中压法合成氨-1.2万吨.doc

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过控专业综合课程设计

任务书

设计题目：

中压法合成氨（年产1.2万吨）

学院：

专业：

班级：

学生：

指导教师：

系主任:

（签名）

设计要求:

1、根据设计题目，进行生产实际调研或查阅有关技术资料，选定合理的流程方案和设备类型，并进行简要论述。

（字数不小于8000字）

2、设计说明书内容：

封面、目录、设计题目、概述与设计方案简介、工艺方案的选择与论证、工艺流程说明、专题论述、参考资料等。

3、图纸要求：

工艺流程图1张（图幅2号）；设备平面或立面布置图1张（图幅3号）；管路布置图1张（图幅3号）。

进度安排：

教学内容

学时

地点

备注

查资料、说明书提纲、流程论证、工艺流程图

第一周

设计室

设备布置图、说明书整理、答辩。

第二周

设计室

指定参考文献与资料:

《过程装备成套技术设计指南》（兼用本课程设计指导书）、《过程装备成套技术》、《化工单元过程及设备课程设计》

6

摘要

从合成氨的定义，应用与发展以及合成的原则方法入手，通过对比分析，确定了采用中压法合成氨的思路，并结合传统工艺流程，设计出氨合成的工艺流程新方案，提出立式与卧式氨冷器并用的方法，有效的降低了滤油器和冷凝塔的负荷，并对其和方案进行了可行性的论证分析，并对合成塔和水冷却器进行了物料衡算和能量衡算，最后对主要设备进行了设备选型，并对其作用和原理进行了分析说明。

关键字：

合成氨；中压法；工艺流程；设备选型

目录

任务书 I

摘要 II

前言 1

第一章概述 2

1.1合成氨的定义 2

1.2合成氨的用途和发展 2

1.3合成氨的原则流程工艺 2

1.4原则流程论述 3

第二章工艺流程论证 4

2.1合成氨方案的确定 4

2.2中压法合成氨工艺流程设计 4

2.3中压法合成氨工艺流程简图 5

2.4中压法合成氨工艺流程条件 5

2.4.1压强 6

2.4.2温度 6

2.4.3空间速度 6

2.4.4氢氮比 6

2.4.5进塔气中惰气的含量 6

2.4.6催化剂的粒径 6

2.5中压法合成氨工艺流程阐述 7

2.6中压法合成氨工艺流程论证 7

第三章物料衡算 10

第四章能量衡算 12

第五章典型设备选型及论证 14

5.1合成塔 14

5.2水冷器 15

5.3氨分离器 15

5.4冷凝塔 16

5.5氨冷器 17

5.6循环机 17

参考文献 19

致谢 20

前言

本题目是过程装备与控制工程专业的大四上学年的专业综合课程设计，培养大家正确的设计思想，理论联系实际的工作作风，严谨求实的科学态度和勇于探索的创新精神；同时其也是我们学习化工设计基础知识，培养化工设计能力的重要教学环节，通过这一实践教学环节的训练，使我们掌握化工单元过程及设备设计的基本程序和方法，熟悉查阅和正确使用技术资料，能够在独立分析和解决实际问题能力方面有较大提高，增强工程观念和实践能力。

换句话说，为了让我们顺应时代的发展，适应社会的快节奏，通过此次课程设计让我们顺利完成学业，同时让我们更好的成才。

为更好的完成本次设计，我实行了“三步走”战略，第一步：

对题目进行系统分析，并到图书馆查阅和收集相关资料，并对资料进行了初次整理；第二步：

结合设计题目要求，制定了相应的设计计划，对资料进行了二次整理，并完成设计论文的初稿；第三步：

结合资料，对论文初稿作出相应修改，完成相应的任务，并提出自己独到的看法。

在这个过程中，我按照“三步走”的计划，比较顺利的完成了资料的收集，整理，论文的初稿和最后的定稿工作，在这个过程中，我体会到要想做好一件事真的不容易，但是只要坚持不懈，只要自己不泄气，不放弃，那么就一定能够取得胜利。

