陶晟 10万吨年合成氨合成工段工艺设计.docx
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陶晟10万吨年合成氨合成工段工艺设计
化工设计——
10万吨/年合成氨合成工段工艺设计
班级：
化工2011级1班
组号：
第二组
指导老师：
王绪根
日期：
2015年1月8日
小组成员表
序号
姓名
学号
班级
备注
1
王龙
2011507094
化工20111班
2
杨洪舟
2011507095
化工20111班
3
朱敬贤
2011507096
化工20111班
4
陶晟
2011507097
化工20111班
组长
5
闫小康
2011507098
化工20111班
6
刘兴
2011507100
化工20111班
第一部分说明书
一、概述
工段的概况及特点：
1．设计规模及特点：
本工段生产液氨，生产能力为10万吨氨/年，与传统流程相比较，具有节能低耗的特点，通过设计两个串联的氨冷器，在低压下，既减少了动力消耗，又保证了合成塔入口氨含量的要求；现具体起来如下：
（1）循环机位置：
本工段设置在氨分离系统后，合成塔之前，从而充分利用循环机压缩功，提高进合成塔温度，减少冷量消耗，降低氨冷器负荷，同时提高进塔压力，提高合成率，而进循环机的氨冷量较低，避免了塔后循环机流程容易带液氨而导致循环机泄漏。
（2）反应热回收的方式及利用：
这涉及到废热锅炉的热量利用几合成塔塔外换热器如何科学设置的问题，废热锅炉的配置实际上是如何提高反应热的回收率和获得高品位热的问题，本设计选择塔后换热器及后置锅炉的工艺路线，设置塔后换热器使废热锅炉出口气体与合成塔二进气体换热，充分提高合成塔二进温度，相应提高了合成塔二出温度，进废热锅炉的气体温度为360度，副产1.3兆帕的中压蒸汽，充分提高回收热量品位。
（3）水冷器、氨冷器的设置：
水冷后分离液氨再进行冷交，氨冷有利于降低后续氨冷的负荷，边冷却边分离液氨，即提高了液氨的分离效果，又避免了气液两相流的存在，通过设置两氨冷器的冷凝充分解决了低压下，水冷后很少有氨冷凝下来的矛盾，达到了进一步冷却，保证合成塔入口氨冷量的要求。
（4）补充气及放空点位置设置：
补充气设置在冷交的二次入口，以便减少系统阻力，并通过氨冷进一步洗脱微量二氧化碳和一氧化碳及氨基甲酸等杂质，有利于保护触媒防止管道和设备堵塞。
放空点设置在冷交换器和氨分离器之间，氨分后有效气体浓度较低，惰性气体含量较高，有利于降低新鲜气单耗。
（5）新型设备的使用：
①离心式循环压缩机
离心式循环压缩机用于合成工段，能避免油污渗入循环气，提高合成气质量，从而可不设油分离器降低能耗，对于本工段选用冷激式内件，要求合成气质量较高，无油压缩机更为合适，离心式循环压缩机还具有运行时间长的特点，经江苏宜兴化肥厂资料表明，无油压缩机与注油压缩机相比较平均使用寿命可延长十倍。
②冷交换器
分离器为外向型旋流板，上部换热器为列管换热器和下部氨分离器，将热气体在进入氨冷器前用冷气体进行冷却换热，以回收冷气体的冷冻量，使入氨冷器的热气体预冷却，从而节省冷冻量，同时分离经氨冷后含氨混和气中的液氨，安徽淮南化工公司发表与《小氮肥》杂志上的有关资料表明，该设备节能降耗显著。
2．三废治理及环境保护：
①放空气弛放气送氢回收系统，先用洗涤塔回收几乎全部氨，制成浓氨水，再回收大部分氨送入高压机压缩后制氨既可以避免氨气进入大气，与放空气作燃料相比又更合理经济。
②废物集中处理达到国家排放标准后排放。
4．生产制度：
每年操作日330天，三班连续操作。
二、原材料及产品主要技术规格
（一）原材料技术规格：
序号
名称
规格
备注
成分
百分含量（摩尔）
1
精练气
氢气
72.76
氮气
25.92
氨气
0
甲烷
0.98
氩气
0.34
（二）液氨产品技术规格
序号
名称
规格
国家标准
备注
