年产20万吨合成氨合成工段工艺设计书1.1 概述氨是一种重要的含氮化合物。

氮是蛋白质质中不可缺少的部分，是人类和一切生物所必须的养料；可以说没有氮，就没有蛋白质，没有蛋白质，就没有生命。

大气中存在有大量的氮，在空气中氨占78％（体积分数）以上，它是以游离状态存在的。

但是，如此丰富的氮，通常状况下不能为生物直接吸收，只有将空气中的游离氮转化为化合物状态，才能被植物吸收，然后再转化成人和动物所需的营养物质。

把大气中的游离氮固定下来并转变为可被植物吸收的化合物的过程，称为固定氮。

目前，固定氮最方便、最普通的方法就是合成氨，也就是直接由氮和氢合成为氨，再进一步制成化学肥料或用于其它工业。

在国民经济中，氨占有重要地位，特别是对农业生产有着重大意义。

氨主要用来制作化肥。

液氨可以直接用作肥料，它的加工产品有尿素、硝酸铵、氯化氨和碳酸氢氨以及磷酸铵、氮磷钾混等。

氨也是非常重要的工业原料，在化学纤维、塑料工业中，则以氨、硝酸和尿素作为氮元素的来源生产己酰胺、尼龙-6、丙烯腈等单体和尿醛树脂等产品。

由氨制成的硝酸，是各种炸药和基本原料，如三硝基申苯，硝化甘油以及其它各种炸药。

硝酸铵既是优良的化肥，又是安全炸药，在矿山开发等基本建设中广泛应用。

氨在其他工业中的应用也非常广泛。

在石油炼制、橡胶工业、冶金工业和机械加工等部门以及轻工、食品、医药工业部门中，氨及其加工产品都是不可缺少的。

例如制冷、空调、食品冷藏系统大多数都是用氨作为制冷剂。

1.2 氨的性质1.2.1 氨的物理性质氨在常温下是无色气体，比空气轻，具有刺激性臭味，能刺激人体感官粘膜空气中，含氨大于0.01％时即会引起人体慢性中毒。

气态氨易溶于水，成为氨水，氨水呈弱碱性。

氨在水中的溶解度随压力增大而降低。

氨水在溶解时放出大量热。

氨水中的氨极易挥发。

常压下气态氨需冷却到-33.35 ℃（沸点）才能液化。

而在常温下需加压到0.87MPa 时才能液化。

液氨为无色液体，气化时吸收大量的热。

1.2.2 氨的化学性质⑴ 氨与氧在催化剂作用下生成氮的氧化物,并能进一步与水作用,制得硝酸： 3224546NH O NO H O +→+⑵ 氨与酸或酐反应生成盐类,是制造氮肥的基本反应：3244242)NH H SO NH SO +=（3343 NH HNO NH NO +=34 NH HCl NH Cl +=334424NH H PO NH H PO +=⑶ 氨与二氧化碳作用生成氨基甲酸铵,进一步脱水成为尿素：32422NH CO NH COONH +=()42222NH COONH CO NH H O =+⑷ 氨与二氧化碳和水作用,生成碳酸氢铵：32243NH CO H O NH HCO ++=(5) 氨可与盐生成各种络合物，如CuCl 2•6NH 3、CuSO 4•4NH 3。

氨与空气(或氧)的混合气,在一定浓度围能发生剧烈的氧化作用而爆炸。

在常温常压下，氨与空气爆炸极限为15%～28%(NH 3)。

100℃，0.1 MPa 下，爆炸极限为14.5%～29.5%(NH3)。

1.3 原料气来源原料气主要有两部分：氮气、氢气。

氮气主要是从空气中提取。

氢气是从半水煤气中提取的，以煤为原料，在一定的高温条件下通入空气、水蒸气或富氧空气-水蒸气混合气，经过一系列反应生成含有一氧化碳、二氧化碳、氢气、氮气、及甲烷等混合气体的过程。

