太原理工大学
课程设计任务书
课程设计题目：
年产20万吨合成氨合成工段工艺设计
课程设计要求：
设计采用中压两级分氨流程，年产20万吨合成氨合成工段的工艺设计。设计配有设计说明书一份，图纸二张。说明书内容：原料气来源、流程方案的确定、物料衡算、热量衡算、设备选型及设计计算、车间布置、三废”治理及综合利用。二张图纸：1.带控制点的合成工段物料流程图； 2.中压合成塔的工艺装配图。
学生应交出的设计文件（纸质及电子版）：
1.设计说明书（首页附设计任务书）
2.工程设计图（CAD版）
（1）主要设备图
（2）工艺流程图
主要参考资料（电子版）：
一．手册
1. 小合成氨厂工艺技术与设计手册(上册)，化学工业出版社，1994。
2. 小合成氨厂工艺技术与设计手册(下册) 梅安华主编，化学工业出版社，
1994。
3. 氮肥工艺设计手册气体压缩氨合成甲醇合成，化学工业出版社，1989。
4. 氮肥工艺设计手册理化数据分册，石油化学工业出版社，1977。
二．参考文献
1中国环球化学工程公司编. 氮肥工艺设计手册[M].1985
2郝晓刚等编著. 化工原理课程设计. 北京：化学工业出版社，2009
3陈甘棠主编.化学反应工程[M]. 第三版.北京：化学工业出版社.1990（11）4黄璐. 化工设计. 北京：化学工业出版社，2000
5陈五平主编.无机化工工艺学.第三版. 北京：化学工业出版社，1985
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7湖北华工设计院.氨合成塔【J】.石油化学工业出版社，1977(12)
8化学工业出版社组织编写.中国化工产品大全[M].第二版上卷.
9司航主编.化工产品手册[M].第三版.北京：化学工业出版社.
10李祥君著.新编精细化工产品手册[M].北京：化学工业出版社.1996.
11万家亮曾胜年主编.分析化学[M].第三版. 北京：高等教育出版社.2001（6）．12天津化工研究院编.无机与工业手册【M】.北京:化学工业出版，1988(2)
13江寿建. 化工厂共用设施设计手册. 北京：化工工业出版社，2000
14时均等. 化学工程手册. 北京：化学工业出版社，1996
15赵国方. 化工工艺设计概论. 北京：原子能出版社，1990
16化工工程师手册编辑委员会. 化学工程师手册. 北京：机械工业出版社，2000 17陈敏恒等. 化工原理，上下册. 北京：化学工业出版社，1985
18吴志泉等. 化工工艺计算，物料、能量衡算. 上海：华东理工大学出版社，1992 18倪进方. 化工过程设计. 北京：化学工业出版社，1999
专业班级化学工程与工艺0802班学生李林豪
组别第四组组员李林豪李旭连文豪马楠宋路华
要求设计工作起止日期2011.11.21～2011.12.16
指导教师签字日期
系主任批准签字日期
前言
《化工设计》课程设计是培养学生化工设计能力的重要教学环节，通过课程设计使我们初步掌握化工设计的基础知识、设计原则及方法；学会各种手册的使用方法及物理性质、化学性质的查找方法和技巧；掌握各种结果的校核，能画出工艺流程、各类塔结构等图形。在设计过程中不仅要考虑理论上的可行性，还要考虑生产上的安全性、经济合理性。
本设计就合成车间的工艺生产流程，着重介绍化工设计的基本原理、标准、规范、技巧和经验。本说明书主要确定优化的工艺流程、工艺条件、设备选型及其他非工艺专业等内容。在全面介绍化工设计的基础知识上，重点阐述工艺流程设计、物料和能量衡算及车间布置等内容，并结合工艺计算、工程经济，力求体现当今化工设计的水平。
合成氨生产任务设计决定了生产合成氨的规模，设备的要求以及工艺流程的状况。本设计所采用的方法是半水煤气合成法，其主要原料是煤和氮气，利用煤来生成氢气，而本设计主要是对合成氨合成工段的设计，故所用原料直接采用氮气和氢气，其以合成塔为主要设备，在氨冷器、水冷器、气—气交换器、循环机、分离器、冷凝塔等辅助设备的作用下，以四氧化三铁为触媒，在485—500℃的高温条件下来制得氨气。
