产10万吨合成氨工程项目工艺设计—本科毕业论文（设计）.doc

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1、本科毕业论文（设计）论文（设计）题目：年产10万吨合成氨工程项目工艺设计（重点设计工序:合成工段） 学 院：六盘水能源矿业学院专 业：化学工程与工艺 班 级：化工072 目 录第一章 总论部分11.1设计对象11.1.1产品在国民经济中的重要性及国内外的发展趋势11.1.2设计对象规格11.1.3原料的来源和规格21.2厂址的选择21.3全厂工艺路线的选择论证41.3.1全厂工艺流程如图1.3.141.3.2造气工段41.3.3变换工段51.3.4脱硫工段51.3.5脱碳工段61.3.6精制工段71.3.7合成工段81.3.8能量的综合利用81.4年工作日和工作制度81.4.1年工作日8第二章

2、 工艺部分92.1 车间或工序的生产基本原理92.1.1 热力学92.1.2 催化剂的选择102.1.3 动力学112.2 生产方法的选择论证122.2.1 合成压力的选择论证122.2.2 新鲜气的补入位置122.2.3 放空气的排放位置132.2.4 循环压缩机的形式和位置132.2.5 氨分离的型式和级数132.2.6 氨合成反应热的利用142.2.7 氨合成工序方块流程图142.3 设备选择论证152.3.1 氨合成塔的选择论证152.3.2 氨合成工序其他设备的选型152.4 工艺操作条件的确定162.4.1氨合成压力162.4.2氨合成温度162.4.3 氢氮比172.4.4 进塔

3、氨含量和氨分离温度172.4.5 惰性气体含量182.4.6 废热回收参数18第三章 合成氨工序物料衡算193.1 氨合成方块工艺流程图193.2 计算基准193.3 已知条件203.4 合成回路压力分布203.5 氨合成塔出口氨含量估计203.6 氨合成塔213.7 水冷器223.8 冷凝塔253.9 氨合成工序物料衡算26第四章 氨合成热量衡算344.1 氨合成反应热344.1.1 合成塔一进带入热量344.1.2 合成塔一出带走热量354.1.3 合成塔二进带入热量364.1.4 合成塔二出带走热量374.1.5合成塔反应热384.2 废热锅炉热量计算394.2.1 入口气带入热量394

4、.2.2 出口气带走热量404.2.3 废热锅炉热负荷404.2.4 可副产蒸汽量414.3 软水加热器热量计算414.3.1 热气体（从废热锅炉来气）带入热量424.3.2 热气体（去热交换器）带出热量424.3.3 热负荷（可回收的热量，忽略热损失）434.3.4 软水量434.4 热交换器能量衡算：434.4.1 冷气体（即合成一次出口塔气）带入热量444.4.2 冷气体（即合成二次入塔气）带出热量444.4.3 热气体（即软水加热器来气）带入热量444.4.4 热气体出口带出热量444.5 水冷器和氨分离器热量衡算454.5.1 气体带入热量454.5.2 气体带出热量454.5.3

5、液氨带出热464.5.4 液氨冷凝放出热474.5.6 需要冷却水量W474.6 冷交换器与氨冷器能量衡算484.6.1 热气体（氨分离器来）带入热484.6.2 气体（去合成塔）带出热484.6.3 氨的冷凝热494.6.4液氨带出热494.6.5 由液氨蒸发移出的热量494.6.6 新鲜气带入热494.6.7 冷冻液氨含量G504.7 循环压缩机能量衡算：504.7.1循环压缩机出口温度计算504.7.2 进口气体带入热514.7.3 出口气带出热514.7.4 绝热压缩提供能524.7.5 压缩功校核：524.8合成全系统能量平衡总汇534.8.1 氨冷凝热QY包括水冷器中和氨冷却器中的

