天然氣合成氨20萬噸合成工段設計說明書畢業設計(專業版)

　　

【正文】 在設計過程中，我也認識到了自身的不足，原有知識儲備不足，也不夠牢固，在知識應用方面仍然比較薄弱。同時，在運輸與處理的過程中，產生的有害氣體和粉塵也是十分嚴重的。據1985年估算，僅二氧化硫和氟化物污染這兩項，全國每年約損失20億元。因此，解決工業“三廢”污染的任務還相當艱巨。并在此基礎上進行合成塔的催化劑層設計，依據已給定參數設計確定催化劑用量及幾何尺寸等工藝參數，然后再按照一定的操作條件確定催化劑床層溫度、濃度和產量。取過飽和度 ，故 。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。(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。～ 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。(3) 空間速度 空間速度反映氣體與催化劑接觸時間的長短。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。高壓法管理比較復雜，特別是由于合成率高，催化劑層內的反應熱不易排除而使催化劑長期處于高溫下操作，容易失去活性。希望通過此次課程設計讓學生可以較好地把理論學習中的分散知識點和實際生產操作有機結合起來，得到較為合理的設計成果，達到課程設計訓練的目的，提高學生分析和解決化工實際問題的能力。而我國氮肥原料以煤為主，天然氣僅占20%，我國氮肥行業急需解決采用成熟的粉煤氣化技術，以本地粉煤代替無煙塊煤。在氣化過程中所使用的空氣、水蒸氣或富氧空氣水蒸氣混合氣等稱為汽化劑。在石油煉制、橡膠工業、冶金工業和機械加工等部門以及輕工、食品、醫藥工業部門中，氨及其加工產品都是不可缺少的。大氣中存在有大量的氮，在空氣中氨占78％（體積分數）以上，它是以游離狀態存在的。氨水在溶解時放出大量熱。混合煤氣：以空氣和適量的水蒸氣為汽化劑制取的煤氣，一般作燃料用。在氮肥行業，要推廣新型煤氣化技術，包括粉煤氣化、水煤漿氣化技術等；新型凈化技術，如低溫變換、低溫甲醇洗MDEA等凈化技術；新型氨合成塔及大型低壓合成的成套技術和裝備。 各生產方法及特點合成氨的生產主要包括三個步驟 ：第一步是造氣，即制備含有氫、氮的原料氣；第二步是凈化，不論選擇什么原料，用什么方法造氣，都必須對原料氣進行凈化處理，以除去氫、氮以外的雜質；第三步是壓縮和合成，將純凈的氫、氮混合壓縮到高壓，在鐵催化劑與高溫條件下合成為氨。本設計采用中壓法，操作壓力為32 MPa。為了提高反應速率，必須使用催化劑才能實現氨合成反應。同時，單位循環氣量的產氨量減少。(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。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。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。其中 NH3 CH4 Ar H2 N2 計算誤差校核氨分離器液氨百分數氨分離器液氨百分數：冷交換器分離液氨百分數：計算誤差進槽物料：氨分離器入槽液體 其中 NH3 CH4 Ar H2 N2 冷交換器入槽液體 其中 NH3 CH4 Ar H2 N2 入槽混合物料 各組分物料含量： 其中 NH3 CH4 Ar H2 N2 百分含量 其中 NH3 CH4 Ar H2 N2 出槽物料：液氨貯槽出口弛放氣 其中 NH3 CH4 Ar H2 N2 出口液氨總物料 其中 NH3 CH4 Ar H2 N2 各組分百分含量：其中 NH3 CH4 Ar H2 N2 液氨產量核算: 物料衡算匯總表見附錄 熱量衡算冷交換器Q3Q2Q17Q16Q14圖421 冷交換器熱量計算示意圖 （1）熱氣進口溫度，冷交換器熱氣進口溫度等于水冷器體出口溫度，由題意知 。車間布置是指對車間各基本工段、輔助工段、生產服務部門、設施、設備、倉庫、通道等在空間和平面上的相互位置的統籌安排。工業廢氣造成的危害表現在以下五個方面，即人體健康危害、居民生活費增加、物質材料破壞、農林水產損失擴全球環境影響。一類是水體受到致病微生物的污染，滋生病毒菌，從而引傳染病的蔓延；另一類是水中含有有毒物質引起人的中毒癥狀發生。爐渣和煤渣可用于鋪路、作建筑保溫材料(3)噪聲。作為一個化工人，我一定要樹立起實事求是、認真負責以及與他人合作的工作作風。首先設計開始要做好充分的準備工作，根據設計要求，查閱與工藝路線和重點設備相關的文獻資料及手冊。廢水污染對農業設備和農作物的危害是同樣嚴重的。