年产30万吨合成氨课程设计.docx

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年产30万吨合成氨课程设计

年产30万吨合成氨

课程设计

1.概述

1.1设计题目：

年产30万吨合成氨合成工段设计

1.2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。

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.撰写课程设计报告。

1.3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。

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。

（2）氨的用途

氨是基本化工产品之一，用途很广。

化肥是农业的主要肥料，而其中的氮肥又是农业上应用最广泛的一种化学肥料，其生产规模、技术装备水平、产品数量，都居于化肥工业之首，在国民经济中占有极其重要的地位。

各种氮肥生产是以合成氨为主要原料的，因此，合成氨工业的发展标志着氮肥工业的水平。

以氨为主要原料可以制造尿素、硝酸铵、碳酸氢铵、硫酸铵、氯化铵等氮素肥料。

还可以将氨加工制成各种含氮复合肥料。

此外，液氨本身就是一种高效氮素肥料，可以直接施用，一些国家已大量使用液氨。

可见，合成氨工业是氮肥工业的基础，对农业增产起着重要的作用。

氨也是重要的工业原料，广泛用于制药、炼油、纯碱、合成纤维、合成树脂、含氮无机盐等工业部门。

将氨氧化可以制成硝酸，而硝酸又是生产炸药、染料等产品的重要原料。

现代国防工业和尖端技术也都与氨合成工业有密切关系，如生产火箭的推进剂和氧化剂，同样也离不开氨。

此外，氨还是常用的冷冻剂。

合成氨工业的迅速发展，也促进和带动了许多科学技术部门的发展，如高压技术、低温技术、催化技术、特殊金属材料、固体燃料气化、烃类燃料的合理利用等。

同时，尿素和甲醇的合成、石油加氢、高压聚合等工业，也是在合成氨工业的基础上发展起来的。

所以合成氨工业在国民经济中占有十分重要的地位，氨及氨加工工业已成为现代化学工业的一个重要部门。

（3）市场需要

据资料统计:

1997年世界合成氨年产量达103.9Mt。

预计2000年产量将达111.8Mt。

其化肥用氨分别占氨产量的81.7%和82.6%。

我国1996年合成氨产量已达30.64Mt,专家预测2000年将达36Mt,2020年将增加至45Mt。

即今后20年间将增加到现在的1.5倍。

因而合成氨的持续健康发展还有相当长的路要走。

未来我国合成氨氮肥的实物产量将会超过石油和钢铁。

合成氨工业在国民经济中举足轻重。

农业生产,“有收无收在于水,收多收少在于肥”。

所以,合成氨工业是农业的基础。

它的发展将对国民经济的发展产生重大影响。

因此,我国现有众多的化肥生产装置应成为改造扩建增产的基础。

我国七十至九十年代先后重复引进30多套大化肥装置,耗费巨额资金,在提高了化肥生产技术水平的同时,也受到国外的制约。

今后应利用国内开发和消化吸收引进的工艺技术,自力更生,立足国内,走出一条具有中国特色的社会主义民族工业的发展道路。

过去引进建设一套大型化肥装置,耗资数十亿元。

当今走老厂改造扩建的道路,可使投资节省1/2—2/3。

节省的巨额资金,用作农田水利建设和农产品深加工,将在加速农村经济发展,提高农民生活水平,缩小城乡差距起着重要用。

1.4设计任务的依据

设计任务书是项目设计的目的和依据：

产量：

300kt/a液氨

放空气（惰性气Ar+CH4）：

17%

原料：

新鲜补充气N224.2%，H275.1%，CH40.7%

合成塔进出口氨含量：

2.5%，13.2%

合成塔入口惰性气含量:

