本科毕业论文年产3000吨合成氨变换系统饱和热水塔工艺设计.docx

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本科毕业论文年产3000吨合成氨变换系统饱和热水塔工艺设计

毕业设计（论文）

题目

年产3000吨合成氨变换系统

饱和热水塔工艺设计

专业

化学工程与工艺

姓名

学号

指导教师

起讫日期

年产3000吨合成氨变换系统饱和热水塔工艺设计

摘要

氨是一种重要的化工产品，主要用于化学肥料的生产。

合成氨的生产主要分为原料气的制取，原料气的净化与合成。

变换工段是指一氧化碳于水蒸气反应生成二氧化碳和氢的过程；氢又是合成氨的原料气一。

本设计则是年产3000吨合成氨变换工段饱和热水塔的工艺计算。

本设计工艺计算部分是对饱和塔的物料和热量衡算；热水塔的物料和热量衡算，及饱和塔出口处半水煤气添加的热量平衡计算；饱和塔和热水塔进的塔板数、塔径、开孔率和塔板阻力等的计算；设备计算部分是饱和热水塔的壁厚、封头的计算。

关键词：

变换系统饱和塔热水塔合成氨

第一章设计项目

设计项目名称：

年产3000吨合成氨变换系统饱和热水塔工艺设计

工艺设计条件：

1.进入变换系统原料气体成份（以1吨氨计）

混合煤气（干）成份（以水煤气+再生气）（见表1-1）

表1-1混合煤气（干）成份（以水煤气+再生气）

成份

合计

%（体积）

标准

38.666

1389.026

62.010

25.352

910.721

40.675

14.150

508.334

22.694

0.385

13.841

0.618

20.284

728.671

32.530

1.163

41.789

1.866

100

3592.382

160.375

注：

经脱硫后余下的少量硫化氢略去不计

2.变换为的变换率为88.1%

3.饱和热水塔设计条件按表1-2。

表1-2饱和热水塔设计条件

名称

指标

饱和塔

热水塔

工作压力，（表压）

工作温度，℃

设计压力，（表压）

设计温度，℃

工作介质

0.638

135

0.687

150

半水煤气

0.598

135

0.687

150

变换气

第二章前言

2.1合成氨工艺的背景、现状

中国合成氨生产是从20世纪30年代开始的，但是仅在南京、大连两地建有氨厂，最高年产量不超过50kt（1941年）。

此外，在上海还有一个电水解制氢成产合成氨、硝酸的小型车间。

对高能耗的小厂显然是一种极大的压力。

近年来合成氨工业发展很快，大型化、低能耗、清洁生产均是合成氨设备发展的主流，技术改进主要方向是开发性能更好的催化剂、降低合成压力、开发新的原料气净化方法、降低燃料消耗、回收和合理利用低位热能等方面上。

目前合成氨产量规模以中国大陆、俄罗斯、美国、印度等国最大，约占世界总产量的一半以上。

合成氨的主要原料有天然气、石脑油、重质油和煤等，因为天然气为原料的合成氨生产设备投资较低、能耗较低、成本较低的缘故，世界大多数合成氨生产设备均是以天然气为原料，但是自从石油涨价后，由煤制取氨的制法重新受到重视，因从世界燃料储量来看，煤的储量约为石油、天然气总和的10倍。

目前中国大陆合成氨生产设备是大、中、小规模并存，总生产能力为4，160万公吨/年。

2008年我国有500多家合成氨生产企业，总产能5970万。

我国的氮肥工业自20世纪50年代以来,不断发展壮大,目前合成氨产量已跃居世界第一位,现已掌握了以焦炭、无烟煤、焦炉气、天然气及油田伴生气和液态烃多种原料生产合成氨、尿素的技术,形成了特有的煤、石油、天然气原料并存和大、中、小生产规模并存的生产格局。

目前合成氨总生产能力为4500万左右,氮肥工业已基本满足了国内需要,在与国际接轨后,具备与国际合成氨产品竞争的能力,今后发展重点是调整原料和产品结构,进一步改善经济性。

