四川理工学院毕业设计1(2)

四川理工学院毕业设计 绪论

第一部分 绪论

1.1氨的性质及其在化工生产中的地位

合成氨的化学名称为氨，氮含量为82.3%。氨是一种无色具有强烈刺激性、催泪性和特殊臭气的无色气体，比空气轻，密度1.429g/L，熔点－77.7℃；沸点－33.4℃。标准状况下，1米3气氨重0.771公斤；1米3液氨重638.6公斤。极易溶于水，常温（20℃）常压下，一个体积的水能溶解700个体积的氨；标准状况下，一个体积水能溶解1300个体积的氨氨的水溶液称为氨水，呈强碱性。因此，用水喷淋处理跑氨事故，能收到较好的效果, 氨在常温常压下为具有特殊性恶臭的无色有毒气体，比空气轻。氨在常温下稳定，但是在高温下可分解成氢和氮。一般在一个大气压下450-500℃时分解，如果有铁、镍等催化剂存在，可在300℃时分解。

氨与酸或酸酐可以直接作用，生成各种铵盐；氨与二氧化碳作用可生成氨基甲铵，脱水成尿素；在铂催化剂存在的条件下，氨与氧作用生成一氧化氮，一氧化氮继续氧化并与水作用，便能得到硝酸。氨在高温下(800℃以上)分解成氮和氢；

氨具有易燃易爆和有毒的性质。氨的自燃点为630℃，氨在氧中易燃烧，燃烧时生成蓝色火焰。氨与空气或氧按一定比例混合后，遇明火能引起爆炸。常温下氨在空气中的爆炸范围为15.5～28％，在氧气中为13.5～82％。液氨或干燥的气氨，对大部分物质没有腐蚀性，但在有水的条件下，对铜、银、锌等有腐蚀作用[12]。

氨是最为重要的基础化工产品之一，其产量居各种化工产品的首位; 同时也是能源消耗的大户，世界上大约有10 %的能源用于生产合成氨。氨主要用于农业,合成氨是氮肥工业的基础，氨本身是重要的氮素肥料，其他氮素肥料也大多是先合成氨、再加工成尿素或各种铵盐肥料，这部分约占70 %的比例，称之为“化肥氨”；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、制药、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”[10]。

1.2 合成氨的发展历程

世界合成氨技术的发展经历了传统型蒸汽转化制氨工艺、低能耗制氨工艺、装置单系列产量最大化三个阶段。根据合成氨技术发展的情况分析, 未来合成氨的基本生产原理将不会出现原则性的改变, 其技术发展将会继续紧密围绕“降低生产成本、提高运行周期, 改善经济性”的基本目标, 进一步集中在“大型化、低能耗、结构调整、清洁生产、长周期运行”等方面进行技术的研究开

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发。

据英国FERTECON公司预测,未来4年世界合成氨产量将以3.5%/年增速继续增长。而中国的氨主要用于生产氮肥和尿素，2001年氮肥生产量比2000年氮肥生产量成长5.4%。2001年尿素产量比2000年尿素生产量成长3.1%。目前中国大陆合成氨生产基本上已满足氮肥工业的需要，今后氮肥工业的发展重点是调整产品结构，对合成氨的需求将缓慢成长。

中国现有合成氨生产企业 522个，2008年合成氨总产能约5700万吨，中 国的商品液氨很少，主要用于生产肥料，非肥料需求不到10%，用于浓硝酸、己内酰胺、丙烯腈等。

合成氨的发展，以原料构成的变化可分为以固体燃料为原料生产合成氨和以气体燃料或液体燃料为原料生产合成氨两个阶段。20世纪50年代以前，氨合成塔的最大能力为日常200t氨，到1963年和1966年相继建成日产544.31t和907.19t的氨厂，实现了单系列合成氨装置的大型化，这是合成氨工业发展史上第一次突破。大型化的优点是投资费用低，能量利用率高，占地少，劳动生产率高[14]。

1.3技术规格

1.3.1原材料技术规格

表1.1 原材料技术规格

序号

名称

规格

成分 氢气 氮气

1

精练气

氨气 甲烷 氩气

百分含量（摩尔）

74.70 24.31 0 0.71 0.28

备注

1.3.2产品技术规格

表1.2 液氨产品技术规格

序号 1 2

名称 液氨 液氨

等级 一级品 二级品

组分 氨 水和油 氨 水和油

规格

含量 ＞99.8 ＜0.2 ＞99.5 ＜0.5 - 2 -

国家标准 GB356-65 GB356-65

备注

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表1.3 氨水产品技术规格

规格

序号

名称

等级 一级品

1

农业用氨水

二级品 三级品 一级品

2

工业用氨水

组分 氨 氨 氨 氨 残渣

二级品 三级品

氨 残渣 氨

含量 ＞20 ＞18 ＞15 ＞25 ＜0.3 ＞20 ＜0.3 ＞20

部标 HGI-88-64

部标 HGI-88-64

标准

备注

1.3.3危险性物料主要物性表

表1.4危险性物料主要物性

序号 1 2 3

名称 氨气 氢气

分子量 17.03 2.016

熔点

沸点

闪点

燃点

空气中爆炸极限（％） 上限 下限 27.4 74.2 15.0

15.7 4.1 5.0

国家标准 乙 甲 甲

备注

（℃） （℃） （℃） （℃） -77.7 -259.8 -184

-33.5 -252.8 -161.5

651.22 - -190

630 400 650

甲烷 16.043

1.4 合成原理

（1）合成反应方程式：

高温、高压、催化剂N2?3H2????????2NH3

反应的特点：可逆反应、正反应放热、正反应是气体体积减小的可逆反应。 反应趋近于平衡时的限度取决于化学平衡常数。化学平衡常数可用下式表示：

p*Kp=*0.5NH3(pN2) （*1.5H2）

在低压与高压状态下影响平衡常数的因素是不同的。在低压下，反应物系可以看作理想气体，平衡常数仅与温度有关。高压下的平衡常数不仅与温度有关，而且与气体组成及压力有关。

