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1、毕业设计内容介绍设计题目十万吨合成氨年合成氨厂合成工段工艺设计关键词 合成氨 合成氨厂催化剂 氨合成反应 液氨设计题目的来源、理论和实践的意义。设计题目来源：本设计以两年所学专业知识为理论指导，结合在瑞星集团化肥公司的实习实践经历，以及实习期间记录的各项工艺数据，学习具体工艺流程。理论：精练气脱除油分后，经换热提高温度，循环机提升压力，然后进入合成塔，在高温高压及且有铁触媒催化剂的情况下进行氨合成反应。然后混合气经过水冷排冷却降温。在冷交换器的作用下分离出液氨，液氨进入液氨贮槽，剩余的混合气再与补充气混合进入合成塔。实践意义：回校之后在老师的指导下，进行年产十万吨合成氨合成工段的工艺设计，将理
2、论与实践相结合，自己动手动脑，不仅巩固了所学的理论知识，而且对化工行业有了深刻而全面的认识，为以后走向工作岗位奠定了坚实的基础。设计的主要内容及创新点：主要内容：本设计包括两大部分。第一部分概述了合成氨在国民经济中的地位及用途;国内外发展前景；主要设计依据；设计规模；主要工艺流程的选取及重要的工艺指标。第二部分主要对合成氨各设备进行物料衡算及热量衡算，并绘制了设备一览表。重点在于合成工段工艺计算及工艺选择。创新点：本次设计的创新点在于减少能耗，最大限度有利于环保以及增加经济效益十万吨合成氨年合成工段工艺设计一、说明（一）概述1. 氨工业在国民经济中的地位入用途 是重要的无机化学品之一，氨在国民
3、经济中占有重要地位。现在约有80%的氨用来造化学肥料，其余的作为其他化工产品的原料。 农业上使用的氮肥，例如尿素、硝酸铵、磷酸铵、硫酸铵、氯化氨、氨水以及各种含氨复肥和混肥，都是以氨作为原料。 氨在工业上主要用来制造炸药、和各种化学纤维和塑料。从氨可以制得硝酸，进而再制造硝酸铵，硝化甘油，三硝基甲苯和硝基纤维素等。在化纤和塑料工业中，则以氨，硝酸和尿素等作为氮源生产己内酰胺，尼龙6单体，己二胺，人造丝，丙烯腈，酚酸树脂和脲醛树脂等产品。氨在其他工业用途也十分广泛。例如，用作制冰，空调，冷藏等系统的制冷剂。在冶金工业中用来提炼矿石中的铜、镍等金属。在医药和生物化学方面用作生产磺胺类药物、维生素、
4、蛋氨酸和其他氨基酸等。总之，合成氨工业的发展，促进了一系列科学技术和化学合成工业的发展，如高压低温技术，催化和特殊金属材料的应用，石油加氮高聚合物的生产等，都是在合成氨工业的基础上发展起来或应用其他生产技术成就而获得成品的。随着科学与工程技术的发展，合成氨工业在国民经济各部门的作用也必将日益显著。2. 合成氨国内外发展状况合成氨工业自生起经历了发明阶段，推广阶段，原料结构变迁阶段，大型化阶段和节能降耗阶段。（1） 发明阶段（1901 1981）1901年，吕查得利在法国采用高温高压合成氨，开创了高压合成氨的试探。 1909年，合伯担也了工业氨合成方法 ，这是目前工业普遍采用的直接合成法，即“循
5、环法”用锇催化剂，在17.520.1Mpa和500600oC下获得6%和氨，反应过程为解决合成转化率你低的问题，将氨产品从合成反应后的气体中出来，未反应气和新鲜氢氮气混合重新参与合成反应。 1922年，德国BASF公司在奥堡（Oppau）建成世界上第一座日产30万砘的合成氨装置，在化工过程中碰到的一些难题，如高温下氢对钢材的腐蚀，碳铜钢制的合成反应器寿命只有80h以及合成氨用氮氢混合气的制造方法，都被该公司的工程师博施所解决，1913年运转，1914年，满负荷生产，人们称这种合成氨方法为哈博博施法。它标志着工业上实现高压催化反应的第一个里程碑。（2） 推广阶段 第一次世界大战，德国战败后，德国
