天然气年产10万吨合成氨合成段毕业设计.docx
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天然气年产10万吨合成氨合成段毕业设计
天然气年产10万吨合成氨合成段
1引言
氮是植物营养的重要成份之一，大多数的植物不能直接吸收存在于空气中的游离氮，只有当氮与其他元素化合以后，才能被植物吸收利用。
将空气中的游离氮转变成化合态氮的进程称为“固定氮”。
20世纪初，通过人们的不懈探讨，终于成功的开发了三种固定氮的方式：
电弧法、氰氨法、和合成氨法。
其中合成氨法的能耗最低。
1913年工业上实现了氨合成以后，合成氨法进展迅速，30年代以后，合成氨法已成为人工固氮的要紧方式。
1.1氨的性质
氨化学式为NH3常温下为无色有刺激性辛辣味的恶臭气体，会灼伤皮肤、眼睛，刺激呼吸道器官粘膜，空气中氨的质量分数占%~%就会令人在几分钟内窒息。
氨的要紧物理性质见表0-1。
氨在常温加压易液化，称为液氨。
氨易溶于水，与水反映形成水合氨（NH3+H2O=NH3·H2O）简称氨水，呈弱碱性，氨水极不稳固，受热分解为氨气和水，氨含量为1%的水溶液PH为。
浓氨水氨含量为28%~29%。
氨的化学性质比较活泼，能与酸反映生成盐，如与盐酸反映生成氯化铵；与磷酸反映生成磷酸铵；与硝酸反映生成硝酸铵；与二氧化碳反映生成甲基甲酸铵，脱水后生成尿素等等。
表1-1氨的要紧物理性质[1]
项目
数据
项目
数据
相对分子质量
临界密度/（g/cm3）
氮含量
临界压缩系数PV=ZRT
摩尔体积（0℃，/（L/mol）
临界热导率[kj/
气体密度（0℃，/（g/L）
沸点/℃
`
液体密度
℃,/（g/cm3）
蒸发热（℃）/（kJ/kg）
临界温度/℃
冰点/℃
临界压力/MPa
熔化热℃）/（kJ/kg）
临界比体积/（L/kg）
1.2氨的用途
氨要紧用于制造化学肥料，如农业上利用的所有氮肥、含氮混合肥和复合肥等；也作为生产其他化工产品的原料，如大体化学工业中的硝酸、纯碱、含氮无机盐，有机化学工业的含氮中间体，制药工业中磺胺类药物、维生素，化纤和塑料工业中的己酰胺、己二胺、甲苯二异氰酸酯、人造丝、丙烯腈、酚醛树脂等都需要直接或间接地以氨为原料。
另外在国防工业尖端技术中，作为制造三硝基甲苯、三硝基苯酚、硝化甘油、硝化纤维等多种火药的原料。
氨还能够做冷冻，冷藏系统的制冷剂。
1.3合成氨的进展历史
1.3.1氨气的发觉
十七世纪30年代末英国的牧师、化学家S.哈尔斯（HaLes，1677～1761）,用氯化铵与石灰的混合物在以水封锁的曲颈瓶中加热，只见水被吸入瓶中而不见气体放出，1774年化学家普利斯德里重做该实验，用汞代替水来密封，制得了碱空气（氨），而且他还研究发觉了氨的性质，发觉氨极易溶于水、能够燃烧，还发觉该气体通以电火花时其容积增加，而且分解为两种气体：
H2和N2，其后H.戴维（Davy，1778～1829）等化学家继续研究，进一步证明了2体积的氨通过电火花放电后，分解为1体积的氮气和3体积的氢气[2]。
1.3.2合成氨的发觉及其进展
19世纪以前农业上所需的氮肥来源要紧来自于有机物的副产物和动植物的废物，如粪便、腐臭动植物等等，随着农业和军工生产的进展的需要，迫切的需要成立规模庞大的探讨性的研究，化学家们假想，能不能把空气中大量的氮气固定下来，从而开始设计以氮和氢为原料的合成氨流程。
19世纪，大量的化学家开始试图合成氨，他们试取利用高温、高压、电弧、催化剂等手腕实验直接合成氨，均未成功。
19世纪末，随着化学热力学、动力学和催化剂等领域取得必然进展后，对合成氨反映的研究有了新的进展。
