魏丹的毕业设计.docx
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魏丹的毕业设计
年产20万吨液氨车间甲烷化工段工艺设计
1．设计任务书
1.1项目
液氨车间甲烷化工段工艺设计
1.2设计内容
1.2.1车间工艺设计
1.2.2换热器的工艺设计
1.3设计规模
1.3.1年产：
20万吨
1.3.2年生产日：
300天
1.3.3日生产能力：
200000/300=666.67吨/天
1.4设计依据
该设计说明书是依据湖北祥云集团（股份）有限公司的生产技术资料的基础上，并结合设计任务书的内容年产20万吨液氨和生产管理规范的相关。
1.5液氨的性质及用途
1.5.1物理性质
液氨，它是一种无色液体，极易气化，有强烈的刺激性气味，蒸汽压506.62kPa（4.7℃）;密度为0.617g/cm3,沸点为-33.5℃，低于-77.7℃可变成有臭味的无色晶体，自然点为651.11℃。
稳定;危险标记6（有毒气体）。
1.5.2化学性质
液氨，又称为无水氨，是一种无色液体。
氨作为一种重要的化工原料，应用广泛，为运输及储存便利，通常将气态的氨气通过加压或冷却得到液态氨。
氨易溶于水，溶于水后形成氢氧化铵的碱性溶液。
氨在20℃水中的溶解度为34%。
液氨在工业上应用广泛，而且具有腐蚀性，且容易挥发，所以其化学事故发生率相当高。
1.6.3氨的理化性质
分子式：
NH3气氨相对密度（空气=1）：
0.59
分子量：
17.04液氨相对密度（水=1）：
0.7067（25℃）
自燃点：
651.11℃熔点（℃）：
-77.7
爆炸极限：
16%～25%沸点（℃）：
-33.4
1%水溶液PH值：
11.7蒸气压：
882kPa（20℃）
1.6.4液氨的规格
表1液氨的规格
指标名称
优等品
一等品
合格品
半水煤气中O2含量%
≤0.5﹪格
＞0.8﹪量
＞1﹪切气
铁中变炉出口变换气CO含量
%
6～8﹪
≤0.01%
——
低变炉出口变换气CO含量含量%
＜0.2﹪
≤0.005%
——
汞含量循环热水中总固体含量%
1.＜500ma/L
≤0.01%
——
1.6.5液氨用途
液氨主要用途：
用于制造氮肥和复合肥料，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。
用作致冷剂及制取铵盐和氮肥，在国防工业中，用于制造火箭、导弹的推进剂。
可用作有机化工产品的氨化原料，还可用作冷冻剂。
液氨还可用用于纺织品的丝光整理。
NH3分子中的孤电子对倾向于和别的分子或离子形成配位键，生成各种形式的氨合物。
如[Ag（NH3）2]+、[Cu（NH3）4]2+、BF3·NH3等都是以NH3为配位的配合物。
液氨是一个很好的溶剂，由于分子的极性和存在氢键，液氨在许多物理性质方面同水非常相似。
一些活泼的金属可以从水中置换氢和生成氢氧化物，在液氨中就不那么容易置换氢。
但液氨能够溶解金属生成一种蓝色溶液。
这种金属液氨溶液能够导电，并缓慢分解放出氢气，有强还原性。
液氨加热至800～850℃，在镍基催化剂作用下，将氨进行分解，可以得到含75%H2、25%N2的氢氮混合气体。
用此法制得的气体是一种良好的保护气体，可以广泛地应用于半导体工业、冶金工业，以及需要保护气氛的其他工业和科学研究中。
1.7原料及方案
1.7.1主要原料及其规格
合成氨是以碳氨为主要原料，焦炭：
通常按用途分为冶金焦（包括高炉焦，铸造焦和铁合金焦等）气化焦和电石用焦等。
1.7.2质量控制方法
真密度为1.8-1.9g/cm3,视密度为0.88-1.08g/cm3，气孔率为5﹪-55﹪，散密度为400-500Kg/cm3。
