合成氨厂设计

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（三）设备选型
选型原则： 满足工艺要求 设备成熟可靠 尽量采用国产设备
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1.活塞式压缩机
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2.列管式换热器
20
3.二段转化炉
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4.轴向冷激式氨合成塔
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（四）化工计算
化工计算是运用数学、物理和化学等基 础知识研究化工过程中物料和能量的相互 关系，是化工过程的基本计算，也是工艺 设计的核心。 化工计算包括工艺设计中的物料衡算、 能量衡算和设备选型及计算。
40
H2平衡 2996.4977+435.2038×2+（3311.1548+0.1y） =nH2+2×0.005V+（3311.1548+0.1y-n′H2O） 化简为 3866.9053=nH2+0.01V- n′H2O （2） O2平衡 ×440.3472+458.0490+×（3311.1548+0.1y） +0.21y=nCO2+nCO+(3311.1548+0.1y-n′H2O) 化简为 1356.4452=nCO+2nCO2-0.42y-n′H2O （3） 进出二段炉总物料守衡 V=nCO+nCO2+nH2+nN2+nAr+nCH4 代值化简为 0.005V=nCO+nCO2+nH2+21.94+0.79y （4） 设出口条件下CO变换反应达到平衡则在1003℃下 0.566135 （5）
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由（1）×2-（3）可得 nCO=2667.2-0.2Vn′H2O （10） 将（7）代入（10）得 nCO=2667.2-0.2V1.2V+3866 化简为 nCO=6533.2-1.4V （11） 出口转化气中水蒸气量 nH2O=4667.6- n′H2O=4667.6+3866-1.2V
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1.转化段物料衡算
原料气（入加氢转化器天然气）组成如下表：
组 分 CH4 C2 H6 C3H8 C4H10
C5H12 N2 ∑干
mol（干）％ 89．00 5．00 4.00 1.00
0.80 0.20 100.00
kmol/h 996.80 56.00 44.80 11.20
8.96 2.24 1120．00
化工设计
——424合成氨厂
设计组成员： 高 鹏（资料搜集、PPT制作） 周星法（平面设计图、部分设备图） 王有坤（化工计算） 张中锋（工艺图、部分设备图）
1
工厂设计包含的内容
基本建设程序与设计文件 厂址选择与平面设计 工艺设计 化工计算 设备选型 车间及管道布置 工程预算 安全防护与环境保护
2
总述
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（二）工艺流程设计
工艺流程的设计要遵循以下原则： 安全性：工艺中不得存在安全隐患 先进性：技术上的先进和经济上的合理 可靠性：不能把不成熟的技术应用到工厂 设计中 因地制宜
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1.氮气造气工艺流程
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分离氮气是根据变压吸附原理，采用 高品质的碳分子筛作为吸附剂，在一定的 压力下，从空气中制取氮气。经过纯化干 燥的压缩空气，在吸附器中进行加压吸附、 减压脱附。由于空气动力学效应，氧在碳 分子筛微孔中扩散速率远大于氮，氧被碳 分子筛优先吸附，氮在气相中被富集起来， 形成成品氮气。
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O2平衡 0.5×4667.6=×(4667.6-n′H2O )+nCO +nCO2 化简为 2nCO2+nCO -n′H2O =0 （3） 出口总干气量： V=nCO2+nCO+nH2+nN2+nAr+nCH4 =nCO2+nCO+nH2 +21.74+0.2+0.1V 化简为 V=nCO2+nCO+nH2 +0.1V+21.94 （4）
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设一段转化炉出口CO、CO2、H2的含量分别为 nCO、nCO2和nH2，干转化气总量为V kmol/h,转 化消耗水蒸汽量为n′H2O kmol/h。 列元素平衡式 C平衡 1333.6=nCO + nCO2 +0.1V （1） H2 平衡 58.3+997.6×2+56×3+44.8×4+11.2×5+8.96×6+46 67.6 = nH2 +2×0.1V+(4667.6-n′H2O ) 化简为 2510.46= nH2+0.2V -n′H2O （2）