本设计要求要掌握合成塔的工作原理，生产的工艺路线，并能根据工艺指标进行操作计算。在工艺计算过程中，包含物料衡算，热量衡算及设备选型计算等。生产的氨的用途和产生的三废在本设计也有所提到，在合成效率方面也有进一步研究。
摘要
合成氨生产任务设计决定了生产合成氨的规模，设备的要求以及工艺流程的状况。本设计所采用的方法是半水煤气合成法，其主要原料是煤和氮气，利用煤来生成氢气，而本设计主要是对合成氨合成工段的设计，故所用原料直接采用氮气和氢气，其以合成塔为主要设备，在氨冷器、水冷器、气—气交换器、循环机、分离器、冷凝塔等辅助设备的作用下，以四氧化三铁为触媒，在485—500℃的高温条件下来制得氨气。本设计要求要掌握合成塔的工作原理，生产的工艺路线，并能根据工艺指标进行操作计算。在工艺计算过程中，包含物料衡算，热量衡算及设备选型计算等。生产的氨的用途和产生的三废在本设计也有所提到，在合成效率方面也有进一步研究。
[关键词]：半水煤气合成法合成塔催化剂
目录
符号说明 (8)
第一章总论 (9)
1.1 概述 (9)
1.2 氨的性质 (10)
1.2.1 氨的物理性质 (10)
1.2.2 氨的化学性质 (10)
1.3 原料气来源 (11)
1.4 文献综述 (12)
1.4.1 合成氨工业的发展 (12)
1.4.2 合成氨工业的现状 (12)
1.4.3 合成氨工业的发展趋势 (12)
1.5 设计任务的项目来源 (13)
第二章流程方案的确定 (13)
2.1 生产原理 (13)
2.2 各生产方法及特点 (14)
2.3 工艺流程的选择 (15)
2.4 合成塔进口气的组成 (17)
第三章工艺流程简述 (19)
3.1 合成工段工艺流程简述 (19)
3.2 工艺流程方框图 (20)
第四章工艺计算 (21)
4.1 物料衡算： (21)
4.1.1设计要求： (21)
4.1.2计算物料点流程图： (21)
4.1.3合成塔入口气组分： (22)
4.1.4合成塔出口气组分： (23)
4.1.6氨分离器气液平衡计算： (24)
4.1.7冷交换器气液平衡计算： (26)
4.1.8液氨贮槽气液平衡计算： (27)
4.1.9液氨贮槽物料计算： (30)
4.1.10合成系统物料计算: (32)
4.1.11合成塔物料计算： (34)
4.1.12水冷器物料计算： (35)
4.1.13氨分离器物料计算： (36)
4.1.14冷交换器物料计算： (36)
4.1.15氨冷器物料计算： (38)
4.1.16 冷交换器物料计算： (40)
4.1.17液氨贮槽物料计算: (42)
4.2 热量衡算： (45)
4.2.1冷交换器热量计算： (45)
4.2.2氨冷凝器热量衡算： (48)
4.2.3循环机热量计算： (51)
4.2.4合成塔热量衡算： (53)
4.2.5废热锅炉热量计算： (56)
4.2.6热交换器热量计算： (57)
4.2.7水冷器热量衡算： (59)
4.2.8氨分离器热量核算： (61)
第五章设备选型及设计计算 (62)
5.1 合成塔催化剂层设计： (62)
5.2 废热锅炉设备工艺计算： (64)
5.2.1计算条件 (64)
5.2.2管内给热系数的计算 (65)
5.2.3管外给热系数 (68)
5.2.4传热总系数K (68)
5.2.5传热温差 (69)
5.2.6传热面积 (69)
5.3 热交换器设备工艺计算: (69)
5.3.1计算条件 (69)
5.3.2管内给热系数的计算 (70)
5.3.3管外给热系数 (73)
5.3.4总传热系数 (77)
5.3.5传热面积核算 (77)
5.4 水冷器设备工艺计算： (78)
5.4.1计算条件 (78)
5.4.2管内给热系数的计算 (78)
5.4.3管外给热系数 (80)
5.4.4传热温差 (81)
5.4.5传热总系数K (81)
5.5 氨冷器设备工艺计算: (82)
5.5.1计算条件 (82)
5.5.2管内给热系数的计算 (83)
5.5.4传热总系数K (86)
5.5.5传热温差 (87)
5.5.6传热面积 (87)
第六章车间布置 (89)
第七章“三废”治理及综合利用 (90)
7.1 “三废”的产生及污染 (90)
