年产8万吨合成氨装置中合成系统的设计

学校代码：11059 学 号：0903024030

毕业设计（论文）

BACHELOR DISSERTATION

Hefei University

论文题目：8万吨/年合成氨装置中合成系统的设计 学位类别： 工学学士 学科专业： 化学工程与工艺 作者姓名： 费磊磊 导师姓名： 程甲辰 完成时间： 2013年5月30日

8万吨/年合成氨装置中合成系统的设计

中 文 摘 要

本次课程设计任务为年产八万吨合成氨装置中合成系统的工艺设计，氨合成工艺流程一般包括分离和再循环、氨的合成、惰性气体排放等基本步骤，上述基本步骤组合成为氨合成反应的工艺流程。其中氨合成工段是合成氨工艺的中心环节。通过查阅相关文献和资料，设计了年产八万吨合成氨厂合成工段的工艺流程，并借助CAD技术绘制了该工艺的管道及仪表流程图和设备布置图。最后对该工艺流程进行了物料衡算、能量衡算，并根据设计任务及操作温度、压力按相关标准对工艺管道的尺寸和材质进行了选择。

关键词：氨合成；物料衡算；能量衡算

The Design of 80kt/a Synthetic Ammonia Process

Abstract

There are many types of Ammonia synthesis technology and process. Generally, they includes ammonia synthesis,separation and recycling, inert gases Emissions and other basic steps, Combining the above basic steps turnning into the ammonia synthesis reaction and recycling process, in which ammonia synthesis section is the central part of a synthetic ammonia process. The task of curriculum design is the ammonia synthesis section of an annual eighty thousand tons synthetic ammonia plant. By consulting the relevant literature and information, we designed the ammonia synthesis section of an annual eighty thousand tons synthetic ammonia plant, with the help of CAD technology, we designed piping and instrument diagram and equipment layout. Finally, we did the material balance accounting, and the energy balance accounting of the process, also we selected piping size and material according to the design operation of temperature, pressure and relevant standards.

KEY WORD: Ammonia synthesis section; Material balance accounting; Energy balance accounting

目 录

第一章 合成氨综述 ............................................................................................................. 1

1.合成氨工业在国民经济中的地位 ............................................................................. 1 2.原料路线及资源开发利用 ......................................................................................... 1 3.未来我国合成氨工业发展方向 ................................................................................. 2 第二章 合成工序工艺计算 ................................................................................................. 3

1.物料衡算 ..................................................................................................................... 3

1.1计算依据 ........................................................................................................... 3 1.2计算物料点流程 ............................................................................................... 4 1.3物料衡算 ........................................................................................................... 4 2热量衡算 ................................................................................................................... 31

2.1冷交换器热量计算 ......................................................................................... 31 2.2氨冷器热量计算 ............................................................................................. 34 2.3循环机热量计算 ............................................................................................. 37 2.4合成塔热量计算 ............................................................................................. 39 2.5废热锅炉热量计算 ......................................................................................... 42 2.6 热交换器热量计算 ........................................................................................ 44 2.7水冷器热量计算 ............................................................................................. 45 2.8氨分离器热量核算 ......................................................................................... 47 3主要设备计算 ........................................................................................................... 47

3.1废热锅炉设备工艺计算 ................................................................................. 47 3.2热交换器设备工艺计算 ................................................................................. 52 3.3水冷器设备工艺计算 ..................................................................................... 59 3.4冷交换器设备工艺计算 ................................................................................. 63 3.5氨冷器设备工艺计算 ..................................................................................... 71

第三章 合成工序工艺流程简介 ....................................................................................... 76

1.氨合成反应的原理及特点 .................................................................................... 76 2.合成工序工艺流程简述 ........................................................................................ 76 3.合成工序设计特点 ................................................................................................ 77 附 表 ............................................................................................................................... 78 结束语 ................................................................................................................................. 83 参考文献 ............................................................................................................................. 84

