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1、毕业设计论文年产30万吨合成氨转化、净化工段前 言本设计是年产30万吨合成氨转化、净化工段的设计。设计说明书分两部分。第一部分是综述，分九章讨论了氨的性质、用途及其在国民经济中的地位，合成氨工业的现状及其发展趋势，现代大型氨长的生产特点，设计方案的论证，生产方法的综述与选择，本设计主要工艺参数的论证与确定，生产工艺流程的评述与选择，合成氨生产原理与本设计生产流程的叙述及本设计主要设备一览表。第二部分是工艺设计计算，分别进行了消耗定额，返氢量的计算、天然气催化转化的计算、CO变换、气体净化、甲烷化过程的物料与热量衡算，换热器热负荷计算，最后进行了设备计算-加压两段填料吸收塔工艺设计计算。本设计附
2、有转化、净化工段带控制点的工艺流程图、CO2吸收塔的装配图。本设计选用Kellogg节能型流程，具有能耗低、流程简单的特点。目 录第一章.综述41.1 氨的性质、用途及其在国民经济中的地位61.2合成氨工业的现状及其发展趋势61.3现代大型氨厂的生产特点81.4设计方案的论证101.4.1原料的选择101.4.2原料的脱硫101.4.3造气121.4.4一氧化碳变换151.4.5 CO2的脱除161.4.6微量CO、CO2的脱除181.5本设计主要工艺参数的确定与论证201.5.1水碳比201.5.2转化炉出口气甲烷含量211.5.3转化压力211.5.4高低变换出口气中的CO含量221.5.
3、5脱碳后CO2 残余含量221.5.6吸收、再生的温度、再生塔的水汽比及溶液组成231.5.7甲烷化炉入口温度251.6生产工艺流程的评述与选择251.6.1 M.W凯洛格公司261.6.2布朗公司271.6.3帝国化学公司（ICI）271.6.4托普索（Hald Topse）公司281.6.5伍德（Uhde）公司281.7合成氨生产原理与本设计生产流程的综述281.7.1原料气的脱硫281.7.2烃类蒸汽转化291.7.3 CO变换301.7.4原料气中CO2的脱除311.7.5甲烷化脱除微量的CO及CO232第二章 工艺设计计算342.1设计依据：342.2消耗定额、返氢量的计算342.2
4、.1计算条件：352.2.2计算变量352.2.3求解变量352.2.4计算352.3转化382.3.1一段转化炉物料衡算382.3.2二段炉物料、热量衡算422.4变换502.4.1高变物料、热量计算502.4.2低变炉物料、热量衡算532.4.3 102-F排水量计算562.5 CO2吸收塔原料气系统物料衡算582.5.1计算条件：582.5.2.计算582.6甲烷化612.6.1甲烷化炉的物料衡算612.6.2甲烷化炉热量衡算622.6.3校核642.6.4 104-F排水量的计算652.7净化662.7.1本菲尔溶液循环量的计算662.7.2 1103-F排水量及回流水量的计算682.
