【】毕业论文毕业设计年产20万吨合成氨厂工艺设计

年产20万吨合成氨⼚⼯艺设计摘要

氨的⼯业⽣产主要是利⽤氮⽓和氢⽓通过催化剂的催化⽽得到。本设计是年产20万吨合成氨⼚的⼯艺设计，但由于合成氨的整个⽣产⼯艺较长，细节问题较多，鉴于设计时间的紧迫，本设计主要对合成氨的主要⼯段——合成⼯段进⾏了⼯艺计算、设备选型，并绘制了全⼚平⾯布置图、合成氨⼯艺流程⽰意图、合成⼯段带控制点⼯艺流程图、合成⼯段物料流程图、合成车间的⽴⾯图和平⾯图。

关键词：氨，催化剂，⼯艺，图

Ammonia Plant Process of The Technological Designof 200,000 t Ammonia Per YearABSTRACT

The industrial production of ammonia is used mainly nitrogen and hydrogen through the catalyst to be obtained. The design ofthe annual output of 200,000 tons of synthetic ammonia plant process design, but because of the ammonia production

process is longer, more details, in view of the urgency of the design time. The main design of the main section of ammonia-synthesis section of the technology, equipment selection, and the mapping of the entire plant layout map Ammonia ProcessChart, Synthesis Process control point with the process flow chart Synthesis Process flowchart materials, synthetic workshopelevation and floor plans.

KEY WORDS:ammonia ，catalyst ，technology ，chart⽬录

摘要........................................................................................................................................... I ABSTRACT

.............................................................................................................................. II 1 ⼯程设计背景与发展状况. (1)1.1⼯程设计的背景 (1)1.2我国合成氨产业概况 (1)

1.3我国合成氨需求现状及设计规模 (1)2 ⼯程设计条件与总平⾯布置 (3)2.1⼯程设计条件 (3)

2.1.1 原材料及辅助物料的资源条件 (3)2.1.2 公⽤⼯程概述 (3)2.1.3 劳动⼒资源条件 (3)2.2总平⾯布置 (3)

2.2.1 总平⾯布置的基本原则 (3)2.2.2 总平⾯布置概述 (4)3 化⼯⼯艺设计 (7)3.1车间组成概述 (7)3.2车间⽣产综合叙述 (7)3.2.1 合成⼯段的概况及特点 (7)3.2.2 ⼯作制度 (7)

3.2.3 产品的主要技术规格及标准 (8)3.2.4 ⼯艺流程叙述 (8)

4 合成⼯段的⼯艺计算及设备选型 (10)4.1合成⼯段设计要求 (10)4.2合成⼯段物料衡算图 (10)4.3.1 物料衡算 (11)4.3.2 热量衡算 (24)4.3.3 主要设备的计算 (31)4.3.4 主要设备型号⼀览表 (45)5 安全⽣产及环境保护 (46)5.1环境保护与综合利⽤ (46)5.2劳动安全卫⽣ (46)致谢 (48)参考⽂献 (49)

1⼯程设计背景与发展状况1.1 ⼯程设计的背景

合成氨是化学⼯业中的⼀种重要的基础原料。它主要⽤于制造氮肥和复合肥料，氨作为⼯业原料和氨化饲料，⽤量约占世界产量的12％。、各种含氮的⽆机盐及有机中间体、磺胺药、聚氨酯、聚酰胺纤维和丁腈橡胶等都需直接以氨为原料；液氨常⽤作制冷剂。我国是⼀个农业⼤国，对于氨的需求是⼀直呈上升趋势。⽬前我国合成氨⼯业主要朝着降低能耗、降低投资、改善环保条件、开发新原料和装置的超⼤型化发展。合成氨以天然⽓为原料的⼯业⽣产以⼆段蒸⽓转化法为主，该法具有技术成熟、能耗低等优点。1.2 我国合成氨产业概况

我国合成氨⼯业于20世纪30年代起步，最⾼年产量只有5万吨。近些年来我国对化肥⼯业的重视，使合成氨⼯业有了较快的发展，1982年达到1021.9万吨，成为世界产量最⾼的国家之⼀。但与国外相⽐，合成氨⼯业存在着⽣产规模不合理、品种结构不合理和⽣产所⽤的原料结构不合理等问题。1.3 我国合成氨需求现状及设计规模

