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1、 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 年产十五万吨合成氨工艺设计 Process Design of Synthetic Ammonia of 150kt/a 学院名称： 化学与环境工程学院 专业班级： 化学工程与工艺 10 -1 学生姓名： 莫承添 学 号： 201005010001 指导教师姓名： 路有昌 指导教师职称： 副教授 2014 年 5 月 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师 的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标 注和致谢的地方
2、外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果， 也不包含我为获得安阳工学院及其它教育机构的学位或学历而使用过的 材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作 了明确的说明并表示了谢意。 作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日 期： 使用授权说明使用授权说明 本人完全了解安阳工学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文） 的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本； 学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与 阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容
3、。 作者签名： 日 期： 目 录 摘要I Abstract.II 引言.1 第一章 综述.2 1.1 氨的性质、用途及重要性2 1.1.1 氨的性质.2 1.1.2 氨的用途及在国民生产中的作用.2 1.2 合成氨一氧化碳变换工序的工艺原理.2 1.2.1 合成氨的工艺流程简单介绍.2 1.2.2 合成氨变换工序的工艺原理4 1.3 工艺条件.5 1.3.1 压力.5 1.3.2 温度.5 1.3.3 汽气比6 1.4 工艺流程确定.6 1.4.1 流程工序简述6 1.4.2 主要设备的选择说明6 第二章 物料与热量衡算.7 2.1 已知条件.7 2.2 中变炉的物料与热量衡算7 2.2.1
4、水气比的确定.7 2.2.2 中变炉 CO 的实际变换率的求取 .8 2.2.3 中变炉的物料衡算.8 2.2.4 对出中变炉的变换气的温度进行估算.10 2.2.5 中变炉的热量衡算.10 2.2.6 中变炉催化剂平衡曲线.11 2.2.7 最佳温度曲线的计算.12 2.2.8 中变催化剂操作线的计算.13 2.3 低变炉的物料与热量衡算14 2.3.1 低变炉 CO 的实际变换率的求取 .14 2.3.2 低变炉的物料衡算.14 2.3.3 对出低变炉的变换气温度进行估算.16 2.3.4 低变炉的热量衡算.16 2.3.5 低变炉平衡曲线、最适宜温度曲线及操作线计算.17 2.4 废热锅
5、炉的热量和物料衡算19 2.4. 1 物料衡算19 2.4.2 热量衡算.20 2.5 水蒸汽的加入21 2.6 主换器的物料与热量的衡算21 2.6.1 物料衡算.21 2.6.2 热量计算.21 2.7 调温水加热器的物料与热量衡算22 年产十五万吨合成氨工艺设计年产十五万吨合成氨工艺设计 摘要摘要：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十五万吨合成氨的工艺设计。设计采用的工艺流 程简介：天然气经过脱硫压缩进入二段转化炉，由二段转化炉来的转化气，经过废 热锅炉从 910降到 310，
6、并在废热锅炉加水增加汽气比，然后进入中温变换炉， 在 300到 370之间以及催化剂的作用下 CO 和水蒸气反生成 H2和 CO2，使 CO 含量3，再经过低变炉反应使 CO 含量0.3，然后去甲烷化工序。 本设计主要通过对中温变换炉和低温变换炉的物料衡算、热量衡算、平衡曲线、 操作线及空速的计算，得到中温变换炉每小时生产 18.94T/h 合成氨，中温变换炉的 直径为 3500mm，塔的高度为 12420mm；同时对工艺流程主要设备废热锅炉、主换 热器和温水调节器的物料衡算和热量衡算也进行的计算，并根据设计任务做了变换 工序带控制点的工艺流程图。 关键字关键字：合成氨；天然气；变换；一氧化碳
7、 I Process design of synthetic ammonia of 150kt/a Abstract：Ammonia is the most important one of basic chemical products, playing an important role in the national economy. Ammonia production after years of development, now has developed into a mature chemical production processes. Brief introduction
8、 to the process design: Natural gas get into the Second reformer after the desulphurization he compression, gas conversion by the Second reformer conversion of gas from 910 to 310 through the waste heat boiler，and the steam gas ratio is increased in the waste heat boiler water, then it enters the te
9、mperature transform furnace,carbon monoxide and water vapor reacts with the Hydrogen and Carbon dioxide In 300 to 370 and under the effect of catalyst,and making the carbon monoxide content of 3% or less,reaction of the content of carbon monoxide decreased to 0.3% after low temperature shift furnace
10、 ,then goes to methane chemical order. This design get temperature transform furnace production per hour 18.94T/h ammonia,mainly through the calculation of material balance of medium temperature transformation furnace and low temperature shift furnace, heat balance, equilibrium curve, operating line
