中压法合成产12万吨氨论文.doc

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 毕业论文（设计）原创性声明本人所呈交的毕业论文（设计）是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名： 日期： 毕业论文（设计）授权使用说明本论文（设计）作者完全了解*学院有关保留、使用毕业论文（设计）的规定，学校有权保留论文（设计）并向相关部门送交论文（设计）的电子版和纸质版。有权将论文（设计）用于非赢利目的的少量复制并允许论文（设计）进入学校图书馆被查阅。学校可以公布论文（设计）的全部或部分内容。保密的论文（设计）在解密后适用本规定。   作者签名： 指导教师签名： 日期： 日期： 注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订毕业设计（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2035Mpa的称为中压法，操作温度为450550，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440470°C范围内，使用粒径0.63.7mm的催化剂较为合理;在反应后期,反应温度在420440°C范围内，使用粒径816mm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,3.20-232 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,15-335 Honti G.D. The Nitrogen Industry Part IJ.Akademiai Kiado Badapest.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 AbstractFrom the definition of synthetic ammonia ,application and development and the principle of synthetic method, through comparison and analysis, to determine the medium pressure method is used to the thinking of synthetic ammonia, combined with the tradition process ,the new scheme design of ammonia synthesis process ,this article put forward several methods of vertical and horizontal ammonia cooler and effectively reduce the oil filter and cooling tower load, and analyzes feasibility demonstration and solution, and the synthetic tower and water cooler was the material balance and energy balance, finally to the equipment type selection. main equipment and its function and principle are analyzed.Key Words: Ammonia; Medium voltage method; The process flow; Equipment selection目 录摘 要IAbstractII第一章 概述- 2 -1.1 合成氨的定义- 2 -1.2 合成氨的用途和发展- 2 -1.3 氨在国民经济中的意义- 2 -1.4 中国合成氨工业的发展概况- 3 -1.4.1 概况- 3 -1.4.2 生产能力现状- 3 -1.4.3 市场供需情况分析及预测- 4 -1.4.4 竞争能力分析- 5 -1.5 合成氨的原则流程工艺- 5 -1.6 原则流程论述- 6 -第二章 工艺流程论证- 7 -2.1 合成氨方案的确定- 7 -2.2 中压法合成氨工艺流程设计- 7 -2.3 中压法合成氨工艺流程简图- 8 -2.4 中压法合成氨工艺流程条件- 8 -2.4.1 压强- 8 -2.4.2 温度- 8 -2.4.3 空间速度- 9 -2.4.4 氢氮比- 9 -2.4.5 进塔气中惰气的含量- 9 -2.4.6 催化剂的粒径- 9 -2.5 中压法合成氨工艺流程阐述- 9 -2.6 中压法合成氨工艺流程论证- 10 -第三章 物料衡算- 12 -3.1 合成塔物料衡算- 12 -3.2 水冷器物料衡算- 13 -3.3 氨分离器物料计算- 14 -3.4 液氨储槽施放气和液相组成计算- 14 -第四章 能量衡算- 17 -4.1 合成塔能量衡算- 17 -4.2 废热锅炉能量衡算- 19 -4.3 热交换器能量衡算- 20 -4.4 水冷器能量衡算- 21 -第五章 典型设备选型及论证- 22 -5.1 合成塔- 22 -5.2 水冷器- 23 -5.3 氨分离器- 23 -5.4 冷凝塔- 24 -5.5 氨冷器- 25 -5.6 循环机- 25 -参考文献- 27 -结束语- 28 -致谢- 29 -附录- 30 -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。19771978年，世界含氮化合物产量为4935万吨氮，19801981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20002001年中国大陆合成氨进口量为41t46t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，20002001年中国大陆合成氨出口量仅为5567t。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：原料造 气净化合成分离氨循环气（压缩） 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450550。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550650。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2035Mpa的称为中压法，操作温度为450550。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3035Mpa。