合成氨合成工段工艺文档格式.docx
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(6)所有学生必须在月日之前交论文初稿。
3、论文(设计)日期:
任务下达日期2011年12月10日
完成日期2012年4月10日
4、指导教师签字:
毕业论文(设计)成绩评定
报告
序号
评分指标
具体要求
分数范围
得分
1
学习态度
努力学习,遵守纪律,作风严谨务实,按期完成规定的任务。
0—10分
2
能力与质量
调研论证
能独立查阅文献资料及从事其它形式的调研,能较好地理解课题任务并提出实施方案,有分析整理各类信息并从中获取新知识的能力。
0—15分
综合能力
论文能运用所学知识和技能,有一定见解和实用价值。
0—25分
论文(设计)质量
论证、分析逻辑清晰、正确合理,
0—20分
3
工作量
内容充实,工作饱满,符合规定字数要求。
绘图(表)符合要求。
0—15分
4
撰写质量
结构严谨,文字通顺,用语符合技术规范,图表清楚,字迹工整,书写格式规范,
合计
0—100分
评语:
成绩:
评阅人(签名):
日期:
毕业论文答辩及综合成绩
答辩情况
自述情况
清晰、完整流利
简练
清晰
完整
完整熟悉内容
基本
不熟悉内容
提出问题
回答问题
正确
基本
正确
有一般性错误
有原则性错误
没有
回答
答辩小组评语及建议成绩:
答辩委员会综合成绩:
答辩委员会主任签字:
年月日
摘要:
在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,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。
合成氨生产过程中,换热器应用十分广泛,主要用于热量的交换和回收。
变换工段中主要涉及一氧化碳的转化和能量的回收利用,列管换热器在传热效率,紧凑性和金属耗量不及某些换热器,但它具有结构简单,坚固耐用,适用性强,制造材料广泛等独特优点,因而,在合成氨变换工段选择列管式换热器,而本设计主要对该换热器进行相关选计算。
关键词:
氨,合成氨,反应热,氢气
1绪论
1.1怎样固氮
氨(Ammonia),分子式NH3,1754年由英国化学家普里斯特利(J.JosephPriestley)加热氯化铵和石灰石时发现。
1784年,法国化学家贝托雷(C.L.Berthollet)确定了氨是由氮和氢组成的。
从那以后很长一段时间,氨的主要来源是氮化物,而氮化物的主要来源是自然界中的硝石矿产。
19世纪以来,人类步入了现代化的历程。
随着农业的发展,氮肥的需求量在不断提高;
同时随着工业的突飞猛进,炸药的需求量也在迅速增长。
1809年,在智利发现了一个很大的硝酸钠矿产地;
但是面对人类不断膨胀的需求,自然界的生物和矿产资源毕竟有限。
然而全世界无论何处,大气的五分之四都是氮,如果有人能学会大规模地、廉价地把单质的氮转化为化合物的形式,那么,氮是取之不尽、用之不竭的。
因此将空气中丰富的氮固定下来并转化为可被利用的形式,成为一项受到众多科学家注目和关切的重大课题,而合成氨,作为固氮的一种重要形式,也变成了19至20世纪化学家们所面临的突出问题之一。
1.2氨从实验室到工业生产
1.2.1艰难的探索
氨的合成反应式:
N2+3H2=2NH3
合成氨的化学原理,写出来,不过这样一个方程式;
但就是这样一个简单的化学方程式,从实验室研究到最终成功、实现工业生产,却经历了约150年的艰难探索。
在此期间,曾有不少著名的化学家踏上了合成氨的研究之路,但他们的最终结局却都是无功而返。
1795年,曾有人试图在常压下进行氨合成,后来又有人在50个大气压下试验,结果都失败了。
19世纪下半叶,物理化学的巨大进展,使人们认识到由氮、氢合成氨的反应是可逆的,增加压力将使反应推向生成氨的方向,提高温度会将反应移向相反的方向,然而温度过低又使反应速度过小;
催化剂对反应将产生重要影响。
这实际上就为合成氨的试验提供了理论指导。
1.2.2哈伯终成正果
在合成氨研究屡屡受挫的情况下,德国物理化学家F·
哈伯(FritzHaber)知难而进,对合成氨进行了全面系统的研究和实验,
攻克了这一令人生畏的难题。
由于哈伯和博施的突出贡献,他们分别获得1918、1931年度诺贝尔化学奖金。
其他国家根据德国发表的论文也进行了研究,并在哈伯-博施法的基础上作了一些改进,先后开发了合成压力从低压到高压的很多其他方法(表1-1)。
名称
合成压力(MPa)
年份
开发国家
哈伯-博施法
20.3
1913
德国
克劳德法
100.3
1917
法国
卡塞莱法
70.9-80.1
1920
意大利
佛瑟法
30.4
1921
蒙特·
赛尼斯-伍德法