在期间我得感谢我们的成套设备的优秀的专业老师，周高工，是他无私的把他的知识教给我们，才能够使我顺利的完成设计题目，我在此对他说声，谢谢。

本文从合成氨的定义，应用与发展以及合成的原则方法入手，通过对比分析，确定了采用中压法合成氨的思路，并结合传统工艺流程，设计出氨合成的工艺流程新方案，提出立式与卧式氨冷器并用的方法，有效的降低了滤油器和冷凝塔的负荷，并对其和方案进行了可行性的论证分析，并对合成塔和水冷却器进行了物料衡算和能量衡算，最后对主要设备进行了设备选型，并对其作用和原理进行了分析说明。

本次设计的顺利完成，使我自己学习到很多知识，通过课程设计，同时也使我在理论计算、结构设计、工程绘图、查阅设计资料、标准与规范的运用和计算机应用方面的能力得到训练和提高。

无论是在现在还是以后，我相信这都是我人生的宝贵财富。

第一章概述

1.1合成氨的定义

合成氨的原料是H2和N2。

N2来源于空气，可以在制氢的过程中直接加入空气，或在低温下将空气液化、分离而得；H2来源于水或含有烃的各种燃料，工业上普遍采用的是以焦炭、煤、天然气、重油等燃料与水蒸气作用的气化方法。

H2和N2在高温高压和催化剂的作用下合成，分离得到氨。

其中决定合成氨的重要因素是铁催化剂的活性，反应所产生的氨与氮气、氢气的分离以及氮、氢气的循环使用。

1.2合成氨的用途和发展

合成氨可用来制造硝酸、硝酸盐、铵盐、氰化物等无机物，也可用来制造胺、磺胺、腈等有机物。

氨和这些含氮化合物是生产燃料、炸药、医药、合成纤维、塑料等的原料。

氨除了本身可以作为肥料外，它是进一步制取各种氮肥的原料。

氮肥是现代农业生产比不可少的，年增加率达7%。

目前有氨制成的氮肥，最重要的是尿素、硝酸铵、硫酸铵、碳酸氢铵、磷酸铵等。

氨用于生产各种氮肥约占其总产量的80%~90%。

氨的合成使人类从自然界制取含氮化合物的最重要方法。

氮则是进一步合成含氮化合物的最重要原料，而含氮化合物在人民生活中都是必不可少的。

1977~1978年，世界含氮化合物产量为4935万吨氮，1980~1981年则达6284万吨。

鉴于氨在国民经济中的重要性，许多国家都集中主要力量解决与合成氨有关的技术和理论问题。

如高压技术、煤的气化、深冷技术、气体净制、特种钢材、催化理论等。

因此，合成氨的发展，又在理论上和技术上指导了其他新型的工业，如人造石油、甲醇、尿素的合成、乙烯的高压聚合等。

1.3合成氨的原则流程工艺

原料

造气

净化

合成

分离

氨

循环气（压缩）

图1-1：

原则流程图

合成氨过程由许多环节构成，氨合成反应过程是整个工艺过程的核心。

1.4原则流程论述

合成氨的生产过程主要包括4个步骤：

1：

造气，即制备含有氢、氮的原料气；

2：

净化，不论选择什么原料，用什么方法造气，都必须对原料气进行净化处理，以除去氢、氮以外的杂质；

3：

压缩和合成，将纯净的氢、氮混合气压缩到高压，在催化剂于高温条件下合成为氨；

4：

分离，将合成反应后的氨混合气中的氨分离出来。

第二章工艺流程论证

2.1合成氨方案的确定

目前氨合成的方法，由于采用的压力、温度和催化剂种类的不同，一般可以分为低压法、中压法和高压法三种。

低压法：

操作压力低于20Mpa的称为低压法，操作温度450~550℃。

采用活性强的亚铁氰化物作催化剂，但它对毒物很敏感，所以对气体中的杂质（CO、CO2）要特别严格。

该法的优点是由于操作压力和温度较低，对设备、管道的材质要求低，生产容易管理。

但低压法合成率不高，合成塔出口气中含氨约8%~10%，所以催化剂的生产能力比较低；同时由于压力低，必须将循环气冷至-20℃的低温才能使气体中的氨液化，分离比较安全，所以需要设备庞大的冷冻设备，使得流程复杂，而且生产成本较高。

