中压法合成年产12万吨氨 毕业设计.docx

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中压法合成年产12万吨氨毕业设计

中压法合成年产12万吨氨毕业设计

毕业设计任务书

题目中压法合成年产12万吨氨

专业应用化学

学生姓名侯小鹏

班级学号41310130

指导教师马有良罗桂林

指导教师职称讲师助教

指导单位文理学院化工系

专业负责人晁婧

系工作领导小组晁婧

日期2013-12-5

毕业设计（论文）题目

中压法合成年产12万吨氨

题目类型

工程设计

题目来源

生产

毕业设计（论文）内容与技术要求

设计内容：

一、综述1、氨的物理性质和化学性质；

2、合成氨的用途和发展；

3、合成氨的原则流程工艺；

二、工艺流程论证

1、合成氨方案的确定

2、中压法合成氨工艺流程设计

3、中压法合成氨工艺流程简图

4、中压法合成氨工艺流程条件

5、中压法合成氨工艺流程阐述

6、中压法合成氨工艺流程论证

三、合成氨的计算

1、物料衡算

2、热量衡算

四、典型设备选型及论证

五、制作工艺流程图

技术要求：

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，操作压力为20~35Mpa的称为中压法，操作温度为450~550℃，新鲜气体的氢氮比等于3，循环气体略低于3，反应初期，反应温度在440~470°C范围内，使用粒径0.6~3.7mm的催化剂较为合理;在反应后期,反应温度在420~440°C范围内，使用粒径8~16mm的催化剂较为合理

毕业设计（论文）进度

2013年11月25日选毕业设计题目

2013年11月30日~2013年12月9日填写毕业设计任务书。

2013年12月10日~2014年1月15日资料查阅，完成综述和开题报告。

2014年1月16日~2014年3月30日物料衡算，热量衡算，设备工艺计算。

2014年4月1日~2014年4月15日绘制工艺流程图，完成毕业设计初稿。

2014年4月16日~2014年6月1日完成毕业设计终稿和准备答辩。

参考资料

[1]陈五平.无机化工工艺学上册[M].第三版,北京:

化学工业出版社,2002年,3.20-23

[2]蒋德军.合成氨工艺技术的现状及其发展趋势[J].现代化工,2005年第8期,9-16.

[4]张子锋.合成氨的历史和中国的现状[M].北京:

化学工业出版.2008年,15-33

[5]HontiG.D.TheNitrogenIndustryPartI[J].AkademiaiKiadoBadapest.1976,7.

[7]化学工程手册[Z].北京:

化学工业出版社,1996.

[8]胡建生.机械制图[M].机械工业出版社,2003.25-20.

[9]夏青主编.化工原理[M].天津大学出版社,2005.115-117.

[10]涂伟萍.化工过程及设备设计[M],化学工业出版社.2000.79-82.

注：

1.课题类型：

工程设计、技术开发、软件工程、理论研究和方法应用、管理模式设计等

2.课题来源：

教学、科研、生产、实验、假拟、其他

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

Abstract

Fromthedefinitionofsyntheticammonia,applicationanddevelopmentandtheprincipleofsyntheticmethod,throughcomparisonandanalysis,todeterminethemediumpressuremethodisusedtothethinkingofsyntheticammonia,combinedwiththetraditionprocess,thenewschemedesignofammoniasynthesisprocess,thisarticleputforwardseveralmethodsofverticalandhorizontalammoniacoolerandeffectivelyreducetheoilfilterandcoolingtowerload,andanalyzesfeasibilitydemonstrationandsolution,andthesynthetictowerandwatercoolerwasthematerialbalanceandenergybalance,finallytotheequipmenttypeselection.mainequipmentanditsfunctionandprincipleareanalyzed.

KeyWords:

Ammonia;Mediumvoltagemethod;Theprocessflow;Equipmentselection

前言

本题目是应用化学专业的大四上学年的专业课程设计，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。

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必不可少的，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［1］。

