年产万吨合成氨合成工段工艺设计毕业论文.doc
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年产30万吨合成氨合成工段工艺设计
54
目录
摘要 I
Abstract II
引言 1
第一章合成氨综述 2
1.1氨的用途 2
1.2氨的性质 2
1.2.1氨的物理性质 2
1.2.2氨的化学性质 2
1.3合成氨的生产方法 3
1.4合成工艺条件的选择 4
1.4.1操作压力 4
1.4.2反应温度 4
1.4.3空速 4
1.4.4合成塔进口气体组成 4
1.5合成氨工业的发展 5
第二章合成工段工艺简介 6
2.1合成工段工艺流程简述 6
2.2工艺流程方框简图 6
2.3设备简述 7
2.3.1氨合成塔 7
2.3.2热交换器与废热锅炉 7
2.3.3冷交换器 7
2.3.4氨冷器 7
第三章工艺设计计算 8
3.1设计要求 8
3.2工艺流程图 8
3.3物料计算 8
3.3.1合成塔入口气体组分 8
3.3.2合成塔出口气体组分 9
3.3.3合成率 9
3.3.4氨分离器气液平衡计算 9
3.3.5冷交换器气液平衡计算 11
3.3.6液氨储槽气液平衡计算 12
3.3.7液氨储槽物料计算 15
3.3.8合成系统物料计算 16
3.3.9合成塔物料计算 17
3.3.10水冷器物料计算 18
3.3.11氨分离器物料计算 19
3.3.12冷交换器物料计算 19
3.3.13氨冷器的物料计算 21
3.3.14冷交换器物料计算 23
3.3.15液氨贮槽物料计算 25
3.4热量衡算 27
3.4.1冷交换器热量计算 27
3.4.2氨冷凝器热量计算 30
3.4.3循环机热量计算 32
3.4.4合成塔热量衡算 33
3.4.5废热锅炉热量计算:
35
3.4.6热交换器热量计算 36
3.4.7水冷器热量衡算:
37
3.4.8氨分离器热量衡算:
38
第四章设备的选型与计算 40
4.1设备选型 40
4.1.1设备简述 40
4.1.2流程说明 40
4.2合成塔设计 40
4.2.1合成塔筒体设计 40
4.2.2催化剂层设计 41
4.2.3下换热器 47
4.2.4层间换热器 48
4.3辅助设备选型 49
4.3.1废热锅炉 49
4.3.2热交换器 49
4.3.3水冷器 49
4.3.4冷交换器 49
4.3.5氨冷器I 49
4.3.6氨冷器II 50
结论 51
致谢 52
参考文献 53
附录 54
年产30万吨合成氨合成工段工艺设计
摘要:
氨是一种重要的化工产品,在国民经济中有重要的作用。
对合成氨工艺进行设计研究,并对其过程进行设计优化。
氨合成工段包括氨的合成、分离、气体再循环、惰性气体排放等基本过程,其中氨合成是合成氨工艺的中心环节。
本设计主要目的是对合成氨的合成工段进行设计,根据已给组成的原料气的组成,进行工艺系统计算,包括物料衡算、热量衡算、设备的数据计算及选型等。
合成工段中的主要设备为氨合成塔,结合设计数据及技术现状,本设计选择的氨合成塔的内件为三段绝热冷激--内冷式内件,该内件具有结构合理、氨净值高、产量大等优点。
根据物料及热量衡算的数据,计算出内件中绝热床层及换热器的有关尺寸数据,并对一些辅助设备进行设计选型。
根据计算数据,绘制出主要设备及带控制点的工艺流程图等。
关键词:
合成氨物料衡算热量衡算合成塔
ProcessDesignoftheSectionWhichSynthetizesLiquid
Ammoniaof300000t/a
Abstract:
Ammoniaisanimportantchemicalproduct,playsanimportantroleinthenationaleconomy.Itisverynecessarytoexploreanddesigntheprocessofsyntheticammonia,thentooptimizetheprocessandtheequipment.Ammoniasynthesisprocessincludestheseparationofammonia,thegasrecirculation,theammoniasynthesis,theemissionofinertgasandsoon,andduringtheprocess,theammoniasynthesisisthemostimportantlink.Themainpurposeofthisdesignistodevisethesynthesisprocessofammoniasynthesis.Accordingtothecompositionofrawgasthathasknown,wecarryonthecalculationofthecraftsystem,includingmaterialbalance,heatbalance,thecalculationandselectionoftheequipment.Theammoniasynthesistoweristhecrucialequipmentoftheprocess,combiningwiththedesigndataandtechnicalstatus,thisdesignchoosesthreeadiabaticcoldshock-internalcoolingtypeinternalparts,theinnerpartshavetheadvantagesofreasonablestructure,highammoniavalue,large-tonnageyieldetc.Accordingtothematerialandheatbalancedata,wecancalculatetherelevantsizedateoftheadiabaticbedandheatexchangerduringtheinternalparts,anddesignandselectsomeauxiliaryequipment.