6、被迫把合成氨技术公开，一些国家在此基础上做了改进，也现了不同压力下的合成方法：低压法（10Mpa），中压法（2030MPa）,和高压法（70100MPa）。当时合成氨厂所用的原料主要是焦碳和焦炉气，其次是水电解制取原料气。 （3） 原料结构变迁阶段（194660年代） 二战后，特别是五十年代开始，随着合成氨需要的增长以及天然气和石油工业的迅速发展，要求以廉价的天然气（包括炼厂气），石脑油和重油来代替固体原料生产合成氨。从工程投资，能量消耗和生产成本来看，以气体和液态烃类为原料生产合成氨具有明显的优势，我国煤储量比石油，天然气丰富，较长时间内一煤为原料的现状不会改变。 （4） 大型化阶段 六十年
7、代开始，氨的用途日益增多，合成氨生产又有了迅速发展。目前，世界合成氨的原料以天然气为主，其次是石脑油，我国因煤储量丰富属特例。由于当时机械，设备，仪表，和能量综合利用等方面均发展到相当水平，必然会被应用与合成氨工业，引起合成氨工业的重大变化，其主内容为单系列大型化，高度自动化，热能综合利用，节能降耗。（5） 节能降耗阶段 （1973年至今） 中东石油危机以来，世界能源趋于紧张状态，天然气和石脑油价格不断上涨，例如天气，70年代为13美元吨，至1980年价格达160美元吨，价格提高了十倍，而合成氨价格仅提高了三倍。因此，世界各国合成氨发展总的趋势：力争节能降耗。研究各种节能措施，着手研究以煤炭为
8、原料的新技术，准备逐步更替价格日益高涨的天然气和石油。我国合成氨工业发展情况：解放前我国只有两家规模不大的合成氨厂，解放后合成氨工业有了迅速发展。我国是世界上人口最多的农业大国，为了在2000年氮肥产量达到基本自给，近十年先后陆续引进了14套具有20世纪九十年代初期世界先进水平的年生产30万吨合成氨成套装置，从而掌握了几乎所有的先进工艺和先进技术。如低能耗凯洛格工艺、布朗工艺、AMV工艺、KPK工艺和德士古与谢尔重气化技术，鲁奇煤化技术，的事故水煤浆气化技术，通过对引进技术的消化吸收和改造创新，不但是合成氨技术水平上跟上了世界先进的步伐，而且促进了国内中小型氨厂的发展瑞星集团化肥公司新引进18
9、30合成氨生产装置，与“与时俱进，发展创新”的伟大旗帜相呼应。我国现已掌握了以焦炭、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。目前合成氨总生产能力为7000万ta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。3.合成氨工业的展望（1）生产现状 据统计，目前世界合成氨产量达亿吨年。合成氨按终端用途来分，约56%70%的合成氨用作化肥、液态氨、硝酸铵、尿素、或其他衍生物及有机溶剂。 新投用装置中，2006年6
10、月份澳大利亚BURRUP化肥公司投产了位于KARRATHA的76万吨年装置，主要用于向亚洲出口。印度OSWAL公司和RAMBSL公司拥有BURRUP公司70%的股份，另外股份由YARA持有。 据分析，合成氨国际贸易量占总生产量的比例相对较小，目前仅为2600万吨，约占10%，预计2020年将增加200%左右，专业人士指出，虽然贸易量不大，但对各地区价格影响较大。 （2）我国合成氨产量一月居世界第一位，但单系列装置规模较小，合成氮平均规模较小，无法适应世界合成氨的发展趋势。近年来和成氨装置大型化是世界合成氨的主流发展趋势，目前世界最大单系列合成氨装置规模已达150万ta。 （3）目前我国化肥厂原
