毕业设计（论文）-年产30万吨合成氨合成工段工艺设计(41页).docx

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1、-毕业设计（论文）-年产30万吨合成氨合成工段工艺设计-第 7 页安徽建筑大学毕 业 设 计专 业 化学工程与工艺 班 级 13化工（1）班 学生姓名 学 号 课 题 年产30万吨合成氨合成工段工艺设计 指导教师 2016年 3 月 1 日目录30万吨/年合成氨合成工艺设计第一章 文献综述1.1 合成氨项目简介1.1.1 合成氨物理性质1.1.2 合成氨化学性质1.1.3 合成氨市场预测1.1.4 合成氨国内产能，消耗1.1.5 合成氨国外产能，消耗1.2生产规模及产品方案1.2.1 产品方案1.2.2 生产规格1.2.3 产品质量1.3工艺技术方案的选择1.3.1 工艺路线1.3.2 工艺路

2、线的比较与选择1.3.3 本设计研究内容第二章 物料衡算2.1 设计要求2.2 工艺流程图2.3 全流程物料衡算2.4 单个单元的物料衡算2.4.1 鼓风机物料衡算2.4.2 混合器物料衡算2.4.3 换热器1物料衡算2.4.4 反应器物料衡算2.4.5 换热器2物料衡算2.4.6 闪蒸罐物料衡算2.4.7 循环混合器物料衡算2.4.8 循环压缩机物料衡算第三章 能量衡算3.1全流程的能量衡算3.2 单个单元的能量衡算3.2.1 鼓风机热量衡算3.2.2 换热器1能量衡算3.2.3 反应器能量衡算3.2.4 换热器2能量衡算3.2.5 闪蒸罐能量衡算3.2.6 循环压缩机能量衡算第四章 设备的

3、选型和计算4.1设备选型4.1.1 设备简述4.2 合成塔设计4.2.1 合成塔筒体设计4.2.2 催化剂层设计4.2.3下换热器4.2.4 层间换热器1.4文献引用30万吨/年合成氨合成工艺设计摘要：氨是人体的基本元素之一，在粮食生产中占据着重要地位，是重要的基础化工产品，在国民经济中有重要地位。合成氨的工段包括制气、精制、合成、分离几步骤，而合成工段分为合成、分离、气体再循环、废弃排放等工段，合成氨工段中最重要的是氨合成工段，氨合成工段最重要的是合成工序。本设计是利用ASPNE PLUS 进行合成氨合成工段的模拟，得到各种物性参数，并利用各种物性参数。完成设备的选型，能量，物料的衡算，以及

4、各位图纸的绘制。关键词：合成氨 物料衡算 能量衡算 ASPEN PLUS Process Design of the Section Which Synthetizes LiquidAmmonia of 300000t/aAbstract：Ammonia is one of the basic elements of the body and plays an important role in food production，Ammonia is also an important basic chemical product. Synthetic ammonia section inclu

5、des gas production, refining, synthesis, separation of several steps, and synthetic section is divided into synthesis, separation, gas recirculation, waste discharge and other sections, synthetic ammonia section is the most important ammonia synthesis section, ammonia synthesis section of the most i

6、mportant is a synthetic process. The design is the use of ASPNE PLUS synthetic ammonia synthesis section of the simulation, get a variety of physical parameters, and the use of various physical parameters. Complete the equipment selection, energy, material accounting, and the drawing of your drawing

7、s.Key words: synthetic ammonia material accounting energy balance ASPEN PLUS前言氨是人体的基本元素之一，而固氮最有效也最搞笑的方法就是进行合成氨，合成氨工业是最重要的基础工业之一，至今已经超过80年的研究历史，同时，合成氨也消耗非常多的能源，世界上大约10%的能源用于合成氨，生产的合成氨是极其重要的基础化工原料，广泛用于各种肥料，炸药，橡胶等的制作，大约80%的合成氨用于肥料生产。合成氨早期主要是以焦煤气、水电气氢气以及水煤气为原材料。70年代开始以石脑油、天然气为原材料。而我国是一个天然气缺乏的国家，所以还是以煤炭为

