年产10万吨合成氨合成工艺设计教材Word格式文档下载.docx
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摘要：
介绍合成氨合成生产工艺流程，着重通过对此工艺流程的物料衡算，能量衡算确定主要设备选型。
关键词：
氨合成；
生产工艺；
物料衡算；
能量衡算；
设备选型
1总论
氨是最为重要的基础化工产品之一，其产量居各种化工产品的首位;
同时也是能源消耗的大户，世界上大约有10%的能源用于生产合成氨。
氨主要用于农业,合成氨是氮肥工业的基础，氨本身是重要的氮素肥料，其他氮素肥料也大多是先合成氨、再加工成尿素或各种铵盐肥料，这部分约占70%的比例，称之为“化肥氨”；
同时氨也是重要的无机化学和有机化学工业基础原料，用于生产铵、胺、染料、炸药、制药、合成纤维、合成树脂的原料，这部分约占30%的比例,称之为“工业氨”。
世界合成氨技术的发展经历了传统型蒸汽转化制氨工艺、低能耗制氨工艺、装置单系列产量最大化三个阶段。
根据合成氨技术发展的情况分析,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[1]。
（1）大型化、集成化、自动化,形成经济规模的生产中心、低能耗与环境更友好将是未来合成氨装置的主流发展方向。
以Uhde公司的“双压法氨合成工艺”和Kellogg公司的“基于钌基催化剂KAAP工艺”,将会在氨合成工艺的大型化方面发挥重要的作用。
氨合成工艺单元主要以增加氨合成转化率（提高氨净值）,降低合成压力、减小合成回路压降、合理利用能量为主，开发气体分布更加均匀、阻力更小、结构更加合理的合成塔及其内件;
开发低压、高活性合成催化剂,实现“等压合成”。
（2）以“油改气”和“油改煤”为核心的原料结构调整和以“多联产和再加工”为核心的产品结构调整,是合成氨装置“改善经济性、增强竞争力”的有效途径。
实施与环境友好的清洁生产是未来合成氨装置的必然和惟一的选择。
生产过程中不生成或很少生成副产物、废物,实现或接近“零排放”的清洁生产技术将日趋成熟和不断完善。
提高生产运转的可靠性,延长运行周期是未来合成氨装置“改善经济性、增强竞争力”的必要保证。
有利于“提高装置生产运转率、延长运行周期”的技术,包括工艺优化技术、先进控制技术等将越来越受到重视。
1.1设计任务的依据
设计任务书是项目设计的目的和依据：
放空气（惰性气Ar+CH4）：
17%
原料：
新鲜补充气N224%，H274.5%，Ar0.3%，CH41.2%
合成塔进出口氨浓度：
2.5%，13.2%
放空气:
（惰性气Ar+CH4）～17%
合成塔操作压力32MPa（绝压）
精练气温度40℃
水冷器出口气体温度35℃
循环机进出口压差1.47MPa
年工作日310d
计算基准生产1t氨
1.2概述
1.2.1设计题目：
年产10万吨合成氨合成工段设计
1.2.2设计具体内容范围及设计阶段
本次设计的内容为合成氨合成工段的设计，具体包括以下几个设计阶段：
1.进行方案设计，确定生产方法和生产工艺流程。
2.进行化工计算，包括物料衡算、能量衡算以及设备选型和计算。
3.绘制带控制点的工艺流程图（PID）。
4.进行车间布置设计，并绘制设备平立面布置图。
5.进行管路配置设计，并绘制管路布置图。
6.撰写设计说明书。
1.2.3设计的产品的性能、用途及市场需要
（1）氨的物化性能
合成氨的化学名称为氨，氮含量为82.3%。
氨是一种无色具有强烈刺激性、催泪性和特殊臭气的无色气体，比空气轻，相对密度0.596，熔点－77.7℃；
沸点－33.4℃。
标准状况下，1米3气氨重0.771公斤；
1米3液氨重638.6公斤。
极易溶于水，常温（20℃）常压下，一个体积的水能溶解600个体积的氨；
