年產三十萬噸合成氨合成工段工藝設計畢業論文(已修改)

　

【正文】 年產三十萬噸合成氨合成工段工藝設計畢業論文在高溫高壓和催化劑存在的條件下，將精制的氫氮混合氣直接合成為氨，然后將所得的氣氨從未合成的為氨的混合氣中冷凝分離出來。由于受反應平衡影響，氫氮混合氣不能全部轉化為氨，反應后氣體中一般只有10%20%，通常采用冷凍的方法將已合成的氨分離，然后在未反應的氫氮混合氣中補充新鮮氣進行循環反應。氨合成反應是一個放熱反應，而氨分離過程又要消耗大量的冷量。在氨合成系統中合理設計回收反應熱的設備，可降低冷量的消耗。氨合成工段的生產狀況直接影響到合成氨廠生產成本的高低，它是合成氨廠節能減排的關鍵工序之一。根據合成氨反應中采用的壓力、溫度及催化劑型號的不同，氨合成的方法可以分為低壓法（1520MPa）、中壓法(2032MPa)和高壓法三種。目前合成氨廠普片采用的采用的是低壓法和中壓法。 合成氨概況合成氨是重要的無機化工產品之一，最早是由德國化學家哈伯于1902年研究出來的，其原理是由氮氣和氫氣在一定條件下直接合成氨，并于1908年申請專利。后來，他繼續研究，于1909年改進了合成技術，使氨的含量達到6%以上。合成氨工業起初是因為制作炸藥而被重視，在20世紀初期形成規模，為戰爭服務。第一次世界大戰結束后,轉向為農業、工業服務。隨著科學技術的發展，對合成氨的需要量日益增長。20世紀50年代后氨的原料構成發生重大變化，近數十年來合成氨工業發展很快，大型化、低能耗、清潔生產成為合成氨裝置發展主流，技術改進主要方向是研制性能更好的催化劑、降低氨合成壓力、開發新的原料氣凈化方法、降低燃料消耗、回收和合理利用低位熱能等。合成氨工業已有一個世紀的歷史，在國民經濟中占有重要地位。合成氨在農業上有非常重要的地位，氮肥，尿素、硝酸銨、磷酸銨、氯化銨以及各種含氮復合肥，都是以氨為原料的。同時，合成氨也是大宗化工產品之一，世界每年合成氨有80%用來生產化學肥料，20%作為其它化工產品的原料。據IFA全球合成氨產能的調查，增加量的三分之一將通過產能改造實現，其余三分之二將通過全球范圍內近50套生產裝置的開車實現，其中有一半來自中國。2008年中國合成氨新建或擬建項目產能達300萬噸，其中平安化肥有限責任公司設計年產合成氨15萬噸、硝銨30萬噸，項目總投資8億元，建設周期為2009年2010年；潞安礦業集團有限責任公司計劃投資年產合成氨30萬噸建設周期為20092011年，總投資為28億元；中國石油青海油田分公司投資建設年產合成氨45萬噸，前期工作已開始，項目總投資25億元；山西同德化工股份有限公司08年投資建設年產合成氨18萬噸、硝酸銨10萬噸、甲醇3萬噸、尿素22萬噸。山西省臨汾市建設年產18萬噸合成氨、年加工30萬噸尿素的生產裝置。 該項目建設周期為2008年2010年，；安徽三星化工有限責任公司投資 年產50萬噸合成氨100萬噸尿素6萬噸三聚氰胺工程。2009年初年國務院研究通過保障化肥生產供應，促進化肥行業改革和發展的政策，標志著國內化肥市場化改革的正式啟動，國家對支持農業生產、保障糧食安全給予了極大的重視，為了調動農民的種田積極性，各項農資補貼大幅度提高。這些政策不但調動了農民種田、購肥的積極性，也成為支撐化肥市場的信心，國內化肥市場產能大量釋放。春節過后，隨著供電和運輸逐步恢復，尿素和硝酸企業開始復工或加大生產負荷，春季用肥季節的逐漸臨近，各地尿素市場開始出現回暖，對合成氨市場需求也逐漸上升，來自chemsino分析預測,09年合成氨市場仍將保持穩定 ，新建裝置項目計劃延展受到國家產業政策的鼓勵，當前我國尿素供應依舊緊張，今后510年內，我國尿素的需求將增加1000萬噸以上，合成氨行業景氣度依舊看好。 