年产12万吨合成氨转化净化工段工艺设计_毕业论文

本科毕业论文

题目：年产12万吨合成氨转化净化工段工艺设计院系：化工与制药系

专业：化学工程与工艺

毕业设计（论文）任务书

专业：化学工程与工艺班级：化工学生：

毕业设计（论文）题目：年产12万吨合成氨转化净化工段工艺设计

毕业设计（论文）内容：文献综述，工艺流程，物料衡算，热量衡算，工艺设备的计算，安全生产，工业三废的后处理。

毕业设计（论文）专题部分：合成氨转化净化工段工艺设计

起止时间：2013.4.16～6.14

指导教师：签字 2013 年 4 月16日

摘要

氨是重要的化工基础产品之一，在国民经济发展中占有重要的地位。合成氨生产已经多年的发展，现在发展成为一种成熟的化工生产工艺。

随着日益严重的环境污染，全球变暖的趋势越来越明显，以清洁能源天然气来制合成氨的技术在未来的几十年仍然将占据重要地位。本文综合介绍了以天然气为主制合成氨各工艺的基本流程、原理、存在的问题以及各个工艺线路解决的关键问题。

天然气是以甲烷为主要组成气体，是当今世界上公认的清洁能源，燃烧后产生的二氧化碳和氮氧化合物仅为煤燃烧时的50％和20％污染。可见天然气是一种优良的化工原料，以天然气为资源的化学工业越来越受到人们的关注。

设计综述部分主要阐述了国内外合成氨工业的现状和发展趋势，以及工艺流程。

本设计是以天然气为原料来设计年产十二万吨合成氨转化净化工序的工艺。采用二段炉转化净化法治取合成氨工艺技术。此工艺是以天然气作为原料来进行合成氨。结合工艺流程对低压部分包括脱硫，一段炉转化、二段炉转化，高低温变换，以及原料气的脱碳和甲烷化来进行精确的物料衡算和能量衡算，并且还对换热器进行了设备的计算。

设计介绍了合成氨合成生产工艺流程，着重通过对此工艺流程的物料衡算，能量衡算确定主要设备选型及工艺的后处理。近年来合成氨工

业发展很快，低能耗、大型化、清洁生产均是合成氨设备发展的主流，技术改进主要方向是开发性能更好的催化剂、回收和合理利用低位热能开发新的原料气净化方法、降低氨合成压力、降低燃料消耗、等方面上。

关键词：合成氨；天然气；转化；变换；物料衡算；热量衡算；

Abstract

Ammonia is the most important one of basic chemical products, plays an important role in the national economy. Ammonia production after years of development, now has developed into a mature chemical production processes.

With the increasingly severe environmental pollution，the trend that the whole earth warms up becomes more and more obvious．Thus，conversion of synthetic ammonia from the natural gas which is one kind of the clean energies will still hold an important position in the following several decades．Gas of main composition is methane, is recognized as a clean energy in the world today, after the combustion of carbon dioxide and nitrogen oxides was only 50% and 20% of the coal pollution .Natural gas is one of a kind of fine chemical raw materials, so the natural gas as the resource of the chemical industry more and more get the attention of people.

The design review described some of the major domestic and international situation and the development of synthetic ammonia industry trends and technological process. The basic principle，process flow，existing problems and the key problems resolved in various process lines of the different processes by which the natural gas was converted into synthetic ammonia were comprehensively introduced．

The design is based on annual output of 120,000 tons of natural gas as raw material, the design of synthetic ammonia transformation https://www.wendangku.net/doc/646633912.html,ing the United States developed by Kellogg Company of Kellogg ammonia synthesis process. This process is based on natural gas as a raw material for synthetic ammonia. Combined process for desulfurization of low pressure parts including, one or two paragraphs into high and low temperature transformation, as well as raw materials for precise gas by methanation of carbon and energy and material balance accounting, but also the calculation of the heat exchanger equipment.

Introduction of ammonia synthesis production process, highlighted by this process of material balance calculate, energy calculation confirming the main equipment selection. In recent years, the large-scale industrial development soon ammonia, low energy consumption, the clean production of synthetic ammonia equipment development are the main direction of technical improvement, is to develop better performance of catalyst, reducing ammonia synthesis pressure, the development of new materials gas purification methods, reduce fuel consumption, low heat recovery and reasonable utilization, etc.

