兰州交通大学毕业设计题目系别专业指导教师教研室主任学生姓名接受任务日期完成任务日期兰州交通大学毕业论文任务书系专业班题目起止日期年月日起至年月日止指导老师教研室主任（签名）系主任（签名）学生姓名批准日期年月日接受任务日期年月日完成任务日期年月日一、设计（论文）的要求：1、说明书包括前言，合成氨变换工段工序原理，工艺条件及工艺流程确定，以及主要设备的选择说明，对本设计的评述。

2、计算部分包括物料衡算，热量衡算，有效能利用率计算，主要设备计算。

3、图纸带控制点的工艺流程图。

二、设计（论文）的原始数据：天然气成分：以实际工作数据为依据来进行。

年工作日330天,其余数据自定。

三、参考资料及说明：《化工工艺设计手册》（上、下册）,《合成氨工学》、《化工制图》、《化工原理》、《化学工程》、《化工设计概论》以及关于合成氨的其他相关杂志。

日产600吨化为800吨合成氨塔的设计摘要：介绍了合成氨各种原料制造气工艺路线，比较各种工艺路线及技术经济指标，提出合理的合成氨改造建议。

关键词：合成氨原料改造Nissan 600 tons of 800 tonstower design of Synthetic AmmoniaWangshengyinA BSTRACT Introduced all kinds of material of Synthetic Ammonia, craft line with all kinds of craft line and economic indicators, reasonable reform proposals of Synthetic Ammonia.KEYWORDS synthetic ammonia raw material reform前言氨是一种重要的化工产品，主要用于化学肥料的生产。

合成氨生产经过多年的发展，现已发展成为一种成熟的化工生产工艺。

合成氨的生产主要分为：原料气的制取；原料气的净化与合成。

粗原料气中常含有大量的C，由于CO是合成氨催化剂的毒物，所以必须进行净化处理，通常，先经过CO变换反应，使其转化为易于清除的CO2和氨合成所需要的H2。

因此，CO变换既是原料气的净化过程，又是原料气造气的继续。

最后，少量的CO用液氨洗涤法，或是低温变换串联甲烷化法加以脱除。

变换工段是指CO与水蒸气反应生成二氧化碳和氢气的过程。

在合成氨工艺流程中起着非常重要的作用。

目前，变换工段主要采用中变串低变的工艺流程，这是从80年代中期发展起来的。

所谓中变串低变流程，就是在B107等Fe-Cr系催化剂之后串入Co-Mo 系宽温变换催化剂。

在中变串低变流程中，由于宽变催化剂的串入，操作条件发生了较大的变化。

一方面入炉的蒸汽比有了较大幅度的降低；另一方面变换气中的CO含量也大幅度降低。

由于中变后串了宽变催化剂，使操作系统的操作弹性大大增加，使变换系统便于操作，也大幅度降低了能耗。

工艺原理：一氧化碳变换反应式为：CO+H2O=CO2+H2+Q (1-1)CO+H2 = C+H2O (1-2)其中反应（1）是主反应，反应（2）是副反应，为了控制反应向生成目的产物的方向进行，工业上采用对式反应（1—1）具有良好选择性催化剂，进而抑制其它副反应的发生。

一氧化碳与水蒸气的反应是一个可逆的放热反应，反应热是温度的函数。

变换过程中还包括下列反应式：H 2+O2=H2O+Q1.各种合成氨原料造气工艺路线及制造成本的比较A.以天然气为原料工艺流程：以天然气为原料合成氨工艺流程简图（1）天然气进入转化工序之前，需将天然气中的硫化物脱去,天然气的精脱硫可采用氧化锌法（中温脱除法）或加氢转化串接氧化锌法。