6、氨冷凝热。544.8.2 放空气带出热 ,由分氨后与入冷凝塔的气体的热量之差确定。544.8.3 由氨分离器和冷交换器排出液氨量Q7和Q15作为支出项。包括了驰放气和产品氨的热量。544.8.4 其他各项均为各单元设备计算结果54第五章 主要设备计算555.1 合成塔设备工艺计算555.1.1 平衡温度曲线555.1.2 作最佳温度曲线575.1.3 确定触媒框的形式与尺寸585.1.4 工艺设计参数595.1.5 物性数据的计算60第六章 非工艺部分796.1 环境保护796.2 工业“三废”排放试行标准796.2.1 废气的处理806.2.2 废液的处理816.2.3 废料销毁816.3

7、工程概算826.3.1 固定资金82年产10万吨合成氨工程项目工艺设计重点设计工序合成工段摘 要本设计是根据设计任务书的要求，对年产10万吨合成氨工程项目的工艺设计（重点设计工序：合成工段），因在合成氨过程中伴随有毒、高温、高压、易燃易爆等危险因素，故本设计采用PDS法脱硫，NHD法脱碳，该工艺综合了以往工艺的优点，而且该系统同时具备物理吸收和化学吸收的功能。该系统具有高效，节能的特点，且耐冲击负荷高，产品氨质量好。因此具有广泛的适应性。完全适合本设计的实际要求。本工艺主要由五个工段组成，即煤气化过程（造气工段）、变换工段（包括脱硫）、脱碳工段（脱除CO）、气体精制工段、合成工段。本设计采用了

8、铜氨液吸收法对原料气作最终净化，工艺流程简单，操作简单、维修方便，很多合成氨厂都采用该法，节省了基建投资和运行费用，同时其构造形式多样，运行灵活，管理方便，保证出气达到排放标准。本设计共有两张图纸：、带控制点的生产工艺流程图(采用AutoCAD绘制)；、主要设备装配图（采用人工绘制）。关键词：合成氨、工艺设计、工段组成、图纸Annual output of 10 tons of synthetic ammonia process design projects Focus on the design process - Synthesis SectionAbstractThe design i

9、s based on the design requirements of the mission statement, annual output of 100,000 tons of synthetic ammonia process design projects (focus the design process: Synthesis Section), with due process in the toxic ammonia, high temperature, high pressure, flammable and other risk factorsTherefore, th

10、is design uses a PDS desulfurization, NHD method decarburization, the process combines the advantages of the previous process, and the system also have the physical absorption and chemical absorption features.The system has high efficiency, energy-saving features, and high resistance to shock loadin

11、g, ammonia and good quality products.Thus a wide range of adaptability.Entirely suitable for the design of the actual requirements.Section of this process mainly consists of five components, namely, coal gasification process (making the section of gas), shift conversion section (including desulfuriz

12、ation), decarburization Section (removal of CO), gas purification steps, the synthesis of Section.This design uses a copper ammonia gas liquid absorption method for final purification of raw materials, process is simple, simple operation, easy maintenance, many ammonia plants have adopted the Act, s

13、ave construction investment and operation costs, while its structural forms, flexible operation, easy management, to ensure that outlet to meet emission standards.There are two drawings of the design: , with a control point of production flow chart (using AutoCAD drawing); , major equipment assembly

14、 drawings (artificial drawn.)Key words: ammonia, process design, Section of composition, drawing引言毕业设计对于我们化学工程与工艺专业的学生而言是一个十分重要的学习环节。通过毕业设计，我们可以将以往所学的基础知识、专业基础知识、和专业知识进行综合性应用，同时也是我们毕业走向工作岗位的一次演练。本设计为年产10万吨合成氨工程项目工艺设计。设计任务书的要求是进行设计。设计主要分为三大部分：第一部分为总论，主要包括设计对象及全厂生产路线的选择论证，第二部分为计算部分，包括物料衡算和热量衡算，第三部分为非工

