年产30万吨合成氨工艺设计.docx

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年产30万吨合成氨工艺设计

年产30万吨合成氨工艺设计

作者姓名000

专业应用化工技术11-2班

指导教师姓名000

专业技术职务副教授（讲师）

摘要···········································4

第一章合成氨工业概述·····························5

1.1氨的性质、用途及重要性····························5

1.1.1氨的性质·········································5

1.1.2氨的用途及在国民生产中的作用····················6

1.2合成氨工业概况·····································6

1.2.1发展趋势··········································6

1.2.2我国合成氨工业发展概况····························7

1.2.3世界合成氨技术的发展······························9

1.3合成氨生产工艺······································11

1.3.1合成氨的典型工艺流程······························11

1.4设计方案确定········································13

1.4.1原料的选择········································13

1.4.2工艺流程的选择····································14

1.4.3工艺参数的确定····································14

第二章设计工艺计算

2.1转化段物料衡算······································15

2.1.1一段转化炉的物料衡算······························16

2.2转化段热量衡算······································24

2.2.1一段炉辐射段热量衡算······························24

2.2.2二段炉的热量衡算··································32

2.2.3换热器101-C、102-C的热量衡算·····················34

2.3变换段的衡算········································35

2.3.1高温变换炉的衡算··································35

2.3.2低温变换炉的衡算··································38

2.4换热器103-C及换热器104-C的热负荷计算··············41

2.4.1换热器103-C热负荷································41

2.4.2换热器104-C热负荷································42

2.5设备工艺计算········································42

2.6带控制点的工艺流程图及主要设备图···················46

2.7生产质量控制······································46

2.8三废处理··········································47

摘要

氨是重要的基础化工产品之一，在国民经济中占有重要地位。

合成氨生产经过多年的发展，现已发展成为一种成熟的化工生产工艺。

本设计是以天然气为原料年产三十万吨合成氨的设计。

近年来合成氨工业发展很快，大型化、低能耗、清洁生产均是合成氨设备发展的主流，技术改进主要方向是开发性能更好的催化剂、降低氨合成压力、开发新的原料气净化方法、降低燃料消耗、回收和合理利用低位热能等方面上。

设计采用的工艺流程简介：

天然气经过脱硫压缩进入一段转化炉，把CH4和烃类转化成H2，再经过二段炉进一步转化后换热进入高变炉，在催化剂作用下大部分CO和水蒸气反应获H2和CO2，再经过低变炉使CO降到合格水平，去甲烷化工序。

关键词：

合成氨天然气

ABSTRACT

Ammoniaisoneoftheimportantbasicchemicalproducts,occupiesanimportantpositioninnationaleconomy.Ammoniaproductionafteryearsofdevelopment,hasnowdevelopedintoamaturechemicalproductionprocess.

Thisdesignisthedesignofthenaturalgasasrawmaterialtoproducethreehundredthousandtonsofsyntheticammonia.Syntheticammoniaindustrydevelopsveryfastinrecentyears,largescale,lowenergyconsumption,cleanproductionisthemainstreaminthedevelopmentofsyntheticammoniaequipment,technicalimprovementisthemaindirectionofdevelopmentofbetterperformanceofcatalyst,reducingammoniasynthesispressure,thedevelopmentofnewmaterialsgaspurificationmethods,reducefuelconsumption,recoveryandrationalutilizationoflowheat,etc.

Introductiontothedesignprocessused:

compressednaturalgasafterdesulfurizationenterreformer,theCH4andhydrocarbonsintoH2,andthenfurthertransformedafterSecfurnaceheatexchangerintothehypervariablefurnace,mostCOandwatervaporinthecatalystreactionforH2andCO2,andthenthroughthelowvariantovendowntoanacceptablelevelofCO,tothemethanationprocesses.

