应用化工毕业设计论文.docx

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1、应用化工毕业设计论文 济源职业技术学院 毕业设计（论文） (冶金化工系) 题目年产10万吨合成氨的生产工艺设计专业应用化工技术 班级化工0804班 姓名黄巧珍 指导教师马科友 完成日期2022年6月25日2022年10月13日 目录 摘要 . - 1 - 关键词：氮气；氢气；合成氨；氨合成塔. - 1 - 前言 . - 2 - 第一章概述. - 3 - 1.1 氨的发现与合成. - 3 - 1.2 氨的性质和用途. - 3 - 1.2.1氨的性质. - 3 - 1.2.2 氨的用途. - 4 - 1.3 合成氨生产的进展. - 4 - 1.4 合成氨工业的特点. - 5 - 1.4.1与能源工

2、业关系密切. - 5 - 1.4.2农业对氮肥的需求是合成氨工业发展的持久推动力. - 5 - 1.4.3 农用氮肥耗氨量大，利润率不高. - 5 - 1.4.4 工艺复杂，技术密集. - 6 - 1.4.5适宜大规模生产，对装置的可靠性、稳定性要求高. - 6 - 第二章合成氨的基本原理及工艺流程. - 7 - 2.1合成氨的基本原理. - 7 - 2.2 合成氨的工艺流程. - 7 - 2.2.1 合成氨的原料. - 7 - 2.2.2 氨的制备方法. - 8 - 2.2.3原料气的制备与净化. - 9 - 2.2.4 氨合成的工艺流程. - 15 - 2.3 合成氨的工艺操作条件. -

3、18 - 2.3.1催化剂. - 18 - 2.3.2 温度. - 20 - 2.3.3 压力. - 20 - 2.3.4 空间速度. - 22 - 2.3.5 合成塔进口气体组成. - 22 - 第三章合成氨的主要设备. - 24 - 3.1 氨合成塔. - 24 - 3.1.1合成塔的结构特点. - 24 - 3.2 列管式石墨换热器. - 25 - 3.3 压缩机. - 26 - 第四章工艺计算. - 27 - 4.1合成氨塔的物料衡算. - 27 - 4.2合成氨塔的热量衡算. - 31 - 致谢. - 33 - 参考文献. - 34 - 摘要 氮肥生产是现代化学工业中的一个重要部门,

4、而氮肥生产主要环节是合成氨.除了制成化肥用于农业外,合成氨生产在工业、国防和改善人民衣食住行各个方面均占有重要地位。20世纪初，开发成功了三种固定氮的方发：电弧法、氰氨法和合成氨法。其中合成氨法能耗最低。1913年工业上实现了氨的合成以后，合成氨发展很快。30年代以后，合成氨法已成为固定氮的主要方法。 本设计是以氮气和氢气为原料，用合成法制备氨气的。文章中介绍了氨气的产生、发展、用途和行业特点，还介绍了氨气的合成方法、原理、工艺参数、工艺流程以及主要设备等，并对其进行了物料衡算和能量衡算等。同时优化了工艺流程，选择了最适宜的工艺参数和合成设备，并展望了合成氨的发展前景。 关键词：氮气；氢气；合

5、成氨；氨合成塔 前言 随着人们对能源的开发和利用，世界范围内呈现资源紧缺的局面，能源价格不断上涨。目前大型氨厂的产量占世界合成氨总产量的80%以上。氨是重要的无机化工产品之一，在国民经济中占有重要地位。除液氨可直接作为肥料外，农业上使用的氮肥，例如尿素、硝酸铵、磷酸铵、氯化铵以及各种含氮复合肥，都是 以氨为原料的，合成氨反应式：N 2+3H 2 =2NH 3 。其反应式是在高温高压的条件下直 接合成的。 合成氨是大宗化工产品之一，世界每年合成氨产量已达到1亿吨以上，其中约有80%的氨用来生产化学肥料，20%作为其它化工产品的原料。为满足氨量日益增长的需求，除再新建若干大型合成氨厂外，另一重要环

6、节就是充分挖掘老企业的潜力，经济合理地对原装置进行技术改造，以达到提高生产能力，增加产量，降低能耗，提高经济效益的目的。 第一章概述 1.1 氨的发现与合成 氨是l754年普里斯特利（Priestley)加热氯化铵和石灰混合物时发现的。1784年，伯托刊（C.L.Berthoiiet)确定氨由氮和氢组成。 19世纪中叶，随着炼焦工业兴起，副产焦炉气中除氢、甲烷等主要组成外，尚有少量氨可以回收，但因回收的氨量不能满足需要，促使人们研究将空气的游离态氮转变成氨的方法。 1901年，昌查得利（Le chatelier)第一个提出氨的合成条件是高温、高压并采用适当的催化剂。随后，哈伯（Haber）和能

