年产6万吨合成氨工艺设计毕业设计论文 精品

毕业设计论文
年产6万吨合成氨工艺设计
摘要
氢和氮是合成氨的主要原料，精制后的氢、氮混合气在高温，高压并在催化剂存在的条件下进行氨合成反应。

根据合成反应器所采用的压力，温度及催化剂型号的不同，氨合成的方法可以分为低压法，中压法和高压法三种。

小型合成氨厂采用低压法和中压法两种。

其中合成压力分别为15——20Mpa和32Mpa。

本设计采用的是中压法。

本设计由两部分构成分别是设计说明书和四张图纸。

设计说明书包括：总论，流程的选择和确定，流程的说明，合成工序的计算四部分。

三张图纸分别是：，一张工艺流程图，一张设备平面布置图，一张合成塔设备图。

关键词：氨合成催化剂流程工艺
目录
前言--------------------------------------------------------------------------------------Ⅰ第1章总论-------------------------------------------------------------------------2
1.1设计依据与指导思想----------------------------------------------------3
1.1.1设计依据-----------------------------------------------------------3
1.1.2 指导思想----------------------------------------------------------3
1.2设计范围与技术要求----------------------------------------------------4
1.2.1设计范围-----------------------------------------------------------4
1.2.2生产规模-----------------------------------------------------------4
1.2.3原料动力消耗定额和消耗量--------------------------------4
1.3原理说明---------------------------------------------------------------------4
1.3.1生产原理说明----------------------------------------------------4
1.3.2氨合成的机理----------------------------------------------------5第2章工艺流程的选择确定----------------------------------------------5
2.1由氨合成的主要特点进行工艺流程的设计选择---------------6
2.2催化剂的选用---------------------------------------------------------------6第3章化工工艺设计说明--------------------------------------------------7
3.1生产工艺流程的说明----------------------------------------------------7
3.2生产设备选型说明--------------------------------------------------------8
3.2.1技术经济指标----------------------------------------------------8
3.2.2设备结构的要求-------------------------------------------------8
3.2.3设备布置与三废治理说明-----------------------------------8
第4章合成工序的工艺计算--------------------------------------------9
4.1物料计算--------------------------------------------------------------------9
4.1.1计算依据----------------------------------------------------------9
4.1.2物料计算--------------------------------------------------------11
4.2能量衡算-------------------------------------------------------------------17
4.2.1水冷器能量衡算-----------------------------------------------17
4.2.2氨分离器能量计算-------------------------------------------17
4.2.3循环机出口能量计算----------------------------------------18
4.2.4油过滤器能量衡算-------------------------------------------19
4.2.5冷凝塔热量计算-----------------------------------------------19
4.2.6氨蒸发器热量计算-------------------------------------------20
4.2.7废热回收器能量计算----------------------------------------23
4.3设备计算和选用---------------------------------------------------------23
4.3.1废热回收器工艺计算----------------------------------------23
4.3.2水冷器的工艺计算-------------------------------------------29
4.3.3冷凝塔的工艺计算-------------------------------------------33
4.3.4氨蒸发器工艺计算--------------------------------------------38参考文献------------------------------------------------------------------------------42结束语----------------------------------------------------------------------------------43
前言
合成氨工业是基础化学工业之一，其产量居各种化工产品的首位。

以其为原料可制化肥、塑料、合成纤维、油漆、感光材料等产品。

作为生产氨的原料气CO和H2合成气，可进行综合利用，以联产甲醇及羰基合成甲酸、醋酸等一系列碳化工产品。

物尽其用，减少排放物对环境的污染，提高企业生产的经济效益，已成为当今合成氨工艺生产技术发展的方向。

国际上对氨的需求，随着人口的增长和对农作物增产的需求和环境绿化面积的扩大而不断增加。

第1章总论
1.1节设计依据与指导思想
1.1.1设计依据
本设计以北京化工大学下达的毕业设计任务书作为设计的依据，见毕业设计任务书。

1.1.2 指导思想
(1) 本设计力求做到技术先进，切合实际，经济核算，安全适用，在以上前提下提出的专业设计原则和设计标准，本设计积极采用国内的技术革新成果，努力开发新技术，贯彻工艺与设备共举的方针，加强了工艺流程与装备的配套开发设计。

