天然气合成氨年产19万吨设计说明书.docx

1、天然气合成氨年产19万吨设计说明书天然气合成氨年产19万吨_设计说明书 天然气合成氨年产19万吨_设计说明书 化工设计 年产年产 X 万吨天然气合成氨合成段的工艺设计任务书万吨天然气合成氨合成段的工艺设计任务书 一、设计项目：一、设计项目：年产 X 万吨天然气合成氨合成段的工艺设计 二、设计规模：二、设计规模：X 万吨/年，年生产时间：330 三、设计阶段：三、设计阶段：初步设计 四、设计条件与要求四、设计条件与要求 1、合成塔进口气体组成（V%） NH3：2.26% H2：58.79% N2：19.55% CH4：17.49% Ar：1.91% 2、合成塔出口气体 NH3含量：17.8% 3

2、、水冷器出口温度：35 4、合成塔操作压力：30.0MPa 五、设计要求和工作量五、设计要求和工作量 完成设计报告一份 六、设计主要内容六、设计主要内容 1、工艺流程设计 2、物料衡算 3、热量衡算 4、主要设备工艺设计与选型化工设计报告 （大体大体章节要求）章节要求） 摘 要 第一章 前言 第二章 天然气合成氨简介 第三章 合成氨工艺论证 第四章 工艺计算 4.1 物料衡算 4.2 能量衡算 第五章 主要设备的工艺计算及选型 主要结构参数表 第六章 设计小结 参考文献 七、设计主要参考文献七、设计主要参考文献 化工原理 ；化工产品手册 ；化工工艺设计手册 ；小氮肥厂工艺设计 手册 ；氮肥工艺

3、设计手册 ；小合成氨厂工艺技术与设计手册 ；合成氨 ；无机化工生产技术等 八、设计时间：八、设计时间：2012.12.18-2012.12.24 化工设计 II 目录目录 摘要1 第一章 前 言2 第二章 天然气合成氨简介3 2.1 氨的性质、用途及重要性3 2.1.1 氨的性质3 2.1.2 氨的用途及在国民生产中的作用3 2.2 合成氨生产技术的发展3 2.2.1 世界合成氨技术的发展.3 2.2.2 中国合成氨工业的发展概况.5 2.3 合成氨转变工序的工艺原理6 2.3.1 合成氨的典型工艺流程介绍6 2.3.2 合成氨转化工序的工艺原理7 2.3.3 合成氨变换工序的工艺原理.7 2

4、.4 设计方案的确定8 第三章 合成氨工艺论证9 3.1 氨合成过程的基本工艺步骤9 3.2 氨合产工艺的选择10 3.3 工艺参数的确定11 第四章 工艺计算13 4.1 物料衡算13 4.1.1 初始条件.13 4.1.2 合成塔出口气组分.13 4.1.3 氨分离器气液平衡计算.14 4.1.4 冷交换器气液平衡计算.15 4.1.5 液氨贮槽气液平衡计算.16 4.1.6 液氨贮槽物料计算.18 4.1.7 合成系统物料计算.19 4.1.8 合成塔物料计算.20 4.1.9 水冷器物料计算.21 4.1.10 氨分离器物料计算.21 4.1.11 冷交换器物料计算.21 4.1.12

5、 氨冷器物料计算.22 4.1.13 冷交换器物料计算23 4.2 物料衡算结果汇总24 4.3 热量衡算26 4.3.1 冷交换器热量衡算.26 4.3.2 氨冷器热量计算.28 4.3.3 循环机热量计算29 4.3.4 合成塔热量计算30 4.3.5 废热锅炉热量计算32 4.3.6 热交换器热量计算32 4.3.7 水冷器热量计算33 4.3.8 氨分离器热量核算34 化工设计 II 参考文献.35 第五章 设计小结36 化工设计教师评分表37 化工设计 0 摘要摘要 氨是重要的基础化工产品之一，在国民经济中占有重要地位 。 合成氨生 产经过多年的发展，现已发展成为一种成熟的化工生产工