（惰性气Ar+CH4）～17%

年工作日330d

计算基准生产300000t氨

1.5产品方案

产品的名称：

氨（NH3）；

产品的质量规格：

氨含量≥99.9%（wt%）；

产品的规模：

30kt/a液氨；

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。

2技术分析

2.1合成氨反应的特点

0.5N2＋1.5H2==NH3ΔHθ=-46.22kJ·mol-1

（1）是可逆反应。

即在氢气和氮气反应生成氨的同时，氨也分解成氢气和氮气。

（2）是放热反应。

在生成氨的同时放出热量，反应热与温度、压力有关。

（3）是体积缩小的反应。

（4）反应需要有催化剂才能较快的进行。

2.2合成氨反应的动力学

动力学过程氨合成为气固相催化反应，它的宏观动力学过程包括以下几个步骤:

a．混合气体向催化剂表面扩散（外,内扩散过程）；

b．氢,氮气在催化剂表面被吸附，吸附的氮和氢发生反应，生成的氨从催化剂表面解吸（表面反应过程）；

c.氨从催化剂表面向气体主流体扩散（内,外扩散过程）。

对整个气固相催化反应过程，是表面反应控制还是扩散控制，取决于实际操作条件。

低温时可能是动力学控制，高温时可能是内扩散控制；

大颗粒的催化剂内扩散路径长，小颗粒的路径短，所以在同样温度下大颗粒可能是内扩散控制，小颗粒可能是化学动力学控制。

2.2.1反应机理

氮、氢气在催化剂表面反应过程的机理，可表示为：

N2（g）+Cate—→2N（Cate）

H2（g）+Cate—→2H（Cate）

N（Cate）+H（Cate）—→NH（Cate）

NH（Cate）+H（Cate）—→NH2（Cate）

NH2（Cate）+H（Cate）—→NH3（Cate）

NH3（Cate）—→NH3（g）+（Cate）

实验结果证明,N2活性吸附是最慢的一步，即为表面反应过程的控制步骤。

2.3氨合成工艺的选择

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。

2.4系统循环结构

氢氮混合气经过氨合成塔以后，只有一小部分合成为氨。

分离氨后剩余的氢氮气，除为降低惰性气体含量而少量放空以外，与新鲜原料气混合后，重新返回合成塔，再进行氨的合成，从而构成了循环法生产流程。

由于气体在设备、管道中流动时，产生了压力损失。

为补偿这一损失，流程中必须设置循环压缩机。

循环机进出口压差约为20~30大气压，它表示了整个循环系统阻力降的大小。

2.5分离工艺

进入氨合成塔催化层的氢氮混合气，只有少部分起反应生成氨，合成塔出口气体氨含量一般为10~20%，因此需要将氨分离出来。

氨分离的方法有两种，一是水吸法，二是冷凝法，将合成气体降温，使其中的氨气冷凝成液氨，然后在氨分离器中，从不凝气体中分离出来。

目前工业上主要采用冷凝法分离循环气中的氨。

以水和氨冷却气体的过程是在水冷器和氨冷器中进行的。

在水冷器和氨冷器之后设置氨分离器，把冷凝下来的液氨从气相中分离出来，经减压后送至液氨贮槽。

在氨冷凝过程，部分氢氮气及惰性气体溶解在液氨中。

当液氨在贮槽内减压后，溶解的气体大部分释放出来，通常成为“贮罐气”。

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[2]。

图3-1工艺流程图

4工艺计算

4.1原始条件

（1）年产量300kt，年生产时间扣除检修时间后按330天计，则产量为：

300000/（330*24）=37.88t/h

（2）新鲜补充气组成

表4-1新鲜补充气组成

组分

H2

N2

CH4

总计

含量（%）

75.1

24.2

0.7

100

体积（m3/30万吨）

650939689

209756864

6067347.3

866763900

kmol/30万吨

29059807.5

9364145.7

270863.7

324467300

（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％；

入塔氢含量：

y5H2=［100-（2.5+17）］×3/4×100％=60.375％；

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

CH4

H2

N2

小计

2.5

17

60.375

20.125

100

（2）合成塔出口气组分：

以1000kmol入塔气作为基准求出塔气组分，

出塔氨含量：

y8NH3=13.2％

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=（MNH3+1000y5NH3）/y8NH3=（94.523+1000×0.025）/0.132=905.477kmol

出塔甲烷含量：

y8CH4=（M5/M8）×y5CH4=（1000/905.477）×17％=18.775％

出塔氢含量：

y8H2=3/4（1-y8NH3-y8CH4）×100％=3/4（1-0.132-0.18775）×100％=51.019％

出塔氮含量：

y8N2=1/4（1-0.132-0.18775）×100％=17.006％

表4-3出塔气体组分含量（％）

NH3

CH4

H2

N2

小计

13.2

18.775

51.019

17.006

100

（3）合成率：

合成率=2MNH3/［M5（1-y5NH3-y5CH4）］×100％=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