整体贯彻“工厂布置一体化，专业生产露天化，建筑物轻型化，公用工程社会化，引用工程国产化”的“五化”设计原则。

(2) 氨合成工段的设计原则
①以节能为中心，采用有效地的节能措施，提高余热的回收利用率，
降低各项消耗，通过合成氨蒸汽自给提高经济效益。

②采用各项节能措施，力求技术先进，安全可靠，简单易行，用材省投资少。

③减少环境污染，加大环境力度。

④设计的流程必须符合工业生产的目的和要求，以确保生产出合格产品。

⑤充分利用原料，未反应物要从生产的产品中分离出来，回收并循
环使用副产物要加工成产品，并尽量减少废物的产生和排放。

1.2节 设计范围与技术要求
1.2.1设计范围
本设计是中小型合成氨厂氨合成工段的工艺设计，其中主要合成工艺设计和主要设备设计。

1.2.2生产规模
根据任务书，本设计采用年产6万吨的生产规模。

1.2.3原料动力消耗定额和消耗量 原料动力消耗定额和消耗量如表1.1
表1.1 原料动力消耗定额和消耗量表
1.3节 原理说明
1.3.1生产原理说明
氨合成反应的基本原理
氨合成反应的化学方程式为：32H +2N ≒23NH +Q
由反应式可以看出以下特点
⑴氨合成反应是可逆反应
⑵这是一个放热反应
⑶由三个分子的氢和一个分子的氮（共四个气体分子）合成得到二个分子的氨。

因此，氨合成反应是分子数减少的过程，也就是体积缩小的过程。

从平衡观点出发，温度愈底，压力愈高则反应愈趋向合成氨的方向移动，达到平衡时混合气体中的氨含量达到最大值。

1.3.2氨合成的机理
有固体触媒存在下，气体之间的反应可按次序分为七个步骤
a.氢和氮的绝大部分，自外表向催化剂的毛细口内部扩散，到达
内表面；
b.氢和氮（个别或同时）被催化剂表面（主要是内表面）的活
性吸附；
c.吸附后的气体，反应气体混合物氢和氮从气象主体扩散到铁催
化剂的外表；
d.在表面上起化学反应，生成一系列中间化合物后，形成吸附态
的氨；
e.氨从催化剂表面上的脱吸；
f.脱吸后的氨从毛细孔组织内部向外表面扩散；
g.氨从催化剂表面扩散到气体主体；
以上七步中，a和g为扩散过程，b和f是内扩散过程，c，d，e 总称化动力学过程。

第2章工艺流程的选择确定
2.1由氨合成的主要特点进行工艺流程的设计选择
因为氨的合成受化学平衡的限制，单程合成效率较低，所以分氨后未反应的气体必须返回合成塔，进行循环反应。

由于氨的合成过程是一个放热过程，反应后塔壁的温度会升高，为保护设备，实现能量的充分利用，原料气分主，副两条线进入合成塔，主线气体从热交换器换热后进入合成塔，副线气体直接进入合成塔，与主线气体混和后进行反应。

该流程具有以下特征
1.氨合成反应热未充分予以回收，利用副产蒸汽。

2.流程简单，设备投资低。

3.放空位置设在惰性气含量最高，氨含量较低处以减少氨和原料
损失。

4.新鲜气和循环气中油，水分及杂质可通过氨冷却器降温，从油
分离器中除去。

2.2催化剂的选用
近年来国产氨合成催化剂发展很快，小合成氨厂使用的氨催化剂绝大部分是国产系列，主要有A106，A110，A2
110-，
110-，A3
110-，A4
A201，A301等催化剂。

