年产30万吨合成氨课程设计..doc
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年产30万吨合成氨课程设计..doc
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年产30万吨合成氨
课程设计
目录
1概述 2
1.1设计题目 2
1.2设计具体内容范围及设计阶段 2
1.3设计的产品的性能、用途及市场需要 2
1.4设计任务的依据 3
1.5产品方案 4
2技术分析 4
2.1合成氨反应的特点 4
2.2合成氨反应的动力学 4
2.2.1反应机理 4
2.3氨合成工艺的选择 5
2.4系统循环结构 5
2.5分离工艺 6
3生产流程简述 6
4工艺计算 7
4.1原始条件 7
4.2物料衡算 8
4.3热量衡算 16
5主要设备选型 24
5.1废热锅炉设备工艺计算 24
5.2主要设备选型汇总表 26
5.3主要设备图 27
6设计心得 29
参考文献 30
30
1.概述
1.1设计题目:
年产30万吨合成氨合成工段设计
1.2设计具体内容范围及设计阶段
本次设计的内容为合成氨合成工段的设计,具体包括以下几个设计阶段:
1.进行方案设计,确定生产方法和生产工艺流程。
2.进行化工计算,包括物料衡算、能量衡算以及设备选型和计算。
3.绘制带控制点的工艺流程图。
4.进行车间布置设计,并绘制设备平立面布置图。
5.进行管路配置设计,并绘制管路布置图。
6.撰写课程设计报告。
1.3设计的产品的性能、用途及市场需要
(1)氨的物化性能
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,相对密度0.596,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600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。
(2)氨的用途
氨是基本化工产品之一,用途很广。
化肥是农业的主要肥料,而其中的氮肥又是农业上应用最广泛的一种化学肥料,其生产规模、技术装备水平、产品数量,都居于化肥工业之首,在国民经济中占有极其重要的地位。
各种氮肥生产是以合成氨为主要原料的,因此,合成氨工业的发展标志着氮肥工业的水平。
以氨为主要原料可以制造尿素、硝酸铵、碳酸氢铵、硫酸铵、氯化铵等氮素肥料。
还可以将氨加工制成各种含氮复合肥料。
此外,液氨本身就是一种高效氮素肥料,可以直接施用,一些国家已大量使用液氨。
可见,合成氨工业是氮肥工业的基础,对农业增产起着重要的作用。
氨也是重要的工业原料,广泛用于制药、炼油、纯碱、合成纤维、合成树脂、含氮无机盐等工业部门。
将氨氧化可以制成硝酸,而硝酸又是生产炸药、染料等产品的重要原料。
现代国防工业和尖端技术也都与氨合成工业有密切关系,如生产火箭的推进剂和氧化剂,同样也离不开氨。
此外,氨还是常用的冷冻剂。
合成氨工业的迅速发展,也促进和带动了许多科学技术部门的发展,如高压技术、低温技术、催化技术、特殊金属材料、固体燃料气化、烃类燃料的合理利用等。
同时,尿素和甲醇的合成、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。
(3)市场需要
据资料统计:
1997年世界合成氨年产量达103.9Mt。
预计2000年产量将达111.8Mt。
其化肥用氨分别占氨产量的81.7%和82.6%。
我国1996年合成氨产量已达30.64Mt,专家预测2000年将达36Mt,2020年将增加至45Mt。
即今后20年间将增加到现在的1.5倍。
因而合成氨的持续健康发展还有相当长的路要走。
未来我国合成氨氮肥的实物产量将会超过石油和钢铁。
合成氨工业在国民经济中举足轻重。
农业生产,“有收无收在于水,收多收少在于肥”。
所以,合成氨工业是农业的基础。
它的发展将对国民经济的发展产生重大影响。
因此,我国现有众多的化肥生产装置应成为改造扩建增产的基础。
我国七十至九十年代先后重复引进30多套大化肥装置,耗费巨额资金,在提高了化肥生产技术水平的同时,也受到国外的制约。
今后应利用国内开发和消化吸收引进的工艺技术,自力更生,立足国内,走出一条具有中国特色的社会主义民族工业的发展道路。
过去引进建设一套大型化肥装置,耗资数十亿元。
当今走老厂改造扩建的道路,可使投资节省1/2—2/3。
节省的巨额资金,用作农田水利建设和农产品深加工,将在加速农村经济发展,提高农民生活水平,缩小城乡差距起着重要用。
1.4设计任务的依据
设计任务书是项目设计的目的和依据:
产量:
300kt/a液氨