15、艺部分，包括环境保护和经济技术指标。设计本着安全、经济、适用、美观的原则按照新规范进行设计，并参考了大量的相关书籍。设计数据力求准确无误，满足使用要求。由于时间、能力和知识有限，设计难免有疏漏之处，敬请指正。第一章 总论部分1.1设计对象1.1.1产品在国民经济中的重要性及国内外的发展趋势氨在国民经济中占有重要地位。现在约有80%的氨用来制造化学肥料，其余作为生产其他化工产品的原料。农业对化肥的需求是合成氨工业发展的持久推动力：世界人口不断增长给粮食供应带来压力，而施用化学肥料是农业增产的有效途径。氨水（即氨的水溶液）和液氨体本身就是一种氮肥；农业上广泛采用的尿素、硝酸铵、硫酸铵等固体氮肥，和

16、磷酸铵、硝酸磷肥等复合肥料，都是以合成氨加工生产为主。与能源工业关系密切：合成氨生产通常以各种燃料为原料，同时生产过程还需燃料供给能量,因此,合成氨是一种消耗大量能源的化工产品。1.1.2设计对象规格年产10万吨合成氨工程项目设计工艺，重点设计：合成工序，进氨合成塔氢氮比为2.66.产品：合成氨 国家标准：GB3100-3102- 93 质量标准：优等品氨含量% 99.9 优等品残留物含量% 0.1(重量法) 优等品水份% 0.1 优等品油含量，mg/kg 5（重量法） 优等品铁含量，mg/kg 11.1.3原料的来源和规格煤源地与厂址的距离图1煤的基本指标煤种 粒度 产地 硫份 水份 发热量

17、 挥发份 灰份无烟煤 050毫米混煤 遵义 1% 10% 5800大卡 8% 8%综上，本设计用煤以金沙无烟煤为主，遵义周边的无烟煤为辅。1.2厂址的选择遵义市主要国道及水源图距厂址的距离图图2遵义市电厂距厂址的距离图图3遵义市年平均气温14.7，比昆明市高0.6。因此遵义市冬无严寒，夏无酷暑，雨量丰沛，气候宜人。7月平均气温24左右，总降水量400500mm。1月平均温度5.5左右，总降水量6070mm。遵义属亚热带季风气候区，终年温凉湿润，冬无严寒，夏无酷暑，气候宜人，年均降水量1200毫米，年均日照1146.9小时，无霜期270天。境内冬季、秋末、春初，受西伯利亚南下冷空气影响，风向多为

18、偏北风，因地貌复杂多变，地面风主要是东北风。年平均相对湿度在82左右，年平均蒸发量1150毫米。综上，本设计建厂位置在遵义市新浦镇吴家岭，据城郊5公里。1.3全厂工艺路线的选择论证1.3.1全厂工艺流程如图4造气阶段变换阶段脱硫阶段氨合成阶段脱碳阶段精制阶段 图4 全厂工艺流程1.3.2造气工段造气工段是整个合成氨工艺的前提，目前国内的造气方法有外热法、富氧空气气化法、蓄热法。蓄热法：此法也称间歇式制气法，是先将空气送入炉燃烧煤，提高煤层温度，生成的吹风气经回收热量后大量放空。而后通入蒸汽进行煤气化反应，所得水煤气配入部分吹风气即成半水煤气。由于水蒸气气化煤是吸热反应，因而使煤层温度下降，故需

19、重新通入空气一提高炉温，再通过水蒸气进行气化反应。整个制气过程反复交替进行。此法是目前我国中、小型合成氨厂广泛采用的气化方法。富氧空气气化法：用富氧空气或纯氧代替空气进行煤气化，藉以调整煤气中的氮含量，且因炉温高可实现连续化制气是其一大优点。若用纯氧气化来作为合成氨原料气时，尚需在后继工序中补充纯氮，此法成本较高。外热法：利用其他的廉价高温热源来为煤气化提供热能。这种方法虽然在工艺上是可行的，但是目前尚未达到工业化阶段。 综上所述，本设计采用蓄热法间歇气化。1.3.3变换工段各种方法制取的原料气都含有CO，其体积分数一般为12%40%，现在利用CO变换反应式（CO+H2O=CO2+H2）在不同

