化学化工学院 课程设计说明书
数要少，所以当空间速度增加时，合成氨的产量也有所增加。
在其他条件一定时，增加空间速度能提高合成氨的生产强度。但空间速度增大，将使系统阻力增加，压缩循环气功耗增加，分离氨所需的冷冻量也增大，因此冷冻功耗增加。同时，单位循环气量的产氨量减少。但在一定限度内，其他条件不变，增加空间速度，合成氨产量增加，单位时间所得的总反应热增多，通过水冷器和氨冷器的气体流量增大，需要移走的热量增多，导致冷凝器的冷却面积要相应增大，否则就不能将高流速气体中的氨冷凝下来。此外，空间速度增大，使出塔气体中氨的百分含量降低，为了使氨从混合气中冷凝分离出来，必须降低出塔气体温度，这样就要消耗更多的冷冻量，导致冷冻功耗增加。
综合以上各方面的考虑，空间速度的增加是有限度的。目前，国内一些小型合成氨厂合成压力在30 MPa左右的，空间速度选择在2000~3000每小时之间。 工业上采用的氨合成工艺流程虽然很多，而且流程中设备结构操作条件也各有差异，但实现氨合成过程的基本步骤是相同的，都必须包括以下几个步骤：氮、氢原料气的压缩并补充到循环系统；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，循环使用；排放部分循环气以维持循环气中惰性气体的平衡等。
流程设计在于合理地配置上述几个步骤，以便得到较好的技术效果，同时在生产上稳定可靠。
从氢氮混合气体中分离氨的方法大致有两种：水吸收法、冷凝法。
本设计采用冷凝法。一般含氨混合气体的冷凝分离是经水冷却器和氨冷嚣二步实现的。液氨在氨分离器中与循环气体分开，减压送入贮槽。贮槽压力一般为1.6～1.8 MPa，此时，冷凝过程中溶解在液氨中的氢、氮及惰性气体大部分可减压释放出来，即弛放气。
2.4 合成塔进口气的组成
合成塔进口气体组成包括氢氮比、惰性气体含量和塔进口氨含量。 (1) 氢氮比
当氢氮比为3:1时，对于氨合成反应可以获得最大的平衡氨浓度，但从动力学角度分析，最适宜氢氮比随着氨含量的变化而变化。从氨的合成反应动力学机
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理可知，氮的活性吸附是合成氨反应过程速度的控制步骤，因此适当提高氮气浓度，对氨合成反应速度有利。在实际生产中，进塔气体的氢氮比控制在2.8~2.9比较适宜。 (2) 惰性气体
在混合气体中含有甲烷和氩气等，统称为惰性气体。惰性气体不参与反应，也不毒害催化剂，但由于他们的存在会降低氢氮比的分压。无论从化学平衡还是动力学角度分析，他们都是有弊无利的，导致氨的生产率下降。
惰性气体来源于新鲜气，随着合成反应的进行，它们不参与反应而在系统中积累，这样合成系统中惰性气体越来越多，为了提高氨的合成率，必须不断在循环气中将它们排放出去。排放量多，可以使合成系统惰性气体含量降低，氨的合成率提高。但是氢氮气和部分氨也随之排放，造成一定损失，故循环气体中惰性气体的控制含量不能过高也不能过低。
循环气体中惰性气体的控制还与操作压力和催化剂活性有关。操作压力比较高，及催化剂活性比较好时，惰性气体的含量可以高一些。相反，则要控制低一些。由于原料气的制备与净化方法不同，新鲜气体中惰性气体的含量也不同。在生产中，一般要保持新鲜气中含惰性气体的体积分数在0.5%~1.0%之间，并控制循环气中惰性气体的体积分数在10%~15%之间。 (3) 塔进口氨含量
进塔气体中氨的含量，主要决定于氨分离时的冷凝温度和分离效率。冷凝温度越低，分离效果越好，则进塔气体中氨含量也就越低。降低进口氨含量，可加快反应速度，提高氨净值和生产能力。但将进口氨含量降的过低，会导致冷冻功耗增加过多，经济上并不可取。
