天然氣合成氨20萬噸合成工段設計畢業論文(已修改)

　

【正文】 學院畢業設計天然氣合成氨20萬噸合成工段設計畢業論文 氨的性質氨化學式為NH3常溫下為無色有刺激性辛辣味的惡臭氣體，會灼傷皮膚、眼睛，刺激呼吸道器官粘膜，% ~ %就會使人在幾分鐘內窒息。氨的主要物理性質見表01。氨在常溫加壓易液化，稱為液氨。氨易溶于水，與水反應形成水合氨（NH3 + H2O=NH3H2O）簡稱氨水，呈弱堿性，氨水極不穩定，受熱分解為氨氣和水，氨含量為1%。濃氨水氨含量為28% ~ 29%。氨的化學性質比較活潑，能與酸反應生成鹽，如與鹽酸反應生成氯化銨；與磷酸反應生成磷酸銨；與硝酸反應生成硝酸銨；與二氧化碳反應生成甲基甲酸銨，脫水后生成尿素等等。表11氨的主要物理性質[1]項目數據項目數據相對分子質量 臨界密度/(g/cm3) 氮含量 臨界壓縮系數PV=ZRT 摩爾體積(0℃，)/(L/mol) 臨界熱導率[kj/)] 氣體密度(0℃，)/(g/L) 沸點()/℃`液體密度(℃,)/(g/cm3) 蒸發熱（℃)/(kJ/kg) 臨界溫度/℃ 冰點/℃ 臨界壓力/MPa 熔化熱(℃)/(kJ/kg) 臨界比體積/(L/kg) 氨的用途氨主要用于制造化學肥料，如農業上使用的所有氮肥、含氮混合肥和復合肥等；也作為生產其他化工產品的原料，如基本化學工業中的硝酸、純堿、含氮無機鹽，有機化學工業的含氮中間體，制藥工業中磺胺類藥物、維生素，化纖和塑料工業中的己酰胺、己二胺、甲苯二異氰酸酯、人造絲、丙烯腈、酚醛樹脂等都需要直接或間接地以氨為原料。另外在國防工業尖端技術中，作為制造三硝基甲苯、三硝基苯酚、硝化甘油、硝化纖維等多種炸藥的原料。氨還可以做冷凍，冷藏系統的制冷劑。 合成氨的發展歷史 氨氣的發現十七世紀30年代末英國的牧師、化學家 （HaLes，1677～1761）,用氯化銨與石灰的混合物在以水封閉的曲頸瓶中加熱，只見水被吸入瓶中而不見氣體放出，1774年化學家普利斯德里重做該實驗，用汞代替水來密封，制得了堿空氣（氨），并且他還研究發現了氨的性質，發現氨極易溶于水、可以燃燒，還發現該氣體通以電火花時其容積增加，而且分解為兩種氣體：H2和N2，（Davy，1778～1829）等化學家繼續研究，進一步證明了2體積的氨通過電火花放電后，分解為1體積的氮氣和3體積的氫氣[2]。 合成氨的發現及其發展19世紀以前農業上所需的氮肥來源主要來自于有機物的副產物和動植物的廢物，如糞便、腐爛動植物等等，隨著農業和軍工生產的發展的需要，迫切的需要建立規模巨大的探索性的研究，化學家們設想，能不能把空氣中大量的氮氣固定下來，從而開始設計以氮和氫為原料的合成氨流程。19世紀，大量的化學家開始試圖合成氨，他們試圖利用高溫、高壓、電弧、催化劑等手段試驗直接合成氨，均未成功。19世紀末，隨著化學熱力學、動力學和催化劑等領域取得一定進展后，對合成氨反應的研究有了新的進展。1901年法國物理化學家呂查得利開創性地提出氨合成的條件是高溫、高壓，催化劑存在。1912年在德國建立了世界上第一個日產30噸的合成氨廠[2]。合成氨也隨之工業化，在以后的生產過程中，人們對合成氨的生產工藝進行了不斷改進和完善，如變換工藝的改進。原料氣凈化方法的革新及合成塔的改造等，但工藝路線沒有大的變化。 國外合成氨工業發展到20世紀50年代，由于北美成功開發了天然氣資源，從此天然氣作為制氨的原料開始盛行。到了20世紀60年代末，國外主要產氨國都已先后停止用焦炭、煤為原料，取而代之的是以天然氣、重油等為原料，天然氣所占的比重不斷上升。1982年，世界合成氨的生產能力為125Mt氨,但因原料供應、市場需求的變化，合成氨的產量遠比生產能力要低。近年，合成氨產量以蘇聯、中國、美國、印度等十國最高，占世界總產量的一半以上。合成氨主要消費部門為化肥工業，用于其他領域的（主要是高分子化工、火炸藥工業等）非化肥用氨，統稱為工業用氨。目前,合成氨年總消費量(以N計)，其中工業用氨量約為10Mt，約占總氨消費量的12%。合成氨主要原料有天然氣、石腦油、重質油和煤等。1981年，世界以天然氣制氨的比例約占71%，%、美國為96%、荷蘭為100%；中國仍以煤、焦炭為主要原料制氨,天然氣制氨僅占20%。