年产五万吨合成氨合成工段工艺设计
目录
中文摘要 (1)
英文摘要 (2)
1 引言 (3)
1.1 氨的基本用途 (3)
1.2 合成氨技术的发展趋势 (4)
1.3 合成氨常见工艺方法 (5)
1.3.1 高压法 (5)
1.3.2 中压法 (5)
1.3.3 低压法 (5)
1.4 设计条件 (5)
1.5 物料流程示意图 (6)
2 物料衡算 (8)
2.1 合成塔入口气组成 (8)
2.2 合成塔出口气组成 (8)
2.3 合成率计算 (9)
2.4 氨分离器出口气液组成计算 (9)
2.5 冷交换器分离出的液体组成 (12)
2.6 液氨贮槽驰放气和液相组成的计算 (12)
2.7 液氨贮槽物料衡算 (14)
2.8 合成循环回路总物料衡算 (16)
3 能量衡算 (26)
3.1 合成塔能量衡算 (26)
3.2废热锅炉能量衡算 (28)
3.3 热交换器能量衡算 (29)
3.4 软水预热器能量衡算 (30)
3.5 水冷却器和氨分离器能量衡算 (31)
3.6 循环压缩机能量衡算 (33)
3.7 冷交换器与氨冷器能量衡算 (34)
3.8 合成全系统能量平衡汇总 (36)
4 设备选型及管道计算 (38)
4.1 管道计算 (38)
4.2 设备选型 (39)
结论 (40)
致谢 (41)
参考文献 (42)
年产五万吨合成氨合成工段工艺设计
摘要：本次课程设计任务为年产五万吨合成氨工厂合成工段的工艺设计，氨合成工艺流程一般包括分离和再循环、氨的合成、惰性气体排放等基本步骤，上述
基本步骤组合成为氨合成循环反应的工艺流程。其中氨合成工段是合成氨工
艺的中心环节。新鲜原料气的摩尔分数组成如下：H
2 73.25%，N
2
25.59%，
CH
4
1.65%,Ar 0.51%合成操作压力为31MPa，合成塔入口气的组成为
NH
3(3.0%),CH
4
+Ar(15.5%),要求合成塔出口气中氨的摩尔分数达到17%。通过
查阅相关文献和资料，设计了年产五万吨合成氨厂合成工段的工艺流程，并借助CAD技术绘制了该工艺的管道及仪表流程图和设备布置图。最后对该工艺流程进行了物料衡算、能量衡算，并根据设计任务及操作温度、压力按相关标准对工艺管道的尺寸和材质进行了选择。
关键词：物料衡算，氨合成，能量衡算
The Design of 50kt/a Synthetic Ammonia Process
Abstract:There are many types of Ammonia synthesis technology and process, Generally,they includes ammonia synthesis, separation and recycling, inert
gases Emissions and other basic steps, Combining the above basic steps
turnning into the ammonia synthesis reaction and recycling process , in which
ammonia synthesis section is the central part of a synthetic ammonia process.
The task of curriculum design is the ammonia synthesis section of an annual
fifty thousand tons synthetic ammonia plant . The composition of fresh feed
gas is: H2(73.77%),N2(24.56%),CH4(1.27%),Ar(0.4%), the temperature is
35℃, the operating pressure is 31MPa, the inlet gas composition of the
Reactor is : NH3(3.0%),CH4+Ar(15.7%),it Requires the mole fraction of
ammonia reacheds to 16.8% of outlet gas of synthesis reactor. By consulting
the relevant literature and information,we designed the ammonia synthesis
section of an annual fifty thousand tons synthetic ammonia plant, with the
help of CAD technology,we designed piping and instrument diagram and
equipment layout. Finally,we did the material balance accounting ,and the
energy balance accounting of the process, also we selected piping size and
material according to the design operation of temperature, pressure and
relevant standards .