11、料组成气、油煤比例大致为14%、22%和65%。由于原料在成本构成中占有很大比例，因此要提高国际市场竞争力，首要的是选用价格较低的原料，不再新建以煤，油为原料的大型合成氨装置。对现有以天然气为原料的大型合成氨装置要保证原料供应，有条件的要进行挖潜改造，提高装置规模；以油为原料的合成安装制改造为以天然气为原料；对于以无烟煤或焦炭为原料，再用固定层间歇气化的中小型厂，有天然气资源的要改为以天然气为原料，没有天然气资源的，特别是远离原料产地的企业要加快富氧连续气化，碎煤或煤粉加压汽化技术。（4）中型合成氨装置必须进行改造，种子那个合成安装之设备效率低是主要矛盾，技术改造主要是提高设备效率，不要盲目扩
12、大设备能力。我国的中型合成氨装置基本上都是我国自行设计，自己制造设备建设起来的。国外没有这方面的实践和投入，因此中型合成氨装置技术改造应以国内技术为主。（5）必须压小保大。我国长期以来对化肥企业实行了多项优惠政策，特别是小化肥企业免征增值税。国家以下决心压小保大，腾出有限的市场空间，净化现有的市场格局，这也是很多企业成功的做法。对现有大中型氮肥企业进行资产重组，建立若干个大型化肥企业集团。从地域看，建立几个区域性大型化肥企业集团，是可行的，这些产品一至，市场趋同的企业应该探索走联合发展的路子，建立大型化肥企业集团，实现资源最优配置，以发挥整体优势。而自然淘汰下来的小型合成氨企业可为单一元素基础
13、化肥进行二次加工，生产市场需求的各种专用或多功能肥料化肥，由于自然淘汰下来的小型合成氨企业遍布各地，直接面向市场，可形成化肥加工、销售、服务一条龙系统。（6）原料占了合成氨生产成本的75%，由于原料来源困难和价格高，一些厂将调整原料结构，有原料气的地方改用天然气为原料，没有天然气的地方改用煤为原料。但没和天然气也将受国内国际价格的影响，也不能完全靠一种原料，要保证装置也要适用天然气、煤（焦）、轻油和重油等原料。我国化肥工业在靠近市场，远离原料产地的现象，加上公路运输禁止超载，原料长距离运输费用增高。拿尿素来说，每吨成本至少上升100元以上。国家对化肥运输实行优惠运价，国家规定的1000千米的尿
14、素运输为23.4元，加上合计费不到50元每吨，而“西气东输”至上海的输送价为0.884元 m3,每一千米约为0.21元，每吨尿素消耗的天然气的输送费用为126元每千米，高于尿素的运输成本。因此，对化肥而言，输气不如输产品，氮肥装置应建设在大天然气资源产地，天然气价格也是制约合成氨项目成败的主要因素之一。（7）国际上基本以高浓度化肥为主，而近年来发达国家化肥生产主要以复合肥料为主，并正在进一步向多功能、专用方向发展。因此必须调整下游产品结构，生产部分复合肥料或混配肥料，以适应农业发展的需要我国氮肥中高浓度的尿素、硝酸铵约占56%，低浓度的碳铵、硫酸铵等占40%，复合肥、专用肥比例较小，跟不上农业
15、生产对化肥需求的变化。（二）设计依据1.市场需要农业是我国国民经济的基础，不断提高粮食产量，实现化肥自产自给是解决十五亿人吃饭问题的主要保证。2.技术改造以上资料表明市场对化肥的需要，同时，由于我国一些小型厂存在着技术落后，设备老化的问题，在我国已加入世界贸易组织的形势下，改造这些常尤其显的刻不容缓，以新技术改造老长装备达到的目的是：增加产量，节能降耗，改善环保，提高产凭质量，用于改造新的技术其流程应是先进可靠，操作简便易于掌握，对于生产变化的适应性要强，生产危险性小，另外投资还要省。综上所述，设计一年产十万吨的合成氨工序是有用的。3.厂址选择由于合成氨厂高温高压设备多，易燃易爆易中毒的特点，
16、排放污水废气等所以厂址选在远离繁华市区的农村。同时，还有水、电资源丰富，还要考虑原料，产品的输送条件，特别是原料的运费，一定要考虑在内应选在靠近原料稀罕地的地方为厂址。4.原料选择随着需要量的增长以及天然气和石油工业的需速发展，原料逐渐由焦炭和焦炉气被廉价的天然气、石脑油和重油代替，自中东石油危机以来，天然气和石脑油的价格不断上涨，面对资源储量日益减少的天燃气和石脑油人们又将目光转到了一度备受冷落的煤炭，着手研究以煤炭为原料的新技术。选用何种原料受其所在地区的资源限制，一般以油田地区可建新的大型氨厂，而一般小型合成氨厂以煤炭为原料，一般选用碳量和热值都高的山西无烟煤。5.产品选择（1）尿素纯尿