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。

氨又是制药业的基本原料，用硝酸可生产出各种硝基药。

1.3氨在国民经济中的意义

合成氨工业是基础化学的重要组成部分，在国民经济中占有相当重要的位置。

氨是化学工业的重要原料之一，具有十分广泛的用途。

首先，氨是胺类（液氨和氨水可用作液态氨肥）。

用氨作原料可生产多种氨素肥料，如尿素、硫酸氨、硝酸铵、碳酸氢氨等。

氨还可以和含有磷、钾等成分的原料制成氮磷钾高效复合肥料。

大家知道，化肥是农业之宝，农田施肥用化肥之后可大幅度地提高农作物的产量，因此，合成氨工业对加速农业生产的发展具有重要意义。

其次，硝酸是由氨氧化制得的，硝酸和氨反应制得的硝酸铵，不仅是一种很好的化学肥料，而且又是一种广泛使用的安全炸药，可用于开发矿山、修筑隧道等。

硝酸是炸药工，对国防工业的发展有重要意义［2］。

另外，氨在其他的工业部门也有着广泛的用途，它是某些工业部门的重要原料，例如氨被广泛地应用在合成纤维工业、塑料工业以及医药工业中。

以氨加工成的磺氨是上述工业的重要原料。

除此之外，在制碱、橡胶、机械加工等工业部门中，也要使用氨。

食品工业中，氨是一种可靠、常用的冷冻剂。

合成氨与国民经济密切相关，是发展农业具有重要意义的化工产品，现在全世界氨的生产能力和年产量都以亿吨计。

中国是世界上人口最多的农业大国，1949年新中国成立时合成氨厂只有三个，生产能力不到6000t，经过50年的努力，到2000年合成氨总量到达3.3637×107t，比1995年增产22.7％，从氨生产能力和产量上都以跃居世界第一位。

氨作为氮肥和其它含氮肥料的基本原料［3］。

1.4中国合成氨工业的发展概况

1.4.1概况

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。

合成氨主要原料有天然气、石脑油、重质油和煤等，因以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[4]，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，由煤制氨制法重新受到重视，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。

中国大陆合成氨工业经过40多年的发展，产量已跃居世界第1位，现已掌握了以焦炭、无烟煤、褐煤、焦炉气、天然气及油田伴生气和液态烃等气固液多种原料生产合成氨的技术，形成中国大陆特有的煤、石油、天然气原料并存和大、中、小生产规模并存的合成氨生产格局[5]。

1.4.2生产能力现状

目前大陆已投产的大型合成氨设备有30套，设计总能力为每年9×106t，实际生产能力为每年1×107t，约占中国大陆合成氨总生产能力的22%。

中国大陆合成氨生产设备是大、中、小规模并存，总生产能力为每年4.16×107t。

大型合成氨设备有30套，设计能力为每年9×106t，实际生产能力为每年1×107t；中型合成氨设备有55套，生产能力为每年4.6×106t；小型合成氨设备有700多套，生产能力为每年2.8×107t。

除上海吴泾化工厂为国产化设备外，其余均系国外引进，荟萃当今世界上主要的合成氨生产技术，如以天然气和石脑油为原料的凯洛格传统技术（9套）、凯洛格－吨EC技术（2套）、托普索技术（3套）、节能型的AMV技术（2套）和布朗技术（4套）；以渣油为原料的德士古渣油气化技术（4套）和谢尔气化技术（3套）；以煤为原料的鲁奇粉煤气化工技术（1套）和德士古水煤浆气化技术（1套）［6]。

中国大陆大型合成氨生产设备所用原料天然气（油田气）占50%，渣油和石脑油占43%，煤占7%，其下游产品除1套设备生产硝酸磷肥外，其余均生产尿素。

1970年代引进的大型合成氨生产设备均已进行技术改进，生产能力提高15%～22%，合成氨每吨综合能耗由41.87KJ降到33.49KJ，有的以石油为原料的合成氨设备（如安庆、金陵、广石化）用炼油厂干气顶替一部分石脑油（每年大约5×104t）。

中国大陆中型合成氨生产设备有55套，生产能力为每年4.6×106t，约占中国大陆合成氨总生产能力的11%，下游产品主要是尿素和硝酸铵，其中以煤、焦为原料的制程有34套，占中型合成氨设备的62%；以渣油为原料的设备有9套，占中型合成氨设备的16%；以气为原料的设备有12套，占中型合成氨设备的22%。

中国大陆小型合成氨设备有700多套，生产能力为每年2.8×107t，约占中国大陆合成氨总生产能力的66%，原设计下游产品主要是碳酸氢铵，现有112套的设备经改造生产尿素。

原料以煤、焦为主，其中以煤、焦为原料的占96%，以气为原料仅占4%。

1.4.3市场供需情况分析及预测

氮肥生产是合成氨主要需求领域。

2001年中国大陆合成氨产量为3.407×107t，进口量为41t，出口量55t，表观需求量为3.407×107t。

2000年中国大陆合成氨产量为3.364×107t，进口量为46t，出口量为67t，表观需求量为3.364×107t。

2001年中国大陆合成氨表观需求量比2000年成长1.28%。

2000年氮肥生产量（折N100%）为2.398×107t，消费合成氨约占中国大陆合成氨总需求量的86.6%，其中尿素为1.412×107t。

2001年氮肥生产量（折N100%）为2.527×107t，所消费合成氨约占中国大陆合成氨总需求量的90.1%，其中尿素为1.455×107t。

2001年氮肥生产量（折N100%）比2000年氮肥生产量（折N100%）增长5.4%。

2001年尿素生产量比2000年尿素生产量增长3.1%。

目前中国大陆合成氨生产基本上已满足氮肥工业的需要，今后氮肥工业的发展重点是调整产品结构，对合成氨的需求将缓慢成长[7]。

1.4.4竞争能力分析

合成氮平均规模为每年5×104t，无法适应全球合成氨的发展趋势。

据相关资料统计，俄罗斯约有35套合成氨生产设备，合成氮平均规模为每年4×105t；美国有50多套合成氨设备，合成氨平均规模在每年3×105t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，目前全球最大单一合成氨设备规模已达每年1.3×106t。