據中國十個城市統計，呼吸道疾病的患病率在工業重污染地區為30％～70％，而輕污染區只有它的一半。2． 設備布置設計本設計中的大部分設備由于沒有特殊要求，因而可露天布置，露天布置設備有以下優點：（1） 可節約建筑面積，節省基建投資（2） 可節約土建工程量，加快基建速度（3） 有利于化工生產的防水，防爆和防毒，對廠房的擴建改建具有較大的靈活性。表425 合成塔熱量平衡匯總表收 方熱量（KJ）支方熱量（KJ）一次氣體進口帶入熱量 Q5476358,788一次氣體出口帶入熱量 Q6二次氣體進口帶入熱量 Q7二次氣體進口帶入熱量 Q8反應熱 QR熱損失 Q損小 計小計（1）管內熱氣體帶入熱量Q8由合成塔熱平衡計算得 （2）管內熱氣體帶出熱量 Qs設 查《小氮肥工藝設計手冊—理化數據》并計算得：∴ (3) 廢熱鍋爐熱負荷 (4) 軟水量計算設廢熱鍋爐加入軟水溫度。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：。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。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。 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。在實際生產中，應盡可能沿著最佳溫度曲線進行。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。(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。第一次世界大戰結束后,轉向為農業、工業服務。在常溫常壓下，氨與空氣爆炸極限為15%～28%(NH3)。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。氨主要用來制作化肥。氨與空氣(或氧)的混合氣,在一定濃度范圍內能發生劇烈的氧化作用而爆炸。 合成氨工業的發展 合成氨工業在20世紀初期形成，開始用氨作為火炸藥工業的原料，為戰爭服務。③與其他產品聯合生產。該法的優點是由于操作壓力和溫度較低，對設備、管道的材質要求低、生產容易管理，但低壓法合成率不高，合成塔出口氣體中含氮約8％～10％，所以催化劑的生產能力比較低；同時由于壓力低而必須將循環氣降至20℃的低溫才能使氣體中的氨液化，分離比較完全，所以需要設置龐大的冷凍設備，使得流程復雜，且生產成本較高。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。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。 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。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。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。水冷后分離液氨占總量的，冷交分離液氨占總量的。∴ 合成塔氣體二次入口帶入熱量（9）合成塔絕熱溫升核算 由 式中 ∴ 假設值與實際值基本相符,計算有效。1． 廠房設計本設計采用雙層廠房，這樣使廠房利用率較高建設費用也低，廠房設有配電室，貯存室及控制室。主要表現為呼吸道疾病、生理機能障礙，或者眼鼻等粘膜受到刺激而生病，或者因污染急性中毒使惡化而死亡等。(4)對農林牧副漁業的危害 廢水污染對漁業及農業的影響已十分廣泛，其危害程度已到驚人的地步。通過此次課程設計，我對如何開展一次化工設計的程序有了深入地了解。最后，非常感謝何凱老師在設計中給予我以及我們小組的寶貴意見和指導，也感謝本組成員的全力合作，使得我能順利完成本次設計。可用減振器或吸聲罩等辦法來降低噪聲。目前，第二類污染危害是水污染的主要方面，是人們普遍關心，急待解決的重要危害。(1)人體健康危害 工業廢氣污染對人體健康的危害包括急性和慢性兩方面。車間布置旨在最有效地利用廠房空間，一方面方便于工作操作，避免生產設備的過度擁擠；另一方面，注意廠房的通風和防火防爆，確保安全生產。 （2）冷氣進口溫度，為保證合成塔入口氨含量在,出氨冷器的氣體的氨含量必須等于或小于，設過飽和度為,則，該冷凝溫度下的平衡氨含量為： 查《小氮肥工藝設計手冊》圖931平衡氨含量為；時，冷激溫度 ,故冷氣進口溫度等于（3）熱氣體帶入熱量，熱氣體在器內處于氨飽和區，計算氣體比熱容時先求常壓下氣體比熱容，然后用壓力校正的方法計算實際的氣體比熱容：查,時的各組分比熱容并計算得： 查《小氮肥工藝設計手冊》附表111，各物