16/22畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）201２屆題目合成氨合成工段工藝專業(yè)學(xué)生姓名學(xué)號(hào)小組成員指導(dǎo)教師完成日期２0１2－04—1０畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)書(shū)班級(jí)日期２01２-041、論文（設(shè)計(jì))題目：合成氨合成工段工藝２、論文(設(shè)計(jì)）要求：（１)學(xué)生應(yīng)在教師指導(dǎo)下按時(shí)完成所規(guī)定的內(nèi)容和工作量,最好是獨(dú)立完成。(2)選題有一定的理論意義與實(shí)踐價(jià)值，必須與所學(xué)專業(yè)相關(guān)。(3）主題明確，思路清晰.(4)文獻(xiàn)工作扎實(shí)，能夠較為全面地反映論文研究領(lǐng)域內(nèi)的成果及其最新進(jìn)展。（5）格式規(guī)范，嚴(yán)格按系部制定的論文格式模板調(diào)整格式.（6）所有學(xué)生必須在月日之前交論文初稿。３、論文（設(shè)計(jì)）日期：任務(wù)下達(dá)日期2011年１2月10日完成日期20１2年4月１０日４、指導(dǎo)教師簽字：畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）成績(jī)?cè)u(píng)定報(bào)告序號(hào)評(píng)分指標(biāo)具體要求分?jǐn)?shù)范圍得分1學(xué)習(xí)態(tài)度努力學(xué)習(xí),遵守紀(jì)律,作風(fēng)嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí),按期完成規(guī)定的任務(wù).0—1０分2能力與質(zhì)量調(diào)研論證能獨(dú)立查閱文獻(xiàn)資料及從事其它形式的調(diào)研,能較好地理解課題任務(wù)并提出實(shí)施方案,有分析整理各類(lèi)信息并從中獲取新知識(shí)的能力。0-１5分綜合能力論文能運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和技能，有一定見(jiàn)解和實(shí)用價(jià)值。0—2５分論文(設(shè)計(jì)）質(zhì)量論證、分析邏輯清晰、正確合理,0-20分3工作量?jī)?nèi)容充實(shí),工作飽滿，符合規(guī)定字?jǐn)?shù)要求。繪圖（表)符合要求.０—15分4撰寫(xiě)質(zhì)量結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，文字通順，用語(yǔ)符合技術(shù)規(guī)范，圖表清楚，字跡工整,書(shū)寫(xiě)格式規(guī)范，0—15分合計(jì)０-100分評(píng)語(yǔ)：成績(jī)：評(píng)閱人（簽名)：日期：畢業(yè)論文答辯及綜合成績(jī)答辯情況自述情況提出問(wèn)題回答問(wèn)題答辯小組評(píng)語(yǔ)及建議成績(jī)：答辯委員會(huì)綜合成績(jī):答辯委員會(huì)主任簽字：年月日合成氨合成工段工藝摘要:在氨是最為重要的基礎(chǔ)化工產(chǎn)品之一，其產(chǎn)量居各種化工產(chǎn)品的首位;同時(shí)也是能源消耗的大戶，世界上大約有10%的能源用于生產(chǎn)合成氨.氨主要用于農(nóng)業(yè),合成氨是氮肥工業(yè)的基礎(chǔ)，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(shí)氨也是重要的無(wú)機(jī)化學(xué)和有機(jī)化學(xué)工業(yè)基礎(chǔ)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(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了傳統(tǒng)型蒸汽轉(zhuǎn)化制氨工藝、低能耗制氨工藝、裝置單系列產(chǎn)量最大化三個(gè)階段.根據(jù)合成氨技術(shù)發(fā)展的情況分析,未來(lái)合成氨的基本生產(chǎn)原理將不會(huì)出現(xiàn)原則性的改變，其技術(shù)發(fā)展將會(huì)繼續(xù)緊密?chē)@“降低生產(chǎn)成本、提高運(yùn)行周期,改善經(jīng)濟(jì)性”的基本目標(biāo),進(jìn)一步集中在“大型化、低能耗、結(jié)構(gòu)調(diào)整、清潔生產(chǎn)、長(zhǎng)周期運(yùn)行”等方面進(jìn)行技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)。合成氨生產(chǎn)過(guò)程中,換熱器應(yīng)用十分廣泛，主要用于熱量的交換和回收。