KeyWords:
Syntheticammonia;materalbalance;heatbalance;synthesistower
引言
氮元素是生物生存所需的基本元素之一,而合成氨则是进行固氮的最有效的方法。
合成氨工业是重要的化工生产部门,迄今已有80多年的历史,它是一个耗能大户,世界上大约有10%的能源用于氨的合成,其生产的氨是重要的化工原料,广泛用于制取尿素、树脂、橡胶、炸药、橡胶等。
早期合成氨主要以焦炉气、水电解氢气及焦炭气化产生的水煤气为原料,70年代开始转向以天然气、石脑油为原料[1]。
由于中国煤炭资源丰富、石油和天然气稀缺,合成氨生产主要以煤为主要原料。
以煤为原料的合成氨生产工艺主要包括原料气的制备、原料气的净化(脱硫、变换、脱碳、精制)、气体压缩、氨的合成、氨的分离、未反应气体的循环等部分。
本设计就根据已给组成的精制气,设计合适的流程来合成氨,并对主要设备氨合成塔进行选型设计。
合成氨工业经过近80多年的发展,技术相对比较成熟。
目前,大多合成氨装置都选择中、低压合成工艺。
目前在国际上用于氨合成中具有代表性的低能耗制氨工艺有:
美国的原Kellogg工艺(现为KBR)、丹麦托普索工艺、瑞士卡萨利工艺、德国伍德工艺等。
这几种氨合成工艺流程类似,都是为了提高氨净值。
合成塔的主要部分为内件。
随着科技的发展,人们研究出了各种类型的内件。
以反应床论,可分为绝热式和内冷式,即床层内含有移热装置,如单冷管等;以移热方式论,可分为冷激式、层间换热式、内冷式以及冷激间换热复合式;以反应气体流向论,可分为轴向型和径向型以及轴径向混流型,其各有所长[2]。
轴向流塔操作稳定,催化剂装量多;径向流塔效率高,压力降小,操作敏感性强,要求高效催化剂。
根据催化剂床层中是否设置冷管(内冷)方式可划分为:
①单层轴向内冷式内件;②冷管改进型内件;③多层绝热冷激式内件;④多层绝热复合换热式内件;⑤副产蒸汽式内件[3]。
本设计则采用多段绝热冷激式内件。
合成氨反应是利用含有氮气和氢气的原料气,在一定的温度压力下,在有催化剂的作用下进行的,此反应为一可逆反应。
其中催化剂在合成氨反应中有重要的作用。
合成氨的催化剂有三条技术路线:
传统的路线,英国BP公司的钌基催化剂及我国的基催化剂体系[4]。
本设计则根据已有的技术,选用已经在合成氨工业中使用较长时间的A106型催化剂。
第一章合成氨综述
1.1氨的用途
氮元素是生命存在的基础,它是构成蛋白质的重要物质。
在我们生活的大气环境中存在有大量的氮,其主要以氮气的形式存在于空气中,其体积占78%(体积分数)以上。
把大气中的游离氮固定下来并转变为可被植物吸收的化合物的过程,称为固定氮。
在实际生产中,固定氮的方法有电弧法、氰氨法及合成氨法。
目前,固定氮最方便、最经济的方法就是合成氨,也就是直接由氮和氢合成为氨,再进一步制成化学肥料或用于其它工业。
氨是最重要的基础化工产品之一,其产量居各种化工产品的首位。
氨主要用于农业生产。
合成氨是氮肥工业的基础,氨气本身是重要的氮素肥料,与此同时,氨也可以用于生产其他氮肥,如硝酸铵、复合肥等,这部分约占70%的比例,称之为“化肥氨”。
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”[5]。
氨气可作为生产铵、胺、染料、炸药、制药、合成纤维、合成树脂的原料[6]。
在石油炼制、橡胶工业、冶金工业和机械加工等部门以及轻工、食品、医药工业部门中,氨气及其加工产品都是不可缺少的。
1.2氨的性质
1.2.1氨的物理性质
氨气在常温下是无色有刺激性气味的气体,对人体的眼、鼻、喉等有刺激作用,接触时应小心。
如果不慎接触过多的氨而出现病症,应及时吸入新鲜空气和水蒸气,并用大量水冲洗眼睛。
氨极易溶于水,在常温、常压下,1体积水能溶解约700体积的氨。
因此,用水喷淋处理漏氨事故,能收到较好的效果。
氨气在水中的溶解度随着压力增大而降低,氨水在溶解时放出大量热,氨水中的氨极易挥发。
常压下气态氨气需冷却到-33.35℃(沸点)才能液化,而在常温下需加压到0.87MPa时才能液化。
液氨为无色液体,气化时吸收大量的热,因此可以作为制冷剂。
1.2.2氨的化学性质
氨气溶于水以后叫氨水,其显弱碱性,化学性质类似于其他碱性物质,如可以与酸性物质反应,能与一些氧化物反应等。
其他的性质如下:
(1)氨与氧在催化剂作用下生成氮的氧化物,并能进一步与水作用,制得硝酸:
(2)氨与酸或酐反应生成盐类,是制造氮肥的基本反应:
(3)氨与二氧化碳作用生成氨基甲酸铵,进一步脱水成为尿素:
(4)氨与二氧化碳和水作用,生成碳酸氢铵:
(5)氨可与盐生成各种络合物,如CuCl26NH3、CuSO44NH3。
1.3合成氨的生产方法
合成氨的生产主要包括以下步骤:
第一步是造气,即制备含有氢、氮的原料气。
第二步是原料气的净化,具体流程有脱硫、转化、变换、脱碳、甲烷化[7]等。
第三步是压缩和合成,
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