5、7.3 1110-C、1104-C热负荷的计算722.7.4吸收、再生系统的热平衡752.8换热器热负荷的计算842.8.1 103-C热负荷计算842.8.2 104-C热负荷计算852.8.3 1107-C的热负荷852.8.4 114-C热负荷计算862.8.5 144-C热负荷计算872.8.6 115-C的热负荷计算892.8.7 1115-C热负荷计算902.8.8 136-C热负荷计算92第三章加压两段填料吸收塔设计943.1设计项目：943.2设计条件943.3设计计算963.3.1塔型设计963.3.2 流体接触方式及喷淋963.3.3填料选择963.3.4上塔塔径计算973
6、.3.5上塔填料高度计算1023.3.6下塔塔径计算及下塔填料计算1053.3.7校核计算110第1章 综 述氮（N），是植物生长所必需的重要元素之一，空气的主要成分是氧和氮，其中氮占78%体积。但是大多数植物不能直接吸收这种游离态的氮，只有当氮与其他元素化合以后，才能为植物所利用，这种使空气中游离态氮转变成化合态氮的过程，称为“氮的固定”。合成氨是固定氮的主要方法。化肥是农作物增产的重要手段，对发展中国家尤其如此。而合成氨工业是化肥生产的主要组成部分，对我国农业的增产起着举足轻重的作用。1.1 氨的性质、用途及其在国民经济中的地位氨为无色、有强烈刺激性气味的气体。氨的密度0.771kg/m3
7、，比重0.5971，沸点-33.35，固体氨溶点-77.7，临界温度132.9，临界压力112.3atm，液氨比重0.667（20），液氨挥发性很强，汽化热较大。氨有毒而且易爆。它不象一般的毒气具有累积的毒害作用，但对人体组织有很大的灼伤性，正常空气中若含有5000ppm的氨含量既能使人在短时间内窒息；只要有2000ppm的氨含量就有可能在几秒内灼烧皮肤，使它起泡，并可能造成严重的肺水肿；浓度超过700ppm将会损伤眼睛，如不及时治疗，便会失去视力。氨在空气中的可燃极限是1625%（体积），在O2中是1579%。虽然NH3-空气的混合气不易燃烧，但很容易引起爆炸。氨的自燃点是630，燃烧时生成
8、蓝色火焰。气相或液相的干氨对大部分物质没有腐蚀性，但如掺入水分后便对Cu、Ag、Zn等金属有腐蚀作用，氨和水银可构成爆炸混合物。液氨的重量相当于水的60%，它易溶于水，可制成商品“氨水”，其含量在1530%范围内，氨也可溶于盐类水溶液和各种有机溶液，但都低于在水里的溶解度。氨是活泼的化合物，可与多种物质进行反应，氧化反应是其中的一种。氨在高温下燃烧生成一氧化氮和水，一氧化氮再氧化并溶解于水制成硝酸。使用氨作为肥料时，植物对氨态氮和硝酸态氮都能吸收。还原剂通常不与NH3作用。工业上氨主要是和酸进行中和反应，生成盐类。譬如：氨与硝酸作用生成硝酸铵，与CO2作用生成氨基甲酸铵，然后脱水成尿素。氨是一
9、种重要的含氮化合物，工业上采用N2和H2直接合成的方法生产氨，用合成的方法生产的氨称为合成氨。氨是基本化工产品之一，用途很广，无论是直接用或作为中间体，主要均在化肥领域。以氨为原料可制造各种氮素肥料。此外，液氨本身就是一种高效氮素肥料，可以直接施用。可见，合成氨工业是氮肥工业的基础，对农业增产起着很大的作用。另外，氨也是重要的化工原料，广泛应用于制药、炼油、纯碱、合成纤维、合成树脂、含氮无机盐等工业部门。将氨氧化可以制硝酸，而硝酸又是生产炸药、燃料等产品的重要原料。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。合成氨工业大的迅速发展，也促进了高压、催化、特殊金属材料、固体
10、燃料、气化、低温等科学技术的发展。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。氨和氨加工工业已成为现代化学工业的一个重要的组成部分。合成氨工业是化肥生产的重要组成部分，对我国农业的增产起着举足轻重的作用。我国人口密度大，可耕面积少，人均耕地面积少，粮食需求量大。为了能在国民经济稳步发展的基础上逐步改善人民的生活水平，就必须大力发展合成氨工业。1.2合成氨工业的现状及其发展趋势自从1754年普里斯特利（priestly）加热氯化铵和石灰时发现氨以后，直到20世纪初才由哈伯（haber）等人研究成功了合成氨法，于1913年在德国奥堡建成世界上第一个合成氨工
