合成氨的生产工艺.doc

合成氨的生产工艺设计 合成氨的生产工艺设计 一 生产原理概述氨是一种重要的化工原料，特别是生产化肥的原料，它是由氢和氮合成合成氨工业是氮肥工业的基础为了生产氨，一般均以各种燃料为原料首先，制成含H2和CO等组分的煤气，然后，采用各种净化方法，除去气体中的灰尘、H2S、有机硫化物、CO、CO2等有害杂质，以获得符合氨合成要求的洁净的1：3的氮氢混合气，最后，氮氢混合气经过压缩至15Mpa以上，借助催化剂合成氨二 半水煤气制气原理固体燃料的气化过程实际上主要是碳与氧的反应和碳与蒸汽的反应，这两个反应称为固体燃料的气化反应表1 以空气为气化剂主要反应方程序号反应方程式1C＋O2（3.76N2）=CO2（+3.76N2）2C＋O=2（3.76N2）=2CO（+3.76N2）3C＋CO2（3.76N2）=2CO（+3.76N=2）42C＋3.76N2＋O2＋3.76N2=CO2＋7.52N2表2 以水蒸汽为气化剂主要反应方程式序号反应方程式1C＋H2O（汽）=CO＋H22C＋2H2O（汽）=CO2＋2H23CO＋2H2O（汽）=CO2＋H242H2＋O2=2H2O（汽）5C＋H2=CH46CO＋3H2=CH4＋H2O7CO2＋4H2=CH4＋2H2O（汽）在气化炉燃烧层中，炭与空气几水蒸汽的混合物相互作用时的产物称为半水煤气，其化学反应按下列方程式进行：2C＋O2＋3.76N2=2CO2＋3.76N2C＋H2O（汽）=CO＋H2这种煤气的组成由上列两反应的热平衡条件决定。

由于半水煤气是生产合成氨的原料气，因此，要求入炉蒸汽与空气（习惯上称为氮空气）比例恰当以满足半水煤气中（CO＋H2）：N2=3要求，但是在实际生产中要求半水煤气（CO＋H2）：N2≧3.2三 流程图 造气 -> 半水煤气脱硫 -> 压缩机1，2工段 -> 变换 -> 变换气脱硫 ->压缩机3段 -> 脱硫 ->压缩机4，5工段 -> 铜洗 -> 压缩机6段 -> 氨合成 -> 产品NH3 四 工艺计算及工艺条件4.1 煤气发生炉（含燃烧室）的物料及热量衡算方法：实际数据计算法实际计算法是以实测煤气组成为依据的计算法，采用此法计算时，首先将气化煤进行试烧，以得到准确的煤气组成分析数据已知条件的确定: 表5 入炉煤组成，重量%CHONSAW合计78.131.320.430.770.5113.245.6100燃烧热值 28476kJ/㎏ 1. 吹风气组成，体积%表6 吹风气组成， 体积%CO2O2COH2CH4N2合计H2S16.550.356.563.340.7672.451000.85g/Nm32. 半水煤气真正组成，体积%表7 半水煤气组成， 体积%CO2O2COH2CH4N2合计H2S7.50.2032.10440.5416.661001.45g/Nm33.各物料进出炉的温度空气25℃;相对湿度80%，空气含水汽量0.0213kg（水汽）/kg（干汽）；吹风气，上行煤气流600℃；下吹煤气200℃；灰渣200℃；上行蒸汽120℃；饱和蒸汽的焓2730kJ/kg；下吹蒸汽550℃；过热蒸汽的焓3595kJ/kg；4生产循环时间%，时间（S）表8 生产循环时间吹风上吹下吹二次上吹吹净合计2626368410046.8s46.8s64.8s14.4s7.2s180s5.计算基准：100kg入炉燃料6.带出物数量及其组分带出物数量：2kg绝对干料带出物组分及各组分重量表9 带出物数量及其组分元素组成，重量%各组分重量，kgC82.5.2×0.8250=1.65H1.662×0.0166=0.03O0.472×0.0047=0.01N0.802×0.008=0.02S0.572×0.0057=0.01灰分14.002×0.14=0.28合计1002带出物热值30030kJ/㎏ 摘自 钟蕴英、关梦嫔、崔开仁、王惠中编 .煤化学.7.燃料气化后转入煤气中的元素量，kgC 78.13－（1.65＋2.20）=74.28H 1.32＋（5.6×2）/18－0.03=1.91O 0.43＋（5.6×16）/18－0.01=5.40N 0.77－0.02=0.75S 0.51－（0.01＋0.05）=0.45合计：82.84.2 物料及热量衡算 吹风阶段的计算： （物料衡算）1. 每Nm3吹风气中含有的元素量，kgC [12×（0.1655＋0.0656＋0.0076）]/22.4=0.128 H [2×（0.0334＋0.0076×2）]/22.4＋0.00085×2/34=0.00438O [32×（0.0035＋0.1655＋0.0656×0.5）]/22.4=0.288N 28/22.4×0.7245=0.906S 0.00085×32/34=0.00082. 由碳平衡计算吹风气量：74.28/0.128=580Nm33. 由氮平衡计算空气用量：[580×0.906－（0.77－0.02）]/（0.79×28/22.4）=530m3 空气带入水汽量 ： 530×1.293×0.0213=14.6（1.293为空气密度）4. 氢平衡（以千克计）进项：a。