1901年法国物理化学家吕·查得利开辟性地提出氨合成的条件是高温、高压，催化剂存在。
1912年在德国成立了世界上第一个日产30吨的合成氨厂[2]。
合成氨也随之工业化，在以后的生产进程中，人们对合成氨的生产工艺进行了不断改良和完善，如变换工艺的改良。
原料气净化方式的革新及合成塔的改造等，但工艺线路没有大的转变。
1.3.3国外合成氨工业进展
到20世纪50年代，由于北美成功开发了天然气资源，从此天然气作为制氨的原料开始盛行。
到了20世纪60年代末，国外要紧产氨国都已前后停止用焦炭、煤为原料，取而代之的是以天然气、重油等为原料，天然气所占的比重不断上升。
1982年，世界合成氨的生产能力为125Mt氨,但因原料供给、市场需求的转变，合成氨的产量远比生产能力要低。
最近几年，合成氨产量以苏联、中国、美国、印度等十国最高，占世界总产量的一半以上。
合成氨要紧消费部门为化肥工业，用于其他领域的（主若是高分子化工、火火药工业等）非化肥用氨，统称为工业用氨。
目前,合成氨年总消费量（以N计）约为，其中工业用氨量约为10Mt，约占总氨消费量的12%。
合成氨要紧原料有天然气、石脑油、重质油和煤等。
1981年，世界以天然气制氨的比例约占71%，苏联为%、美国为96%、荷兰为100%；中国仍以煤、焦炭为要紧原料制氨,天然气制氨仅占20%。
70年代原油涨价后，一些采纳石脑油为原料的合成氨老厂改用天然气，新建厂绝大部份采纳天然气作原料。
生产合成氨的方式要紧区别在原料气的制造，其中最普遍采纳的为蒸汽转化法和部份氧化法[3]。
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，自从70年代中东石油涨价后，从煤制氨线路从头受到重视,但因以天然气为原料的合成氨装置投资低、能耗低、本钱低的缘故，估量到20世纪末，世界大多数合成氨厂仍将以气体燃料为要紧原料。
合成氨本钱中能源费用占较大比重，合成氨生产的技术改良重点放在采纳低能耗工艺、充分回收及合理利用能量上，要紧方向是研制性能更好的催化剂、降低氨合成压力、开发新的原料气净化方式、降低燃料消耗、回收和合理利用低位热能等。
此刻已提出以天然气为原料的节能型合成氨新流程多种，每吨液氨的设计能耗可降低到约。
合成氨生产中副产大量的二氧化碳，不仅可用于冷冻、饮料、灭火，也是生产尿素、纯碱、碳酸氢铵的原料。
若是在合成氨原料气脱除二氧化碳进程中能联合生产这些产品，那么能够简化流程、减少能耗、降低本钱。
中国开发的用氨水脱除二氧化碳直接制碳酸氢铵新工艺，和中国、意大利等国开发的变换气气提法联合生产尿素工艺，都有明显的优势。
1.3.4国内合成氨工业进展
建国前，我国国内内的合成氨工业基础超级薄弱，规模小，厂家少，而且技术掉队。
建国后，合成氨工业进展专门快，产量也不断增加。
中国的合成氨工业是在20世纪30年代开始的，那时仅在南京和大连两地建有规模不大的两个合成氨工厂，另外在上海还有一个电解水制氢生产合成氨的小型车间，全国年产量不到1万吨。
建国以来，基于农业的迫切需要，我国的合成氨工业取得了快速进展。
在原料方面，由单一的焦炭进展到煤、天然气、焦炉气、石油炼厂气、轻油和重油等多种原料制氢。
研制并生产多种合成氨工艺所需的催化剂，在品种、产量和质量上都能知足工业生产的要求，一些品种的质量已达到国际先进水平；我国已完成大型合成氨厂的设计及关键设备的制造。
具有因地制宜特点的我国小型合成氨工业，通过量年的改良，工艺日趋完善，能耗也有明显降低。
通过50连年的尽力，我国已拥有多种原料、不同流程的大、中、小型合成氨工厂550余个。