Keywords：

Ammoniagas

第一章合成氨工业概述

1.1氨的性质、用途及重要性

1.1.1氨的性质

氨分子式为

，在标准状态下是无色气体，比空气轻，具有特殊的刺激性臭味。

人们在大100cm

/m

氨的环境中，每天接触八小时会引起慢性中毒。

主要化学性质：

（1）、NH₃（挥发性）遇HCl（挥发性）气体有白烟产生,可与氯气反应。

电离方程式：

（2）、氨水（一水合氨，NH3·H2O）可腐蚀许多金属，尤其铜，氨区内一般要求不准用铜材质设备，一般若用铁桶装氨水，铁桶应内涂沥青。

（3）、氨的催化氧化是放热反应，产物是NO，是工业制硝酸的重要反应，NH₃也可以被氧化成N₂。

（4）、NH₃能使湿润的红色石蕊试纸变蓝。

在水中产生少量氢氧根离子，呈弱碱性.

（5）、氨与酸反应生成铵盐：

NH₃+HCI=NH₄CI

氨在英文中有时会被称作anhydrousammonia（译为无水氨），以和在英文中与它名称类似的氨水区别。

中文中很少有人会把氨气和氨水混为一谈。

氨气溶于水得到氨水，氨水的主要成分是一水合氨，但是不能认为一水合氨就是氨水。

而且氨水成碱性的原因就是一水合氨在水中电离出氢氧根离子。

市售氨水浓度为25%-28%。

NH₃·H₂O⇌NH₄++OH-其性质和氨气完全不一样。

实验室的稀氨水一的浓度一般为1M至2M。

氨的饱和水溶液（大约18M）的密度是0.880gcm，故可称之为.880Ammonia。

主要物理性质：

（1）有刺激性气味的气体

氨对人体的眼、鼻、喉等有刺激作用，吸入大量氨气能造成短时间鼻塞，并造成窒息感，眼部接触以造成流泪，接触时应小心。

如果不慎接触过多的氨而出现病症，要及时吸入新鲜空气和水蒸气，并用大量水冲洗眼睛。

（2）密度小

氨气的密度为0.771g/L（标准状况下）

（3）沸点较高

氨很容易液化，在常压下冷却至-33.5℃或在常温下加压至700KPa至800KPa，气态氨就液化成无色液体，同时放出大量的热。

液态氨汽化时要吸收大量的热，使周围物质的温度急剧下降，所以氨常作为制冷剂。

以前一些老式冰棍就是利用氨气制作的

（4）易溶于水

（5）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。

1.1.2氨的用途及在国民生产中的作用

氨是基本化工产品之一，用途很广。

化肥是农业的主要肥料，而其中的氮肥又是农业上应用最广泛的一种化学肥料，其生产规模、技术装备水平、产品数量，都居于化肥工业之首，在国民经济中占有极其重要的地位。

各种氮肥生产是以合成氨为主要原料的，因此，合成氨工业的发展标志着氮肥工业的水平。

以氨为主要原料可以制造尿素、硝酸铵、碳酸氢铵、硫酸铵、氯化铵等氮素肥料。

还可以将氨加工制成各种含氮复合肥料。

此外，液氨本身就是一种高效氮素肥料，可以直接施用，一些国家已大量使用液氨。

可见，合成氨工业是氮肥工业的基础，对农业增产起着重要的作用。

氨也是重要的工业原料，广泛用于制药、炼油、纯碱、合成纤维、合成树脂、含氮无机盐等工业部门。

将氨氧化可以制成硝酸，而硝酸又是生产炸药、染料等产品的重要原料。

现代国防工业和尖端技术也都与氨合成工业有密切关系，如生产火箭的推进剂和氧化剂，同样也离不开氨。

此外，氨还是常用的冷冻剂。

合成氨工业的迅速发展，也促进和带动了许多科学技术部门的发展，如高压技术、低温技术、催化技术、特殊金属材料、固体燃料气化、烃类燃料的合理利用等。

同时，尿素和甲醇的合成、石油加氢、高压聚合等工业，也是在合成氨工业的基础上发展起来的。

所以合成氨工业在国民经济中占有十分重要的地位，氨及氨加工工业已成为现代化学工业的一个重要部门[4]。

1.2合成氨工业概况

·1.2.1发展趋势

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。

未来合成氨技术进展的主要趋势是“大型化､低能耗､结构调整､清洁生产､长周期运行”。

①原料路线的变化方向。

从世界燃料储量来看，煤的储量约为石油、天然气总和10倍，自从70年代中东石油涨价后,从煤制氨路线重新受到重视,但因以天然气为原料的合成氨装置投资低、能耗低、成本低的缘故,预计到20世纪末,世界大多数合成氨厂仍将以气体燃料为主要原料。

