合成塔的设计合成塔的设计一、概述合成氨是世界上较为重要的基础化学品之一，氨既是主要最终产品，也是重要的中间体。
氨的用途，无论是直接应用还是作为中间体，主要均在化肥领域。
在无机和有机化学品制造中，氨也有许多其他较次要的用途，例如制造**和丙烯晴。
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;同时也是能源消耗的大户,世界上大约有10 %的能源用于生产合成氨。
氨主要用于农业,合成氨是氮肥工业的基础,氨本身是重要的氮素肥料,其他氮素肥料也大多是先合成氨、再加工成尿素或各种铵盐肥料,这部分约占70 %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,用于生产铵、胺、染料、炸药、制药、合成纤维、合成树脂的原料,这部分约占30 %的比例,称之为“工业氨”。
未来合成氨技术进展的主要趋势是“大型化、低能耗、结构调整、清洁生产、长周期运行”。
从20 世纪20 年代世界第一套合成氨装置投产,到20 世纪60 年代中期,合成氨工业在欧洲、美国、日本等国家和地区已发展到了相当高的水平。
美国Kellogg 公司首先开发出以天然气为原料、日产1 000 t 的大型合成氨技术,其装置在美国投产后每吨氨能耗达到了4210 GJ 的先进水平。
Kellogg 传统合成氨工艺首次在合成氨装置中应用了离心式压缩机,并将装置中工艺系统与动力系统有机结合起来,实现了装置的单系列大型化(无并行装置) 和系统能量自我平衡(即无能量输入) ,是传统型制氨工艺的最显著特征,成为合成氨工艺的“经典之作”。
之后英国ICI、德国Uhde 、丹麦Topsoe 、德国Braun 公司等合成氨技术专利商也相继开发出与Kellogg 工艺水平相当、各具特色的工艺技术,其中Topsoe 、ICI 公司在以轻油为原料的制氨技术方面处于世界领先地位。
这是合成氨工业历史上第一次技术变革和飞跃。
传统型合成氨工艺以Kellogg 工艺为代表,其以两段天然气蒸汽转化为基础,包括如下工艺单元:合成气制备(有机硫转化和ZnO 脱硫+ 两段天然气蒸汽转化) 、合成气净化(高温变换和低温变换+ 湿法脱碳+ 甲烷化) 、氨合成(合成气压缩+ 氨合成+ 冷冻分离) 。
传统型两段天然气蒸汽转化工艺的主要特点是:①采用离心式压缩机,用蒸汽轮机驱动,首次实现了工艺过程与动力系统的有机结合。
②副产高压蒸汽, 并将回收的氨合成反应热预热锅炉给水。
③用一段转化炉烟道气预热二段空气,提高一段转化压力,将部分转化负荷转移至二段转化。
④采用轴向冷激式氨合成塔和三级氨冷,逐级将气体降温至- 23 ℃,冷冻系统的液氨亦分为三级闪蒸。
在传统型两段蒸汽转化制氨工艺中,Kellogg 工艺技术应用最为广泛,约有160 套装置,其能耗为3717～41. 8 GJ / t 。
经过节能改造后平均能耗已经降至3517 GJ / t 左右。
我国目前有大型合成氨装置共计34 套,生产能力约1 000 万t/ a ;其下游产品除1 套装置生产硝酸磷肥之外,均为尿素。
按照原料类型分:以天然气 (油田气) 为原料的17 套,以轻油为原料的6 套,以重油为原料的9 套,以煤为原料的2 套。
除上海吴泾化工厂为国产化装置外,其他均系从国外引进,按照专利技术分:以天然气和轻油为原料的有Kellogg传统工艺(10 套) 、Kellogg - TEC 工艺(2 套) 、Topsoe工艺(3 套) ,及20 世纪90 年代引进的节能型AMV工艺(2 套) 、Braun 工艺(4 套) 、KBR 工艺(1 套) ;以渣油为原料的Texaco 工艺(6 套) 和Shell 工艺(3套) ;以煤为原料的Lurgi 工艺(1 套) 和Texaco 工艺 (1 套) ,荟萃了当今世界上主要的合成氨工艺技术。