第一章 合成氨综述

1.合成氨工业在国民经济中的地位

合成氨工业是基础化学工业之一。其产量居各种化工产品的首位。氨本身是重要的氮素肥料,除石灰氮外,其它氮素肥料都是先合成氨,然后加工成各种铵盐或尿素。将氨氧化制成硝酸,不仅可用来制造肥料(硝酸铵、硝酸磷肥等),亦是重要的化工原料,可制成各种炸药。氨、尿素和硝酸又是氨基树脂、聚酰胺树脂、硝化纤维素等高分子化合物的原料。以其为原料可制得塑料、合成纤维、油漆、感光材料等产品。作为生产氨的原料一氧化碳、氢气合成气,可进行综合利用,以联产甲醇及羰基合成甲酸、醋酸、醋酐等一系列碳一化工产品。以做到物尽其用,减少排放物对环境的污染,提高企业生产的经济效益。已成为当今合成氨工业生产技术发展的方向。国际上对合成氨的需求,随着人口的增长而对农作物增产的需求和环境绿化面积的扩大而不断增加。

据资料统计:1997年世界合成氨年产量达103.9Mt。预计2000年产量将达111.8Mt。其化肥用氨分别占氨产量的81.7%和82.6%。我国1996年合成氨产量已达30.64Mt,专家预测2000年将达36Mt,2020年将增加至45Mt。即今后20年间将增加到现在的1.5倍。因而合成氨的持续健康发展还有相当长的路要走。未来我国合成氨氮肥的实物产量将会超过石油和钢铁。合成氨工业在国民经济中举足轻重。农业生产,“有收无收在于水,收多收少在于肥”。所以,合成氨工业是农业的基础。它的发展将对国民经济的发展产生重大影响。因此,我国现有众多的化肥生产装置应成为改造扩建增产的基础。我国七十至九十年代先后重复引进30多套大化肥装置,耗费巨额资金,在提高了化肥生产技术水平的同时,也受到国外的制约。今后应利用国内开发和消化吸收引进的工艺技术,自力更生,立足国内,走出一条具有中国特色的社会主义民族工业的发展道路。过去引进建设一套大型化肥装置,耗资数十亿元。当今走老厂改造扩建的道路,可使投资节省1/2—2/3。节省的巨额资金,用作农田水利建设和农产品深加工,将在加速农村经济发展,提高农民生活水平,缩小城乡差距起着重要作用。

2.原料路线及资源开发利用

提高天然气原料制氨的比重以天然气为原料制氨应是今后我国合成氨工业发展的方向。现世界天然气探明储量约相当于石油储量。世界天然气可采资源量为3.28×1014m3。资源探明度约59%，预计可采年限在65年以上。近期发现大有前途的冷冻天然气潜在资源,在地球上约有1.6×1015m3甲烷水化物冷冻成冰的天然气,其储量比已探明的天然气量高达数倍。这种位于海底的矿藏起码在海底800m处，最佳开采深度为4000m。在今后10—15年中,钻井技术和从深层运出天然气都会有突破。我国海域辽阔，将会成为未来的丰富天然气资源。目前我国天然气在一次能源中只占

1

?V?首先根据经验数据设??值，将假定值与计算值进行比较直至在误差允许范围

?L?内。

表1.4

mNH3 0.165

mCH4 0.1315

mAr mH2 0.49838

mN2 0.16612

小计 1.0000

0.03935

已知分离器入口混合物组分m?i?