在技术力量方面，我国已拥有一支能从事合成氨生产的科研、设计、制造和施工的高素养技术队伍。
在生产能力方面，1980年中国合成氨产量为1498万吨，到1990年上升至2129万吨，仅次于前苏联名列世界第二。
1994年中国氨产量达到2442万吨，2005年中国氨产量为4596万吨，2006年中国合成氨产量为万吨，2007年中国合成氨产量已超过5000万吨，从1994年后中国合成氨产量位列世界第一[4]。
1.3.5国内合成氨工业的进展趋势
合成氨工业的迅速进展增进了一系列科学技术和近代化学合成工业的进展。
随着科学技术的进步和生产能力的不断进展，合成氨工业在国民经济中的基础作用必将日趋显著。
展望21世纪，合成氨装置将继续朝着大型化、集中化、自动化、低能耗与环境友好型方向进展，并形成具有必然规模的生产中心，单系列合成氨装置的能力将从1000～1350t/d提高至1500～2000t/d[5]。
合成氨生产包括三个要紧步骤：
第一步是制造含氮和氢的原料气；第二步是将原料气进行净化处置，以除去各类杂质和有毒成份，从而取得纯净的氮氢混合气体；第三步是氨的合成。
目前工业上采纳的原料气要紧分为三种：
固体原料（焦炭、无烟煤、褐煤等）、液体原料（重油、原油、轻油等）、气体原料（天然气、油田气、焦炉气、炼厂气等）[5]。
21世纪，由于能源危机、清洁环保因素的制约，而且最近几年来提倡的低碳生活，依照合成氨技术进展的情形分析,以后合成氨的大体生产原理将可不能显现原那么性的改变,其技术进展将会继续紧密围绕“降低生产本钱、提高运行周期,改善经济性”的大体目标,进一步集中在“大型化、低能耗、结构调整、清洁生产、长周期运行”等方面进行技术的研究开发。
在这种大环境下，最理想的原料气确实是天然气，也是下一时期合成氨的清洁技术方面进展的重点。
过去被合成氨工业以为没有太多困难的环境爱惜问题，由于对污染操纵变得日趋严格，一些以为已经解决的问题，此刻又得从头加以评判。
专门是最近几年来因地球气候日趋变暖而提出的对温室效应的操纵，将会对二氧化碳的排放加以严格限制。
所有这些新旧问题对合成氨工业的进展，都会起到举足轻重的阻碍。
1.4合成氨工段设计要紧参数计算的要紧内容
合成氨的生产工艺要紧分为原料气的制取和原料气的净化和氨的合成。
氨的合成是全工段的中枢，是合成氨厂的最后一道工序，它的任务是在必然温度、压力及催化剂存在的条件下，由净化工段过来的合成气（N2+H2）进入合成塔在催化剂的作用下开始氨的合成，其后即是液气分离，取得液氨产品和未反映的气体做循环气利用，氨合成的反映的化学方程式是：
由反映方程式能够看出氨的合成具有如下几个特点：
①可逆反映②放热反映③体积缩小的反映④反映需要有催化剂才能较快的进行
故关于这次毕业设计的要紧环节包括：
（1）对合成氨工段的工艺资料进行综合整理；
（2）合成工段中各个反映设备的物料衡算和热量衡算，包括合成塔、水冷器、废热锅炉、热互换器、冷互换器、氨冷器和液氨贮槽；
（3）合成工段合理利用热能；
（4）制定变换工段的工艺流程，并绘制工艺流程图；
（5）要紧的设备选型及计算；
（6）平安因素、经济效益方面等；
（7）厂房与设备布置。
2工艺计算
2.1生产流程简述
气体从冷互换器出口分二路、一路作为近路、一路进入合成塔一次入口，气体沿内件与外筒环隙向下冷却塔壁后从一次出口出塔，出塔后与合成塔近路的寒气体混合，进入气气换热器寒气入口，通过管间并与壳内热气体换热。
升温后从寒气出口出来分五路进入合成塔、其中三路作为冷激线别离调剂合成塔。