因此中国大陆未来必须朝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。

中国大陆合成氨的下游产品主要为尿素，产品结构不合理，因此必须调整产品结构，生产部分复合肥料或混配肥料，以适应农业发展的需要。

目前中国大陆合成氨生产已基本满足氮肥工业的需要，由2000~2001年中国大陆合成氨进口量为41t~46t来看，中国大陆合成氨产品在和国际接轨后，对国际合成氨产品仍有较强的抵抗力，但进军国外的力量也较为微弱，2000~2001年中国大陆合成氨出口量仅为55~67t。

中国大陆合成氨产量虽然已跃居世界第1位，但单一设备规模较小。

此外，中国大陆合成氨制程原料结构不合理，目前原料组成气、油、煤比例大致为14%、22%和64%。

由于原料在成本结构中占有很大比重，因此要提高在国际市场的竞争力，首要的是选用价格较低的原料，由于渣油和石脑油来源困难且价格高，未来这些厂必须调整原料结构。

将来有天然气的地方改用天然气为原料，没有天然气的地方改用煤为原料。

对于以无烟煤或焦炭为原料，要加快推广富氧连续气化、碎煤或煤粉加压气化技术。

1.5合成氨的原则流程工艺

原则流程既是合成氨的核心流程，合成氨的原则流程图见下图1.1：

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［3］。

1.6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，须排放适量的循环气。

2.3中压法合成氨工艺流程简图

合成氨的工艺流程简图如下图2.1：

2.4中压法合成氨工艺流程条件

化学反应方程式：

N2+3H2→2NH3

ΔHθ=-92.44kJ/mol

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m3·m-3·h-1。

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，进塔气中的最优惰气含量应该在原料利用率和反应速率的经济效益对比中确定。

2.4.6催化剂的粒径

在以铁为主的催化剂（铁系催化剂）有催化活性高、寿命长、活性温度范围大、价廉易得、抗毒性好等特点，广泛地被国内外合成氨厂家采用。

催化剂的活性成分是金属铁，而不是铁氧混合物。

使用前用氢氮混合气对催化剂还原，使铁氧化物还原为具有较高活性的a型氧化铁。

它们疏松地附在氧化铝的骨架上，还原前后表现容积并无显著改变，因此，除去氧后的催化剂便成为多孔的海绵状结构。

催化剂的颗粒密度（表面密度）与纯铁的密度（7.86g/cm3）相比要小得多，说明孔隙率是很大的，一般孔呈不规则树枝状。

还原态催化剂的内表面积约为4~6m2/g。

反应初期，反应温度在440~470°C范围内，使用粒径0.6~3.7mm的催化剂较为合理;在反应后期。

反应温度在420~440°C范围内，使用粒径8~16mm的催化剂较为合理。

2.5中压法合成氨工艺流程阐述

由压缩机送来的新鲜氮氢混合气先在氨冷器I中降温，从30~45℃降到0~5℃，然后入滤油器与循环压缩机来的循环气汇合之前，在滤油器内除去这两部分气体的油、水等杂质，同时，新鲜气带入的微量CO2和H2O也会与循环气中的NH3作用生成碳酸氢铵结晶（NH4HCO3），一并在滤油器中除去。

从滤油器出来的气体，温度为20~35℃，进入冷凝器上部的热交换器管内，在此处被从冷凝塔下部氨分离器上升的冷气体间接降温到10~20℃，然后进入氨冷器II，在氨冷器II内，气体在高压盘管内流动，液氨在管外蒸发而吸取了热量。

管内气体进一步被冷却到-5~5度，并使循环气体中的气氨进一步冷凝为液氨。

氨冷器出来带有液氨的循环气，进入冷凝塔下部的氨分离器，以分离液氨。

在此，气体中残存的微量水蒸气、油及碳酸氢铵，也被液氨洗涤随之除去。

除氨后的循环气上升至上部热交换器的管间，被管内的热气体预热至20~40℃出冷凝塔，分两路进入合成塔，一路是主线（大量）经主阀由塔顶入塔，另一路副线（其量由反应温度需要而定）经副阀从塔底进入作调节催化剂层温度之用。

进