合成氨生产工艺.docx

1、合成氨生产工艺合成氨的生产工艺设计 合成氨的生产工艺设计 一生产原理概述氨是一种重要的化工原料，特别是生产化肥的原料，它是由氢和氮合成。合成氨工业是氮肥工业的基础。为了生产氨，一般均以各种燃料为原料。首先，制成含H2和CO等组分的煤气，然后，采用各种净化方法，除去气体中的灰尘、H2S、有机硫化物、CO、CO2等有害杂质，以获得符合氨合成要求的洁净的1：3的氮氢混合气，最后，氮氢混合气经过压缩至15Mpa以上，借助催化剂合成氨。二半水煤气制气原理固体燃料的气化过程实际上主要是碳与氧的反应和碳与蒸汽的反应，这两个反应称为固体燃料的气化反应。表1 以空气为气化剂主要反应方程序号反应方程式1CO23.

2、76N2）=CO2+3.76N2）2CO=23.76N2）=2CO+3.76N2）3CCO23.76N2）=2CO+3.76N=2）42C3.76N2O23.76N2=CO27.52N2表2 以水蒸汽为气化剂主要反应方程式序号反应方程式1CH2O汽）=COH22C2H2O汽）=CO22H23CO2H2O汽）=CO2H242H2O2=2H2O汽）5CH2=CH46CO3H2=CH4H2O7CO24H2=CH42H2O汽）在气化炉燃烧层中，炭与空气几水蒸汽的混合物相互作用时的产物称为半水煤气，其化学反应按下列方程式进行：2CO23.76N2=2CO23.76N2CH2O汽）=COH2这种煤气的组成

3、由上列两反应的热平衡条件决定。因为半水煤气是生产合成氨的原料气，因此，要求入炉蒸汽与空气习惯上称为氮空气）比例恰当以满足半水煤气中COH2）：N2=3要求，但是在实际生产中要求半水煤气 半水煤气脱硫 - 压缩机1，2工段 - 变换 - 变换气脱硫 -压缩机3段 - 脱硫 -压缩机4，5工段 - 铜洗 - 压缩机6段 - 氨合成 - 产品NH3 四工艺计算及工艺条件4.1 煤气发生炉含燃烧室）的物料及热量衡算方法：实际数据计算法实际计算法是以实测煤气组成为依据的计算法，采用此法计算时，首先将气化煤进行试烧，以得到准确的煤气组成分析数据。已知条件的确定:表5 入炉煤组成，重量%CHONSAW合计7

4、8.131.320.430.770.5113.245.6100燃烧热值 28476kJ/1. 吹风气组成，体积%表6 吹风气组成， 体积%CO2O2COH2CH4N2合计H2S16.550.356.563.340.7672.451000.85g/Nm32. 半水煤气真正组成，体积%表7 半水煤气组成， 体积%CO2O2COH2CH4N2合计H2S7.50.2032.10440.5416.661001.45g/Nm33.各物料进出炉的温度空气25。相对湿度80%，空气含水汽量0.0213kg水汽）/kg干汽）；吹风气，上行煤气流600；下吹煤气200；灰渣200；上行蒸汽120；饱和蒸汽的焓27

5、30kJ/kg；下吹蒸汽550；过热蒸汽的焓3595kJ/kg；4生产循环时间%，时间S）表8 生产循环时间吹风上吹下吹二次上吹吹净合计2626368410046.8s46.8s64.8s14.4s7.2s180s5.计算基准：100kg入炉燃料6.带出物数量及其组分带出物数量：2kg绝对干料带出物组分及各组分重量表9 带出物数量及其组分元素组成，重量%各组分重量，kgC82.5.20.8250=1.65H1.6620.0166=0.03O0.4720.0047=0.01N0.8020.008=0.02S0.5720.0057=0.01灰分14.0020.14=0.28合计1002带出物热值3

6、0030kJ/ 摘自 钟蕴英、关梦嫔、崔开仁、王惠中编 .煤化学.7.燃料气化后转入煤气中的元素量，kgC 78.131.652.20）=74.28H 1.325.62）/180.03=1.91O 0.435.616）/180.01=5.40N 0.770.02=0.75S 0.510.010.05）=0.45合计：82.84.2 物料及热量衡算吹风阶段的计算： 物料衡算）1. 每Nm3吹风气中含有的元素量，kgC 120.16550.06560.0076）/22.4=0.128 H 20.03340.00762）/22.40.000852/34=0.00438O 320.00350.1655