二、三、四层（触媒）温度，一路作为塔底副线调剂一层温度，另一路为二入主线气体，通过下部换热器管间与反映后的热气体换热、预热后沿中心管进入触媒层顶端，通过四层触媒的反映后进入下部换热器管内，从二次出口出塔、出塔后进入废热锅炉入口，在废热锅炉中副产蒸气送去管网，从废热锅炉出来后分成二股，一股进入气气换热器管内与管间的寒气体换热，另一股气体进入锅炉给水预热器在管内与管间的脱盐，脱氧水换热，换热后与气气换热器出口气体会合，一路进入水冷器。
在水冷器内管被管外的循环水冷却后出水冷器，进入氨分离器，部份液氨被分离出来，气体出氨分离器，进入透平循环机入口，经加压后进入循环气滤油器出来后进入冷互换器热气入口。
在冷互换器管内被管间的寒气体换热，冷却后出冷互换器与紧缩送来通过新鲜气滤油器的新鲜气氢气、氮气会合进入氨冷器，被液氨蒸发冷凝到-5～-10℃，被冷凝的气体再次进入冷交，在冷交下部气液分离，液氨送往氨库气体与热气体换热后再次出塔，进入合成塔再次循环。
合成氨合成工艺流程见图2-1。
图2-1工艺流程图
2.2原始条件
（1）年产10万吨，年产时刻扣除检修时刻后按300天计算，那么产量为h
（2）新鲜补充气组成如表2-1。
表2-1新鲜补充气组成
组分
H2
N2
CH4
Ar
总计
含量/%
（3）合成塔入口氨含量：
NH3=%
（4）合成塔出口氨含量：
NH3=%
（5）合成塔入口惰性气体含量：
CH4+Ar=15%
（6）合成塔操作压力：
30MPa
（7）精炼气温度：
35℃
1.——精炼气;13——放空气;20——弛放气;.21——液氨;其余各节点为循环气
图2-2计算物料点流程
2.3物料衡算
2.3.1合成塔物料衡算
（1）合成塔入塔气组分：
入塔氨含量：
yNH3=%；
入塔甲烷含量：
y5,CH4=%×%/+×100%=%
入塔氢含量：
y5,H2=[100-+15）]×3/4×100%=%
入塔氩含量：
y5,Ar=15%%=%
入塔氮含量：
y5,N2=[100-+15）]×1/4×100%=%
将入塔组分归入表2-2。
表2-2入塔气组分含量/%
组分
NH3
H2
N2
CH4
Ar
总计
含量/%
（2）合成塔出口气组分
以1000kmol入塔气作为基准求出塔气组分，由下式计算塔内生成氨含量[6]：
出塔气量：
M8=入塔气量－生成氨气量=1000－=
出塔氨含量：
y8，NH3=%
出塔甲烷含量：
出塔氩含量：
出塔氢含量：
出塔氮含量：
将出塔气体组分归入表2-3。
表2-3出塔气体组分含量/%
组分
NH3
H2
N2
CH4
Ar
总计
含量
132
100
（3）氨的合成率：
合成率
2.3.2氨分离器气液平稳计算
氨分离器入口气体组成等于合成塔出口气体组成及氨分离器入口混合物组分如表2-4所示。
表2-4氨分离器入口混合气体组分m（i）
组分
NH3
H2
N2
CH4
Ar
总计
含量
查t=35℃，P=时各组分的平稳常数，见表2-5所示。
表2-5各组分平稳常数K（i）[6]
KNH3
KH2
KN2
KCH4
KAr
设
时，代入
L总=LNH3+LCH4+LH2+LN2+LAr=
分离气体量：
V=1－=
计算液气比
误差
，符合要求，故结果合理
从而可计算液体中各组分含量，由式x（i）=L（i）/L可得液体中各组分的含量，将计算结果汇入下表2-6。
表2-6氨分离器出口液体含量/%
组分
NH3
H2
N2
CH4
Ar
总计
xi,15/%
分离气体组分含量：
气体氨含量：
y12,NH3=[mNH3－LNH3]/V=%
同理有：
y12，CH4=%
y12，H2=%
y12，N2=%
y12，Ar=%
将分离气体组分含量归入表2-7。
表2-7氨分离器出口气体含量/%
组分
NH3
H2
N2
CH4
Ar
总计
yi,12/%