8、主要材料进行合成氨的。以煤炭为原材料进行合成氨的工艺流程包括原料气的制备、净化、压缩合成、氨分离、原料气循环等步骤。而合成工段工艺流程就包括压缩、合成、冷凝分离、原料气循环等部分。此次设计就是根据已经净化的原料气体来合成氨。进行合成工段的工艺流程设计，得到相关的参数，并对设备进行选型，绘制出各种图纸。经过近80多年的发展，合成氨技术相对比较成熟。目前，主流的合成氨工艺都是选择中、低温进行合成。目前在国际上用于氨合成中比较主流的低能耗制氨工艺有：美国的原Kellogg工艺(现为KBR)、丹麦托普索工艺、瑞士卡萨利工艺、德国伍德工艺等。这几类氨合成工艺流程类似，都是为了提高氨净值。合成塔的主要部分

9、为内件。随着发展，人们研究出了各种类型的内件。以反应床论，可分为绝热式和内冷式，即床层内含有移热装置，如单冷管等；以移热方式论，可分为冷激式、层间换热式、内冷式以及冷激间换热复合式；以反应气体流向论，可分为轴向型和径向型以及轴径向混流型，其各有所长。轴向流塔操作稳定，催化剂装量多；径向流塔效率高，压力降小，操作敏感性强，要求高效催化剂。根据催化剂床层中是否设置冷管(内冷)方式可划分为：单层轴向内冷式内件；冷管改进型内件；多层绝热冷激式内件；多层绝热复合换热式内件；副产蒸汽式内件。本设计则采用多段绝热冷激式内件。第一章 文献综述1.1 合成氨项目简介合成氨，英文名Amonia,分子式NH3 氨是

10、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2。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。反应式 ：N2+3H22NH3 。1.1.1 合成氨物理性质氨气通常情况下是有刺激性气味的无色气体,极易溶于水,易液化,液氨可作致冷剂。表1 氨的物理性质摩尔质量密

11、度熔点沸点临界点17.0306g/mol0.638567-77.73-33.34132.911.38MPa1.1.2 合成氨化学性质和水反应：NH3+H2O=NH3H2O 一水合氨不稳定，受热容易分解。和酸反应:NH3+HNO3=NH4NO3 2NH3+H2SO4=(NH4)2SO4 NH3+HCl=NH4Cl 3NH3+H3PO4=(NH4)3PO4 等等。与纯氧反应: 4NH3+3O2=2N2+6H2O 条件点燃。催化氧化反应:4NH3+5O2=4NO+6H2O 条件点燃催化剂 放热反应，工业制取硝酸第一步。和碳反应: NH3+C=HCN+H2 条件加热 （氰化氢剧毒）。和水以及二氧化碳的

12、反应2NH3+H2O+CO2=NH4HCO3 反应受热容易分解。氨水（NH3H2O）能是湿润的紫色石蕊试纸变蓝色。电离呈弱碱性。1.1.3 合成氨市场预测合成氨行业既是我国化肥工业的基础， 也是传统煤化工的重要组成部分。 根据国际肥料工业协会 （IFA） 预测， 2010 至 2015 年期间， 全球新建合成氨装置中有 1 3 来自我国， 新建的煤头合成氨项目将主要出现在我国。 目前， 我国合成氨产业规模已居世界第一， 并且是世界上最大的以煤为原料的合成氨产地。 这一鲜明特点经过 “十二五” 发展将更加突出3。截至去年12月底，山东鲁北市场2410-2580元/吨，较年初上涨23.58%；临沂

13、部分承兑出厂至2560-2580元/吨，较年初上涨23.08%；河北市场价格在2280-2290元/吨，较年初上涨16.93%；江苏市场在2560-2650元/吨，较年初上涨29.29%-20.45%；安徽市场在2470-2550元/吨，较年初上涨30.28%；湖北市场2650-2680元/吨，较年初上涨35.88%；湖南地区价格在2730-2750元/吨，较年初上涨37.5%。有稳定的供需关系以及较为稳定的价格，所以依然有巨大的市场潜力。1.1.4 合成氨国内产能，消耗我国是个农业大国，合成氨作为化肥的基本原料之一，在各种肥料的生产中大量应用，迄今为止，我国合成氨已经可以自给自足并开始出口国