小型合成塔催化剂容积利用系数高，空速大，若采用小颗粒催化剂将使阻力增大。

一般情况下用3.3～7.4和7.4～7.6mm的颗粒为宜。

催化剂筐上层反应速度快，则上层可装小颗粒催化剂，下层反应速度减慢，
内扩影响小，宜装大颗粒催化剂。

本设计选用A2
110 型催化剂，在反应温度范围内活性大，易还原。

第3章化工工艺设计说明
3.1节生产工艺流程的说明
气体走向：由压缩机六段来的新鲜气和冷交二出（热出）出来的气体汇合一起进入卧式氨冷器管内被壳程液氨冷却降温，进入氨分，分离下的液氨去中间槽，分离后的气体进入冷交，由下沿冷交中心管上行至冷交上部换热器管内，与管外冷交热进气换热提高温度后，由上管口导出，去循环机提压，经循环油分分离油水后，分为三路;一路为系统近路去热交二次出口，另一路约30%循环气由合成塔上部进入塔内件与外筒环隙下行，升高温度，并降塔壁温度，由塔底出来，温度~90℃。

塔底出来的气一部分为f3冷激气进入径向混合器调节径向段温度，另一部分塔底出来的气与第三路70%的循环气汇合，与热交管内的热气进行热交换，提高温度~178℃从热交下部导出并分为四路：一路做f1冷激气调节二轴床层温度；二路做f2冷激气调节三轴床层温度；三路做f0冷激气由塔底经中心管进入塔上部，调节一轴床层零米温度；四路为塔二入主进气由塔下部进入下换热器管间再次提温后和f0冷激气混合，经中心管进入塔上部一床层反应。

气体经三轴反应后到径向段反应，再被管间的塔二入主进气降温~350℃出塔，进入废锅回收热量并副产蒸汽，出废锅~220℃的气体进热交管内加热入塔气体，自身温度降到约90℃从热交顶部导出（与系统近路气汇合）
去2台并联的水冷器降温到约35~40℃，再进入冷交上部换热器管间降温，到下部分离，分离下的液氨去中间槽;分离后的气体出冷交，少部分气体去H2回收装置，大部分进入氨冷形成循环。

3.2节生产设备选型说明
生产设备的选型要符合一定的技术经济指标和结构要求。

分别从两个不同方面进行说明。

3.2.1技术经济指标
所选设备应满足以下要求：
(1)设备的生产能力与流程设计的生产能力相适应，且具有高效性；
(2)设备的消耗系数愈低愈好；
(3)选取价格低廉，制造容易，结构简单的设备；
(4)选管理费用低的设备，以降低产品的成本
3.2.2设备结构的要求
设备在选择时也应满足一定的结构要求，在本设计中设备的结构要求如下：
(1)设备强度应符合化工设备规范要求；
(2)设备防腐性能好，使用年限长；
(3)设备密封性能好；
(4)便于操作和检修；
3.2.3设备布置与三废治理说明
(1)化工设备布置的一般原则。

①遵照生产工艺流程的自然顺序的原则，确保工艺流程路线最短；
②重型设备或易震动设备布局在地表层；
③经常联系的设备应尽量接近，便于操作；
④布局时应创造良好的工作环境，留给操作人员必要的操作空间和
安全距离；
⑤设备应尽量对称，相同或接近，应尽量集中；
⑥布置设备应尽量利用工艺特点，让物料自动压送，一般计量设备
布置在最高层主要设备及反应器等布置在中间层，贮槽设备在最
低层。

(2)三废治理说明
在生产中“三废”指废气、废液、废渣。

废气产生后，无毒气体可以放空，也可以采用回收措施回收有效成，对于有毒气体，必须把有毒成分转化为无害气体放空。

废液一般放入废液矿中，回收有用成分后排液。

废渣一般集中放置，统一处理。

第4章合成工序的工艺计算
4.1 节物料计算
4.1.1计算依据
(1)生产能力：冬季小时产量10t。

夏季小时产量9t。

(2)合成塔触媒量：5.1m3。

(3)夏季循环水温度：32℃
(4) 新鲜氢氮气组成如表4.1
表4.1 新鲜氢氮气组成表
组 成 2H 2N 4CH Ar 合计 ％
73．98
24.62
1.18
0.3
100
(5) 合成塔入口气：3NH y 为3.0%，4CH Ar y +为%5.15; (6) 合成塔出口气：3NH y 为15.7% (7) 新鲜气温度：C ︒35; (8) 合成操作压力：31Mpa 。