70年代原油漲價后，一些采用石腦油為原料的合成氨老廠改用天然氣，新建廠絕大部分采用天然氣作原料。生產合成氨的方法主要區別在原料氣的制造，其中最廣泛采用的為蒸汽轉化法和部分氧化法[3]。從世界燃料儲量來看，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，預計到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。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、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。現在已提出以天然氣為原料的節能型合成氨新流程多種。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。中國開發的用氨水脫除二氧化碳直接制碳酸氫銨新工藝，以及中國、意大利等國開發的變換氣氣提法聯合生產尿素工藝，都有明顯的優點。 國內合成氨工業發展建國前，我國國內內的合成氨工業基礎非常薄弱，規模小，廠家少，并且技術落后。建國后，合成氨工業發展很快，產量也不斷增加。中國的合成氨工業是在20世紀30年代開始的，當時僅在南京和大連兩地建有規模不大的兩個合成氨工廠，此外在上海還有 一個電解水制氫生產合成氨的小型車間，全國年產量不到1萬噸。建國以來，基于農業的迫切需要，我國的合成氨工業得到了快速發展。在原料方面，由單一的焦炭發展到煤、天然氣、焦爐氣、石油煉廠氣、輕油和重油等多種原料制氫。研制并生產多種合成氨工藝所需的催化劑，在品種、產量和質量上都能滿足工業生產的要求，一些品種的質量已達到國際先進水平；我國已完成大型合成氨廠的設計及關鍵設備的制造。具有因地制宜特點的我國小型合成氨工業，經過多年的改進，工藝日趨完善，能耗也有明顯降低。經過50多年的努力，我國已擁有多種原料、不同流程的大、中、小型合成氨工廠550余個。在技術力量方面，我國已擁有一支能從事合成氨生產的科研、設計、制造和施工的高素質技術隊伍。在生產能力方面，1980年中國合成氨產量為1498萬噸，到1990年上升至2129萬噸，僅次于前蘇聯名列世界第二。1994年中國氨產量達到2442萬噸，2005年中國氨產量為4596萬噸，2007年中國合成氨產量已超過5000萬噸，從1994年后中國合成氨產量位列世界第一[4]。 國內合成氨工業的發展趨勢合成氨工業的迅速發展促進了一系列科學技術和近代化學合成工業的發展。隨著科學技術的進步和生產能力的不斷發展，合成氨工業在國民經濟中的基礎作用必將日益顯著。展望21世紀，合成氨裝置將繼續朝著大型化、集中化、自動化、低能耗與環境友好型方向發展，并形成具有一定規模的生產中心，單系列合成氨裝置的能力將從1000～1350t/d提高至1500～2000t/d[5]。合成氨生產包括三個主要步驟：第一步是制造含氮和氫的原料氣；第二步是將原料氣進行凈化處理，以除去各種雜質和有毒成分，從而獲得純凈的氮氫混合氣體；第三步是氨的合成。目前工業上采用的原料氣主要分為三種：固體原料（焦炭、無煙煤、褐煤等）、液體原料（重油、原油、輕油等）、氣體原料（天然氣、油田氣、焦爐氣、煉廠氣等）[5]。21世紀，由于能源危機、清潔環保因素的制約，而且近年來提倡的低碳生活，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。在這種大環境下，最理想的原料氣就是天然氣，也是下一階段合成氨的清潔技術方面發展的重點。過去被合成氨工業認為沒有太多困難的環境保護問題，由于對污染控制變得日益嚴格，一些認為已經解決的問題，現在又得重新加以評價。特別是近年來因地球氣候日益變暖而提出的對溫室效應的控制，將會對二氧化碳的排放加以嚴格限制。所有這些新舊問題對合成氨工業的發展，都會起到舉足輕重的影響。 合成氨工段設計主要參數計算的主要內容合成氨的生產工藝主要分為原料氣的制取和原料氣的凈化以及氨的合成。 