Keywords: ammonia synthesis section material balance accounting
energy balance accounting
1 引言
1.1 氨的基本用途
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。
我国的氮肥工业自20世纪50年代以来, 不断发展壮大, 目前合成氨产量已跃居世界第一位, 现已掌握了以焦炭、无烟煤、焦炉气、天然气及油田伴生气和液态烃多种原料生产合成氨、尿素的技术, 形成了特有的煤、石油、天然气原料并存和大、中、小生产规模并存的生产格局。目前我国合成氨氮肥厂有大中小型氮肥装置近千个, 大型氮肥装置重复引进32 套, 国产化装置超过20套, 中型装置近百套, 小型
装置约600 套, 合成氨生产能力达到4500万t /a。氮肥工业已基本满足了国内需求, 在与国际接轨后, 具备与国际合成氨产品竞争的能力, 今后发展重点是调整原料和产品结构, 进一步改善经济性。只有通过科技进步对经济增长的贡献率来实现, 这也是今后发展合成氨氮肥工业新的增长点。
合成氨工业是氮肥工业的基础, 在国民经济中占有重要的地位。我国大多数合成氨企业的煤制气技术沿用固定床水煤气炉, 炉型老化、技术落后、能源利用率低、原料价格高, 是当前急需进行技术改造的重点。目前合成氨工业的发展方向是优化原料路线, 实现制氨原料的多元化, 引进先进的煤气化工艺制取合成气, 降低产品成本, 改善生产环境; 同时研究开发简单可行, 又可就地取得原料制取合成气的洁净煤气化技术, 这也是我国目前占氮肥生产总量60% 左右的中小型氮肥厂亟待要解决的问题。在这种背景下，该项目以“年产5万吨合成氨合成工段工艺设计”为设计课题，对合成氨合成工段的各种工艺条件和设备选型等进行深入的研究。
1.2 合成氨技术的发展趋势
由于石油价格的飞涨和深加工技术的进步,以“天然气、轻油、重油、煤”作为合成氨原料结构、并以天然气为主体的格局有了很大的变化。基于装置经济性考虑,“轻油”和“重油”型合成氨装置已经不具备市场竞争能力, 绝大多数装置目前已经停车或进行以结构调整为核心内容的技术改造。其结构调整包括原料结构、品质构调整。由于煤的储量约为天然气与石油储量总和的10倍,以煤为原料制氨等煤化工及其相关技术的开发再度成为世界技术开发的热点, 煤有可能在未来的合成氨装置原料份额中再次占举足轻重的地位, 形成与天然气共为原料主体的格局。
根据合成氨技术发展的情况分析, 估计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发。
大型化、集成化、自动化, 形成经济规模的生产中心、低能耗与环境更友好将是未来合成氨装置的主流发展方向。在合成氨装置大型化的技术开发过程中, 其焦点主要集中在关键性的工序和设备, 即合成气制备、合成气净化、氨合成技术、合成气压缩机。在低能耗合成氨装置的技术开发过程中, 其主要工艺技术将会进一步发展。
第一,以“油改气”和“油改煤”为核心的原料结构调整和以“多联产和再加工”为核心的产品结构调整, 是合成氨装置“改善经济性、增强竞争力”的有效途径。
第二,实施与环境友好的清洁生产是未来合成氨装置的必然和惟一的选择。生产过程中不生成或很少生成副产物、废物, 实现或接近“零排放”的清洁生产技术将日趋成熟和不断完善。
第三,提高生产运转的可靠性, 延长运行周期是未来合成氨装置“改善经济性、增强竞争力”的必要保证。有利于“提高装置生产运转率、延长运行周期”的技术, 包括工艺优化技术、先进控制技术等将越来越受到重视。
1.3 合成氨常见工艺方法
氨的合成是合成氨生产的最后一道工序，其任务是将经过精制的氢氮混合气在催化剂的作用下多快好省地合成为氨。对于合成系统来说，液体氨即是它的产品。工业上合成氨的各种工艺流程一般以压力的高低来分类。
1.3.1 高压法
操作压力70～100MPa，温度为550～650℃。这种方法的主要优点是氨合成效率高，混合气中的氨易被分离。故流程、设备都比较紧凑。但因为合成效率高，放出的热量多，催化剂温度高，易过热而失去活性，所以催化剂的使用寿命较短。又因为是高温高压操作，对设备制造、材质要求都较高，投资费用大。目前工业上很少采用此法生产。