查t=35℃, p=29.1Mpa各组分平衡数据：

表1.5

KNH3 0.098

KCH4 8.200

KAr KH2 27.500

KN2

28.200 34.500

?V?设???11.1代入（3）式中计算各组分溶解液量 ?L?LNH3?mNH3?V?1???KNH3?L??0.165?0.07903kmol

1?11.10*0.098LCH4?mCH40.13115??0.00143kmol

V1?11.10*8.200??1???KCH4?L?LAr?mAr0.03935??0.00013 kmol 1?11.10*28.200?V?1???KAr?L?mH2?V?1???KH2?L??0.49838=0.0163 kmol

1?11.10*27.500LH2?LN2mN20.16612???0.00043 kmol

V1?11.10?34.500??1???KN2?L?分离液体量 L?LNH3?LCH4?LAr?LH2?LN2

7

=0.079031+0.001425+0.000125+0.001627+0.000433 =0.08264kmol

610.91736分离气体量 L?1?L?1?0.082?kmol

计算气液比

?V?V0.91739 ?????11.1005

L0.08261?L??V??V??????11.10?11.1005LL 误差=?????*100%?0.0047%假定正确

V11.10?????L? 分离液体组分含量

液体中氨含量 xNH3?液体中甲烷含量xCH4?液体中氩含量

xAr?0.07899*100%?95.631%

0.08261//LCH4L?0.00143?1.725%

0.08261LAr0.00013?*100%?0.152% L0.08261液体中氢含量xH2?液体中氮含量xN2?氨分离器出口液体含量

LH2LLN2L?0.00163*100%?1.969%

0.082610.00043*100%?0.524%

0.08261?表1.6

NH3

95.631

CH4 1.725

Ar

0.152

H2 1.969

N2

0.524

小计

100

分离气体组分含量 气体氨含量yNH3?mNH3?LNH3V?0.165?0.079031*100%?9.371%

0.917359 8

气体甲烷含量yCH4? 气体氩含量 yAr? 气体氢含量 yH2? 气体氮含量yN2?mCH4?LCH4V??0.13115?0.001425*100%?14.141%

0.917359mAr?LCH4V?0.0393?50.000125*10%0?4.27%5

0.917359mH2?LH2V?0.49838?0.001627*100%?54.151%

0.917359mN2?LN2V0.16612?0.000433*100%?18.062%

0.917359氨分离器出口气体含量

表1.7

NH3 9.371

1.3.5 冷交换器气液平衡计算

根据气液平衡原理x?i??y?i?/K?i?，由于冷交换器第二次气体含量等于合成塔进口气体含量，由合成塔入口气体含量y?i?和操作条件下的分离温度可查出K?i?，便可解出x?i?。

查t??10℃，P?28.3MPa的平衡常数

表1.8

CH4 14.141

Ar

4.275

H2 54.151

N2 18.062

小计

100

KNH3 0.0254

KCH4 27

KAr KH2 75

KN2

51 80

冷交换器出口液体组分含量

出口液体中氨含量 xNH3?yNH3KNH3yCH4KCH4?0.025*100%?98.425% 0.02540.11539*100%?0.427% 27出口液体中甲烷含量xCH4??出口液体中氩含量 xAr?yAr0.03462?*100%?0.068% KAr51 9

出口液体中氢含量xH2?yH2KH2?0.61874*100%?0.825% 75出口液体中氮含量xN2?冷交换器出口液体含量

yN2KN2?0.20625*100%?0.258% 80表1.9

NH3

98.425

CH4

0.427

Ar 0.0679

H2

0.825

N2 0.258

小计

100

1.3.6 液氨储槽气液平衡计算

由于氨分离器出口分离液体和冷交换器出口分离液体汇合后进入液氨储槽，经减压后溶解在液氨中的气体会解吸。两种液体百分比估算值即水冷后分离液氨占总量的百分数。

?1?yG%??yG%?5NH3??y8NH38NH3?y5NH31?yNH3.分???yNH3.分?*100%??1?0.025??0.165?0.09376?*100%?57.588%?0.165?0.025??1?0.09376?