6、艺。 本设计是以天然气为原料年产十九万吨合成氨转变工序的设计。 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。 设计采用的工艺流程简介：天然气经过脱硫压缩进入一段转化炉，把 CH4 和烃类转化成 H2，再经过二段炉进一步转化后换热进入高变炉，在催化剂作用 下大部分 CO 和水蒸气反应获 H2和 CO2，再经过低变炉使 CO 降到合格水平， 去甲烷化工序。 本设计综述部分主要阐述了国内外合成氨工业的现状及发展趋势以及工艺 流程、参数的确

7、定和选择，论述了建厂的选址；介绍了氨变换工序的各种流程 并确定本设计高-低变串联的流程。 工艺计算部分主要包括转化段和变换段的物 料衡算、热量衡算、平衡温距及空速计算。 设备计算部分主要是高变炉催化剂 用量的具体计算，并根据设计任务做了转化和变换工序带控制点的工艺流程图。 本设计的优点在于选择较为良好的厂址和原料路线，确定良好的工艺条件、 合理的催化剂和能源综合利用。 另外，就是尽量减少设备投资费用。 关键字：合成氨；天然气；转化；变换； 化工设计 1 第第 1 1 章章 前前 言言 本设计说明书是年产 19 万吨合成氨厂造气工段的初步设计。 氨是一种重要的化工原料，特别是生产化肥的原料，它是

8、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。 我国能源结构中，煤炭资源占很大比重。 煤的气化是煤转化技术中最主要 的方面，并已获得广泛的应用。 煤气化提供洁净的可以管道输送的气体燃料。 目前还在建设采用各种煤气化技术的工业化装置。 煤气化在各方面的应用都依 赖于煤气化技术的发展，这主要因为煤气化环节往往在总投

9、资及生产成本中占 相当大的比重。 我国合成氨工业原料路线是煤汽油并举，以煤为主。 合成产量 60%以上是 以煤为原料，全国现有 1000 多家大中小型以煤为原料的合成氨厂。 随着油价的 不断上涨，今后将停止以油为原料的新设备建设，并要求进行以煤代油的技术 改造。 本说明书是在工艺和设备计算的基础上加以工艺论证及选择而编制的。 主 要内容包括：绪论、设计任务及要求、生产方案，生产流程的选择及论证、制 气生产原理、工艺指标、设备计算及选型。 此外，随书附有造气工段带控制点 工艺流程图。 化工设计 2 第二章第二章 天然气合成氨简介天然气合成氨简介 2.1 氨的性质、用途及重要性 2.1.1 氨的性

10、质 氨分子式为 NH3，在标准状态下是无色气体，比空气轻，具有特殊的刺 激性臭味。 人们在大于 100cm3/m3氨的环境中，每天接触 8 小时会引起慢性 中毒。 氨的主要物理性质有：极易溶于水，溶解时放出大量的热。 氨水溶液呈 碱性，易挥发。 液氨和干燥的氨气对大部分物质没有腐蚀性，但在有水的条 件下，对铜、银、锌等金属有腐蚀作用。 氨的化学性质有：在常温下相当稳定，在高温、电火花或紫外光的作用 下可分解为氮和氢。 具有可燃性，自然点为630，一般较难点燃。 氨与空 气或氧的混合物在一定范围内能够发生爆炸。 氨的性质比较活泼，能与各种 无机酸反应生成盐。 2.1.2 氨的用途及在国民生产中的

11、作用 氨是重要的无机化工产品之一，在国民经济中占有重要地位。 合成氨指 由氮和氢在高温高压和催化剂存在下直接合成的氨。 世界上的氨除少量从焦 炉气中回收外，绝大部分是合成的氨。 氨主要用于农业，合成氨是我化肥工 业的基础，氨本身是最重要的氮素肥料，其他氮素肥料也大都是先合成氨， 再加工成尿素或各种铵盐肥料，这部分均占70%的比例，称之为 “化肥氨” ； 同时氨也是重要的无机化学和有机化学工业基础原料，用于生产铵、胺、 染料、炸药、合成纤维、合成树脂的原料，这部分约占30%的比例，称之 为“工业氨”。 氨作为工业原料和氨化饲料，用量约占世界产量的12。 硝酸、各种含氮的无机盐及有机中间体、磺胺药