1.7.3消耗定额
焦炭8000～10000公斤（折算为含硫35%矿）
电100～200度
水60～80米3
副产蒸汽1000～1200公斤[1]
1.7.4生产方式
采用燃烧法制氨。
普遍采用钒触媒做催化剂，基本过程分八大工序：
造气→脱硫→压缩→变换→脱碳→甲烷化→合成→氨回收
2工艺路线及流程图设计
2.1液氨车间工艺流程
2.1.1氨合成路线
造气->半水煤气脱硫->压缩机1,2段->变换->变换气脱硫->压缩机3段->脱碳->精脱硫->甲烷化->压缩机4,5,6段->氨合成->产品NH3
2.2甲烷化工段工艺流程图
甲烷化工段流程见附图
2.3液氨车间工艺流程图说明
二氧化碳和水从压缩工段出来后，在进入油水分离器，在经过饱和塔，蒸汽进入变换气脱硫塔，煤和蒸汽进行混合。
再经过热交换器和中变炉及蒸汽热交换器进行进一步的反应。
气体经过热交换器进入调温水加热器的三段，热水泵将一段的水进行加温，输送到调温水加热器中。
再进入低变电加热器，经过低变炉，回到调温水加热器进入调温水加热器的二段。
在进入调温水加热器的三段，整个循环完成后，产物再进入热水塔，软水加热器，变换器冷却器，经过一系列的反应进入变换气分离器，将其中的水分分离出来，产物直接进入二次脱硫塔，脱除H2S,并进一步的让碱液与气体接触，充分的脱除H2S，脱除H2S后再进入冷却器进行冷却，冷却后的产物进入变脱气分离器，进一步的分离水和杂质，产物再次进入冷却器进行冷却，冷却完成后进入脱碳3.变换甲烷化工段的物料
3典型设备—换热器的物料衡算
3.1选择条件
在常压下冷凝5400kg/h的变换气，冷凝液在冷凝温度下排出，。
管程压降不超过9.8×103Pa。
试选用一适当型号的列管换热器。
其基本数据如下。
冷凝用水的入口温度t1=20℃
水的出口温度t2=50℃
冷凝量W1=5400/3600=1.5kg/s
冷凝液氨进口温度T1=120℃
冷凝液氨出口温度T2=75℃
冷凝潜热r=394KJ/kg
3.2计算相关物理量
3.2.1耗量
根据推动力△tm及水消耗量两方面的考虑，则水的平均温度tm=1/2（t2+t1）=（1/2）（50+20）=35.5.℃，在35.5℃时，水的相关物理量如下。
密度：
p=997kg/m3
热容：
CP=4.178KJ/（kg.C）
导热系数=0.608W/（m.℃）
粘度：
u=0.886×10-3Pa.s
普兰特准数：
Pr=6.16
热负荷:
Q=W1r=1.5×394=591W
水耗量：
W2=Q/[Cp（t2-t1）]=591/[4.178（50-20）]=4.72kg/s
综合考虑管内Re，管程压降△P及单程管数三方面因素，水的流速u=0.9m/s。
3.2.2传热面积和管子根数
平均温差△tm=△tm=[（T1-t2）-（T2-t1）]/ln[（T1-t2）/（T2-t1）]=
[（120-50）-（75-20）]/ln[（120-50）/（75-20）]=62.2℃。
变换气-水系统冷凝操作的传热系数K值的范围约为300-1000W/（m2.C）。
初选600W/（m2.C）估算传热面积S=Q/K△tm=591×1000/600×62.2=18.1m2
单程管数为n=W2/（u×π/4×di2×p）=4×4.72/（0.9×3.14×0.022×997）=17根
单程管长为l=S/（nπd0）=18.1/（17×3.14×0.025）=18.3m
选定换热器管长18m，则管程数Np=4.91/18=0.27m
取Np=2程，则总管数n总=2n=2×17=34根
3.2.3选换热器
