产6万吨合成氨工艺设计毕业设计论文.doc

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1、毕业设计论文年产6万吨合成氨工艺设计摘 要氢和氮是合成氨的主要原料，精制后的氢、氮混合气在高温，高压并在催化剂存在的条件下进行氨合成反应。根据合成反应器所采用的压力，温度及催化剂型号的不同，氨合成的方法可以分为低压法，中压法和高压法三种。小型合成氨厂采用低压法和中压法两种。其中合成压力分别为1520Mpa和32Mpa。本设计采用的是中压法。本设计由两部分构成分别是设计说明书和四张图纸。设计说明书包括：总论，流程的选择和确定，流程的说明，合成工序的计算四部分。三张图纸分别是：，一张工艺流程图，一张设备平面布置图，一张合成塔设备图。关键词：氨合成 催化剂 流程 工艺目 录前言-第1章 总论-21.

2、1设计依据与指导思想-31.1.1设计依据-31.1.2 指导思想-31.2设计范围与技术要求-41.2.1设计范围-41.2.2生产规模-41.2.3原料动力消耗定额和消耗量-41.3原理说明-41.3.1生产原理说明-41.3.2氨合成的机理-5第2章 工艺流程的选择确定-52.1由氨合成的主要特点进行工艺流程的设计选择-62.2催化剂的选用-6第3章 化工工艺设计说明-73.1生产工艺流程的说明-73.2生产设备选型说明-83.2.1技术经济指标-83.2.2设备结构的要求-83.2.3设备布置与三废治理说明-8第4章 合成工序的工艺计算-94.1物料计算-94.1.1计算依据-94.1

3、.2物料计算- -114.2能量衡算-174.2.1水冷器能量衡算-174.2.2氨分离器能量计算-174.2.3循环机出口能量计算-184.2.4油过滤器能量衡算-194.2.5冷凝塔热量计算-194.2.6氨蒸发器热量计算-204.2.7废热回收器能量计算-234.3设备计算和选用-234.3.1废热回收器工艺计算-234.3.2水冷器的工艺计算-294.3.3冷凝塔的工艺计算-334.3.4氨蒸发器工艺计算-38参考文献-42结束语-43前 言合成氨工业是基础化学工业之一，其产量居各种化工产品的首位。以其为原料可制化肥、塑料、合成纤维、油漆、感光材料等产品。作为生产氨的原料气CO和H2合

4、成气，可进行综合利用，以联产甲醇及羰基合成甲酸、醋酸等一系列碳化工产品。物尽其用，减少排放物对环境的污染，提高企业生产的经济效益，已成为当今合成氨工艺生产技术发展的方向。国际上对氨的需求，随着人口的增长和对农作物增产的需求和环境绿化面积的扩大而不断增加。第1章 总 论1.1节 设计依据与指导思想1.1.1设计依据本设计以北京化工大学下达的毕业设计任务书作为设计的依据，见毕业设计任务书。1.1.2 指导思想 (1) 本设计力求做到技术先进，切合实际，经济核算，安全适用，在以上前提下提出的专业设计原则和设计标准，本设计积极采用国内的技术革新成果，努力开发新技术，贯彻工艺与设备共举的方针，加强了工艺

5、流程与装备的配套开发设计。整体贯彻“工厂布置一体化，专业生产露天化，建筑物轻型化，公用工程社会化，引用工程国产化”的“五化”设计原则。(2) 氨合成工段的设计原则以节能为中心，采用有效地的节能措施，提高余热的回收利用率，降低各项消耗，通过合成氨蒸汽自给提高经济效益。采用各项节能措施，力求技术先进，安全可靠，简单易行，用材省投资少。减少环境污染，加大环境力度。设计的流程必须符合工业生产的目的和要求，以确保生产出合格产品。充分利用原料，未反应物要从生产的产品中分离出来，回收并循环使用副产物要加工成产品，并尽量减少废物的产生和排放。1.2节 设计范围与技术要求1.2.1设计范围 本设计是中小型合成氨