中国大陆合成氨产量虽然已跃居世界第一位，但单一设备规模较小，合成氨平均规模为5万公吨/年，无法适应全球合成氨的发展趋势。

除上海吴泾化工厂为国产化设备外，其余均是国外引进。

据相关资料统计，俄罗斯约有35套合成氨生产设备，合成氨平均规模为40万公吨/年；美国有50多套合成氨设备，合成氨平均规模在30万公吨/年以上。

近年来合成氨设备的大型化是世界合成氨的主流发展趋势，目前全球最大的单一合成氨设备规模已达130万公吨/年。

因此中国大陆未来必须兴建大型合成氨设备，改善中型合成氨设备，淘汰小型合成氨设备，建立区域性大型合成氨企业集团，控制全国合成氨设备在100套左右。

2.2氨的性质及用途

（1）氨的主要物理性质

相对分子质量:

17.03

含氮量%:

82.2

沸点（0.1MPa）:

-33.35℃

冰点:

-77.70℃

临界温度:

132.4℃

临界压力:

11.30MPa

摩尔体积（0℃，0.1MPa）:

22.8L/mol

气体密度（0℃，0.1MPa）:

0.7714g/L

液体密度（-33.4℃，0.1MPa）:

0.6818g/cm3

熔化热（-77.7℃）:

333.42kJ/kg

氨极易容与于水，溶解时放出大量的热，可生产含NH315%~30%的氨水，氨水溶液是碱性，易挥发。

液氨或干燥的氨气对大部分物质没有腐蚀性，但在有水的条件下，对铜、银、锌等金属有腐蚀作用。

（2）氨的化学性质

氨在常温是相当稳定，在高温、电火花或紫外光的作用下可分解为氮和氢，其分解速度在很大程度上与大气接触的表面性质有关。

氨是一种可燃性物质，自燃点为630℃，一般较难点燃。

氨与空气或氧气的混合物在一定范围内能够发生爆炸。

常压下的爆炸范围分别为15.5%～28%（空气）和13.5%～82%（氧气）。

氨的性质比较活泼，能与各种无机酸反应生成盐。

例如

氨也能和CO2反应生成氨基甲酸胺，脱水成尿素。

利用氨与各种无机酸反应制取磷酸铵，硝酸铵；与CO2制取碳酸氢铵。

（3）氨的的用途

氨在国名经济中占有重要的地位。

现在约有80%的氨用来制造化学肥料，其余作为生产其它化工产品的原料。

氨本身是重要的氮素肥料，除石灰氮外，其它氮素肥料都是先合成氨，然后加工成各种铵盐或尿素。

将氨氧化制成硝酸，不仅可用来制造肥料（硝酸铵、硝酸磷肥等），亦是重要的化工原料，可制成各种炸药。

氨、尿素和硝酸又是氨基树脂、聚酰胺树脂、硝化纤维素等高分子化合物的原料。

以其为原料可制得塑料、合成纤维、油漆、感光材料等产品。

作为生产氨的原料CO+H2合成气，可进行综合利用，以联产甲醇及羰基合成甲酸、醋酸、醋酐等一系列碳一化工产品。

以做到物尽其用,减少排放物对环境的污染，提高企业生产的经济效益。

已成为当今合成氨工业生产技术发展的方向。

2.3合成氨变换系统工艺流程叙述

合成氨系统工艺流程示意见图2-1

图2-1合成氨系统工艺流程示意图

以煤为原料制成水煤浆，再用大型空分装置，分离出的氧化供气化，分离出的氮气氮洗后配入合成气之中，气化后饱含水的合成气先进入变换，一氧化碳与水变换成无毒的二氧化碳，同时生成原料气氢气，再经甲醇洗脱除二氧化碳和硫化氢，再经液氮洗脱除微量一氧化碳、二氧化碳及其它杂质，此时原料气只剩氢气，再配以空分出的氮气制成纯净的净化合成气去氨合成工序。

在该流程中，变换工序就是将煤气中的一氧化碳最大限度地转变为氢气，在为合成氨制取原料气的同时，减少一氧化碳对合成催化剂的毒害。

因此，变换工序的工艺流程设计、工艺指标的确定和催化剂的选用等是变换工艺设计的关键所在；另一方面，变换过程中大量热能的合理利用，也是变换工艺设计的重要内容。

饱和热水塔是合成氨厂变换工段的一个重要的余热回收设备。

它一方面使半水煤气升温增湿,以适应变换反应的需要；另一方面又使变换气降温减湿,以回收其显热和潜热。

该设备的工艺条件和设备参数对回收余热、降低能耗具有重要意义。

2.4合成氨工艺的节能

合成氨生产能量系统优化节能工程，是利用合成氨系统造气生产过程中产生的余热余压资源进行回收利用，从而达到余热余压"三废"资源综合利用，可大大降低原料煤和燃料煤的消耗量，有明显的环境效益和经济效益，节能减排效果明显。