②节能和降耗。

合成氨成本中能源费用占较大比重，合成氨生产的技术改进重点放在采用低能耗工艺、充分回收及合理利用能量上，主要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法、降低燃料消耗、回收和合理利用低位热能等。

如今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29.3GJ。

③与其他产品联合生产。

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。

如果在合成氨原料气脱除二氧化碳过程中能联合生产这些产品，则可以简化流程、减少能耗、降低成本。

中国开发的用氨水脱除二氧化碳直接制碳酸氢铵新工艺，以及中国、意大利等国开发的变换气气提法联合生产尿素工艺，都有明显的优点。

1.2.2我国合成氨工业发展概况

中国合成氨产量位居世界第一位，现已掌握了以焦炭、无烟煤、焦炉气、天然气及油田伴生气和液态烃多种原料生产合成氨、尿素的技术，形成了特有的煤、石油、天然气原料并存和大、中、小生产规模并存的生产格局。

2013年，中国合成氨总生产能力为7,400万吨左右，氮肥工业已基本满足了国内需求；在与国际接轨后，具备与国际合成氨产品竞争的能力，今后发展重点是调整原料和产品结构，进一步改善经济性。

中国目前有中型合成氨装置55套，生产能力约为500万吨/年；其下游产品主要是尿素和硝酸铵。

其中以煤、焦为原料的装置有34套，以渣油为原料的装置有9套，以气为原料的装置有12套。

目前，中国有小型合成氨装置700多套，生产能力约为3,000万吨/年；其下游产品主要是碳酸氢铵，但现有已有112套经过改造后开始生产尿素。

中国合成氨生产装置原料以煤、焦为主；其中以煤、焦为原料的占总装置的96％，以气为原料的仅占4％。

中国引进大型合成氨装置的总生产能力为1,000万吨/年，只占中国合成氨总产能的1/4左右，因此可以说我国合成氨行业对外依赖性并不高。

中国自行研发了多套工艺技术，促进了氮肥生产的发展和技术水平的提高。

如合成气制备、CO变换、脱硫脱碳、气体精制和氨合成技术。

图1-近五年中国合成氨产量分析（单位：

万吨）

资料来源：

立本研究，2014年

从地域分布分析，近年来中国合成氨产能主要分布在华东、中南、西南和华北等氮肥消费量较大的地区。

2013年中国合成氨产量居于前五位的省份分别是山东、山西、河南、湖北、四川，其中山东省合成氨的产量达783.1万吨，同比增长2.15%，占全国总产量的14.5%。

合成氨工业是基础化学工业的重要组成部分，有十分广泛的用途。

氨可生产多种氮肥，如尿素、硫酸铵、硝酸铵、碳酸氢铵等；还可生产多种复合肥，如磷肥等。

氨也是重要的工业原料。

如无机化学工业中的硝酸、纯碱及各种含氮无机盐；有机工业中各种中间体，制药工业中磺胺药物，高分子行业中聚纤维、氨基塑料、丁腈橡胶、冷却剂等，国防工业中三硝基甲苯、硝化甘油、硝化纤维；这些都是氨的下游应用。

