年产20万吨氨的生产工艺设计

I年产20万吨氨的生产工艺设计I目录摘要1第一章概述21.1氨的发现与合成..............................................21.2氨的物化性质................................................21.3氨的用途.....................................................31.4合成氨的原料.................................................3第二章合成氨的工艺确定................................42.1电化学方法常压合成氨........................................42.2常温常压流光放电合成氨......................................42.3天然气合成氨................................................52.4生物固氮合成氨..............................................5第三章原料气的净化......................................63.1湿法脱硫....................................................63.2一氧化碳变换................................................63.3二氧化碳的脱除..............................................73.4原料气的精制.................................................83.4.1铜氨液吸收法...........................................83.4.2甲烷化法...............................................93.4.3深冷液氨洗涤法........................................10II第四章合成氨的基本原理及工艺操作条件...................114.1氨合成的基本原理............................................114.2合成氨的工艺操作条件........................................114.2.1反应温度..............................................114.2.2反应压力..............................................124.2.3空间速度..............................................144.3催化剂......................................................154.3.1催化剂的组成和作用....................................154.3.2催化剂的还原和使用....................................16第五章合成氨的工艺流程及设备...........................185.1合成氨的工艺流程............................................185.2合成氨的主要设备...........................................195.2.1氨合成塔..............................................19第六章合成塔的物料衡算和热量衡算.......................216.1物料衡算...................................................216.2热量衡算...................................................23第七章合成氨的发展方向.................................267.1节能降耗...................................................26III7.2提高运转率.................................................267.3产品结构...................................................26致谢.......27参考文献...28附图一.....29附图二.....30-1-摘要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。合成氨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，用量约占世界氨产量的12%。氨还应用于国防工业和尖端技术中，制作三硝基苯酚、硝化甘油、硝化纤维等多种炸药都消耗大量的氨。生产导弹、火箭的推进器和氧化剂，同样也离不开氨。还可以作冷冻、冷藏系统的制冷剂。本设计是以氮气和氢气为原料，用合成法制备氨气。文章中主要介绍了氨气的产生、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，并对主要设备进行了物料衡算和热量衡算。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：氮气氢气合成氨氨合成塔-2-第一章概述1.1氨的发现与合成氨是1754年普里斯特利（Priestley）加热氯化铵和石灰混合物时发现的。