20 世纪七八十年代引进的天然气合成氨装置均已对其进行了以“节能降耗”和“扩能增产”为目的的两轮与国外装置类似的技术改造,合成氨能耗由41187 GJ / t 降至33149 GJ / t ,生产能力提高了15 %～22 %;轻油型合成氨装置也进行了类似的增产节能技改,将能耗降至3712 GJ / t ,生产能力提高了15 %左右。
20 世纪80 年代引进的渣油型合成氨装置也进行过增产10 %的改造,主要改造内容是气化装置增设第3 系列,空分工艺改为分子筛流程,目前已经具备了实现1 100 万t/ a 合成氨的条件。
20 世纪90 年代,在高油价和石油深加工技术进步的双重压力下,为了改善装置的经济性,多套装置开始进行以“原料结构和产品结构调整”为核心内容的技术改造,原料结构调整包括轻油型装置的“油改煤”(采用Shell 或Texaco 煤气化工艺,以煤替代轻油) 、渣油型装置的“油改气”(采用天然气部分氧化工艺,以天然气替代渣油) 或“渣油劣质化”(使用脱油沥青替代渣油) ;产品结构调整包括转产或联产氢气、甲醇等。
二、中、小型氮肥装置我国目前有中型合成氨装置55 套,生产能力约为500 万t/ a ;其下游产品主要是尿素和硝酸铵;其中以煤、焦为原料的装置有34 套,以渣油为原料的装置有9 套,以气为原料的装置有12 套。
目前有小型合成氨装置700 多套,生产能力约为3 000万t/ a ;其下游产品原来主要是碳酸氢铵,现有112 套经过改造生产尿素。
原料以煤、焦为主,其中以煤、焦为原料的占96 % ,以气为原料的仅占4 %。
我国引进大型合成氨装置的总生产能力为1 000 万t/ a ,只占我国合成氨总能力的1/ 4 左右,因此可以说我国氮肥工业主要是依靠自力更生建设起来的。
在此过程中,研究开发了许多工艺技术,促进了氮肥生产的发展和技术水平的提高,包括:合成气制备、CO 变换、脱硫脱碳、气体精制和氨合成技术。
氨作为最终产品和中间体的主要功能是提供反应态的氮。
氨不同于其他基础化工原料的特点是其主要组分氮容易就地取得，而且取之不竭。
氨合成主要经过四道工序：（1）水和烃或煤反应生产“合成气”。
即氢和一氧化碳的气体混合物；（2）“变换”工序，合成气中的一氧化碳与水反应多产生些氢；（3）氢的净化；（4）氢与氮（来自第一道工序中去掉氧的空气）反应而生成氨。
三、氨的性质及其生产工艺1、氨的物理性质氨是无色气体，具特有的强烈刺激性气味（空气中允许NH3最高含量规定为0.02毫克/升，若达0.5％则强烈刺激粘膜，引起眼睛和呼吸器官的症状）。
密度0.771克/升(标准状况)，比同体积的空气轻。
沸点-33.35℃，高于同族氢化物PH3、AsH3，易液化，在常温下冷却到-33.35℃或在常温下加压到0.7*105～0.8*105Pa，气态氨就凝结为无色的液体同时要放出大量的热。
熔点-77.7℃。
液氨密度0.7253克/厘米3，气化热大，达23.35千焦/摩，是常用的致冷剂。
2氨的化学性质氨的化学性质较为稳定，具碱性和弱还原性。
极易溶于水，20℃时1体积水能溶解702体积NH3，氨的水溶液叫氨水。
液氨是极性分子，似水，可发生电离，液氨也能溶解一些无机盐如NH4NO3、AgI。
常见反应如体现其碱性的加合，与水生成NH3·H2O，在溶液中有平衡关系：·NH3 ·H2O=HO-+NH4+氨的弱还原性表现于如对O2、Cl4NH3+3O2(纯) 2N2+6H2O8NH3+3Cl2 N2+6NH4Cl3合成氨工艺用N2、H2直接在一定条件下化合为NH3。
工业合成氨的关键反应为：N2+3H2 =2NH3+Q最适条件是以铁触媒为催化剂在高温、高压下反应，温度400～550℃，过高则化学平衡强烈向左移动，过低则反应速度过慢，降低单位时间氨产量，此温度也是催化剂活性最强的温度范围。
压强高平衡右移有利于NH3的生成，但过高则给设备和技术条件造成困难，常以150～300兆帕为宜，过低则平衡右移微弱致使NH3产量降低。