图2-中国合成氨应用分析图

8

（一） 原料构成的变化 

为了合成氨，首先必须提供氮和氢。

氮来自空气，氢来自水。

气和水到处都有，而且取之不尽。

传统的制氮方法是在低温下将空气液化、分离，以及水电解制氢。

由于电解制氢法，电能消耗大，成本高。

传统方法还是采用高温下将各种燃料和水蒸气反应制造氢。

因此合成氨生产的初始原料是焦炭、煤、焦炉气、天然气、石脑油、重油等，60多年来世界合成氨原料的构成变化见下表1-1。

表1.1世界合成氨原料构成（%） 

原料

1929

1939

 1953

1965 

1971

1975

1980 

1985

1990

焦炭、煤

65.2

53.6

37

5.8

9.0

9.0

5.5

6.5

13.5

焦炉气

15.8

27.1

22 

20

天然气

-

1.3

26

44.2

60

62.0

71.5

71.0

77

石脑油

-

-

-

4.8

20

19.0

15.0

13.0

6

重油

-

-

-

9.2

4.5

5.0

7.5

8.5

3

其它

19

18

15

16

6.5

5.0

0.5

1.0

0.5

合计

100

100

100

100

100

100

100

100

100

由表1-1可知，合成氨的原料构成是从以固体燃料为主转移到以气体燃料和液体原料为主。

自从北美大量开发天然气资源成功之后，20世纪50年代开始采用天然气制氨。

因为天然气便于管道运输，用作合成氨的原料具有投资省、能耗低等明显优点。

到20世纪60年代末，国外主要产氨国都已先后停止用焦炭、煤为原料，而以天然气、

重油等为原料，天然气所占比重不断上升。

一些没有天然气资源的国家，如日本、英国在解决了石脑油蒸汽转化过程的析碳问题后，1962年开发成功石脑油为原料生产合成氨的方法。

石脑油经脱碳、气化后，可采用和天然气为原料的相同生产装置制氨。

但石脑油价格比天然气高，而且又是石油化工的重要原料，用于制氨受到一定限制。

为了扩大原料范围，又开发了用重油部分氧化法制氢。

从此比石脑油价廉、来源广泛的重油和减压渣油开始作为合成氨的另一种原料。

表1-2为各种原料的日产1043.3t合成氨厂，相对投资和能量消耗比较。

由表可见，虽然各国资源不同，但选用原料的基本方向相同。

只要资源条件具备作为合成氨的原料。

首先应考虑天然气和油田气，其次采用石脑油。

表1.2 氨厂采用的各种原料的相对投资和能量消耗 

原料

天然气

重油 

  煤

相对投资费用 

1.0

1.5

 2.0

能量消耗/（GJ/t）

28

38

48

特别是以天然气为原料的合成氨工业占了很大的比重，本设计就是以天然气为原料合成氨，主要是转化工段的设计。

（二） 

生产规模大型化 

20世纪50年代以前，氨合成塔的最大能力为日产200t氨，到60年代初期为400t。

随着蒸汽透平驱动的高压离心式压缩机研制成功，美国凯洛格公司运用建设单系列大型炼油厂的经验，首先运用工艺过程的余热副产高压蒸汽作为动力，于1963年和1966年相继建成日产544.31t和907.19t的氨厂，实现了单系列合成氨装置的大型化，这是合成氨工业发展史上第一次突破。

大型化的优点是投资费用低，能量利用率高，占地少，劳动生产率高。

从20世纪60年代中期开始，新建氨厂大都采用单系列的大型装置。

但是，大型的单系列合成氨装置要求能够长周期运行，对机器和设备质量要求很高，而且在超过一定规模以后，优越性并不十分明显了。

因此大型氨厂通常是指日产600t级，日产1000t级和日产1500t级的三种。

现在世界上规模最大的合成氨装置为日产1800t氨，1991年在比利时的安特卫普建成投产。

（三） 低能耗新工艺 

合成氨，除原料为天然气、石油、煤炭等一次能源外。

整个生产过程还需消耗较多的电力、蒸汽等二次能源，而用量又很大。

现在合成氨能耗占世界能源消费总量的3%，中国合成氨生产能耗约占全国能耗的4%。

由于吨氨生产成本中能源费用占70%以上，因此能耗是衡量合成氨技术和经济效益的重要标志。

以天然气为原料的日产1000t合成氨装置吨氨能耗目前已从20世纪70年代的40.19GJ下降到39.31GJ左右，而且以天然气为原料的大型氨厂的所需动力约有85%可由余热供给。

（四） 生产自动化 

合成氨生产特点之一是工序多、连续性强。

20世纪60年代以前的过程控制多采取分散方式，在独立的几个车间控制室中进行。

自从出现单系列装置的大型氨厂，除泵类有备用外，其它设备和机器都是一台。

因此，某一环节的失调就会影响生产，为了保证长周期的安全生产，对过程控制提出更高的要求，从而发展到把全流程的温度、压力、流量、物位和成分五大参数的模拟仪表、报警、连锁系统全部集中在中央控制室显示和监视控制。