合成氨工業的發展趨勢原料路線的變化方向 煤的儲量約為石油、天然氣總和的10倍，自從70年代中東石油漲價后,從煤制氨路線重新受到重視,但因以天然氣為原料的合成氨裝置投資低、能耗低、成本低的緣故，到20世紀末,世界大多數合成氨廠仍將以氣體燃料為主要原料。節能和降耗 合成氨成本中能源費用占較大比重，合成氨生產的技術改進重點放在采用低能耗工藝、充分回收及合理利用能量上，主要方向是研制性能更好的催化劑、開發新的原料氣凈化方法、降低燃料消耗、回收和合理利用低位熱能等。與其他產品聯合生產 合成氨生產中副產大量的二氧化碳，不僅可用于冷凍、飲料、滅火，也是生產尿素、純堿、碳酸氫銨的原料。如果在合成氨原料氣脫除二氧化碳過程中能聯合生產這些產品，則可以簡化流程、減少能耗、降低成本。 合成氨的工藝流程 合成氨的主要原料可分為固體原料、液體原料和氣體原料。經過近百年的發展，合成氨技術趨于成熟，形成了一大批各有特色的工藝流程，但都是由三個基本部分組成，即原料氣制備過程、凈化過程以及氨合成過程。由于本設計主要研究氨合成過程中的合成工段，所以對于原料制備和氣體凈化過程不做介紹，以免影響讀者參閱，如有興趣可查看其相關資料。氨合成是將純凈的氫、氮混合氣加壓到高壓，在催化劑的作用下合成氨。氨的合成是提供液氨產品的工序，是整個合成氨生產過程的核心部分。氨合成反應在較高壓力和催化劑存在的條件下進行，由于反應后氣體中氨含量不高，一般只有10%~20%，故采用未反應氫氮氣循環的流程。氨合成反應式如下：N2+3H2→2NH3(g) ΔH = 工藝流程的選擇合成氨的生產工藝條件必須滿足產量高，消耗低，工藝流程及設備結構簡單，操作方便及安全可靠等要求。決定生產條件最主要的因素有操作壓力、反應溫度、空間速度和氣體組成等。氨合成反應是氣體體積縮小的反應，提高壓力有利于反應平衡向右移動。壓力增加平衡常數增大，因而平衡氨含量也增大。所以，提高壓力對氨合成反應的平衡和反應速度都有利，在一定空速下，合成壓力越高，出口氨濃度越高，氨凈值越高，合成塔的生產能力也越大。氨合成壓力的高低，是影響氨合成生產中能量消耗的主要因素之一。主要能量消耗包括原料氣壓縮功、循環氣壓縮功和氨分離的冷凍功。提高操作壓力，原料氣壓縮功增加，合成氨凈值增高，單位氨所需要的循環氣量減少，因而循環氣壓縮功減少，同時壓力高也有利于氨的分離，在較高氣溫下，氣氨即可冷凝為液氨，冷凍功減少。但是壓力高、時，對設備的材料和制造的要求均高。同時，高壓下反應溫度一般較高，催化劑使用壽命也比較短，操作管理比較困難。所以。要根據能量消耗、原料費用、設備投資等綜合技術經濟效果來選擇操作壓力。目前我國中小型合成氨廠合成操作壓力大多采用15~32MPa。合成氨反應是一個可逆放熱反應，當溫度升高時，平衡常數下降，平衡氨含量必定減少。因此從化學平衡角度考慮，應盡可能采用較低的反應溫度。實際生產中還要考慮反應速率的要求。為了提高反應速率，必須使用催化劑才能實現氨合成反應。而催化劑必須在一定的溫度范圍內才具有活性，所以氨合成反應溫度必須維持在催化劑的活性范圍內。合成氨生產所用的催化劑活性溫度在400~500 ℃。反應溫度不能低于活性溫度，在活性溫度范圍內選用較低溫度，也有利于延長催化劑的使用壽命。在合成氨生產過程中，對應于任意一個瞬時轉化率都存在一個最大的反應速率的溫度，即最佳溫度。就整個反應過程來說，隨著反應的進行，轉化率不斷增加，最佳溫度隨轉化率增加而降低。在實際生產中，應盡可能沿著最佳溫度曲線進行。反應溫度的控制還與催化劑的使用時間有關。新的催化劑因活性比較高，可采用較低的溫度。在中期活性降低，操作溫度應比初期適當提高8~10 ℃。催化劑使用到末期，活性因衰老而減弱，應再適當提高溫度。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。 合成工段工藝流程簡述由高壓機送來的新鮮氣與冷凝塔一次出口循環氣混合送入氨冷器，在氨冷器內，氣體走管內，液氨走管外，由于液氨的蒸氣吸取熱量，氣體被進一步冷卻，并使氣體中部分氣氨冷凝管外蒸氣的氣氨經沫除器分離掉液氨后，去氨氣柜或硝銨車間。