17、素为白色，无味，无臭的针状或棱状晶体，工业产品中由于含有杂质，有时略待微红瑟色，尿素含氮量是目前固体氮肥中最高的，为46%，是一种高浓度氮肥，属中性特效肥料，在土壤中部残留任何有害成分，长期施用没有不良影响，畜牧业可用作反刍动物的饲料，在反刍动物中，微生物将尿素的胺态氮转化为蛋白质，使肉奶增产。也可作为高聚物的合成材料用，此外，也常在医药、纺织、石油、制革工业中得到应用。因而得到普遍赞誉。尿素具有吸湿性，当空气中相对湿度大于尿素吸湿点时，尿素吸收空气中的水分而得潮解，所以包装、贮存运输应注意防潮。（2）液氨 液氨主要用于生产硝酸、尿素和其他化学肥料，还可用作医药和农药的原料。在国防工业中，用于
18、制造火箭导弹的推进剂。可用做有机化工产品的氨化原料，还可用作制冷剂。液氨也是一个很好的溶剂。液氨加热至800850oC，在镍基催化剂作用下，将氨进行分解可以得到75%的H2，25%N2的氮氢混合气体。用此法制的的气体是一种良好的保护气体，可以广泛的应用于半导体工业，冶金工业，以及需要保护气氨的其他工业和科学研究中。（三）设计规模本次设计是10万吨年的合成氨，属于小型合成氨厂，中小合成氨厂难以参与大化肥与国际市场的竞争，继续增加氨产量是没有发展前途的，只有发挥地域优势，连醇生产甲醇，二甲醚，供本地区醇醚燃料和甲醇原料是中小型合成氨厂发展的一条途径。本次设计以煤为原料，按造气脱硫变换铜洗合成为基本
19、工序流程。用的合成氨工艺流程是中压法副产蒸汽流程。（四）合成氨长工艺流程评述总述：合成氨生产包括三个主要步骤。（1） 制造含氢气，氮气的原料气，我国现有小化肥用焦炭和无烟煤气化制的；（2） 原料气的净化，除去各种有毒的成分或杂质；（3） 氨的合成，将制备好的原料精炼气送入合成塔合成氨，由于反应条件的限制，仅能得到含氨820%的混合气体，而大部分氢气和氮气混合气则经分离后循环使用，流程如下：造气脱硫变换脱硫铜洗合成煤水蒸气+空气液氨以煤为原料，以空气和水蒸汽为气化剂，对煤进行热加工，生产出含一氧化碳和氢气的半水煤气，要求半水煤气中氢气和一氧化碳的含量要高，半水煤气经降温除尘后送往脱硫岗位。目前，
20、应用的脱硫方法主要是ADA法，以NaCO3为吸收剂，NaVO3为催化剂，ADA为载体，在脱硫塔内吸收硫化氢后去压缩工段。压缩机二段来的半水煤气中的一氧化碳一般为26%左右，一氧化碳不是合成氨的原料，而且对催化剂有毒害作用，因此原料送往合成前应彻底清除一氧化碳，利用一氧化碳和水蒸气的变换反应，不仅可把一氧化碳变为易除去的二氧化碳气体，而且得到等体积的氢气，变化后的气体经冷却至常温，送往脱硫工序。1. 造气工序（1） 工艺原理 煤和焦炭等固体燃料在高温加压下或加压条件下与气化剂（适宜空气与水蒸汽）反应转化为气体产物，或和少量残渣产物，即半水煤气。C与O2反应 CO2=CO2 2C O2=2CO C
21、CO2=2CO 2COO2=2CO2C与水蒸气反应 CH2O=CO+H2 COH2O=CO2H2 C2H2=CH4 (2)工艺流程汽包煤气炉集尘器废热锅炉烟囱洗气塔气柜 2.脱硫工序（1）栲胶法脱硫原理 栲胶是聚酚类（丹宁）物质，分子中具有大量酚醛基和羟基。吸收H2S反应Na2CO3H2S PH8.59.5 NaHS+NaHCO3 吸硫反应 2NaHS+4NaVO3+H2O=Na2V4O9+4NaOH+2S 氧化态栲胶将Na2V4O9氧化成NaVO3 Na2V4O92栲胶（氧化态）2NaOHH2O4NaVO32栲胶（还原态） 还原态栲胶的氧化： 栲胶（还原态）O2 栲胶（氧化态）+H2O（2）