10.1-15.2
氮气工程公司法
美国
表1-1氨合成方法
到20世纪30年代初,合成氨已经成为世界上广泛采用的制氨方法。
20世纪70年代以来,合成氨的生产不仅促进了如高压、低温、原料气制造、气体净化、特殊金属冶炼以及催化剂研制等方面的发展,还对一些化学合成工业,如尿素、甲醇和高级醇、石油加氢精制、高压聚合等起了巨大的推动作用。
表1-21931~1932年度世界氨产量(以N计)
来源
产量()
比例(%)
煤气副产氨水
472
15.3
氰化法
10
0.3
合成氨法
2609
84.4
1.3氨工业化后的发展
自从合成氨工业化后,原料构成经历了重大的变化。
煤造气时期第一次世界大战结束,很多国家建立了合成氨厂,开始以焦炭为原料。
20年代,随着钢铁工业的兴起,出现了用焦炉气深冷分离制氢的方法。
焦炭、焦炉气都是煤的加工产物。
为了扩大原料来源,曾对煤的直接气化进行了研究。
1926年,德国法本公司采用温克勒炉气化褐煤成功。
第二次世界大战结束,以焦炭、煤为原料生产的氨约占一半以上。
烃类燃料造气时期早在20—30年代,甲烷蒸汽转化制氢已研究成功。
50年代,天然气、石油资源得到大量开采,由于以甲烷为主要组分的天然气便于输送,适于加压操作,能降低氨厂投资和制氨成本,在性能较好的转化催化剂、耐高温的合金钢管相继出现后,以天然气为原料的制氨方法得到广泛应用。
接着,抗积炭的石脑油蒸汽转化催化剂研制成功,缺乏天然气的国家采用了石脑油为原料。
60年代以后,又开发了重质油部分氧化法制氢。
到1965年,焦、煤在世界合成氨原料中的比例仅占5.8%。
从此,合成氨工业的原料构成由固体燃料转向以气、液态烃类燃料为主的时期。
由于高压设备尺寸的限制,50年代以前,最大的氨合成塔能力不超过日产200t氨,60年代初不超过日产400t氨。
随着由汽轮机驱动的大型、高压离心式压缩机研制成功,为合成氨装置大型化提供了条件,大型合成氨厂的数目也逐年增多。
合成氨厂大型化通常指规模在日产540t以上的单系列装置。
1963和1966年美国凯洛格公司先后建成世界上第一座日产540t和900t氨的单系列装置,显示出大型装置具有投资省、成本低、占地少和劳动生产率高等显著优点。
2氨的合成
2.1原料气来源
2.1.1煤气的生成
原料气主要有两部分:
氮气、氢气。
氮气主要是从空气中提取。
氢气是从半水煤气中提取的,以煤为原料,在一定的高温条件下通入空气、水蒸气或富养空气-水蒸气混合气,经过一系列反应生成含有一氧化碳、二氧化碳、氢气、氮气、及甲烷等混合气体的过程。
在气化过程中所使用的空气、水蒸气或富养空气-水蒸气混合气等称为汽化剂。
这种生成的混合气称为煤气。
煤气的成分取决于燃料和汽化剂的种类以及进行汽化的条件。
根据所用汽化剂的不同,工业煤气可分为下列四种。
(1)空气煤气:
以空气为汽化剂制取的煤气,又称为吹风气。
(2)水煤气:
以水蒸气(或水蒸气与氧的混合气)为汽化剂制取的煤气。
(3)混合煤气:
以空气和适量的水蒸气为汽化剂制取的煤气,一般作燃料用。
(4)半水煤气:
是混合煤气中组成符合(H2+CO)/N2=3.1~3.2的一个特例。
可用蒸气与适量的空气或蒸气与适量的富养空气为汽化剂制得,也可用水煤气与吹风混合配制。
本设计采用半水煤气,半水煤气经过净化后得到纯净的氢气,再配制适量的氮气,成为合成氨的原料气。
2.1.2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。
2.1.3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。
2.3氨合成反应的特点和催化剂
2.3.1氨合成反应的特点
氨的合成是氨厂最后一道工序,任务是在适当的温度、压力和有催化剂存在的条件下,将经过精制的氢氮混合气直接合成成氨。
然后将所产的气氨从未合成为氨的混合气体中冷凝分离出来,得到产品液氨,分离氨后的氢氮气体循环使用。
氨合成的化学反应式如下:
1/2N2+3/2H2=NH3
这一化学反应具有如下几个特点:
①该反应是可逆反应:
在氯气和氢气反应生成氨的同时,氨也分解成氢气和氮气,前者称为正反应,厅者称为逆反应。
②该反应是放热反应:
在生成氨的同时放出热量反应热与温度、压力有关
③该反应是体积缩小的反应:
从反应式可以看出,由1.5个分子的氢和0.5个分子的氮,反应后生成1分子的氨,在化学反应过程中,体积减少。
④反应需要有催化剂:
实践证明,在没有催化剂存在的条件下,生成氨的反应速度相当缓慢,在300-500℃的条件下,氨合成
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