因為是高溫高壓操作，對設備制造、材質要求都較高，投資費用大。目前工業上很少采用此法生產。(2)中壓法操作壓力為20～60MPa，溫度450～550℃，其優缺點介于高壓法與低壓法之間，目前此法技術比較成熟，經濟性比較好。因為合成壓力的確定，不外乎從設備投資和壓縮功耗這兩方面來考慮。從動力消耗看，合成系統的功耗占全廠總功耗的比重最大。但功耗決不但取決于壓力一項，還要看其它工藝指標和流程的布置情況?？偟膩砜?，在15～30Pa的范圍內，功耗的差別是不大的，因此世界上采用此法的很多。因此，本次設計選用32MPa壓力的合成氨流程。(3)低壓法操作壓力10MPa左右，溫度400～450℃。由于操作壓力和溫度都比較低，故對設備要求低，容易管理，且催化劑的活性較高，這是此法的優點。但此法所用催化劑對毒物很敏感，易中毒，使用壽命短，因此對原料氣的精制純度要求嚴格。又因操作壓力低，氨的合成效率低，分離較困難，流程復雜。實際工業生產上此法已不采用了。 產品方案產品的名稱：氨(NH3)；產品的質量規格：液體純氨；產品的規模：80 kt/a 液氨；產品的包裝方式：氨為高壓低溫液體，合成后直接送到下一工段作為原料繼續生產，多余部分設立氨儲槽儲存起來。、來源生產合成氨，首先必須制備氫、氮原料氣。氮氣來源于空氣，可以在低溫下將空氣液化、分離而得，或者在制氫過程中直接加入空氣來解決。氫氣來源于水或含有烴類的各種燃料，它取決于用什么方法制取。最簡便的方法是將水電解，但此法由于電能消耗大、成本高而受到限制?，F在工業上普遍采用以焦炭、煤、天然氣、重油等原料與水蒸汽作用的氣化方法。 主要原料規格 (1) 合成塔進口氣體組成合成塔進口氣體組成包括氫氮比、惰性氣體含量與初始氨含量。當氫氫比為3時，對于氨合成反應，可得最大平衡氨含量，但從動力學角度分析，最適宜氫氨比隨氨含量的不同而變化。如果略去氫及氨在液氨中溶解損失的少量差異，氨合成反應氫與氮總是按3：1消耗，新鮮氣氫氮比應控制為3，否則循環系統中多余的氫或氮就會積累起來，造成循環氣中氫氮比的失調。惰性氣體(CHAr)來源于新鮮原料氣，它們不參與反應因而在系統中積累。惰性氣體的存在，無論從化學平衡還是動力學上考慮均屬有弊。但是，維持過低的惰氣含量又需大量排放循環氣導致原料氣消耗量增加。如果循環氣中惰性氣體含量一定，新鮮氣中惰性氣體含量增加，根據物料平衡關系，新鮮氣消耗隨之增大。因此，循環氣中惰性氣體含量應根據新鮮氣惰性氣體含量、操作壓力、催化劑活性等條件而定。由于原料氣制備與凈化方法不同，新鮮氣中惰性氣體含量也各個相同，循環氣中所控制的惰性氣體含量也有差異。當其它條件一定時，進塔氣體中氨含量越高，氨凈值越小，生產能力越低。初始氨含量的高低取決于氨分離的方法。對于冷凍法分離氨，初始氨含量與冷凝溫度和系統壓力有關。為過分降低冷凝溫度而過多地增加氨冷負荷在經濟上也并不可取。操作壓力300atm時，～％；150atm時，～％。(2) 硫化物和碳氧化物含量無論那一種原料所得原料氣，都含有一定數量的硫化物。雖然原料氣中硫化物含量不高，但對合成氨生產危害卻很大。硫化物是各種催化劑的毒物，硫化氫能腐蝕設備管道。以烴類為原料的蒸汽轉化法制取原料氣，鎳催化劑對硫含量限制十分嚴格，(重量)以下。