全低变工艺的也早已得到专家和使用厂家的认可,并在节能方面取得很大的效益,但在有的厂家使用得不理想,其关键问题是应充分掌握其使用技术,特别是从气体净化、循环水质、蒸汽质量、调节手段等方面进行严格控制,满足其使用条件,才能充分发挥其效益。

随着近年来国家对节能减排工作的重视,国内大型氮肥企业开展新一轮节能技术改造将是未来发展趋势。

在新时期政策和环境影响下，合成氨节能技术会向以下几方面发展。

①采用先进的煤气化技术,调整原料结构,来实现节能降耗的目标。

②适当加大装置生产规模，让企业的设备大型化，集成化，自动化并形成经济规模的生产中心。

③加强对废水、废气、废渣和废热进行综合利用,创造新的经济价值。

2.5合成氨工艺的发展趋势

20世纪合成氨取得了令人瞩目的进展，满足了世界对氨的需求。

可以预见21世纪合成氨将不断发展，效率更高、能耗更低、与环境友好的合成氨生产技术将满足世界对氨的需求。

我国的氮肥工业自20世纪50年代以来，不断发展壮大。

目前合成氨产量已跃居世界第一位，现已掌握了以焦炭、无烟煤、焦炉气、天然气及油田伴生气和液态烃多种原料生产合成氨、尿素的技术。

形成了特有的煤、石油、天然气原料并存和大、中、小生产规模并存的生产格局。

目前合成氨总生产能力为4500万t/a左右，氮肥工业已基本满足了国内需要。

在与国际接轨后，具备与国际合成氨产品竞争的能力，今后发展重点是调整原料和产品结构，进一步改善经济性。

根据合成氨技术发展的情况分析，估计未来合成氨的基本生产原理将不会出现原则性的改变，其技术发展将会继续紧密围绕“降低生产成本、提高运行周期，改善经济性”的基本目标，进一步集中在“大型化、低能耗、结构调整、清洁生产、长周期运行”等方面进行技术的研究开发。

展望我国的合成氨工业，中小型装置除继续延续优胜劣汰的趋势外，在现在的基础上，会继续向规模化和节能降耗的方向迈进。

原料仍会气、液、固多样化，新建或扩建厂除注重采用先进成熟的工艺外，还应特别注意经济性和盈利性。

最近，我国天然气的开发已进入了一个新阶段，目前已探明的天然气储量达15276亿立方米。

由于天然气合成氨的优越性及国家加快天然气发展的策略，以天然气为原料的合成氨装置将在近期内加快发展，新技术的引进将引发老装置的新一轮的技术改造和设备及操作的更新换代，设备的国产化率会在原有基础上增加更快。

总之，我国合成氨工业总体水平将在21世纪登上一个新台阶。

第三章工艺设计说明书

3.1产品用途、原料规格要求

氨本身是重要的氮素肥料，除石灰氮外，其它氮素肥料都是先合成氨，然后加工成各种铵盐或尿素。

将氨氧化制成硝酸，不仅可用来制造肥料（硝酸铵、硝酸磷肥等），亦是重要的化工原料，可制成各种炸药。

氨、尿素和硝酸又是氨基树脂、聚酰胺树脂、硝化纤维素等高分子化合物的原料。

以其为原料可制得塑料、合成纤维、油漆、感光材料等产品。

原料为碳化煤球，本设计是对年产3000吨合成氨变换系统饱和热水塔的工艺和设备计算，所以原料为处理的混合煤气（半水煤气+再生气）

3.2设计任务书及本设计主要工艺技术指标

3.2.1设计任务书

根据所有工艺条件，对年产3000吨合成氨变换系统饱和热水塔工艺和设备进行计算。

3.2.2变换工艺流程叙述

（1）基本原理

一氧化碳的变换过程是将原料气中不易除去的一氧化碳转变为易清除的二氧化碳，同时制得与参加反应的一氧化碳等摩尔的氢气的过程。

所以一氧化碳的变换过程即是原料气的净化过程又是原料气的制造的继续。

一氧化碳变换反应是在一个条件下，半水煤气中的CO和水蒸气反应生成氢气和二氧化碳的工艺流程：

（式2-1）

这是一个可逆放热反应。

从化学平衡来看，降低反应温度，增加水蒸气用量，有利于上