22、工艺流程气柜喷淋塔焦碳过滤器静电除尘罗茨风机脱硫前喷淋塔脱硫塔脱硫后喷淋塔循环槽再生槽贫液槽脱硫气进压缩机3.变换工序（1）工艺原理 Cat变换反应 COH2O CO2H2Q中变触媒的氧化还原反应3Fe2O3+CO=2Fe3O4CO2Q 2Fe2O3H2=2Fe3O4CO2H2Q低变触媒的硫化反应原理MoO3H2=MoO2H2O CS24H2=2H2SCH4 MoO22H2S=MoS22H2O CoOH2S=CoSH2O（2）工艺流程半水煤气焦炭过滤器饱和塔第一热交水加热器第二热交低变炉中变炉段间换热器热水泵冷凝塔冷凝塔气水分离器去变脱4.脱碳工序 （1）工艺原理 碳酸丙烯酯吸收二氧化气体是一
23、个典型的物理吸收过程，根据对PC吸收二氧化碳等酸性气体的研究，随着二氧化碳气体分压的变化，二氧化碳对PC的平衡溶解度也相应变化，在一定温度下他们在对应作标上呈现性函数关系。当二氧化碳分压在20个大气压以下时平衡溶解度与二氧化碳分压的关系遵循亨利定律C=H*PCO2(C：平衡溶解度Nm3m3;H：溶解度系数Nm3m3；大气压随温度而定PCO2=PrCO2，式中P：混合器总压（绝对压力）；rCO2:混合气中CO2体积分数)当温度一定时H为一定值，C随二氧化碳的分压的升高而增加，因此，提高系统总压P，PCO2将随之升高，二氧化碳在PC中的溶解度将增大，从而达到吸收二氧化碳的目的，反之，对已溶解了大量
24、二氧化碳的PC液降低系统总压，PCO2随之降低，可是二氧化碳从PC中溶解释放出来，此即为闪过程。如果再往吸收后PC中吹入空气，使气象中的二氧化碳含量继续降低，则可进一步降低PC中二氧化碳的含量，此即为气提过程，吸收闪蒸气提，构成了脱碳工艺过程中最基本的几个环节。（2）工艺流程放空碳丙分离器循环槽脱碳塔脱碳泵油水分离器闪蒸槽常解真解气提CO2洗涤塔气提风机风机气体5.铜洗工序 （1）工艺原理铜氨液吸收一氧化碳是在游离氨存在下，依靠低价铜离子进行的，其反应式如下：Cu(NH3)2Ac+CO+NH3=Cu(NH3)3AcCO+Q铜氨液吸收一氧化碳的作用首先是铜氨液接触而被溶解，一氧化碳再和低价铜离子
25、作用生成络合物，并有热量放出。（2）工艺流程油分铜塔铜分回流塔再生塔加热器换热器净氨塔加氨罐化铜桶水冷器过滤器氨冷器缓冲器缓冲器铜泵6.合成工序见重点工序设计（5）重点工序设计（1）反应原理28MpaFe450反应方程式：3H2+N2 2NH3+Q特点：高温，高压，可逆反应，放热，反应后体积缩小，并且要有触媒存在的情况下进行。 （2）工艺流程 由压缩机七段送来的28MPa的精炼气（又称补充气）经补充汽油分，与氨冷器入口的循环气混合，经冷凝后变成液氨及冷气进入冷交换器，液氨进入液氨贮槽，冷气进入循环机，经循环机提压后进入循环汽油分，分离掉油污杂质，然后气体进入合成塔底上部一进气体入口，经预热，以
26、保证塔壁安全温度，从塔顶出口导出，进入热交换器上部，在管间被加热后，从上部导出进入合成塔底部二进入口，气体在塔内进行氨合成反应，反应后气体从塔底部导出，进入热交换器换热后，进入水冷器，经冷却，气体进入氨分离器中分离液氨后，热气体进入冷交换管间进行换热，换热后的气体与补充气体混合后从底部进入循环氨冷器上部，在列管内进行降温后由下部导出，液氨进入液氨贮槽。（3）流程方块图 合成塔废热锅炉热交换器水冷器液氨分离器循环机冷交换器氨分离氨冷器液氨贮槽（4）工艺指标压力指标 合成塔系统压力 31.4MPa 循环机入口压差 3.5 MPa 合成塔入口压差 1.0 MPa 废锅蒸汽压力1.6 MPa 去氨库放