在气化过程中所使用的空气、水蒸气或富氧空气-水蒸气混合气等称为汽化剂。

这种生成的混合气称为煤气。

煤气的成分取决于燃料和汽化剂的种类以及进行汽化的条件。

根据所用汽化剂的不同，工业煤气可分为下列四种：空气煤气：以空气为汽化剂制取的煤气，又称为吹风气。

水煤气：以水蒸气（或水蒸气与氧的混合气）为汽化剂制取的煤气。

混合煤气：以空气和适量的水蒸气为汽化剂制取的煤气，一般作燃料用。

半水煤气：是混合煤气中组成符合（H2+CO）/N2=3.1～3.2的一个特例。

可用蒸气与适量的空气或蒸气与适量的富养空气为汽化剂制得，也可用水煤气与吹风混合配制。

本设计采用半水煤气，半水煤气经过净化后得到纯净的氢气，再配制适量的氮气，成为合成氨的原料气，其中含有氮气、氢气、以及惰性气体甲烷和氩。

1.4 文献综述合成氨工业是氮肥工业的基础，也是一些工业部门的重要原料，它的迅速发展促进了一系列科学技术和化学合成工业的发展，随着科学技术的发展，合成氨工业在国民经济中的作用必将日益显著。

1.4.1 合成氨工业的发展合成氨工业在20世纪初期形成，开始用氨作为火炸药工业的原料，为战争服务;第一次世界大战结束后,转向为农业、工业服务。

随着科学技术的发展，对氨的需要量日益增长，近30年来合成氨工业发展很快。

目前，国合成氨年生产能力30万吨以上的大型企业有26家，合成氨年生产能力10万吨以上的中型企业有100多家，其他还有800多家小氮肥厂也生产约占总量60%的合成氨。

1.4.2 合成氨工业的现状我国合成氨工业存在一些特殊问题，一是氮肥资源紧。

国际上以天然气为原料的氮肥占85%。

而我国氮肥原料以煤为主，天然气仅占20%，我国氮肥行业急需解决采用成熟的粉煤气化技术，以本地粉煤代替无烟块煤。

建议针对不同企业采用不同的技术路线。

技术进行改造。

同时，对于有廉价天然气资源的地区，鼓励采用天然气改造现有装置或建设天然气化肥基地。

二是企业结构不合理，产业集中度低，技术水平不高。

在氮肥行业，要推广新型煤气化技术，包括粉煤气化、水煤浆气化技术等；新型净化技术，如低温变换、低温甲醇洗MDEA等净化技术；新型氨合成塔及大型低压合成的成套技术和装备。

1.4.3 合成氨工业的发展趋势合成氨工业的发展趋势: ①原料路线的变化方向。

煤的储量约为石油、天然气总和的10倍，自从70年代中东石油涨价后,从煤制氨路线重新受到重视,但因以天然气为原料的合成氨装置投资低、能耗低、成本低的缘故,预计到20世纪末,世界大多数合成氨厂仍将以气体燃料为主要原料。

②节能和降耗。

合成氨成本中能源费用占较大比重，合成氨生产的技术改进重点放在采用低能耗工艺、充分回收及合理利用能量上，主要方向是研制性能更好的催化剂、开发新的原料气净化方法、降低燃料消耗、回收和合理利用低位热能等。

③与其他产品联合生产。

合成氨生产中副产大量的二氧化碳，不仅可用于冷冻、饮料、灭火，也是生产尿素、纯碱、碳酸氢铵的原料。

到2010年，力争组建50家大型企业集团，大型氮肥厂合成氨平均规模达40万吨/年以上，中型氮肥厂平均规模达20万吨/年以上。

其产品集中度达到50%，并形成3-5家在国际上有一定影响的大型企业集团。

同时，调整企业结构，减少基础肥料生产厂数量，提高单套装置的规模，使合成氨工业朝现代化又迈进一步。

1.5 设计任务的项目来源本课题是指导老师提高毕业生设计能力而选定的。

希望通过此次课程设计让学生可以较好地把理论学习中的分散知识点和实际生产操作有机结合起来，得到较为合理的设计成果，达到课程设计训练的目的，提高学生分析和解决化工实际问题的能力。