水冷后分离液氨占总量的57.588%， 冷交分离液氨占总量的42.412% 液氨储槽气液平衡计算见图所示

L15,x15iL16,x16iV,y?i?L,x?i? 图1.3

以液氨储槽入口1Kmol液体为计算基准，即L0?1Kmol,入口液体混合物组分含

10

量：m0i?L15x15i?L16x16i=G%L0x15i??1?G%?L0x16i?0.57588x15i?0.42412x16i 混合后入口甲烷含量：

m0CH4?0.57588*0.01724534?0.42412*0.0042735?0.01174 kmol 混合后入口氢含量：

m0H2?0.57588*0.0196921?0.042412*0.00825?0.01484kmol 混合后入口氮含量：

m0N2?0.57588 kmol *0.00523567?0.42412*0.00257813?0.00411 混合后入口氨含量：

m0NH34?0.57588*0.95631082?0.42412*0.98425197?0.96816 kmol 混合后入口氩含量：

m0Ar34?0.57588*0.00151607?0.42412*0.00067873?0.00116 kmol 液氨储槽入口液体含量

表1.10

m0NH3

96.816

m0CH4

1.174

m0Ar 0.116

m0H2

1.484

m0N2

0.411

小计

100

当t=17℃(由热平衡计算得)P=1.568MP平衡常数。

表1.11

KNH3 0.598

KCH4 170

KAr KH2 575

KN2

540 620

根据气液平衡原理 Li?m0i?V? ；另设???0.05，代入上式的；

L?V???1???Kj?L?出口液体氨含量 LNH3?m0NH3?V?1???KNH3?L??0.968161?0.94005kmol

1?0.05*0.598 11

各组分百分含量 y16i? y18NH3? y18CH4? y18Ar? y18H2? y18N2?V18i V18571.219*100%?4.877%

11713.4511316.183*100%?11.237%

11713.451397.847*100%?3.396%

1171.43517085.551*100%?60.491%

11713.4512342.651*100%?20.0%

11713.451 进氨冷器液量等于冷交换气冷凝液氨量 L18?L18NH3?L17NH3?279.832m3(标)

进器总物料?V18?L18?11713.451?279.832?11993.283m3(标)

出器物料:已知出气气体中氮含量为2.500%,设出塔气体中氨含量为bm3(标)

b?0.025解

11713.451?571.219b?278.556m3(标)

则氨冷器中冷凝液量: L18/NH3?V18/NH3?b?571.219?278.556?292.664m3(标) 氨冷器出口总量: L2?L17NH3?L18NH3?279.832+292.664=572.496m3(标) 氨冷器出器气体量: V2?V18?b?11713.451?292.664?11420.787m3(标) V2NH3?27.855m63(标)

V2CH4?V18CH4?131.168m33(标) V2Ar?V18Ar?39.784m73(标) V2H2?V18H2?708.555m13(标) V2N2?V18N2?2342.651m3(标)

各组分百分含量 y2i?V2i V2 22

y2NH3?278.556*100%?2.439%

11420.787y2CH4?y2Ar?y2H2?y2N2?1316.183*100%?11.524%

11420.787397.847*100%?3.484%

11420.7877085.551*100%?62.041%

11420.7872342.651*100%?20.512%

11420.787 出器总物料= V2?L2NH3?11420787?572.496?11993.283m3(标) 1.3.14 冷交换器物料计算

进器物料: 冷交换器进器总物料等于氨冷器出器总物料.其中气体入口

V2?11228.373m3(标),液体入口L2NH3?54.592m73(标).由气液平衡计算得:

V?V5?，y?i?F，m?i?L?L16?，x?i?

以1kmol进口物料为计算基准:即F=1

L?V?F(1)L?V?1(1)或

LxNH3?VyNH3?FmNH3(2)LxNH3?VyNH3?FmNH3(2) 将yNH3?0.025,xNH3?0.98425 代入上式 V?0.98425?mNH30.98425?0.025mNH2xNH3?mNH3xNH3?yNH3

?1.026? (3)

0.95925V2NH3V2 (3)式中mNH3可由物料平衡和氨平衡计算mNH3?