脱硫后接下来就开始将天然气转化为合成气，这道工序是整个合成氨的关键工序，投资占总投资的50%以上，而且转化工序的能耗在总能耗中也处于决定性地位，转化工序通常包涵两段，第一段为蒸汽转化，第二段是配入适量空气，提供合成氨所需要的氮，以及使氧与一段未转化的甲烷发生不完全燃烧，产生高温，供残余甲烷继续转化，就热力学平衡而言，天然气的蒸汽转化要在低压下进行，升高压力对转化不利。

但事实上转化仍在较高压力下进行，目的是降低整个装置的能耗、缩小装置尺寸和提高催化剂床层的给热系数。

压力的升高需要以提高温度来弥补对转化率不利的影响。

在转化过程中的水碳比（是蒸汽和甲烷的质量比）应超过化学计量要求，这不仅是为了加速反应更主要的是为了防止产生析碳反应，然而高的水碳比回事装置的能耗增加，为此需要改进催化剂的抗析碳性能。

理想的天然气蒸汽转化催化剂应具有以下性能：○1 对转化反应具有高的活性，○2 选择性好，尤其是抗析碳性好，○3 优良的几何形状，可降低压降，提高床层给热系数，充分发挥活性组分的作用，○4 要有足够的使用寿命。

合成气中CO 变换需要使用催化剂，高温变换使用铁系催化剂，主要组分是Fe 2O 3，还原成Fe 3O 4而具有活性，低温变换常用Cu-Zn-Al 催化剂。

合成气经过变换后就进行脱碳工序，主要是除去合成气中的CO 2。

脱碳有碳酸丙烯酯法、低温甲醇洗发、用聚乙二醇二甲醚作息首页的工艺等物理吸收法和烷基醇氨溶液法、热钾碱溶液法、联合工艺等化学吸收法。

然后再除去合成气中少量的CO 2、CO 、O 2和水分。

压缩然后通入合成塔中进行氨的合成。

B.以煤为原料 工艺流程：以煤为原料合成氨工艺流程简图（2）以煤为原料制取氨的原料气，此过程称之为煤的气化，。

它是以煤为原料，以氧气和水蒸气等为气化剂，在高温条件下，在高温条件下，通过化学反应把煤或焦炭中的可燃部分转化为气体的过程，气化时所得的气体即为煤气，其有效成分包括一氧化碳，氢气和甲烷等。

煤的气化过程十分复杂，主要化学反应有：C+½O 2CO123/kJ mol Θ∆H =-C+O 2 CO 2 298406/kJ mol Θ∆H =- C+H 2O CO+H 2 298131/kJ mol Θ∆H = C+2H 2O CO 2+H 2 29890.3/kJ mol Θ∆H = C+CO 2 2CO 298172.6/kJ mol Θ∆H = C+2H 2CH 4 29874.9/kJ mol Θ∆H =-粗煤气经过脱硫后就进入下一道工序，脱硫气的变换，合成氨原料气中的CO 一般分两次除去，大部分先通过变换反应： CO+H 2OCO 2+H 2， 29841.19/kJ mol Θ∆H =-CO 变换完后就进行后续脱碳，脱碳工艺与天然气为原料的脱碳工艺一样，但由于煤的价格高于天然气，并且煤很难再生，所以在原料上增加了合成成本，再加上没得气化对温度和压力要求更高，所以又增加了设备成本，总之，综合各方面的因素，以煤为原料合成氨成本还是较高的。

C.以重油为原料： 合成工艺路线：重空以重油为原料合成氨工艺路线简图（3）以重油为原料，由于重油价格很贵，重油成分复杂，再加上生产工序中多了炭黑清除工序，增加了设备成本和劳动成本，甲醇洗很难将二氧化碳除到标准要求，影响产量，而且工艺路线比较复杂，生产的氨纯度不高，还会有一些易挥发的有机物，所以以重油为原料成本很高，总之用重油合成氨不可取。