27、氨压力 2.02.5 MPa 循环机油泵压力 0.15 MPa 闪蒸槽气氨压力 0.150.30 MPa 废锅给水压力大于蒸汽压力0.2MPa以上 。 2.温度合成塔一入温度 180 合成塔一出温度 200 合成塔二入温度 200 合成塔壁温度 150 触媒层同平温度差 150 合成塔二出温度 340 升降温速率 3545h 水冷器出口温度 40废锅出口温度 1 #废锅 2#废锅 210 氨冷温度 25 触媒层热点温度波动范围 5 具体数值随触媒使用时间调整3.气体成分精炼其中 COCO2 2.5106 2.5106 COCO2 50106 时减量生产COCO80106时停止导气 入口氨5.3
28、10-2 循环气H2N2 2.2 2.8 循环气 CH4(1421)102 依据触媒不同运行阶段即提氢装置运行于否进行调整。4.其他 电加热绝缘值0.2 兆欧，循环机电流 额定值 炉水碱度500106 （5）影响因素操作压力 从热力学分析可知，提高压力对反应平衡即速率均有利，因此，在工业生产中，氨的合成必须在高压下进行，压力越高，反应速率越快，平衡含量增加，反应器能力越高。当压力提高到29.23MPa时，氨净值可达12.8%。操作温度 氨合成反应为可逆放热反应，存在最适宜的反应温度。反应初期，由于反应温度高，反应速率时很快的，到反应末期，反应物温度降低而产物温度增高，致使反应速率较慢，对床层每
29、一区间来说，都存在一个最适宜温度，在此温度下的反应速率比其它温度下的速率快。所有最适宜温度点的连线称为最适宜温度曲线。根据最适宜温度曲线随原料转化率变化趋势来看，反应初期最适宜温度高，反应后期最适宜温度低。反应器的设计应满足这个要求。最适宜温度曲线除受平衡平衡温度和催化剂的影响外，还受压力和惰性气体的影响。当内扩散影响明显时，由于表面活化能小于本证活化能，致使最适宜温度降低。此外，反应温度还受催化剂活性温度范围的影响，床层进口温度不小于催化剂的活性起始温度，而床层进口温度不得超过催化剂的耐热温度。空间速度 空间速度直接影响氨合成系统的生产能力，空速态小，生产能力低，不能完成生产任务。空速过高减
30、少了气体在催化床层的停留时间，合成率降低，循环气量要增大，能耗增加，同时气体中氨含量下降，影响正常生产。故空速的选择一般根据合成压力、反应器的结构和动力价格综合考虑。低压法常取500010000，中亚法取150003000，而高压法可达60000.减小催化剂颗粒度 减小催化剂的粒径，可提高其内表面利用率，但床层阻力将增大，对于轴向流动的合成塔，由于床层高，阻力大，应采用较大的颗粒，以提高其内表面利用率。当然采用球形催化剂最好，其效果会显著提高。（六）技术革新建议1.研制新型催化剂合成氨工业需要较低温度和较高压力下具有较高活性的催化剂。90年代以来，世界各国从未停止过合成氨催化剂的研究与开发，目
31、前，工业催化剂的催化效率在高温下已达90%以上，接近平衡氨浓度（因压力而异）。例如，在15MPa及475oC下，A301催化剂的催化效率接近100%。要提高催化剂的活性，只有降低反应温度，提高安的平衡转化率和单程转化率或实现低压合成氨。随着英国BP公司钌基催化剂的发明和我国Felx0基催化剂体系的创立，标志着合成氨催化剂进入了一个新的发展时期，有唯一的传统Fe3O4路线发展为三条技术路线。所以要尽量使用这些催化剂。2.化学模拟生物固氮的研究 目前，化学模拟生物固氮的重要研究课题之一，是活性酶活性中心结构的研究。固氮酶由铁蛋白和钼铁蛋白这两种含过渡金属的蛋白质组合而成。铁蛋白主要起着电子传递疏松