14、外。但是也出现产能过剩的情况了。工厂开工率变低也是存在的问题。表2 20062011 年我国合成氨供需情况年份产量 万 t进口 万 t出口 万 t表观消费量 万 t自给率 %20064937.919.204957.199.620075158.923.305182.299.620084995.124.305019.399.520095135.528.10.045163.399.520104963.129.10.144992.199.420115069.028.80.065097.799.4表3 20062011 年我国合成氨产能变化情况年份产能 （万 ta-1）增幅 %200658934.120

15、0760502.7200861722.0200964334.2201065602.0201166882.01.1.5 合成氨国外产能，消耗天然气（或煤基）生产合成氨和甲脂是目前天然气（煤气）化工利用的重要途径，技术成熟，已组织大规模生产。近年全世界合成氨供需基本趋于平衡，发展趋势是合成氨生产转向低价合成氨生产区，PotashCorp公司使特立尼达Point Lisas合成氨生产能力达到223万t/a。国际肥料工业协会（IFA）对全球合成氨产量调查显示，2008年全球合成氨产量接近1.582亿t,比2007年减少了1%。中国、澳大利亚、欧洲、俄罗斯特立尼达和多巴哥、印度、沙特等国和地区均由于市场

16、需求疲软而产量减少，伊朗、加拿大、印度尼西亚、墨西哥、委内瑞拉等需求持续增长。2005-2010世界部分地区合成氨产量见表44。 表4 2005-2010世界部分地区合成氨产量统计 万t国家2005年2006年2007年2008年2009年2010年美国 合成氨1014.11035.91042.51036.41041.01088.0 尿素308.6228.4234.0231.0231.2234.3加拿大（合成氨）460.7462.3463.8462.4462.3462.8欧洲（尿素）282.2225.0263.0254.5254.0259.0日本（合成氨）131.8132.8133.2131.

17、0131.0131.01.2生产规模及产品方案本设计为30万吨/年合成氨合成工段的设计。计划生产300天，共计给7200小时，每天生产1000t,每小时生产41.67t.1.2.1 产品方案半水煤气的制取（以煤合成氨为例）：向造气炉内加入煤，通入空气，让其燃烧升温，再间断通入蒸汽和空气，使蒸汽与炽热的碳发生反应生成 H2和CO，空气中的O2被消耗掉，剩下 N2，与此同时产生其它一些杂质性气体和粉尘，去除粉尘，回收余热，就得到半水煤气。 原料气体的净化：主要是将半水煤气的硫脱去，然后经过变换，再将气体中少量的一氧化碳和二氧化碳脱去。氨的合成：基于氨合成动力学和热力学的混合而成的，遵从于物料衡算，

18、使氨的含量达到平衡，是典型工艺流程，氨的合成主要在合成塔中进行5。流程示意图间图1图1H2 N2原料气的制备净化压缩合成 分离 液氨合成部分演示图见图2 图21.2.2 生产规格年产量为30万t,设计年生产时间300d。共计给7200小时，每天生产1000t,每小时生产41.67t。1.2.3 产品质量 氨是化学工业的重要组成部分，在国民经济中占有重要地位，它的用途十分广泛，以氮和氢为原料合成氨，是目前世界上采用最广泛、也是最经济的一种方法。氨的用途很广，以氨为主要原料可以制造各种氮素肥料和复合肥料。氨本身就是一种高效肥料，液氨含82.3%6。此次设计30万吨每年合成氨。纯度82.3%。1.3

19、工艺技术方案的选择1.3.1 工艺路线工艺路线见图3 图3 设计是用煤炭为原料合成氨工艺为研究对象。一共分为三个大的部分，分别为制气，净化，合成。 半水煤气的制取：该方法是在煤原料的基础之上来进行氨的合成，其原理为：把煤放在造气炉之中，并向炉中通入空气促使煤燃烧升温。随后间断性的向炉内通入蒸汽和空气，使蒸汽与碳接触并发生反应进而生成氢气（H2）和一氧化碳（CO），待通入炉内的空气中的氧气消耗殆净之后，便会留下氮气（N2），在这个过程当中，还会产生杂志性气体及粉尘，去除此类气体和粉尘便可得到半水煤气7。 半水煤气的净化：对半水煤气进行净化，即采取措施脱去其中的硫和一氧化碳（CO ）及二氧化碳（C