设氨分离器进口气液混合物F，进口物料组分m（i）,分离气象组分y（i）,气量V；分离液相组分x（i）,液量L，其中进口物料组分m（i）等于合成塔出口气体组分。

根据气液平衡原理，以1kmol进口物料为计算基准，即F=1kmol。

表4-4已知氨分离器入口混合物组分m（i）

NH3

CH4

H2

N2

小计

0.132

0.18775

0.51019

0.17006

1

查t=35℃，P=29.1MPa时各组分平衡常数：

表4-5各组分平衡常数

KNH3

KCH4

KH2

KN2

0.098

8.2

27.5

34.5

设（V/L）=21.16时，带入L×（i）=m（i）/［1+（V/L）×K（i）］=L（i）:

LNH3=mNH3/［1+（V/L）×KNH3］=0.132/（1+21.16×0.098）=0.042945kmol

LCH4=mCH4/［1+（V/L）×KCH4］=0.18775/（1+21.16×8.2）=0.001076kmol

LH2=mH2/［1+（V/L）×KH2］=0.51019/（1+21.16×27.50）=0.000875kmol

LH2=mN2/［1+（V/L）×KN2］=0.17006/（1+21.16×34.50）=0.000233kmol

L总=LNH3+LCH4+LH2+LN2=0.042945+0.001076+0.000875+0.000233=0.045129kmol

分离气体量：

V=1-L=1-0.045129=0.954871kmol

计算气液比：

（V/L）＇=0.954871/0.045129=21.1587

误差［（V/L）-（V/L）＇］/（V/L）=（21.16-21.1587）/21.16×100％=0.006％，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=0.042945/0.045129×100％=95.161％

液体中甲烷含量：

xCH4=LCH4/L=0.001076/0.045129×100％=2.384％

液体中氢含量:

xH2=LH2/L=0.000875/0.045129×100％=1.939％

液体中氮含量：

xN2=LH2/L=0.000233/0.045129×100％=0.516％

表4-6氨分离器出口液体含量（%）

NH3

CH4

H2

N2

小计

95.161

2.384

1.939

0.516

100

分离气体组分含量：

气体氨含量:

yNH3=（mNH3-LNH3）/V=（0.132-0.042945）/0.954871=9.326%

气体甲烷含量：

yCH4=（mCH4-LCH4）/V=（0.18775-0.001076）/0.954871=19.55%

气体氢含量：

yH2=（mH2-LH2）/V=（0.51019-0.000875）/0.954871=53.339％

气体氮含量：

yN2=（mN2-LN2）/V=（0.17006-0.000233）/0.954871=17.785％

表4-7氨分离器出口气体含量（％）

NH3

CH4

H2

N2

小计

9.326

19.55

53.339

17.785

100

4.3冷交换器气液平衡计算

根据气液平衡原理x（i）=y（i）+K（i）,由于冷交换器第二次出口气体含量等于合成塔进口气体含量，由合成塔入口气体含量和操作条件下的分离温度可查出K（i），便可解出x（i）。

查t=-15℃,p=28.3MPa的平衡常数：

表4-8各组分的平衡常数

KNH3

KCH4

KH2

KN2

0.0254

27

75

80

冷交换器出口液体组分含量：

出口液体氨含量：

xNH3=yNH3/KNH3=9.326/0.0254=98.3157％

出口液体甲烷含量：

xCH4=yCH4/KCH4=19.55/27=0.6289％

出口液体氢含量:

xH2=yH2/KH2==53.339/75=0.8041％

出口液体氮含量:

xN2=yN2/KN2=17.785/80=0.2513％

表4-9冷交换器出口液体组分含量（％）

KNH3

KCH4

KH2

KN2

0.0254

27

75

80

4.2.4液氨贮槽气液平衡计算

由于氨分离器出口分离液体和冷交换器出口分离液体汇合后进入液氨贮槽经减压后溶解在液氨中的气体会解吸，即弛放气。

两种液体百分比估算值，即水冷后分离液氨占总量的百分数。

G％=（1+y5NH3）×（y8NH3-yNH3.分）/（（y8NH3-y5NH3）×（1-yNH3.分））

=[（1+0.025）×（0.132-0.09326）]/[（0.132-0.025）×（1-0.09326）]