进口氨含量还与合成操作压力和冷凝温度有关。压力高，氨合成反应速度快，进口氨含量可适当控制高一些；压力低，为保持一定的反应速度，进口氨含量可适当控制低一些。
综合考虑的结果，一般中小型合成氨厂当操作压力在30 MPa左右时，塔进口氨含量约控制在2.5%~3.5%之间。对于压力在15 MPa的合成氨厂，一般应控制在2.0%左右。本设计中塔进口氨含量控制为2.5% 。
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第三章 工艺流程简述
3.1 合成工段工艺流程简述
由氮氢气压缩机送来的35℃的新鲜气，在油分离器中与循环机来的循环气混合，除去气体中的油、水及其杂质。混合气进冷交换器上部换热管内，与冷交换器下部来的冷气体进行换热回收冷量，热气体被冷却至17℃，然后进入氨冷器。气体在管内流动，液氨在管外蒸发，由于氨大量蒸发吸收了混合气的热量，使管内气体进一步冷却至-10℃，出氨冷器后的气液混合物，在冷交换器的下部用氨分离器将液氨分离。
分氨后的循环气上升至上部换热器壳程被热气体加热至25℃后出冷交换器。然后气体分两股进入合成塔，一股主线经主阀由塔顶进入塔内环隙，另一股副线经副阀从倒塔底进入塔内中心管，以调节催化剂床层温度。入塔气氨含量为2.5%。反应换热后温度降为140~160℃，氨含量13%的反应气体出合成塔进入水冷器，气体经水冷器冷却至常温，其中部分气氨被冷凝，液氨在氨分离器中分出。 为降低惰性气体含量，保持循环系统中一定量的惰性气体，循环气岀氨分离器后部分放空，然后进循环机增压后送往油分离器，从而完成一个循环。 冷交换器和氨分离器内的液氨，经液位调节系统减压后送往液氨贮槽。 该流程具有能如下一些特征：
1氨合成反应热未充分予以回收，用来副产蒸汽，或用来预热锅炉给水。 ○
2流程简单，设备投资抵。 ○
3放空气位置设在惰性气体含量最高，氨含量较低处以减少氨和原料气损○失。
4循环机位于水冷器和氨冷器之间，适用于有油润滑往复式压缩机。 ○
5新鲜气和循环气中油、水及杂质可通过氨冷器低温液氨洗涤后除去。 ○
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3.2 工艺流程方框图
合成塔 废热锅炉 热交换器 放 空 水冷器 油分离器 循环机 新鲜气 冷交换器 氨分离塔 驰放气 氨冷器 液氨储槽
图3-1合成氨工艺流程方框图
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第四章 工艺计算
4.1 物料衡算：
4.1.1设计要求：
1. 年产20万吨液氨,设计裕度及液氨损失均不计
2. 精炼气组成（%）：如下表
表4-1-1精炼气组成（mol％）
组 成 mol％
N2 24.12
H2 74.45
CH4 1.10
Ar 合 计 0.33
100
3. 合成塔入口氨含量（mol％）：NH3,入?2.5％ 合成塔出口氨含量（mol％）：NH3,出?16.5%
合成塔入口惰性气体含量（mol％）：CH4?Ar ?15.0％ 4. 合成塔操作压力: 32MPa(绝压) 5. 精炼气温度：35℃ 6. 水冷器出口温度：35℃ 7. 循环机进出口压差：1.47Mpa 8. 年工作日：330天 9. 产量：25.2525t NH3/h 10. 计算基准：生产1吨液氨
4.1.2计算物料点流程图：
1 2 3 4 5------精炼气 6 7 8 9 10 11 12 14 17 18------合成气； 13------放空气 20------弛放气 15.16.19.21------液氨
图4-1-1 计算物料点流程图
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