7、斯特（Nernst)从化学热力学角度研究了高压下氨的合成和分解，并在一定压力下采用催化剂进行氨的合成试验。 即使在高温、高压条件下，氢氮混合气每次通过反应气也只有小部分转化成为氨，为了提高原料利用率，哈伯提出氨生产工艺为：（1）采用循环方法；（2）采用成品液氨蒸发实现离开反应器气体中氨的的冷凝分离；（3）用离开反应器的热气体预热进入反应器的气体，已达到反应温度。在机械工程师伯希（Bosch）的协助下，1910年建成了80g、W等，其中以铁为主体并添加促进剂的铁系催化剂价廉易得，活性良好，对毒物(如含氧化合物)的敏感性较低从而获得了广泛应用。 目前，大多数铁系催化剂都是用经过精选的天然磁铁矿通过

8、熔融法制备。铁催化剂的活性组分为a-Fe微晶，未还原前为和，其中质量分数为2438，Fe2+Fe3+约为0.5，所以成分可视为，具有尖晶石结构。作为促进剂的成分有K2O、MgO、SiO2等。 氨合成铁催化剂是一种黑色、有金属光泽、带磁性、外形不规则的固体颗粒，堆密度约为2.53.0kgL，空隙率约为4050.铁催化剂在空气中易受潮，引起可溶性钾盐析出，使活性下降。经还原的铁催化剂若暴露在空气中则迅速燃烧，立即失掉活性。 2. 催化剂的还原和使用 氨合成铁催化剂中的，必须将其还原成a-Fe后才有催化活性。催化剂还原 后的活性不仅与还原前的化学组成和结构有关，而且在很大程度上取决于还原 过程的条件

9、。因此，还原过程实际上是活性催化剂制造的关键步骤和最后阶段。 催化剂还原反应式为： ()mol KJ rH g O H Fe H O Fe m /9.1494342243=?+ （2-13） 确定还原条件的原则一方面是使Fe 3O 4充分还原为a-Fe ，另方面是还原生 成的铁结晶不因重结晶而长大，以保证有最大的比表面积和更多的活性中心。 为此，生产上宜选取合适的还原温度、压力空速及还原气组成。 催化剂的还原过程多在氨合成塔内进行，还原温度借外热(如电加热器)维 持，并严格按规定的温度时间曲线进行。催化剂的还原也可以在塔外进行， 即催化剂的预还原。采用预还原催化剂不仅可以缩短合成塔的升温还原时

10、间而 旦也避免了在合成塔内不适宜的还原条件对催化剂活性的损害，为强化生产开 辟了新的途径。 预还原后的催化剂须经“钝化”保存，即用含少量氧气的气体缓慢进行氧化， 使催化剂表面形成保护膜。使用预还原催化剂的氨合成塔，只需稍加还原即 可投入生产。 催化剂经长期使用后，其活性就会慢慢下降表现为氨合成率逐渐降低， 生产能力逐渐下降。其原因主要是细小结晶长大改变了催化剂的结构、催化剂 中毒以及油雾等机械杂质遮盖催化剂表面。 在合成氨的工业生产中氢氮气虽经精制，但由于精制的效果不同，往往 还残留少量的各种有害气体，它们影响催化剂的活性。能使催化剂中毒的物质 有氧及氧化合物(、等)、硫及硫化物(、等)、磷及

11、磷的化台物(PH 3)、砷化合物 以及润滑油、铜氨液等。 硫、磷、砷及其化合物的中毒作用是不可逆的。氧及氧化合物是可逆毒物， 中毒是暂时的，一旦气体成分得到改善，催化剂的活性可以得到恢复。气体中 夹带的油类或高级烃类在催化剂上裂解析炭，使其毛孔堵塞、遮盖活性中心， 后果介于可逆与不可逆中毒之间。另外，润滑油中的硫分，同样会引起催化剂 中毒。若铜液被带入氨合成塔，则催化剂的活性表面被覆盖，也会造成催化剂 活性降低。 生产上，氢氮原料气送往合成系统之前应充分清除各类毒物，以保证原料 气的纯度。如果对催化剂使用得当维护保养得好，使用数年仍能保持相当高的催化活性。 2.3.2 温度 氨合成反应和其他可

12、逆放热反应一样，温度升高反应速度常数增大，氨的平衡浓度降低。由于总反应速度受其正逆反应作用的影响，必定会在一定温度范围内存在着一个最适宜温度(或称最佳反应温度，如图24)，在该温度下，反应速度最大，氨合成转化率最高。 如图2-4催化剂最适温度曲线 1-平衡温度曲线；2-最适宜温度曲线 从理论上看，反应沿着最适宜温度进行，催化剂用量最少，氨合成率最高，生产能力最大。但是在实际工业生产中，不可能完全按最适宜温度进行。反应初期，反应物浓度高，反应速率很高，能很快放出反应热量，使温度迅速上升至最适宜温度，再继续反应，则将超过最适宜温度。故工业上需一边反应一边冷却，采用间接换热式或直接冷激式方法冷却，只