Keywords:SyntheticAmmonia;NaturalGas; Transformation; Transformation；Material balance ; Heat Balance

目录

第一章文献综述 (1)

1.1 合成氨的性质、用途及其重要性 (1)

1.1.1 氨的性质 (1)

1.1.2 氨的用途及其在国民生产中的作用 (2)

1.2 合成氨的发展技术 (3)

1.2.1 世界合成氨技术的发展 (3)

1.2.2 国外合成氨技术概况 (4)

1.2.3 中国合成氨技术的发展 (6)

1.2.4 合成氨技术未来发展趋势 (7)

1.3 成氨的工艺流程 (8)

1.3.1 合成氨的典型工艺流程介绍 (8)

1.3.2 合成氨转化工序的工艺原理 (10)

1.3.3 合成氨变换工序的工艺原理 (11)

1.4 合成氨催化剂 (12)

1.4.1 催化剂合成氨的反应机理 (12)

1.4.2 铁基催化剂的研究 (13)

1.4.3 钌基合成氨催化剂 (15)

1.4.4 母体的选择 (15)

1.4.5 载体的选择 (15)

1.4.6 促进剂 (16)

第二章工艺流程 (17)

2.1 工艺介绍 (17)

2.1.1 原料的选择 (17)

2.1.2 原料的脱硫 (17)

2.1.3 造气 (19)

2.1.4 一氧化碳变换 (21)

2.1.5 CO2的脱除 (23)

2.1.6 甲烷化法微量CO、CO2的脱除 (24)

2.2 氨合成工艺条件 (25)

2.2.1 压力 (25)

2.2.2 温度 (26)

2.2.3 空间速度 (27)

2.2.4转化炉出口气甲烷含量 (27)

2.2.5 入塔气体组成 (28)

2.2.6 催化剂的粒径 (29)

第三章工艺计算 (30)

3.1 物料衡算 (30)

3.1.1 工艺流程图 (30)

3.1.2气体流量与组成 (30)

3.1.3 消耗定额的计算 (31)

3.1.4脱硫槽108-D物料衡算 (35)

3.1.5一段炉101-B物料衡算 (36)

3.1.6 二段炉103-D的物料衡算 (40)

3.1.7 高变炉104-DA的物料衡算 (44)

3.1.8 低变炉104-DB的物料衡算 (46)

3.1.9 102-F排水量的计算 (47)

3.1.10 101-E脱碳量计算 (49)

3.1.11 甲烷化炉101-D的物料衡算 (52)

3.1.12 整个低压系统进出口物料校核 (54)

3.2 热量衡算 (55)

3.2.1 计算原理及方法 (55)

3.2.2一段炉101-B辐射段热量衡算 (56)

3.2.3二段炉103-D热量衡算 (63)

3.2.4 换热器101-C的热量衡算 (66)

3.2.5 换热器102-C的热量衡算 (68)

3.2.6 高变炉104-DA热量衡算 (69)

3.2.7 换热器103-C热量衡算 (71)

3.2.8 换热器104-C热量衡算 (73)

3.2.9 低变炉104-DB热量衡算 (74)

3.2.10 甲烷化炉104-D热量衡算 (76)

第四章工艺设备的计算 (79)

4.1 换热器101-C的计算 (79)

4.1.1 已知条件 (79)

4.1.2 物性数据 (79)

4.1.3 确定结构 (83)

4.1.4传热膜系数计算 (83)

第五章安全生产 (86)

5.1 防火防爆 (86)

5.2 防毒防害 (87)

5.3 防噪声和震动 (88)

5.4 防机械和堕落伤害 (88)

第六章工业三废的后处理 (89)

6.1 合成氨转化净化工序三废的来源 (89)

6.1.1 废气的来源 (89)

6.1.2 废水的来源 (89)

6.1.3 废渣的来源 (89)

6.2 合成氨转化净化工段三废的处理 (89)

6.2.1 废气的处理 (89)

6.2.2 废水的处理 (90)