6、厂氨合成工段的工艺设计，其中主要合成工艺设计和主要设备设计。1.2.2生产规模 根据任务书，本设计采用年产6万吨的生产规模。1.2.3原料动力消耗定额和消耗量原料动力消耗定额和消耗量如表1.1表1.1 原料动力消耗定额和消耗量表名称规格/消耗定额/消耗量/备注新鲜气:73.7436105.4384259959156.5300天/年1.3节 原理说明1.3.1生产原理说明氨合成反应的基本原理 氨合成反应的化学方程式为：+Q由反应式可以看出以下特点 氨合成反应是可逆反应 这是一个放热反应由三个分子的氢和一个分子的氮（共四个气体分子）合成得到二个分子的氨。因此，氨合成反应是分子数减少的过程，也就是体

7、积缩小的过程。从平衡观点出发，温度愈底，压力愈高则反应愈趋向合成氨的方向移动，达到平衡时混合气体中的氨含量达到最大值。1.3.2氨合成的机理 有固体触媒存在下，气体之间的反应可按次序分为七个步骤a. 氢和氮的绝大部分，自外表向催化剂的毛细口内部扩散，到达内表面；b. 氢和氮（个别或同时）被催化剂表面（主要是内表面）的活性吸附；c. 吸附后的气体，反应气体混合物氢和氮从气象主体扩散到铁催化剂的外表；d. 在表面上起化学反应，生成一系列中间化合物后，形成吸附态的氨；e. 氨从催化剂表面上的脱吸；f. 脱吸后的氨从毛细孔组织内部向外表面扩散；g. 氨从催化剂表面扩散到气体主体；以上七步中，a和g为扩

8、散过程，b和f是内扩散过程，c，d，e总称化动力学过程。第2章 工艺流程的选择确定2.1由氨合成的主要特点进行工艺流程的设计选择因为氨的合成受化学平衡的限制，单程合成效率较低，所以分氨后未反应的气体必须返回合成塔，进行循环反应。由于氨的合成过程是一个放热过程，反应后塔壁的温度会升高，为保护设备，实现能量的充分利用，原料气分主，副两条线进入合成塔，主线气体从热交换器换热后进入合成塔，副线气体直接进入合成塔，与主线气体混和后进行反应。该流程具有以下特征1. 氨合成反应热未充分予以回收，利用副产蒸汽。2. 流程简单，设备投资低。3. 放空位置设在惰性气含量最高，氨含量较低处以减少氨和原料损失。4.

9、新鲜气和循环气中油，水分及杂质可通过氨冷却器降温，从油分离器中除去。2.2催化剂的选用近年来国产氨合成催化剂发展很快，小合成氨厂使用的氨催化剂绝大部分是国产系列，主要有A，A，A，A，A，A，A等催化剂。小型合成塔催化剂容积利用系数高，空速大，若采用小颗粒催化剂将使阻力增大。一般情况下用和mm的颗粒为宜。催化剂筐上层反应速度快，则上层可装小颗粒催化剂，下层反应速度减慢，内扩影响小，宜装大颗粒催化剂。本设计选用A型催化剂，在反应温度范围内活性大，易还原。第3章 化工工艺设计说明3.1节 生产工艺流程的说明气体走向：由压缩机六段来的新鲜气和冷交二出（热出）出来的气体汇合一起进入卧式氨冷器管内被壳程

10、液氨冷却降温，进入氨分，分离下的液氨去中间槽，分离后的气体进入冷交，由下沿冷交中心管上行至冷交上部换热器管内，与管外冷交热进气换热提高温度后，由上管口导出，去循环机提压，经循环油分分离油水后，分为三路;一路为系统近路去热交二次出口，另一路约30%循环气由合成塔上部进入塔内件与外筒环隙下行，升高温度，并降塔壁温度，由塔底出来，温度90。塔底出来的气一部分为f3冷激气进入径向混合器调节径向段温度，另一部分塔底出来的气与第三路70%的循环气汇合，与热交管内的热气进行热交换，提高温度178从热交下部导出并分为四路：一路做f1冷激气调节二轴床层温度；二路做f2冷激气调节三轴床层温度；三路做f0冷激气由塔