20、O）。 氨的合成：氨的合成是在合成塔内进行的，将氨合成动力学和热力学工艺相互融合，并在物料平衡的原则下，促使氨的含量趋于平衡8。氨的合成是合成氨生产时的最后一道工序,从合成压力、合成塔结构型式及热回收方面考虑其工艺上的选择。合成时,高压力最有利但能耗高;中压力不论是在技术上还是经济上都比较成熟和稳定,只要在范围1530 Pa之内,所消耗的功率差别不大。所以,采用中压法是最合理的,也是现在大部分氨合成通常采用的方法。目前所存在的中小型氮肥厂的压力一般都在3 2 MPa,大型氮肥厂的压力较小,在1 020 MPa之间。近年来所研究推出的低温氨催化剂,可有效的降低合成时的压力。合成反应热回收是节能必

21、需的主要手段之一。多产蒸汽和提高高热回收率的同时,还要考虑到回收蒸汽的压力和过热度。所以,要全面的、统一的针对整体流程进行考虑,应对有价值、价值高的高压过热蒸汽加大投资力度。液体氨属于合成系统。合成氨的分类通常在工业上的标准是以压力高确定的8。 高压法：操作压力7030 MPa,温度为550 650 。这种方法能大大提高氨合成效率,并且容易把混合气中的氨分离出来。因此,从这一系列操作中的流程、设备都较为紧凑。中压法操作压力为2060 MPa,温度450 550 ,中压法在一定程度上继承了高压法的优点,摈弃了低压法的缺点,技术和经济也较成熟和稳定,介于其两者之间,比较中和,是目前为止最合适的选择

22、。总之,只要压力范围控制在1 53 0 MPa之内,那么所需的功耗基本上没有太大差别,所以中压法在国内外都应用广泛。此次设计我们就选用压力为32 MPa的合成氨流程。低压法操作压力1 0 MPa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9。室温和常压下仿生合成氨生物固氮是指生物体内的固氮菌通过固氮酶中特定的结构同时完成对氮分子的吸附、活化和反应的过程，在常温、常压下将空气中的氮气转化为含氮化合物。固氮酶是一种多功能的氧化还原酶，由 Mo-Fe 蛋白和 Fe蛋白组成，结构均相当复杂10。生物固氮在常温、常压固氮酶催化作用下

23、进行，具有条件温和、转化效率极高（接近 30%）等特点。如果人工合成模拟化合物，实现常温常压合成氨，将对氮肥和化学工业产生深远的影响，并为合成氨带来一场革命11 12。1.3.2 工艺路线的比较与选择高压法在这过程中释放出来的大量热量容易导致催化剂温度升高而失去活性,使催化剂寿命减短。低压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13。常温常压下合成氨技术还不太成熟，难以大规模商业应用。生产能力也不够大。暂时还是处于试验阶段。还要继续完善才能应用。不过未来很有潜力14。 中压法

24、既有高压法的优点，又去除了低压法的缺点。中压法(压力为3 2 MPa)合成氨是目前较为常见的方法(见图1),气体从冷交换器出口分二路、一路作为近路、一路进入合成塔一次入口,气体沿内件与外筒环隙向下冷却塔壁后从一次出口出塔,出塔后与合成塔近路的冷气体混合,进入气气换热器冷气入口,通过管间并与壳内热气体换热。在温度上升之后,冷气口出来的分为五路进入合成塔(其中的三路作为冷激线分别调节合成塔)。二、三、四层(触媒)温度,一路作为塔底副线调节一层温度；另一路为二入主线气体,通过下部换热器管间与反应后的热气体换热、预热后沿中心管进入触媒层顶端,经过四层触媒的反应后进入下部换热器管内,从二次出口出塔、出塔