等级
组分
含量
1
液氨
一级品
氨
＞99.8
GB356-65
水和油
＜0.2
2
液氨
二级品
氨
＞99.5
GB356-65
水和油
＜0.5
（三）氨水产品技术规格
序号
名称
规格
标准
备注
等级
组分
含量
1
农业用氨水
一级品
氨
＞20
部标
HGI-88-64
二级品
氨
＞18
三级品
氨
＞15
2
工业用氨水
一级品
氨
＞25
部标
HGI-88-64
残渣
＜0.3
二级品
氨
＞20
残渣
＜0.3
三级品
氨
＞20
残渣
＜0.5
三、危险性物料主要物性表
序号
名称
分子量
熔点（度）
沸点（度）
闪点（度）
燃点（度）
空气中爆炸极限（％）
国家标准
备注
上限
下限
1
氨气
17.03
-77.7
-33.5
651.22
630
27.4
15.7
已
2
氢气
2.016
-259.8
-252.8
400
74.2
4.1
甲
3
甲烷
16.043
-184
-161.5
-190
650
15.0
5.0
甲
四、流程简述
气体管内流动，液氨在管外蒸发，由于氨大量蒸发吸收了混合气的热量，使管内气体进一步被冷却至0℃左右，为降低氨冷器Ⅰ负荷，进入氨冷器Ⅱ继续冷却至-15℃左右，出氨冷器后的气液混合物，在冷交换器的下部用分离器将液氨分离，分离出的液氨进入液氨贮罐，分氨后的循环气上升至上部换热器壳程被热气体加热至22℃后出冷交换器，然后，气体经循环压缩机，补充压力至15兆帕，由合成塔的下部进入层间换热器，移走第二绝热床反应热，冷气体升温进入第一绝热床进行合成反应，再入第一、二绝热床空间（冷激器）由185度左右的冷气体作冷激气原与出第一绝热床的反应气体混合降温到385度左右，混合后气体进入第二绝热床进行合成反应，气体氨净值升高，出第二绝热床气体进入层间换热器，移走热量，使冷气升温，热气体降温后进入第三绝热床进行合成反应，气体氨含量增加到16.5﹪，再经塔内下换热器将热量移走，后进入沸热锅炉，副产1.3Mpa蒸气。
换热产生蒸汽后进入循环器加热器一次出塔气体至160℃，本身温度降至112℃左右进水冷器被冷却产生部分液氨，温度降至35℃，混合气液进氨分离器，分离液氨，分离的液氨去液氨罐贮存。
液氨产品易蒸发，有强烈刺激性气味，对人的消化系统和呼吸系统都造成伤害，与空气混合后遇火会爆炸，应密闭贮存，管道输送，尽可能避免泄漏。
五、主要设备的选择与计算
1.主要设备的选择计算见计算部分的设备选型
2.设备一览表（见后）
3.设备的选定说明：
合成塔内件
合成塔的选择主要是触媒筐和塔内换热器，本着节约自身的水电和冷冻量消耗同时提高氨合成反应热的回收品位和利用率本设计触媒筐选用三段绝热冷激间冷式内件。
三段绝热冷激间冷式内件有如下特点：
1）高效节能冷激-间冷式内件是托普索节能型氨合成塔内件基础上开发的一种高效节能型内件，氨净值高；2）生产能力大；3）床层间复合换热；4）节约管材；5）便于催化剂还原。
装填A106型合成塔催化剂，此种催化剂具有良好的抗毒性能，低温高活性，较好的热稳定性特点。
六、生产分析及三废排量
（一）生产控制分析方法
序号
取样点
分析项目
分析方法
控制指标
分析次数
1
合成塔二次出口
氨气
NH3％＞13.2
每两小时一次
氢气
H2/N2=3
氮气
（二）三废排量
序号
1
2
3
名称
冷却水
放空气
废污
温度（度）
40
21
压力，MP
0.3
29.42
＜1.3
排除点
水冷量
氨分后
氨分离器，冷交换器
排放量/H
114568kg
668.12Nm3
有害物含量
NH3=7.009
固体含量＜2000PPM
排放标准
处理意见
送凉水塔
回收利用
送水处理
七、存在问题和意见
催化剂的装卸问题由于第二段反应床与第三段反应床采用中间换热器，床层催化剂不能从顶部装卸，为解决此问题，建议在换热器下面的筒体上开一至二个装卸孔。