我国合成氨主要是作为中间产品加⼯成尿素、硝铵、碳酸氢铵、硫酸铵、氯化铵、磷酸⼀铵、磷酸⼆铵和磷肥等化学肥料；此外合成氨还⼤量⽤以⽣产、纯碱、丙烯腈、⼰内酰胺和甲胺等化⼯产品。随着这些化⼯产品需求的快速增长，⼯业⽤氨的消费⽐例不断增长，其增长速度⾼于化学肥料对合成氨需求的增速。下表就是近年来我国合成氨消费增长和供求情况：表1-1 我国合成氨消费增长和供求情况万t 年份产量进⼝量出⼝量表观消费量1995 27.75 0.02 0.02 27.752000 3363.70 0.00 0.00 3363.70

2004 4222.20 6.29 0.00 4228.49 年均增长率/% 4.82 .45 0.00 4.83

从上表可以看出，我国对合成氨的需求⼀直稳定增长，针对我过合成氨产业的现状，在我国建⽴⼤型的合成氨⼚是很有必要也是很有前途的；因此，设计的合成氨⼚的规模定为年产20万吨合成氨。2 ⼯程设计条件与总平⾯布置2.1 ⼯程设计条件

2.1.1 原材料及辅助物料的资源条件

本设计中主要原料是天然⽓，⽽⼚址将选在天然⽓丰富的四川地区，因此原料的来源将是极为⽅便。2.1.2 公⽤⼯程概述

⼚址选在四川某市的郊区，有可靠的供电⽹，输、供电系统，附近有铁路、国道，交通便利，另外在不远处有着⼀条河流，解决了⽔的难题。

2.1.3 劳动⼒资源条件

⼚区所在的市内有着数所⾼等院校，⼈⼒资源丰富。2.2 总平⾯布置

2.2.1 总平⾯布置的基本原则

（1）总平⾯布置⾸先必须满⾜⽣产要求，以最⼤限度的保证⽣产作业线的连接、短捷、⽅便，从原料进⼚到成品出⼚，整个流程必须符合⽣产⼯艺要求，⼒求做到流程线路畅通、连续、短捷、避免交叉进⾏，使各种物料的输送距离为最⼩。同时，应将⽔电汽等公⽤⼯程耗量⼤的车间，尽量集中布置，以形成负荷中⼼与供应来源靠近，使各种公⽤系统介质的⼯程管线减少和输送距离最短，达到节约能源。

（2）要能够充分结合场地优势、地位、地貌等有利条件，因地制宜，紧凑布置，节约⼟地，少占良⽥，少拆房屋，提⾼⼟地利⽤率。

（3）⼤多数⼚房，特别是主要⽣产车间的布置，应考虑到⽇照⽅位和主导风向，保证⾃然通风，⼚前区和防污染的车间放在上风向，产⽣粉尘、烟、热等的车间及易燃库布置在下风向。

（4）各车间之间注意满⾜防⽕、卫⽣等规定，各种⼚房按性质分区集中。对易燃易爆的各类储罐和有危险性的库房（油库、危险品库），应⼒求远离⽕源和⼈员往来集中地，⼀般应布置在⼚区边缘，主导风向的下风向以及地势较低的地段。（5）⼈流、物流各⾏其道，路线短捷，避免交叉。（6）综合管线统筹安排，防⽌⼲扰，⼒求管线短，拐弯少。

（7）近期建设和远期发展相结合，主要⽣产车间留有适当的发展余地，轻化⼯⼯⼚变化较快，综合利⽤较⼴，加⼯深度较深，⼤多数⼯艺流程更新快，这要求在设计实现留有较⼤的预留地，以满⾜⼯⼚发展变化的需要。（8）为保证平⾯图具有建筑艺术性，⼚房形状要规则简单，使道路径直，⼚房中⼼线保持垂直或平⾏。

（9）采取各种措施，提⾼建筑系数和场地利⽤稀疏。建筑系数⼀般为25%～40%，场地利⽤系数⼀般为50%～60%，这是总平⾯设计的主要技术经济指标。2.2.2 总平⾯布置概述