11、 and space velocity, medium temperature transformation furnace is 3500mm in diameter, and the height of the tower is 12420mm; at the same time, the material balance of process flow, main equipment of waste heat boiler and heat exchanger and warm water regulator calculation and heat balance is done,
12、the process flow diagram and transformation process with the control points according to the design task. Keywords: Synthetic Ammonia; natural gas; transformation; carbon monoxide 引言 氨是重要的无机化工产品之一，合成氨工业在国民经济中占有重要地位。除液 氨可直接作为肥料外，农业上使用的氮肥，例如尿素、硝酸铵、磷酸铵、氯化铵以 及各种含氮复合肥，都是以氨为原料的。氨是重要的基础化工产品之一，在国民经 2 济中占有重要
13、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。 因此设计一套年产 15 万吨合成氨的生产工艺流程，主要采用中串低变换的生产 工艺进行分析，对现有工艺进行优化改进，提高产品质量，增大产品产率，为年产 15 万吨合成氨一氧化碳变换生产工艺设备的投产提供理论上的支持。 通过对现有资料中合成氨生产工艺的分析研究及比较并在广泛查阅国内外相关 文献的基础上，选择采用通过以天然气为原料合成氨的生产。结合生产要求及标准， 利用所学专业知识对现有工艺进行优化，确定设计所用的天然气原料及设备类型， 利用化工原理中所涉及的物料衡算等相关知识，得出设备所需的具体参数及最佳操 作条件，计算所用
14、物料量及所得产品产量，确定设备规格进行设备的设计以得到最 佳产品，并根据整个工艺要求及特点进行合理设计。 结合自己所学专业知识，并参考万方数据库、中国知网、维普等数据库中所查资 料的论证，得该工艺方法可行，并在老师的指导下后期的设计等工作可以顺利完成， 手工工艺流程图、CAD 图也能符合设计要求。 通过物料衡算和热量衡算等具体计算，进而得到该工艺的主要设备参数，画成 设备图纸及带控制点的工艺流程图纸，并提交设计说明书一份，顺利完成年产 15 万 吨合成氨变换工段生产工艺的毕业设计。 合成氨是大宗化工产品之一，世界每年合成氨产量已达到 1 亿吨以上，主要用 来生产氮肥，还有少量用于制造硝酸、纯碱
15、、含氮无机盐、制药、氨基塑料、聚酰 胺、丁腈橡胶等产品，亦广泛用于制冷冻剂。因此根据我国合成氨生产能力和产量 的需求，提高合成氨的自动化生产水平，在现有工艺条件下，发挥优化控制的优势， 使整个生产长期运行在最佳状态下，同时，优化系统的应用还能节约原材料消耗， 降低能源消耗，提高产品的合格率，增强产品的市场竞争能力，以确保我国合成氨 市场健康有序的发展。 第一章 综述 1.1 氨的性质、用途及重要性 1.1.1 氨的性质 氨分子式为 NH3，在标准状态下是无色气体，比空气轻，具有特殊的刺激性 3 臭味。人们在大于 100cm3/m3氨的环境中，每天接触 8 小时会引起慢性中毒。 氨的主要物理性质
16、有：极易溶于水，溶解时放出大量的热。氨水溶液呈碱性， 易挥发。液氨和干燥的氨气对大部分物质没有腐蚀性，但在有水的条件下，对铜、 银、锌等金属有腐蚀作用。 氨的化学性质有：在常温下相当稳定，在高温、电火花或紫外光的作用下可 分解为氮和氢。具有可燃性，自然点为630，一般较难点燃。氨与空气或氧的 混合物在一定范围内能够发生爆炸。氨的性质比较活泼，能与各种无机酸反应生 成盐。 1.1.2 氨的用途及在国民生产中的作用 氨是重要的无机化工产品之一，在国民经济中占有重要地位。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。世界上的氨除少量从焦炉气中 回收外，绝大部分是合成的氨。氨主要用于农业，合
17、成氨是我化肥工业的基础， 氨本身是最重要的氮素肥料，其他氮素肥料也大都是先合成氨，再加工成尿素或 各种铵盐肥料，这部分均占 70的比例，称之为 “化肥氨”1； 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、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”。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生产 2。 液氨常用作制冷剂。合成氨是大宗化工产品之一，世界每年合成氨产量已达到 1 亿吨以上，其中约有 80的氨用来生产化学肥料， 20作为其
18、它化工产品的 原料。氨作为最为重要的基础化工产品之一，同时也是能源消耗的大户，世界上 大约有 10的能源用于合成氨。 1.2 合成氨一氧化碳变换工序的工艺原理 1.2.1 合成氨的工艺流程简单介绍 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 4 对粗原料气进行净化处理，除去氢气和氮气以外的杂质，主要包括脱硫过程、 变换过程、脱碳过程以及气体精制过
19、程。 脱硫过程：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。 一氧化碳变换过程 3：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 1240。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
20、换反应如下： CO+H2OH2+CO2 H=-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。第一步是中温变换，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。 脱碳过程：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物，又是制 造尿素、碳酸氢铵等氮肥的重要原料。因此变换气中CO2的脱除必须兼顾这两 方面
21、的要求。一般采用溶液吸收法脱除CO2。根据吸收剂性能的不同，可分为 两大类。一类是物理吸收法，如低温甲醇洗法 (Rectisol)，聚乙二醇二甲醚法 (Selexol)，碳酸丙烯酯法。一类是化学吸收法，如热钾碱法，低热耗本菲尔法， 活化 MDEA 法，MEA 法等。 气体精制过程 :经 CO 变换和 CO2脱除后的原料气中尚含有少量残余的CO 和 CO2。为了防止对氨合成催化剂的毒害，规定CO 和 CO2总含量不得大于 10cm3/m3(体积分数)。因此，原料气在进入合成工序前，必须进行原料气的最终 净化，即精制过程。 目前在工业生产中，最终净化方法分为深冷分离法和甲烷化法。深冷分离法 主要是液氮洗法，是在深度冷冻 (编写组.化工设备设计手册 1材料与零部件M.上海：上海人民出版 社,1973:320-348. 26 18 编写组.化工设备设计手册 2金属设备M.上海：上海人民出版社, 1973:325-336. 19 陈声宗.化工设计M. 四川：四川成都双月出版社,1993,36（6）：210-235. 27 附录 A 28 附录 B