通过这次设计达到了锻炼的目的，学会了用计算机网络和图书馆查阅、收集、整理资料，并运用工具书解决实际问题，能够在老师的指导下独立处理一些设计中遇到的困难，同时进一步加强了对计算机编辑和绘图功能的学习和运用。
当然设计中还存在一些问题需要进一步加强学习。
这次设计的顺利完成还得益于翁贤芬老师和其他老师、同学的大力支持，在此一并感谢。
八、工艺设计计算书
一、设计要求：
年工作日：
330天；系统工作压力：
15MPa
精练气组成（％）：
H272.76,N225.92,CH40.98,Ar0.34
合成塔进气（％）：
NH32.5,CH4+Ar15;出气，NH316.5
水冷器出口温度：
35℃
设计裕度：
10％
二、工艺流程图：
第二部分物料计算和热量计算
一、物料计算
1合成塔入口气组分
入塔氨含量：
y5NH3=2.5％;
入塔甲烷含量：
y5CH4=15.00％x0.98/（0.98+0.34）x100％=11.136％；
入塔氢含量：
y5H2=［100-（2.5+11.136+3.864）］x3/4x100％=61.875％；
入塔氩含量：
y5Ar=15.00x0.34/（0.98+0.34）x100％=3.864％；
入塔氮含量：
y5N2=［100-（2.5+11.136+3.864）］x1/4x100％=20.625％
入塔气组分含量（％）
NH3
CH4
Ar
H2
N2
小计
2.5
11.136
3.864
61.875
20.625
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，
由下式计算塔内生成氨含量：
MNH3=M5（y8NH3-y5NH3）/（1+y8NH3）=1000（0.165-0.025）/（1+0.165）=120.172kmo
出塔气量:
M8=入塔气量—生成氨含量=1000-120.172=879.828kmo
出塔氨含量：
y8NH3=16.5％
出塔甲烷含量：
y8CH4=（M5/M8）xy5CH4=（1000/879.828）x11.136％=12.657％
出塔氨含量：
y8Ar=（M5/M8）xy5Ar=1000/879.828x3.864％=4.392％
出塔氢含量：
y8H2=3/4（1-y8NH3-y8CH4-y8Ar）x100％
=3/4（1-0.165-0.12657-0.043921）x100％=49.838％
出塔氮含量：
y8N2=1/4（1-0.0165-0.12657-0.04392）x100％=16.612％
出塔气体组分含量（％）
NH3
CH4
Ar
H2
N2
小计
16.5
12.657
4.392
49.838
16.612
100
3合成率
合成率=2MNH3/［M5（1-y5NH3-y5CH4-y5Ar）］x100％
=2x120.172/［1000（1-0.025-0.11364-0.03964）］x100％=29.133％
4氨分离器气液平衡计算
已知氨分离器入口混合物组分m（i）
MNH3
mCH4
mH2
mAr
mN2
小计
0.165
0.12657
0.04392
0.49838
0.16612
1.00000
查35℃，P=14.4555MPa各组分平衡常数：
KNH3
KCH4
KAr
KH2
KN2
0.13888
22.6485
62.8257
80.3771
72.8704
设（V/L）=29.85时，带入Lx（i）=m（i）/［1+（V/L）xK（i）］=L（i）:
LNH3=mNH3/［1+（V/L）xKNH3］=0.032066Kmol
LCH4=mCH4/［1+（V/L）xKCH4］=0.000187Kmol
LAr=mAr/［1+（V/L）xKAr］=0.000023Kmol
LH2=mH2/［1+（V/L）xKH2］=0.000208Kmol