20、温度下分两步进行，第一步是高温变换（简称高变。国内称中温变换，简称中变）使大部分CO转化为CO2和H2，第二步是低温变换简称低变，将CO含量降到0.3%左右。因此，CO变换既是原料气制造的继续，又是净化的过程：CO+H2O=CO2+H2变换的方式：中变低变串联：一般CO的含量较低，一般在13%15%左右；多段变换：CO含量较高，一般在30%左右；全低变：指全部使用宽温区的钴钼系耐硫变换催化剂，不再用高（中）变催化剂。综上所述，本设计采用中全低变。1.3.4脱硫工段为了防止合成氨生产过程催化剂中毒，必须在合成氨工序前加以脱除。硫化物多种多样，按其分子结构分为无机硫和有机硫。脱硫的方法主要有干法脱

21、硫和湿法脱硫两种,干法脱硫主要是用于天然气的脱硫，本设计这里采用湿法脱硫。湿法脱硫即是通过化学反应将混合气中的硫吸收，用脱硫剂氧化再生，脱出的硫变成硫磺，用泡沫把浮出逸流分离。让碱或氨再生还原，返回脱硫塔再去吸收H2S。往返循环不止。其特点为：吸收速度或化学反应速度快，硫容大，适合脱除气体中高硫；脱硫液再生简便，且可循环使用还可回收硫磺。随着化肥工业发展的需要，成功开发出一些新的脱硫剂。由脱硫剂的不同，目前主要应用于合成氨工业的湿法脱硫主要是两种方法：栲胶法和PDS法。栲胶法：能脱除硫化氢，产物硫磺；优点：应用广泛，既能脱低硫，也能脱高硫，脱硫率高，脱硫率达98.5%以上，脱硫塔无堵硫问题、无

22、毒性、成本低，消耗与ADA想比，原料消耗费用比其他方法低20%左右；硫容大，操作简便，腐蚀轻，硫回收率高（8085%，硫磺增产1535%），综合效益好，较适用于大中型合成氨厂；但对环境污染较大。PDS法：PDS脱硫的互换性好，脱硫的净化度和净化值与栲胶法相仿。用此法还可以脱出部分有机硫，虽然对氰化物敏感，但是适应性改良后较好，一般通过自身的排毒作用，其脱硫活性可以逐渐恢复。PDS对人体无害，不会发生设备堵塞，无腐蚀性，对环境污染较小。由于本设计的厂址离遵义城郊5公里，所以本设计选用PDS脱硫。1.3.5脱碳工段粗原料气经一氧化碳变换后，变换气中除氢、氮外，还有二氧化碳、一氧化碳和甲烷等组分，其

23、中以二氧化碳含量最多。二氧化碳是氨合成催化剂的毒物，所以，必须脱出。目前二氧化碳脱出的方法很多，一般采用溶液吸收法。根据催化剂吸附剂的性能不同，主要分为两大类。一类是化学吸收法，利用二氧化碳具有酸性特性可与碱性化合物进行反应而实现。化学吸收法中，靠减压闪蒸解吸的二氧化碳很有限，通常需要热法再生。另一类是物理吸收法，利用二氧化碳能溶于水或有机溶剂这一性质完成的。吸收后的溶液可以有效地用减压闪蒸使大部分二氧化碳解吸。而化学吸收法分为热碳酸钾法和活化MDEA法。热碳酸钾法是在1051380C下进行。但此法对设备的腐蚀严重，而且吸收的反应速率仍不能满足生产上的要求，净化度较低。活化MDEA法具有化学吸

24、收与物理吸收的优点，但再生能耗大。物理吸收法分为低温甲醇洗涤法和聚乙二醇二甲醚法。低温甲醇洗涤法可以脱除气体中的多种组分、净化度很高、选择性脱除并加以回收、热稳定性和化学稳定性好且节省投资和动力消耗；但低温甲醇洗涤法的工艺流程长，再生过程比较复杂，甲醇的毒性大，因此，要求对设备制造和管道安装高，操作谨慎，严防泄露。聚乙二醇二甲醚法既Selxol或NHD法，它对H2S和CO2的选择性较好，净化度可达10-6级、能耗低、无腐蚀性、溶剂不起泡、不降解、化学稳定性和热稳定性好、闪蒸压低、溶剂损失少、溶剂无毒、生产上可以将CO2、H2S等酸性气体脱除干净，而有用气体损失很少。综上所述，本设计考虑原料气压