氨的高壓混合氣，自氨冷器出來，進入冷凝塔下部的氨分離器，分離液氨,除氨后的混合氣，再經過冷凝塔上部的熱交換器與循環機氣體換熱，二次出冷凝塔。自冷凝塔二次出口的循環氣其中一部分進入合成塔上部一次入口，氣體沿著內件與外箱間環隙向下冷卻塔壁后，進入下部換熱器管外，另一部分循環氣直接進入塔外氣氣換熱器冷氣入口，通過管外并與管內廢鍋口出來氣體換熱后，設有副線氣流分成四股，其中二股作為冷凝氣分別從塔頂進入菱形分布器和層間換熱器，一股為塔底副線，另一股進入合成塔下部二次入口與一次入口氣體混合，通過下部熱交換器與管內氣體換熱后與塔底副線氣混合，由內中心管進入第一軸層反應，反應后氣體與塔頂引入的第一冷凝氣混合進入第二軸向層反應氣體進入層間換熱器管內與第二冷凝氣換熱降低氣體溫度進入徑向層，第二冷凝氣換熱后提高自身溫度進入外中心管與內中心管，氣體混合進入第一軸向層，徑向層自里向外徑向流出，通過整個觸媒層進入下部換熱器管內，與管外換熱后出塔進入廢鍋爐，與脫氧水換熱副產品，,氣體溫度降低到217 ℃以下,進入氣氣換熱器,氣流經與管外氣體換熱器降溫后進入水冷器,后進入循環機,補充壓力,經濾油器除去油圬后,進入冷凝塔上部的熱交換器,出熱交換器后與新鮮氣混后開始下一個循環。河南城建學院專科畢業設計(論文) 工藝設計2工藝計算 物料衡算（1） 產量：W=（2） 催化劑用量： 70m3（3） 精煉氣成分見下表表1 精煉氣成分組分H2N2CH4AR合計摩爾分數（4） 合成塔入口氨含量：NH3入=%合成塔出口氨含量：NH3出=%合成塔入口惰性氣體含量：AR +CH4=%（5） 合成塔操作壓力：30（設備及管道造成的壓力降；設備及管道的冷熱量損失。冷交換器及氨冷器中溶解在液氨中的氣量均忽略不計）（6） 精煉氣溫度：35 ℃（7） 水冷器冷卻水溫度：25℃（8） 循環機進出口壓差：（9） 年工作日：330天（10） 計算基準：生產一噸液氨。 計算物料點流程 圖1 物料恒算流程圖 合成塔入口氣組分由計算依據得： 入塔氨含量： y5 NH3=% 入塔甲烷含量：y5 CH4=%=% 入塔氬含量： y5Ar=%=%入塔氫氣含量：y5H2=[100(++)] (3/4) 100%=%入塔氮含量: y5 N2=[100(++)] (1/4) 100%=%表2 入塔氣組分含量（%）NH3CH4ARH2N2合計100 合成塔出口氣組分以1000kmol入塔氣作為計算基準求出塔氣組分：塔內生成氨含量：NNH3==出塔氣量（N8）=入塔氣量生成氨含量==出塔氨含量: =%出塔甲烷含量：===%出塔氬含量：===%出塔氫氣含量： y8H2 = (1y8NH3y8CH4y8Ar)100%=()100% =%出塔氮含量：y8N2 = (1y8NH3y8CH4y8Ar)100%= ()100%=%表3 出塔氣組分含量（%）NH3CH4ARH2N2合計100 合成率由式得: 式中 α——氨合成率，%； ——進合成塔氣體中惰性氣體含量,(摩爾分率)%。 ==% 氨分離器氣液平衡計算設氨分離器進口氣液混合物F，進口物料組分m(i)；分離氣相組分y(i),氣量V。分離液相組分x(i),液量L,其中進口物料組分m(i)等于合成塔出口氣體組分。根據氣液平衡原理，以1Kmol進口物料為計算基準，即F=1Kmol。如圖所示。由氣液平衡原理： Fm(i)=Vy(i)+Lx(i)=m(i) ( 1 ) K(i)=, (K(i)——組分i平衡常數) （2）將（2）式代人（1）式得： =K(i)+1 ==L(i) (3)L= (4)液體組分：X(i)= (5)V=FL=1L (6)氣體組分： y(i)== (7)計算氣、液組分的步驟為：首先根據經驗數據設（V/L）值，查操作條件下的（t，P）平衡常數（Ki）代入（3