年产6万吨合成氨厂中置式合成工艺设计本科毕业设计.doc

武汉工程大学本科毕业设计
摘 要
本设计以年产60kt NH3/a 的生产能力为计算依据，通过对合成塔、氨分离器、冷交换器、液氨贮槽等设备进行物料衡算和热量衡算，选定…催化剂。…型的用量为…，确定了各个设备的尺寸和结构类型。
设计结果表明，60kt NH3/a的装置，采用中置废热锅炉回收余热的流程，其中合成塔的直径为1200mm，催化床层采用…冷管方式…, 三套管的传热面积为…，上段热交换器和下段热交换器的传热面积分别为…和…，废热锅炉的选型和尺寸为…，合成塔出口氨含量15.76%。水冷器、冷交换器、氨冷器的换热面积分别为200m2、286.8m2、274.6m2，工艺流程合理，所选设备可行，设计能够满足要求。

关键词 氨，合成，触媒

Abstract
This design was on the basis on 60kt/a NH3. Through the mass balance and energy Balance for ammonia synthesis Converter, ammonia separator , liquid ammonia tank and cool exchanger, the size and type of the equipments were determined in this design.
The results showed that, the equipment of the 60kt/a NH3，for the process of synthetic ammonia with recovery heat boiler was put in between two heat exchangers in the botton of the synthetic ammonia equipment, the diameter of synthesis converter was 1200 mm , the areas of the heat exchanger for water coolers, cold exchanger , ammonia separator were 200 m2, 286.8m2, 274.6m2, respectively. The concentration of ammonia was 15.76% form the outlet of the tower. The process is feasible and the selected equipments is reasonable. The results meet the requirements of the design task well.

Keywords Ammonia, Synthesis, Catalyst
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3）其它

目 录
摘 要 I
Abstract II
第一章 文献综述 1
1.1合成氨的历史背景 1
1.2中国合成氨工业生产发展概况 3
1.3 氨的用途及贮运 4
1.4 工业生产合成氨方法 5
1.4.1 反应方程式 5
1.4.2 造气 5
1.4.3 变换 6
1.4.4 脱碳 7
1.4.5 合成 7
1.5 流程简述 9
第二章 物料衡算 11
2.1 计算依据 11
2.2 计算流程点 10
2.3 物料组分计算 11
2.3.1 合成塔入口气体组成 11
2.3.2 合成塔出口气体组成 11
2.3.3 氨分离器气液平衡计算 12
2.3.4 冷交换器气液平衡计算 14
2.3.5 液氨贮槽气液平衡计算 15
2.3.6 液氨贮槽物料计算 18
2.4合成系统物料计算 19
2.4.1 合成塔物料计算 21
2.4.2 水冷器物料计算 22
2.4.3 氨分离器物料计算 23
2.4.4 冷交换器物料计算 23
2.4.5 氨冷器物料计算 25
2.4.6 冷交换器物料计算 26
2.4.7液氨贮槽物料计算 27
第三章 热量衡算 30
3.1 冷交换器热量衡算 30
3.2 氨冷器热量计算 35
3.3 循环机热量计算 37
3.4 合成塔热量计算 39
3.5 废热锅炉热量计算 42
3.6 热交换器热量计算 43
3.7 水冷器热量计算 45
3.8 氨分离器热量计算 47
第四章 主要设备计算 49
4.1 废热锅炉设备工艺计算 49
4.1.1 计算条件 49
4.1.2 管内给热系数计算 49
4.1.3 管外给热系数计算 50
4.1.4总传热系数计算 50
4.1.5 对数传热温差计算 51
4.1.6 传热面积 51
4.1.7 换热管长度 51
4.2合成塔工艺设备计算 52
4.2.1 已知条件 52
4.2.2 合成塔塔体设计 52
4.2.3 合成塔内件结构的选型 53
4.2.4 触媒筐方案计算 53
4.3. 换热器的计算 62
4.3.1水冷器计算 62
4.3.2冷交换器计算 64
4.3.3氨冷器计算 65
4.4 设备一览表 65
致谢 67
参考文献 68