變換工段中主要涉及一氧化碳的轉(zhuǎn)化和能量的回收利用,列管換熱器在傳熱效率，緊湊性和金屬耗量不及某些換熱器,但它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，堅(jiān)固耐用，適用性強(qiáng)，制造材料廣泛等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，因而,在合成氨變換工段選擇列管式換熱器，而本設(shè)計(jì)主要對(duì)該換熱器進(jìn)行相關(guān)選計(jì)算。關(guān)鍵詞：氨，合成氨，反應(yīng)熱,氫氣目錄TOC＼ｏ＂１-3”\h\ｚ\uTＯC\ｏ"1—３＂＼f＼h\ｚ1緒論 PＡGＥRＥＦ_Toc32１6858７1\h11.1怎樣固氮 PAGERＥF_Tｏc32１685８72\h11．2氨從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)生產(chǎn)?PAGEREＦ_Toc3２１685873＼h１１.2。1艱難的探索 PAＧEＲEF_Toｃ３2１68587４\h1１.２。２哈伯終成正果 PAGＥＲEＦ_Toｃ32168587５\h11.３氨工業(yè)化后的發(fā)展 PAＧERＥＦ_Toc3２１68５８７6\h22氨的合成?PAＧEＲEF_Toｃ32１６85877\ｈ３2.１原料氣來(lái)源 ＰAGＥREF＿Ｔoc3216８5878\ｈ３2。１．1煤氣的生成 PＡＧＥRＥＦ_Tｏc3２１685８79\ｈ32。1.2天然氣制氨 ＰAGERＥF_Ｔoc321６85８80＼ｈ32．１.3重質(zhì)油制氨 ＰAＧＥREF_Ｔoc３２1685８8１\h４2。３氨合成反應(yīng)的特點(diǎn)和催化劑 PAGEREF_Tｏc32１6858８2\ｈ42。３.1氨合成反應(yīng)的特點(diǎn) ６8５８8３\h4２.3。2氨合成鐵系催化劑?ＰAＧEＲEF_Ｔｏc32１68５884＼h4２.4最佳工藝條件的選擇 PAGERＥF_Tｏc3２1685８85\h52．４．1壓力?ＰＡGEＲEF_Toc３2１68588６\ｈ62。4.２溫度 ８５８87\h６2。４.3空間速度 １6８5888＼ｈ62。４．4合成塔入口氣體組成 PＡGEＲＥＦ_Toｃ32168５88９\h62。5合成氨工藝流程?PAＧEREF_Toｃ３2１6８58９0＼ｈ63工藝過(guò)程設(shè)計(jì) PＡＧＥREF_Ｔoc32168589１\ｈ83.1估算傳熱面積 ＰＡGEREF_Toc32168５892\h８3．1。1查取物行數(shù)據(jù)?PAＧＥＲEF_Toc321685８93\h８3．1。2熱量衡算 PAGEREF_Toｃ3２1685８９4\ｈ83。1.3確定換熱器的材料和壓力等級(jí)?ＰAGEREF_Ｔoc321685895\h８3.1.４流體通道的選擇?PAGEREF_Ｔoｃ321６8５89６\h83.1.５計(jì)算傳熱溫差 ＰAGＥＲEF＿Tｏc321６8５897\h83。1。6選Ｋ值,估算傳熱面積 PＡGＥＲEF_Toｃ３21６8589９\h93。1．７初選換熱器型號(hào)?PＡGＥREF＿Toｃ321685９00\h９3．2計(jì)算流體阻力?PAGＥREF_Ｔoc3２168５90１\h103．2。１管程流體阻力?PAGEREＦ_Toc３２168５90２\ｈ103.2.２殼程流體阻力 ＰAGEREＦ_Toc３2168５903\h103。3計(jì)算傳熱系數(shù),校正傳熱面積 PAGEREＦ＿Ｔｏｃ3216８5904\h113．3。1管程對(duì)流給熱系數(shù)?PAGEREＦ_Toc3２1685905＼h113.3.2殼程對(duì)流傳熱系數(shù)α0?PAＧEREＦ_Tｏc３２1６85９06\h113.３.３計(jì)算傳熱系數(shù) PAGＥRＥF_Toc321685907＼h113。3．４計(jì)算傳熱面積 ＰＡＧEＲEF_Toc3２1６8590８\h1２4節(jié)能措施?PAGEREF_Ｔｏc321６8５９09\ｈ145世界合成氨工業(yè)近期進(jìn)展及前景展望?PAGEＲEF_Toc32168５９１0\ｈ１５6總結(jié)?PAGEREF_Ｔoc３２1６8５91１\h１７參考文獻(xiàn) PAＧERＥF_Ｔoc３216８５91２\h18致謝?PAGEREＦ＿Toc32１６859１3\h1９1緒論１．1怎樣固氮氨（Amｍonia），分子式NH3，1７5４年由英國(guó)化學(xué)家普里斯特利(J.ＪoｓepｈＰriestleｙ）加熱氯化銨和石灰石時(shí)發(fā)現(xiàn).1784年，法國(guó)化學(xué)家貝托雷（C．L。Bｅｒtｈｏlｌet）確定了氨是由氮和氫組成的.從那以后很長(zhǎng)一段時(shí)間，氨的主要來(lái)源是氮化物，而氮化物的主要來(lái)源是自然界中的硝石礦產(chǎn)。１9世紀(jì)以來(lái)，人類(lèi)步入了現(xiàn)代化的歷程.