12、、聚氨酯、聚酰胺纤维和丁 腈橡胶等都需直接以氨为原料生产。 液氨常用作制冷剂。 合成氨是大宗化工产品之一，世界每年合成氨产量已达到1 亿吨以上， 其中约有 80%的氨用来生产化学肥料， 20%作为其它化工产品的原料。 氨 作 为最为重要的基础化工产品之一，同时也是能源消耗的大户，世界上大约 有 10%的能源用于合成氨 。 随着世界人口的不断增加，用于制造尿素、硝酸铵、磷酸铵、硫酸铵以 及其它化工产品的氨用量也在增长。 据统计1994 年世界氨产量为 113.46Mt，其中中国、美国、印度、俄罗斯四个主要产氨国占了一半以上。 在化学工业中合成氨工业已经成为重要的支柱产业 1。 2.2 合成氨生产

13、技术的发展 2.2.1 世界合成氨技术的发展 (一)原料构成的变化 为了合成氨，首先必须提供氮和氢。 氮来自空气，氢来自水。 气和水到 处都有，而且取之不尽。 传统的制氮方法是在低温下将空气液化、分离，以 及水电解制氢。 由于电解制氢法，电能消耗大，成本高。 传统方法还是采用 高温下将各种燃料和水蒸气反应制造氢。 因此合成氨生产的初始原料是焦炭、 化工设计 3 煤、焦炉气、天然气、石脑油、重油等，世界合成氨经过 60 多年的发展， 合成氨的原料构成 已从固体燃料为主转移到以气体燃料和液体原料为主。 自从北美大量开发天然气资源成功之后， 20 世纪 50 年代开始采用天然 气制氨。 因为天然气便

14、于管道运输，用作合成氨的原料具有投资省、能耗低 等明显优点。 到 20 世纪 60 年代末，国外主要产氨国都已先后停止用焦炭、 煤为原料，而以天然气、重油等为原料，天然气所占比重不断上升。 一些没 有天然气资源的国家，如日本、英国在解决了石脑油蒸汽转化过程的析碳问 题后，1962 年开发成功石脑油为原料生产合成氨的方法。 石脑油经脱碳、气 化后，可采用和天然气为原料的相同生产装置制氨。 但石脑油价格比天然气 高，而且又是石油化工的重要原料，用于制氨受到一定限制。 为了扩大原料 范围，又开发了用重油部分氧化法制氢。 从此比石脑油价廉、来源广泛的重 油和减压渣油开始作为合成氨的另一种原料。 此后合

15、成氨工业又经过多年的发展， 特别是以天然气为原料的合成氨 工业占了很大的比重，本设计就是以天然气为原料合成氨，主要是转化工段 的设计。 (二)生产规模大型化 20 世纪 50 年代以前，氨合成塔的最大能力为日产200t 氨，到 60 年 代初期为 400t。 随着蒸汽透平驱动的高压离心式压缩机研制成功，美国凯洛 格公司运用建设单系列大型炼油厂的经验，首先运用工艺过程的余热副产高 压蒸汽作为动力，于 1963 年和 1966 年相继建成日产 544.31t 和 907.19t 的氨厂，实现了单系列合成氨装置的大型化，这是合成氨工业发展史上第一 次突破。 大型化的优点是投资费用低，能量利用率高，占

16、地少，劳动生产率 高。 从 20 世纪 60 年代中期开始，新建氨厂大都采用单系列的大型装置。 但 是，大型的单系列合成氨装置要求能够长周期运行，对机器和设备质量要求 很高，而且在超过一定规模以后，优越性并不十分明显了。 因此大型氨厂通 常是指日产 600t 级，日产 1000t 级和日产 1500t 级的三种。 现在世界上规 模最大的合成氨装置为日产 1800t 氨，1991 年在比利时的安特卫普建成投 产。 (三)低能耗新工艺 合成氨，除原料为天然气、石油、煤炭等一次能源外。 整个生产过程还 需消耗较多的电力、蒸汽等二次能源，而用量又很大。 现在合成氨能耗占世 界能源消费总量的 3%，中国