根据S=18.1m2;n总=34根，Np=2,选用查相关资料选用G-273-2-25-14列管式换热器。
3.2.3管程压降的计算
管程雷诺准数Re=diup/u，其中u为选定换热器的实际操作流速，由下式计算
u=Vs/（n2×π/4×di2）
式中Vs=W2/p=4.72/997=0.00473m3/s
n2=32/2=16根
所以u=0.00473/（16×π/4×0.022）=0.82m/s
故Re=0.02×0.82×997/（0.886×10-3）=1.85×104
由于钢管的绝对粗糙为0.15mm,故相对粗糙度=0.0075.查导热系数和雷诺准数及相对粗糙度的关系图（化工设备的选择与工艺设计P6图1-5）,得导热系数为0.038。
又取管程结垢校正系数Ft=1.5,故得管程压降△p=（0.038×3/0.02+3）×1.5×2×（997×0.822/2）=8748.5N/m2﹤9.8×103Pa，因此，压降满足要求。
3.2.4计算管内给热系数ai
因为Re=1.85×104104,而且l/di=3/0.02=150＞50,故ai=0.023×（0.608/0.02）（1.85×104）0.8（6.16）0.4=3751.2W/（m2·C）
3.2.5冷凝给热系数a0及K值的计算
a0的计算，一般情况下，水平管的冷凝给热系数大于垂直的冷凝给热系数，所以列管换热器选用水平安装方式。
对于n根水平管束，可用下式计算冷凝给热系数。
式中，水平管束冷凝给热系数与单根水平管冷凝给热系数之比，当n>100时，取该系数=0.6，设壁温tw=80℃,则平均膜温Tw=1/2（T+tw）=1/2（120=80）=100℃，按此温度查得变换气的物理量如下：
导热系数=0.133W/（m.℃）
密度=830kg/m3
U=0.35×10-3Pa.s
a0=2.02×0.6×0.1333（30×830×3×34）/（0.00035×1.5）=1189.2W/（m2.C）
3.2.6垢层热阻
变换气冷凝时，垢层热阻R0较小，管内的垢层热阻Ri则较大，取Ri+R0=0.0006m2.C/W。
3.2.8K值的计算
d0、di分别为加热钢管的外、内径，dm为平均管径，则
K=1/[0.025/（3751.2×0.02）+0.0006+0.0025×0.025/（45×0.0225）+1/1189.2]=546.4W/（m2.C）
3.2.9校核
tw=120-546.4×80/1189.2=83.2℃
与假设值tw=80℃相比较，差3.2℃，认为计算合理。
3.3计算传热面积及安全系数
按传热方程式计算的传热面积S=Q/K△tm=591000/（540×62.2）=17.6m2，实际换热器的传热面积为18.1m2，故安全系数=18.1/17.6=1.03，此值在1.0-1.25之间，表示选的合理。
3.4管束与壳体温差的计算
根据对流传热速率可得Q=aiS（tw-tm），故tw=Q/aiS+tm=591000/（3769×18.1）+35.5=44.2℃，而管束的平均温度为tmg=1/2（tw+tn）=1/2（80+44.2）=62.1℃，则壳体与管束的温差为
Δt=T-tmg=120-62.1=57.9℃。
4.生产工艺主要设备
表2生产设备一览表
序号
名称
规格型号
作用
操作要点
1
补气阀（角式截止阀）
DN65PN320
向合成系统补充新鲜气体
开关缓慢，均匀
2
系统近路阀
DN50PN320
调节温度
系统升温时根据需要开启此阀
3
付线阀
DN80PN320
调节合成塔炉温
升温时严禁开此阀，根据炉温变化适量调节
4
合成塔一进阀
DN80PN320
调节气体进入合成塔
停车时关闭此阀有利于合成保压
5
循环机进口阀