高压法：

操作压力为60Mpa以上的称为高压法，其操作温度为550~650℃。

高压法的优点：

氨合成的效率高，合成塔出口气中含氨达25%~30%，催化剂的生产能力较大。

由于压力高，一般用水冷的方法气体中的氨就能得到较完全的分离，而不需要氨冷。

从而简化了流程；设备和流程比较紧凑，设备规格小，投资少，但由于在高压高温下操作，对设备和管道的材质要求比较高。

合成塔需用高镍优质合金钢制造，即使这样，也会产生破裂。

高压法管理比较复杂，特别是由于合成率高，催化剂层内的反应热不易排除而使催化剂长期处于高温下操作，容易失去活性。

中压法：

操作压力为20~35Mpa的称为中压法，操作温度为450~550℃。

中压法的优缺点介于高压法与低压法之间，但是从经济效果来看，设备投资费用和生产费用都比较低。

氨合成的上述三种方法，各有优缺点，不能简单的比较其优劣。

目前，世界上合成氨总的发展趋势都产用中压法，其压力范围为30~35Mpa。

中国目前新建的中型以上的合成氨厂都采用中压法，操作压力为32Mpa。

所以综上所述，本次设计采用中压法合成氨。

2.2中压法合成氨工艺流程设计

该工艺流程主要包括以下几个步骤：

①：

不断补充新鲜氮氢混合气进入回路；

②：

循环气的预热与氨的合成；

③：

氨的分离；

④：

热能的回收利用；

⑤：

为补偿回路气体压力损失而设置循环气压缩机；

⑥：

为避免新鲜氮氢混合气中少量甲烷和氩等惰性气体在回路中积累过多，必须排放适量的循环气。

氨分离器

水冷却器

滤油器

循环系统

冷凝塔

氨冷器

I

氨

合

成

塔

氨冷器II

新鲜

混合气

液氨

来自储槽

气氨

去储罐

气氨

循环

冷却回水

冷却

上水

油杂质

液氨

液氨

图2-1：

工艺流程图

2.3中压法合成氨工艺流程简图

2.4中压法合成氨工艺流程条件

化学反应方程式：

氨的合成反应是放热可逆和体积缩小的反应，在催化剂的活性温度范围内转化率很低，为了提高转化率，反应需在高压下进行。

由于转化率仍旧较低，因而，采用了循环流程，原料的利用率是很高的。

因此，氨合成过程中除了考虑平衡氨含量外，主要优化目标不是原料利用率，而是降低动力消耗和提高设备的生产强度。

这些技术经济问题，必将是在讨论工艺条件、合成塔构造以及生产流程时将起着决定性的影响。

2.4.1压强

提高压强有利于提高平衡氨的浓度，也有利于加快反应速率。

同时压力高时，氨分离流程还可以简化。

但高压动力消耗大，对设备材料和加工制造要求高；高压和较高的温度下，催化剂使用寿命较短。

由于采用的是中压法，压强一般在20~35Mpa之间。

2.4.2温度

氨的合成是气固催化反应，最优的工艺条件必须根据催化剂的性能而定。

催化剂对工艺条件的限制，主要是活性温度。

由于氨的合成是可逆放热反应，最优反应温度由高而低地变化着。

生产上选用的反应温度就是催化剂的活性温度（400~520℃）。

2.4.3空间速度

空间速度是指单位时间内通过单位体积催化剂的气体量（标准状态下的体积），单位是。

空间速度的倒数为平均逗留时间，例如空间速度30000的平均逗留时间是3600/30000=0.12s。

2.4.4氢氮比

化学动力学指出，氮的活性吸附是控制阶段，氢氮比低于3时比较有利。

实验证明，在32MPa、450℃、催化剂粒度为1.2~2.5mm、空速为24000h-1的条件下，氢氮比为2.5时，出口氨浓度最大。

生产上为了追求高速率，同时又要保持生产稳定，可以采取这种办法：

新鲜气体的氢氮比等于3，循环气体略低于3。

2.4.5进塔气中惰气的含量

为了控制惰气的含量不超过一定限度，生产上采取放掉一部分循环气体的办法。

然而循环气的弛放量越多，原料气的损失也就越多。

因此，进塔气中