為防止CO和CO2對催化劑的毒害，規定CO和CO2總含量不得多余20ppm[5]。中小型合成氨廠在生產過程中，常見的有毒有害物質種類很多，多以氣體、蒸氣、霧、粉塵等狀態存在，其中有毒有害氣體是合成氨生產中最常見的。 氨氣和液氨氨氣是一種具有強烈刺激臭味的無色氣體, 易被液化成藍色液體。車間空氣中氨的最高容許濃度為30 毫克／米3。它對人的眼睛和呼吸器官有較大的傷害作用。氨中毒的癥狀首先是服粘膜和呼吸道粘膜受到刺激、胸感抑郁、胃痛、打噴嚏、流口水、周身有不舒服感。如在氨氣濃度不大的環境中，停留時間不長，而且能及時離開環境，到空氣新鮮的地方去，上述的癥狀可漸漸消失。中毒嚴重時，會引起肺部腫脹導致死亡。氨氣刺激眼睛能引起角膜炎。因氨有氣味，故較好預防。合成氨生產中合成工段經常接觸的液體毒物有液氨、氨水等。液氨或氨水濺入眼內，可造成眼睛嚴重損傷，出現眼瞼水腫，眼結膜迅速充血水腫，眼劇痛，角膜混濁，甚至因角膜潰瘍、穿孔而失明。接觸液氨和高濃度氣氨，可使皮膚引起類似強堿的嚴重灼傷，出現紅斑、水泡，甚至因吸收水分，使皮膚脂肪皂化而壞死。在正常生產過程中，有很少一部份氣態NH3無法回收，通過放空火炬燃燒掉就不會對環境造成影響。對于成品氨罐放空的氣態NH3可引入冰機中進行加壓冷凝，不僅回收了NH3，同時也不會造成環境的污染[3]。 合成氨廢水合成氨生產過程中產生的廢水是COD的主要來源。比如，隔油池中廢水就含有COD。如果含有COD的廢水排放出去就會繁衍菌類、藻類，污染水源和土壤，更嚴重的是會造成污染滋生源，對環境造成更大的破壞。要減少廢水和工藝冷凝液中的COD的排放，可改進生產工藝，使廢水排放減少，建設特生化處理裝置，進行廢水處理，使廢水中的COD含量達到國家控制標準[6]。2 生產流程及生產方法的確定氨的合成工段，其主要任務是在適宜的溫度、壓力和有觸媒催化的條件下，將經過精制的氫氮混合氣體，在合成塔內直接合成為氨。然后將所得的氣氨，從氫氮混合氣中經冷卻冷凝成為液態氨分離出來。液氨由氨罐進入氨冷器蒸發為氣氨，送碳化崗位制取碳酸氫銨；或送硝酸車間制取硝酸和硝銨；或送硫銨車間制取硫酸銨；或將液氨送尿素車間制取尿素等。未合成為氨的氫氮混合氣體繼續在合成系統內循環使用。合成氨生產的特點，概括起來有如下幾方面[7]：(1)工藝流程長、設備管道多；(2)生產過程有高度的連續性；(3)各工序生產操作相互影響；(4)生產是在高溫、高壓、易燃、易爆、易中毒、易灼傷的情況下進行的。在整個合成氨生產過程中，合成氨生產比較復雜，始終存在著高溫、高壓、易燃、易爆、易中毒等危險因素，各種控制條件比較嚴格，稍有疏忽就可能發生事故。同時，因生產工藝流程長、連續性強，設備長期承受高溫和高壓，還有內部介質的沖刷、滲透和外部環境的腐蝕等，各類事故發生率比較高，尤其是火災、爆炸和重大設備事故經常發生。但是，只要我們能充分認識這一客觀規律并掌握這一客觀規律就能做到安全生產，實現穩產、高產。因此，合成氨生產必須滿足高溫、高壓、高純度要求。在生產過程中有一系列化學反應、傳熱、燃燒、分離等過程,溫度、壓力、濃度等因素都影響反應的進行,這些因素又受到設備質量、水質、煤質、季節、氣候、操作水平、調度與管理的影響,這樣就形成了合成氨生產工藝過程、設備結構、操作管理與生產技術的復雜性。 氨合成過程的基本工藝步驟 實現氨合成的循