DN80PN320
控制气体流通
开机时此阀关闭.启动时先开进气阀.后开出口阀
6
循环及出口阀
DN80PN320
控制气体输出
停机前先关闭进出口阀，后停机
7
循环机回路阀
DN50PN320
调节循环量
循环机启动或停机时先开此阀
8
循环机放空阀
DN15PN320
停机时卸除压力
卸压时缓慢开启
9
循环机加氨阀，截止阀
DN20PN25
输入液氨冷却循环机填料
开机前要先开此阀.开度适量.便于液氨蒸发
10
循环机填料加氨出口阀
DN25PN25
控制气氨至氨回收
开机前要先开此阀.处于全开状态
11
氨冷器气氨出口阀，截止阀
DN200PN25
输出气氨至回收
此阀如快速结霜.注意氨冷器液位是否过高，防止冰机带液
12
补气放空阀
DN25PN320
系统超压放空
卸压时缓慢开启，防止着火
13
水加热器安全阀根部截止阀
DN80PN40
控制气体流通.便于安全故障检修
此阀必须常开，否则安全阀失去作用
14
放氨角式截流阀
DN80PN320
放空分离后的液氨
调节要求平稳，严防气体进入也氨储槽
15
氨冷器加氨截止阀
DN50PN40
输送液氨进氨冷器
加氨时均匀缓慢.以防水机带液
16
氨冷器排污截止阀
DN32PN40
排出氨冷器内油水
定时排放.此阀易堵
5技术指标
5.1车间投资估算
由设备一览表可知：
设备总费用2682.075万元
管道费用2682.075×0.6=1609.245万元
管道安装费用2682.075×0.3=804.6225万元
总计:
2682.075+1609.245+804.6225=5095.9425万元
5.2产品成本
原料费用：
750元/吨37500万元/年
人工工资：
3.592元/吨229.6万元/年
水电费：
150元/吨7500万元/年
车间管理费:
75元/吨3750万元/年
总计：
37500+129.6+7500+3750=48879.6万元/年
总销售额：
1500元/吨×50万吨/年=75000万元
总利润：
75000--48879.6--5095.9425=21024.4575万元
5.3投资表
表3投资表
序号
项目
金额（万元）
1
土建,水电,消防,通风,空调,工具
130
2
中变炉，中变电炉
15
3
反应器
8
4
分离器
15
5
脱硫塔
10
6
冷却器
13
7
加热器
5
8
冷凝泵
1
9
热水塔
10
10
液封槽
5
5.4技术经济指标
表4技术经济表
序号
项目
计算单位
设计指标
1
产品价格
元/吨
5000
2
规模
吨/年
30000
3
年工作日
天
320
4
总收率
%
92
5
车间定员
人
26
6
消耗
万元/年
3000
7
建筑及占地面积
M2
150
8
产值
万元/年
4000
9
利税
万元/年
640
10
投资回收期
年
3~5
6.安全生产
6.1车间环境标准
6.1.1车间一般标准
1.厂房和设备的布局要合理,方便操作检修；
2.建筑物的方位,应使室内有良好的自然采光、通风和观察车间主要设备的视野，使作业人员高效率达到作业最佳值；
3.车间的建筑物、设备、管线的颜色要和谐明快，便于区分、识别；
4.地面、道路，要方便作业人员的作业及行走；
5.平台、栏杆和扶梯要齐备、牢固、安全、方便和规正；
6.下水道的明暗沟，设置方位要合适，保持沟见底，水流畅通；
7.控制室内的仪器、讯号、模拟牌、记录台、记录纸等要齐全、摆放合理，无杂物；
8.管线、电缆电线，要横平竖直和成方圆，不得乱拉乱接；
9.车间室内外照明要适度，不可太强或太弱，以利于健康、安全；
10.车间所有设备要定时清擦，保证设备见本色；
11.车间周围要种花植树，建筑养鱼池等；