自从20世纪70年代计算机技术应用到合成氨生产以后，操作控制上产生了飞跃。

1975年美国霍尼威尔公司开发成功TCP-2000总体分散控制系统（Totol Distributed Control System），简称集散控制系统（DCS）。

DCS是现代计算机技术、控制技术、数据通讯技术和荧光显示技术（CRT）相结合的产物。

在CRT操作平台上可以存取、显示多种数据和画面，包括带控制点的流程，全部过程变量、控制过程变量，以及其参数的动态数值和趋势图，从而实现集中监视和集中操作。

操作人员对于人一控制点、控制单元、生产设备、车间以及全厂的运作情况进行随机或定势的观察，只要通过键操作调出相应的画面，即可把所需内容显示在CRT上，以便监视、控制和修改某些参数。

需要的数据、流程都可随机或定时在打印机上打印和彩色硬拷贝机上拷贝。

与此同时，报警、连锁系统，程序控制系统，采用了微机技术的可编程序逻辑控制器（PLC）代替过去的继电器，采用由用户编写的程序，实现自动或手动的“开”或“停”和复杂程序不同的各种逻辑控制，计时、计数、模拟控制等。

近年由于机电一体化需要逻辑控制和模拟控制计时、计数、运算等功能相结合，各仪表厂家的产品已从单一的逻辑控制，趋向多种控制功能结合为一体。

因此，用“可编程序控制器”（PC）这一名称较为确切。

此外，若配置有高一级管理、控制功能的上位机系统，还能进行全厂综合优化控制和管理，这种新颖的过程控制系统不仅可以取代常规模拟仪表，而且还可以完成局部优化控制以及模拟仪表难以实现的复杂自控系统。

若能用仿真技术进行操作人员的模拟培训只需在一台高性能的计算机上配合相应的软件以代替实际生产装置的控制、运作设备，这样就可以在较短的时间内学习开停车、正常操作和事故状态操作。

这些都表示氨生产技术自动化进入新的阶段，改变了几十年合成氨生产控制的面貌。

合成氨的生产过程包括三个主要步骤：

原料气的制备、净化和压缩和合成。

（1）原料气制备  

将煤和天然气等原料制成含氢和氮的粗原料气。

对于固体原料煤和焦炭，通常采用气化的方法制取合成气；渣油可采用非催化部分氧化的方法获得合成气；对气态烃类和石脑油，工业中利用二段蒸汽转化法制取合成气。

（2）净化 

对粗原料气进行净化处理，除去氢气和氮气以外的杂质，主要包括变换过程、脱硫脱碳过程以及气体精制过程。

① 一氧化碳变换过程 

  在合成氨生产中，各种方法制取的原料气都含有CO，其体积分数一般为12%～40%。

合成氨需要的两种组分是H2和N2，因此需要除去合成气中的CO。

变换反应如下：

CO+H2O→H2+CO2     ΔH=-41.2kJ/mol； 

由于CO变换过程是强放热过程，必须分段进行以利于回收反应热，并控制变换段出口残余CO含量。

第一步是高温变换，使大部分CO转变为CO2和H2；第二步是低温变换，将CO含量降至0.3%左右。

因此，CO变换反应既是原料气制造的继续，又是净化的过程，为后续脱碳过程创造条件。

 ② 脱硫脱碳过程 

  各种原料制取的粗原料气，都含有一些硫和碳的氧化物，为了防止合成氨生产过程催化剂的中毒，必须在氨合成工序前加以脱除，以天然气为原料的蒸汽转化法，第一道工序是脱硫，用以保护转化催化剂，以重油和煤为原料的部分氧化法，根据一氧化碳变换是否采用耐硫的催化剂而确定脱硫的位置。

工业脱硫方法种类很多，通常是采用物理或化学吸收的方法，常用的有低温甲醇洗法（Rectisol）、聚乙二醇二甲醚法（Selexol）等。

  粗原料气经CO变换以后，变换气中除H2外，还有CO2、CO和CH4等组分，其中以CO2含量最多。

CO2既是氨合成催化剂的毒