CO
CO2 H2
809.9941
492.4522 3505.0608
-23959
-90454.66 2416.42
-18.9945×106
-186.4637×106 35.4542×106
CH4
N2 Ar 干气
31.2439
1391.9528 17.7668 6248.4706
-14165.80
2440.30 1719.16
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2.换热器101-C、102-C的热量衡算
设计数据依据： 换热器101-C出口温度：482℃ 换热器102-C出口温度：371℃ a、换热器101-C的热量衡算 换热器101-C入口统一基准焓（1003℃）为： H1003℃ = -877.9290×106 kJ／h
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换热器101-C出口气体统一基准焓（482℃）如下表：
组 分 CH4 C2H6 mol（干）％ 83.2165 4.6713 kmol/h 997.6 56
C3H8 C4H10
C5H12 N2 H2 Ar 合 计
3.7371 0.9343
0.7474 1.8134 4.8632 0.0167 100.00
44.8 11.2
8.96 21.74 58.3 0.2 1198.8
31．2439
1391.9528 17.7668 6248.4706 3764.0715 10012.5421
-12628.92
3259.72 2269.72
-1.6517×106
18.9935×106 0.1688×106 -197.7653×106
-53891.24
-849.1321×106 -1046.8974×106
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土地资源优势：基地处于丘陵地带，地形 平坦，地势开阔，利于建厂。 电力优势：2004年宁夏电网调装机容量达 366万千瓦，且基地规划建设的八大电网将 成为千万千瓦级火电基地。 政策优势：国家实施重点支持西部大开发 的整治措施，为工厂的发展提供了强有力 的支持。
7
2.工厂平面设计
总平面布置原则：
合成氨工业以廉价的方式大规模的生产了 氨气，为工业、农业提供了稳定而充足的氨以 及非游离氮的来源，对于人类现代化有不可估 量的贡献 。 我们的合成氨厂计划年产30万吨，以天然 气为原料，通过二段转化法获得氢气，分离空 气获得氮气，在适当的条件下氮气与氢气化合 得到氨气。
3
（一）厂址选择与工厂平面设计
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101-C换热器承载的热负荷为 Q1=H482℃-H1003℃ = -1046.8974×106 -（-877.9290×106） = -168.9684×106 kJ／h b、换热器102-C的热量衡算
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换热器102-C出口气体统一基准焓（371℃）如下表：
组 分 ni kmol/h Hi kcal／kmol niHi kJ／h
组 分 CO ni kmol/h 809.9941 Hi kcal／kmol -23130.08 niHi kJ／h -78.4257×106
CO2
H2
492.4522
3505.0608
-89143.72
3197.28
-183.7613×106
46.9111×106
CH4
N2 Ar 干气 H2O 合计
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3.合成氨工艺流程
15
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升高温度、增大压强和使用催化剂有利 于加快该反应速度，而增大压强、降低温度 有利于平衡向合成氨方向移动。在生产中， 氨的合成以铁触媒为催化剂，压强控制在 20~50MPa之间，温度控制在500℃左右。通 过冷凝将氨气从合成塔分离出来以促进氨的 合成；并将为反映的氢气和氮气用循环压缩 机重新送入合成塔反应，以提高原料利用率。
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3.一段转化炉的物料衡算
计算数据依据： 水碳比R=3.50 一段炉出口甲烷含量设计为10％ 一段转化炉出口温度：822℃ 一段转化炉出口压力：30.9Kg/cm3（表压） 物料衡算： 总碳流量：∑C=997.6+56×2+44.8×3+11.2×4+8.96×5 =1333.6kmol/h 水碳比：R=3.50 故加入水蒸汽量：nH2O=3.50×1333.6 =4667.6kmol/h
kg/h 15948.80 1680．00 1971.20 649.60
645.12 62.72 20957.44
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பைடு நூலகம்环氢气组成如下表：
组 分
N2 H2 Ar CH4
kmol/h