氨的合成是全工段的中樞，是合成氨廠的最后一道工序，它的任務是在一定溫度、壓力及催化劑存在的條件下，由凈化工段過來的合成氣（N2+H2）進入合成塔在催化劑的作用下開始氨的合成，其后便是液氣分離，得到液氨產品和未反應的氣體做循環氣使用，氨合成的反應的化學方程式是： 由反應方程式可以看出氨的合成具有如下幾個特點：①可逆反應 ② 放熱反應 ③ 體積縮小的反應 ④ 反應需要有催化劑才能較快的進行故對于這次畢業設計的主要環節包括：(1) 對合成氨工段的工藝資料進行綜合整理； (2) 合成工段中各個反應設備的物料衡算和熱量衡算，包括合成塔、水冷器、廢熱鍋爐、熱交換器、冷交換器、氨冷器以及液氨貯槽；(3) 合成工段合理利用熱能；(4) 制定變換工段的工藝流程，并繪制工藝流程圖；(5) 主要的設備選型及計算；(6) 安全因素、經濟效益方面等；(7) 廠房與設備布置。第 63 頁 共 63 頁2 工藝計算 生產流程簡述放空新鮮氣弛放氨分離器水冷器熱交換器合成塔廢熱鍋爐油分離器循環機冷交換器液氨儲槽氨冷器氣體從冷交換器出口分二路、一路作為近路、一路進入合成塔一次入口，氣體沿內件與外筒環隙向下冷卻塔壁后從一次出口出塔，出塔后與合成塔近路的冷氣體混合，進入氣氣換熱器冷氣入口，通過管間并與殼內熱氣體換熱。升溫后從冷氣出口出來分五路進入合成塔、其中三路作為冷激線分別調節合成塔。二、三、四層(觸媒)溫度，一路作為塔底副線調節一層溫度，另一路為二入主線氣體，通過下部換熱器管間與反應后的熱氣體換熱、預熱后沿中心管進入觸媒層頂端，經過四層觸媒的反應后進入下部換熱器管內，從二次出口出塔、出塔后進入廢熱鍋爐進口， 蒸氣送去管網，從廢熱鍋爐出來后分成二股，一股進入氣氣換熱器管內與管間的冷氣體換熱，另一股氣體進入鍋爐給水預熱器在管內與管間的脫鹽，脫氧水換熱，換熱后與氣氣換熱器出口氣體會合，一起進入水冷器。在水冷器內管被管外的循環水冷卻后出水冷器，進入氨分離器，部分液氨被分離出來，氣體出氨分離器，進入透平循環機入口，經加壓后進入循環氣濾油器出來后進入冷交換器熱氣進口。在冷交換器管內被管間的冷氣體換熱，冷卻后出冷交換器與壓縮送來經過新鮮氣濾油器的新鮮氣氫氣、氮氣會合進入氨冷器，被液氨蒸發冷凝到5～10℃，被冷凝的氣體再次進入冷交，在冷交下部氣液分離，液氨送往氨庫氣體與熱氣體換熱后再次出塔，進入合成塔再次循環。合成氨合成工藝流程見圖21。圖21 工藝流程圖 原始條件 （1） 年產10萬噸，年產時間扣除檢修時間后按300天計算， （2） 新鮮補充氣組成如表21。表21 新鮮補充氣組成組分H2N2CH4Ar總計含量/% （3） 合成塔入口氨含量：NH3=% （4） 合成塔出口氨含量：NH3=% （5） 合成塔入口惰性氣體含量：CH4+Ar=15% （6） 合成塔操作壓力：30MPa （7） 精煉氣溫度：35℃1.——精煉氣。 13——放空氣。 20——弛放氣。 ——液氨。其余各節點為循環氣圖22 計算物料點流程 物料衡算 合成塔物料衡算 （1） 合成塔入塔氣組分： 入塔氨含量： yNH3=%； 入塔甲烷含量：y5,CH4=%%/(+) 100%=% 入塔氫含量： y5,H2=[100(+15)] 3/4100%=% 入塔氬含量： y5,Ar=15%%=% 入塔氮含量： y5,N2=[100(+15)] 1/4100%=%將入塔組分歸入表22。表22 入塔氣組分含量/%組分NH3H2N2CH4Ar總計含量/% （2） 合成塔出口氣組分以1000kmol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[6]： 出塔氣量： M8=入塔氣量－生成氨氣量=1000－= 出塔氨含量：y8，NH3=%出塔甲烷含量： 出塔氬含量：出塔氫含量：出塔氮含量：將出塔氣體組分歸入表23。表23 出塔氣體組分含量/%組分NH3H2N2CH4Ar總計含量132 100（3） 氨的合成率：合成率 氨分離器氣液平衡計算氨分離器進口氣體組成等于合成塔出口氣體組成及氨分離器入口混合物組分如表24所示。表24 氨分離器入口混合氣體組分m（i）組分NH3H2N2CH4Ar總計含量 查t=35℃，P=，見表25所示。表25 各組分平衡常數K（i）[6]KNH3KH2KN2KCH4KAr設時，代入L總=LNH3+LCH4+LH2+LN2+LAr=分離氣體量：V=1－=計算液氣比誤差，符合要求，故結果合理從而可計算液體中各組分含量，由式 x（i）=L（i）/