在工业生产中主要考虑经济效应与社会效应，基本要求单位时间内产量高、 原料利用率高。需要将生成的氨及时分离出来，并不断向体系中补充原料以增加反应物浓度，使平衡向合成氨的方向进行[14]。

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1.5 工艺条件

氨合成反应与其他可逆放热反应一样，氨合成反应存在着最佳温度Tm，它取决于反应气体的组成，压力以及所用催化剂的活性。

Tm与平衡温度Te及正可逆反应的活化能E1，E2的关系为

Te Tm=RTeE21+lnE2-E1E1压力改变时，最佳温度亦相应变化，气体组成一定，压力越高，平衡温度与最佳温度越高。

从化学平衡和化学反应速率的角度看，提高操作压力是有利的。生产上选择操作压力的主要依据是能量消耗以及包括能量消耗，原料费用，设备投资在内的所谓综合费用，也就是说主要取决于技术经济效果。能量消耗主要包括原料气压缩功，循环气压缩功和氨分离的冷冻功。通常原料气和设备的费用对过程的经济指标影响较大，在10～35Mpa范围内，压力提高，综合费用下降，主要原因是低压下操作设备投资与原料气消耗均增加。对于不同的流程来说，低于20Mpa时，三级冷凝流程的综合费用较低；20～28.5Mpa时，二级冷凝流程的综合费用也较低；更高压力时采用一级冷凝的流程综合费用最低。

总的说来，将压力从10Mpa提高到35Mpa时，综合费用可下降40%左右，继续提高压力效果不显著。

精制后的氢氮混合气是在高温，高压并有催化剂存在的条件下进行氨合成反应的。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。小型合成氨厂是采用低压法和中压法二种。其合成压力分别为15～20MPa和32Mpa[14]。

1.6 工艺流程

1.6.1氨合成工序流程图

合成塔废热锅炉热交换器水冷器油分离器循环机冷交换器氨分离器氨冷器122232425精炼气13 放空气20 驰放气液氨储槽6272829210211212214217218合成气15216219220 液氨图 1-1 物料衡算流程图

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1.6.2流程简述：

气体从冷交换器出口分二路、一路作为近路、一路进入合成塔一次入口，气体沿内件与外筒环隙向下冷却塔壁后从一次出口出塔，出塔后与合成塔近路的冷气体混合，进入气气换热器冷气入口，通过管间并与壳内热气体换热。升温后从冷气出口出来分五路进入合成塔、其中三路作为冷激线分别调节合成塔。二、三、四层(触媒)温度，一路作为塔底副线调节一层温度，另一路为二入主线气体，通过下部换热器管间与反应后的热气体换热、预热后沿中心管进入触媒层顶端，经过四层触媒的反应后进入下部换热器管内，从二次出口出塔、出塔后进入废热锅炉进口，在废热锅炉中副产25MPa 蒸气送去管网，从废热锅炉出来后分成二股，一股进入气气换热器管内与管间的冷气体换热，另一股气体进入锅炉给水预热器在管内与管间的脱盐，脱氧水换热，换热后与气气换热器出口气体会合，一起进入水冷器。在水冷器内管被管外的循环水冷却后出水冷器，进入氨分离器，部分液氨被分离出来，气体出氨分离器，进入透平循环机入口，经加压后进入循环气滤油器出来后进入冷交换器热气进口。在冷交换器管内被管间的冷气体换热，冷却后出冷交换器与压缩送来经过新鲜气滤油器的 新鲜气氢气、氮气会合进入氨冷器，被液氨蒸发冷凝到-5～-10℃，被冷凝的气体再次进入冷交，在冷交下部气液分离，液氨送往氨库气体与热气体换热后再 次出塔，进入合成塔再次循环[5]。

1.6.3工艺特点

本工段生产液氨，生产能力为9kt吨液氨/年，与传统流程相比较，具有节能低耗的特点，具体表现如下所述： （1）合成塔内件及催化剂的选择：

合成塔内件：

本次氨合成工艺选用YD型氨合成塔内件，YD型氨合成内件事四层绝热冷激式氨合成塔，相比鸿化公司氨合成厂原使用的合成塔内件并流三套管型内件，其装填催化剂的体积要多了将近20%，在不改变原有条件下，催化剂的增加就意味着生产能力的提高。另外，YD型塔有多层绝热，全冷激式，对气体净化度要求高，结构简单等特点。

催化剂的选择：

第一床层选用A201催化剂，因为该型号的催化剂含钴，其低温活性好，氨净值高，但价格昂贵，因此只用在第一床层，其进口温度为360oC，选用此型号催化剂更能发挥作用。

以下各层都选用A110催化剂，其适用温度为380-500oC，价格较低，活性

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