放空气(惰性气Ar+CH4):
17%
原料:
新鲜补充气N224.2%,H275.1%,CH40.7%
合成塔进出口氨含量:
2.5%,13.2%
合成塔入口惰性气含量:
(惰性气Ar+CH4)~17%
年工作日330d
计算基准生产300000t氨
1.5产品方案
产品的名称:
氨(NH3);
产品的质量规格:
氨含量≥99.9%(wt%);
产品的规模:
30kt/a液氨;
产品的包装方式:
氨为高压低温液体,合成后直接送到下一工段作为原料继续生产,多余部分设立氨储槽储存起来。
2技术分析
2.1合成氨反应的特点
0.5N2+1.5H2==NH3ΔHθ=-46.22kJ·mol-1
(1)是可逆反应。
即在氢气和氮气反应生成氨的同时,氨也分解成氢气和氮气。
(2)是放热反应。
在生成氨的同时放出热量,反应热与温度、压力有关。
(3)是体积缩小的反应。
(4)反应需要有催化剂才能较快的进行。
2.2合成氨反应的动力学
动力学过程氨合成为气固相催化反应,它的宏观动力学过程包括以下几个步骤:
a.混合气体向催化剂表面扩散(外,内扩散过程);
b.氢,氮气在催化剂表面被吸附,吸附的氮和氢发生反应,生成的氨从催化剂表面解吸(表面反应过程);
c.氨从催化剂表面向气体主流体扩散(内,外扩散过程)。
对整个气固相催化反应过程,是表面反应控制还是扩散控制,取决于实际操作条件。
低温时可能是动力学控制,高温时可能是内扩散控制;
大颗粒的催化剂内扩散路径长,小颗粒的路径短,所以在同样温度下大颗粒可能是内扩散控制,小颗粒可能是化学动力学控制。
2.2.1反应机理
氮、氢气在催化剂表面反应过程的机理,可表示为:
N2(g)+Cate—→2N(Cate)
H2(g)+Cate—→2H(Cate)
N(Cate)+H(Cate)—→NH(Cate)
NH(Cate)+H(Cate)—→NH2(Cate)
NH2(Cate)+H(Cate)—→NH3(Cate)
NH3(Cate)—→NH3(g)+(Cate)
实验结果证明,N2活性吸附是最慢的一步,即为表面反应过程的控制步骤。
2.3氨合成工艺的选择
考虑氨合成工段的工艺和设备问题时,必须遵循三个原则:
一是有利于氨的合成和分离;二是有利于保护催化剂,尽量延长使用寿命;三是有利于余热回收降低能耗。
氨合成工艺选择主要考虑合成压力、合成塔结构型式及热回收方法。
氨合成压力高对合成反应有利,但能耗高。
中压法技术比较成熟,经济性比较好,在15~30Pa的范围内,功耗的差别是不大的,因此世界上采用此法的很多。
一般中小氮肥厂多为32MPa,大型厂压力较低,为10~20MPa。
由于近来低温氨催化剂的出现,可使合成压力降低。
合成反应热回收是必需的,是节能的主要方式之一。
除尽可能提高热回收率,多产蒸汽外,应考虑提高回收热的位能,即提高回收蒸汽的压力及过热度。
高压过热蒸汽的价值较高,当然投资要多,根据整体流程统一考虑。
本次设计选用中压法(压力为32MPa)合成氨流程,采用预热反应前的氢氮混合气和副产蒸汽的方法回收反应热,塔型选择见设备选型部分。
2.4系统循环结构
氢氮混合气经过氨合成塔以后,只有一小部分合成为氨。
分离氨后剩余的氢氮气,除为降低惰性气体含量而少量放空以外,与新鲜原料气混合后,重新返回合成塔,再进行氨的合成,从而构成了循环法生产流程。
由于气体在设备、管道中流动时,产生了压力损失。
为补偿这一损失,流程中必须设置循环压缩机。
循环机进出口压差约为20~30大气压,它表示了整个循环系统阻力降的大小。
2.5分离工艺
进入氨合成塔催化层的氢氮混合气,只有少部分起反应生成氨,合成塔出口气体氨含量一般为10~20%,因此需要将氨分离出来。
氨分离的方法有两种,一是水吸法,二是冷凝法,将合成气体降温,使其中的氨气冷凝成液氨,然后在氨分离器中,从不凝气体中分离出来。
目前工业上主要采用冷凝法分离循环气中的氨。
以水和氨冷却气体的过程是在水冷器和氨冷器中进行的。
在水冷器和氨冷器之后设置氨分离器,把冷凝下来的液氨从气相中分离出来,经减压后送至液氨贮槽。
在氨冷凝过程,部分氢氮气及惰性气体溶解在液氨中。
当液氨在贮槽内减压后,溶解的气体大部分释放出来,通常成为“贮罐气”。
3生产流程简述
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[2]。
合成塔
水冷器
热交换器
废热锅炉
放空
油分离器
循环机
冷交换器
氨分离器
新鲜气
弛放
液氨储槽
氨冷器
图3-1工艺流程图
4工艺计算
4.1原始条件
(1)年产
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