综述

题目：年产5万吨合成氨变换工段工艺设计

摘要：简述合成氨工艺及年产5万吨合成氨装置变换工序工艺流程的设置和关键设备的选型。对主要工艺参数的设计进行了验算；对热能的回收利用进行了介绍；对催化剂的选型和装置的运行进行了介绍。

关键词：变换工艺变换炉催化剂

前言：合成氨是一个产量吨位大、与国民经济密切，特别是对发展农业具有重要意义的化工产品，现在全世界的生产能力和年产量都以亿吨计，主要用作肥料和生产其他肥的原料。从二战结束以后，随着科技的进步和原料路线的转变，机械和设备制作、炼金材料和新催化剂的开发，合成氨生产面貌有了重大的变化。特别是在变换工序工艺设计方面的变化。

1.氨的性质与用途

氨的理化性质：氨分子式为NH3，是一种无色气体，有强烈的刺激气味。极易溶于水，常温常压下1体积水可溶解700倍体积氨。氨对地球上的生物相当重要，它是所有食物和肥料的重要成分。氨也是所有药物直接或间接的组成。氨有很广泛的用途，同时它还具有腐蚀性等危险性质。由于氨有广泛的用途，氨是世界上产量最多的无机化合物之一，多于八成的氨被用于制作化肥。由于氨可以提供孤对电子，所以它也是一种路易斯碱。

1.1氨的物理性质

氨极易溶于水（常温常压下1体积水可溶解700倍体积氨），溶解时放出大量的热。可生产含NH3 15%～30%的氨水，氨水溶液时碱性，易挥发。液氨或干燥的氨气对于大部分物质没有腐蚀性，但在有水的条件下，对铜、银、锌等金属具有腐蚀作用。

相对分子质量为17.03；在0℃，0.1MPa下的气体密度为0.7714g/L，摩尔体积为22.08L/mol；

临界温度132.4℃；临界压力11.30MPa；临界体积4.257L/kg；

临界密度0.235g/cm3；临界导热率0.522W/（m·k）；

沸点为-33.35℃；蒸发热1368.02kJ/kg；

冰点为-77.70℃；熔化热为333.42kJ/kg；

标准摩尔焓为-46.21kJ/kmol；

在25℃，0.1MPa下标准摩尔熵为192.60J/（mol·K）。

1.2氨的化学性质

氨在常温时相当稳定，在高温、电火花或紫外光的作用下可分解为氮气和氢，其分解速度在很大程度上与气体接触的表面性质有关。

氨是一种可燃性物质，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。常压，常温下的爆炸范围分别为15.5％～28％（空气）和13.5％～82％（氧气）。

氨易与许多物质发生反应，例如在铂催化剂作用下能与氧反应生成NO。

氨的性质比较活泼，能与各种无机酸反应生成盐，例如：

NH

3+HCl→NH

4

Cl

NH

3+HNO

3

→NH

4

NO

3

2NH

3+H

2

SO

4

→(NH

4

)

2

SO

4

NH

3+H

3

PO

4

→ (NH

4

)H

2

PO

4

2NH

3+H

3

PO

4

→ (NH

4

)

2

HPO

4

氨也能和CO

2

反应生成氨基甲酸铵，脱水生成尿素。利用氨与各种无机酸反

应制取磷酸铵，硝酸铵，硫酸铵；与CO

2

和水反应生成碳酸氢铵。

氨能生成各种加成配位化合物，它们和水合物类似，通称氨合物或氨络物，例

如对反应CaCl

2·6H

2

O和CuSO

4

·4H

2

O,也分别有CaCl

2

·6NH

3

和CuSO

4

·4 NH

3

。

1.3氨的作用、现状以及发展史

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。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。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%作为其它化工产品的原料。我国是一个人口众多的农业大国，合成氨生产在国民经济发展中始终处于十分重要的地位。它不仅对农业发展起着举足轻重的作用，而且也是重要的工业原材料。

氨在工业上主要用来制造炸药和各种化学纤维及塑料，从氨可以制的硝酸，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、尼龙单体、己二胺、人造丝、丙烯腈、酚醛树脂和脲醛树脂等产品。

氨的其他工业用途也十分广泛，例如，用作冰、空调、冷藏等系统的制冷剂，在冶金工业中用来提取矿石中的铜、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、蛋氨酸和其他氨基酸等等。

合成氨的工业的迅速发展 也促进了高压、催化、特殊金属材料、固体燃料气化、低温等科学技术的发展。同时尿素的甲醇的合成、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。

中国合成氨工业的发展情况：解放前中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。1949年全国氮肥产量仅0.6万吨，而1982年达到1021.9万吨，成为世界上产量最高的国家之一。

近几年来，中国引进了一批年产30万吨氮肥的大型化肥厂设备。中国自行设计和建造的上海吴泾化工厂也是年产30万吨氮肥的大型化肥厂。这些化肥厂以天然气、石油、炼油气等为原料，生产中能量损耗低、产量高，技术和设备都很先进。

目前我国共有合成氨企业853家，其中大型企业占22％，中、小型企业占78％。河北省有合成氨企业近百家，其中80％以上的企业是从70年代的3kt/a 规模基础上，通过不断技术革新改造逐步发展起来的，目前生产能力大多在