1.3.2 中压法
操作压力为20～60MPa，温度450～550℃，其优缺点介于高压法与低压法之间，目前此法技术比较成熟，经济性比较好。因为合成压力的确定，不外乎从设备投资和压缩功耗这两方面来考虑。从动力消耗看，合成系统的功耗占全厂总功耗的比重最大。但功耗决不但取决于压力一项，还要看其它工艺指标和流程的布置情况。总的来看，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。
1.3.3 低压法
操作压力10MPa左右，温度400～450℃。由于操作压力和温度都比较低，故对设备要求低，容易管理，且催化剂的活性较高，这是此法的优点。但此法所用催化剂对毒物很敏感，易中毒，使用寿命短，因此对原料气的精制纯度要求严格。又因操作压力低，氨的合成效率低，分离较困难，流程复杂。实际工业生产上此法已不采用了。合成氨工艺流程大概可以分为：原料气的制备；原料气的净化；气体压缩和氨的合成四大部分。
1.4 设计条件
(1)生产能力：液氨产量为50kt/a。
(2)新鲜氮氢气组成如下表：
组成H
2N
2
CH
4
Ar 合计
摩尔分数/% 73.25 24.59 1.65 0.51 100
(3)合成塔入口气：为3.0%，为15.5%。
(4)合成塔出口气：为17%。
(5)合成操作压力：31MPa。
(6)新鲜气温度：35。
(7)其他部位的温度和压力，见流程图。
(8)水冷却器的冷却器温度：25。
(9)以下各项再计算中，有些部位略去不计。
(i)溶解液氨中的气体量；
(ii)部分设备和管道的阻力；
(iii)部分设备和管道的热损失。
1.5 物料流程示意图
流程简介：在油分离器出口的循环气中补充从净化工序送来的新鲜氮氢气，进入冷交换器和氨冷器进一步冷却，使其中的氨气绝大部分被冷凝分离出去。循环气进入合成塔，进塔走塔内间隙，温度稍升高，引出到外部热交换器再次升高温度。第二次入合成塔，经塔内热交换器加热并在催化作用下发生合成反应，温度升高出塔后一次经废热锅炉、热交换器和软水预热器回收热量，然后再经水冷却器冷却，使气体中部分氨液化，进到氨分离器分离出液氨。气体则进入循环压缩机补充压力形成循环回路。在油分离器出口补充了新鲜氮氢气入冷交换器。从冷交换器中的氨分离器分离出的液氨与由氨分离器分出的液氨汇合入液氨贮槽。由于液氨贮槽压力降低，则溶于液氨的气体和部分氨被闪蒸出来，即所谓驰放气送出另外处理。另外为限制循环气中惰气含量的积累，使其浓度不致于过高，故在氨分离器后放出一部分循环气，成为放空气。从整个系统而言，进入系统的是新鲜氮氢气，离开系统的是产品液氨、驰放气、和空气。
图1.1 氨合成工序物料流程示意图
1—新鲜氮气；12—放空气；20—驰放气；21—产品液氨
为计算方便起见，在流程图中各不同部位的物料，用数字编号表示。
2 物料衡算
以1t氨为基准。
2.1 合成塔入口气组成(摩尔分数)(3点)
已知入口气的NH
3和CH
4
+Ar浓度，并假定氢与氮的比例为3。因此
NH
3
: (已知)
H
2
:
N
2
:
CH
4
:
Ar:
入塔气组成列入下表(包括3,4,5点)
组分NH
3H
2
N
2
CH
4
Ar 合计
摩尔分数/% 3.000 61.125 20.375 11.814 3.686 100 2.2 合成塔出口气组成(6点)
假定入塔器为100kmol,列方程求解。
氨生成量：根据反应式，在合成塔内，气体总物质的量的减少，应等于生成氨的物质的量。因此可写成联立方程：
生成的氨的物质的量
(1)
总物质的量的减少量
(2)
联立解出
或
式中：n
NH3
---合成塔中生成的氨，kmol
n
3
---入口气总物质的量，kmol
n
6
---出口气总物质的量，kmol
y
3,NH3
---合成塔入口氨摩尔分数
y
6,NH3
---合成塔出口氨摩尔分数
将已知数据代入，则
出塔气总物质的量
所以出塔气组成(6点)
NH
3
: (已知)
H
2
:
CH
4
:
N
2
:
Ar:
出塔气组成列入下表(包括6,7,8,9,10点)
组成NH
3H
2
N
2
CH
4
Ar 合计
摩尔分数/% 17.000 49.045 16.348 13.420 4.187 100 2.3 合成率计算