7、0.06560.5）/22.4=0.288N 28/22.40.7245=0.906S 0.0008532/34=0.00082. 由碳平衡计算吹风气量：74.28/0.128=580Nm33. 由氮平衡计算空气用量：5800.9060.770.02）/0.7928/22.4）=530m3 空气带入水汽量 ： 5301.2930.0213=14.61.293为空气密度）4. 氢平衡以千克计）进项：a。燃料带入氢量： 1.91b空气中水蒸汽带入氢量：14.62/18=1.62合计： 3.53出项：a.吹风气中含氢量：5800.00438=2.54b.吹风气中水汽含量：3.532.54=0.99合

8、计：3.535氧平衡以kg计）进项：a.燃料带入氧量； 空气中氧量： 5.40b.空气中含氧量： 5300.2132/22.4=159c.空气中水汽含氧量： 14.616/18=12.98d.合计： 177.38出项：a.吹风气中氧量：5800.288=167.04b.吹风气中水汽含氧量：8.9116/18=7.92c.合计：174.96误差：177.38174.96）/177.38100%=1.36%6硫平衡以kg计）进项：燃料带入硫量：0.45出项：吹风气中含硫量：5800.0008=0.46误差：0.450.46）/0.45100%=2.2%4.3制气阶段的计算以100kg入炉燃料为基准

9、）4.3.1 物料衡算 1.每Nm3半水煤气中含有的元素量，kgC=12/22.40.0750.3210.0054）=0.215H=2/22.40.4320.005）2/340.00145=0.0390O=32/22.40.0020.0750.3210.5）=0.340N=28/22.40.1666=0.2083S=32/340.00145=0.001362.由碳平衡计算半水煤气产量：74.28/0.215=344N m33.由氮平衡计算氮空气用量：3440.20830.75）/0.7928/22.4）=72N m3氮空气中含水汽量：721.2930.0213=1.9824.氢平衡已知和假设数

10、据上行半水煤气产量为XNm3上行半水煤气中含水蒸汽量为0.25kg/N m3上、下吹蒸汽用量相等各为Wkg下行半水煤气产量为344X）Nm3下行半水煤气中含水蒸汽量为0.42kg/ Nm3为方便计算，假设上、下吹气体成分相同，上、下吹氮空气作为均匀加入计。上行制气阶段氢平衡以kg计）进项：a）燃料带入氢量：1.91X/344=0.00555水蒸汽带入氢量：W2/18=W/9b）氮空气中水蒸汽含氢量：1.9822/18X/344=0.00064X合计： W/90.0062X出项：1）半水煤气中氢量：0.0390X2） 半水煤气中水汽含氢量：0.252/18）X=0.0278X合计：0.067X平

11、衡：W/90.0062X=0.067X W=0.556X-1）下行制气阶段氢平衡以kg计）进项：1）燃料带入氢量1.910.00555X2）蒸汽带入氢量W2/18=W/93）氮空气中水汽含氢量：1.9822/180.00064X=0.220.00064X合计：W/92.13-0.0062X出项：a半水煤气中氢量344X）0.0390=13.420.0390Xb.半水煤气中水汽含氢量0.422/18）344X）=16.050.047X合计：29.470.086X平衡：W/92.130.0062X=29.470.086XW=2460.78X-2）解方程1）和2）得： X=184W=102.4由此得

12、：上行半水煤气产量：184N m3上行半水煤气产量占总产量的百分数：184/344100%=53.4%下行半水煤气产量：344184=160下行半水煤气产量占总产量的百分数：160/344100%=46.6%上行半水煤气中水蒸汽量0.25184=46kg下行半水煤气中水蒸汽汽量：0.42160=67.24667.2=113.2 蒸汽总耗量：102.42=204.8kg 上吹蒸汽分解率： 102.446）/102.4100%=55.08% 下吹蒸汽分解率： 102.467.2）/102.4100%=34.38%平均蒸汽分解率： 204.84667.2）/204.8100%=44.73%5.氧平衡

13、以kg计）进项：1）燃料中带入氧量：5.402）蒸汽带入氧量：204.816/18=182.043）氮空气中氧含量：720.2132/22.4=21.64）氮空气中水汽含氧量：1.98216/18=1.76合计：210.80出项：1）半水煤气中氧量：3440.34=118.962）半水煤气中水汽含氧量：67.246）16/18=100.62合计 211.42误差：211.42210.80）/210.80100%=0.29%6硫平衡以kg计）进项：燃料带入硫量：0.45合计0.45出项： 半水煤气中含硫量：3440.00136=0.474.3.2 热量衡算1. 进项 燃料热值：10028476=

