1、合成氨課程設計報告應用化學1101班張超1115020131概述氨是最為重要的基礎化工產品之一，其產量居各種化工產品 的首位；同時也是能源消耗的大戶,世界上大約有10 %的能源用 于生產合成氨。合成氨生產經過多年的發(fā)展，現已發(fā)展成為一種 成熟的化工生產工藝。氨主要用于農業(yè)，合成氨是氮肥工業(yè)的基礎，氨本身是重要的 氮素肥料，其他氮素肥料也大多是先合成氨、再加工成尿素或各 種銨鹽肥料，這部分約占70%的比例，稱之為“化肥氨”；同時 氨也是重要的無機化學和有機化學工業(yè)基礎原料，用于生產銨、 胺、染料、炸藥、制藥、合成纖維、合成樹脂的原料，這部分約 占30 %的比例，稱之為“工業(yè)氨”。世界合成氨技術的

2、發(fā)展經歷了傳統(tǒng)型蒸汽轉化制氨工藝、低 能耗制氨工藝、裝置單系列產量最大化三個階段。根據合成氨技 術發(fā)展的情況分析，未來合成氨的基本生產原理將不會出現原 則性的改變，其技術發(fā)展將會繼續(xù)緊密圍繞“降低生產成本、提 高運行周期，改善經濟性”的基本目標，進一步集中在“大型化、 低能耗、結構調整、清潔生產、長周期運行”等方面進行技術的 研究開發(fā)。本課程設計是對年產三十萬噸合成氨合成段工序的設計。主 要闡述了合成氨合成工段工藝路線圖、物料和能量衡算、設備選 型及計算，確定了良好的工藝條件、合理的催化劑和能源綜合利 用。1.1設計任務的依據設計任務書是項目設計的目的和依據：產量：300 kt/a液氨放空氣（

3、惰性氣Ar +CH4）： 17%原料：新鮮補充氣 N2 24%，H2 74.5 %，Ar 0.3%，CH4 1.2%合成塔進出口氨濃度：2.5%, 13.2%放空氣：（惰性氣Ar +CH4）17%合成塔操作壓力32 MPa （絕壓）精練氣溫度401水冷器出口氣體溫度35 C循環(huán)機進出口壓差1.47MPa年工作日330 d計算基準生產1t氨1.2設計內容及設計階段進行方案設計，確定生產方法和生產工藝流程。繪制工藝流程圖。進行化工計算，包括物料衡算、能量衡算以及設備選型和 計算。1.3合成氨的幾種方法氨的合成是合成氨生產的最后一道工序，其任務是將經過精 制的氫氮混合氣在催化劑的作用下多快好省地合成

4、為氨。對于合 成系統(tǒng)來說，液體氨即是它的產品。工業(yè)上合成氨的各種工藝流 程一般以壓力的高低來分類。高壓法操作壓力70100MP。，溫度為550650C。這種方法的 主要優(yōu)點是氨合成效率高，混合氣中的氨易被分離。故流程、設 備都比較緊湊。但因為合成效率高，放出的熱量多，催化劑溫度 高，易過熱而失去活性，所以催化劑的使用壽命較短。又因為是 高溫高壓操作，對設備制造、材質要求都較高，投資費用大。目 前工業(yè)上很少采用此法生產。中壓法操作壓力為2060MPa,溫度450550C,其優(yōu)缺點介 于高壓法與低壓法之間，目前此法技術比較成熟，經濟性比較好。 因為合成壓力的確定，不外乎從設備投資和壓縮功耗這兩方面

5、來 考慮。從動力消耗看，合成系統(tǒng)的功耗占全廠總功耗的比重最大。 但功耗決不但取決于壓力一項，還要看其它工藝指標和流程的布 置情況?？偟膩砜矗?530P。的范圍及功耗的差別是不大 的，因此世界上采用此法的很多。因此，本次設計選用32MPa 壓力的合成氨流程。低壓法操作壓力10MPa左右，溫度400450C。由于操作壓力和溫 度都比較低，故對設備要求低，容易管理，且催化劑的活性較高， 這是此法的優(yōu)點。但此法所用催化劑對毒物很敏感，易中毒，使 用壽命短，因此對原料氣的精制純度要求嚴格。又因操作壓力低， 氨的合成效率低，分離較困難，流程復雜。實際工業(yè)生產上此法 已不采用了。1.4合成氨原料生產合成氨