隨著農(nóng)業(yè)的發(fā)展,氮肥的需求量在不斷提高;同時(shí)隨著工業(yè)的突飛猛進(jìn)，炸藥的需求量也在迅速增長(zhǎng).1809年,在智利發(fā)現(xiàn)了一個(gè)很大的硝酸鈉礦產(chǎn)地;但是面對(duì)人類(lèi)不斷膨脹的需求,自然界的生物和礦產(chǎn)資源畢竟有限。然而全世界無(wú)論何處，大氣的五分之四都是氮,如果有人能學(xué)會(huì)大規(guī)模地、廉價(jià)地把單質(zhì)的氮轉(zhuǎn)化為化合物的形式，那么，氮是取之不盡、用之不竭的.因此將空氣中豐富的氮固定下來(lái)并轉(zhuǎn)化為可被利用的形式，成為一項(xiàng)受到眾多科學(xué)家注目和關(guān)切的重大課題,而合成氨，作為固氮的一種重要形式，也變成了19至20世紀(jì)化學(xué)家們所面臨的突出問(wèn)題之一。1。2氨從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)生產(chǎn)1.2．1艱難的探索氨的合成反應(yīng)式：N２＋3H2=2ＮＨ３合成氨的化學(xué)原理，寫(xiě)出來(lái),不過(guò)這樣一個(gè)方程式；但就是這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的化學(xué)方程式，從實(shí)驗(yàn)室研究到最終成功、實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)，卻經(jīng)歷了約1５０年的艱難探索。在此期間,曾有不少著名的化學(xué)家踏上了合成氨的研究之路,但他們的最終結(jié)局卻都是無(wú)功而返。1795年,曾有人試圖在常壓下進(jìn)行氨合成,后來(lái)又有人在50個(gè)大氣壓下試驗(yàn)，結(jié)果都失敗了。１9世紀(jì)下半葉,物理化學(xué)的巨大進(jìn)展，使人們認(rèn)識(shí)到由氮、氫合成氨的反應(yīng)是可逆的，增加壓力將使反應(yīng)推向生成氨的方向,提高溫度會(huì)將反應(yīng)移向相反的方向，然而溫度過(guò)低又使反應(yīng)速度過(guò)小;催化劑對(duì)反應(yīng)將產(chǎn)生重要影響.這實(shí)際上就為合成氨的試驗(yàn)提供了理論指導(dǎo)。1.２.2哈伯終成正果在合成氨研究屢屢受挫的情況下,德國(guó)物理化學(xué)家Ｆ·哈伯（FｒitzHabeｒ)知難而進(jìn)，對(duì)合成氨進(jìn)行了全面系統(tǒng)的研究和實(shí)驗(yàn),攻克了這一令人生畏的難題。由于哈伯和博施的突出貢獻(xiàn),他們分別獲得19１8、１9３１年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)金。其他國(guó)家根據(jù)德國(guó)發(fā)表的論文也進(jìn)行了研究，并在哈伯—博施法的基礎(chǔ)上作了一些改進(jìn)，先后開(kāi)發(fā)了合成壓力從低壓到高壓的很多其他方法（表1－１)。名稱合成壓力（MPa）年份開(kāi)發(fā)國(guó)家哈伯—博施法2０.31９13德國(guó)克勞德法100．３19１7法國(guó)卡塞萊法70。9-80．11920意大利佛瑟法3０。41９２1意大利蒙特·賽尼斯—伍德法１0.1—１5．219２1德國(guó)氮?dú)夤こ坦痉?0．4192１美國(guó)表1-1氨合成方法到20世紀(jì)30年代初，合成氨已經(jīng)成為世界上廣泛采用的制氨方法。2０世紀(jì)70年代以來(lái)，合成氨的生產(chǎn)不僅促進(jìn)了如高壓、低溫、原料氣制造、氣體凈化、特殊金屬冶煉以及催化劑研制等方面的發(fā)展，還對(duì)一些化學(xué)合成工業(yè)，如尿素、甲醇和高級(jí)醇、石油加氫精制、高壓聚合等起了巨大的推動(dòng)作用。表１-21９３1~1９３2年度世界氨產(chǎn)量（以N計(jì))來(lái)源產(chǎn)量（）比例（%）煤氣副產(chǎn)氨水４７215.3氰化法１00。３合成氨法260984。41。３氨工業(yè)化后的發(fā)展自從合成氨工業(yè)化后，原料構(gòu)成經(jīng)歷了重大的變化。煤造氣時(shí)期第一次世界大戰(zhàn)結(jié)束，很多國(guó)家建立了合成氨廠，開(kāi)始以焦炭為原料。20年代，隨著鋼鐵工業(yè)的興起，出現(xiàn)了用焦?fàn)t氣深冷分離制氫的方法。焦炭、焦?fàn)t氣都是煤的加工產(chǎn)物。為了擴(kuò)大原料來(lái)源，曾對(duì)煤的直接氣化進(jìn)行了研究。1926年,德國(guó)法本公司采用溫克勒爐氣化褐煤成功。第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束，以焦炭、煤為原料生產(chǎn)的氨約占一半以上.