14、2847600(2 燃料显热：100251.05=2625(3蒸汽的焓：102.42730102.43595=6476802730 、 3595分别为上行蒸汽和下行蒸汽的焓）摘自梅安华主编.小合成氨厂工艺技术与设计手册.干氮空气显热：72251.30=2344氮空气中水汽的焓：1.9822564=5081 2564为水蒸汽的焓）合计：35053302.出项：1）半水煤气热值：3449795.77=33697461标准m3半水煤气热值为：128100.43126840.321399840.0054=9795.772）干半水煤气的显热：1841.2236001601.346200=178091上行

15、半水煤气比热：0.0752.060.0021.420.3211.360.431.310.00542.260.16661.35=1.223kJ/ m3下行半水煤气比热：0.0751.810.0021.340.3211.310.431.300.00541.760.16661.31=1.346kJ/ m31）半水煤气中水汽的焓：46369667.22890=364224 3696、2890分别为600 和200 蒸汽的焓）摘自.煤化工工艺学 郭树才编 2）带出物热值：300302=600603）带出物显热：6001.052=1260 1.05为带出物的比热）4）灰渣中可燃物热值：340202.201

16、05000.05=75369 34020、10500分别为碳和硫的热值）摘自.煤化工工艺学 郭树才编 5）灰渣显热：15.20.97200=28488 0.97为灰渣的比热）6）热损失取燃料发热值的8%）28476000.08=227808 合计：43050443.需从煤层中吸取的热量kJ） 43050443505330=7997144.制气效率：3505330/2847600799714647680）100%=81.6%5.热量平衡表表11热量平衡表kJ）进项出项燃料热值 2847600半水煤气热值 3369746燃料显热 2625干半水煤气显热 179159蒸汽的焓 647680半水煤气中

17、水汽的焓 364224干氮空气显热 2344带出物热值 60060氮空气中水汽的焓 5081带出物显热 1260从煤层中吸取热量799714灰渣中可燃物热值 75369灰渣显热 28488热损失 227808合计 4305044合计 43050444.4 总过程计算4.4.1 燃料使用分配设100kg燃料用于制半水煤气为Xkg根据热量平衡得：799714X=100X）132974X=62.4每100kg燃料用于制半水煤气为62.4%，用于制吹风气未37.6%4.4.2 每100kg燃料的生产指标吹风气产量：5800.376=218N m3半水煤气产量：3440.624=214.6N m3氮空气

18、消耗量：720.624=44.9蒸汽消耗量：204.80.624=127.8吹风时空气消耗量：5300.376=199总过程效率：214.69795.77）/28476006476800.624）100%=64.6%4.4.3 物料衡算kg）1.碳平衡进项：燃料中碳含量：74028合计：74.28出项：1）半水煤气中碳含量：214.60.215=46.142）吹风气中碳含量：2180.128=27.90合计：74.04误差：74.2874.04）/74.28100%=0.32%2.氢平衡 进项：1）燃料中氢含量：1.91 2）空气中水汽含氢量：1991.2930.02132/18=0.613）

19、氮空气中水汽含氢量：44.91.2930.02132/18=0.144）蒸汽含氢量：127.82/18=14.2合计：16.86 出项：1）半水煤气中氢含量：214.60.0390=8.37 2）半水煤气中水气含氢量：214.6113.2/3442/18=7.853）吹风气中含氢量：2180.00438=0.954）吹风气中水汽含氢量：2180.01542/18=0.37合计 ：17.54误差：17.5416.86）16.86100%=4%3 氧平衡 进项：1）燃料中氧含量5.402）空气中氧含量：1990.2132/22.4=59.73）蒸汽中含氧量：127.816/18=113.64）空气

20、中水汽含氧量：1990.2132/22.4=4.875）氮空气中水汽含氧量：44.91.2930.021316/18=1.106）氮空气中氧量：44.90.2132/22.4=13.47合计： 198.14出项：1）半水煤气中氧含量：214.60.340=72.962）半水煤气中水汽含氧量：214.6113.2/34416/18=62.773）吹风气中氧含量：2180.288=62.784）吹风气中水汽含氧量：2180.015416/18=2.98合计：201.49误差：201.49-198.14）/198.14100%=1.6%4 氮平衡 进项：1）燃料中氮含量：0.752）空气中氮含量：1