25、力、流量，待脱除的酸性组分种类及其含量；所要求的净化度或酸性组分的残余含量；腐蚀性、毒性、能耗、操作性、经济性等要求，选择NHD法。1.3.6精制工段经CO变换和CO2脱除后的原料气中尚有含有少量残余的CO和CO2，为了防止它们对氨合成催化剂的毒害，合成氨生产中氨合成所需的合格气体必须保证CO和CO2总含量10cm3/m3，因此，气体在送往合成工段前，必须将CO、CO2等杂质进行最后的净化。由于CO既不是酸性也不是碱性的气体，在各种有机和无机溶液中的溶解度又很小，所以CO的脱出很不容易。目前的脱出方法又三种：铜氨液吸收法、深冷分离法和甲烷化法。铜氨液吸收法：在高压和低温下用铜盐的氨溶液吸收CO

26、的方法。通常是先吸收CO并生成新的络合物，然后已吸收CO的溶液在减压和加热条件下再生。该法工艺成熟可靠，在煤间歇制气的中小型合成氨厂中大量采用醋酸铜氨液净化，铜液组成比较稳定，再生时损失较少。所以国内铜氨液吸收法大多采用醋酸铜氨液。深冷分离法：在空气液化分离技术的基础上，在低温下逐级冷凝炉气中各个高沸点组分，最后用液体把少量CO和CH4脱除。这是一个典型的物理吸收过程，剩下的气体中尚含有0.5%1%的甲烷和氩，虽然这些气体不会使合成催化剂中毒，但它们能降低氢、氮气体的分压，从而影响氨合成的反应速率。甲烷化法：由于此法是在催化剂上用H2把CO还原成甲烷，但因反应过程中需要消耗氢气，而生成无用的甲

27、烷。所以此法只能适用于CO含量甚少的原料气。此法的优点是：工艺简单、操作方便。但此法的升温比较困难，需用外加热源预热原料气，增加了成本。综上所述，本设计选用铜氨液吸收法。1.3.7合成工段由于本设计的重点工序是合成工序，所以这里不做重点讨论。1.3.8能量的综合利用合成氨工艺中的能量利用与回收，与反应热有很大的关系。因此，必须回收这部分热量，运用到能量的循环利用当中。对合成塔一出气体进行加热剩余热量加热软水加热器的水加热中置锅炉内的水合成塔出口高温气体图5 能量的回收利用1.4年工作日和工作制度1.4.1年工作日全年按照365天计算，大修一次39天，中修3天，小修3天，则年工作日为： 365-

28、39-3-3=320天工作制度： 本设计的合成氨厂采用五天工作制，五班三到制度。第二章 工艺部分2.1 车间或工序的生产基本原理2.1.1 热力学氨合成反应的化学平衡：合成氨是一个放热和气体摩尔数减小的可逆反应，其反应式为： 化学平衡常数KP可表示为：从上式可以知道，平衡时混合气体中氨分压的多少与平衡是H2，N2的分压有关，同时与KP值有关。KP与温度的关系式如下：lgKp(po)=在加压下，KP与温度有关，而且与压力和气体的组成有关，计算KP的目的是为了计算平衡氨的浓度。KP与Kf之间的关系为：Kf=KPK氨合成反应的热效应：氨合成反应的热效应，不仅取决于温度，而且与压力、气体组成有关。纯氢