25、后进入废热锅炉进口,在废热锅炉中副产25 MPa蒸气送去管网,从废热锅炉出来后分成二股,一股进入气气换热器管内与管间的冷气体换热;另一股气体进入锅炉给水预热器在管内与管间的脱盐,脱氧水换热,换热后与气气换热器出口气体会合,一起进入水冷器。在水冷器内管被管外的循环水冷却后出水冷器,进入氨分离器,部分液氨被分离出来,气体出氨分离器,进入透平循环机入口,经加压后进入循环气滤油器出来后进入冷交换器热气进口。在冷交换器管内被管间的冷气体换热,冷却后出冷交换器与压缩送来经过新鲜气滤油器的新鲜气氢气、氮气会合进入氨冷器,被液氨蒸发冷凝到- 5 -10 ,被冷凝的气体再次进入冷交,在冷交下部气液分离,液氨送往

26、氨库气体与热气体换热后再次出塔,进入合成塔再次循环15。1.3.3 本设计研究内容本设计为30万吨/年合成氨合成工艺设计，对目前国内外比较先进的合成氨变换工艺进行比较和分析，分析设计方案的可行性，结合实际需要选择一套经济实用的工艺方法，通过Aspen plus 完成物料衡算以及能量衡算，进行灵敏度分析，找到最佳的生产工艺以及条件，得到最优化的模拟结果。最大限度的利用能量和物料。选出最佳的催化剂。并进行设备的选型。在此基础上，完成绘制物料流程图（PFD）、带控制点的工艺流程图（PID）、主要设备图、车间平面布置图。最终完成设计。第二章 物料衡算2.1 设计要求年工作日：300天；产量37.878

27、8t/h;合成塔操作压力：27MPa（绝压）：合成塔进气（摩尔百分数）NH3：3.8 CO2: 11.91水冷器出口温度：35；精炼气温度：35。2.2 工艺流程图 主要步骤为压缩，合成，分离，循环四步。其中最重要的一步是合成塔的合成。2.3 全流程物料衡算表 合成氨反应物料衡算 进料 出料摩尔流率 kmol/hr01010111010701090110N21250443.35415.675550.0443398443.354H2375018430.8245.316491.84326718430.82H3N0739.58862468.4860.0739662739.5887CO212.523.

28、7782112.498190.00237823.77764摩尔分率N20.24937660.02257680.006166680.02257680.0225768H20.74812970.93855030.01782720.93855030.9385503H3N00.03766190.97108930.03766190.0376619CO20.002493770.001210850.004916720.001210830.00121083总摩尔流率 kmol/hr5012.519637.542541.9761.96395119637.54总质量率 kg/hr43126.5263216.2943

29、120.226.32225963216.27总流量l/min10424129678.851244.2382.98122229809.24温度 K300.15301.0182300.15300.15300.15压力 atm19.73847272.3908270.417270.417270.417气体分压11011进料量=0101+0111=43126.52+63216.29=106342.81 （kg/hr ）出料量=0107+0109+0.1043120.22+6.322+63216.27=106342.81（kg/hr） 进料量=出料量。2.4 单个单元的物料衡算2.4.1 鼓风机物料衡算设

30、置参数：压力272.9atm。 通过鼓风机加压。进料的总量为5012.5Kmol/h即0101的总量为5012.5Kmol/h，物料通过鼓风机到0102。0102的物料总量为5012.5 Kmol/h。进料量=出料量。物料守恒。2.4.2 混合器物料衡算设置参数：物料衡算：0102+0111=01030102的物料量：5012.5 Kmol/h 0111的物料量：19637.5 Kmol/h0102+0111=24560=0103进料量=出料量 物料守恒2.4.3 换热器1物料衡算设置参数：物料衡算：0103=01040103物料量：24650 Kmol/h 0104物料量：24650 Kmo

31、l/h2.4.4 反应器物料衡算设置参数：物料衡算：0104=01050104的物料量：106343kg/hr 0105的物料量：106343kg/hr物料守恒。2.4.5 换热器2物料衡算设置参数：物料衡算：0105=01060105的物料量：22181.51 Kmol/h 0106的物料量：22181.51 Kmol/h物料守恒。2.4.6 闪蒸罐物料衡算设置参数：物料衡算：0106=0107+01080106的物料量：22181.5 Kmol/h 0107的物料量：2541.98 Kmol/h0108的物料量：19639.5 Kmol/h 0107+0108=2541.98+19639.