LH2=mN2）/［1+（V/L）xKN2］=0.000077Kmol
L总=L（NH3）+L（CH4）+L（Ar）+L（Ar）+L（H2）+L（N2）=0.032559Kmol
分离气体量：
V=1-L=1-0.032559=0.967441Kmol；
计算气液比：
（V/L）＇=0.967441/0.032559=29.713;
误差［（V/L）-（V/L）＇］/（V/L）=（29.85-29.713）/29.85X100％=0.46％，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=0.03266/0.032559x100％=98.48％
液体中氩含量：
xAr=LAr/L=0.000023/0.032559xIOO％=0.07％
液体中甲烷含量：
xCH4=LCH4/L=0.00185/0.032559x100％=0.57％
液体中氢含量：
xH2=LH2/L=0.000208/0.032559x100％=0.64％
液体中氮含量：
xN2=LH2/L=0.000077/0.032559x100％=0.24％
氨分离器出口液体含量
NH3
CH4
Ar
H2
N2
小计
98.48
0.57
0.07
0.64
0.24
100.00
分离气体组分含量：
气体氨含量yNH3=［mNH3-LNH3］/V=（0.165-0.02066）/0.967441x100％=13.410％
气体甲烷含量yCH4=［mCH4-LCH4］/V=（0.12657-0.00185）/0.967441x100％=13.064％
气体氩含量yAr=［mAr-LAr］/V=（0.04392-0.000023）/0.967441x100％=4.537％
气体氢含量yH2=［mH2-LH2］/V=（0.49838-0.000208）/0.967441x100％=51.494％
气体氮含量yN2=［mN2-LN2］/V=（0.11654-0.000077）/0.967441x100％=17.163％
氨分离器出口气体含量（％）
NH3
CH4
Ar
H2
N2
小计
13.410
13.064
4.537
51.494
17.163
100.00
5冷交换器气液平衡计算
查t=15℃,p=13.062MPa的平衡常数
KNH3
KCH4
KAr
KH2
KN2
0.02522
74.585
72.752
133.32
693.699
冷交换器出口液体组分含量：
出口液体甲烷含量xCH4=yCH4/KCH4=0.11136/74.585x100％=0.149％
出口液体氨含量xNH3=yNH3/KNH3=0.025/0.02522x100％=99.110％
出口液体氩含量xAr=yAr/KAr=0.03864/72.725x100％=0.053％
出口液体氢含量xH2=yH2/KH2=0.61875/133.32x100％=0.464％
出口液体氮含量xN2=yN2/KN2=0.20625/93.966x100％=0.149％
冷交换器出口液体组分含量（％）
NH3
CH4
Ar
H2
N2
小计
99.110
0.149
0.053
0.464
0.149
100.00
6液氨贮槽气液平衡计算
由于氨分离器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白分数.
G％=（1+y5NH3）x（y8NH3-yNH3分）/（（y8NH3-y5NH3）x（1-yNH3分））
=[（1+0.025）x（0.165-0.13741）]/[（0.165-0.025）x（1-0.13741）]x100％=23.418％
水冷后分离液氨占总量的23.418％冷交，氨冷后分离液氨占总量的76.582％.