因此,我们选择以重油为原料合成氨。

第一节 氨合成的基本理论一、氨合成反应的特点(1)是可逆反应。

(2)是放热反应。

在生成氨的同时放出热量，反应热与温度、压力有关。

(3)是体积缩小的反应。

(4)反应需要有催化剂才能较快的进行二、氨合成反应的化学平衡1.平衡常数:降温、加压平衡常数增大2.平衡氨含量反应达到平衡时,氨在混合气体中的百分含量,称为平衡氨含量，或氨的平衡产率。

提高平衡氨含量的措施为降低温度，提高压力，保持氢氮比等于3，并少惰性气体含量。

二、反应速度反应速度是以单位时间内反应物质浓度的减少量或生成物质浓度的增加量表示。

影响氨合成反应速度因素：1.压力提高压力可加快氨的生成速度使气体中氨含量迅速增加。

2.温度反应速度随着温度升高显著加快第二节氨合成催化剂可以作氨合成催化剂的物质很多，如铁、铂、锰、钨和铀等。

但由于以铁为主体的催化剂具有原料来原广，价格低廉，在低温下有较好的活性抗毒能力强，使用寿命长等优点、广泛采用。

一、催化剂的组成及性能1．催化剂在还原前的化学组成及其作用铁催化剂在还原之前，以铁的氧化物状态存在。

其主要成分是三氧化二铁(Fe2O3）和氧化亚铁(FeO)。

此外，催化剂中还加入各种促进剂。

(1)氧化铁的组成(2)促进剂的组成及作用促进剂又称助催化剂，它本身没有催化活性，但加入催化剂中，可改善催化剂的物理结构，从而提高催化剂的活性。

合成氨铁催化剂中，普遍采用的促进剂有三氧化二铝(A12O3)、氧化钾(K2O)和氧化钙(CaO)等。

第三节氨合成操作条件的选择一、压力在一定的空速下，合成压力越高，出口氨浓度越高，氨净值(合成塔出入口氨含量之差)越高，合成塔的生产能力也就越大。

氨合成系统的能量消耗主要包括原料气压缩功、循环气压缩功和氨分离的冷冻功。

生产实践证明，操作压力在20～35MPa时总能量消耗比较低。

二、温度将某种催化剂在一定成产条件下具有最高氨生成率的温度称为最适宜的温度。

最适宜温度还和空间速度、压力等有关经生产实践得出氨合成操作温度控制在470~520度较为适宜。

三、空间速度当操作压力、温度及进塔气组成一定时，空速增加，氨净值降低。

由于氨净值降低的程度比空间速度的增大倍数少，所以空间速度增加时氨合成生产强度有所提高及氨产量有所增加。

脱碳1.一氧化碳变换过程在合成氨生产中，各种方法制取的原料气都含有CO，其体积分数一般为12%~40%。

合成氨需要的两种组分是H2和N2，因此需要除去合成气中的CO。

变换反应如下：CO+H2OH→2+CO2 =-41.2kJ/mol 0298HΔ由于CO变换过程是强放热过程，必须分段进行以利于回收反应热，并控制变换段出口残余CO含量。

第一步是高温变换，使大部分CO转变为CO2和H2；第二步是低温变换，将CO含量降至0.3%左右。

因此，CO变换反应既是原料气制造的继续，又是净化的过程，为后续脱碳过程创造条件。

2. 脱硫脱碳过程各种原料制取的粗原料气，都含有一些硫和碳的氧化物，为了防止合成氨生产过程催化剂的中毒，必须在氨合成工序前加以脱除，以天然气为原料的蒸汽转化法，第一道工序是脱硫，用以保护转化催化剂，以重油和煤为原料的部分氧化法，根据一氧化碳变换是否采用耐硫的催化剂而确定脱硫的位置。

粗原料气经CO变换以后，变换气中除H2外，还有CO2、CO和CH4等组分，其中以CO2含量最多。

CO2既是氨合成催化剂的毒物，又是制造尿素、碳酸氢铵等氮肥的重要原料。

因此变换气中CO2的脱除必须兼顾这两方面的要求。

3. 气体精制过程经CO变换和CO2脱除后的原料气中尚含有少量残余的CO和CO2。