合成氨 工艺论证(1)

第一章.绪论

1.1应用领域

氨是基本化工产品之一，用途很广。化肥是农业的主要肥料，而其中的氮肥又是农业上应用最广泛的一种化学肥料，其生产规模、技术装备水平、产品数量，都居于化肥工业之首，在国民经济中占有极其重要的地位。各种氮肥生产是以合成氨为主要原料的，因此，合成氨工业的发展标志着氮肥工业的水平。以氨为主要原料可以制造尿素、硝酸铵、碳酸氢铵、硫酸铵、氯化铵等氮素肥料。还可以将氨加工制成各种含氮复合肥料。此外，液氨本身就是一种高效氮素肥料，可以直接施用，一些国家已大量使用液氨。可见，合成氨工业是氮肥工业的基础，对农业增产起着重要的作用。

氨也是重要的工业原料，广泛用于制药、炼油、纯碱、合成纤维、合成树脂、含氮无机盐等工业部门。将氨氧化可以制成硝酸，而硝酸又是生产炸药、染料等产品的重要原料。现代国防工业和尖端技术也都与氨合成工业有密切关系，如生产火箭的推进剂和氧化剂，同样也离不开氨。此外，氨还是常用的冷冻剂。

合成氨工业的迅速发展，也促进和带动了许多科学技术部门的发展，如高压技术、低温技术、催化技术、特殊金属材料、固体燃料气化、烃类燃料的合理利用等。同时，尿素和甲醇的合成、石油加氢、高压聚合等工业，也是在合成氨工业的基础上发展起来的。所以合成氨工业在国民经济中占有十分重要的地位，氨及氨加工工业已成为现代化学工业的一个重要部门发[1] 。

1.2设计目的及意义

氨的合成是最后一道工序，任务是在适当的温度、压力和有催化剂存在的条件下，将经过精制的氨氮混合气直接合成为氨。然后将所生成的气体氨从末合成为氨的混合气体中冷凝分离出来，得到产品液氨，分离氨后的白白氢氮气体循环使用。合成氨生产装置是我国化肥生产的基础，提高整个合成氨生产装置的自动化控制水平，对目前我国化肥行业状况，只有进一步稳定生产降低能耗，才能降低成本，增加效益。而实现合成氨装置的优化是投资少、见效快的有效措施之一。

合成氨装置优化控制的意义是提高整个合成氨装置的自动化水平，在现有工艺条件下，发挥优化控制的优势，使整个生产长期运行在最佳状态下，同时，优化系统的应用还能节约原材料消耗，降低能源消耗，提高产品的合格率，增强产品的市场竞争能力。另外我国煤炭资源十分丰富，已探明的储量有1.5万亿吨，煤炭在我国能源生产和消费结构中一直占据主要地位，也为合成氨生产提供了充足的资源。从根本上决定了我国能源生产和能源消费以煤为主的基本格局，奠定了我国能源自给政策的基础，为氨的生产带来了良好的机会。

由于近年来农业补贴等政策的刺激，化肥的价格高涨，许多新的氮肥企业纷纷建立，大多数企业都选择了以煤为原料，这是基于我国煤炭储量丰富，以求降低成本的考虑。，而且优化能源结构，增强市场竞争力，满足了国民经济的需求。

1.3产品质量，指标

1.3.1原材料及产品主要技术规格

（一）原材料技术规格：

序号 名称 规格 成分 氢气 氮气 1 精练气 氨气 甲烷 氩气 序号 1 百分含量（摩尔） 73.77 24.59 0 1.25 0.39 备注 （二）液氨产品技术规格 名称 等级 液氨 一级品 组分 氨 水和油 氨 水和油 含量 ＞99.8 ＜0.2 ＞99.5 ＜0.5 GB356-65 GB356-65 规格 国家标准 备注 2 液氨 二级品 （三）氨水产品技术规格 序号 规格 名称 等级 一级品 1 农业用氨水 二级品 三级品 一级品 工业用氨水 组分 氨 氨 氨 氨 残渣 2 二级品 氨 残渣 三级品 氨 残渣 含量 ＞20 ＞18 ＞15 ＞25 ＜0.3 ＞20 ＜0.3 ＞20 ＜0.5 部标 HGI-88-64 部标 HGI-88-64 标准 备注