（1）⽣产区布置：由于合成氨的⽣产不适合于室内⽣产，因此全部是露天式⽣产，各⼯段按流程的顺序建设，本设计中呈U型。

（2）辅助车间布置：以⽣产车间为中⼼，根据总平⾯布置原则，综合各种因素对各个辅助车间布置如下：B 锅炉房：布置在⽤蒸汽较多的地⽅，且是主导风向的下风向。

C 变配电站：靠近电⼒负荷中⼼，缩短了电线路线，减少了投资，且在⽔处理车间的上风向，煤堆场的平⾏风向。D ⽔处理车间：靠近负荷中⼼，处理每⽇⽣产车间所需的⼯业⽤⽔，并提供部分⽣活⽤⽔。

（3）运输设备布置：车库油库均布置在主⼲道边缘，道路设计为主⼒⼲道，宽10⽶，⾏道每边各1⽶，车间引道4⽶，这样有利于消防和道路的改造。

（4）堆场和仓库：布置在主导风向的下风向，置于⼚区边缘，靠近主⽣产车间，且位于主⼒⼲道边缘。这样有利于原料或产品的进⼚和出⼚，且有利于⽕灾发⽣时，消防车的顺利到达出事地点。（5）⾏政管理机构和福利区：办公楼位于⼚前区且位于主导风向的上风向。

（6）绿化和美化区：本⼚的绿化包括⽣产区﹑福利区的绿化带。既有专门的绿化区，也有环绕⼚房及其他建筑物的绿化带。绿化带以草坪为主，路旁加种树⽊。这样，可使场区空⽓得以净化，噪⾳减⼩，美化和改善了环境的卫⽣条件，使本⼚的⼩环境﹑⼩⽓候得以明显改善。注：为了不妨碍管道的布置及消防的要求，各⽣产⼯段的周围不设绿化带。综上所述，平⾯布置有以下⼏个特点：

A ⼚房建筑物的布置与⽣产⼯艺流程相适应。原料﹑半成品和成品形成整个顺序，尽量保证流⽔作业，避免逆⾏和交叉；B 锅炉房﹑⽔泵房﹑配电站等辅助车间尽量靠近其主要部门，以缩短期间距离，节省投资；C 由前区到⽣产区主要⼲道，应避免与主要运输道路交叉；

D 尽量使⼤多数⼚房向阳﹑背风﹑避免⽡斯等，尽可能使各⼚区有条件采⽤⾃然采

E 按防⽕规范的要求，保证建筑物之间的距离，符合规定；F 根据卫⽣规范的要求，保证⼚区内卫⽣符合规定；

G 根据环境发展的要求，⽣产区设在有废渣处理系统﹑废⽔处理系统﹑废⽓处理系统等设施；H 考虑⼯⼚今后的发展，在⼚区留有建筑余地；

I 尽量做到以⽣产区为轴线，再考虑辅助车间﹑⾏政楼和道路的安排。另外，总平⾯布置图右上⽅绘有风向玫瑰图，下⽅绘有明细表等。本图采⽤1：500的⽐例。3 化⼯⼯艺设计3.1 车间组成概述

本设计中合成氨的⽣产由转化、变换、净化、合成四个⼯段组成，由于合成氨的⽣产不适合室内⽣产，因此⽣产在露天进⾏。3.2 车间⽣产综合叙述3.2.1 合成⼯段的概况及特点

合成⼯段的主要任务是将精制的合成⽓通过压缩机压缩到所需的压⼒进⼊合成塔内进⾏催化反应⽣成产品氨。在合成⼯段起决定作⽤的是催化剂，催化剂的选择将决定整个合成⼯段设计。⽬前国内⼤多数采⽤的是铁系催化剂，虽说这种催化剂的研究已达到了国际的领先⽔平，但仍不能使合成氨的⽣产真正的做到“低温、低压”下⽣产；因此，本设计中所采⽤的催化剂为钌系催化剂。钌系催化剂是近年来合成氨催化剂历史上的⼀个突破，可以说是真正做到了“低温、低压”。另外，钌系催化剂的活性也⽐铁系催化剂有了很⼤的提⾼。虽说钌系催化剂的成本要⽐铁系催化剂要⾼很多，但从长远考虑，还是选择钌系催化剂。3.2.2 ⼯作制度