32、的作用，而含两个钼和二三十个铁和硫原子的钼铁蛋白是络合N2或其他反应物（底物）分子，并进行反应的活性中心所在之处。关于活性中心结构的看法有多种，目前尚无定论。从各种底物结合物活化和还原加氢试验来看，含双钼核的活性中心来看，含双钼核的活性中心较为合理。我国有两个研究组与19731974年间，不约而同的提出了含钼铁三核四核活性中心模型，能较好的解释固氮酶的一系列性能。但其结构细节还有待根据新的实验结果精细化。3.合成工段的节能技术改造增加预热节能设备，本次节能改造增设了合成塔前预热器一台，废热锅炉、软水加热器一台，余热回收节能效果明显，由于合成塔前预热器的使用合成塔出入口温度均有所提高，合成塔出口
33、温度可达250oC以上。提高了合成塔出口气体余热回收的品位；采用节能提温型合成塔内件；选用低温高活性合成氨触媒。 二.计算部分 （一）物料衡算 1.1 （1）计算依据：12.0t NH3/h (2)催化剂用量：9m3 (3)精炼气（补充气）成分（%）： H2N2CH4Ar小计7424.61.20.2100.00 （4）合成塔入口氨含量：NH3入=2.5% 合成塔出口氨含量：NH3出=16% 合成塔入口惰性气体含量：CH4+ Ar=16% （5）合成塔操作压力：28MPa （6）精炼气温度：35 （7）水冷器出口气体温度：35 （8）以下各项在计算中略去不计：设备及管道造成的压力降；设备及管道的
34、冷热量损失：冷交换器及氨冷器中溶解在液氨中的气量。 （9）循环机进口压差：1.7MPa (10)年工作日：330天 （11）计算基准：生产一吨液氨 20191817161514891112137564321 合成塔废热锅炉热交换器水冷器液氨分离器循环机冷交换器氨分离器氨冷器液氨贮槽10211、2、3、4、5精炼气；6、7、8、9、10、11、12、14、17、18合成气；13-放空气；20-驰放气；15、16、19、21-液氨 1、2计算物料点流程（如上图） 1.3.1合成塔物料计算合成塔入口气体成分： 根据计算依据：入塔氨含量：y5NH3=2.500% 入塔甲烷含量：y5CH4=16%1.2
35、/(1.2+0.2)=13.714% 入塔氩含量：y5Ar=16%0.2/(1.20.2)=13.714% 入塔氢含量:y5H2=(100-2.5-16)3/4100%=61.125% 入塔氮含量：y5N2=(100-2.5-16)1/4100%=20.375%NH3CH4ArH2N2小计2.50013.7142.28661.12520.375100.00合成塔出口气体组分（以100Kmol入塔气体作为计算基准求出出塔气组分）氨含量可由下式计算：NNH3=N5(y8NH3-y5NH3)/(1+y8NH3)=1000(0.16-0.025)/(1+0.16)=116.38Kmol出塔气量（N8）
36、=入塔气量-生成氨含量 =1000-116.38 =883.62Kmol出塔氨含量=16.00%出塔甲烷含量：y8CH4=N5/N8y5CH4 =1000/883.6213.714%=15.520% 出塔氩含量：y8Ar=1000/883.622.286%=2.587% 出塔氢含量：y8H2=(100-16-15.520-2.587)3/4=49.420%出塔氮含量:y8N2=(100-16-15.520-2.587)1/4=16.473%出塔气组分含量（%）：NH3CH4ArH2N2小计16.0015.5202.58749.42016.473100.00合成率=2NH3/N5(y5NH3-y