9

武汉工程大学本科毕业设计
第一章 文献综述
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。氨气，分子式NH3，英文名 synthetic ammonia。世界上的氨除少量从焦炉气中回收副产外，绝大部分是合成的氨。
1.1合成氨简介
氨是最为重要的基础化工产品之一，其产量居各种化工产品的首位; 同时也是能源消耗的大户，世界上大约有10 %的能源用于生产合成氨。氨主要用于农业,合成氨是氮肥工业的基础，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、再加工成尿素或各种铵盐肥料，这部分约占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、制药、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”。
世界合成氨技术的发展经历了传统型蒸汽转化制氨工艺、低能耗制氨工艺、装置单系列产量最大化三个阶段。根据合成氨技术发展的情况分析, 未来合成氨的基本生产原理将不会出现原则性的改变, 其技术发展将会继续紧密围绕“降低生产成本、提高运行周期, 改善经济性”的基本目标, 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[1]。
(1) 大型化、集成化、自动化, 形成经济规模的生产中心、低能耗与环境更友好将是未来合成氨装置的主流发展方向。以Uhde公司的“双压法氨合成工艺”和Kellogg 公司的“基于钌基催化剂KAAP 工艺”,将会在氨合成工艺的大型化方面发挥重要的作用。氨合成工艺单元主要以增加氨合成转化率(提高氨净值) ,降低合成压力、减小合成回路压降、合理利用能量为主，开发气体分布更加均匀、阻力更小、结构更加合理的合成塔及其内件; 开发低压、高活性合成催化剂, 实现“等压合成”。
(2) 以“油改气”和“油改煤”为核心的原料结构调整和以“多联产和再加工”为核心的产品结构调整,是合成氨装置“改善经济性、增强竞争力”的有效途径。
实施与环境友好的清洁生产是未来合成氨装置的必然和惟一的选择。生产过程中不生成或很少生成副产物、废物,实现或接近“零排放”的清洁生产技术将日趋成熟和不断完善。
提高生产运转的可靠性,延长运行周期是未来合成氨装置“改善经济性、增强竞争力”的必要保证。有利于“提高装置生产运转率、延长运行周期”的技术,包括工艺优化技术、先进控制技术等将越来越受到重视。

1.2中国合成氨工业生产发展概况
中国合成氨工业经过40多年的发展，产量已跃居世界第1位，已掌握了以焦炭、无烟煤、褐煤、焦炉气、天然气及油田伴生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。
生产能力现状
中国合成氨生产设备是大、中、小规模并存，总设计生产能力为4222×104t。目前，全国有合成氨生产企业570多家，其中2004年产量达30×104t以上的有30家，超过50×104 t的已有4家。大型合成氨设备有30套，设计能力为9．28×10。t／a，实际生产能力为1．0×107 t／a；约占中国合成氨总生产能力的22％。中型合成氨设备有55套，生产能力为4．64×106 t／a；约占中国合成氨总生产能力的11%，小型合成氨设备有700多套，生产能力为28×106 t／a，约占中国合成氨总生产能力的66%。
中国合成氨年实际生产能力2005年已达4596×104t，但合成氨一直是化工产业的耗能大户。2005年6月7~8日，全国合成氨节能改造项目技术交流会在北京召开，明确了“十一五”期间合成氨节能工程在降耗、环保等方面要达到的具体目标。
 根据《合成氨能量优化节能工程实施方案》规划，这一重点节能工程的目标是：大型合成氨装置采用先进节能工艺、新型催化剂和高效节能设备，提高转化效率，加强余热回收利用；以天然气为原料的合成氨推广一段炉烟气余热回收技术，并改造蒸汽系统；以石油为原料的合成氨加快以洁净煤或天然气替代原料油改造；中小型合成氨采用节能设备和变压吸附回收技术，降低能源消耗。煤造气采用水煤浆或先进粉煤气化技术替代传统的固定床造气技术。到2010年，合成氨行业节能目标是：单位能耗由目前的1 700kg标煤／t下降到1 570kg标煤／t；能源利用效率由目前的42．0％提高到45．5％；实现节能(570---585)×104t标煤，减少排放二氧化碳(1377---1413)×104t。
十多年来，合成氨装置先后经过油改煤、煤改油、油改气和无烟煤改粉煤等多次反复的原料路线改造和节能改造。但由于装置原料路线、资源供应、运输、资金与技术成熟度等诸多方面原因，合成氨节能技术改造的效果始终未能达到预期目标。到2004年底，合成氨单位能耗平均为1700kg标煤／t，吨氨平均能耗水平与国际先进水平相差600--~700kg标煤。
市场供需情况分析及预测
中国作为农业大国，也是化肥生产大国，合成氨生产大国。最近十多年来中国合成氨生产能力大幅增长，2002年中国合成氨总生产能力约4500×10t／a，实际产量3654×10t／a，能力和产量已居世界第一位。国内氮肥消费量经过了近20年的高速增长，目前已进入平稳发展阶段，根据国家“十五”化肥发展规划，预计2000～2010年中国化肥需求增长率约为1．5 %，化肥用氨稍有增长，而工业用氨变化不大。目前中国合成氨生产基本上已满足氮肥工业的需要，今后氮肥工业的发展重点是调整产品结构，对合成氨的需求将缓慢成长。
1.3 氨的用途及贮运
氨主要用于制造氮肥和复合肥料，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、聚氨酯、聚酰胺纤维和丁腈橡胶等都需直接以氨为原料。液氨常用作制冷剂。
商品氨中有一部分是以液态由制造厂运往外地。此外，为保证制造厂内合成氨和氨加工车间之间的供需平衡，防止因短期事故而停产，需设置液氨库。液氨库根据容量大小不同，有不冷冻、半冷冻和全冷冻三种类型。液氨的运输方式有海运、驳船运、管道运、槽车运、卡车运。
生产方法 生产合成氨的主要原料有天然气、石脑油、重质油和煤（或焦炭）等。
天然气制氨。天然气先经脱硫，然后通过二次转化，再分别经过一氧化碳变换、二氧化碳脱除等工序，得到的氮氢混合气，其中尚含有一氧化碳和二氧化碳约0.1％～0.3％（体积），经甲烷化作用除去后，制得氢氮摩尔比为3的纯净气，经压缩机压缩而进入氨合成回路，制得产品氨。以石脑油为原料的合成氨生产流程与此流程相似。
重质油制氨。重质油包括各种深度加工所得的渣油，可用部分氧化法制得合成氨原料气，生产过程比天然气蒸气转化法简单，但需要有空气分离装置。空气分离装置制得的氧用于重质油气化，氮作为氨合成原料外，液态氮还用作脱除一氧化碳、甲烷及氩的洗涤剂。
煤（焦炭）制氨。随着石油化工和天然气化工的发展，以煤（焦炭）为原料制取氨的方式在世界上已很少采用。
1.4 工业生产合成氨方法
1.4.1 反应方程式