23

?V2'?V1?V'(4)17?? ?V17'?V8?V13?L15(5)?''V?V?L?L?2NH2NH17NH18NH3(6)333?式中V2'??冷交入口总物料：

'V17??冷交热气出口总物料：

V2'NH3??冷交入口总氨物料：

将V8?10049，V13?137.618m3（标），L15?830.5m3（标）代入上.48m3（标）

/式 V17?10049.48?137.618?830.5?9081.362m3(标)

所以V2/?2911.921?9081.362?11993.283m3(标)

V2/NH3?278.556?279.832?292.664?851.051m3(标) 所以mNH3?V2/NH3V2/?851.051?0.071 代入（3）式得：

11993.283V?1.026?0.071?0.95211993.283L?1?V?1?0.952?0.048 L0.048??0.05V0.952L?L??L?由??可求出冷交换器冷凝液体量 16????0.05

V3?V??V?冷凝液体量 L16?0.049V3?0.05*11993.283?574.809m3(标)

出器物料：冷交换气（冷气）出口气体物料等于进口总物料减去冷凝液体量,

V3?V2/?L16?11993.283?574.809?11418.474m3(标)

V3NH3?11418.474*2.5%?285.462m3(标) V3CH4?11418.474*11.539%?1317.516m3(标) V3Ar?11418.474*3.462%?395.255m3(标)

V3H2?11418.474*61.874%?7065.181m3(标) V3N2?11418.474*20.625%?2355.06m3(标)

24

计算误差=

V3?V5*100%??0.023% V5核算氨分离器分离液氨白分率 氨分离器分离液氨百分率 G分%??L15X15*100%

L15X15?L16X16830.5*0.95631*100%?58.399%

830.5*0.95631?574.809*0.98425冷交分离液氨百分数 G %?1?G %?1?58.399%?41.601% 计算误差=

G/?G分G/*100%?0.57588?0.58399??1.389%

0.583991.3.15 液氨储槽物料计算

氨分离器入槽液体L15?830.5m3(标)

L15NH3?83.05*0.9563?179.421m63(标) L15CH4?830.5*0.01725?14.32m23(标) L15Ar?83.05*0.0015?21.25m93(标)

L15H2?830.5*0.01969?16.354m3(标) L15N2?830.5*0.00524?4.248m3(标)

冷交换器入槽液体L16?574.809m3(标)

其中 L16NH3?574.809*0.98425?565.757m3(标)

L16CH4?574.809*0.00427?2.456m3(标) L16Ar?574.809*0.00068?0.39m3(标) L16H2?574.809*0.00825?4.742m3(标) L16N2?574.809*0.00258?1.482m3(标)

入槽混合物料： L21?L15?L16?830.5?574.809?1405.327m3(标) 各组分物料含量：

3 L21NH3?794.216?565.757?1359 .973m（标） 25

3 L21CH4?14.332?2.456?16.779m（标）3 L?1.259?0.39?1.649m（标） 21Ar

3 L21H2?16.354?4.742?21.096m（标）3 L21N2?4.348?1.482?5.83m（标） 百分含量 x21i?L21i L211359.973*100%?96.773%

1405.32716.779*100%?1.194%

1405.327 x21NH3? x21CH4? x21Ar? x21H2? x21N2?1.649*100%?0.117%

1405.32721.096*100%?1.501%

1405.3275.83*100%?0.415%s

1402.3273 出槽物料：液氨储槽出口弛放气 V20?81.355m（标）

3 V20NH3?81.355*0.48427?39.398m （标）3 V20CH4?81.355*0.18104?14.728m （标）3 V?81.355*0.01929?1.569m（标）20Ar

3 V20H2?81.355*0.24707?20.101m（标）3 V20N2?81.355*0.06857?5.579m（标） 出口液氨总物料 L19?L21?L20?1405 .327?81.355?1323.953m3(标）L19NH3?L21NH3?L20NH3?11359.973?39.398?1320.575m3 L19CH4?L21CH4?L20CH4?16.779?14.729?2.051m3

L19Ar?L21Ar?L20Ar?1.649?1.569?0.008m3 L19H2?L21H2?L20H2?21.096?20.101?0.996m3

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