1784年，伯托刊确定氨有氮和氢组成。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求，促使人们研究将空气的游离态氮转变成氨的方法。1901年，昌查得利第一个提出氨的合成条件时高温、高压并采用适当的催化剂。随后哈伯（Haber）和能斯特(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实验。1.2氨的物化性质氨在标准状态下是无色气体，比空气密度小，具有刺激性气味，会灼烧皮肤、眼睛，刺激呼吸气管粘膜。空气中氨质量分数在0.5%～1.0%时，就能使人在几分钟内窒息。氨的相对分子质量为17.03，沸点（0.1013MP）-33.35℃,,冰点-77.7℃,临界温度132.4℃，临界压力11.28MPa。液氨的密度（0.1013MPa、-33.4℃）为0.6813kg/L。标准状态下气氨的密度7.714×10-4kg/L.摩尔体积22.08L/mol。液氨挥发性很强，气化热较大。氨极易容易水，可生成含氨15%～30%（质量分数）的商品氨水，氨溶解时放出热。氨与空气或氧的混合物在一定范围内能够发生爆炸，常压、常温下的爆炸范围分别为15.5%～28%和13.5%～82%。氨的化学性质较活泼，能与酸反应生成盐。如：与磷酸反应生成磷酸铵；与硝酸反应生成硝酸铵；于二氧化碳反应生成氨基甲酸氨，脱水后生成尿素；二氧化碳和水反应生成碳酸氢铵等等。氨水溶液呈弱碱性，但在有水存在的条件下，对铜、银、锌等金属有腐蚀作用。-3-1.3氨的用途氨主要用来制造化学肥料，也作为生产其他化工产品的原料。基本化学工业中的硝酸、纯碱，含氮无机盐，有机化学工业中的含氮中间体，制药工业中的磺胺类药物、维生素、纤维素、氨基酸、化纤和塑料工业中的己内酰胺、己二胺,甲苯二异氰酸酯、人造丝、丙烯、酚醛树脂等，都需要直接或间接以氨为原料。氨还应用于国防工业和尖端技术中，制作三硝基苯酚、硝化甘油、硝化纤维等多种炸药都消耗大量的氨。生产导弹、火箭的推进器和氧化剂，同样也离不开氨。还可以作冷冻、冷藏系统的制冷剂。1.4合成氨的原料合成氨，首先需要含氢气和氮气的原料气。氮气来源于空气，可以在低温下将空气液化分离而得，也可制氢过程中加入空气，氮的生产大多采用后者。氢气的主要来源是水、碳氢化合物中的氢元素以及含氢的工业气体。氮、氢原料气的生产，除需要含有氮、氢元素的原料外，还需要提供能量的燃料。因此，工业生产所需要的原料既有提供氮、氢的原料，也有提供能量的燃料。空气和水到处都有，取之容易，故一般合成氨生产原料不包括空气和水，主要有：（1）固体原料如焦炭和煤（2）气体原料如天然气、油田气、焦炉气、石油废气、有机合成废气等（3）液体原料如石脑油、重油、原油等常用合成氨原料有焦炭、煤、焦炉气、天然气、石脑油和重油-4-第二章合成氨的工艺确定既要解决人类对于氨需求量的持续增加，又要面临人类全球能源问题的不断突出，发展新型、效率更高、消耗更低、与环境友好的合成氨新技术是保证全球可持续发展的必要要求。许多科学家在这方面已经做了大量的工作，发展出一系列合成氨新方法，如常温常压流光放电合成氨，光催化合成氨，生物固氮合成氨，气电化方法合成氨等。2.1电化学方法常压合成氨的原理电化学方法常压合成氨的原理为：在质子导体电解质反应器的阳极通入氢气，再外加电压的作用下，H2在具有一定活性的电极表面电解为质子：3H2→6H++6e-质子通过固体电解质传输到阴极，并于阴极捅入的氢气发生半反映，生成：N2+6H++6e-→2NH3。全反应为：3H2+N2→2NH3电化学方法常压合成氨原理图如图2-1此反应不再可逆，大大提高了反映效率，提高了原料气的利用率，是催化活化的非法拉电化学修饰效应不再受到热力学的限制。图2-1电化学法常压合成氨原理图2.2常温常压流光放电合成氨在常温常压条件下，利用超强脉冲电场在整个反应器内产生强烈流光放电，-5-将氮气和氢气电离离解，产生大量自由原子，离子，自由基等，其生产氨的浓度可达3700mg/cm22.3天然气合成氨天然气制氨。天然气先经脱硫，然后通过二次转化，再分别经过一氧化碳变换、二氧化碳脱除等工序，得到的氮氢混合气，其中尚含有一氧化碳和二氧化碳约0.1％～0.3％（体积），经甲烷化作用除去后，制得氢氮摩尔比为3的纯净气，经压缩机压缩而进入氨合成回路，制得产品氨。以石脑油为原料的合成氨生产流程与此流程相似。2.4生物固氮合成氨合成氨的生产和发展为化肥工业、化学工业提供反映氮素这个重大问题是紧密相关、互不可分的。生物固氮是指自然界中一些微生物和蓝藻等生物体内一种固体酶的催化作用将大气中氮转化成氨的过程。生物固氮与目前工业上生产合成氨相比具有极大优越性和环保优势，目前工业上生产合成氨除需要空气和水外。尚需要消耗大量的能源和复杂的化学化学工艺过程和大量设备，生产合成氨必须在高温高压催化剂条件下进行，且转化率一般不超过20%，而且随生产进行，尚有部分废气、废水、废渣排放，对环境造成污染。而生物固氮是在常温、常压固氮酶催化作用下进行的，且效率较高。如果人工合成模拟化合物，在常温常压条件下合成氨，将对氮肥和化学工业生产深远的影响，并为合成氨带来一场革命。-6-第三章原料气的净化3.1湿法脱硫采用溶液吸收硫化物的脱硫方法统称为湿法脱硫，适用于含大量硫化氢气体的脱除。湿法脱硫的脱硫液可以再生循环使用并回收富有价值的硫磺。湿法脱硫方法众多，可分为化学吸收法、物理吸收法和物理化学吸收法三类。按再生方式又可分为循环法和氧化法。循环法是将吸收硫化氢后的富液在加热降压或汽提条件下解吸硫化氢，溶液循环使用。氧化法吸收硫化氢后的富液用空气进行氧化，同时将液相中的HS-氧化成单质硫，分离后溶液循环使用。其过称示意如下：载氧体（氧化态）+HS-→载氧体（还原态）+S↓(3-1)载氧体（还原态）+1/2O2→载氧体（氧化态）+H2O（3-2）上述过程是在催化剂作用下进行的，工业上使用的催化剂有对苯二酚。目前应用较广的的改良ADA法就属