29、氮混合气完全转化为氨，在不同温度、压力下的反应热（）可由下式计算。KJ/Kmol工业生产中，反应产物为氮气、氢气、氨气及惰性气体的混合物，热效应应是上述反应热与气体混合热之和。由于混合时吸热，实际热效应较上式计算值小。混合热是气体混合物非理想的标志，它随压力的提高、温度的降低而增大。当反应热效应HR应为HF与HM之和。2.1.2 催化剂的选择合成氨属于气-固相催化反应，物料以液体状态流经固体颗粒的催化床层而实现的。工业催化剂所必备的三个重要条件：活性好，选择性高，寿命长。活性好，则催化剂的用量少而能够转化的物料量大，但对于合成氨反应，过高的活性有时反而是适得其反。因为设备需要外界供热，才能维持

30、反应的强度。但一旦放大到大规模生产，我们就需要解决如何带出这部分热量和控制温度。选择性高副产物就少，不仅使原料的损耗减少，而且也减少分离或处理这些副产物的装备和费用，使整个过程的经济指标大大降低。由于合成氨没有副反应存在，故选择性可认为是100%。寿命长，对工厂相当重要，因为，如果要更换催化剂，就要停产。催化剂的机械强度，固定床用的催化剂能承受得住床层的载荷和振动而不导致破碎和造成床层的阻塞。长期以来,人们对氨合成催化剂作了大量的研究工作,发现对合成氨有活性的一系列金属为Os,U,Fe,Mn,W等,其中以铁为主体并添加有促进催化剂的铁系催化剂,价廉易得、活性良好、使用寿命长,从而获得了广泛应用

31、.目前,大多数铁系催化剂都是用经过精选的天然磁铁矿通过熔融法制备的,习称熔铁催化剂,铁系催化剂活性组分为金属铁.现阶段国内的几种氨合成催化剂的特点及适用条件:表1 国内主要型号的氨催化剂的组成和性能型号 组 成 外 形 堆密度/(Kg/l) 使用温度/oc 主要性能A110-1 Fe3O4、Al2O3 不规则 2.72.8 380500 还原温度350OC CaO、SiO2、K2O 颗粒A110-2 同上，但不加BaO 同上 2.72.8 380490 A201 Fe3O4、Al2O3 同上 2.62.9 360490 易还原，低温活性高 CaO、SiO2、K2OA203 Fe3O4、Al2O

32、3 同上 2.83.0 300540 活性高、易还原、寿命长 CaO 、K2OA301 Fe1-x、Al2O3 同上 3.03.25 320500 低温低压高活性，还原温 CaO、K2O 度280300，极易还原 综上所述,本设计选择使用A203型催化剂.2.1.3 动力学氨合成有如下几个步骤：反应物从气流主体扩散到催化剂的外表们面（外扩散过程）；反应物进一步向催化剂的微孔内扩散进去（内扩散过程）；反应物在催化剂的表面上被吸附（吸附过程）；吸附的反应物转化成反应的生成物（表面反应过程）；反应生成物从催化剂表面上脱附下来（脱附过程）；脱附下来的生成物分子从微孔内向外扩散到催化剂外表面处（内扩散过

33、程）；生成物分子从催化剂外表面处扩散到主流气流中被带走（外扩散过程）。这中间三个步骤称为化学动力学过程。微分动力学方程：对于一般工业铁催化剂，a可取0.5.于是上式变为：K1，k2与温度及平衡常数kp的关系为：在工业上，使用上式（a取0.5时）是比较满意的。2.2 生产方法的选择论证2.2.1 合成压力的选择论证由化学反应式可知，氨合成反应是一个气体体积缩小的反应，提高压力有助于反应向合成氨的方向进行，而反应速度随压力的提高而增大。通常合成氨压力的选择需要考虑三个因素：一、能量消耗，即氢气、氮气的压缩功耗，循环气的压缩功耗和冷冻系统的压缩功耗；二、提高压力，设备体积减小，占地面积减小，冷冻系统

34、设备投资也可减小，故总设备投资费用可降低，但对设备材质要求高，制造困难，尤其当压力过高，对设备材质和制造技术要求更高，设备投资又会增加。所以基建费用随压力的提高会呈下降趋势，超过一定值后又逐渐回升；三、产品成本由基建成本和运行成本构成，前者与基建投资有关，后者与能耗有关。此外，还与氨加工产品有关。故总成本与压力变化有关。中压法技术比较成熟，经济性比较好，在1530Pa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30MPa。综上所述，本设计合成压力选择在30.0MPa.2.2.2 新鲜气的补入位置新鲜气尽管经过一系列的净化处理，但仍带有一部分CO、CO2、H2O，