标准状况下，一个体积水能溶解1300个体积的氨氨的水溶液称为氨水，呈强碱性。
因此，用水喷淋处理跑氨事故，能收到较好的效果[2]。
氨与酸或酸酐可以直接作用，生成各种铵盐；
氨与二氧化碳作用可生成氨基甲铵，脱水成尿素；
在铂催化剂存在的条件下，氨与氧作用生成一氧化氮，一氧化氮继续氧化并与水作用，便能得到硝酸。
氨在高温下（800℃以上）分解成氮和氢；
氨具有易燃易爆和有毒的性质。
氨的自燃点为630℃，氨在氧中易燃烧，燃烧时生成蓝色火焰。
氨与空气或氧按一定比例混合后，遇明火能引起爆炸。
常温下氨在空气中的爆炸范围为15.5～28％，在氧气中为13.5～82％。
液氨或干燥的气氨，对大部分物质没有腐蚀性，但在有水的条件下，对铜、银、锌等有腐蚀作用[3]。
1.2.4简述产品的几种生产方法及特点
氨的合成是合成氨生产的最后一道工序，其任务是将经过精制的氢氮混合气在催化剂的作用下多快好省地合成为氨。
对于合成系统来说，液体氨即是它的产品。
工业上合成氨的各种工艺流程一般以压力的高低来分类[3]。
（1）高压法
操作压力70～100MPa，温度为550～650℃。
这种方法的主要优点是氨合成效率高，混合气中的氨易被分离。
故流程、设备都比较紧凑。
但因为合成效率高，放出的热量多，催化剂温度高，易过热而失去活性，所以催化剂的使用寿命较短。
又因为是高温高压操作，对设备制造、材质要求都较高，投资费用大。
目前工业上很少采用此法生产。
（2）中压法
操作压力为20～60MPa，温度450～550℃，其优缺点介于高压法与低压法之间，目前此法技术比较成熟，经济性比较好。
因为合成压力的确定，不外乎从设备投资和压缩功耗这两方面来考虑。
从动力消耗看，合成系统的功耗占全厂总功耗的比重最大。
但功耗决不但取决于压力一项，还要看其它工艺指标和流程的布置情况。
总的来看，在15～30Pa的范围内，功耗的差别是不大的，因此世界上采用此法的很多。
因此，本次设计选用32MPa压力的合成氨流程。
（3）低压法
操作压力10MPa左右，温度400～450℃。
由于操作压力和温度都比较低，故对设备要求低，容易管理，且催化剂的活性较高，这是此法的优点。
但此法所用催化剂对毒物很敏感，易中毒，使用寿命短，因此对原料气的精制纯度要求严格。
又因操作压力低，氨的合成效率低，分离较困难，流程复杂。
实际工业生产上此法已不采用了。
1.3产品方案
产品的名称：
氨（NH3）；
产品的质量规格：
液体纯氨；
产品的包装方式：
氨为高压低温液体，合成后直接送到下一工段作为原料继续生产，多余部分设立氨储槽储存起来。
1.4设计产品所需的主要原料规格、来源
1.4.1主要原料来源
生产合成氨，首先必须制备氢、氮原料气。
氮气来源于空气，可以在低温下将空气液化、分离而得，或者在制氢过程中直接加入空气来解决。
氢气来源于水或含有烃类的各种燃料，它取决于用什么方法制取。
最简便的方法是将水电解，但此法由于电能消耗大、成本高而受到限制。
现在工业上普遍采用以焦炭、煤、天然气、重油等原料与水蒸汽作用的气化方法。
1.4.2主要原料规格
（1）合成塔进口气体组成
合成塔进口气体组成包括氢氮比、惰性气体含量与初始氨含量。
当氢氢比为3时，对于氨合成反应，可得最大平衡氨含量，但从动力学角度分析，最适宜氢氨比随氨含量的不同而变化。
如果略去氢及氨在液氨中溶解损失的少量差异，氨合成反应氢与氮总是按3：
1消耗，新鲜气氢氮比应控制为3，否则循环系统中多余的氢或氮就会积累起来，造成循环气中氢氮比的失调。
惰性气体（CH4、Ar）来源于新鲜原料气，它们不参与反应因而在系统中积累。
惰性气体的存在，无论从化学平衡还是动力学上考虑均属有弊。
但是，维持过低的惰气含量又需大量排放循环气导致原料气消耗量增加。
如果循环气中惰性气体含量一定，新鲜气中惰性气体含量增加，根据物料平衡关系，新鲜气消耗随之增大。
