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年产五万吨合成氨合成工段工艺设计
合成氨常见工艺方法
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。
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。
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。
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。合成氨工艺流程大概可以分为:原料气的制备;原料气的净化;气体压缩和氨的合成四大部分。
设计条件
(1)生产能力:液氨产量为50kt/a。
(2)新鲜氮氢气组成如下表:
组成
H2
N2
CH4
Ar
合计
摩尔分数/%




100
(3)合成塔入口气:yNH3 %,yCH4+%。
(4)合成塔出口气: 为17%。
(5)合成操作压力:31MPa。
(6)新鲜气温度:35℃。
(7)其他部位的温度和压力,见流程图。
(8)水冷却器的冷却器温度:25℃。
(9)以下各项再计算中,有些部位略去不计。
(i)溶解液氨中的气体量;
(ii)部分设备和管道的阻力;
(iii)部分设备和管道的热损失。
物料流程示意图
流程简介:在油分离器出口的循环气中补充从净化工序送来的新鲜氮氢气,进入冷交换器和氨冷器进一步冷却,使其中的氨气绝大部分被冷凝分离出去。循环气进入合成塔,进塔走塔内间隙,温度稍升高,引出到外部热交换器再次升高温度。第二次入合成塔,经塔内热交换器加热并在催化作用下发生合成反应,温度升高出塔后一次经废热锅炉、热交换器和软水预热器回收热量,然后再经水冷却器冷却,使气体中部分氨液化,进到氨分离器分离出液氨。气体则进入循环压缩机补充压力形成循环回路。在油分离器出口补充了新鲜氮氢气入冷交换器。从冷交换器中的氨分离器分离出的液氨与由氨分离器分出的液氨汇合入液氨贮槽。由于液氨贮槽压力降低,则溶于液氨的气体和部分氨被闪蒸出来,即所谓驰放气送出另外处理。另外为限制循环气中惰气含量的积累,使其浓度不致于过高,故在氨分离器后放出一部分循环气,成为放空气。从整个系统而言,进入系统的是新鲜氮氢气,离开系统的是产品液氨、驰放气、和空气。
氨合成工序物料流程示意图
1—新鲜氮气;12—放空气;20—驰放气;21—产品液氨
为计算方便起见,在流程图中各不同部位的物料,用数字编号表示。
2 物料衡算
以1t氨为基准。
合成塔入口气组成(摩尔分数)(3点)
已知入口气的NH3和CH4+Ar浓度,并假定氢与氮的比例为3。因此
NH3: y3,NH3=3% (已知)
H2: y3,H2=100-3+×34×100%=%
N2: y3,N2=100-3+×14×100%=%
CH4: y3,CH4=%× +=%
Ar: y3,Ar=×+=%
入塔气组成列入下表(包括3,4,5点)
组分
NH3
H2
N2
CH4
Ar
合计
摩尔分数/%





100
合成塔出口气组成(6点)
假定入塔器为100kmol,列方程求解。
氨生成量:根据反应式,在合成塔内,气体总物质的量的减少,应等于生成氨的物质的量。因此可写成联立方程:
生成的氨的物质的量
nNH3=n6y6,NH3-n