(9) 水冷却器的冷却水温为25℃; (10) 其他部位的温度压力，见流程图; (11) 热平衡计算以0℃为基准。

(12)
操作条件：
表4.2 操作条件
4.1.2物料衡算
物料衡算是以试差法进行几次试算，假定了合成塔进口气体成分和数量，进行物料平衡，仍有些误差，此误差都归纳入了溶解度内。

氨的生成以如下反应式进行： N 2+3H 2≒2NH 3+Q
生成1t 氨所需的H2、N2气体体积： （1000/7×22.4）×2＝2635Nm 3 (1) 1合成塔的物料平衡：
1t 氨的体积：1000/17×22.4＝1317.5Nm3 设：进合成塔的气体量为V 1Nm 3 出合成塔的气体量为 V 2Nm 3 随吹出气出系统的氨损为26.5 Nm 3 则：
113%13175265
015713175265
V V +⋅+⋅=⋅-⋅-⋅
0．03V 1+1317.5+26.5=0.157 V 1－0.157(1317.5+26.5)
V 1=12244 Nm 3
出塔气量V 2=12244－1317.5－26.5=10900 Nm 3 假设合成塔进口气体成分如下:
则出合成塔气体（也即水冷器入口气体）气体成分如下：
(2) 水冷器的物料平衡：
水冷器进口的物料即合成塔出口气体流量3V =10900 Nm 3，含
NH 315.7%。

水冷器出口气体流量为4V 、温度为t=36℃、表压
P=289kg/cm 2。

在此条件下，由拉尔逊·布拉德公式可求出水冷器出口饱和氨含量，
㏒NH 31099.544
t
3NH y =9.5%
水冷器中氨的冷凝量5
V
进出口的氨平衡：10900×15.7%= 3V + 4V ×9.5%
进出口的物料平衡：10900=4V +5
V
两式联立解得： 4V =10153 Nm 3 5
V =747 Nm 3
氨的质量流量为5G =566kg
由水冷器进口气成分推算出水冷器出口气成分为
溶解气：36℃各组分气体在液氨中的溶解度由表查得如下： H2：0.1163
3
Nm TNH ata N2：0.12853
3
Nm TNH ata CH4：0.24233
Nm TNH ata
Ar ：0.1643
3
Nm TNH ata
在水冷器液氨中溶解的气体量为： H2：11.2 Nm 3
N2：4.0 Nm 3
CH4：6.5 Nm 3 Ar ：0.8 Nm 3
合计：22.5 Nm 3 氨分离器后气体的组分与数量
(3)冷凝塔的物料平衡：
①设冷凝塔分离的液氨中液解的气体量也计入氨蒸发器中。

②冷凝塔和氨蒸发器分离液氨量为1000－566=434kg
溶解气：在-1.5℃各气体在液氨中溶解度由表查得：
H2：0.09513
3
Nm TNH ata
N2：0.1153
3
Nm TNH ata CH4：0.24433
Nm TNH ata
Ar ：0.14933
Nm TNH ata
溶解的气体量为： H2：8.10Nm 3
N2：3.39Nm 3
CH4：2.61 Ar ：0.5 Nm 3
共计：14.6 Nm 3 ③放空气量及放空气中的隋性气体含量 消耗定额为297733
Nm TNH 的新鲜气，理论上合成1吨氨需要
2635 Nm 3。