19.50 58.30 0.20 0.80
kg/h
545 117 9 13
合 计
78．80
684
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出加氢器气体组成如下表：
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一段转化炉进行的主要反应为： CH4+H2O(g) → CO+3H2 CO+H2O(g) → CO2+H2 查[2]知，在t=822℃时，kpco=0.94135 （4）-（1）得 nH2=V-1355.54 （6） （6）-（2）得 n′H2O=1.2V-3866 （7）
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故化简 nH2O=4363.5107-（1.19V1-3730.945） 得nH2O=8094.4557-1.19V （8） （3）-（1）得 nCO2= n′H2O+0.1V-1333.6 将（7）代入上式，可化简为 nCO2=1.3V-5199.6 （9）
12
2.氢气造气工艺流程
13
天然气中通常含有硫化氢，需要先脱硫 以便保护催化剂。然后在一段转化炉中甲 烷与水蒸气反应，生成氢气、一氧化碳， 并会残留10%甲烷。接着一段转化气进入二 段转化炉，并鼓入空气，继续甲烷的转换。 接下起来通过高低温变化将一氧化碳的含 量降低到0.3%左右。至此，可以获得反应 需要的氢气与氮气混合物。
21.7400
0.2000 4352.0377 3311.1548 7663.1925
0.4995
0.0046 100.0000
608.7200
8.0000 46056.7794 59600.7720 105657.5514
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2 二段转化炉的物料衡算 设计数据依据： 空气组成：N2：78%；O2：21%；Ar：1%； 补加蒸汽量为加入空气量的10%； 出口甲烷含量：0.5%； 出口压力：3.00Mpa； 出口温度：1003℃。 列元素平衡关系式（各未知数表示与一段转化炉相同）得： C平衡 440.3472+458.0490+435.2038=nCO+nCO2 +0.005V 化简为 1333.6=nCO+nCO2 +0.005V （1）
-1.8527×106
14.2189×106 0.1279×106 -219.7537×106
H2O 合计
3764.0715 10012.5421
-54893.52
-864.9244×106 -1084.6781×106
30
102-C换热器承载的热负荷为 Q2 = H371℃- H482℃ =-1084.6781×106-（-1046.8974×106） = -37.7807×106 kJ／h
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可化简为 nH2O=8533.6-1.2V （12） 将 （6）（8）（9）（10）带入 （5）得 =0.94135 解之得 V=4352.0377 kmol/h nH2=2996.4977 kmol/h nCO=440.3472 kmol/h nCO2=458.0490 kmol/h nCH4=435.2038 kmol/h nH2O=3311.1548 kmol/h 故一段转化炉出口总湿气量为： ∑n湿气= V1 + nH2O =4241.0127+3047.6506=7288.6633kmol/h 下表所示一段出化炉的物料组成
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组 分
CO
kmol/h
440.3472
mol（干）％
10.1182
kg/h
12329.7216
CO2
H2 CH4
458.0490
2996.4977 435.2038
10.5249
68.8528 10.0000
20154.1560
5992.9954 6963.2608
N2
Ar 干气 H2O 合计
厂址选择的一般原则： 遵守国家法律、法规
因地制宜、节约用地，尽量不占或少占耕 地和林地 注意资源的合理开发利用，节约能源和劳 动力，注意生态环境的保护 有利生产，方便生活，便于施工
4
1.厂址选择： 宁夏灵武市宁东能源 重化工基地
5
该地的优势：
天然气资源优势：该基地临近陕甘宁天然气田， 一期输气管线已建成。 水资源优势：该基地位于黄河东畔，2005年已 建成宁东供水工程。 交通优势：银川-青岛高速公路和307国道横贯 基地，大古铁路连接包兰、宝中与京包、陇海 线相连，银川河东机场距基地中心仅30公里。
满足工艺要求，尽可能保证生产线连续、 短捷和方便 充分利用场地条件，因地制宜，紧凑布局
注意防火等安全要求，各主要建筑与主干 道要有连接通道 注意与区域整体规划相协调
8
生产车间设计成“T”字形，达到线性目的而又避 免形成一长条 办公楼、食堂等厂前区布置在生产区边缘，且位 于上风向位置 辅助消防车间靠近氢气造气车间，符合安全要求 各主要建筑与主干道之间留有通道，路面宽度满 足消防车辆顺利通过 绿化布置不影响生产生活的要求，并在生产区与 厂前区之间设置了绿化隔离带