35、可达15ppm。因此，补充的新鲜气就需要经冷凝液氨的洗涤，最终脱除水分、油滴和微量CO，才能确保催化剂的活性。新鲜气的补充位置通常有三种方式：新鲜气补入油分离器入口，补入的气体经过冷交换器和氨冷器冷凝液氨的洗涤达到最终精制，但这种方法会增加冷交换器管内阻力，新鲜气中微量CO2在冷交换器管内与循环气中的氨形成氨基甲酸铵之类的结晶，会堵塞管道；新鲜气补入位置在冷交换器一次出口管线至氨冷器之间，由于此处冷交后已有部分液氨冷凝，生成的微量氨基甲酸铵将被冷凝液氨溶解而排除；新鲜气补入位置在冷交换器二次入口管线上，其效果与第二个方法相同，目前后两种新鲜气补气位置设计已被不少小合成氨厂所用。所以，本设计的新

36、鲜气的补入位置放在补入油分离器入口。2.2.3 放空气的排放位置设置放空气的位置，以保持惰性气体不积累，为减少惰性气体排放时造成原料气的损失，排放气一般选择在惰性气体含量高，氨浓度较低并在新鲜气补入之前放空，通常是在氨分离之后作为排放点。所以，本设计的放空位置选择在氨分后。2.2.4 循环压缩机的形式和位置以下是几种循环机的规格及参数：型号：1P2.20.27/280308；1P350.5/285320 2Z1.39/180200；Z1.750.65/130150；Z2.40.8/290320与之对应的型式：卧式，单级复动；卧式，单级复动；立式，双列复动；立式，双列单动；立式，双列复动与之对应

37、的转速（转/分）：92；110；92；92；82与之对应的冷却水耗量(m3/h)：；0；0；0与之对应的润滑油耗量（g/h）：；0；0；0与之对应的电机功率/轴功率（千瓦）：22/20;65/52;95/71.5;45/33.3;90/76本设计的循环机位置放在氨冷器之后，合成塔之前，故需要用离心式循环机，故选择Z2.40.8/290320型离心式循环机。2.2.5 氨分离的型式和级数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1020，因此需要将氨分离出来。氨分离的方法有两种，一是水吸收法；二是冷凝法。水吸法：氨在水中的溶解度很大，与溶液成平衡的气相氨分

38、压很小。但气相亦为水蒸气饱和，为防止催化剂中毒，循环气需要严格脱除水分后才能进入合成塔。冷凝法：该法是冷却含氨混合气，使其中大部分气氨冷凝以便于不冷凝的氢氮气分开。加压下，气相中饱和氨含量随温度的降低、压力的增高而减少。如果操作压力在45MPa以上，用水冷却即能使氨冷凝。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，经减压后送至液氮贮槽。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，通常称为“贮罐气”。本设计的操作压力是30.0MP

39、a，故本设计选择的氨冷型式是冷凝法，一级氨冷。2.2.6 氨合成反应热的利用余热回收，采用如下措施：提高合成塔进气温度；热能回收又包括：用来加热锅炉给水和直接利用余热副产蒸汽。2.2.7 氨合成工序方块流程图合成塔循环机压缩机六段精炼气液氨中间槽氨分离器软水加热器中置锅炉塔外换热器氨冷器冷凝塔油水分离器 放空水 冷 器 图6 合成氨方块流程图2.3 设备选择论证2.3.1 氨合成塔的选择论证氨合成塔是合成氨生产的主要设备之一。氨在高温、高压和催化剂存在条件下由氢氮气合成。氢、氮对碳钢有明显的腐蚀作用。为了适应氨合成反应条件，氨合成通常由内件和外筒两部分组成，内件置于外筒之内。外筒主要承受高压，