（四） 危险性物料主要物性表

空气中爆序号 名称 分子量 熔点沸点闪点燃点炸极限（％） 上限 1 氨气 氢气 甲烷 17.03 -77.7 -33.5 651.22 630 下限 已 国家标准 备注 （度） （度） （度） （度） 27.4 15.7 2 2.016 -259.8 -252.8 400 74.2 4.1 甲 3 16.043 -184 -161.5 -190 650 15.0 5.0 甲 1.3.2氨的物性参数

1、氨在常温常压下为具有特殊性恶臭的无色有毒气体，比空气轻。氨在常温下稳定，但是在高温下可分解成氢和氮。一般在一个大气压下450-500℃时分解，如果有铁、镍等催化剂存在，可在300℃时分解。 0 a5 l3 b% d& j 2NH3 --------- 3H2+N2

2、氨的分子量为17.031，标准状态下沸点为-33.35℃，临界温度为132.4℃，临界压力为1127Kpa，临界比容为4.130L/kg，标准状态下凝固温度为-77.7℃。

3、氨的饱和温度和饱和压力见下表[3]： 饱和温度℃ 饱和压力Kgf/m² 饱和温度℃ 饱和压力Kgf/m² -70 -60 -50 -40 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 0.110.220.410.731.211.541.942.412.963.614.314 33 68 18 9 6 0 0 6 9 79 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 5.256.277.428.7410.211.813.715.818.120.79 1 7 1 25 95 65 50 65 27

第二章.工艺论证

2.1国内外工艺

2.1.1世界合成氨技术的现状和发展

(1)传统型蒸汽转化制氨工艺阶段

美国Kellogg公司首先开发出以天然气为原料、日产1000 t的大型合成氨技术，其装置在美国投产后每吨氨能耗达到了42GJ的先进水平。首次在合成氨装置中应用了离心式压缩机，并将装置中工艺系统与动力系统有机结合起来，实现了装置的单系列大型化和系统能量自我平衡，是传统型制氨工艺的最显著特征，成为合成氨工艺的“经典之作”。之后英国ICI、德国uhde、丹麦T0psoe、德国Braun公司等合成氨技术专利商也相继开发出与KeⅡogg工艺水平相当、各具特色的工艺技术，其中Topsoe、ICI公司在以轻油为原料的制氨技术方面处于世界领先地位。传统型合成氨工艺以Kellogg工艺为代表，其以两段天然气蒸汽转化为基础，包括如下工艺单元：合成气制备、合成气净化、氨合成。 (2)低能耗制氨工艺阶段

低能耗制氨工艺具有代表性的低能耗制氨工艺有4种：Kellogg公司的KREP工艺、Topsoe 工艺Braun公司的低能耗深冷净化工艺、UHDE—ICI—AMV工艺。与上述4种代表性低能耗工艺同期开发成功的工艺还包括：①基于“一段蒸汽转化+等温变换+PSA”制氢工艺单元和“低温制氮”工艺单元，再加上高效氨合成工艺单元等成熟技术结合而成的德国Linde公司LAC工艺；②以换热式转化工艺为核心的IcI公司LCA工艺、俄罗斯GIAP公司的Tandem工艺、Kellog公司的KRES工艺、Uhde公司的CAR工艺；③以“钌基催化剂”为核心的Kellogg公司的KAPP工艺。低能耗制氨工艺技术主要以节能降耗为目的，立足于改进和发展工艺单元技术，其主要技术进展包括： ① 温和转化；② 燃气轮机； ③ 低热耗脱碳；④ 深冷净化；⑤ 效率更高的合成回路[2]。

MEAP工艺：Kellogg公司的MEAP工艺针对两段式蒸汽转化工艺燃料天然气消耗量大，为进一步降低吨氨能耗，Kellogg公司于20世纪80年代推出了MEAP节能型

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