年产15万吨合成氨工艺毕业设计.docx

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年产15万吨合成氨工艺毕业设计

题目名称：

年产15万吨合成氨工艺设计

系别：

化学与环境工程学院

专业：

化学工程与工艺

班级：

学生：

学号：

指导教师（职称）：

摘要

氨是重要的基础化工产品之一，在国民经济中占有重要地位。

合成氨生产经过多年的发展，现已发展成为一种成熟的化工生产工艺。

本设计是以天然气为原料年产三十万吨合成氨转变工序的设计。

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、降低氨合成压力、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。

设计采用的工艺流程简介：

天然气经过脱硫压缩进入一段转化炉，把CH4和烃类转化成H2，再经过二段炉进一步转化后换热进入高变炉，在催化剂作用下大部分CO和水蒸气反应获H2和CO2，再经过低变炉使CO降到合格水平，去甲烷化工序。

本设计综述部分主要阐述了国内外合成氨工业的现状及发展趋势以及工艺流程、参数的确定和选择，论述了建厂的选址；介绍了氨变换工序的各种流程并确定本设计高-低变串联的流程。

工艺计算部分主要包括转化段和变换段的物料衡算、热量衡算、平衡温距及空速计算。

设备计算部分主要是高变炉催化剂用量的具体计算，并根据设计任务做了转化和变换工序带控制点的工艺流程图。

本设计的优点在于选择较为良好的厂址和原料路线，确定良好的工艺条件、合理的催化剂和能源综合利用。

另外，就是尽量减少设备投资费用。

关键字：

合成氨；天然气；转化；变换；

Abstract

Ammoniaisthemostimportantoneofbasicchemicalproducts,playsanimportantroleinthenationaleconomy.Ammoniaproductionafteryearsofdevelopment,nowhasdevelopedintoamaturechemicalproductionprocesses.

Thedesignisbasedonannualoutputof300,000tonsofnaturalgasasrawmaterial,thedesignofsyntheticammoniatransformationprocess.Inrecentyears,thelarge-scaleindustrialdevelopmentsoonammonia,lowenergyconsumption,thecleanproductionofsyntheticammoniaequipmentdevelopmentarethemaindirectionoftechnicalimprovement,istodevelopbetterperformanceofcatalyst,reducingammoniasynthesispressure,thedevelopmentofnewmaterialsgaspurificationmethods,reducefuelconsumption,lowheatrecoveryandreasonableutilization,etc.

Thedesignprocessusedinbriefare:

compressednaturalgasafterdesulfurizationandconversionintoafurnace,themethaneandhydrocarbonsintohydrogen,throughtheSecondaryreformerfurthertransformedintothehighlyvariablefurnaceheatexchanger,thegreatcatalystpartofthereactionofcarbonmonoxideandhydrogenandcarbondioxidevapor,thenthroughthelow-temperatureshifttoreducetoanacceptablelevelofcarbonmonoxidetomethanationprocess.

Thedesignreviewdescribedsomeofthemajordomesticandinternationalsituationandthedevelopmentofsyntheticammoniaindustrytrendsandtechnologicalprocess,parameteridentificationandselection,discussestheplant'slocation;introducedthetransformationprocessofthevariousprocessesanddeterminethedesignofhightemperatureshiftandlowtemperatureTransformationseriesoftheprocess.Calculationofsomeofthemajortransformationprocess,includingsegmentandtransformsectionmaterialbalance,heatbalance,equilibriumtemperatureandairspeedcalculation.Calculationofsomeofthemajorequipmentisahightemperatureshiftcatalystofspecificterms,andaccordingtothedesigntasktodotheconversionandtransformationprocessflowchartwithcontrolpoints.

Advantageofthisdesignistochooseabettersiteandrawmaterialslinetodeterminethegoodconditions,reasonablecatalystandenergyutilization.Inaddition,investmentinequipmentdesignedtominimizecosts.