12.水、汽、气、酸的跑冒滴漏要及时清除。
6.2中毒和中毒的现场处理
6.2.1中毒处置
一．清除污染
如果患者只是单纯接触氨气，并且没有皮肤和眼的刺激症状，则不需要清除污染。
假如接触的是液氨，并且衣服已被污染，应将衣服脱下并放入双层塑料袋内。
如果眼睛接触或眼睛有刺激感，应用大量清水或生理盐水冲洗20分钟以上。
如在冲洗时发生眼睑痉挛，应慢慢滴入1～2滴0.4%奥布卡因，继续充分冲洗。
如患者戴有隐形眼镜，又容易取下并且不会损伤眼睛的话，应取下隐形眼镜。
应对接触的皮肤和头发用大量清水冲洗15分钟以上。
冲洗皮肤和头发时要注意保护眼睛。
。
二．病人复苏
应立即将患者转移出污染区，对病人进行复苏三步法（气道、呼吸、循环）：
气道：
保证气道不被舌头或异物阻塞。
呼吸：
检查病人是否呼吸，如无呼吸可用袖珍面罩等提供通气。
循环：
检查脉搏，如没有脉搏应施行心肺复苏。
三．初步治疗
氨中毒无特效解毒药，应采用支持治疗。
如果接触浓度≥500ppm，并出现眼刺激、肺水肿的症状，则推荐采取以下措施：
先喷5次地塞米松（用定量吸入器），然后每5分钟喷两次，直至到达医院急症室为止。
如果接触浓度≥1500ppm，应建立静脉通路，并静脉注射1.0g甲基泼尼松龙（methylprednisolone）或等量类固醇。
（注意：
在临床对照研究中，皮质类固醇的作用尚未证实。
）
对氨吸入者，应给湿化空气或氧气。
如有缺氧症状，应给湿化氧气。
如果呼吸窘迫，应考虑进行气管插管。
当病人的情况不能进行气管插管时，如条件许可，应施行环甲状软骨切开术。
对有支气管痉挛的病人，可给支气管扩张剂喷雾，如叔丁喘宁。
1.如皮肤接触氨，会引起化学烧伤，可按热烧伤处理：
适当补液，给止痛剂，维持体温，用消毒垫或清洁床单覆盖伤面。
如果皮肤接触高压液氨，要注意冻伤。
2.高温矿渣烧伤的现场处理：
首先立即将伤员救出烧伤现场，然后迅速熄灭被烧着的衣服鞋帽，并脱去烧坏的衣物，并立即用大量自来水冲洗创面5分钟，有必要的话，将伤者转送医院，最后清理烧伤现场，采取措施杜绝同类事故再度发生。
四、泄漏处置
1.少量泄漏
撤退区域内所有人员。
防止吸入蒸气，防止接触液体或气体。
处置人员应使用呼吸器。
禁止进入氨气可能汇集的局限空间，并加强通风。
只能在保证安全的情况下堵漏。
泄漏的容器应转移到安全地带，并且仅在确保安全的情况下才能打开阀门泄压。
可用砂土、蛭石等惰性吸收材料收集和吸附泄漏物。
收集的泄漏物应放在贴有相应标签的密闭容器中，以便废弃处理。
2．大量泄漏
疏散场所内所有未防护人员，并向上风向转移。
泄漏处置人员应穿全身防护服，戴呼吸设备。
消除附近火源。
向当地政府和“119”及当地环保部门、公安交警部门报警，报警内容应包括：
事故单位；事故发生的时间、地点、化学品名称和泄漏量、危险程度；有无人员伤亡以及报警人姓名、电话。
禁止接触或跨越泄漏的液氨，防止泄漏物进入阴沟和排水道，增强通风。
场所内禁止吸烟和明火。
在保证安全的情况下，要堵漏或翻转泄漏的容器以避免液氨漏出。
要喷雾状水，以抑制蒸气或改变蒸气云的流向，但禁止用水直接冲击泄漏的液氨或泄漏源。
防止泄漏物进入水体、下水道、地下室或密闭性空间。
禁止进入氨气可能汇集的受限空间。
清洗以后，在储存和再使用前要将所有的保护性服装和设备洗消。
6.2.2燃烧爆炸处置
1．燃烧爆炸特性
常温下氨是一种可燃气体，但较难点燃。
爆炸极限为16%～25%，最易引燃浓度为17%。
产生最大爆炸压力时的浓度为22.5%。
2．火灾处理措施
在贮存及运输使用过程中，如发生火灾应采取以下措施：
（1）报警：
迅速向当地119消防、政府报警。