反应掉的N
2，H
2
与入塔气中的N
2
，H
2
气之比。按下式计算。
合成率
2.4 氨分离器出口气液组成计算
设合成反应后在水冷器内部分氨被液化，气液已达到相平衡。进入氨分离器的
物料为气液混合物，物量为F，物料组成为F
1；分离器出口气相组分为y
i
，气量为
V;分离器出口液相组分为x
i
，液量为L。
F
F i
V,y i
已知进口物料组成F
,即合成出口气组成，前已求出。
i
假定F=1kmol
对于每个组分的物料平衡：
(1)
根据气液平衡关系
(2)
为各组分的相平衡常数。
式中：m
i
把式(2)代入式(1)得
或
(3)
式中：Li为液相中各组分的量。
总液量 (4) 液体组分的摩尔分数
(5)
气体总量 (6)
气体组分含量，按(2)式
(7)
对以上各式求解，需用试差法，现采用直接迭代法进行计算。
已知分离器入口气液混合物组成即6点值。
组分合计摩尔分数0.17 0.4905 0.16348 0.13420 0.04187 1
)
查下各组分的相平衡常数(m
i
0.11 27.5 34.5 8.2 38
先设，假定入口气液混合物量并假定。
以代入式(3)计算，计算结果如下。
液相中各组分的量：
液相总量：
分离后气相总量：
计算气液比：
误差
设，计算得
误差
设，计算得
误差
设，计算得
误差
以代入式(3)计算，计算结果如下：
计算得误差
在允许范围之内，假定值可以认定。
液体组成(摩尔分数)：按计算，计算结果列入下表：
表2.1 氨分离器出口液体组成(17点)
组成NH
3H
2
N
2
CH
4
Ar 合计
摩尔分数/% 95.6818% 1.9259% 0.5121% 1.7551% 0.1191% 100.000 分离后气体组成：计算
NH
3
:
同法计算其他组分，结果列入下表。
表2.2 氨分离器出口气体组成(11,12,13,14,15点)
组成NH
3H
2
N
2
CH
4
Ar 合计
摩尔分数/% 10.5177% 52.9172% 17.6528% 14.3810% 4.5222% 100.000
2.5 冷交换器分离出的液体组成(18点)
由于从氨分离器出口气．经循环机和油分离器后进入冷交换器系统，此前已有部分气体放空并补充了新鲜气，因此气量和其组成均发生了变化。而冷交换器出口气即是合成塔入口气，其组成已在前面算出。因此在冷交换器中的氨分离器分离出的液氨，应与出口气成平衡，由气液平衡关系可以求出。其关系式为
从手册差得在操作条件下()的相平衡常数如下表：
0.0305 70 75 25 40
冷交换器出口液体组成，根据计算。
计算结果列入下表(18点)：
组成NH
3H
2
N
2
CH
4
Ar 合计
摩尔分数0.98361 0.00873 0.00272 0.00473 0.0001 1
2.6 液氨贮槽驰放气和液相组成的计算
氨分离器出口液氧(17点)与冷交换器的氨分出口液氨(18点)汇合于贮槽(19点) 由于减压，溶在液氨中的气体会解析出来和部分氧的蒸发气形成弛放气。
V,y i
20
水冷后的氨分离嚣分离的液氨占总量的摩尔分数G可由下式计算：代入已知数据：
取G=53.3%
则氨分离器的分离液氨占53.3%，冷交换器分离液氨占46.7%。
根据物料衡算按下式计算混合后液氨组成。
计算结果列入下表(19点)
组成NH
3H
2
N
2
CH
4
Ar 合计
摩尔分数/% 96.936% 1.434% 0.400% 1.156% 0.068% 100.000 根据氨贮槽的压力差得气液平衡常数，如下表
0.598 575 620 170 540
在液氨贮槽中，类似于闪蒸过程，仍按氨分离器的计算方法，假定一个V/L初值，经过试差，求得计算结果，如下表。现按试差最后的V/L值，具体计算如下。
设代入下式。(假定入槽液量)
则液氨中各组分的物质的量：
误差
以代入式(3)计算，计算结果如下：
计算得误差
在允许范围之内，假定值可以认定。
液体组成(摩尔分数)：按计算。
NH
3
:
其它组分计算结果列入下表(21点，产品液氨组成)
组成NH
3H
2
N
2
CH
4
Ar 合计
摩尔分数/% 99.879% 0.033% 0.009% 0.087% 0.002% 100.000 驰放气气体组成：计算