6.2.3 废渣的处理 (90)

参考文献 (91)

致谢 (92)

前言

氨是最为重要的基础化工产品之一，其产量居各种化工产品的首位; 同时氨也是能源消耗的大户，世界上大约有10 %的能源用于合成氨的生产。氨主要用于农业、化工行业。合成氨也是氮肥工业的基础，氨本身就是重要的氮素肥料，其他氮素肥料大多是先合成氨，再加工成尿素或各种铵盐肥料，这部分约占70 %左右的比例，称之为“化肥氨”。氨还是重要的无机化学和有机化学工业的基础原料，用于生产染料、铵、胺、炸药、合成纤维、制药、合成树脂的原料，这部分约占30 %左右的比例,称之为“工业氨”。

世界合成氨技术的发展经历了传统型蒸汽转化制氨工艺、低能耗制氨工艺和装置单系列产量最大化三个阶段。根据合成氨技术发展的情况来分析, 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、改善经济性、提高运行周期”的基本目标, 进一步集中在“大型化、结构调整、长周期运行、低能耗、清洁生产”等方面进行技术的研究开发。

目前，中国是世界上最大的化肥生产和消费大国，合成氨年生产能力已经达到4222万吨。但是合成氨一直是化工产业的耗能大户。（2006年）6月7日～8日，全国合成氨节能改造项目技术交流会在北京召开，明确了“十一五”期间合成氨节能工程在降耗、环保等方面要达到的具体目标。

会议根据“十一五”期间《合成氨能量优化节能工程实施方案》规划，确定了这一重点节能工程的目标是：大型合成氨装置采用新型催化剂、先进节能工艺和高效节能设备，加强余热回收利用，提高转化效率；以石油为原料的合成氨加快以洁净煤或天然气替代原料油改造；以天然气为原料的合成氨推广一段炉烟气余热回收技术，并改造蒸汽系统；中小型合成氨采用节能设备和变压吸附回收技术，降低能源消耗。煤造气的方法：采用水煤浆或先进粉煤气化技术替代传统的固定床造气技术。到2010年，合成氨的行业节能目标是：单位能耗量由目前的1700.6千克标煤／吨减少到1570.2千克标煤／吨；能源利用的效率由目前42.0％提高到45.5％；实现节能570.1万～585.2万吨标煤，减少排放二氧化碳1377.0万～1413.0万吨。

十多年来，我国的合成氨装置先后经过油改煤、煤改油、油改气和无烟煤改粉煤等多次反复的节能改造和原料路线改造，先后在烃类蒸汽转化工段、变换工段、脱碳

工段、控制系统等进行了多达数十项大型改造。其中造气炉、脱硫系统、炉况监测与系统优化等技改始终是重点。

氨的用途非常广泛，世界上对于氨的需求量也在并不断增加，目前托普索工艺流程、布朗工艺流程和凯洛格流程的应用最为广泛，但是这几种流程还存在着一定的缺陷。考虑到生产成本的能量消耗以及环境保护方面等，目前合成氨的技术还要不断地完善和改进，进一步集中在“大型化，规整化，低能耗，清洁生产长周期运行”等方面进行技术的研究开发。

第一章文献综述

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合成氨的性质、用途及其重要性

1.1.1 氨的性质

氨为无色、有强烈刺激性气味的气体，密度为0.771kg/m3，比重为0.5971，沸点为-33.35℃，固体氨溶点为-77.7℃，临界温度为132.9℃，临界压力为112.3atm，液氨比重是0.667（20℃），液氨挥发性很强，汽化潜热较大。

氨有毒而且易爆。它不像一般的毒气具有累积的毒害作用，但是对人体的组织具有很大的灼伤性，正常空气中若含有5000ppm的氨含量就能使人在短时间内窒息；若有2000ppm的氨含量就有可能在几秒内灼伤皮肤，使它起泡，并可能造成严重的肺水肿；若浓度超过700ppm将会损伤眼睛，如果不及时治疗，就会失去视力。

