天然氣合成氨20萬噸合成工段設計說明書畢業設計-wenkub

　

【正文】 中廣泛應用。氨主要用來制作化肥。但是，如此豐富的氮，通常狀況下不能為生物直接吸收，只有將空氣中的游離氮轉化為化合物狀態，才能被植物吸收，然后再轉化成人和動物所需的營養物質?；瘜W化工學院 課程設計說明書天然氣合成氨20萬噸合成工段設計說明書第一章 總 論 3 概述 3 氨的性質 4 氨的物理性質 4 4 原料氣來源 5 文獻綜述 5 合成氨工業的發展 6 6 6 設計任務的項目來源 7第二章 流程方案的確定 7 生產原理 7 各生產方法及特點 8 工藝流程的選擇 9 合成塔進口氣的組成 11第三章 工藝流程簡述 12 合成工段工藝流程簡述 12 工藝流程方框圖 13第四章 工藝計算 14 物料衡算 14 14 15 15 16 17 17 19 20 23 24 26 27 28 28 30 冷交換器物料計算 32 34 熱量衡算 37 37 氨冷凝器熱量衡算 40 42 44 47 48 50 52第五章 設備選型及設計計算 53 合成塔催化劑層設計 53 廢熱鍋爐設備工藝計算 55 55 55 59 59 59 60 熱交換器設備工藝計算 60 60 61 63 67 68 水冷器設備工藝計算 68 68 69 71 71 71 氨冷器設備工藝計算 72 72 73 77 77 77 78第六章 車間布置 80第七章“三廢”治理及綜合利用 81 “三廢”的產生及污染 81 81 82 83 “三廢”治理原則 83結束語 84參考文獻 85附錄 86物料衡算匯總表 86熱量計算點圖 89第一章 總 論 概述氨是一種重要的含氮化合物。把大氣中的游離氮固定下來并轉變為可被植物吸收的化合物的過程，稱為固定氮。液氨可以直接用作肥料，它的加工產品有尿素、硝酸銨、氯化氨和碳酸氫氨以及磷酸銨、氮磷鉀混合肥等。氨在其他工業中的應用也非常廣泛。 氣態氨易溶于水，成為氨水，氨水呈弱堿性。 ℃（沸點）才能液化。在常溫常壓下，氨與空氣爆炸極限為15%～28%(NH3)。氫氣是從半水煤氣中提取的，以煤為原料，在一定的高溫條件下通入空氣、水蒸氣或富氧空氣水蒸氣混合氣，經過一系列反應生成含有一氧化碳、二氧化碳、氫氣、氮氣、及甲烷等混合氣體的過程。根據所用汽化劑的不同，工業煤氣可分為下列四種：空氣煤氣：以空氣為汽化劑制取的煤氣，又稱為吹風氣?？捎谜魵馀c適量的空氣或蒸氣與適量的富養空氣為汽化劑制得，也可用水煤氣與吹風混合配制。第一次世界大戰結束后,轉向為農業、工業服務。國際上以天然氣為原料的氮肥占85%。同時，對于有廉價天然氣資源的地區，鼓勵采用天然氣改造現有裝置或建設天然氣化肥基地。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。 設計任務的項目來源本課題是指導老師提高畢業生設計能力而選定的。⑶ 必須借助觸媒，以加快反應速度。(1) 低壓法 操作壓力低于20 MPa的稱低壓。(2) 高壓法 操作壓力為60 MPa 以上的稱為高壓法，其操作溫度大致為550～650 ℃。合成塔需用高鎳優質合金鋼制造，即使這樣，也會產生破裂。氨合成的上述三種方法，各有優缺點，不能簡單的比較其優劣。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。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。因此從化學平衡角度考慮，應盡可能采用較低的反應溫度。合成氨生產所用的催化劑活性溫度在400~500 ℃。在實際生產中，應盡可能沿著最佳溫度曲線進行。催化劑使用到末期，活性因衰老而減弱，應再適當提高溫度。在其他條件一定時，增加空間速度能提高合成氨的生產強度。此外，空間速度增大，使出塔氣體中氨的百分含量降低，為了使氨從混合氣中冷凝分離出來，必須降低出塔氣體溫度，這樣就要消耗更多的冷凍量，導致冷凍功耗增加。 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。液氨在氨分離器中與循環氣體分開，減壓送入貯槽。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。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。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。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。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。對于壓力在15 MPa的合成氨廠，%左右。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。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。流程簡單，設備投資抵。 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。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：。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