11、底经中心管进入塔上部，调节一轴床层零米温度；四路为塔二入主进气由塔下部进入下换热器管间再次提温后和f0冷激气混合，经中心管进入塔上部一床层反应。气体经三轴反应后到径向段反应，再被管间的塔二入主进气降温350出塔，进入废锅回收热量并副产蒸汽，出废锅220的气体进热交管内加热入塔气体，自身温度降到约90从热交顶部导出（与系统近路气汇合）去2台并联的水冷器降温到约3540，再进入冷交上部换热器管间降温，到下部分离，分离下的液氨去中间槽;分离后的气体出冷交，少部分气体去H2回收装置，大部分进入氨冷形成循环。3.2节 生产设备选型说明生产设备的选型要符合一定的技术经济指标和结构要求。分别从两个不同方面进

12、行说明。3.2.1技术经济指标所选设备应满足以下要求：(1)设备的生产能力与流程设计的生产能力相适应，且具有高效性；(2)设备的消耗系数愈低愈好；(3)选取价格低廉，制造容易，结构简单的设备；(4)选管理费用低的设备，以降低产品的成本3.2.2设备结构的要求设备在选择时也应满足一定的结构要求，在本设计中设备的结构要求如下：(1)设备强度应符合化工设备规范要求；(2)设备防腐性能好，使用年限长；(3)设备密封性能好；(4)便于操作和检修；3.2.3设备布置与三废治理说明(1)化工设备布置的一般原则。遵照生产工艺流程的自然顺序的原则，确保工艺流程路线最短；重型设备或易震动设备布局在地表层；经常联系

13、的设备应尽量接近，便于操作；布局时应创造良好的工作环境，留给操作人员必要的操作空间和安全距离；设备应尽量对称，相同或接近，应尽量集中；布置设备应尽量利用工艺特点，让物料自动压送，一般计量设备布置在最高层主要设备及反应器等布置在中间层，贮槽设备在最低层。(2)三废治理说明在生产中“三废”指废气、废液、废渣。废气产生后，无毒气体可以放空，也可以采用回收措施回收有效成，对于有毒气体，必须把有毒成分转化为无害气体放空。废液一般放入废液矿中，回收有用成分后排液。废渣一般集中放置，统一处理。第4章 合成工序的工艺计算4.1 节 物料计算4.1.1计算依据(1) 生产能力：冬季小时产量10t。夏季小时产量9

14、t。(2) 合成塔触媒量：5.1m3。(3) 夏季循环水温度：32(4) 新鲜氢氮气组成如表4.1表4.1 新鲜氢氮气组成表组 成合计739824.621.180.3100(5) 合成塔入口气：为3.0%，为;(6) 合成塔出口气：为15.7%(7) 新鲜气温度：;(8) 合成操作压力：。(9) 水冷却器的冷却水温为;(10) 其他部位的温度压力，见流程图;(11) 热平衡计算以0为基准。(12) 操作条件：表4.2 操作条件压力（kg/cm2）温度（）合成塔进口气体310389合成塔出口气体292100水冷器出口气体28936冷凝塔进口气体31844（计算得）氨蒸发器进口气体31519氨蒸发

15、器出口气体313-1.5 4.1.2物料衡算物料衡算是以试差法进行几次试算，假定了合成塔进口气体成分和数量，进行物料平衡，仍有些误差，此误差都归纳入了溶解度内。氨的生成以如下反应式进行： N2+3H22NH3+Q生成1t氨所需的H2、N2气体体积： （1000/722.4）22635Nm3(1) 1合成塔的物料平衡：1t氨的体积：1000/1722.41317.5Nm3设：进合成塔的气体量为V1Nm3 出合成塔的气体量为 V2Nm3 随吹出气出系统的氨损为26.5 Nm3则： 003V1+1317.5+26.5=0.157 V10.157(1317.5+26.5) V1=12244 Nm3 出

16、塔气量V2=122441317.526.5=10900 Nm3假设合成塔进口气体成分如下:组成H2N2CH4ArNH3合计%65.321.557.842.313100Nm37995.32639.1959.5282.8367.312244则出合成塔气体（也即水冷器入口气体）气体成分如下：组成H2N2CH4ArNH3合计%5481808926157100Nm35979319671959528281711310900(2) 水冷器的物料平衡：水冷器水冷器进口的物料即合成塔出口气体流量=10900 Nm3，含NH315.7%。水冷器出口气体流量为、温度为t=36、表压P=289kg/cm2。在此条件下