21、990.7928/22.4=196.513）氮空气中氮含量：44.90.7928/22.4=44.34合计： 241.60出项：1）半水煤气中氮含量：214.60.2083=44.702）吹风气中氮含量：2180.905=197.50合计：242.2误差：242.2241.60）/242.2100%=0.2%4.5 配气计算配气量计算： 半水煤气中COH2）：N2取3.1：1吹风气中COH2=6.563.34=9.90N2=72.45半水煤气中COH2=32.143N2=16.66设每标准水煤气中配入吹风气量为XNm39.90X75.1=3.1/(10.1092100%=8.38%O2 =(0

22、.0020.00350.1092/(10.1092100%=0.21%CO=(0.3210.06560.1092/(10.1092100%=29.58%H2=(0.430.03340.1092/(10.1092100%=39.10%CH4=(0.00540.00760.1092/(10.1092100%=0.56%N2=(0.16660.72450.1092/(10.1092=22.15%4.6 消耗定额按每t氨计算）每吨氨耗半水煤气3300Nm3（1） 燃料：3300/238100=1387kg折合含碳85%的燃料为：1275kg2）蒸汽：3300/238127.8=1772kg4.7 吹净

23、时间核算配入半水煤气中的吃风气量：23.43Nm3配入半水煤气中的吹风气量占总吹风气量的百分数：23.43/218100%=10.74%吹净时的风量为吹风时的70%，吹净气量占吹风气总量的百分数：40.7）/26+40.7）100%=10.27%二者接近，所以每循环吹净时所回收的气量即为配入半水煤气中的吃风气量，吹净百分比合用，所以已定循环时间百分比基本适用。采用无烟煤，3000U.G.I）煤气发生炉每台每小时产半水煤气为7500Nm3。表12 已知数据循环时间及百分比程序吹风上吹下吹二次上吹吹净合计%26263684100秒46.846.864.814.47.2180根据物料、热量衡算，每1

24、00kg无烟煤的生产指标：生产量：加氮水煤气：214.6m3半水煤气：238 Nm3吹风气：19923.43=175.5消耗量：吹风空气包括吹净）：199N m3蒸汽量127.8 Nm3每个循环平均产半水煤气量：75003/60=325N m3吹风空气流量吹净时风量为吹风时风量的70%）：325/2381993600/46.87.20.7）=18871.09 Nm3/ h加氮空气流量：325/23844.93600/46.8=4716.39N m3/h蒸汽流量： 上吹蒸汽流量包括二次上吹）：325/238127.80.53600/46.814.4）=5132.85N m3/h 下吹蒸汽流量：3

25、25/238127.80.53600/64.8=4847.69N m3/h 吹风气流量：325/2382183600/46.8=22899.16N m3/h上行蒸汽流量：325/238214.60.5343600/46.814.4）=9205.10 Nm3/h下行蒸汽流量：325/238214.60.4663600/64.8=7586.64N m3/h4.8 废热锅炉的热量衡算4.8.1 设已知条件1.计算目的：通过热量衡算求处产蒸汽量2.计算依据已知条件）循环各阶段产气量无法计算，只能按其制气时间比例计算表13 半水煤气组名称CO2COH2CH4H2SN2O2组分8.3829.5839.10

26、0.560.0222.150.21吹风气量16.556.563.340.760.05672.450.35表14 自动机循环百分比阶段吹风上吹下吹二次上吹吹净百分比262636841）计算基准为10kg无烟块煤，基准温度为02）100kg无烟块煤可制半水煤气238Nm33）上吹蒸汽分解率为：55.07%4）上吹及空气吹净产生的气量占半水煤气总量的百分比：Z=Z1/Z2Z上吹及空气吹净产生的气体占半水煤气总量的百分比，%Z1上吹，二次上吹，吹净百分比之和，%Z2上吹，下吹，二次上吹，吹净百分比之和，%Z=38/74100%=51.4%5）上吹未分解蒸汽占未分解蒸汽总量的百分比：Z=Z1/Z2Z上吹未分解蒸汽占未分解蒸汽总量的百分比：Z1上吹加二次上吹百分比，%Z2上吹，下吹，二次上吹百分比之和，%Z=34/70100%=48.6%6）进废锅的煤气温度：600，出废锅的煤气温度为2007）半水煤气千克分子数：238/22.4=10.63kmol8）100kg煤气化时需要蒸汽量：127.8m3化为质量127.8/22.418=103kg9）水的分子量：1810）水蒸汽在0时的热焓：2499.34kJ11）100kg煤气化时需消耗空气：199Nm3或许199/22.4=8.8