技术经济分析和综合利用
2.降低能耗和能量综合利用 合成氨工厂是大量消耗能量的工业，因此降低能耗一直
是技术改造的一个最重要方面。经过几十年的努力，到六 十年代中期，每生产1t氨的能耗以降低到35~36，仅及老式 的以煤为原料的能耗（88）的40%，七十年代由于采用种 种新技术，能耗进一步降至30~31，80年代已达到25~26 以下。
投资/亿元 能耗/（GJ。t-1） 成本/（元。t-1）
各种原料制氨的经济指标
天然气
5.6 28~30
257
石脑油
6.5 35.5 309~447
重油
8.0 41.8 220~280
煤焦
/ 54.4 500
从世界范围讲，以天然气，油田气为原料的工厂占60%以上。其 次是与天然气接近的轻油和炼厂气。以煤为原料的只不过10%。
原则：不析碳，原料充分利用，能耗小。
空速
指单位时间内通过单位体积催化剂的气体量(标准状态下的体积)。单位h-1.
基准：以整个原料气的干基、湿基，或以甲烷、氮气为 基准。催化剂活性高时都可增加空速，以提高生产能力。 实际操作时，二段转化为了使催化剂即将更换时仍能满 足工艺要求，可选低一点。但空速的决定与日产量有很 大关系。
技术经济分析和综合利用
（1）它有一整套热回收系统，所以能量消耗少，这就是大 幅度降低成本的主要原因。 （2）它采用高速（每分钟1万转以上）离心压缩机。与往复 压缩机比较没有易损零件（气阀、填料、活塞环等），连续 运转安全可靠，生产能力大，单机运行（不用多机并联，也 不用设备机），占地面积小，因此投资和维修费用较低。这 是降低成本的另一重要原因。 （3）由于采用离心压缩机，避免了润滑油污染气体，可以 使氨的合成设备减少，流程更加合理。
N2、H2 原料气制取 净化 压缩 合成 分离
液氨
氨合成塔
1. 结构特点及基本要求
基本要求：维持自热、有 利于升温还原、催化剂生 产强度大；催化剂床层分 布合理、保持催化剂活性； 气流均匀、压降小；换热 强度大、换热体积小、塔 内空间利用率高；生产稳 定、操作灵活、操作弹性 大；结构简单可靠、内件 有自由余地。
综合化:一方面是多种化工过程（传动过程、传热过程、传 质过程、化学反应过程）有机地组合；另一方面是为了提 高原料和热量的综合利用。这种综合利用常使生产过程中 出现大量物料回流和热量回流，以及不同产品的联合生产。 上述两种综合化出是其他工业生产很少有的。
技术经济分析和综合利用
评论化工生产的标准和其它工业一样，概括地讲 就是高产、优质、低耗、安全生产。联系化工实际， 也可以概括成：物料和能量的综合利用率，减少生产 费用和有利于环境保护等。
一段炉温度 主要考虑投资费用及设备寿命，
一般选择760~800℃
原因：一段炉最重要最贵的合金钢管在温度为 950℃时寿命8.4万小时，960℃时减少到6万小时。 一段炉投资约为全厂30％，其中主要为合金钢管。
二段炉温度 主要按甲烷控制指标来确定。压力和 水碳比确定后，按平衡甲烷的浓度来确定温度。一
下表说明了国外大型化合成氨厂在投资和生产费用方面 的经济成果。
技术经济分析和综合利用
不同生产规模的投资
产量/（ t•d-1 ）
200
主要设备费/百万美元
3.6
附属设备费/百万美元
0.9
总建厂费/百万美元
4.5
400 600 800 1000
5.8
7.7
9.5 11.2
1.5
1.9 2.4 2.8
7.3
9.6 11.9 14.0
比投资/（美元•吨-1•年-1） 4.3
52.1 45.7 42.6 40.0
表中指出，生产规模增大，投资也增大，但比投资却下 降。生产成本不仅与原料的种类和价格有关，还与设备规 模有关。生产规模超过1000 t•d-1 以后，生产成本的降低越 来越少。与此相反，对于交通运输，市政建设等可能提出 更高的要求。因此，工厂规模和其他技术经济指标一样， 在一定条件下是有一个限度的。
鉴于氨在国民经济中的重要性，许多国家都集中主要力量解决 与合成氨有关的技术和理论问题。如高压技术、煤的气化、深冷技 术、气体净制、特种钢材、催化理论等。因此，合成氨的发展，又 在理论上和技术上指导了其他新型的工业，如人造石油、甲醇、尿 素的合成。乙烯的高压聚合等。
氨是用氢、氮合成的，所以合成氨的直接原料为氢和氮
氨合成原则流程
氨的生产过程，粗略的讲可分成四步：原料的生产；原料气 的净化；氨的合成；氨的分离。除氨的合成外，其它过程的转化率 和分离率都比较高。由于氨合成的转化率较低，反应后的气体经氨 分离后循环返回合成塔。氨生产的原则流程：
造 原料
净 化
氨 的 合 成
氨 的 分 离
氨
气
循环气