6、，首先必須制備氫、氮原料氣。氮氣來源于空氣，可以在低溫下將空氣液化、分離而得，或 者在制氫過程中直接加入空氣來解決。氫氣來源于水或含有烴類的各種燃料，它取決于用什么方法制取。 最簡便的方法是將水電解，但此法由于電能消耗大、成本高而受 到限制?，F在工業(yè)上普遍采用以焦炭、煤、天然氣、重油等原料 與水蒸汽作用的氣化方法。15進料口氣體組成合成塔進口氣體組成包括氫氮比、惰性氣體含量與初始氨含 量。當氫氫比為3時，對于氨合成反應，可得最大平衡氨含量， 但從動力學角度分析，最適宜氫氨比隨氨含量的不同而變化。如 果略去氫及氨在液氨中溶解損失的少量差異，氨合成反應氫與氮 總是按3: 1消耗，新鮮氣氫氮比應控制

7、為3,否則循環(huán)系統(tǒng)中 多余的氫或氮就會積累起來，造成循環(huán)氣中氫氮比的失調。2生產流程及生產方法的確定2.1氨合成過程的基本工藝步驟實現氨合成的循環(huán)，必須包括如下幾個步驟：氮氫原料氣的 壓縮并補入循環(huán)系統(tǒng)；循環(huán)氣的預熱與氨的合成；氨的分離；熱 能的回收利用；對未反應氣體補充壓力并循環(huán)使用，排放部分循環(huán)氣以維持循環(huán)氣中惰性氣體的平衡等。由于采用壓縮機的型式、氨分冷凝級數、熱能回收形式以及 各部分相對位置的差異，而形成不同的工業(yè)生產流程，但實現氨 合成過程的基本工藝步驟是相同的。氣體的壓縮和除油為了將新鮮原料氣和循環(huán)氣壓縮到氨合成所要求的操作壓 力，就需要在流程中設置壓縮機。當使用往復式壓縮機時，在

8、壓 縮過程中氣體夾帶的潤滑油和水蒸汽混合在一起，呈細霧狀懸浮 在氣流中。氣體中所含的油不僅會使氨合成催化劑中毒、而且附 著在熱交換器壁上，降低傳熱效率，因此必須清除干凈。除油的 方法是壓縮機每段出口處設置油分離器，并在氨合成系統(tǒng)設置濾 油器。若采用離心式壓縮機或采用無油潤滑的往復式壓縮機，氣 體中不含油水，可以取消濾油設備，簡化了流程。氣體的預熱和合成壓縮后的氫氮混合氣需加熱到催化劑的起始活性溫度，才能 送入催化劑層進行氨合成反應。在正常操作的情況下，加熱氣體 的熱源主要是利用氨合成時放出的反應熱，即在換熱器中反應前 的氫氮混合氣被反應后的高溫氣體預熱到反應溫度。在開工或反 應不能自熱時，可利

9、用塔內電加熱爐或塔外加熱爐供給熱量。(3 )氨的分離進入氨合成塔催化層的氫氮混合氣，只有少部分起反應生成 氨，合成塔出口氣體氨含量一般為1020%,因此需要將氨分 離出來。氨分離的方法有兩種，一是水吸收法；二是冷凝法，將 合成后氣體降溫，使其中的氣氮冷凝成液氨，然后在氨分離器中， 從不凝氣體中分離出來。目前工業(yè)上主要采用冷凝法分離循環(huán)氣中的氨。以水和氨冷 卻氣體的過程是在水冷器和氨冷器中進行的。在水冷器和氨冷器 之后設置氨分離器，把冷凝下來的液氨從氣相中分離出來，經減 壓后送至液氮貯槽。在氨冷凝過程，部分氫氮氣及惰性氣體溶解 在液氨中。當液氨在貯槽內減壓后，溶解的氣體大部分釋放出來， 通常稱為

10、“貯罐氣”。（4）氣體的循環(huán)氫氮混合氣經過氨合成塔以后，只有一小部分合成為氨。分 離氨后剩余的氫氮氣，除為降低情性氣體含量而少量放空以外， 與新鮮原料氣混合后，重新返回合成塔，再進行氨的合成，從而 構成了循環(huán)法生產流程。由于氣體在設備、管道中流動時，產生 了壓力損失。為補償這一損失，流程中必須設置循環(huán)壓縮機。循 環(huán)機進出口壓差約為2030大氣壓，它表示了整個合成循環(huán)系 統(tǒng)阻力降的大小。（5）惰性氣體的排除氨合成循環(huán)系統(tǒng)的情性氣體通過以下三個途徑帶出：（1）一 小部分從系統(tǒng)中漏損；（2）一小部分溶解在液氨中被帶走；（3）大 部分采用放空的辦法，即間斷或連續(xù)地從系統(tǒng)中排放。在氨合成循環(huán)系統(tǒng)中，流程