第二章 流程方案的确定2.1 生产原理氨是由气态氮和氢在适宜温度压力,并有触媒的作用下发生反应的,其反应式为： 22331 46.22 22H N NH KJ +→+ 此式为一不可逆，放热，体积缩小的反应，其反应过程为： 223322222N N NH NH NH NH →→→→→（扩散）（吸附）（吸附）（吸附）（附）（扩散到气相）氨合成的反应特点：⑴ 反应过程要在高压下进行，压力越高，越有利于氨的合成。

⑵ 温度低时，反应有利于向氨合成的方向进行，但反应速度较慢，提高温度不利于反应平衡，但可以加快反应速度，在实际操作中，温度的选择取决于触媒的活性。

⑶ 必须借助触媒，以加快反应速度。

⑷ 混合气中氢、氮含量越高越有利于反应，因此，气体中惰性气体含量越少越好。

2.2 各生产方法及特点合成氨的生产主要包括三个步骤 ：第一步是造气，即制备含有氢、氮的原料气；第二步是净化，不论选择什么原料，用什么方法造气，都必须对原料气进行净化处理，以除去氢、氮以外的杂质；第三步是压缩和合成，将纯净的氢、氮混合压缩到高压，在铁催化剂与高温条件下合成为氨。

目前氨合成的方法，由于采用的压力、温度和催化剂种类的不同，一般可分为低压法、中压法和高压法三种。

(1) 低压法操作压力低于20 MPa的称低压。

采用活性强的亚铁氰化物作催化剂，但它）要求十分严格。

也可用磁铁矿对毒物很敏感，所以对气体中的杂质（CO、CO2作催化剂，操作温度450～550 ℃。

该法的优点是由于操作压力和温度较低，对设备、管道的材质要求低、生产容易管理，但低压法合成率不高，合成塔出口气体中含氮约8％～10％，所以催化剂的生产能力比较低；同时由于压力低而必须将循环气降至-20℃的低温才能使气体中的氨液化，分离比较完全，所以需要设置庞大的冷冻设备，使得流程复杂，且生产成本较高。

(2) 高压法操作压力为60 MPa 以上的称为高压法，其操作温度大致为550～650 ℃。

高压法的优点是，氨合成的效率高，合成氨出口气体中含氨达25％～30％，催化剂的生产能力较大。

由于压力高，一般用水冷的方法气体中的氨就能得到完全的分离，而不需要氨冷。

从而简化了流程；设备和流程比较低紧凑，设备规格小，投资少，但由于在高压高温下操作，对设备和管道的材质要求比较高。

合成塔需用高镍优质合金钢制造，即使这样，也会产生破裂。

高压法管理比较复杂，特别是由于合成率高，催化剂层的反应热不易排除而使催化剂长期处于高温下操作，容易失去活性。

(3) 中压法操作压力为20～35 MPa的称为中压法，操作温度为450～550 ℃。

中压法的优缺点介于高压法与低压法中间，但从经济效果来看，设备投资费用和生产费用都比较低。

氨合成的上述三种方法，各有优缺点，不能简单的比较其优劣。

世界上合成氨总的发展趋势多采用中压法，其压力围多数为30～35 MPa。

本设计采用中压法，操作压力为32 MPa。

2.3 工艺流程的选择合成氨的生产工艺条件必须满足产量高，消耗低，工艺流程及设备结构简单，操作方便及安全可靠等要求。

决定生产条件最主要的因素有操作压力、反应温度、空间速度和气体组成等。

(1) 最适宜的操作压力氨合成反应是气体体积缩小的反应，提高压力有利于反应平衡向右移动。

压力增加平衡常数增大，因而平衡氨含量也增大。

所以，提高压力对氨合成反应的平衡和反应速度都有利，在一定空速下，合成压力越高，出口氨浓度越高，氨净值越高，合成塔的生产能力也越大。

氨合成压力的高低，是影响氨合成生产中能量消耗的主要因素之一。

主要能量消耗包括原料气压缩功、循环气压缩功和氨分离的冷冻功。

提高操作压力，原料气压缩功增加，合成氨净值增高，单位氨所需要的循环气量减少，因而循环气压缩功减少，同时压力高也有利于氨的分离，在较高气温下，气氨即可冷凝为液氨，冷冻功减少。