氨在空气中的可燃极限是16～25%（体积），在O

中的可燃极限是15～79%。虽

2

然氨与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℃，燃烧时生成蓝色火焰。

气相或液相的纯氨对大部分物质没有腐蚀性，但如掺入水分后便对Ag、Cu、Zn 等金属有腐蚀作用，氨和水银可构成爆炸混合物。

氨是活泼的化合物，可与多种物质进行反应，氧化反应便是其中的一种。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便可制成硝酸。

使用氨作为肥料时，植物对氨态氮和硝酸态氮都能吸收。

1.1.2 氨的用途及其在国民生产中的作用

合成氨是大宗化工产品之一，世界上每年合成氨产量已达到1亿吨以上，其中有80%左右的氨用来生产化学肥料，20%左右的氨作为其它化工产品的原料。氨作为最为重要的基础化工产品之一，同时也是能源消耗的大户。合成氨工艺的改进将对矿物燃料的消费量产生重大影响。

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。除了液氨可以直接作为肥料外，农业上使用的氮肥，例如磷酸铵、氯化铵尿素、硝酸铵以及各种含氮复合肥，都是以氨为原料的。合成氨指由氮和氢在高温高压及催化剂共同作用下直接合成的氨。世界上的氨少量从焦炉气中回收外，绝大部分是合成的氨。氨主要用于农业，合成氨是我化肥工业的基础，氨本身是最重要的氮素肥料，其他氮素肥料也大都是先合成氨，再加工成尿素和各种铵盐肥料，这部分均占70%左右的比例，称之为“化肥氨”。

同时氨也是重要的无机化学和有机化学工业基础原料，广泛用于合成纤维、合成树脂、制药、炼油、纯碱、含氮无机盐等工业部门，这部分约占30%的比例，称之为“工业氨”。氨作为工业原料和氨化原料，用量约占世界产量的12％。硝酸、磺胺药、聚氨酯、各种含氮的无机盐及有机中间体、聚酰胺纤维和丁腈橡胶等都需直接以氨为原料生产。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，如催化技术、特殊金属材料、固体燃料气化、高压技术、低温技术、烃类燃料的合理利用等。同时，石油加氢、高压聚合、尿素和甲醇的合成等工业，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[4]。

随着世界人口的不断增加，用于制硝酸铵、磷酸铵、造尿素、硫酸铵以及其它化工产品的氨用量也在增长。据统计1994年世界氨产量为113.463Mt，其中中国、俄罗斯、美国、印度四个主要产氨的国家占了一半以上。在化学工业中合成氨工业已经成为重要的支柱产业。

1.2合成氨的发展技术

1.2.1 世界合成氨技术的发展

自从1754年普里斯特利在（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，在1913年德国的奥堡建成了世界上第一个合成氨工厂。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和技术更新，从此合成氨工业得到了迅速的发展。

⑴原料构成的变化

氨的合成，首先必须提供氮和氢。氮来自空气，氢来自水。气和水到处都有，而且取之不尽。传统的制氮方法是在低温下将空气液化、分离，以及水电解来制取氢气。由于电解制氢法，电能消耗大，成本高，技术不成熟。传统方法还是采用高温下将各种燃料和水蒸气反应制造氢气。因此合成氨生产的初始原料是焦炭、煤、焦炉气、天然气、石脑油、重油等。

⑵生产规模大型化

20世纪50年代以前，合成氨塔的最大生产能力为日产200t氨，到60年代初期为400t。随着蒸汽透平驱动的高压离心式压缩机研制成功，美国凯洛格公司运用建设单系列大型炼油厂的经验，首先运用工艺过程的余热副产高压蒸汽作为动力，并在1963年和1966年相继建成日产544.31t和907.19t的合成氨厂，实现了单系列合成氨装置的大型化，这是合成氨工业发展史上的第一次突破。大型化的优点是能量利用率高，占地少，投资费用低，劳动生产率高。从20世纪60年代中期开始，新建氨厂大都采用单系列的大型化装置。但是，大型的单系列合成氨装置要求能够长周期运行，并且对机器和设备质量要求很高，在超过一定规模以后，优越性并不十分明显了。因此大型氨厂通常是指日产600t级，日产1000t级和日产1500t级的三种。1991年世界上规模最大的合成氨装置在比利时的安特卫普建成投产，日产1800t氨。

⑶低能耗新工艺