7.1.1废气污染危害 (90)
7.1.2废水污染危害 (92)
7.1.3工业废渣对环境的污染 (92)
7.2 “三废”治理原则 (93)
结束语 (93)
参考文献： (94)
附录： (95)
物料衡算汇总表 (95)
热量计算点图 (99)
符号说明
-----V kmol 气体摩尔质量， -----d m 管道直径，
-----,L kmol 液体摩尔质量 -----G 气液百分数
2-----/g m s 重力加速度， 3-----Nm 标准立方米
-----K 平衡常数 -----F 进料量
-----l m 长度， -----p C 比热容
-----m kg 质量， -----Q KJ 热量，
-----/M kg kmol 摩尔质量， -----/I KJ kg 冷凝热，
-----n 数量 -----K 绝热指数
-----p MPa 压强， -----N KW 压缩功，
-----r m 半径， -----Z 压缩系数
-----/R H KJ kmol 反应焓， -----T 温度，℃
2-----F m 传热面积， 3-----V m 体积，
()2-----/KJ m h α?传热系数， -----m Φ直径，
-----y 气相摩尔分数 -----/W kg h 重量流量，
-----/()KJ m h λ??导热系数，℃ -----λ摩擦系数 -----a c P s P μ?粘度，或 Pr-----普兰特常数
3-----/kg m ρ密度， -----/Q KJ h 热负荷，
2-----()/R m h KJ ??污垢系数，℃ -----x 液相摩尔分数
第一章 总 论
1.1 概述
氨是一种重要的含氮化合物。氮是蛋白质质中不可缺少的部分，是人类和一
切生物所必须的养料；可以说没有氮，就没有蛋白质，没有蛋白质，就没有生命。大气中存在有大量的氮，在空气中氨占78％（体积分数）以上，它是以游离状
态存在的。但是，如此丰富的氮，通常状况下不能为生物直接吸收，只有将空气
中的游离氮转化为化合物状态，才能被植物吸收，然后再转化成人和动物所需的
营养物质。把大气中的游离氮固定下来并转变为可被植物吸收的化合物的过程，称为固定氮。目前，固定氮最方便、最普通的方法就是合成氨，也就是直接由氮
和氢合成为氨，再进一步制成化学肥料或用于其它工业。
在国民经济中，氨占有重要地位，特别是对农业生产有着重大意义。氨主要
用来制作化肥。液氨可以直接用作肥料，它的加工产品有尿素、硝酸铵、氯化氨
和碳酸氢氨以及磷酸铵、氮磷钾混合肥等。氨也是非常重要的工业原料，在化学
纤维、塑料工业中，则以氨、硝酸和尿素作为氮元素的来源生产己内酰胺、尼龙
-6、丙烯腈等单体和尿醛树脂等产品。由氨制成的硝酸，是各种炸药和基本原料，
如三硝基申苯，硝化甘油以及其它各种炸药。硝酸铵既是优良的化肥，又是安全
炸药，在矿山开发等基本建设中广泛应用。
氨在其他工业中的应用也非常广泛。在石油炼制、橡胶工业、冶金工业和机
械加工等部门以及轻工、食品、医药工业部门中，氨及其加工产品都是不可缺少
的。例如制冷、空调、食品冷藏系统大多数都是用氨作为制冷剂。
1.2 氨的性质
1.2.1 氨的物理性质
氨在常温下是无色气体，比空气轻，具有刺激性臭味，能刺激人体感官粘膜
空气中，含氨大于0.01％时即会引起人体慢性中毒。
气态氨易溶于水，成为氨水，氨水呈弱碱性。氨在水中的溶解度随压力增大
而降低。氨水在溶解时放出大量热。氨水中的氨极易挥发。
常压下气态氨需冷却到-33.35 ℃（沸点）才能液化。而在常温下需加压到
0.87MPa 时才能液化。液氨为无色液体，气化时吸收大量的热。
1.2.2 氨的化学性质
⑴ 氨与氧在催化剂作用下生成氮的氧化物,并能进一步与水作用,制得硝酸：
3224546NH O NO H O +→+
⑵ 氨与酸或酐反应生成盐类,是制造氮肥的基本反应：
3244242)NH H SO NH SO +=（
3343 NH HNO NH NO +=
34 NH HCl NH Cl +=
334424NH H PO NH H PO +=