烴類(lèi)燃料造氣時(shí)期早在20-30年代，甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化制氫已研究成功。50年代,天然氣、石油資源得到大量開(kāi)采，由于以甲烷為主要組分的天然氣便于輸送，適于加壓操作，能降低氨廠投資和制氨成本，在性能較好的轉(zhuǎn)化催化劑、耐高溫的合金鋼管相繼出現(xiàn)后，以天然氣為原料的制氨方法得到廣泛應(yīng)用。接著，抗積炭的石腦油蒸汽轉(zhuǎn)化催化劑研制成功,缺乏天然氣的國(guó)家采用了石腦油為原料。60年代以后，又開(kāi)發(fā)了重質(zhì)油部分氧化法制氫。到19６5年，焦、煤在世界合成氨原料中的比例僅占5．８％。從此,合成氨工業(yè)的原料構(gòu)成由固體燃料轉(zhuǎn)向以氣、液態(tài)烴類(lèi)燃料為主的時(shí)期.由于高壓設(shè)備尺寸的限制,50年代以前，最大的氨合成塔能力不超過(guò)日產(chǎn)２00t氨，60年代初不超過(guò)日產(chǎn)4０0ｔ氨。隨著由汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的大型、高壓離心式壓縮機(jī)研制成功，為合成氨裝置大型化提供了條件,大型合成氨廠的數(shù)目也逐年增多。合成氨廠大型化通常指規(guī)模在日產(chǎn)5４0t以上的單系列裝置。19６3和1９６6年美國(guó)凱洛格公司先后建成世界上第一座日產(chǎn)54０t和90０t氨的單系列裝置，顯示出大型裝置具有投資省、成本低、占地少和勞動(dòng)生產(chǎn)率高等顯著優(yōu)點(diǎn)。2氨的合成2．１原料氣來(lái)源２.1.1煤氣的生成原料氣主要有兩部分：氮?dú)?、氫氣。氮?dú)庵饕菑目諝庵刑崛?氫氣是從半水煤氣中提取的，以煤為原料，在一定的高溫條件下通入空氣、水蒸氣或富養(yǎng)空氣—水蒸氣混合氣，經(jīng)過(guò)一系列反應(yīng)生成含有一氧化碳、二氧化碳、氫氣、氮?dú)狻⒓凹淄榈然旌蠚怏w的過(guò)程。在氣化過(guò)程中所使用的空氣、水蒸氣或富養(yǎng)空氣-水蒸氣混合氣等稱為汽化劑。這種生成的混合氣稱為煤氣。煤氣的成分取決于燃料和汽化劑的種類(lèi)以及進(jìn)行汽化的條件。根據(jù)所用汽化劑的不同，工業(yè)煤氣可分為下列四種.(1）空氣煤氣:以空氣為汽化劑制取的煤氣，又稱為吹風(fēng)氣。（2)水煤氣：以水蒸氣（或水蒸氣與氧的混合氣)為汽化劑制取的煤氣。（3)混合煤氣：以空氣和適量的水蒸氣為汽化劑制取的煤氣,一般作燃料用。(4)半水煤氣:是混合煤氣中組成符合（H2＋CO）/Ｎ２=3.1～３.2的一個(gè)特例?？捎谜魵馀c適量的空氣或蒸氣與適量的富養(yǎng)空氣為汽化劑制得，也可用水煤氣與吹風(fēng)混合配制.本設(shè)計(jì)采用半水煤氣，半水煤氣經(jīng)過(guò)凈化后得到純凈的氫氣，再配制適量的氮?dú)?，成為合成氨的原料氣?．1。２天然氣制氨天然氣先經(jīng)脫硫，然后通過(guò)二次轉(zhuǎn)化，再分別經(jīng)過(guò)一氧化碳變換、二氧化碳脫除等工序,得到的氮?dú)浠旌蠚?，其中尚含有一氧化碳和二氧化碳約０．1％～0。３％（體積)，經(jīng)甲烷化作用除去后，制得氫氮摩爾比為3的純凈氣，經(jīng)壓縮機(jī)壓縮而進(jìn)入氨合成回路，制得產(chǎn)品氨。以石腦油為原料的合成氨生產(chǎn)流程與此流程相似。2．１.3重質(zhì)油制氨重質(zhì)油包括各種深度加工所得的渣油,可用部分氧化法制得合成氨原料氣，生產(chǎn)過(guò)程比天然氣蒸氣轉(zhuǎn)化法簡(jiǎn)單，但需要有空氣分離裝置?？諝夥蛛x裝置制得的氧用于重質(zhì)油氣化，氮作為氨合成原料外,液態(tài)氮還用作脫除一氧化碳、甲烷及氬的洗滌劑。2.３氨合成反應(yīng)的特點(diǎn)和催化劑２.3.1氨合成反應(yīng)的特點(diǎn)氨的合成是氨廠最后一道工序,任務(wù)是在適當(dāng)?shù)臏囟取毫陀写呋瘎┐嬖诘臈l件下,將經(jīng)過(guò)精制的氫氮混合氣直接合成成氨。然后將所產(chǎn)的氣氨從未合成為氨的混合氣體中冷凝分離出來(lái),得到產(chǎn)品液氨,分離氨后的氫氮?dú)怏w循環(huán)使用。氨合成的化學(xué)反應(yīng)式如下:1/2N2＋３/２Ｈ2=NH3這一化學(xué)反應(yīng)具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：①該反應(yīng)是可逆反應(yīng)：在氯氣和氫氣反應(yīng)生成氨的同時(shí)，氨也分解成氫氣和氮?dú)猓罢叻Q為正反應(yīng),廳者稱為逆反應(yīng)。