放空气量为x （不含氨），循环气中CH4＋Ar 含量为y 。

2977=2635＋26.5×2＋22.5＋14.6＋x x=251.9 Nm 3 含氨放空气量为6V =
259.1
10.095
=278.4 Nm 3
氨损278.4×9.5%=26.5 Nm 3
溶解CH4＋Ar含量为6.5+0.8+2.61+0.5=10.41 Nm3新鲜气中的CH4＋Ar含量为1.49%
由隋性气体平衡:2977×1.49%=278.4y+10.41
y=44.510.41
278.4
-
=12.2%
放空气成分
④冷凝塔物料平衡
冷凝塔进口气量
7
V=水冷氨分后气量－放空气量+新鲜气量
=10130.5－278.4+2977=12829.1 Nm3
冷凝塔进口气成分和数量：
冷凝塔出口气量
8
V：在冷凝塔出口气温度t=19℃,压力P=315ata(表)条件下饱和氨含量由拉尔逊·布拉德公式
㏒NH31099.544
t
-
求得冷凝塔出口气含氨量为5.7%
氨的冷凝量为9V
由进出口氨的平衡：12829.1×7.3%=9V +8V ×5.7%
由进出口物料平衡：12829。

1=9V +8V 两式联立解方程得: 8V =12611.4 Nm 3 9V =217.7 Nm 3 冷凝塔出口气的组成和量：
⑤氨蒸发器的物料平衡：
进口气成分和数量同冷凝塔出口气8V ，出口气量为10V
氨的冷凝量11V =8V －V 冷－V 溶
=12244 Nm 3 组成
4.2热量衡算
4.2.1水冷器的热平衡 (1)进入水冷器的热量： 气体带入的热1Q =
1090022.4×0~100Cp ×100=10900
22.4
×9.16×100 =446000kcal
氨的冷凝热 2Q =
747
17267.3815200022.4
⨯⨯= kcal (2)出水冷器的热量：
气体带出的热3Q =
10153
8.253613450022.4⨯⨯=kcal 液氨带出的热4Q =
747
1740.872320022.4
⨯⨯=kcal 冷却水带走的热Q 总=1Q +2Q －3Q －4Q =440300 kcal 冷却水温度从32℃升到39℃ 冷却水用量G=
t
Q Cp ∆=4403001000=63t/h 4.2.2氨分离器的热平衡
已知：气体温度36℃，含氨9.5%，液氨36℃，放空气量278.4 Nm 3 (1)进入氨分离器的热1Q =134500 出氨分离器的热2Q
放空气带走热2Q =
278.4
8.2536370022.4
⨯⨯=kcal 因为温度不变，即液氨带入热量与带出的热量相同 所以去循环机气体的热Q 总=1Q －2Q =130800kcal
4.2.3循环机出口带出的热
已知：循环机进口气量=10130.－278.=9852.1Nm 3 进口压力为2852kg cm 出口压力为3202
kg
cm
(1)循环机绝热指数的计算： 3002
kg
cm 40℃下的数据： 循环气成分
混合气体的绝热指数
1
11
i i x K K =--∑ 0.590.1930.0950.0940.028
1.45081 1.3891 1.03061 1.251 1.671
=
++++-----
=5.47219 解得K=1.183
(2)出口气体温度计算：
()11.18311.183
2132127336286K K
P T T P --⎛⎫
⎛⎫
==+ ⎪
⎪
⎝⎭
⎝⎭
出进 =314K=41℃
为考虑循环机有富裕，所以循环机出口温度采用46℃计算 循环机出口带出热量1Q =9852.1
8.254616700022.4
⨯⨯=kcal 4.2.4油过滤器热平衡
入热=出热
新鲜气温度为38℃，压力为3202
kg cm
，流量为2977 Nm 3
p C =7.3 kcal kgmol
1Q =
2977
7.3383680022.4
⨯⨯=kcal 循环气2Q =167000kcal Q 总=1Q +2Q =203800kcal 混合后气体的温度203800
44.259852.12977
8.03
22.4
t =
=+⨯℃
4.2.5冷凝塔热平衡： 冷气体升温吸收热
