年产5万吨合成氨脱碳工段工艺设计化工原理课程设计.docx

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年产5万吨合成氨脱碳工段工艺设计化工原理课程设计

邯郸学院本科毕业设计

题目年产5万吨合成氨脱碳工段工艺设计

邯郸学院化学系

郑重声明

本人的毕业设计是在指导教师梁亚男的指导下独立撰写完成的。

如有剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范和侵权的行为，本人愿意承担由此产生的各种后果，直至法律责任，并愿意通过网络接受公众的监督。

特此郑重声明。

毕业设计作者：

年月日

摘　要本设计是年产五万吨合成氨脱碳工段的初步的设计。

脱除原料气中的CO2，对以后的合成工段的意义重大，同时回收的CO2也可以用于其他化学物质的合成。

本设计采用改良的热钾碱法和两段吸收两段再生的工艺流程来脱除合成气中的CO2，并对吸收液进行再生。

设计内容主要包括生产工艺的比较和确定、能量衡算和物料衡算、主要设备的设计与选型。

本设计的主要设备为二氧化碳吸收塔。

通过计算确定采用异径塔。

上段塔径为2000mm，填料层高度为14m；下段塔径为2400mm，调料层高度为10m。

通过本设计方法，能够使变换气中二氧化碳的含量降至1%左右，具有较好的脱除效果，能够进行下一步的继续净化。

附带的图纸有带控制工艺流程图和二氧化碳吸收塔设备结构图。

关键词热钾碱法脱碳二氧化碳吸收塔工艺设计

TheDesignof50kt/aSyntheticAmmoniaPurificationSectionProcess

AnDongDirectedbyLecturerLiangYa-nan

AbstractThisdesignisanannualoutputof50,000tonsofsyntheticammoniadecarburizationsectiondesign.Recoveringthecarbondioxideisveryimportanttonextmanufacturingprocess,anditcanbeusedforproductingotherchemicals.Itusesimprovementwayofhotsolutionofaqueouspotassiumcarbonateandtwoprocessofabsorbtionandrecovery,thiswaycanremovethecarbondioxideofsyngasandrecovertheabsorbedsolution.Thecontentofthisdesignmainlyincludesthechoiceofmakingtechnologe,massandenergybalance,thedesignofequipmentsandtubes.Themainequipmentofthisdesigniscarbondioxideabsorptiontower.Throughthecalculationweusedifferentdiametertower.Thediameteroftheupperpartofthetoweris2000mm.Theheightofthepackinglayeris14m.Thediameterofthelowerpartofthetoweris2400mmandtheheightofthepackinglayeris10m.Thedesignmethodcanreducethecontentsofcarbondioxideintransformationgastoabout1%,hasbetterremovaleffect,andnextstepcanbecontinue.Besidesthese,itincludesthedrawingofcontrollabletechnologicalprocess,theequipmentdrawingoftheabsorbingtowerofcabondioxide.

KeywordsThehotsolutionofaqueousDecarbonizationprocessCarbondioxideAbsorbingtowerTechnologicaldesign

年产5万吨合成氨净化工段工艺设计

1　前言

合成氨是传统的化学工业之一，诞生于二十世纪初期。

氨气是最基本的化工产品之一，用途广泛，在国民生产中具有十分重要的地位。

合成氨的工业生产过程主要包括造气、净化、压缩和合成三个步骤。

其生产主要包括：

脱硫、转化、变换、脱碳、甲烷化、氨的合成、吸收制冷及输入氨库和氨吸收八个工艺流程。

在合成氨过程中，脱碳工段处于承前启后的关键位置，其作用不仅是净化合成气，防止经变换后的合成气中含有的大量二氧化碳使后期合成氨催化剂中毒，又能回收CO2用以制造尿素、纯碱、碳酸氢铵等。