17、合成氨生产能耗约占全国能耗的4%。 由于吨氨 生产成本中能源费用占 70%以上，因此能耗是衡量合成氨技术和经济效益的 重要标志。 以天然气为原料的日产 1000t 合成氨装置吨氨能耗目前已从 20 世纪 70 年代的 40.19GJ 下降到 39.31GJ 左右，而且以天然气为原料的大型氨厂 的所需动力约有 85%可由余热供给 3。 (四)生产自动化 合成氨生产特点之一是工序多、连续性强。 20 世纪 60 年代以前的过程 控制多采取分散方式，在独立的几个车间控制室中进行。 自从出现单系列装 置的大型氨厂，除泵类有备用外，其它设备和机器都是一台。 因此，某一环 节的失调就会影响生产，为了保证长

18、周期的安全生产，对过程控制提出更高 的要求，从而发展到把全流程的温度、压力、流量、物位和成分五大参数的 模拟仪表、报警、连锁系统全部集中在中央控制室显示和监视控制。 化工设计 4 2.2.2 中国合成氨工业的发展概况 中国合成氨生产是从 20 世纪 30 年代开始的，但当时仅在南京、大连两 地建有氨厂， 一个是由著名爱国实业家范旭东先生创办的南京永利化学工业 公司铔厂 永利宁厂，现南京化学工业公司的前身；另一个是日本占领 东北后在大连开办的满洲化学工业株式会社 ，最高年产量不超过 50Kt（1941 年）。 此外在上海还有一个电解水制氢生产合成氨、硝酸的小型 车间。 中华人民共和国成立以来，化

19、工部门贯彻为农业服务的方针，把发展化 肥生产放在首位。 经过 50 多年的努力，中国已拥有多种原料、不同流程的 大、中、小型合成氨厂 1000 多个，1999 年总产量为 34.52Mt 氨，已跃居 世界第 1 位，已掌握了以焦炭、无烟煤、褐煤、焦炉气、天然气及油田气和 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。 中国合成氨工业的发展经历了以下几个阶段。 第一、恢复老厂和新建中型氨厂 20 世纪 50 年代初，在恢复和扩建老厂的同时，从原苏联引进以煤为原 料、年产 50kt 的三套合成氨装置，并 创建了吉化、兰

20、州、太原三大化工基 地，后又自行设计、制造了 7.5 万吨合成氨系统，以川化的创建为标志。 到 60 年代中期中氮已投产了 15 家。 20 世纪 60 年代随着石油、天然气资源的 开采，又从英国引进一套以天然气为原料的加压蒸汽转化法年产100kt 合 成氨装置(即泸天化)；从意大利引进一套以重油为原料的部分氧化法年产 50kt 合成氨装置，从而形成了煤油气原料并举的中型氨厂生产系统，迄今为 止，已建成 50 多座中型氨厂。 第二、小型氨厂的发展 从 20 世纪 60 年代开始在全国各地建设了一大批小型氨厂， 1979 年最 多时曾发展到 1539 座氨厂。 第三、大型氨厂的崛起 20 世纪

21、70 年代是世界合成氨工业大发展时期。 由于大型合成氨装置的 优越性，1972 年 2 月中国作出了成套引进化学肥料技术和设备的决定。 1973 年开始，首批引进 13 套年产 300kt 合成氨的成套装置 (其中 10 套为天 然气为原料，建在川化、泸天化、云南、贵州等地)，为了扩大原料范围， 1978 年又开始第二批引进 4 套年产 300kt 合成氨装置。 中国是世界上人口最多的农业大国，为了在2000 年氮肥产量达到基本 自给自足，最近十年先后陆续引进14 套具有 20 世纪 90 年代先进水平的年 产 300kt 合成氨成套设备， 同时从 20 世纪 70 年代起，我国开始了大型合成