燃料带入氢量： 1.91b．空气中水蒸汽带入氢量：14.6×2/18=1.62合计： 3.53出项：a.吹风气中含氢量：580×0.00438=2.54b.吹风气中水汽含量：3.53－2.54=0.99合计：3.535．氧平衡（以kg计）进项：a.燃料带入氧量； 空气中氧量： 5.40b.空气中含氧量： 530×0.21×32/22.4=159c.空气中水汽含氧量： 14.6×16/18=12.98d.合计： 177.38出项：a.吹风气中氧量：580×0.288=167.04b.吹风气中水汽含氧量：8.91×16/18=7.92c.合计：174.96误差：（177.38－174.96）/177.38×100%=1.36%6．硫平衡（以kg计）进项：燃料带入硫量：0.45出项：吹风气中含硫量：580×0.0008=0.46误差：（0.45－0.46）/0.45×100%=2.2% 4.3制气阶段的计算（以100kg入炉燃料为基准）4.3.1 物料衡算 1.每Nm3半水煤气中含有的元素量，kgC=12/22.4×（0.075＋0.321＋0.0054）=0.215H=2/22.4×（0.43＋2×0.005）＋2/34×0.00145=0.0390O=32/22.4×（0.002＋0.075＋0.321×0.5）=0.340N=28/22.4×0.1666=0.2083S=32/34×0.00145=0.001362.由碳平衡计算半水煤气产量：74.28/0.215=344N m33.由氮平衡计算氮空气用量：（344×0.2083－0.75）/（0.79×28/22.4）=72N m3氮空气中含水汽量：72×1.293×0.0213=1.9824.氢平衡已知和假设数据上行半水煤气产量为XNm3上行半水煤气中含水蒸汽量为0.25kg/N m3上、下吹蒸汽用量相等各为Wkg下行半水煤气产量为（344－X）Nm3下行半水煤气中含水蒸汽量为0.42kg/ Nm3为方便计算，假设上、下吹气体成分相同，上、下吹氮空气作为均匀加入计。

上行制气阶段氢平衡（以kg计）进项：（a）燃料带入氢量：1.91×X/344=0.00555水蒸汽带入氢量：W×2/18=W/9（b）氮空气中水蒸汽含氢量：1.982×2/18×X/344=0.00064X合计： W/9＋0.0062X出项：（1）半水煤气中氢量：0.0390X（2） 半水煤气中水汽含氢量：（0.25×2/18）X=0.0278X合计：0.067X平衡：W/9＋0.0062X=0.067X W=0.556X--------------------------（1）下行制气阶段氢平衡（以kg计）进项：（1）燃料带入氢量 1.91－0.00555X（2）蒸汽带入氢量 W×2/18=W/9（3）氮空气中水汽含氢量：1.982×2/18－0.00064X=0.22－0.00064X合计：W/9＋2.13-0.0062X出项：a．半水煤气中氢量（344－X）×0.0390=13.42－0.0390Xb.半水煤气中水汽含氢量（0.42×2/18）×（344－X）=16.05－0.047X合计：29.47－0.086X平衡：W/9＋2.13－0.0062X=29.47－0.086X W=246－0.78X---------------------------（2）解方程（1）和（2）得： X=184 W=102.4由此得：上行半水煤气产量：184N m3上行半水煤气产量占总产量的百分数：184/344×100%=53.4%下行半水煤气产量：344－184=160下行半水煤气产量占总产量的百分数：160/344×100%=46.6%上行半水煤气中水蒸汽量0.25×184=46kg下行半水煤气中水蒸汽汽量：0.42×160=67.246＋67.2=113.2 蒸汽总耗量：102.4×2=204.8kg 上吹蒸汽分解率： （102.4－46）/102.4×100%=55.08% 下吹蒸汽分解率： （102.4－67.2）/102.4×100%=34.38%平均蒸汽分解率： [204.8－（46＋67.2）]/204.8×100%=44.73%5.氧平衡（以kg计）进项：（1）燃料中带入氧量：5.40（2）蒸汽带入氧量：204.8×16/18=182.04（3）氮空气中氧含量：72×0.21×32/22.4=21.6（4）氮空气中水汽含氧量：1.982×16/18=1.76合计：210.80出项：（1）半水煤气中氧量：344×0.34=118.96（2）半水煤气中水汽含氧量：（67.2＋46）×16/18=100.62合计 211.42误差：（211.42－210.80）/210.80×100%=0.29%6．硫平衡（以kg计）进项：燃料带入硫量：0.45合计0.45出项： 半水煤气中含硫量：344×0.00136=0.474.3.2 热量衡算 1. 进项（以kJ计）：(1) 燃料热值：100×28476=2847600(2) 燃料显热：100×25×1.05。