因此，二氧化碳的脱除和回收利用是脱碳过程的两项重要任务，也在合成氨中占有较重要的地位。

本设计是年产5万吨合成氨脱碳工段初步设计。

设计的目的是为了寻找出一套合理高效的脱碳工艺，获得纯度较高的净化气，并提高二氧化碳的回收率，简化工艺流程，降低能耗，达到较高的经济效益指标。

设计的内容主要包括生产工艺的确定和比较，物料衡算和能量衡算，设备的选型与设计以及绘制带控制点的工艺流程图和一张主体设备结构图。

本设计主要解决的关键问题是在二氧化碳吸收和再生这个可逆过程中溶液的浓度、循环量的确定、吸收塔和再生塔的设计及附属设备的合理选择。

2　合成氨的概述

2.1氨的发现和制取

氨气是1754年由J.普里斯特利在加热氯化铵和石灰的混合物时发现的，其反应式为：

CaCN2＋3H2O（g）→2NH3（g）＋CaCO3

1784年C.L.伯托利确定氨气是由氢和氮组成的。

19世纪中叶，炼焦工业开始兴起，在生产焦炭过程中制得了氨[1]。

1909年德国化学家哈伯提出了工业氨的合成方法，即“循环法”，这是目前工业普遍采用的直接合成法。

合成氨反应式如下：

N2+3H2≈2NH3

2.2氨的性质和用途

2.2.1氨的性质

氨为无色气体，具特有的强烈刺激性气味。

密度为0.771g/L（标准状况），比空气轻。

沸点-33.35℃，高于同族氢化物PH3、AsH3等，易液化。

熔点-77.7℃。

液氨密度为0.7253g/cm3，气化热大，达23.35kJ/mol，是常用的致冷剂。

氨极易溶于水，20℃时1体积水能溶解702体积氨气。

液氨是极性分子，似水，可发生电离，也可溶解一些无机盐，如NH4NO3、AgI等。

空气中允许NH3最高含量规定为0.02mg/L，若达0.5%则强烈刺激粘膜，引起眼睛和呼吸器官的症状。

NH3遇Cl2、HCl气体或浓盐酸有白烟产生。

氨水可腐蚀许多金属，一般用于盛放氨水的铁桶内测应涂抹沥青。

NH3的催化氧化是放热反应，反应生成NO，工业上用于制HNO3，NH3也可以被氧化生成N2。

NH3的另一个特性就是能使红色石蕊试纸变蓝。

2.2.2氨的用途

NH3是重要的无机化工产品之一，在国民经济中应用非常广泛。

合成氨是大宗化工产品之一，目前世界合成氨的年产量很大，已超过一亿吨。

其中85%的合成氨用做生产化肥，农业上使用的尿素、硝酸铵、磷酸铵、氯水以及各种含氮混肥等氮肥，都是以氨作为原料的，并且液氨也可直接用作肥料。

NH3也是制造炸药和各种化学纤维及塑料的重要原料。

NH3可以制得硝酸，进而用硝酸再制造硝酸铵、硝化甘油、硝基纤维素等。

在化纤和塑料工业中，合成氨可以用作氮源，生产人造丝和己二胺等。

氨的其它工业用途也十分广泛，例如，NH3能当做制冷济，用于制冰、空调等系统。

在冶金工业中可用NH3来提炼金属铜等，在生物化学和医药方面NH3可用作生产维生素、磺胺类药物和一些氨基酸等。

综上所述，合成氨在国民经济中占有的地位十分重要。

2.3我国合成氨工业的发展情况

我国是一个人口大国，农业在国民经济中起着举足轻重的作用，而农业的发展离不开化肥。

氮肥是农业生产中需要量最大的化肥之一，合成氨则是氮肥的主要来源，因而合成氨工业在国民经济中占有极为重要的位置。

解放前我国只有两家规模不大的合成氨厂，解放后合成氨工业有了迅速发展。

1949年全国氮肥产量仅0.6万吨，到20世纪50年代，合成氨单系列装置的生产能力最大仅为4万吨/年，满足不了市场需求。

70年代，我国建成了一批中型氮肥生产装置，合成氨单系列装置的生产能力达到6-12万吨/年。

随着现代农业的快速发展，高浓度化肥的市场需求不断增加，我国先后引进了30套以油、天然气和煤为原料的30万吨/年合成氨装置。

除此之外，还自行设计制造了以轻油为原料的的年产30万吨的合成氨生产装置。

到1982年，年产量以达到1021.9万吨，成为世界上合成氨产量最高的国家之一。

2.4合成氨技术未来的发展趋势

根据目前合成氨技术发展的现状分析，未来氨合成的生产原理不会放生本质上的变化，其技术发展将会继续以“提高运行周期、降低生产成本、改善经济效益”为目标，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。

大型化、自动化、集成化与形成经济规模的生产中心、低能耗与更环保将是未来氨的合成装置的主要发展方向。

单系列合成氨装置生产能力将有较大的上升空间；以油和煤为原料合成氨工艺，降低能耗将有很大发展空间，但以天然气为原料制氨工艺中，生产能耗已经接近理论水平，预计不会有更大幅度的下降。

在合成氨装置的技术发展中，其研究焦点主要集中在关键性的工序和设备上，关键工序有合成气制备、合成气净化、氨合成技术；关键设备则主要是合成气压缩机[2]。

2.5合成氨生产工艺介绍

合成氨的主要原料可以分为气体、液体和固体三种。

经过多年的发展，合成氨技术已经发展的相当成熟，基本都是由原料气制备、净化和氨合成三部分组成。

原料气制备，是指将原料制成含H2和N2的粗原料气。

对于煤和焦炭等固体原料，制取合成气通常采用气化法；渣油获得合成气的方法主要采用非催化部分氧化法；工业中还利用二段蒸汽转化法从石脑油和气态烃类中制取合成气。

净化过程指的是对粗原料气进行净化处理，主要包括变换、脱硫脱碳以及气体精制三个过程，主要目的是除去原料气中的杂质。

NH3的合成是指将纯净的氢、氮混合气压缩，在高压和催化剂的作用下反应生成NH3。

下面从三个方面详细说明合成氨的工艺流程：

（1）造气：

因为空气中含有71%的氮气，目前已经有很多的技术从空气中分离出满足上述反应的氮气，所以造气就是提供维持该反应的氢气的过程。

最早的造气工艺就是将煤或焦碳在高温下与水反应生成水煤气或半水煤气，这种混合气体就是原料气。

这种工艺在二十世纪前半期一直是主流造气工艺，并且一直沿用至今。

二十世纪六十年代出现了新的造气原料，例如天然气、石油重油、石脑油等。

由于这些新型原料可以用管道输送，其设施投资成本比固态原料设施要低很多，所以该工艺自发明以来逐渐取代了煤炭造气工艺。

但从目前能源的储量、开采和消耗走势来看，煤炭造气可能要重新得到重视。

（2）净化粗合成气：

该过程主要是对合成气中的硫化物、碳的氧化物等有害杂质进行脱除的过程。

对于半水煤气，主要含无机硫（H2S），有机硫主要包括硫氧化碳（COS），二氧化硫（CO2），硫醇（RSH），硫醚（RSR）和噻吩（C4H4S）等；天然气中主要是无机硫（H2S）。

天然气、石油重油、石脑油等中的硫化物的含