因此，循环气中惰性气体含量应根据新鲜气惰性气体含量、操作压力、催化剂活性等条件而定。
由于原料气制备与净化方法不同，新鲜气中惰性气体含量也各个相同，循环气中所控制的惰性气体含量也有差异。
当其它条件一定时，进塔气体中氨含量越高，氨净值越小，生产能力越低。
初始氨含量的高低取决于氨分离的方法。
对于冷冻法分离氨，初始氨含量与冷凝温度和系统压力有关。
为过分降低冷凝温度而过多地增加氨冷负荷在经济上也并不可取。
操作压力300atm时，一般进塔氨含量控制在3.2～3.8％；
150atm时，为2.0～3.2％。
（2）硫化物和碳氧化物含量
无论那一种原料所得原料气，都含有一定数量的硫化物。
虽然原料气中硫化物含量不高，但对合成氨生产危害却很大。
硫化物是各种催化剂的毒物，硫化氢能腐蚀设备管道。
以烃类为原料的蒸汽转化法制取原料气，镍催化剂对硫含量限制十分严格，要求烃原料中总硫含量为0.5PPm（重量）以下。
为防止CO和CO2对催化剂的毒害，规定CO和CO2总含量不得多余20ppm[5]。
1.5生产中产生有害物质和处理措施
中小型合成氨厂在生产过程中，常见的有毒有害物质种类很多，多以气体、蒸气、雾、粉尘等状态存在，其中有毒有害气体是合成氨生产中最常见的。
1.5.1氨气和液氨
氨气是一种具有强烈刺激臭味的无色气体,易被液化成蓝色液体。
车间空气中氨的最高容许浓度为30毫克／米3。
它对人的眼睛和呼吸器官有较大的伤害作用。
氨中毒的症状首先是服粘膜和呼吸道粘膜受到刺激、胸感抑郁、胃痛、打喷嚏、流口水、周身有不舒服感。
如在氨气浓度不大的环境中，停留时间不长，而且能及时离开环境，到空气新鲜的地方去，上述的症状可渐渐消失。
中毒严重时，会引起肺部肿胀导致死亡。
氨气刺激眼睛能引起角膜炎。
因氨有气味，故较好预防。
合成氨生产中合成工段经常接触的液体毒物有液氨、氨水等。
液氨或氨水溅入眼内，可造成眼睛严重损伤，出现眼睑水肿，眼结膜迅速充血水肿，眼剧痛，角膜混浊，甚至因角膜溃疡、穿孔而失明。
接触液氨和高浓度气氨，可使皮肤引起类似强碱的严重灼伤，出现红斑、水泡，甚至因吸收水分，使皮肤脂肪皂化而坏死。
在正常生产过程中，有很少一部份气态NH3无法回收，通过放空火炬燃烧掉就不会对环境造成影响。
对于成品氨罐放空的气态NH3可引入冰机中进行加压冷凝，不仅回收了NH3，同时也不会造成环境的污染[3]。
1.5.2合成氨废水
合成氨生产过程中产生的废水是COD的主要来源。
比如，隔油池中废水就含有COD。
如果含有COD的废水排放出去就会繁衍菌类、藻类，污染水源和土壤，更严重的是会造成污染滋生源，对环境造成更大的破坏。
要减少废水和工艺冷凝液中的COD的排放，可改进生产工艺，使废水排放减少，建设特生化处理装置，进行废水处理，使废水中的COD含量达到国家控制标准[6]。
2生产流程及生产方法的确定
2.1合成氨生产的特点
氨的合成工段，其主要任务是在适宜的温度、压力和有触媒催化的条件下，将经过精制的氢氮混合气体，在合成塔内直接合成为氨。
然后将所得的气氨，从氢氮混合气中经冷却冷凝成为液态氨分离出来。
液氨由氨罐进入氨冷器蒸发为气氨，送碳化岗位制取碳酸氢铵；
或送硝酸车间制取硝酸和硝铵；
或送硫铵车间制取硫酸铵；
或将液氨送尿素车间制取尿素等。
未合成为氨的氢氮混合气体继续在合成系统内循环使用。
2.3氨合产工艺的选择
考虑氨合成工段的工艺和设备问题时，必须遵循三个原则：
一是有利于氨的合成和分离；
二是有利于保护催化剂，尽量延长使用寿命；
三是有利于余热回收降低能耗。
氨合成工艺选择主要考虑合成压力、合成塔结构型式及热回收方法。
氨合成压力高对合成反应有利,但能耗高。
中压法技术比较成熟，经济性比较好，在15～30Pa的范围内，功耗的差别是不大的，因此世界上采用此法的很多。