2.3.3冷互换器气、液平稳计算
冷互换器各组分平稳常数在t=-10℃，p=下查得，见表2-8。
表2-8冷互换器各组分的平稳常数[6]
组分
NH3
H2
N2
CH4
Ar
Ki
冷互换器出口液体组分含量：
出口液体氨含量：
x16，NH3=yNH3/KNH3=%
同理：
x16，H2=%
x16，N2=%
x16，CH4=%
x16，Ar=%
将冷互换器出口液体组分含量归入表2-9。
表2-9冷互换器出口液体组分含量
组分
NH3
H2
N2
CH4
Ar
总计
xi,16/%
2.3.4液氨贮槽气、液平稳计算
由于氨分离器液体和冷互换器出口分离液体汇合后进入液氨贮槽经减压后溶解在液氨中的气体会解吸，即弛放气;两种液体百分比估算值，即水冷后分离液氨占总量的白分数。
水冷后分离液氨占总量的%冷交，氨冷后分离液氨占总量的%。
以贮槽入口1kmol液体为计算基准，入口液体的组成由下式计算：
取得进入氨贮槽的液氨组成汇入表2-10。
表2-10氨贮槽的液氨组成
组分
NH3
H2
N2
CH4
Ar
总计
z21,i/%
当t=17℃，P=时，计算得热平稳常数归入表2-11。
表2-11各组分的平稳常数[6]
KNH3
KCH4
KAr
KH2
KN2
170
540
575
620
依照气液平稳L（i）=z21,i/[1+（V/L）Ki]，设（V/L）=，代入上式得：
出口液体氨含量：
LNH3=z21,NH3/[（1+（V/L）×kNH3]=（1+×=
出口液体甲烷含量：
LCH4=z21,CH4/[1+（V/L）×kCH4]=（1+×170）=Kmol
出口液体氩含量：
LAr=z21,Ar/[1+（V/L）×kAr]=（1+×540）=
出口液体氢气含量：
LH2=z21,H2/[1+（V/L）×kH2]=（1+×575）=Kmol
出口液体氮气含量：
LN2=z21,N2/[1+（V/L）×kN2]=（1+×620）=Kmol
因此得，L（总）=,V==
那么，（V/L）`=V/L=,误差=，假定正确。
出口液体组分含量：
出口液体氨含量：
xNH3=LNH3/L=×100%=%
出口液体甲烷含量：
xCH4=LCH4/L=×100%=%
出口液体氩含量：
xAr=LAr/L=×100%=%
出口液体氢气含量：
xH2=LH2/L=×100%=%
出口液体氮气含量：
xN2=LN2/L=×100%=%
将液氨贮槽出口液氨组分归入表2-12。
表2-12液氨贮槽出口液氨组分（%）
NH3
CH4
Ar
H2
N2
小计
出口弛放气组分含量：
弛放气氨含量：
yNH3=（z21,NH3-LNH3）/V=弛放气甲烷含量：
yCH4=（z21,CH4-LCH4）/V=×100%=%
弛放气氩含量：
yAr=（z21,Ar-LAr）/V=×100%=%
弛放气氢气含量：
yH2=（z21,H2-LH2）/V=×100%=%
弛放气氮气含量：
yN2=（z21,N2-LN2）/V=×100%=%
将出口驰放气组分含量归入表2-13。
表2-13出口弛放气组分含量（%）
NH3
CH4
Ar
H2
N2
小计
100
2.3.5液氨贮槽物料计算
以液氨贮槽出口一吨纯液氨为基准折标立方米计算液氨贮槽出口液体量
L19=1000××17）=
其中，NH3，L19,NH3=L19NH3×x19NH3=×﹪=m3
CH4，L19,CH4=L19,CH4×x19,CH4=×﹪=m3
Ar，L19,Ar=L19,Ar×x19,Ar=×﹪=m3
H2，L19,H2=L19,H2×x19,H2=×﹪=
N2，L19,N2=L19,N2×x19,N2=×﹪=