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：
m（0i）=L（15）xX15i+L16xX16i
=G％xL0xX15i+（1-G％）xX16i
=0.23418xX15i+0.76582X16i
混合后入口氨含量：
m0NH3=0.23418x0.9848+0.76582x0.9911=0.98962
混合后入口甲烷含量:
m0CH4=0.23418x0.0057+0.76582x0.00149=0.002476
混合后入口氩含量:
m0Ar=0.23418x0.0070+0.76582x0.00053=0.00057
混合后入口氢含量：
m0H2=0.23418x0.0064+0.76582x0.00464=0.005052
混合后入口氮含量：
m0N2=0.23418x0.0024+0.76582x0.00224=0.002277
液氨贮槽入口液体含量
m0NH3
m0CH4
m0Ar
m0H2
m0N2
小计
0.98962
0.002476
0.00057
0.005052
0.002277
1.0000
当热t=17℃平衡计算得，平衡常数P=1.568MPa
KNH3
KCH4
KAr
KH2
KN2
0.598
170
540
575
620
根据气液平衡L（i）=m（0i）/[1+（V/L）xk（i）],设（V/L）=0.0275,代入上式得:
出口液体氨含量：
LNH3=m0NH3/[（1+（V/L）xkNH3]=0.989/（1+0.0275x0.598）=0.972999Kmol
出口液体甲烷含量：
LCH4=m0CH4/[1+（V/L）xkCH4]
=0.002476/（1+0.0275x170）=0.000436Kmol
出口液体氩含量：
LAr=m0Ar/[1+（V/L）xkAr]=0.00057/（1+0.0275x540）=0.000036Kmol
出口液体氢气含量：
LH2=m0H2/[1+（V/L）xkH2]=0.005052/（1+0.0275x575）=0.003Kmol
出口液体氮气含量：
LN2=m0N2/[1+（V/L）xkN2]=0.002277/（1+0.0275x620）=0.000126Kmol
L（总）=0.973897,V=1-0.973897=0.026103Kmol
（V/L）＇=V/L=0.0268,误差（0.275-0.0268）/0.0275=2.4％
当V/L=0.025时
LNH3=0.974432Kmol,LCH4=0.000472Kmol
LAr=0.000039Kmol,LH2=0.000328Kmol
LN2=0.000138KmolV=1-L（总）=0.024591
（V/L）＇=V/L=0.024591/0.975409=0.0251
误差（0.025-0.0252）/0.025x100％=0.4％
出口液体组分含量：
出口液体氨含量：
xNH3=LNH3/L=0.974432/0.975409x100％=99.8998％
出口液体甲烷含量：
xCH4=LCH4/L=0.000472/0.975409x100％=0.048％
出口液体氩含量：
xAr=LAr/L=0.000039/0.975409x100％=0.004％
出口液体氢气含量：
xH2=LH2/L=0.000328/0.975409x100％=0.0336％
出口液体氮气含量：
xN2=LN2/L=0.000138/0.975409x100％=0.0141％
液氨贮槽出口液氨组分（％）
NH3
CH4
Ar
H2
N2
小计
99.8998
0.048
0.004
0.0336
0.0141
1.0000
出口弛放气组分含量：
弛放气氨含量：
yNH3=（M0NH3-LNH3）/V=（0.98962-0.97443）/0.024591x100％=61.784％
弛放气甲烷含量：
yCH4=（M0CH4-LCH4）/V=（0.00248-0.000472）/0.02459x100％=8.15％
弛放气氩含量：
yAr=（M0Ar-LAr）/V=（0.00057-0.000039）/0.024591x100％=2.15％
弛放气氢气含量：
yH2=（M0H2-LH2）/V=（0.005052-0.000328）/0.024591x100％=19.21％
弛放气氮气含量：
yN2=（M0N2-LN2）/V=（0.002277-0.000138）/0.024591x100％=8.698％
出口弛放气组分含量
NH3
CH4
Ar
H2
N2
小计
61.784
8.15
2.15
19.21
8.698
100.00
7合成系统物料计算
将整个合成看着一个系统，进入该系统的物料有新鲜补充气补V补，离开该系统的物料有放空气V放，液氨贮槽弛放
气V弛，产平液氨L氨
由前计算数据如下表：
名称
NH3
CH4
Ar
H2
N2
补充气
--
0.0098
0.0034
0.7276
0.2592
放空气
0.13741
0.13064
0.04537
0.51494
0.017163
弛放气
0.61874
0.08149
0.02159
0.1921
0.08698
液氨
0.998998
0.000484
0.00004
0.000336
0.0.00141
入塔气
0.025
0.1136
0.03864
0.61875
0.20625
出塔气
0.165
0.12657
0.04392
0.49838
0.16612
8水冷器物料计算
进器物料：
水冷器进气物料等于热交换器出口物料，即V10入=9998.906m3
出器物料：
在水冷器中部分气氨被冷凝；由氨分离器气液平衡计算得气液比（V/L）=29.85,有如下方程:
V11出/L11出=（V/L）=29.85┉┉┉┉┉┉①
V11出+L11出=L10入=9998.906┉┉┉┉┉┉②
将V11出=29.85L11出带入②得:
L11出=
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