②該反應(yīng)是放熱反應(yīng)：在生成氨的同時(shí)放出熱量反應(yīng)熱與溫度、壓力有關(guān)③該反應(yīng)是體積縮小的反應(yīng)：從反應(yīng)式可以看出,由1.5個(gè)分子的氫和0.5個(gè)分子的氮，反應(yīng)后生成１分子的氨,在化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，體積減少。④反應(yīng)需要有催化劑：實(shí)踐證明,在沒(méi)有催化劑存在的條件下,生成氨的反應(yīng)速度相當(dāng)緩慢，在300－5０0℃的條件下，氨合成反應(yīng)需要若干年才能達(dá)到平衡。但在適當(dāng)催化劑的作用下，減少了氫氮?dú)饣蠒r(shí)所需要的能量，因此大大加快了反應(yīng)速度。２。3。2氨合成鐵系催化劑在工業(yè)催化過(guò)程中，氨的合成是研究得最多,最深入的典型過(guò)程之一。近年來(lái)合成氨工業(yè)的進(jìn)展，很大程度上是由于催化劑質(zhì)量的提高而取得的，氨合成中的工藝條件也大都取決于所選用催化劑的性質(zhì)?？梢?jiàn),催化劑的作用事十分重要的。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),對(duì)氨合成反應(yīng)具有活性的一系列金屬中，以鐵為主體,并添加有促進(jìn)劑的鐵系催化劑，價(jià)廉易得，活性良好，使用壽命長(zhǎng)。因而鐵系催化劑獲得了廣泛應(yīng)用。熱力學(xué)計(jì)算表明,低溫、高壓對(duì)合成氨反應(yīng)是有利的，但無(wú)催化劑時(shí)，反應(yīng)的活化能很高，反應(yīng)幾乎不發(fā)生.當(dāng)采用鐵催化劑時(shí),由于改變了反應(yīng)歷程，降低了反應(yīng)的活化能,使反應(yīng)以顯著的速率進(jìn)行。目前認(rèn)為，合成氨反應(yīng)的一種可能機(jī)理,首先是氮分子在鐵催化劑表面上進(jìn)行化學(xué)吸附,使氮原子間的化學(xué)鍵減弱。接著是化學(xué)吸附的氫原子不斷地跟表面上的氮分子作用，在催化劑表面上逐步生成—ＮH、—NＨ2和NＨ3，最后氨分子在表面上脫吸而生成氣態(tài)的氨。上述反應(yīng)途徑可簡(jiǎn)單地表示為：+N2→FexN+[H］吸→+［H]吸→FexNH2FexNＨ2+[H]吸→FｅxNH３ｘFe+NH３鐵系催化劑的主要成分是和Fe2O3并加入少量的其他金屬氧化物Ａ12O3、Ｋ2O、Cao等為促進(jìn)劑(又稱助催化劑）。催化劑的活性組分是金屬鐵，而不是鐵的氧化物。因此，使用前在一定的溫度下,用氫氮混合氣使其還原，即使氧化鐵被還原為具有活性的α型純鐵。催化劑還原反應(yīng)為：?Ｆｅ2O3+４H2=3Fe＋４H２OΔH=149.9（kＪ·ｍo1－1）加入A１2O3的作用：它能與氧化鐵生成?A12O3晶體，其晶體結(jié)構(gòu)與?Ｆe2O3相同。當(dāng)催化劑被氫氯混合氣還原時(shí),氧化鐵被還原為α型純鐵，而A12O３不被還原，它覆蓋在α—Fe品粒的表面,防止活性鐵的微晶在還原時(shí)及以后的使用中進(jìn)一步長(zhǎng)大.這樣。α—Fｅ的品粒間就出現(xiàn)了空隙，形成縱橫交錯(cuò)的微型孔道結(jié)構(gòu),大大地增加了催化劑的表面積，提高了活性。加入的作用與A12O3有相似之處.在還原過(guò)程中，也能防止活性鐵的微晶進(jìn)一步長(zhǎng)大。但其主要作用是增強(qiáng)催化劑對(duì)硫化物的抗毒能力,并保護(hù)催化劑在高溫下不致因晶體破壞而降低活性，故可延長(zhǎng)催化劑壽命.加入Ｃａo的作用:為了降低熔融物的熔點(diǎn)和粘度，并使A12O3易于分散在?Fe2O3中,還可提高催化劑的熱穩(wěn)定性.氨合成鐵催化劑是一種黑色、有金屬光澤、帶磁性、外形不規(guī)則的固體顆粒.鐵催化劑在空氣中易受潮，引起可溶性鉀鹽析出，使活性下降。經(jīng)還原的鐵催化劑若暴露在空氣中則迅速燃燒，立即失掉活性.一氧化碳、二氧化碳、水蒸氣、油類(lèi)、硫化物等均會(huì)使鐵催化劑暫時(shí)或永久中毒。長(zhǎng)時(shí)間的含氧化合物中毒亦會(huì)造成永久中毒。各類(lèi)鐵催化劑都有一定的起始活性溫度、最佳反應(yīng)溫度和耐熱溫度。2.4最佳工藝條件的選擇氨合成的生產(chǎn)工藝條件必須滿足產(chǎn)量高，消耗定額低、工藝流程及設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便及安全可靠等要求。決定生產(chǎn)條件員主要的因素是操作壓力、溫度、空間速度、氣體組成和催化劑等。2。4。１壓力工業(yè)上合成氨的各種工藝流程，一般都以壓力的高低來(lái)分，從化學(xué)平衡和化學(xué)反應(yīng)速度的角度看,提高操作壓力對(duì)氨的合成是有利的。在一定的空間速度下,合成壓力越高,氨凈值（合成塔出入口氨含量之差)越高，合成塔的生產(chǎn)能力也就越大。從圖2—6可以看出,氨產(chǎn)率是隨著壓力的升高而上升的。同時(shí)壓力高也有利于氨的分離，在較高溫度下氣氨即可冷凝為液氨，冷凍功減少。