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： ：不断补充新鲜氮氢混合气进入回路； ：循环气的预热与氨的合成； ：氨的分离； ：热能的回收利用； ：为补偿回路气体压力损失而设置循环气压缩机； ：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：氨分离器水冷却器滤油器循环系统冷凝塔氨冷器I氨合成塔氨冷器II新鲜混合气 液氨来自储槽 气氨去储罐气氨 循环冷却回水冷却上水油杂质液氨液氨图2.1：合成氨工艺流程图2.4 中压法合成氨工艺流程条件化学反应方程式： N2 + 3H2 2NH3 H = -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2035Mpa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（400520 ）。 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1.22.5mm、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46m2/g。反应初期，反应温度在440470°C范围内，使用粒径0.63.7mm的催化剂较为合理;在反应后期。反应温度在420440°C范围内，使用粒径816mm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3045降到05，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2035，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1020，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-55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2040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。进合成塔的循环气中，含氨量约2.8%3.8%。自合成塔出来的气体，温度在230度以下，含氨量13%17%，经水冷器间接冷却至2550，使大部分气氨初步液化。从水冷器出来带有液氨的循环气，进入氨分离器分离液氨。在氨分离器的气体出口管上设有放空管，可排放惰性气体。从氨分离器出来的气体进入循环压缩机，经压缩补偿系统压力损失以后，又开始下一个循环，如此实现连续生产。同时，从氨分离器和冷凝塔不断地分离出液氨。经减压至1.61.8Mpa，由液氨管道送往液氨仓库。 2.6 中压法合成氨工艺流程论证 净化后的新鲜原料气在与循环气混合之前先降温，从3045降到05，以降低气体中水和油的分压；同时在油过滤器后增设氨冷器II，将补充气在进入氨冷器II之前与循环气汇合，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，然后进入分离器分离。为使气体到氨合成时所要求的压力，需将经过精制净化除去有害成分的氢氮混合原料气经压缩机进行压缩，由于压缩后气体中夹带油雾，新鲜原料气的引入循环压缩机的位置均不宜在氨合成塔之前，需经滤油器除油后再引入合成塔。同时循环压缩机还应尽可能设置在流程中气量较小，温度较低的部位，以降低功耗。为避免气体带油，目前已推广无油润滑的往复式压缩机或采用离心式压缩机，以便从根本上解决气体带油问题，并使流程简化。氢氮混合气体需预热到接近反应温度后进入催化剂层，才能维持氨合成反应的正常操作，反应前的氢氮混合气是用反应后的高温气体预热的。这种换热过程一部分在催化剂床层中通过换热装置进行，另一部分在催化剂床层外的换热设备中进行。合成过程中的反应热有很大回收价值，还可以在反应器之外设置废热锅炉来副产蒸汽。进入氨合成塔的氢、氮混合气，一次通过催化剂层的单程转化率是有限的，大部分氢氮气并没有反应，所以必须将出合成塔气体中氨分离出来，得到纯净的氨产品，同时将未反应的氢氮气体送入合成塔循环使用。从氢氮混合气体中分离氨的方法大致有两种： （1） 水吸收法 氨在水中溶解度很大，与溶液成平衡的气相氨分压也很小，因而用水吸收法分离氨的效果很好。但是气相也会被水蒸气饱和，为防止催化剂中毒，循环气需严格脱除水分后才能循环送入合成塔。水吸收法得到的产品是浓氨水，若要制取液氨还必须经过氨水蒸馏及气氨冷凝等步骤而消耗一定的能量，所以工业上用该法分离氨的较少。 （2） 冷凝法 由于气氨容易液化，在压力条件下，采用一般降温的方法就可使气氨液化成液氨，而循环气中其他气体由于沸点很低，仍呈气态，所以可使氨从中分离出来。但冷凝法不可能达到百分之百氨分离的目的，氨的液化分离效率与温度、压力及分离器的结构等因素有关。例如操作压力在45Mpa以上时，用水冷却降温即能使氨冷凝；操作压力在2030Mpa时，水冷降温仅能分出部分氨，气相尚含氨7%9%，需进一步以液氨作冷冻剂降温到0度以下，才能使气相中的氨含量降至2%4%，以符合循环气体回合成塔使用的条件。本流程图中的氨分离器设置在水冷却器之后，从合成塔出来的含氨量为14%20%的混合气体温度在180230之间，高温混合气通过水冷却器内被冷却至2040，部分气氨被冷凝下来，进入氨分离器中减压分离出液氨。液氨在氨分离器中与循环气体分开，减压过程中溶解在液氨中的氢、氮气及惰性气体大部分可减压释放出来。然后通过循环压缩系统压缩作为补充气与新鲜原料气汇合。在合成塔中参加反应的原料氢、氮量可用氨合成率来表示（氨合成率是参加反应的氢氮量占反应前氢氮量的百分数），一般氨合成率只有25%，因而有75%的氢氮气体为参加反应，经分离氨后的循环气用循环压缩机补充压力，与新鲜原料气汇合，重新进入合成塔进行反应。 循环压缩机进出口压差（即气体增压）约为23Mpa，它说明了整个合成循环系统阻力降得大小。采用循环法操作时，新鲜原料气中的氢和氮会连续不断地合成为氨，而惰性气体除一小部分溶解于液氨中被带出外，大部分会在循环气中积累下来。因此，在工业生产中，常采用放空的方法，即将一部分含惰性气体较高的循环气体连续或间断地排出氨合成系统，以维持循环气体中惰性气体含量稳定。综合以上特点，该工艺流程能够实现氨的合成工艺，能够达到循环操作，连续不间断的工艺效果，同时为能够维持系统的稳定性，采用适当的放空，具有一定的可行性。第三章 物料衡算由本题目中要求产量为年产12万吨，则以一年中除去维修时间后以一年330天计算，一天24小时，所以设每小时的氨产量为G： G= 3.1 合成塔物料衡算在本设计中以合成塔为例，作其物料衡算，各点处的气体组分见下表3.1：（数据为假设值）表3.1 各点处气体组分气体名称H2 %N2 %CH4 %Ar %NH3 % 进塔气放空气出塔气61.5 52.3. 20.516.8.89.5.68.1.413.316.8合 成塔H2 61.5%+N2 20.5%NH3 16.8%对合成塔作物料衡算，以合成塔为依据，见下图3.1：图3.1：氨合成塔物料衡算根据产量与合成塔进出口氨含量，计算合成塔进出口气量及组成： 则： V进=公式中 V进合成塔进口气量，kg/h； G产量，kg/h； Z2塔出口气中的氨量，%； Z1塔进口气中氨含量，% 。 V进=15151.5(1+16.8%)÷17(16.8%-4%)=8132.79kgmol/hV出= V进-G=8132.79-15151.5÷17=7241.52kgmol/h有以上得出来的数据归纳出各点处气体百分比，见下表3.2： 表3.2 各点处气体组分百分比气体组成合成塔进口气体合成塔出口气体N2H2CH4ArNH3%20.561.5864100kgmol/h8132.79x20.5%=1667.228132.79x61.5%=5001.678132.79x8%=650.628132.