22、 氨成套装置的自行设计、自行制造工作，第一套年产 30 万吨的合成氨装置于 80 年在上海建成投产。 特别是于 90 年代初在川化建成投产的年产 20 万吨合成 氨装置达到了当时的国际先进水平。 从而掌握了世界上几乎所有先进的工艺和 先进技术如低能耗的凯洛格工艺、布朗工艺等，通过对引进技术的消化吸收 和改造创新，不但使合成氨的技术水平跟上了世界前进的步伐，而且促进了 国内中小型氨厂的技术发展。 至今，在 32 套引进装置中，原料为天然气、油田气的17 套，渣油 7 套，石脑油 5 套，煤 2 套和尤里卡沥青 1 套，加上上海吴泾，成都的两套 国产化装置，合成氨总能力为 10.22Mt。 中国潜

23、在的天然气资源十分丰富， 化工设计 5 除新勘探的新疆塔里木盆地有大量的天然气可以通过长距离的管线东输外， 对海南莺歌海域蕴藏的天然气已决定在新世纪初新建一套引进的年产 450kt 合成氨装置，这将是中国规模最大的一套合成氨装置。 2.3 合成氨转变工序的工艺原理 2.3.1 合成氨的典型工艺流程介绍 合成氨的生产过程包括三个主要步骤：原料气的制备、净化和压缩和合 成。 (1)原料气制备 将煤和天然气等原料制成含氢和氮的粗原料气。 对于固体原料煤和焦炭， 通常采用气化的方法制取合成气；渣油可采用非催化部分氧化的方法获得合 成气；对气态烃类和石脑油，工业中利用二段蒸汽转化法制取合成气。 (2)净

24、化 对粗原料气进行净化处理，除去氢气和氮气以外的杂质，主要包括变换 过程、脱硫脱碳过程以及气体精制过程。 一氧化碳变换过程 在合成氨生产中，各种方法制取的原料气都含有CO，其体积分数一般 为 12%40%。 合成氨需要的两种组分是 H2和 N2，因此需要除去合成气中的 CO。 变换反应如下： CO+H2OH2+CO2 H=-41.2kJ/mol； 由于 CO 变换过程是强放热过程，必须分段进行以利于回收反应热，并 控制变换段出口残余 CO 含量。 第一步是高温变换，使大部分CO 转变为 CO2和 H2；第二步是低温变换，将 CO 含量降至 0.3%左右。 因此， CO 变换 反应既是原料气制造

25、的继续，又是净化的过程，为后续脱碳过程创造条件。 脱硫脱碳过程 各种原料制取的粗原料气，都含有一些硫和碳的氧化物，为了防止合成 氨生产过程催化剂的中毒，必须在氨合成工序前加以脱除，以天然气为原料 的蒸汽转化法，第一道工序是脱硫，用以保护转化催化剂，以重油和煤为原 料的部分氧化法，根据一氧化碳变换是否采用耐硫的催化剂而确定脱硫的位 置。 工业脱硫方法种类很多，通常是采用物理或化学吸收的方法，常用的有 低温甲醇洗法 (Rectisol)、聚乙二醇二甲醚法 (Selexol)等。 粗原料气经 CO 变换以后，变换气中除 H2外，还有 CO2、CO 和 CH4等组 分，其中以 CO2含量最多。 CO2

26、既是氨合成催化剂的毒物，又是制造尿素、 碳酸氢铵等氮肥的重要原料。 因此变换气中CO2的脱除必须兼顾这两方面的 要求。 气体精制过程 经 CO 变换和 CO2脱除后的原料气中尚含有少量残余的CO 和 CO2。 为了 防止对氨合成催化剂的毒害，规定CO 和 CO2总含量不得大于 10cm3/m3(体 积分数)。 因此，原料气在进入合成工序前，必须进行原料气的最终净化， 即精制过程。 目前在工业生产中，最终净化方法分为深冷分离法和甲烷化法。 深冷分 离法主要是液氮洗法，是在深度冷冻 ( 各组分气体比热容 并计算得： 表 各组分含量，分压及比热容 N2H2CH4ArNH3 气体含量 0.2060.6