氨合成壓力高,設(shè)備緊湊，流程簡(jiǎn)單，但對(duì)設(shè)備的材質(zhì)和制造的要求較高。同時(shí),高壓下反應(yīng)溫度較高,催化劑使用壽命短,操作管理也比較困難，因此壓力不宜過(guò)高。目前我國(guó)中小型合成氨廠操作壓力大多數(shù)采用20－32MPa,而采用離心式壓縮機(jī)的大型合成氨廠的操作壓力一般為Ｕ＝27MPａ.2.４．2溫度氨合成反應(yīng)必須在催化劑的存在下才能進(jìn)行,而催化劑必須在一定的溫度范圍內(nèi)才具有催化活性，所以氨合成反應(yīng)溫度必須維持在催化劑的活性溫度范圍內(nèi)。目前工業(yè)上使用的鐵催化劑的活性溫度范圍大體在400-５２５℃之間。２。4．3空間速度單位體積催化劑在單位時(shí)間內(nèi)處理的氣體量稱為空間速度?？臻g速度大小意味著處理氣量的大小，在一定的溫度、壓力下，增大空間速度，就加快了氣體通過(guò)催化劑的速度，氣體與催化劑接觸時(shí)間縮短,在確定條件下，出塔氣體中氨含量要降低。一般操作壓力在３0MＰａ的中壓法合成氨,空間速度選擇在2000０—300０0m３/h之間.空間速度,處理的氣量大，能增大產(chǎn)量，但氨凈值有所降低.空間速度過(guò)大，氨分離不完全,增大設(shè)備負(fù)荷，增大動(dòng)力消耗.2.4．4合成塔入口氣體組成合成塔入口氣體組成包括氫氮比、惰性氣體含量與初始氨含量。從反應(yīng)平衡的角度來(lái)看，當(dāng)氫氮比接近3時(shí)，可獲得最大的平衡氨濃度。在實(shí)際生產(chǎn)中，進(jìn)塔循環(huán)氣的氫氯比控制在比較合適。2.５合成氨工藝流程實(shí)現(xiàn)氨合成的循環(huán)，必須包括如下幾個(gè)步驟：氫、氮原料氣的壓縮并補(bǔ)入循環(huán)系統(tǒng)，循環(huán)氣的預(yù)熱與氨的合成，氨的分離，熱能的回收利用,對(duì)未反應(yīng)氣體補(bǔ)充壓力并循環(huán)使用,排放部分循環(huán)氣以維持循環(huán)氣中情性氣體的平衡等.由于采用壓縮機(jī)的型式、氨分離冷凝級(jí)數(shù)、熱能回收形式以及各部分相對(duì)位置的差異，而形成不同的工藝流程。(1）兩次分離液氨產(chǎn)品的典型流程液氨產(chǎn)品兩次分離的流程，即液氨在兩個(gè)部位—-水冷器及氨冷器中冷凝分離。這類(lèi)流程按是否副產(chǎn)蒸汽而分為不副產(chǎn)蒸汽和副產(chǎn)蒸汽兩種流程,合成塔出口氣體先經(jīng)水冷卻器冷卻到一定程度,使其中大部分氨冷凝下來(lái),從第一氨分離器中分出來(lái)。氣體隨即進(jìn)入循環(huán)壓縮機(jī)，提高壓力并與新鮮氣混合后，流入冷交換器和氨冷卻器中。氣體中余下的氨在冷卻、冷凝、并在第二氨分離器中分出。分離氨后的氣體即進(jìn)入合成塔。(２）一次分離液氨工藝流程凈化合成氣在3８℃和2。5MPa條件下進(jìn)入合成氣壓縮機(jī),合成氣由離心式壓縮機(jī)壓縮,合成循環(huán)氣進(jìn)入壓縮機(jī)第二缸中間氏輪,并經(jīng)最后一段壓縮與合成循環(huán)中的新鮮原料氣相混合。最后，把所制得的合成氨儲(chǔ)存到罐里或通往其他地方繼續(xù)加工生產(chǎn)。?3工藝過(guò)程設(shè)計(jì)合成氨廠變換工段為回收變換氣的熱量以提高進(jìn)飽和塔的熱水溫度，需設(shè)計(jì)一臺(tái)列管式換熱器。已知:變換氣流量為，變換氣進(jìn)換熱器溫度為，壓力為.熱水流量為，熱水進(jìn)換熱器溫度為,壓力為。要求熱水升溫。設(shè)變換器出換熱器時(shí)的壓力為。３．1估算傳熱面積3.1。1查取物行數(shù)據(jù)水的定性溫度為。。設(shè)變換氣出換熱器的溫度為，則變換器的平均溫度為，查得水與變換器的物性數(shù)據(jù)如下：介質(zhì)密度ρ比熱容粘度μ（導(dǎo)熱系數(shù)λ水變換氣3.1．2熱量衡算熱負(fù)荷變換氣出口溫度此值與原設(shè)相近,故不再試算，以上物行數(shù)據(jù)有效.3.1。3確定換熱器的材料和壓力等級(jí)考慮到腐蝕性不大，合成氨廠該換熱器一般采用碳鋼材料，故本設(shè)計(jì)中也采用碳鋼材料。本設(shè)計(jì)中壓力稍大于，為安全設(shè)計(jì)，采用的公稱壓力等級(jí)。3。１.4流體通道的選擇合成氨廠此換熱器中一般是熱水走管程，變換氣走殼程，這是因?yàn)樽儞Q氣流量比水大得多,走殼程流道界面大且易于提高其α值的緣故.本設(shè)計(jì)亦采用此管、殼程流體的方案。３.１.5計(jì)算傳熱溫差首先計(jì)算逆流時(shí)平均溫差：考慮到管程可能是2、4程,但殼程數(shù)為１.查圖2—2９得φΔt=０.89〉0.8所以兩流體的平均溫差為：Δｔm＝φΔtΔtm′=0．89×２４．68=21.963。1。