管间冷气带入热量（p C =7.82kcal
kgmol
）
1Q =
()12244
7.45 1.5610022.4
⨯⨯-=-kcal 管间冷气带出热量（p C =7.4kcal kgmol
）
2Q =
12244
7.45405022.4
t t ⨯⨯=
冷气吸热=4050t －(-6100t)=11150kcal 热气体冷却冷凝放热
带入热量：44℃气体带入热量1Q =203800kcal 氨冷凝热：19℃冷凝潜热为284.6kcal kg
2Q =
217.1
17284.64700022.4
⨯⨯=kcal 带出热：
气体带出热（p C =7.82kcal kgmol
）：
3Q =
12611.4
7.82198370022.4
⨯⨯=kcal 液氨带出热量： 4Q =
217.7
1721.25351022.4
⨯⨯=kcal 冷凝塔热平衡：
Q 总=1Q +2Q －3Q －4Q
=203800＋47000－83700－3510=163590kcal 冷气体温度升高等于热气体温度的降低： 4050t ＋6100－83700－3510=163590kcal t=38.9℃
4.2.6氨蒸发器的热平衡：
带入热：
气体带入热量1Q =83700 kcal 液氨带入热2Q =3510 kcal 液氨冷凝热=81000 kcal 4Q
带出热量：
-1.5℃气体带出热量4Q =－6100 kcal
-1.5℃液氨出热量5Q =434×（-1.66）=-720 kcal 氨蒸发器的冷负荷：
Q 总= 1Q ＋2Q ＋3Q -Q 4-Q 5
=83700+3510+81000-(-6100)-(-720) =175030kcal 考虑5%冷损失
总的氨冷负荷Q 总=Q 总+Q 冷 =Q 总(1+0.05) =175030×1.05 =183800kcal 冰机负荷 按夏天氨产9T/时计 冰机负荷Q =183800×9 =1650000kcal/h 4.2.7合成塔热平衡
带入热
气体带入热量1Q =157490 kcal （见冷凝塔热平衡） 反应热
生成氨量 =1317.5+26.5 =1344NM 3 △h=13200kcal/kg-mol （见[1]）
2Q =
1344
1320079000022.4
kcal ⨯=
带出热量
气体出塔带走热
3
Q=446000kcal（见水冷器热平衡）热损失：按出入换热器的5%计
合成塔需移去热量Q
总=（Q Q
入-出）（1－0.05）
=（
1
Q＋
2
Q－
3
Q）（1－0.05）
=（157490+790000-446000）×0.95 =476000kcal
废热回收器热平衡
(1) 废热回收的移走热量Q=476000kcal
带入热量
①高压气体带入的热量
1
Q
②脱O2软水带入热，化学软水量为XKg脱氧水温度为104C0饱和
水的焓104.13 kcal/Kg见<4>13Kg/CM2<绝>蒸汽热焓665.6kcal/Kg见<4>16-78
Q2=104xkcal
(2) 出热<1>高压气体带出热Q3
假定:排污量为30
0,
热损为高压气移走热的300,13Kg/CM2190.7C O 沸腾水的焓为
193.6 kcal/Kg见<4>16-78则蒸汽带出的热量为
4
Q=0.97(665.6)X
排污水带出的热量为Q5=0.03(193.6)X
=5.81X
①出入热平衡
按300热量考虑
(13Q Q -)⨯0.97+104.13X=646X+5.81X 0.97Q=(646+5.81-104.13)X 实际废热回收的移走热Q=476000⨯0.97 =462000 kcal
化学软水量X=462000/646+5.81-104.13=462000/547.68=844Kg 蒸汽量844⨯0.97=818 Kg
因考虑全厂蒸汽平衡，按720 Kg/TNH 3蒸汽量考虑
参考文献
１．合成计算图表
２．石油化工设计参考资料(二)
３．活塞式压缩机设计
４．化工工艺设计手册
５．化工过程及设备（上册）
６．拉莫著换热器
７．化工设计增刊（三）
８．石油化工技术参考资料《热交换器设计》（上册）９．年产８万吨合成氨复用设计合成部分工艺计算书
总结。