27、190.1150.0350.025 各组分分压 61.875185.62534.61510.3857.5 Cp30.51429.67845.9820.98452.25 Cp2=31.995KJ/(Kmol) t2=6065.171/31.995=189.568 合成塔气体二次入口带入热量 Q2=(882706.357+5947436.88+63988.349)-(3275742.297+625664.000) =3092725.288 kJ/tNH3 (10) 合成塔绝热温升核算 t=() Cp 1 NT Q yNH HyNH R损 3 3 1 )( =(Cp1+Cp2)/2=33.912KJ

28、/(Kmol)Cp t=(0.1453457.686/(1+0.165)-163988.349/11422.1122.4)/33.912 =189.454 t1=t2+189.454=379.022 表 合成塔热量平衡汇总表 入出 一次气体进口带入热 626664 一次气体进口带出热 882706.357 二次气体进口带入热 3092725.288 二次气体进口带出热 5947436.88 反应热 3275742.297 热损失 163988.349 总Q入 6994131.585 总Q出 6994131.585 4.3.5 废热锅炉热量计算 （1）内热气体带入热量Q1 由合成塔热平衡计算Q1

29、=5947436.880kJ/tNH3 (2) 管内热平衡气体带出热量Q2 设t2=220 C, P=29.4MPa，得混合气体比热容： 表 各组分含量，分压及比热容 N2H2CH4ArNH3 气体含量 0.1660.4980.1310.0390.165 各组分分压 48.842146.52538.55611.56748.51 化工设计 32 Cp30.68129.46947.65220.98449.324 Cp2=34.997KJ/(Kmol) Q2=10049.48/22.434.997220=3454233.359KJ/tNH3 (3) 废热锅炉热负荷 Q=Q2-Q1=-2493203.

30、52KJ/tNH3 (4) 软水量计算 设废热锅炉加入软水温度t=30,压力P=1.274Mpa,副产1.274Mpa 饱和蒸汽， 需 软水量为X 软水焓 I1=125.484KJ/Kg 蒸汽焓 I2=2784.716KJ/Kg Q=X(I2-I1) 热平衡得 X=Q/(I2-I1)=937.565KJ/Kg 废热锅炉带入热量 Q软=XI1=937.565125.484=117649.438KJ/tNH3 蒸汽带入热量 Q蒸=117649.438+2493203.521=2610852.959KJ/tNH3 表 废热锅炉热量汇总表 入出 管内热气带入热量 5947436.88 管内热气带出热量

31、 3454233.359 软水带入热量 117649.438 蒸汽带出热量 2610852.959 总Q进 6065086.318 总Q出 6065086.318 4.3.6 热交换器热量计算 （1）冷气体带入热量Q6由合成塔热平衡计算Q1=882706.357kJ/tNH3 （2）热气体带入热量Q9由废热锅炉热平衡计算Q4=3454233.359kJ/tNH3 （3）冷气体带出热量Q7由合成塔热平衡计算Q2=3092725.288kJ/tNH3 （4）热气体出口温度计算 Q1+Q4=Q2+Q5 热平衡得 Q5=Q1+Q4-Q2=882706.357+345233.359-3092725.28

32、8=1244214.427KJ/tNH3 Q5=V5Cp5t5 t5=Q5/V5/Cp5=1244214.42722.4/10049.48/Cp5=2773.318/Cp5 设t5=66.4 P=29.2MPa得混合气体比热容： 表 各组分含量，分压及比热容 N2H2CH4ArNH3 气体含量 0.1660.4980.1310.0390.165 各组分分压 48.509145.52838.29411.48848.18 Cp30.76529.42740.96421.15193.214 Cp5=41.362KJ/(Kmol) T5=2773.318/Cp5=2773.318/41.362=67.051 误差=(66.4-67.051)/66.4=-0.98