13、是尽可能地接近最适宜温度而已。 2.3.3 压力 由化学反应式知，氨合成反应是一个体积缩小的反应，提高压力有利于反 应向生成氨的方向进行，而且反应速度随着压力的提高而增大，同时氨分离流程可以简化。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。通常氨合成压力选择应考虑三个因素。其一:要充分考虑能量消耗，即原料气的压缩功耗，循环气的压缩功耗和冷冻系统的压缩功耗。图25表示出合成系统能量消耗随操作压力的变化关系。提高操作压力，合成率提高，循环气量减少，气氨易分离，故曲线2一循环气压缩功和曲线3-氨分离冷冻功呈下降趋势;曲

14、线4一原料气压缩功则随着压力提高而大幅度提高;则总能耗随压力提高呈下降趋势到一 定值后又回升。其二:压力提高，设备体积减小，占地面积变小，冷冻系统设备投资也可以减少，故设备投资费用可以降低;但对设备材质、加工制造的要求提高，尤其当压力过高，对设备材料和制造技术要求更高，设备投资又会迅速增加。所以基建费用随压力的提高会呈下降趋势，超过一定值又逐渐回升。其三:综合费用不仅取决于操作压力，还与生产流程、装置的生产能力、操作条件、原料及动力以及设备的价格、热量的综合利用等因素有关。图26采用三种不同流程时综合费用与操作压力的关系。 图2-5能耗和压力的关系 1-总能量消耗；2-循环气压缩功；3-氨分离

15、冷冻功；4-氢氮气压缩功 图26综合费用与操作压力的关系 （以30MPa、二级冷凝流程的综合费用为基准） 实线三级冷凝流程；虚线二级冷凝流程；点划线以及冷凝流程根据实际情况，从能量消耗和综合费用分析，我国中小型氨厂多采用2032MPa。 2.3.4 空间速度 空间速率(简称空速)是指单位体积催化剂、单位时间内通过的气体量。 氨合成反应在催化剂颗粒表面进行，气体中氨含量与气体和催化剂表面接触时间有关。当反应温度、压力、进塔气组成一定时，对于既定结构的合成塔，增加空速也就是加快气体通过催化剂床层的速度，气体与催化剂表面接触时间缩短，使出塔气中的氨含量降低；当空速太小时，氨合成的生产能力降低，循环气

16、量增大，能耗增加。在其他条件一定时，增加空速能提高催化剂生产强度。但加大空速将使系统阻力增大，循环功耗增加，氨分离所需的冷冻功也加大。 一般操作压力为30MPa的中压法合成氨厂空速在2000030000h-1之间，氨净值1015。大型合成氨厂为充分利用反加热，降低功耗并延长催化剂使用寿命，通常采用较低的空速。如操作压力15MPa的轴向冷激式合成塔，空速取为10000h-1，氨净值为10。 2.3.5 合成塔进口气体组成 合成塔进口气体组成包括氢氮比、惰性气体含量和进口氨含量 （1）氢氮比当氢氮必为3时，对于氨合成反应，可获得最大的平衡按浓度，但从动力学角度分析，最适宜氢氮比随氨含量的变化而变化

17、。从氨的合成反应动力学机理可知，氮的活性吸附是氨合成反应过程速度的控制步骤，因此适当提高氮气浓度，对氨合成反应速度有利。实际生产中，进塔气体的氢氮比控制在2.82.9比较适宜。 （2）惰性气体惰性气体不参与反应，也不毒害催化剂，但由于它的存在会降低氢氮气的分压，无论从化学平衡还是动力学角度分析都有弊无利，导致氨的生成率下降，能耗增多。 惰性气体来源于新鲜空气，随着合成反应的进行，它们不参与反应而在系统中积累，新鲜气中的惰性气体又不断补充进来，这样合成系统中的惰性气体越来越多，为提高氨合成率，必须不断从循环其中排放出去。排放量多，可是合成系统惰性气体含量降低，氨合成率提高。但是氢和氮及部分氨也随

18、之排除，造成一定损失，故循环气中惰性气体的控制含量不能过高也不能过低。 循环气中惰性气体的控制，还与操作压力和催化剂有关。操作压力较高及催化剂活性较好时，惰性气体含量可高一些。相反，则控制低一些。由于原料其制备与净化方法不同，新鲜气中惰性气体含量也各不相同，循环气中所控制的惰性气体含量也有差异。一般循环气中的惰性气体含量控制在16%20%左右。反之宜控制在12%16%之间。 (3) 进口氨含量进塔气中的氨含量，主要决定于氨分离时的凝聚温度和分离效率。冷凝温度越低，分离效果越好，则进塔气体中的氨含量也就越低。降低进口氨含量，可加快反应速度，提离氨净值和生产能力，循环气压缩功耗降低，但冷冻系统负荷增加。将进口氨含量降得过低，势必过多地加重冷冻负荷，导致冷冻功耗增加过多，经济上并不可取。 进口氨含量与合成操作压力和冷凝温度有关。压力高，氨合成反应速度快，进口氨含量可适当控制高些；压力低，为保持一定的反应速度，进口氨含量应控制的低些。一般小合成氨厂进塔氨含量应控制在2.2%3.5%之间。 第三章合成氨的主要设备 3.1 氨合成塔