⑶ 氨与二氧化碳作用生成氨基甲酸铵,进一步脱水成为尿素：
32422NH CO NH COONH +=
()42222NH COONH CO NH H O =+
⑷ 氨与二氧化碳和水作用,生成碳酸氢铵：
32243NH CO H O NH HCO ++=
(5) 氨可与盐生成各种络合物，如CuCl 2?6NH 3、CuSO 4?4NH 3。
氨与空气(或氧)的混合气,在一定浓度范围内能发生剧烈的氧化作用而爆
炸。在常温常压下，氨与空气爆炸极限为15%～28%(NH 3)。100℃，0.1 MPa 下，爆炸极限为14.5%～29.5%(NH 3)。
1.3 原料气来源
原料气主要有两部分：氮气、氢气。氮气主要是从空气中提取。氢气是从半
水煤气中提取的，以煤为原料，在一定的高温条件下通入空气、水蒸气或富氧空
气-水蒸气混合气，经过一系列反应生成含有一氧化碳、二氧化碳、氢气、氮气、及甲烷等混合气体的过程。在气化过程中所使用的空气、水蒸气或富氧空气-水
蒸气混合气等称为汽化剂。这种生成的混合气称为煤气。
煤气的成分取决于燃料和汽化剂的种类以及进行汽化的条件。根据所用汽化
剂的不同，工业煤气可分为下列四种：
空气煤气：以空气为汽化剂制取的煤气，又称为吹风气。
水煤气：以水蒸气（或水蒸气与氧的混合气）为汽化剂制取的煤气。
混合煤气：以空气和适量的水蒸气为汽化剂制取的煤气，一般作燃料用。
半水煤气：是混合煤气中组成符合（H 2+CO ）/N 2=3.1～3.2的一个特例。可
用蒸气与适量的空气或蒸气与适量的富养空气为汽化剂制得，也可用水煤气与吹
风混合配制。
本设计采用半水煤气，半水煤气经过净化后得到纯净的氢气，再配制适量的
氮气，成为合成氨的原料气，其中含有氮气、氢气、以及惰性气体甲烷和氩。
1.4 文献综述
合成氨工业是氮肥工业的基础，也是一些工业部门的重要原料，它的迅速发展促进了一系列科学技术和化学合成工业的发展，随着科学技术的发展，合成氨工业在国民经济中的作用必将日益显著。
1.4.1 合成氨工业的发展
合成氨工业在20世纪初期形成，开始用氨作为火炸药工业的原料，为战争服务;第一次世界大战结束后,转向为农业、工业服务。随着科学技术的发展，对氨的需要量日益增长，近30年来合成氨工业发展很快。目前，国内合成氨年生产能力30万吨以上的大型企业有26家，合成氨年生产能力10万吨以上的中型企业有100多家，其他还有800多家小氮肥厂也生产约占总量60%的合成氨。
1.4.2 合成氨工业的现状
我国合成氨工业存在一些特殊问题，一是氮肥资源紧张。国际上以天然气为原料的氮肥占85%。而我国氮肥原料以煤为主，天然气仅占20%，我国氮肥行业急需解决采用成熟的粉煤气化技术，以本地粉煤代替无烟块煤。建议针对不同企业采用不同的技术路线。内技术进行改造。同时，对于有廉价天然气资源的地区，鼓励采用天然气改造现有装置或建设天然气化肥基地。二是企业结构不合理，产业集中度低，技术水平不高。在氮肥行业，要推广新型煤气化技术，包括粉煤气化、水煤浆气化技术等；新型净化技术，如低温变换、低温甲醇洗MDEA等净化技术；新型氨合成塔及大型低压合成的成套技术和装备。
1.4.3 合成氨工业的发展趋势
合成氨工业的发展趋势: ①原料路线的变化方向。煤的储量约为石油、天然气总和的10倍，自从70年代中东石油涨价后,从煤制氨路线重新受到重视,但因以天然气为原料的合成氨装置投资低、能耗低、成本低的缘故,预计到20世纪末,
世界大多数合成氨厂仍将以气体燃料为主要原料。②节能和降耗。合成氨成本中
能源费用占较大比重，合成氨生产的技术改进重点放在采用低能耗工艺、充分回
收及合理利用能量上，主要方向是研制性能更好的催化剂、开发新的原料气净化
方法、降低燃料消耗、回收和合理利用低位热能等。③与其他产品联合生产。合
成氨生产中副产大量的二氧化碳，不仅可用于冷冻、饮料、灭火，也是生产尿素、纯碱、碳酸氢铵的原料。
到2010年，力争组建50家大型企业集团，大型氮肥厂合成氨平均规模达
40万吨/年以上，中型氮肥厂平均规模达20万吨/年以上。其产品集中度达到50%，并形成3-5家在国际上有一定影响的大型企业集团。同时，调整企业结构，减少