11、中各部位的惰性氣體含量是不同 的，放空位置應該選擇在惰性氣體含量最大而氨含量最小的地方, 這樣放空的損失最小。由此可見，放空的位置應該在氨已大部分 分離之后，而又在新鮮氣加入之前。放空氣中的氨可用水吸收法 或冷凝法加以回收，其余的氣體一股可用作燃料。也可采用冷凝 法將放空氣中的甲烷分離出來，得到氫、氮氣，然后將甲烷轉化 為氫，回收利用，從而降低原料氣的消耗。有些工廠設置二循環(huán)合成系統(tǒng)，合成系統(tǒng)放空氣進入二循環(huán) 系統(tǒng)的合成塔，繼續(xù)進行合成反應，分離氨后部分情性氣體放空， 其余部分在二循環(huán)系統(tǒng)繼續(xù)循環(huán)。這樣，提高了放空氣中惰性氣 體含量，從而減少了氫氮氣損失。反應熱的回收利用氨的合成反應是放熱反應

12、，必須回收利用這部分反應熱。目 前回收利用反應熱的方法主要有以下幾種：預熱反應前的氫氮混合氣。在塔內設置換熱器，用反應 后的高溫氣體預熱反應前的氫氮混合氣，使其達到催化劑的活性 溫度。這種方法簡單，但熱量回收不完全。目前小型氨廠及部分 中型氨廠采用此法回收利用反應熱。預熱反應前的氫氮混合氣和副產蒸汽。既在塔內設置換 熱器預熱反應前的氫氮混合氣，又利用余熱副產蒸汽。按副產蒸 汽鍋爐安裝位置的不同，可分為塔內副產蒸汽合成塔(內置式)和 塔外副產蒸汽合成塔(外置式)兩類。目前一般采用外置式，該法 熱量回收比較完全，同時得到了副產蒸汽，目前中型氮廠應用較多。預熱反應前的氫氮混合氣和預熱高壓鍋爐給水。反

13、應后 的高溫氣體首先通過塔內則換熱器預熱反應前的氫氮混合氣，然 后再通過塔外的換熱器預熱高壓鍋爐給水。此法的優(yōu)點是減少了 塔內換器的面積，從而減小了塔的體積，同時熱能回收完全。目 前大型合成氨廠一般采用這種方法回收熱量。用副產蒸汽及預熱 高壓鍋爐給水方式回收反應熱時，生產一噸氨一般可回收0.5 0.9噸蒸汽。2.2氨合產工藝的選擇考慮氨合成工段的工藝和設備問題時，必須遵循三個原則： 一是有利于氨的合成和分離；二是有利于保護催化劑，盡量延長 使用壽命；三是有利于余熱回收降低能耗。氨合成工藝選擇主要考慮合成壓力、合成塔結構型式及熱 回收方法。氨合成壓力高對合成反應有利，但能耗高。中壓法技 術比較成

14、熟，經濟性比較好，在1530Pa的范圍內，功耗的差 別是不大的，因此世界上采用此法的很多。一般中小氮肥廠多 為32MPa ,大型廠壓力較低，為1020MPa。由于近來低溫氨催 化劑的出現，可使合成壓力降低。合成反應熱回收是必需的，是節(jié)能的主要方式之一。除盡可 能提高熱回收率,多產蒸汽外，應考慮提高回收熱的位能,即提 高回收蒸汽的壓力及過熱度。高壓過熱蒸汽的價值較高，當然投 資要多，根據整體流程統(tǒng)一考慮。本次設計選用中壓法（壓力為32MPa）合成氨流程，采用預熱反 應前的氫氮混合氣和副產蒸汽的方法回收反應熱，塔型選擇見設 備選型部分。3生產流程簡述氣體從冷交換器出口分二路、一路作為近路、一路進入

15、合成塔一 次入口，氣體沿內件與外筒環(huán)隙向下冷卻塔壁后從一次出口出塔, 出塔后與合成塔近路的冷氣體混合，進入氣氣換熱器冷氣入口， 通過管間并與殼內熱氣體換熱。升溫后從冷氣出口出來分五路進 入合成塔、其中三路作為冷激線分別調節(jié)合成塔。二、三、四層 （觸媒）溫度，一路作為塔底副線調節(jié)一層溫度，另一路為二入主 線氣體，通過下部換熱器管間與反應后的熱氣體換熱、預熱后沿 中心管進入觸媒層頂端，經過四層觸媒的反應后進入下部換熱器 管內，從二次出口出塔、出塔后進入廢熱鍋爐進口，在廢熱鍋爐 中副產25MPa蒸氣送去管網，從廢熱鍋爐出來后分成二股，一 股進入氣氣換熱器管內與管間的冷氣體換熱，另一股氣體進入鍋 爐給水預熱器在管內與管間的脫鹽，脫氧水換熱，