17、，由拉尔逊布拉德公式可求出水冷器出口饱和氨含量，NH3=4.185+=9.5%水冷器中氨的冷凝量进出口的氨平衡：1090015.7%= + 9.5%进出口的物料平衡：10900=+两式联立解得： =10153 Nm3 =747 Nm3氨的质量流量为=566kg由水冷器进口气成分推算出水冷器出口气成分为组成H2N2CH4ArNH3合计%59193942895100Nm3597931967195952828964310153溶解气：36各组分气体在液氨中的溶解度由表查得如下： H2：0.116 ata N2：0.1285 ata CH4：0.242 ata Ar：0.164 ata在水冷器液氨中溶

18、解的气体量为： H2：11.2 Nm3N2：4.0 Nm3 CH4：6.5 Nm3 Ar：0.8 Nm3 合计：22.5 Nm3氨分离器后气体的组分与数量组成H2N2CH4ArNH3合计%59193942895100Nm35968.11963.1953.02820964.310130.2(3)冷凝塔的物料平衡：设冷凝塔分离的液氨中液解的气体量也计入氨蒸发器中。冷凝塔和氨蒸发器分离液氨量为1000566=434kg 溶解气：在-1.5各气体在液氨中溶解度由表查得：H2：0.0951 ata N2：0.115 ata CH4：0.244 ata Ar：0.149 ata溶解的气体量为： H2：8.

19、10Nm3N2：3.39Nm3 CH4：2.61 Ar：0.5 Nm3 共计：14.6 Nm3放空气量及放空气中的隋性气体含量 消耗定额为2977的新鲜气，理论上合成1吨氨需要2635 Nm3。 放空气量为x（不含氨），循环气中CH4Ar含量为y。 2977=263526.5222.514.6x x=251.9 Nm3 含氨放空气量为=278.4 Nm3 氨损278.49.5%=26.5 Nm3 溶解CH4Ar含量为6.5+0.8+2.61+0.5=10.41 Nm3 新鲜气中的CH4Ar含量为1.49% 由隋性气体平衡:29771.49%=278.4y+10.41 y=12.2%放空气成分组

20、成H2N2CH4ArNH3合计%59193942895100Nm3164353512619792652784冷凝塔物料平衡 冷凝塔进口气量=水冷氨分后气量放空气量+新鲜气量 =10130.5278.4+2977=12829.1 Nm3冷凝塔进口气成分和数量：组成Nm3%H25968.1164.3+2199.6=8003.462.4N21963.153.51+732.9=2642.4920.6CH4953.026.19+35.3=962.117.5Ar282.07.9+9.2=283.32.2NH3964.326.5=937.87.3合计12829.1100 冷凝塔出口气量：在冷凝塔出口气温度t

21、=19,压力P=315ata(表)条件下饱和氨含量由拉尔逊布拉德公式 NH3=4.185+ 求得冷凝塔出口气含氨量为5.7% 氨的冷凝量为 由进出口氨的平衡：12829.17.3%=+5.7% 由进出口物料平衡：12829。1=+ 两式联立解方程得: =12611.4 Nm3 =217.7 Nm3冷凝塔出口气的组成和量：组成H2N2CH4ArNH3合计%63521762257100Nm3/TNH380034264249962112833720.112611.4氨蒸发器的物料平衡： 进口气成分和数量同冷凝塔出口气，出口气量为 氨的冷凝量= =12244 Nm3组成组成Nm3%H2800348.1

22、=7995.365.3N22642.493.39=2639.121.55CH4962.112.61=959.57.84Ar283.30.5=282.82.31NH3720.1352.8=267.33合计12244.01004.2热量衡算4.2.1水冷器的热平衡(1)进入水冷器的热量： 气体带入的热=100=9.16100 =446000kcal 氨的冷凝热 = kcal (2)出水冷器的热量： 气体带出的热=kcal 液氨带出的热=kcal冷却水带走的热=+=440300 kcal冷却水温度从32升到39冷却水用量G=63t/h4.2.2氨分离器的热平衡 已知：气体温度36，含氨9.5%，液氨