工业上以空气、水、煤、天然气、石化产品等首先制得N2、H2，经严格提纯(防止催化剂中毒)，给N2：H2=1：3(体积)的混合气体施以高压，通入装有铁触媒的合成塔，在高压和400～550℃条件下反应，仅有部分N2、H2合成NH3。
再导出冷却分离出NH3后将未反应的N2、H2循环使用，以提高原料利用率降低成本。
若以焦炭、水、空气为原料时，理论上用于计算的关系式为3C～4NH3。
流程见下图。
焦炭氨4、合成塔设计条件设计规模及特点：氨合成塔外壳是高温、高压设备，其设计参数如下：设计压力／MPa 31.4设计温度／℃筒体200，底部400工作介质N2、H2、CH4、NH3、Ar设备内径／mm 1600腐蚀裕度／mm 1设备容积／m 331.9密封形式双锥(设备大开口)容器类别三类其设计塔如下：按照实际生产条件，计算新鲜气消耗及损失气体量：1、合成塔入口t=25℃p=290公斤/厘米²（绝对压力）气体成分：H2 63.5% N2 21.8% NH3 4.2%CH4 3.5% Ar 7.0%2、合成塔出口t=190℃气体成分NH3 15.2%3、分离器出口t=30℃p=275公斤/厘米²（绝对压力）气体成分NH3 9.0%4、新鲜气补入气体成分CH4 0.3% Ar 0.5%5、蒸发器出口t=5℃p=294公斤/厘米²气体成分NH3 4.2%计算：以1吨氨为基准1、每吨NH3所需的循环气量G=0.77V1(Y2-Y1)/(1+Y2)V1=G(1+Y2)/0.77(Y2-Y1)V1=1000*(1+0.152)/0.77*(0.152-0.042)=13600米³式中：G-------氨产量（公斤）V1------每吨氨所需循环气量米³Y2-------合成塔出口氨含量%Y1--------合成塔入口氨含量%0.77-------标准状况下气氨的重度公斤/米³23、合成塔出口气量及成分：生成NH3 1000/0.77=1299米³耗H2 1299*1.5=1949米³耗N2 1299*0.5=649米³分离器出口气量及成分分离器冷凝NH3量G1G1 = V2(Y2-Y3)/(1-Y3)= 12301*(0.125-0.09)/(1-0.09)= 838 米³=0.6453吨= 645公斤式中：G1--------分离冷凝NH3量（公斤）V2---------分离器入口气体量（米³）Y2---------合成塔出口氨含量（%）Y3----------分离器出口氨含量（%）NH3冷凝后的气体量计组成气体的溶解损失t=30℃p=275 公斤/厘米²（绝对压力）H2 = 275*0.6453*0.582*0.112=11.6米³N2 = 275*0.6453*0.202*0.127=4.6米³CH4= 275*0.6453*0.042*0.392=2.9米³Ar = 275*0.6453*0.084*0.161=2.4米³分离器出口的气量及成分冷凝塔冷凝NH3量G2G2=1-0.6453=0.3547吨=0354.7公斤式中：G2--------冷凝塔冷凝NH3量0.6453(G1)-----分离器冷凝NH3量气体的溶解损失为：t = 5℃p=294 公斤/厘米²（绝对压力）H2 = 294*0.3547*0.635*0.09=6米³N2 = 294*0.3547*0.218*0.117=2.7米³CH4= 294*0.3547*0.035*0.268=2.9米³Ar = 294*0.3547*0.07*0.151=1.1米³新鲜气定额及气体损耗溶解损失CH4+Ar（分离器+冷凝塔）2.9+2.4+1+1.1=7.4米³溶解损失H2+N2+CH4+Ar（分离器+冷凝塔）11.6+4.6+6+2.7+7.4=32.3米³V0=2635+V01(1+0.09)+32.3米³V0=（0.003+0.005）=V01(0.041+0.083)+7.4米³解上二方程得V0=2801米³折合仪表状态（t=20）℃V0=3006米³V01=123米³四、合成塔结构氨合成塔外壳顶部采用球形封头与端部法兰之间用30个M115×4的大螺栓紧固，双锥密封结构。