N2来源于空气（空气分离、空气将氧气耗掉所剩N2）
H2由煤、渣油、轻油、天然气与蒸汽反应制得
1.4.2 造气
造气一般是以煤为原料，采用间歇式固定层常压气化法，在高温和程控机油传动控制下，交替与空气和过热蒸汽反应，反应方程式如下
吹风 ++Q
+C2CO-Q
上，下吹 C+(g) CO+-Q
A 吹风阶段
空气→鼓风机→造气炉→旋风除尘器→吹风气岗位
↓
过热器→废锅→烟囱→放空
吹风阶段的主要作用是产生热量，提高燃料温度
B，上吹(加氮)阶段
过热蒸汽造气旋风除尘器过热器废锅洗气塔气柜空气鼓风机造气炉
上吹阶段主要作用是置换炉底空气，吸收热量，制造半水煤气，同时加入部分氮气.
C，下吹阶段
过热蒸汽造气炉废锅洗气塔气柜
下吹阶段主要作用是制取半水煤气，吸收热量，使上吹后上移的气化层下移.
D，二上吹阶段
过热蒸汽造气炉旋风除尘器过热器废锅洗气塔气柜
二上吹的主要作用是将炉底及进风管道中煤气吹净并回收，确保生产安全.
E，吹净阶段
空气鼓风机造气炉旋风除尘器过热器废锅洗气塔气柜
吹净的主要作用是回收造气炉上层空间的煤气及补充适量的氮气，以满足合成氨生产对氮氢比的要求.
1.4.3 变换
经过压缩有一定压力的半水煤气先经过油水分离器，除去煤气中的油物.然后进入饱和塔的下部与热水进行交换后升至一定温度，经过汽水分离器分离煤气中的水分.去除水分的煤气进入预热交换器，与中变炉出口的高温煤气进行两次热交换，进入中变炉，在触媒的催化作用下，煤气中的一氧化碳发生反应，生成二氧化碳，中变炉的炉体内有三层反应区，在正常的工艺状况下，第一层的反映温度控制在450℃左右，第二层反应温度控制在400℃左右，第三层的反应温度控制在380℃左右.反应后，出中变炉的变换气进入与入口水煤气进行热交换的两级热交换器后，再进入低变炉使变换气中的一氧化碳进一步变换，经过两次变换的水煤气成为合格的变换气之后，经热水塔冷却塔之后送入下一工段进行后续处理。
1.4.4 脱碳
含有一定浓度的变换气进入吸收塔内。气体中被逆流流下的碳酸丙稀脂所吸收.净化气脱至所要求的浓度由塔顶排出，成为可供用户使用的工艺气.吸收的碳酸丙稀脂富液经涡轮机回收能量之后，在高压闪蒸槽中闪蒸.减压闪蒸液在气提塔内经空气气提再生，再生后的碳酸丙稀脂贫液经循环液泵送回吸收塔循环使用.气提空气由通风机从气提塔塔底送入。
高压闪蒸气中含有及部分工艺气.高压闪蒸气可全部或部分返回压缩，与原料气汇合，以回收氮气和氢气。
脱碳过程中，入脱碳塔贫液的流量，将直接影响二氧化碳在脱碳塔中的溶解度.流量过小，原料气中的不能充分被吸收;流量过大，能耗增加.闪蒸槽的液位和压力，对于原料气的回收和再利用，有重要作用.它不仅可以回收闪蒸气中的氮气和氢气，还可以减少碳酸丙稀脂的损失。
脱碳后.煤气进入下一工段进行进一步处理。
1.4.5 合成
目前国内大多数中小氮肥企业均采用中压法氨合成工艺，其合成压力为31.4MPa.合成塔的直径一般为～。
将压缩送来的合格精练气在适当的温度，压力和触媒存在的条件下合成为氨，所得气氨经过冷却水和液氨冷却，冷凝为液氨.并将液氨从氢氮气中分离出来.未合成的氢氮气补充部分合格的新鲜气体继续在合成系统内循环合成。