37、5CH4-y5Ar)100% =2116.38/1000(1-0.02500-0.154-0.02286)100%=28.560%1.3.2氨分离器气液平衡计算 设氨分离器进口液混合物F，进口物料组分m（i）；分离气相组分y(i),气量V；分离液相组分X(i)，液相量L，其中进口物料组分m(L)等于合成出口气体组分，根据气液平衡原理，以1Kmol进口物料为计算基准，即F=1Kmol,由气液平衡原理得：Fm(i)=Vy(i)+LX(i) (1)K(i)=y(i)/X(i),(K(i)组分平衡常数) （2）将（2）式代入（1）式得 M(i)/LX(i)=V/LK(i)+1 则LX(i)=m(i)/
38、(1+V/LKi=L(i) (3)L=L(i) (4)液体组分：X(i)=L(i)/L (5) V=F-L=1-L (6)气体组分：y(i)=V(i)/V=(m(i)-L(i)/V (7)计算气、液体组分步骤为：首先根据经验数据设（V/L）值，查操作条件下的（ t,p）平衡常数（Ki）带入（3）式计算L（i）,然后根据（4），（5），（6）式计算（V/L）值，将假定值与进行比较直至在误差允许范围内。已知分离器入口混合物组分m(i):NH3CH4ArH2N2小计0.160000.155200.025870.494200.164731.0000查t=30,P=26.57MPa 各组分平衡常数 KN
39、H3KCH4KArKH2KN20.09810.1026.0035.0041.20 设（V/L）=12.21代入（3）式中计算各组分溶解液量LNH3=mNH3/(1+V/L)KNH3=0.16000/(1+12.210.0980)=0.07284KmolLCH4=mCH4/(1+V/LKCH4=0.15520/(1+12.2110.10)=0.001248KmolLAr=mCH4/(1+V/LKAr)=0.02587/(1+12.2126.00)=0.00008123KmolLH2=mH2/(+(V/LKH2)=0.49420/(1+12.2135.00)=0.001154KmolLN2=mN2
40、/(1+V/LKN2)=0.16473/(1+12.2141.20)=0.0003268Kmol分离液体量：L=LNH3+LCH4+LAr+LH2+LN2=0.07565Kmol分离气体量：V=1-L=1-0.07565=0.92435Kmol(V/L)=(V/L-V/L)/(V/L)=(12.21-12.218)/12.21100%=-0.06% 假定正确分离液体组分含量液体中氨含量 XNH3=LNH3/L=0.07284/0.07565100%=96.29%液体中甲烷含量 XCH4=LCH4/L=0.001248/0.07565100%=1.65%液体中氩含量 XAr=LAr/L=0.00
41、008123/0.07565100%=0.11%液体中氢含量 XH2=LH2/L=0.0011540.07565100%=1.525% 液体中氮含量 XN2=LN2/L=0.0003268/0.7565100%=0.432% 分离器出口液体含量（%）NH3CH4ArH2N2小计96.291.650.111.5250.432100分离气体组分含量气体中氨含量 yNH3=(mNH3LNH3)/V=(0.160000.7284)/0.92435100%=9.43%气体中甲烷含量 yCH4=(mCH4LCH4)/V=(0.15520.001248)/0.92100%=16.66%气体中氩含量 yAr=(mArLAr)/V=(0.025870.00008123)/0.92435100%=2.79%气体中氢含量 yH2=(mH2LH2)/V=(0.494200.001154)/0.92435100%=53.34%气体中含氮含量 yN2=(mN2LN2)/V=(0.164730.0003268)/0.92435100%=17.79%氨分离器出口气体（放空气）含量（%）NH3CH4ArH2N2小计9.43