23、36，放空气量278.4 Nm3(1)进入氨分离器的热=134500 出氨分离器的热放空气带走热=kcal因为温度不变，即液氨带入热量与带出的热量相同所以去循环机气体的热=130800kcal4.2.3循环机出口带出的热 已知：循环机进口气量=10130.278.=9852.1Nm3 进口压力为285 出口压力为320(1)循环机绝热指数的计算： 300 40下的数据：组分H2N2CH4ArNH3Ki1.40581.3891.251.671.0306 循环气成分组成H2N2CH4ArNH3合计%59193942895100 混合气体的绝热指数 =5.47219 解得K=1.183(2)出口气体

24、温度计算： =314K=41 为考虑循环机有富裕，所以循环机出口温度采用46计算 循环机出口带出热量=kcal4.2.4油过滤器热平衡 入热=出热 新鲜气温度为38，压力为320，流量为2977 Nm3 =7.3 =kcal 循环气=167000kcal =+=203800kcal 混合后气体的温度4.2.5冷凝塔热平衡： 冷气体升温吸收热 管间冷气带入热量（=7.82）= kcal管间冷气带出热量（=7.4）=冷气吸热=4050t(-6100t)=11150kcal热气体冷却冷凝放热 带入热量：44气体带入热量=203800kcal 氨冷凝热：19冷凝潜热为284.6 =kcal 带出热：

25、气体带出热（=7.82）： =kcal 液氨带出热量： =kcal冷凝塔热平衡： =+ =20380047000837003510=163590kcal冷气体温度升高等于热气体温度的降低： 4050t6100837003510=163590kcal t=38.94.2.6氨蒸发器的热平衡：带入热： 气体带入热量=83700 kcal 液氨带入热=3510 kcal 液氨冷凝热=81000 kcal 带出热量： -1.5气体带出热量=6100 kcal -1.5液氨出热量=434（-1.66）=-720 kcal氨蒸发器的冷负荷： = -Q4-Q5 =83700+3510+81000-(-610

26、0)-(-720) =175030kcal考虑5%冷损失总的氨冷负荷=+ =(1+0.05) =1750301.05 =183800kcal冰机负荷 按夏天氨产9T/时计冰机负荷=1838009 =1650000kcal/h4.2.7合成塔热平衡带入热 气体带入热量=157490 kcal（见冷凝塔热平衡） 反应热 生成氨量 =1317.5+26.5 =1344NM3 h=13200kcal/kg-mol（见1）=带出热量 气体出塔带走热=446000kcal（见水冷器热平衡） 热损失：按出入换热器的5%计 合成塔需移去热量=（）（10.05） =（）（10.05） =（157490+7900

27、00-446000）0.95 =476000kcal废热回收器热平衡(1) 废热回收的移走热量=476000kcal带入热量 高压气体带入的热量脱O2软水带入热，化学软水量为XKg脱氧水温度为104C0饱和水的焓104.13 kcal/Kg见13Kg/CM2蒸汽热焓665.6kcal/Kg见16-78Q2=104xkcal(2) 出热高压气体带出热Q3假定:排污量为3,热损为高压气移走热的3,13Kg/CM2190.7CO沸腾水的焓为193.6 kcal/Kg见16-78则蒸汽带出的热量为=0.97(665.6)X排污水带出的热量为Q5=0.03(193.6)X =5.81X出入热平衡按3热量考虑()0.97+104.13X=646X+5.81X0.97Q=(646+5.81-104.13)X实际废热回收的移走热Q=4760000.97 =462000 kcal化学软水量X=462000/646+5.81-104.13=462000/547.68=844Kg蒸汽量8440.97=818 Kg因考虑全厂蒸汽平衡，按720 Kg/TNH3蒸汽量考虑参考文献合成计算图表石油化工设计参考资料(二)活塞式压缩机设计化工工艺设计手册化工过程及设备（上册）拉莫著换热器化工设计增刊（三）石油化工技术参考资料热交换器设计（上册）年产万吨合成氨复用设计合成部分工艺计算书总结