6選K值，估算傳熱面積根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，取,則３.1.7初選換熱器型號(hào)由于兩流體溫差小于，故可采用固定管板式換熱器。有附錄初選G800VI—１０—１00型換熱器,有關(guān)參數(shù)列表如下：外殼直徑D管子尺寸mmφ25×2。5公稱壓強(qiáng)管子長(zhǎng)度ｌm公稱面積m2管數(shù)N管程數(shù)管心距tｍｍ管子排列方式三角形按上列數(shù)據(jù)核算管程、殼程的流速及Re:管程流通截面積:管內(nèi)水的流速：殼程流通截面積:取取折流板間距：殼內(nèi)變換氣流速：當(dāng)量直徑：3。2計(jì)算流體阻力3。２。1管程流體阻力設(shè)管壁粗糙度為，則,查得摩擦系數(shù)符合一般要求。3.2．2殼程流體阻力因?yàn)椋使茏优帕袨檎切闻帕??。疲?.5當(dāng)板數(shù)取為7取污垢校正系數(shù)Fs＝1。0故管、殼程壓力損失均符合要求。3．3計(jì)算傳熱系數(shù),校正傳熱面積３。3.1管程對(duì)流給熱系數(shù)3.３。２殼程對(duì)流傳熱系數(shù)α0殼程采用弓形折流板，故3.3.3計(jì)算傳熱系數(shù)取污垢熱阻以管外面積為基準(zhǔn)3．3．４計(jì)算傳熱面積所選換熱器實(shí)際面積為

０－I—10—６０型換熱器主要參數(shù)及計(jì)算結(jié)果主要參數(shù)計(jì)算結(jié)果外殼直徑mm公稱壓強(qiáng)kg/cm２公稱面積m2管程數(shù)管子排列方式管子尺寸mm管長(zhǎng)m管數(shù)N管中心距tmm管程通道截面積m２折流板間距mm殼程通道截面積mm600106０１三角形排列φ２5×2.53２６９320.084５600０。0504熱負(fù)荷kJ/h傳熱溫差管內(nèi)液體流速m/s管外氣體流速m/ｓ管內(nèi)液體雷諾數(shù)管外氣體雷諾數(shù)管內(nèi)液體壓降Pａ管外氣體壓降Pa管內(nèi)液體對(duì)流給熱系數(shù)管外氣體對(duì)流給熱系數(shù)傳熱系數(shù)計(jì)算值傳熱面積需要值m２·1.５5×１04３6．80。１６016。２41．37×1045。6９×10414096431.82×103448２6４44.３安全系數(shù)以上計(jì)算表明，選用固定管板式列管換熱器可用于合成氨變換工段的余熱回收。所以本次設(shè)計(jì)使用固定管板式換熱器。?4節(jié)能措施以煤為原料的合成氨的特點(diǎn)是生產(chǎn)能力低，噸氨能耗較高。因此，如何合理、高效利用能源，做好節(jié)能降耗工作對(duì)合成氨的生產(chǎn)具有重要的意義［9]。常壓造氣氨廠工藝的節(jié)能措施有：1、造氣爐采用微機(jī)液壓控制系統(tǒng)。２、造氣用煤合理分配,大、中塊造氣用，小顆粒及爐渣作為鍋爐用煤。3、設(shè)置造氣吹風(fēng)氣鍋爐,吹除氣夾帶的可燃成份及本身的熱量加以利用。4、采用全低溫變換，加入軟水取代蒸汽，節(jié)省變換用工藝蒸汽，變換余熱加熱軟水。5、脫CＯ2用物理吸收.６、合成選用適當(dāng)壓力的廢熱鍋爐，產(chǎn)生的蒸汽在工藝中使用。7、合成吹除氣用氫回收裝置回收氫氣，其余ＣH4等作為燃料氣。8、全裝置熱能綜合利用，如合成廢熱產(chǎn)飽和蒸汽供變換,變換、造氣產(chǎn)低壓蒸汽供造氣，全裝置做到蒸汽自給。綜合考慮,在我國(guó)已建成的合成氨廠中,大多以煤為原料，且各地根據(jù)需求還可能新建一批以煤為原料的裝置，近年來(lái)合成氨技術(shù)發(fā)展很快，可供選擇的技術(shù)很多,應(yīng)實(shí)事求是地根據(jù)裝置所在地的特點(diǎn)綜合考慮，主要應(yīng)考慮節(jié)能降耗、工藝流程,做到配套合理、投資省、操作穩(wěn)定可靠。?５世界合成氨工業(yè)近期進(jìn)展及前景展望由于生態(tài)和環(huán)保的原因，今后發(fā)達(dá)國(guó)家化肥用量將減少，世界合成氨生產(chǎn)能力將緩慢增長(zhǎng).雖然使用“無(wú)機(jī)”氮的生物農(nóng)業(yè)將會(huì)有所發(fā)展,但是，在以后的15—20年內(nèi)，生物技，(如固定氮工藝)還不可能取代合成氨作為化學(xué)肥料的主要來(lái)源?，F(xiàn)今所有的合成氨消費(fèi)中,只有13%是用在化學(xué)和工業(yè)應(yīng)用上，其他8７％都用于生產(chǎn)化肥。因此,氮肥的供應(yīng)還得繼續(xù)依靠合成氨的生產(chǎn)。近幾年來(lái)，世界合成氨工業(yè)的技術(shù)進(jìn)展主要有以下幾方面:1．英國(guó)ICI公司采用LCA工藝流程，在英國(guó)的Seveｒａｎcｅ氨廠建了兩套并列的產(chǎn)量各為450噸／天，但只有一套公用工程系統(tǒng)的合成氨裝置。這種生產(chǎn)規(guī)模較小的工廠從某些方面來(lái)說(shuō),仍是有吸引力和競(jìng)爭(zhēng)力的，如建３個(gè)LＣA流程的５0０噸/天工廠就比建一個(gè)日產(chǎn)150０噸的傳統(tǒng)世界規(guī)模工廠的投資要低些。