在这个原则流程中，氨的合成是核心，原料气的生产和净化 工艺必须满足氨的合成要求，氨的分离和循环气返回合成塔 的工艺，也主要是根据合成反应的结果来确定的。
调温方便、床层通气面
图 1.37
大阻力小。
一种径向冷激式合成塔如图 1.40。其优点是：气体通过 床层路径短，通气面积更大， 阻力更小；适宜用更小粒度 催化剂，提高内表面积，减 少内扩散影响；催化剂还原 均匀；降低能耗，更适宜于 离心式压缩机。
图 1.39
图 1.40
技术经济分析和综合利用
现代化学工业的发展趋向，有两个重要的特点： 大型化:一是过程综合化。大型化不中是产量大规模化，主 要是设备大型化，大型化工生产的一个设备的生产能力实 验室的比较，可以大几万倍。这就给生产带来许多问题。 这是其他工业生产很少有的。
2.几种典型合成塔结构 一种合成塔结构如图1.34。
图 1.34
单管并流式合成塔和轴
向冷激式合成塔结构如
图1.37和1.38。目前大
型氨厂用冷激式多，它
具有各床层温度调节方
便，操作更接近最佳温
度。其操作床层温度分
布情况如图1.39。
冷激式合成塔主要优点：
结构简单、催化剂分布 图 1.38
和温度分布均匀、控温
以一个用天然气为原料的合成氨厂为例，生产的 各项费用中原料占40%，补充材料为催化剂等5%，电 和水费5%，人工和管理费20%，，折旧27%，税收 3%。当然这只是一个参考数字。如果该用其它原料， 原料费最高可达60~70%。补充材料费主要决定于工 艺条件和操作水平。人工和管理费用主要取决于生产 规模等。
般要求yCH4<0.005,出口温度应为1000°C左右。实际 生产中，转化炉出口温度比达到出口气体浓度指标
对应的平衡温度高，这个差值叫平衡温距。

T＝T－Te（实际温度－平衡温度）
平衡温距低，说明催化剂活性好。一、二段平衡温
距通常分别为10~15 °C和15~30 °C 。
水碳比
水碳比高，残余甲烷含量降低，且可防止析碳。因 此一般采用较高的水碳比，约3.5~4.0。
化肥厂合成氨工艺过程及节能分析
合成氨 Synthesis of Ammonia
小组成员：王涵森、王文亮、张帆、屈卫、吴位峰、刘伟、邢海轮、姚宝玮
一、 概 述
1、合成氨的重要性 氨的合成使人类从自然界制取含氮化合物的最重要方法。氮则
是进一步合成含氮化合物的最重要原料，而含氮化合物在人民生活 中都是必不可少的。1977~1978年，世界含氮化合物产量为4935万吨 氮，1980~1981则达6284万吨。
分离氨后再升温进入氨 合成塔。低压氨分离器 是为了分离要求设置的。
流程特点：先循环混合 再冷却分离，冷冻功耗 小但循环功耗大。总能 耗小。
新鲜气压缩后换热进合成塔，出塔气经冷却两级 氨冷后经氨分离器分离氨后循环。特点：先分离 氨再循环，分离功耗小，但压缩功大，合成压力 30MPa。
图 1.33
合成氨工业的主要流程
催化剂
氨合成时采用以铁为主体的催化剂。铁催化剂按下列组成配
料：Fe2O3 54∼68%，FeO 29∼36%，Al2O3 2∼4%，K2O 0.5∼0.8%， CaO 0.7∼2.5%，MgO若干。
催化剂的活性成分是铁。使用时将催化剂装在反应器内用原
料气使铁的氧化物还原成铁。这种铁具有海绵状结构，内表面积
锅炉；8、汽包；9、辅助锅炉；10、排风机；11、烟囱
3. 主要设备
烧
一段转化炉
嘴
是烃类蒸汽转化的关键设备之一。它由对流段和 辐射段组成。
回收热量
对流段
辐射段
图 1.10
图 1.11
烧嘴
炉管 炉管 烧嘴
烟道气
烧嘴 炉管
炉管
（a)顶部烧嘴炉
(b)侧壁烧嘴炉
烧嘴
炉管
（c)梯台炉
二段转化炉
A：氨除了本身可以作为肥料外，它是进一步制取各种氮肥的原料。
氮肥是现代农业生产比不可少的，年增加率达7%。目前有氨制成的 氮肥，最重要的是尿素、硝酸铵、硫酸铵、碳酸氢铵、磷酸铵等。 氨用于生产各种氮肥约占其总产量的80%~90%。
B：氨可用来制造硝酸、硝酸盐、铵盐、氰化物等无机物，也可
用来制造胺、磺胺、腈等有机物。氨和这些含氮化合物是生产燃 料、炸药、医药、合成纤维、塑料等的原料。
催化剂有多种型号，以我国A10型催化剂为例，起燃温度为370 ℃，耐热温度为500 ℃，活性最高时的温度为450 ℃左右。
1.工艺条件
压力 通常为3~4MPa
采用加压条件的主要原因：
降低能耗
能量合理利用
提高余热利用价值

全厂流程统筹
减少设备体积降低投资 综合经济效益
温度:理论上，温度↑反应越有利。
燃烧之前，转化气与空气必须充分混合，以避免局 部过热而损坏炉体。因而通入的空气先要经一空气 分布器。一种空气分布器的形式如图。