32、5=22181.5=0106物料守恒。2.4.7 循环混合器物料衡算设置参数：物料衡算：0108=0109+01100108的物料量：19639.5 Kmol/h 0109的物料量：1.96395 Kmol/h0110的物料量：19637.5 Kmol/h0109+0110=1.96395+19637.5=19639.5=0108物料守恒。2.4.8 循环压缩机物料衡算设置参数：物料衡算：0110=01110110的物料量：19637.5 Kmol/h 0111的物料量：19637.5 Kmol/h物料守恒。经过ASPEN PLUS 衡算，每个单元的物料是守恒的，整个流程的物料也是守恒的。物料

33、衡算完成。第三章 能量衡算3.1全流程的能量衡算单元焓值 cal/sec0101-30713001024192100010314277300104190249000105103136000106-161800000107-110640000108-27975000109-279.7510110-27972000111-2764400C01014499228E010117597183.4R0101-8711338.87E0102-26493641.2V01032318565.18C010232876.47热量衡算：系统进料总热量+换热器换热热量=系统出料的总热量即进料+换热热量= 0101+C0

34、101+E0101+R0101+E0102+C0102+V0103=-1010568+16.1972+63.3499-31.3608-95.3771+0118355+8.34683=-39.8315 （Gcol/hr）系统出料总热量=0107+0109=-0.0010071-39.8304=39.8314071（Gcol/hr）全流程能量是守恒的。3.2 单个单元的能量衡算3.2.1 鼓风机热量衡算鼓风机单元流程图能量衡算：0101+c0101=01020101的能量：-307130 cal/sec c0101的能量：4499228.21 cal/sec0102的能量：4192100 cal/

35、sec0101+c0101=（-）307130+4499228.21=4192099.21=0102能量守恒，没有严格相等时因为小数点的数位限制。3.2.2 换热器1能量衡算换热器1单元流程图能量衡算：0103+E0101=01040103的能量：1427730 cal/sec E0101的能量：17597183cal/sec0104的能量：19024900 cal/sec0103+E0101=1427730+17597171=19024901=0104能量守恒。3.2.3 反应器能量衡算反应器单元流程能量衡算：0104+R0101=01050104的能量：19024900 cal/sec R

36、0101的能量：-8711338.87 cal/sec 0105的能量：10313600 cal/sec0104+R0101=19024900-8711338.87=1031568=0105能量守恒。3.2.4 换热器2能量衡算换热器2单元流程能量衡算：0105+E0102=01060105的能量：10313600 cal/sec E0102的能量：-26493601.2 cal/sec0106的能量：-16180000 cal/sec0105+E0102=10313600-26493641.2=16180001.2=0106能量守恒。3.2.5 闪蒸罐能量衡算闪蒸罐单元流程能量衡算：0106

37、+V0103=0107+01080106的能量：-16180000 cal/sec V0103的能量：2318565.18 cal/sec0107的能量：-11064000 cal/sec 0108的能量：-2797500 cal/sec0106+V0103=（-）16180000+2318565.18=（-）13861434 cal/sec0107+0108=（-）11064000-2797500=13861500 cal/sec0106+V0103=0107+0108能量守恒。3.2.6 循环压缩机能量衡算循环压缩机单元流程能量衡算：0110+C0102=01110110的能量：-2797

38、200 cal/sec C0102的能量：32876.47 cal/sec 0111的能量：-2764400 cal/sec0110+C0102=（-）2797200+32876.47=（-）2764324=0111能量守恒。通过ASPEN PLUS 的模拟数据进行了能量衡算。其中，鼓风机、换热器1、反应器、换热器2、闪蒸罐、以及循环压缩机有能量的交换。而混合器没有能量交换。因此不需要计算。能量衡算完成。 第四章 设备的选型和计算4.1设备简述在生产合成氨的过程中，最主要的设备为合成塔，此次设计经过多方验证最终选用冷激间冷式内件，它是基于托普索节能型氨合成塔内件开发的一种高效节能的反应器。考虑