40、但不承受高温，可用普通低合金钢或优质低碳钢制成。而内件承受高温，不承受高压，一般可用合金钢制成。氨合成塔内件结构繁多，目前主要有冷管式和冷激式两种塔型。前者属于连续换热式，后者属于多段冷激式。冷管式氨合成塔：中国小型氨厂多采用冷管式内件，其主要优点是：床层温度分布比较合理，催化剂生产强度高，入操作压力为30MPa，空速2000030000h-1，催化剂的生产强度可达4060t/(m3d),结构可靠、操作稳定、适应性强。其缺点是：结构复杂，冷管与分气盒占据较多的空间，催化剂还原时床层下部受冷管传热的影响升温困难，还原不易彻底。冷激式氨合成塔：其分为：轴向冷激和径向冷激。轴向冷激的优点：用冷激气调

41、节反应温度，操作方便，而且省去许多冷管，结构简单，内件可靠性好，合成塔筒体与内件上开设入孔，装卸催化剂时，不必将内件吊起，外筒密封在缩口处。其缺点是：运输和安装较困难等。径向冷激的优点：气体呈径向流动，流速低，压力降较小；直径较小。但其缺点是：不能有效地保证气体均匀流经催化剂床层，发生偏流。所以，本设计采用冷激式氨合成塔。2.3.2 氨合成工序其他设备的选型本设计的循环机位置放在氨冷器之后，合成塔之前，故需要用离心式循环机，故选择Z2.40.8/290320型立式离心式循环机。水冷器：常见的有两种，喷淋式和套管式。鉴于两种水冷器的型式的优点，本设计选择套管式。氨分离器：常见的有两种，多层套管式

42、和离心金属丝网过滤组合。鉴于两种氨分离器的型式的优点，本设计选择多层套管式。冷凝塔：由两大部分组成。上部是列管换热器，下部是氨分离器。氨冷器：常用的有两种，一种是卧式，另一种是立式，鉴于两种氨冷器的型式的优点，本设计选择立式氨冷器。废热锅炉：分为三种，前置式、中置式和后置式，鉴于三种三种废热锅炉型式的优点，本设计采用中置式。软水加热器：塔外换热器：油水分离器：2.4 工艺操作条件的确定2.4.1氨合成压力中压法技术比较成熟，经济性比较好，在1530Pa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。所以本设计合成压力选择在31.0MPa。2.4.2氨合成

43、温度表2 30.0MPa下不同温度的氨的平衡K值温度 Kp102464 0.7449472 0.6732480 0.6096488 0.5533 504 0.5034512 0.4539520 0.4192而A203催化剂的使用温度是300540OC，最适温度500OC。故本设计的氨合成温度定为500OC。2.4.3 氢氮比氨合成原料气中氢气与氮气的百分比简称氢氮比。在化工生产中一般控制在2.63.2之间，否则将不利于氨合成反应的进行，使氨产量下降。氨合成反应方程式为：N2+3H2=2NH3本设计的氢氮比为2.66.2.4.4 进塔氨含量和氨分离温度进塔氨含量：当其他条件不变时，进塔氨含量越高

44、，则氨净值越小，由于提高氨浓度，相应使推动力减小，降低了生产能力。反之，则增大了推动力，反应速度增加，虽然出口氨含量略有减少，但提高了氨净值，产量也有明显的提高。进塔氨含量降低，氨净值升高，循环气压缩功耗低，但冷冻系统负荷增加，入塔氨含量与冷凝温度和系统压力有关。通常情况下，中压法操作进塔氨含量宜在2.23.0%。氨分离器温度：本设计采用一级氨冷，温度范围在0OC -5OC。2.4.5 惰性气体含量惰性气体的存在，无论从化学平衡和动力学角度分析都是有弊无利。惰性气体主要来源于补充气，保持循环气中一定的惰性气体含量主要是靠放空气决定。控制过低的惰性气体含量势必要大量排放，有效气体的放空损失在经济上是不合格的。当操作压力较低和催化剂活性较好时，循环气中