一般中小氮肥厂多为32MPa,大型厂压力较低,为10～20MPa。
由于近来低温氨催化剂的出现,可使合成压力降低。
合成反应热回收是必需的,是节能的主要方式之一。
除尽可能提高热回收率,多产蒸汽外,应考虑提高回收热的位能,即提高回收蒸汽的压力及过热度。
高压过热蒸汽的价值较高,当然投资要多,根据整体流程统一考虑。
本次设计选用中压法（压力为32MPa）合成氨流程，采用预热反应前的氢氮混合气和副产蒸汽的方法回收反应热，塔型选择见设备选型部分。
3生产流程简述
气体从冷交换器出口分二路、一路作为近路、一路进入合成塔一次入口，气体沿内件与外筒环隙向下冷却塔壁后从一次出口出塔，出塔后与合成塔近路的冷气体混合，进入气气换热器冷气入口，通过管间并与壳内热气体换热。
升温后从冷气出口出来分五路进入合成塔、其中三路作为冷激线分别调节合成塔。
二、三、四层（触媒）温度，一路作为塔底副线调节一层温度，另一路为二入主线气体，通过下部换热器管间与反应后的热气体换热、预热后沿中心管进入触媒层顶端，经过四层触媒的反应后进入下部换热器管内，从二次出口出塔、出塔后进入废热锅炉进口，在废热锅炉中副产25MPa蒸气送去管网，从废热锅炉出来后分成二股，一股进入气气换热器管内与管间的冷气体换热，另一股气体进入锅炉给水预热器在管内与管间的脱盐，脱氧水换热，换热后与气气换热器出口气体会合，一起进入水冷器。
在水冷器内管被管外的循环水冷却后出水冷器，进入氨分离器，部分液氨被分离出来，气体出氨分离器，进入透平循环机入口，经加压后进入循环气滤油器出来后进入冷交换器热气进口。
在冷交换器管内被管间的冷气体换热，冷却后出冷交换器与压缩送来经过新鲜气滤油器的新鲜气氢气、氮气会合进入氨冷器，被液氨蒸发冷凝到-5～-10℃，被冷凝的气体再次进入冷交，在冷交下部气液分离，液氨送往氨库气体与热气体换热后再次出塔，进入合成塔再次循环。
图3-1工艺流程图
4工艺计算
4.1原始条件
（1）年产量80kt，年生产时间扣除检修时间后按310天计，则产量为：
10.7527t/h
（2）新鲜补充气组成
表4-1新鲜补充气组成
组分
H2
N2
CH4
Ar
总计
含量（%）
74.5
24
1.2
0.3
100
（3）合成塔入口中氨含量：
NH3入=2.5%
（4）合成塔出口中氨含量：
NH3出=13.2%
（5）合成塔入口惰性气体含量：
CH4+Ar=17%
（6）合成塔操作压力：
32Mpa
（7）精练气温度：
35℃
4.2物料衡算
4.2.1合成塔物料衡算
（1）合成塔入口气组分：
入塔氨含量:
y5NH3=2.5％;
入塔甲烷含量：
y5CH4=17.00％×
1.2/（1.2+0.3）×
100％=13.6％；
入塔氢含量：
y5H2=［100-（2.5+17）］×
3/4×
100％=60.375％；
入塔氩含量：
y5Ar=17％-13.6％=3.4％；
入塔氮含量：
y5N2=［100-（2.5+17）］×
1/4×
100％=20.125％
表4-2入塔气组分含量（％）
NH3
Ar
小计
2.5
13.6
3.4
60.375
20.125
（2）合成塔出口气组分：
以1000kmol入塔气作为基准求出塔气组分，
由下式计算塔内生成氨含量：
MNH3=M5（y8NH3-y5NH3）/（1+y8NH3）=1000（0.132-0.025）/（1+0.132）=94.523kmol
出塔气量:
M8=入塔气量—生成氨含量=1000-94.523=905.477kmol
出塔氨含量：
y8NH3=13.2％
出塔甲烷含量：
y8CH4=（M5/M8）×
y5CH4=（1000/905.477）×
13.6％=15.2％
出塔氩含量：
y8Ar=（M5/M8）×
y5Ar=1000/905.477×
3.4％=3.754％
出塔氢含量：