法定假⽇和星期假⽇采⽤轮换倒班制度，连续⼯作制(四班三运转)：⼯作⽇=365—设备维修⽇=365－35=330(天)

3.2.3 产品的主要技术规格及标准表3-1 液氨产品技术规格

表3-2 氨⽔产品技术规格

3.2.4 ⼯艺流程叙述

原料⽓（天然⽓）经预热、脱硫后，分成两股，它们与蒸汽混合、再预热后分别送到转化换热器（KRES）和绝热⾃热式转化炉（ATR）。压缩空⽓与部分混合⽓⼀起导⼊ATR进⼝——专门设计的混合区。本流程使⽤过量的空⽓，然后将过量的氮排出，这就不需要氧⽓或富氧空⽓,过量空⽓的量根据最终优化确定,约为化学计量的(40~60)%。⼀部分烃类在⾃热式转化炉中燃烧,释放的热供KRES装置中剩余的烃类蒸汽转化的需要。

965℃的ATR流出物进⼊KRES的壳侧,剩余的原料⽓和蒸汽进⼊KRES的管侧。当混合⽓沿管⼦向下流时与传统的蒸汽转化催化剂接触，蒸汽转化所需的热由壳侧⽓体提供，壳侧⽓体是ATR流出物和KRES管侧流出物的混合物，KRES管测出⼝温度为870℃，混合物的温度为925℃。KRES流出物温度为5℃，经蒸汽发⽣器冷却到370℃后流到⾼、低变炉。出⼝⽓经冷却送到⼆氧化碳脱除⼯艺，⼆氧化碳可以⽤已经商业化的⼯艺除去。进⼀步的净化包括甲烷化、急冷和⼲燥。深冷净化器对粗合成⽓进⾏最后的净化，它由三个简单的部分组成:进出⼝换热器、低速膨胀机及顶部有冷凝器的精馏塔。粗合成⽓体进⼊净化器后⾸先在原料/流出物换热器的顶部与净化⽓及净化器废⽓换热被冷却，然后流过膨胀机,膨胀机移去热量以提供深冷装置所需要的冷量。膨胀机流出物在换热器底部进⼀步冷却并部分冷凝后进⼊精馏塔。进⼊精馏塔的全部甲烷、约60%的氩和多余的氮都作为废物除去。部分精馏塔底部的液体减压蒸发，先通过精馏塔顶部冷凝器壳侧使塔形成回流然后与净化器进⽓换热，预热后作为再⽣合成⽓⼲燥器的废⽓，这废⽓最后作为⼯艺加热器的燃料。合成⽓也由净化器进⽓预热。经过净化的⽓体压缩到合成回路的压⼒9.4MPa，进⼊内冷、热壁、径向合成塔进⾏反应，合成塔的第1床⽤传统的催化剂，其余三床⽤钌催化剂。合成塔出⼝⽓的热量回收产⾼压蒸汽，热回收后的⽓体中的氨使⽤组合式换热器和冰机冷凝成为氨产品。因补充⽓中惰性⽓体的含量较低，合成回路的弛放⽓量较少，除去氨后的弛放⽓与⼲燥器的进⽓混合进⼊⼯艺系统，因此不需要单独的弛放⽓回收装置。净化器的废⽓是前端过量的氮、氩、甲烷及合成回路弛放⽓的最终弛放点。4 合成⼯段的⼯艺计算及设备选型4.1 合成⼯段设计要求年⼯作⽇：330天；系统⼯作压⼒：9.4MPa

练⽓组成（％）：H2 74.812，N2 24.938，Ar0.25合成塔进⽓（％）：NH3 2.5，Ar 16合成塔出⽓（%）：NH3 214.2 合成⼯段物料衡算图

1——新鲜⽓；14——弛放⽓；16，17，19——液氨；其余各点为循环⽓4.3 合成⼯段的⼯艺计算4.3.1 物料衡算

（1）合成塔计算 ① 合成塔⼊⼝⽓组成：⼊塔氨含量：36NH y =2.500％；

⼊塔氢含量：2H y =2.5/3.5(1-0.025-0.16)x100％=58.214％； ⼊塔氩含量：6Ar y =16％；⼊塔氮含量：2N y =(1-0.025-0.16-0.58214)x100％=23.286％。表4-1 ⼊塔⽓组分含量（％）