=40.928％

水冷后分离液氨占总量的40.928％冷交，氨冷后分离液氨占总量的59.072％。

以液氨贮槽入口1kmol液体计算为准，即L0=1kmol，入口液体混合后组分含量：

m0i=L15X15i+L16X16i=G％L0X15i+（1-G％）X16i=0.40928X15i+0.59072X16i

混合后入口氨含量：

m0NH3=0.40928×0.95161+0.59072×0.983157=0.97025

混合后入口甲烷含量:

m0CH4=0.40928×0.02384+0.59072×0.006289=0.013472

混合后入口氢含量：

m0H2=0.40928×0.01939+0.59072×0.00804=0.012685

混合后入口氮含量：

m0N2=0.40928×0.00516+0.59072×0.00251=0.0035946

表4-10液氨贮槽入口液体含量（%）

m0NH3

m0CH4

m0H2

m0N2

小计

97.025

1.3472

1.2685

0.35946

100

当t=17℃，P=1.568MPa时，计算得热平衡常数：

表4-11各组分的平衡常数

KNH3

KCH4

KH2

KN2

0.598

170

575

620

根据气液平衡Li=m0i/[1+（V/L）ki],设（V/L）=0.076,代入上式得:

出口液体氨含量：

LNH3=m0NH3/[（1+（V/L）×KNH3]=0.97025/（1+0.091×0.598）=0.92807kmol

出口液体甲烷含量：

LCH4=m0CH4/[1+（V/L）×KCH4]=0.013472/（1+0.091×170）=0.000968kmol

出口液体氢气含量：

LH2=m0H2/[1+（V/L）×KH2]=0.012685/（1+0.091×575）=0.000284kmol

出口液体氮气含量：

LN2=m0N2/[1+（V/L）×KN2]=0.0035946/（1+0.091×620）=0.000075kmol

L（总）=0.92807+0.000968+0.000284+0.000075=0.929397kmol；

V=1-0.929397=0.070603kmol,

（V/L）’=V/L=0.075966

误差=（0.075966-0.076）/0.076×100％=-0.045%，参数设定符合，则

出口液体各组分含量如下：

出口液体氨含量：

xNH3=LNH3/L=0.92807/0.929397×100％=99.857％

出口液体甲烷含量：

xCH4=LCH4/L=0.000968/0.929397×100％=0.104％

出口液体氢气含量：

xH2=LH2/L=0.000284/0.929397×100％=0.0305％

出口液体氮气含量：

xN2=LN2/L=0.000075/0.929397×100％=0.00807％

表4-12液氨贮槽出口液氨组分（％）

NH3

CH4

H2

N2

小计

99.857

0.104

0.0305

0.00807

1

出口弛放气各组分含量：

弛放气氨含量：

yNH3=（m0NH3-LNH3）/V=（0.97025-0.92807）/0.070603×100％=59.743％

弛放气甲烷含量：

yCH4=（m0CH4-LCH4）/V=（0.013472-0.000968）/0.070603×100％=17.710％

弛放气氢含量：

yH2=（m0H2-LH2）/V=（0.012685-0.000284）/0.070603×100％=17.564％

弛放气氮气含量：

yN2=（m0N2-LN2）/V=（0.0035946-0.000075）/0.070603×100％=4.985％

表4-13出口弛放气组分含量（％）

NH3

CH4

H2

N2

小计

59.743

17.71

17.564

4.985

100

以液氨贮槽出口300000吨纯液氨为基准折标立方米计算液氨贮槽出口液体量

L19=300000000×22.4/（0.99857×17）=395860197.7m３=17672330.3kmol

其中NH3L19NH3=L19×X19NH3=395860197.7×99.857﹪=395294117.6m３=17647058.8kmol

CH4L19CH4=L19CH4×X19CH4=395860197.7×0.104﹪=411694.6m３=18379.2kmol

H2L19H2=L19×X19H2=395860197.7×0.0305﹪=120737.4m３=5390.1kmol

N2L19