液氨贮槽出口弛放气（V/L）=
V20=×L19=×=m３
其中，NH3，V20,NH3=V20,NH3×y20,NH3=×﹪=m3
CH4，V20,CH4=V20,CH4×y20,CH4=×﹪=m3
Ar，V20,Ar=V20Ar×y20,Ar=×﹪=m3
H2，V20,H2=V20,H2×y20,H2=×﹪=
N2，V20,N2=V20,N2）×y20,N2=×﹪=m3
液氨贮槽出口总物料=L19+V20=+=m3
液氨贮槽入口液体：
由物料平稳，入槽总物料=出槽总物料，L21=L19+V20=m3
入口液体各组分含量计算：
L21,i=L19,i+V20,i
其中，NH3，L21,NH3=+=m3
CH4，L21,CH4=+=m3
Ar，L21,Ar=+=m3
H2，L21,H2=+=m3
N2，L21,N2=+=m3
入口液体中组分含量核算由，
x´（21,i）=L21,i/L21
入口液体中氨含量，x´21,NH3=×100﹪=﹪
入口液体中甲烷含量，x´21,CH4=×100﹪=﹪
入口液体中氩含量，x´21,Ar=×100﹪=﹪
入口液体中氢气含量x´21,H2=×100﹪=%
入口液体中氮气含量x´21,N2=×100﹪=%
入口液体中组分含量x´21,i≈z´21,i
2.3.6合成系统物料计算
将整个合成看着一个系统，进入该系统的物料有新鲜补充气补V1，离开该系统的物料有放空气V13，液氨贮槽弛放气V弛，产平液氨L氨。
由前计算数据如下表2-14。
表2-14各组分的含量
物料
组成yi/%
气（液）量m3
NH3
H2
N2
CH4
Ar
新鲜气
一
V1
放空气
V13
弛放气（V20）
液氨
进塔气
V5
出塔气
V8
依照物料平稳和元素平稳求V1、V13、V5、V8（忽略产品液氨中溶解的气体）：
循环回路中氢平稳：
V1yH2,1=V13yH2,13+V20yH2,20+3/2×V13×yNH3,13+3/2V20×yNH3,20+3/2L19┉┉┉┉┉┉┉┉┉①
循环回路中氮平稳:
V1×yN2,1=V13yN2,13+V20yNH3,20+1/2V13×yNH3,13+1/2V20yNH3,20+1/2L19┉┉┉┉┉┉┉┉┉②
循环回路中惰性气体平稳：
V1（yCH4+yAr）=V13（yCH4,13+yAr,13）+V20（yCH4,20+yAr,20）
V1+=V13++V20+
V1=+=+┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉③
循环回路中氨平稳:
V8yNH3,8-V5yNH3,5=L19+V13yNH3,13+V20yNH3,20
┉┉┉┉┉┉④
循环回路中总物料体平稳:
V5=V8+V1-V13-V20-L19=V8+┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉⑤
将L19=，V20=及已求得的气体组成代入式①、②中联立求解得
=+┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉⑥
=+┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉⑦
联立①②③④⑤⑥⑦各式解得：
V13=m3，V1=m3，V8=m3，V5=m3
2.3.7进出合成塔物料计算
一进气体量，V5=m3`
其中：
NH3，V5，NH3=×%=m3`
同理，
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