② 合成塔出⽓组成：

以1000kmol ⼊塔⽓作为基准求出塔⽓组分 由下式计算塔内⽣成氨含量：3333

67NH 6NH NH 7NH N (y y )1(0.210.025)

N 0.152Kmol 1y 10.21--===++

出塔⽓量=⼊塔⽓量—⽣成氨含量=1-0.152=0.84711Kmol 出塔氨含量：37NH y =21.000％出塔氩含量：67Ar 6Ar 7

N y y N =

=1/0.84711×16%=18.888% 出塔氢含量：232

66H NH 7H 73

N y N 2y 100%N -=? =（0.58214-3/2×0.152）/0.84711×100% =41.8%出塔氮含量：

28N y (10.210.188880.418)100%18.4%=---?=表4-2 出塔⽓体组分含量（％）

③ 合成率：3

3NH 66NH 62N 100%N (1y )Ar y =--合成率

=2x0.152/［1×(1-0.16-0.025)］x100％=37.519％

（2） 氨分离器⽓液平衡计算

设氨分离器进⼝⽓液混合物F ，进⼝物料组分m （i ）；分离⽓相组分y （i ），⽓量V ；分离液相组分x （i ），液量L ；其中进⼝物料组分m （i ）等于合成塔出⼝⽓体组分，根据⽓液平衡原理，以1Kmol 进⼝物料为计算基准，即F=1Kmol 。 由⽓液平衡原理：

Fm(i)Vy(i)Lx(i)m(i)=+= （1） y(i)K(i)=x(i)

（2） K （i ）----------组分i 平衡常数 将（2）式代⼊（1）式得：m(i)V()K(i)1Lx(i)L=+ m(i)Lx(i)=L(i)V1+()K(i)L= （3）

L L(i)=∑ （4） 液体组分 L i x(i)=L（）

（5） 1V F L L =-=- （6） ⽓体组分 ()()()()V i m i L i y i V V-==

（7） 已知分离器⼊⼝混合物组分m(i)表4-3 ⼊⼝混合物组分

查t=-20℃,P=8.96MPa 各组分平衡常数表4-4 平衡常数

设() 4.500VL

=代⼊(3)式中计算各组分溶解液量3330.21

0.1814310.035 4.51()NH NH NH m L Kmol VK L===+?+0.18888

0.000211200 4.51()Ar Ar Ar m L Kmol V K L===+?+220.4180.000391240 4.51()H H m L Kmol VK ===+?+2220.184

0.000151270 4.51()N N N m L Kmol VK L===+?+分离液体量

322NH Ar H N L L L L L =+++=0.18143+0.00021+0.00039+0.00015=0.18218Kmol分离⽓体量

110.182180.81782V L Kmol =-=-=计算⽓液⽐

'0.81782()() 4.40.18218V V L L === '

V V ()() 4.500 4.4L L 100%0.244%V 4.500()L--==?=误差 假定正确。 分离液体组分含量 液体中氨含量330.18143

100%99.588%0.18218NH NH L x L ===

液体中氩含量0.00021

100%0.115%0.18218Ar Ar L x L ==?= 液体中氢含量220.00039

100%0.214%0.18218H H L x L ===

液体中氮含量220.00015

100%0.083%0.18218N N L x L

===

氨分离器出⼝液体含量（%）表4-5 氨分离器出⼝液体含量（%）

分离⽓体组分含量： ⽓体氨含量33

30.210.18143100% 3.493%0.81782NH NH NH m L y V--===⽓体氩含量0.188880.00021100%23.070%0.81782Ar Ar Ar m L y V --==?= ⽓体氢含量22

20.4180.00039100%50.878%0.81782H H H m L y V--===⽓体氮含量22

20.1840.00015100%22.559%0.81782N N N m L y V--===

氨分离器出⼝⽓体含量（%）表4-6 氨分离器出⼝⽓体含量（%）

（3） 液氨储罐⽓液平衡计算 液氨储罐⼊⼝液体含量（%）表4-7 液氨储罐⼊⼝液体含量（%）