合成氨反应为可逆放热反应。在高压下进行合成氨反应，有利于反应平衡向生成氨的方向移动，同时反应速度也随压力升高而加速。所以压力增加时，平衡氨浓度和反应速度都增加。这两者都有利于气体合成率的提高和使催化剂用量减少。此外合成压力提高，氨浓度增加，按冷凝温度相应提高，所需冷冻量亦随之减少，故高压还有利于循环气中氨的分离，简化流程。
温度升高反应速度加快，氨的平衡浓度下降，催化剂只在一定范围内能显示催化作用，温度大约在360～550℃，低温有利于延长催化剂寿命并减缓设备的“氢蚀”。
合成塔入口气成分 氢气、氮气、氨气、甲烷和惰性气体。
催化剂为α-Fe，催化剂的永久性毒物 硫、磷、砷、氯的化合物。催化剂活性下降的主要原因
（1）长期处于高温下使α-Fe微晶体再结晶长大合并，活性表面积减小，活性降低；
（2）催化剂中毒。
合成工段中主要工艺参数的优化和控制非常重要.直接影响合成氨的产量和消耗指标.控制方案以降低吨氨消耗为目标，控制参数为催化剂温度，惰性气体含量，氨冷出口温度，及氨冷器，冷交换器.氨分离器的三大液位。
氢氮比的调节
氢氮比的自调是合成控制中的难点，从造气到合成的滞后时间，开满量时，一般小化肥厂为30分钟.开连醇为45分钟.正确认识从造气到合成整个流程中氢比演变规律是搞好调节的基础.规律主要为二点;从造气到合成塔入口基本为纯滞后阶段，各点氢比测量曲线呈简单相似现象.并含有一定容量滞后，合成塔塔前塔后氢比信号呈微积分关系.记录各测量点氢比偏差记录曲线，据此可发现演变规律，监视分析调节效果，计算开表数据，以此数据二维查表控制阀门输出能达到较好的控制效果。
合成塔内触媒层热点温度控制。
合成塔各催化剂层热点温度的控制，是调节未反应的冷气体加入量的方法来控制各段温度，由于反应温度比较容易稳定，所以一般采用手动遥控。
循环气和氨冷器出口温度和液位的控制
为了更好的控制温度，采用串级控制方案.以温度回路作为主回路，液位为副回路.为保证液位，当液位超限时，切断串级回路，使回路的串级状态切换为副回路的自动状态.保证液位在安全值内。
新鲜气氨冷器液氨液位控制
在新鲜气氨冷器液位调节系统中，水位测量值与给定常数进行PID运算，运算结果调节氨冷液位调节阀开度，从而维持氨冷液位恒定。
1.5 流程简述
来自冷凝塔的气体在305 MPa（绝压），30℃下进入合成塔上部，经塔内外筒外隙进入下部热交换器管外与反应后出触媒筐温度为475℃的管热气体换热后，经集气管进入冷管的内、外管间环隙进入集气盒，沿中心管上升，在420℃下进入触媒筐。经反应之气体在475℃进入上段热交换器管内，与管外冷气换热，热气被冷却至375℃，从一段出口引至塔外中置废热锅炉副产13 MPa的蒸汽后，返回合成塔下段热交换器管内，经进一步冷却，在90℃，295 MPa下出合成塔。经水冷器，氨分离器，分离出大部分的液氨后，进入冷交换器，在此新鲜气经油分离器，补充器循环系统中，然后再经氨冷器，经过压缩机加压后重新进入合成塔进行下一循环。