39、的部分主要是触媒筐和塔内换热器。从节约水电和能耗，以及提高原材料的利用率和反应热的回收，此次设计中选用三段绝冷激间冷式内件。其特点为：（1）生产能力大；（2）节约管材；（3）高效节能，氨净值高；（4）床层间复合换热；（5）便于催化剂还原。使用A106型合成塔催化剂，主要成分为：Fe3O4,Al2O3,K2O，CaO等。该催化剂有抗毒性好，低温活性高，热稳定性好的优点。该内件是由三段轴向绝热床和复合换热式结构构成，下部换热器和层间换热器串联，结构为第一绝热床+冷激器+第二绝热床+层间换热器+第三绝热床+下换热器。4.2 合成塔设计4.2.1 合成塔筒体设计 使用该内件的氨合成塔，从设计的生产任务

40、，催化剂的量，以及塔内换热器的内径，最终考虑选择2200mm的合成塔能满足需求。塔厚设计：设计温度为755K即482，压力为270atm,即27MPA，由于合成氨有一定腐蚀性，同时反应条件为高温高压，所以材料的选择必须耐腐蚀，耐高温高压。因此，选择0Cr18Ni10Ti作为筒体材料。筒体厚度：取=1.0，C=1.5mm查有关数据得到t=268，=1.127=29.7MPa内压容器的厚度计算：带入数据得到：=130.55圆整后取14mm。水压试验强度校核后满足面下公式： 因此塔的厚度设计为14mm,筒体内径设计为2200mm。4.2.2 催化剂层设计确定选用该内件，并在此基础上进行合成塔的催化剂

41、设计。根据设计生产量和工艺尺寸等参数，按照条件设计催化剂的浓度、温度和产量。此次设计用“近似法”计算。得到最终的设计参数。计算如下。（1） 基本参数表 进塔气成分(%)H2N2CO2NH362.5421.7511.913.8进塔气摩尔流量：根据ASPEN模拟得到的结果总得摩尔流量为：93458.3L/min 换算1557638M3/hV1=11438.7561510433024=216643.11m3/hMK0=9671.57无惰性气体分解基流量：=0.038=216643.11(10.15)1+0.038(10.15)=1192379.08m3/h(2)三段催化剂床层，分别计算： 第一段绝热

42、层温度计算（n=1）,假设催化剂层温度T k,0=390 假设第一段气体温度Tk,1=480查询物料参数得知第一段平均温度=(+)2=（480+3902=435由=435，=0.038 查=39.06=51110KJ/kmol NH3联立方程得： 其中 表示第n1段至n段催化剂用量 ，为扣除了惰性气体的第n段催化剂进出计算氨含量， 为入塔氨分解基无惰性气体体积流量 为催化剂活性系数为第n段进出口反应速度倒数求反应热及生成氨含量：令气体第一段焓升（反应热）则氨的生成量为 =10515.50439.06(480-390)51110=723.268出口处氨的含量 由公式 ： = 22.4723.26

43、8206021.429+ =0.0588+由公式：=0.025（10.025）=0.0256，=0.0250上式=0.0588+0.0250=0.0838，=0.0915实际出口氨含量：=0.0915（10.1510515.504/ Mk,1）式中：Mk,1 = Mk,0M1 Mk,1=（10515.504723.268)=9792.236=0.0915（10.1510515.5049792.236）=0.079d.计算A1,1(反算) 由A106催化剂活性曲线查，当 =390，=0.029时 =10.210-5当 =480，=0.095时 =7.010-5=+2=3.610-5(-) =2.89610-5第一段催化剂用量：= 第二绝热床层计算第一床层的气体在冷激气的冷激下温度降到400，然后进入第二床层进行反应设冷激气的量占总入塔气的25%，则进第二绝热床层摩尔流量：Mk2= Mk1+ 0.25Mk0 =9775.207+0.2510515.504=14404.082kmol/h无惰性气体氨分解基流量：=12404.08222.4(10.168)1+0.125(10.168)=286806.863m3/h设第二段出口氨含量为11.8%,则第二绝热床层无惰性气体进出口氨含量：=0.118(10.168)=0.141 冷激后氨的含量：=0.0620 氨生成量：