11、厂。第一次世界大战后，德国因战败而被迫把合成氨技术公开。有些国家还在这个基础上做了一些改进，从此合成氨工业得到了迅速的发展。目前合成氨生产技术已发展到相当高的水平，生产操作高度自动化，生产工艺日趋成熟，装置的不断大型化，能源利用越加合理。解放前，全国合成氨工业与其它工业一样，是十分落后的。那时只有两个规模不大的合成氨工厂，不仅生产能力低而且技术水平也很落后。解放后，我国合成氨工业发展十分迅速，尤其是八十年代后期，通过技术引进与消化吸收，我国合成氨发展向大工业化、自动化控制方向发展。目前的合成氨技术与过去相比较，从各种原料生产合成氨的总流程并没有新的变化。归纳一下，流程分为三类：一是烃类蒸汽转化
12、制气，低变串甲烷化净化流程；一是重油部分氧化，富氧气化制气，冷法净化流程；一是煤气化，耐硫变换与低温甲醇洗、低温液氮洗净化流程。由于国外企业间的竞争更为激烈，为了争取更大的利润，于是开始引用炼油装置在机械、设备、仪表和热能综合利用等方面成熟的经验，在合成氨工业进行一场重大改革，主要内容为生产规模大型化、能量综合利用、高度自动化控制。目前合成氨新工艺层出不穷，有ICI、Kellogg、伍德、Brown、及KBR流程。英国ICI公司的LCA合成氨工艺于1988年在英国建成两套日产450吨的合成氨装置，经一年试运转，证明是成功的。LCA工艺的主要特点是简化了工艺流程，改进了催化剂的化学反应工程。它利
13、用二段转化后的反应热作为一段炉的热源，转化管仅受很小的压力差，省去庞大和昂贵的一段转化炉，节省燃料天然气，采用新型的转化和变换催化剂，降低原料气中的水碳比，进而节省了工艺蒸汽；采用变压吸附净化工艺，省去复杂的溶剂脱CO2装置；采用压力为80bar的低压氨合成系统，节省压缩机功耗，减少压缩机段数，使离心压缩机可在中型氨厂采用。该工艺取消了复杂的高压蒸汽系统，改用压力为60bar的中压蒸汽，降低锅炉给水的要求。这些改进使LCA工艺可在简单和温和的条件下操作。Brown公司的布朗工艺，降低一段炉负荷，一段炉出口温度由Kellogg的950降低到696，一段炉出口甲烷含量为30%，热量的减少使一段炉负
14、荷降低，操作更稳定；为满足合成氨生产热量需求，加重二段炉负荷，空气加入过量50%，后端采用冷箱脱除过量的氮气，使能量利用更合理。瑞士卡萨利公司对氨合成塔进行改造，其特点是合成塔内件中采用轴径向结合的气体流向和专门的气体分布器。这样既降低合成塔的阻力降，又能防止气体短路或分布不均，可在塔内采用1.53mm的颗粒催化剂，可提高氨净值增加生产能力。以天然气为原料合成氨厂的净化工序大多采用Benfiled热钾碱脱碳，采用蒸汽喷射器节省部分能量。一段炉的改造体现在转化管的使用上，原有的HK-40厚壁管改用高强度的HNb薄壁管，这使转化管在相同外径时，催化剂容积增加，在100110%负荷下，转化管壁温下降
15、4550，转化管的阻力降降低。合成氨工业是能耗大，投资十分客观的工业。随着农业生产的发展，世界化肥需求量与日俱增，世界能源日渐减少，这就使不论是在世界范围内还是我国，合成氨工业的发展都是增产、节能、降耗。目前，我国化肥行业继续推广一系列行之有效的节能方法，大氮肥长周期稳定生产已在大部分企业得到全面推广，使生产合成氨的煤、油、焦、气和电的消耗降低。1.3现代大型氨厂的生产特点现代大型氨厂的生产特点主要有：生产规模的大型化。这里所说的大型化是指规模为日产1000吨合成氨的单系列规模。大型氨厂具有投资省、成本低、占地少、劳动效率高的特点，现在世界新建氨厂大都采用单系列大型装置。但大型合成氨装置超过一定规模以后，优越性就不十分明显了。一般以日产10001500吨氨为主。热能