新鲜气

NH3
氨冷器
液氨贮槽槽
合成塔

废热锅炉

水冷器
换热器

油分离器
循环机
氨分离器qi
冷交换器

图1 氨合成系统流程图
Figure 1 The flow chart for ammonia synthesis system
第二章 物料衡算
2.1 计算依据
精炼气成分计算
已知补充气中惰性气体总量+=0.8%
又由反应，可知 ：=2.9 ：1

=3/499.2%=73.8%
=1/499.2%=25.4%
又由已知补充气来自空气，其中/=78.1% ：0.9325%
=0.303%
=0.8%-0.296%=0.497%
(1) 精炼气成分
=73.8% =25.4% =0.497% =0.303%
(2)合成塔入口氨含量 =3%
氨净值 12.76%
合成塔出口氨含量 =3%+12.76%=15.76%
合成塔入口惰性气体含量 =15%
(3)合成塔操作压力 29.4MPa(取其进口和出口的平均压力)
(4)水冷器出口气体温度305K
(5)以下各项在计算中略去不计
设备及管道造成的压力降;设备及管道的冷(热)量损失;冷交换器及氨冷器中溶解在液氨中的气量。
(6) 年工作日 300天
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2.2 计算流程点
6

新鲜气 8 9 10

7 11
5 13

4 3 14 12
16
16 15
2 17
20
1
18 21
20 19

水冷器
换热器
废热锅炉
合成塔

氨分离器qi
冷交换器
油分离器
循环机

氨冷器
液氨贮槽槽

图2.1 氨合成系统带物料点流程示意图
Figure 2.1 The flow chart with material point for Ammonia Synthesis System

1，2，3，4，5—精炼气
6，7，8，9，10，11，12，14，17，18—合成气
13—放空气
20—弛放气
15，16，19，21—液氨
2.3 物料组分计算
2.3.1 合成塔入口气体组成
根据计算依据
入塔氨含量 =3%
入塔甲烷含量 =15%0.497/(0.497+0.303)=9.32%
入塔氩含量 =15%0.303/(0.497+0.303)=5.68%
入塔氢含量 =2.9/3.9(100%-3%-15%)=60.974%
入塔氮含量 =1/3.9(100%-3%-15%)=21.026%
结果汇总见表2.1。
表2.1 入塔气组分含量 (%)
表2.1 入塔气组分含量（％）
NH3
CH4
Ar
H2
N2
小计
3
9.32
5.68
60.974
21.062
100

2.3.2 合成塔出口气体组成
以1000kmol入塔气作为计算基准求出塔气组分
已知 氨净值12.76%。
合成塔出口氨含量 =3%+12.76%=15.76%
由下式计算合成塔内生成的
=(-)/(1+)=1000(0.1576-0.03)/(1+0.1576)
=110.228 kmol
出塔气量 =入塔气量-生成气量=1000-110.228=889.772 kmol
出塔氨含量 =15.76%
出塔甲烷含量 =(/)=(1000/889.772) 9.32%=10.47%
出塔氩气含量 =(/)=(1000/889.772) 5.68%=6.38%
出塔氢含量 =2.9/3.9(1---)100%=50.11%
出口氮含量 =1/4(1---)100%=17.28%

结果汇总见表2.2。
表2.2 出塔气体组分含量（％）
NH3
CH4
Ar
H2
N2
小计
15.76
10.47
6.38
50.11
17.28
100

2.3.3 氨分离器气液平衡计算
设氨分离器进口气液混合物F，进口物料组分;分离气相组分;气量V;分离液相组分，液量L，其中进口物料组分等于合成塔出口气体组分.根据气液平衡原理，以1 Kmol进口物料为计算基准，即F=1 Kmol。
分离器入口混合物组成与合成塔出口气组分相同，见表2.3。
表2.3 氨分离器入口混合物组分(%)
NH3
CH4
Ar
H2
N2
小计
15.7
10.47
6.38
50.1
17.28
1.00000
查T=308K，P=28.9MPa时各组分的平衡常数，如表2.4。
表2.4 各组分的平衡常数
KNH3
KCH4
KAr
KH2
KN2
0.09175
10.54
28.12
39.68
35.975

由物料衡算
(2-1)
又气液平衡 (2-2)
， (2-3)
设V/L=12，带入式2-3中计算有

分离气体量 V=1-L=1-0.077=0.923 kmol
计算液气比 V/L=11.99
误差=[(12-11.99)/12]=0.08%
假设正确。
分离液体组成

结果汇总见表2.5。
表2.5 氨分离器出口液体含量(%)
NH3
CH4
Ar
H2
N2
小计
96.90
1.01
0.