LCA流程與當(dāng)今的大型裝置流程不同,該法的噸氨能耗為30．1ＧＪ，采用氣熱轉(zhuǎn)化爐取代通用的轉(zhuǎn)化爐,在隔熱管式變換器中進(jìn)行變換,反應(yīng)熱用于制備原料氣與蒸汽的飽和氣.變壓吸附脫除二氧化碳.用含鈷催化劑作氨合成觸媒，合成壓力為8MＰa.2.美國(guó)凱洛格公司對(duì)氨廠的某些工藝單元及設(shè)備的傳統(tǒng)構(gòu)型進(jìn)行了改革，開(kāi)發(fā)出了合成氨生產(chǎn)的4種新技術(shù)，即用于氨合成回路的KAAP工藝，用于工藝氣轉(zhuǎn)化換熱的KREＳ系統(tǒng),以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的氨廠節(jié)能降耗動(dòng)態(tài)控指ＫDAC技術(shù)和公用工程蒸汽系統(tǒng)的冷凝液汽提KICＳ技術(shù)。其中KAAＰ工藝將是未來(lái)一個(gè)很有前途的氨廠改造方案，其合成壓力為７-9.１MPａ,采用以石墨為載體，涂釘并用銣鹽活化的氨合成催化劑，比通常的催化劑活性高２0倍，合成轉(zhuǎn)化率也隨之顯著提高，能增產(chǎn)40％左右。199２年，采用KＡAＰ工藝的氨合成塔已在加拿大Oｃeｌｏt制氨公司的Ｋismｅt廠進(jìn)行了工業(yè)化生產(chǎn)。3.德國(guó)伍德公司經(jīng)二十多年來(lái)對(duì)工藝效率、工廠安全、能量總消耗等方面連續(xù)研究結(jié)果,推出了低能耗工藝，并于1991年在德國(guó)BＡSＦ公司建立了一個(gè)日產(chǎn)1800噸的工廠。該廠采用了伍德公司開(kāi)發(fā)的組合自熱式轉(zhuǎn)化爐,與傳統(tǒng)的二段轉(zhuǎn)爐不同之處在于：轉(zhuǎn)化反應(yīng)管安裝于一個(gè)有內(nèi)襯里的加壓設(shè)備中,管內(nèi)裝有一段轉(zhuǎn)化催化劑，管下端開(kāi)口,原料工藝氣溫度升高到580℃，自上而下通過(guò)管內(nèi)。燃料氣經(jīng)水冷噴嘴加氧并進(jìn)入燃燒室中,通過(guò)調(diào)整噴嘴的位置和燃燒室的形狀設(shè)計(jì),使燃燒室內(nèi)產(chǎn)生渦流,以保證轉(zhuǎn)化反應(yīng)穩(wěn)定進(jìn)行。轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的高溫氣又用于加熱轉(zhuǎn)化管,以節(jié)省能源和投資。目前，該新型轉(zhuǎn)化爐的工業(yè)示范裝置的生產(chǎn)能力已達(dá)1.3萬(wàn)，加壓設(shè)備內(nèi)部裝有1９根轉(zhuǎn)化管。雖然合成氨生產(chǎn)技術(shù)的更遠(yuǎn)的改變時(shí)是可以預(yù)見(jiàn)的,但是，就目前來(lái)說(shuō)，除對(duì)氨廠的個(gè)別傳統(tǒng)工藝程序、催化劑和設(shè)備的較小改進(jìn)外，至少在今后10～１5年內(nèi),合成氨生產(chǎn)技術(shù)還不會(huì)發(fā)生根本的改變。世界許多合成氨專家對(duì)此意見(jiàn)是一致的，并對(duì)今后合成氨工業(yè)的發(fā)展前景作出如下展望：生產(chǎn)規(guī)模不會(huì)再擴(kuò)大80年代世界共建成了110套合成氨裝置，平均生產(chǎn)規(guī)模為１120噸/天.目前的裝置規(guī)模多為1５00噸／天，1800噸／天的生產(chǎn)也在日益增加.但考慮到規(guī)模過(guò)大,會(huì)造成設(shè)備制造和運(yùn)輸、開(kāi)停車(chē)復(fù)雜化和長(zhǎng)期可靠的原料保證等方面的問(wèn)題，使整套生產(chǎn)裝置的投資費(fèi)用大幅度上升。今后世界合成氨產(chǎn)量的大部分都將由規(guī)模為日產(chǎn)1０００～2000噸的工廠所生產(chǎn).天然氣依然是合成氨生產(chǎn)的主要原科目前全世界合成氨的年產(chǎn)量約為1。4５億噸，其中采用原料重油3％，煤和焦13％，天然氣8４％。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，原料路線改為油或煤是可以考慮的,但據(jù)預(yù)測(cè),在未來(lái)2０年內(nèi),合成氨生產(chǎn)原料的情況會(huì)維持上述百分比例不變,天然氣仍是能被利用的比較好的合成氨生產(chǎn)原料.降低能耗的潛力已基本得到發(fā)揮以天然氣為原料的合成氨能耗設(shè)計(jì)值為27GJ，目前有些生產(chǎn)裝置的最低能耗已達(dá)28GJ，只比理論值高出20％左右而與設(shè)計(jì)值相接近。其他幾種生產(chǎn)方法,重油或渣油氣化法噸氨能耗為３5-36GJ，煤