NH
3
:
其它组分计算结果列入下表(20点，驰放气组成)
组成NH
3H
2
N
2
CH
4
Ar 合计
摩尔分数/% 59.751% 19.188% 5.361% 14.713% 0.908% 100.000 2.7 液氨贮槽物料衡算
以液氨贮槽出口1t纯液氨为基准，折成标准状况下的气体体积，以m3为单位计，则
其中各组分的体积，按
NH
3
:
H
2
:
N
2
:
CH
4
: ye
Ar:
液氨贮槽驰放气体积，按计，则
驰放气体积：
NH
3
:
H
2
:
N
2
:
CH
4
:
Ar:
液氨贮槽出口总物料体积：
因此入口总物料也应与出口相等：
入口物料各组分体积按计算，结果为：
NH
3
:
H
2
:
N
2
:
CH
4
:
Ar:
由计算，计算结果列入下表：
组成NH
3H
2
N
2
CH
4
Ar 合计
摩尔分数/% 96.942% 1.432% 0.400% 1.157% 0.069% 100.000 结果与基本相同。
2.8 合成循环回路总物料衡算(各个部位物料量)
(1)对整个回路做衡算，可求出补充新鲜气量V 1，放空气量V 12，一级合成塔进气量V 3和出气量V 6。
合成循环回路可简化如下示意图。
图2.1 合成循环回路简图
以1t 产品氨为基准，即等于1319.2433m 3(液氨折成标准状况下气体体积)。 为方便计算，把前已算得已知数据列入下表：
名称 NH 3 H 2 N 2 CH 4 Ar 气量/m 3 补充气1 0 0.7325
0.2459
0.0165
0.0051 V 1 放空气12 0.10518 0.52927 0.17653 0.14380
0.04522
V 12
驰放气20 0.59751 0.19188 0.05361 0.14713 0.009451 104.0883 产品液氨21
0.99879
0.00033 0.00009 0.00087 0.00002 1319.2433 合成塔入口3 0.03000 0.61125 0.20375 0.11814 0.03686 V 3 合成塔出口6 0.17000
0.49045 0.16348 0.13420
0.04187
V 6
(2)首先列出以下元素平衡和总物料平衡方程(式中液氨忽略溶解物，以100% NH 3
计)
氢平衡：以体积量计算(下同) (1) 氮平衡： (2) 惰气平衡： (3)
氨平衡：合成塔内生成的氨应等于排出的氨
补充气 V 补=V 1 放空气 V 放=V 12 驰放气V 驰=V 20 V 入=V 3
产品液氨L 21
V 出=V 6
合成塔
贮槽
(4)
总物料平衡：合成反应后进出口气体体积减少了V
3- V
6
(5)
把式(1)与式(2)合并，将已知数据代入式(1)与式(2) 式(1)：
(1)’
式(2)：
(2)’
式(1)’加式(2)’得：
(6)
数据代入式(3)得：
(3)’
将式(3)’与式(6)联立解得：
将已知数据V
1和V
12
的值代入式(4)与式(5)。
式(4)：
(4)’
式(5)：
(5)’
(4)’与(5)’联立解得：
(3)合成塔进出口物料量(各组分的量)
a. 入塔总物料量：
其中各组分的量按照计算。
b. 出塔总物料量，
其中各组分量按照计算。
(4)废热锅炉出口，热交换器出口和软水预热器出口物料，组成未发生变化与合成出口相同，即
(5)水冷却器和氨分离器物料量
a．水冷却器入口气即软水预热器出口气V
。
9
水冷却器出口总物料未发生变化。由于有部分氨被液化，出口物料实际为气液混合物。其总量和总组成与入口完全一致。即
经氨分离器后，分为气相和液相两股物料。即
(L
量暂以气体体积计)
l7
按前面氨分器气液平衡算得
气液比：
和
由以上两式可以解得
L
换算成质量
17
b. 氨分离器出口气体组分的体积，按计算。
氨分离器出口液体组分的量，按计算。
(6)循环机入口V
13和出口V
14
：由流程图上表明进入循环机之前，有放空气放出。
所以
其中各组分的量按照计算。
放空气中各组分的量：按计算。
(7)冷交换器进出口物料
a. 进气量：V2=循环机出口加上补充气的量
即
b. 补充气中各组分的量：按计算。