报警内容应包括：
事故单位；事故发生的时间、地点、化学品名称、危险程度；有无人员伤亡以及报警人姓名、电话。
（2）隔离、疏散、转移遇险人员到安全区域，建立500米左右警戒区，并在通往事故现场的主要干道上实行交通管制，除消防及应急处理人员外，其他人员禁止进入警戒区，并迅速撤离无关人员。
（3）消防人员进入火场前，应穿着防化服，佩戴正压式呼吸器。
氨气易穿透衣物，且易溶于水，消防人员要注意对人体排汗量大的部位，如生殖器官、腋下、肛门等部位的防护。
（4）小火灾时用干粉或CO2灭火器，大火灾时用水幕、雾状水或常规泡沫。
（5）储罐火灾时，尽可能远距离灭火或使用遥控水枪或水炮扑救。
（6）切勿直接对泄漏口或安全阀门喷水，防止产生冻结。
（7）安全阀发出声响或变色时应尽快撤离，切勿在储罐两端停留。
7.环保生产
7.1三废处理
7.1.1原理
三废流化是燃炉运用沸腾床的燃烧特性，采用了吹风气余热锅炉的模式，对造气产生的废渣，废灰，废气同时混燃（提氢后的气体同时入炉燃烧），产生的高温烟气经组合式除尘器除尘后，进入各对流受热面是锅水产生汽化进入上锅，经汽水分离器后进入高温过热器，提高气温后经主汽阀输出使用。
7.1.2工艺流程：
烟气流程：
沼气产生的废渣，废灰，废气和提氢来的可燃气体（也可用，也可不用），及部分无烟煤沫，同时在混燃炉内燃烧，产生的高温烟气经组合除尘器后进入蒸汽过热器，然后进入余热锅炉，在入省煤气后进入空气预热器，在经水膜除尘器除尘后，由引风机送入烟囱放空。
组合式除尘器的细灰落入下部水封。
汽水流程：
脱盐水岗位来的除氧水，经给水泵提压后进入省煤器，提高温度后进入余热锅炉，经对流管来换热后产生汽化进入锅筒，经汽水分离器后，进入蒸汽过热器，控制蒸汽温度280±10℃经主汽阀输出。
7.1.3废气回收
液氨整理加工过程有废气排出，其组成有水蒸气、空气和氨气，其中氨气是有害气体，影响健康污染环境，为此要减少排放，加强回收，一方面可降低成本，另一方面可保护环境。
氨的回收有吸收法，把来自液氨整理机排出的气体，通过管道输送至回收装置的洗涤塔（吸收塔），把混有空气的氨气在此塔内用水吸收成氨水，此时空气被清洗并排出塔外，然后通过蒸馏塔将氨和水分离，氨被蒸馏吸收制成浓氨水，浓氨水经精馏即成浓氨气，再将浓氨气经压缩机加压和冷凝冷却成液氨，最后输入贮存罐。
在氨的回收装置中，洗涤塔顶部有排气口，要控制排放气体中的含氨量，要低于环保要求。
澄江纺机厂和南京化工大学协作创制的氨回收系统，是吸收和压缩相结合的方法。
当年2000年1月由中国纺机器材协会组织的专家现场考察，一致认为该氨回收循环系统是成功的，在整个回收系统是创造性地运用了低压吸收、低压精馏、低温除水、压缩冷凝的“三低一压”技术，既简化设备又节约能源，该法是在低温低压下操作运转，安全系数大，还有利于减少维修力量。
主要有洗涤塔（吸收塔）、精馏塔、压缩机、冷凝器、液氨贮存罐。
液氨监测与报警
液氨在使用过程中发生泄露须报警，由宝鸡市凯特利电子公司生产的液氨泄露报警和液氨自动充装切断报警装置符合国家技术监督和安检部门的要求。
液氨的压力
因为氨的临界温度为132.4℃,低于此温度只要予以适当压力即可将其液化。
在常温下，大概需要7～8个大气压即可将氨液化为液氨存放。
但实际使用温度未必是常温，我国规定设计时要求不低于50℃的饱和蒸气压力。
液氨容器的设计压力应该为2.16MPa
致谢
在整个的设计过程中，魏老师等给予了很多的帮助，湖北祥云集团（股份）有限公司为我们提供的技术资料，使得设计顺利完，在此对他们表示衷心的感谢。
参考文献
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