合成氨课程设计报告
应用化学1101班
张 超 1115020131
1.概述
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。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。
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”。
世界合成氨技术的发展经历了传统型蒸汽转化制氨工艺、低
能耗制氨工艺、装置单系列产量最大化三个阶段。根据合成氨技术发展的情况分析, 未来合成氨的基本生产原理将不会出现原则性的改变, 其技术发展将会继续紧密围绕“降低生产成本、提高运行周期, 改善经济性”的基本目标, 进一步集中在“大型化、低能耗、结构调整、清洁生产、长周期运行”等方面进行技术的研究开发。
本课程设计是对年产三十万吨合成氨合成段工序的设计。主
要阐述了合成氨合成工段工艺路线图、物料和能量衡算、设备选型及计算，确定了良好的工艺条件、合理的催化剂和能源综合利用。
1.1设计任务的依据
设计任务书是项目设计的目的和依据： 产量：300 kt/a 液氨
放空气（惰性气Ar +CH4 ）：17%
原料：新鲜补充气N2 24%，H2 74.5 %，Ar 0.3%，CH4 1.2% 合成塔进出口氨浓度：2.5%，13.2% 放空气:（惰性气Ar +CH4 ）～17% 合成塔操作压力 32 MPa （绝压） 精练气温度 40℃
水冷器出口气体温度 35 ℃ 循环机进出口压差 1.47MPa 年工作日 330 d 计算基准 生产1t氨
1.2设计内容及设计阶段
1. 进行方案设计，确定生产方法和生产工艺流程。
2.绘制工艺流程图。
3. 进行化工计算，包括物料衡算、能量衡算以及设备选型和
计算。
1.3合成氨的几种方法
氨的合成是合成氨生产的最后一道工序，其任务是将经过精
制的氢氮混合气在催化剂的作用下多快好省地合成为氨。对于合成系统来说，液体氨即是它的产品。工业上合成氨的各种工艺流
程一般以压力的高低来分类。 (1)高压法
操作压力70～100MPa，温度为550～650℃。这种方法的主要优点是氨合成效率高，混合气中的氨易被分离。故流程、设备都比较紧凑。但因为合成效率高，放出的热量多，催化剂温度高，易过热而失去活性，所以催化剂的使用寿命较短。又因为是高温高压操作，对设备制造、材质要求都较高，投资费用大。目前工业上很少采用此法生产。
(2)中压法
操作压力为20～60MPa，温度450～550℃，其优缺点介于高压法与低压法之间，目前此法技术比较成熟，经济性比较好。因为合成压力的确定，不外乎从设备投资和压缩功耗这两方面来考虑。从动力消耗看，合成系统的功耗占全厂总功耗的比重最大。但功耗决不但取决于压力一项，还要看其它工艺指标和流程的布置情况。总的来看，在15～30Pa的范围内，功耗的差别是不大的，因此世界上采用此法的很多。因此，本次设计选用32MPa压力的合成氨流程。
(3)低压法
操作压力10MPa左右，温度400～450℃。由于操作压力和温度都比较低，故对设备要求低，容易管理，且催化剂的活性较高，这是此法的优点。但此法所用催化剂对毒物很敏感，易中毒，使用寿命短，因此对原料气的精制纯度要求严格。又因操作压力低，
氨的合成效率低，分离较困难，流程复杂。实际工业生产上此法已不采用了。
1.4合成氨原料
生产合成氨，首先必须制备氢、氮原料气。
氮气来源于空气，可以在低温下将空气液化、分离而得，或者在制氢过程中直接加入空气来解决。
氢气来源于水或含有烃类的各种燃料，它取决于用什么方法制取。最简便的方法是将水电解，但此法由于电能消耗大、成本高而受到限制。现在工业上普遍采用以焦炭、煤、天然气、重油等原料与水蒸汽作用的气化方法。 1.5进料口气体组成
合成塔进口气体组成包括氢氮比、惰性气体含量与初始氨含
量。当氢氢比为3时，对于氨合成反应，可得最大平衡氨含量，但从动力学角度分析，最适宜氢氨比随氨含量的不同而变化。如果略去氢及氨在液氨中溶解损失的少量差异，氨合成反应氢与氮总是按3：1消耗，新鲜气氢氮比应控制为3，否则循环系统中多余的氢或氮就会积累起来，造成循环气中氢氮比的失调。
2 生产流程及生产方法的确定
2.1 氨合成过程的基本工艺步骤
实现氨合成的循环，必须包括如下几个步骤：氮氢原料气的压缩并补入循环系统；循环气的预热与氨的合成；氨的分离；热能的回收利用；对未反应气体补充压力并循环使用，排放部分循