y8H2=3/4（1-y8NH3-y8CH4-y8Ar）×
100％
=3/4（1-0.132-0.152-0.03754）×
100％=50.8845％
出塔氮含量：
y8N2=1/4（1-0.132-0.152-0.03754）×
100％=16.9615％
表4-3出塔气体组分含量（％）
13.2
15.2
3.754
50.8845
16.9615
（3）合成率：
合成率=2MNH3/［M5（1-y5NH3-y5CH4-y5Ar）］×
=2×
94.523/［1000×
（1-0.025-0.17）］×
100％=23.484％
4.2.2氨分离器气液平衡计算
表4-5已知氨分离器入口混合物组分m（i）
0.132
0.152
0.03754
0.50885
0.16961
1.00000
查t=35℃，P=29.1MPa时各组分平衡常数：
表4-6各组分平衡常数
KNH3
KCH4
KAr
KH2
KN2
0.098
8.2
28.200
27.500
34.500
设（V/L）=11.1时，带入L×
（i）=m（i）/［1+（V/L）×
K（i）］=L（i）:
LNH3=mNH3/［1+（V/L）×
KNH3］=0.07903Kmol
LCH4=mCH4/［1+（V/L）×
KCH4］=0.00143Kmol
LAr=mAr/［1+（V/L）×
KAr］=0.00013Kmol
LH2=mH2/［1+（V/L）×
KH2］=0.0163Kmol
LH2=mN2）/［1+（V/L）×
KN2］=0.00043Kmol
L总=L（NH3）+L（CH4）+L（Ar）+L（Ar）+L（H2）+L（N2）=0.08264Kmol
分离气体量：
V=1-L=1-0.08264=0.91736Kmol
计算气液比：
（V/L）＇=0.91739/0.08261=11.1005
误差［（V/L）-（V/L）＇］/（V/L）=（11.10-11.1005）/11.10×
100％=0.0047％，结果合理。
从而可计算出液体中各组分含量：
液体中氨含量：
xNH3=LNH3/L=0.07899/0.08261×
100％=95.631％
液体中氩含量：
xAr=LAr/L=0.000013/0.08261×
IOO％=0.152％
液体中甲烷含量：
xCH4=LCH4/L=0.00143/0.08261×
100％=1.725％
液体中氢含量:
xH2=LH2/L=0.00163/0.08261×
100％=1.969％
液体中氮含量：
xN2=LH2/L=0.00043/0.08261×
100％=0.524％
表4-7氨分离器出口液体含量
95.631
1.725
1.969
0.524
100.00
分离气体组分含量：
气体氨含量：
yNH3=［mNH3-LNH3］/V=8.23％
气体甲烷含量：
yCH4=［mCH4-LCH4］/V=15.86％
气体氩含量：
yAr=［mAr-LAr］/V=3.93％
气体氢含量：
yH2=［mH2-LH2］/V=53.93％
气体氮含量：
yN2=［mN2-LN2］/V=18.06％
表4-8氨分离器出口气体含量（％）
8.23
15.86
3.93
53.93
18.06
4.2.3冷交换器气液平衡计算
查t=-10℃,p=28.3MPa的平衡常数：
表4-9各组分的平衡常数
0.0254
27
51
75
80
冷交换器出口液体组分含量：
出口液体甲烷含量：
xCH4=yCH4/KCH4=0.427％
出口液体氨含量：
xNH3=yNH3/KNH3=98.425％
出口液体氩含量:
xAr=yAr/KAr=0.068％
出口液体氢含量:
xH2=yH2/
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