基础肥料生产厂数量，提高单套装置的规模，使合成氨工业朝现代化又迈进一步。
1.5 设计任务的项目来源
本课题是指导老师提高毕业生设计能力而选定的。希望通过此次课程设计让
学生可以较好地把理论学习中的分散知识点和实际生产操作有机结合起来，得到
较为合理的设计成果，达到课程设计训练的目的，提高学生分析和解决化工实际
问题的能力。
第二章 流程方案的确定
2.1 生产原理
氨是由气态氮和氢在适宜温度压力,并有触媒的作用下发生反应的,其反应式为： 22331 46.22 22
H N NH KJ +→+ 此式为一不可逆，放热，体积缩小的反应，其反应过程为：
2233
22222N N NH NH NH NH →→→→→（扩散）（吸附）（吸附）（吸附）（附）（扩散到气相）氨合成的反应特点：
⑴反应过程要在高压下进行，压力越高，越有利于氨的合成。
⑵温度低时，反应有利于向氨合成的方向进行，但反应速度较慢，提高温度不利于反应平衡，但可以加快反应速度，在实际操作中，温度的选择取决于触媒的活性。
⑶必须借助触媒，以加快反应速度。
⑷混合气中氢、氮含量越高越有利于反应，因此，气体中惰性气体含量越少越好。
2.2 各生产方法及特点
合成氨的生产主要包括三个步骤：
第一步是造气，即制备含有氢、氮的原料气；第二步是净化，不论选择什么原料，用什么方法造气，都必须对原料气进行净化处理，以除去氢、氮以外的杂质；第三步是压缩和合成，将纯净的氢、氮混合压缩到高压，在铁催化剂与高温条件下合成为氨。
目前氨合成的方法，由于采用的压力、温度和催化剂种类的不同，一般可分为低压法、中压法和高压法三种。
(1) 低压法
操作压力低于20 MPa的称低压。采用活性强的亚铁氰化物作催化剂，但它对毒物很敏感，所以对气体中的杂质（CO、CO2）要求十分严格。也可用磁铁矿作催化剂，操作温度450～550 ℃。该法的优点是由于操作压力和温度较低，对设备、管道的材质要求低、生产容易管理，但低压法合成率不高，合成塔出口气体中含氮约8％～10％，所以催化剂的生产能力比较低；同时由于压力低而必须将循环气降至-20℃的低温才能使气体中的氨液化，分离比较完全，所以需要设置庞大的冷冻设备，使得流程复杂，且生产成本较高。
(2) 高压法
操作压力为60 MPa 以上的称为高压法，其操作温度大致为550～650 ℃。高压法的优点是，氨合成的效率高，合成氨出口气体中含氨达25％～30％，催
化剂的生产能力较大。由于压力高，一般用水冷的方法气体中的氨就能得到完全的分离，而不需要氨冷。从而简化了流程；设备和流程比较低紧凑，设备规格小，投资少，但由于在高压高温下操作，对设备和管道的材质要求比较高。合成塔需用高镍优质合金钢制造，即使这样，也会产生破裂。高压法管理比较复杂，特别是由于合成率高，催化剂层内的反应热不易排除而使催化剂长期处于高温下操作，容易失去活性。
(3) 中压法
操作压力为20～35 MPa的称为中压法，操作温度为450～550 ℃。中压法的优缺点介于高压法与低压法中间，但从经济效果来看，设备投资费用和生产费用都比较低。
氨合成的上述三种方法，各有优缺点，不能简单的比较其优劣。世界上合成氨总的发展趋势多采用中压法，其压力范围多数为30～35 MPa。本设计采用中压法，操作压力为32 MPa。
2.3 工艺流程的选择
合成氨的生产工艺条件必须满足产量高，消耗低，工艺流程及设备结构简单，操作方便及安全可靠等要求。决定生产条件最主要的因素有操作压力、反应温度、空间速度和气体组成等。
(1) 最适宜的操作压力
氨合成反应是气体体积缩小的反应，提高压力有利于反应平衡向右移动。压力增加平衡常数增大，因而平衡氨含量也增大。所以，提高压力对氨合成反应的平衡和反应速度都有利，在一定空速下，合成压力越高，出口氨浓度越高，氨净值越高，合成塔的生产能力也越大。氨合成压力的高低，是影响氨合成生产中能量消耗的主要因素之一。主要能量消耗包括原料气压缩功、循环气压缩功和氨分离的冷冻功。提高操作压力，原料气压缩功增加，合成氨净值增高，单位氨所需要的循环气量减少，因而循环气压缩功减少，同时压力高也有利于氨的分离，在较高气温下，气氨即可冷凝为液氨，冷冻功减少。但是压力高时，对设备的材