Keywords:

ammonia;naturalgas;transformation;transformation；

摘要Ⅰ

ABSTRACTⅡ

2.3低变炉的物料与热量衡算14

2.3.4低变炉的热量衡算17

2.3.5低变炉平衡曲线、最适宜温度曲线及操作线计算18

2.4废热锅炉的热量和物料衡算20

2.4.1物料衡算20

2.4.2热量衡算21

2.5水蒸汽的加入22

2.6主换器的物料与热量的衡算22

2.6.1物料衡算22

2.6.2热量计算23

3.1.13法兰33

3.2低温变换炉计算34

3.2.1已知条件34

3.3.5总传热系数核算44

3.3.6传热面积的核算44

4汇总46

4.1物料汇总表46

4.2热量汇总表47

4.3主要设备一览表49

5设计评述50

参考文献51

致谢52

1.1氨的性质、用途及重要性

1.1.1氨的性质

氨分子式为NH3，在标准状态下是无色气体，比空气轻，具有特殊的刺激性臭味。

人们在大于100cm3/m3氨的环境中，每天接触8小时会引起慢性中毒。

氨的主要物理性质有：

极易溶于水，溶解时放出大量的热。

氨水溶液呈碱性，易挥发。

液氨和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。

氨的化学性质有：

在常温下相当稳定，在高温、电火花或紫外光的作用下可分解为氮和氢。

具有可燃性，自然点为630℃，一般较难点燃。

氨与空气或氧的混合物在一定范围内能够发生爆炸。

氨的性质比较活泼，能与各种无机酸反应生成盐。

1.1.2氨的用途及在国民生产中的作用

氨是重要的无机化工产品之一，在国民经济中占有重要地位。

合成氨指由氮和氢在高温高压和催化剂存在下直接合成的氨。

世界上的氨除少量从焦炉气中回收外，绝大部分是合成的氨。

氨主要用于农业，合成氨是我化肥工业的基础，氨本身是最重要的氮素肥料，其他氮素肥料也大都是先合成氨，再加工成尿素或各种铵盐肥料，这部分均占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、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”。

氨作为工业原料和氨化饲料，用量约占世界产量的12％。

硝酸、各种含氮的无机盐及有机中间体、磺胺药、聚氨酯、聚酰胺纤维和丁腈橡胶等都需直接以氨为原料生产。

液氨常用作制冷剂。

合成氨是大宗化工产品之一，世界每年合成氨产量已达到1亿吨以上，其中约有80%的氨用来生产化学肥料，20%作为其它化工产品的原料。

氨作为最为重要的基础化工产品之一，同时也是能源消耗的大户，世界上大约有10%的能源用于合成氨。

随着世界人口的不断增加，用于制造尿素、硝酸铵、磷酸铵、硫酸铵以及其它化工产品的氨用量也在增长。

据统计1994年世界氨产量为113.46Mt，其中中国、美国、印度、俄罗斯四个主要产氨国占了一半以上。

在化学工业中合成氨工业已经成为重要的支柱产业。

1.2合成氨转变工序的工艺原理

1.2.1合成氨的典型工艺流程介绍

合成氨的生产过程包括三个主要步骤：

原料气的制备、净化和压缩和合成。

（1）原料气制备

将煤和天然气等原料制成含氢和氮的粗原料气。

对于固体原料煤和焦炭，通常采用气化的方法制取合成气；渣油可采用非催化部分氧化的方法获得合成气；对气态烃类和石脑油，工业中利用二段蒸汽转化法制取合成气。

（2）净化

对粗原料气进行净化处理，除去氢气和氮气以外的杂质，主要包括变换过程、脱硫脱碳过程以及气体精制过程。

　　①一氧化碳变换过程

　　在合成氨生产中，各种方法制取的原料气都含有CO，其体积分数一般为12%～40%。

合成氨需要的两种组分是H2和N2，因此需要除去合成气中的CO。

变换反应如下：

CO+H2O→H2+CO2ΔH=-41.2kJ/mol；

由于CO变换过程是强放热过程，必须分段进行以利于回收反应热，并控制变换段出口残余CO含量。

第一步是高温变换，使大部分CO转变为CO2和H2；第二步是低温变换，将CO含量降至0.3%左右。

因此，CO变换反应既是原料气制造的继续，又是净化的过程，为后续脱碳过程创造条件。

　　②脱硫脱碳过程

　　各种原料制取的粗原料气，都含有一些硫和碳的氧化物，为了防止合成氨生产过程催化剂的中毒，必须在氨合成工序前加以脱除，以天然气为原料的蒸汽转化法，第一道工序是脱硫，用以保护转化催化剂，以重油和煤为原料的部分氧化法，根据一氧化碳变换是否采用耐硫的催化剂而确定脱硫的位置。

工业脱硫方法种类很多，通常是采用物理或化学吸收的方法，常用的有低温甲醇洗法（Rectisol）、聚乙二醇二甲醚法（Selexol）等。

　　粗原料气经