第一部分 设计说明书
一、概述
产品在国民经济中的地位及用途；国内外生产的发展概况；合成氨工业的展望。 氨在国民经济中占有重要的地位，现在约有80%的氨用来制造化学肥料，其余作 为生产其他化工产品的原料。除液氨可直接作为肥料外，农业上使用的氨肥，例如尿素、硝酸铵、磷酸铵、硫酸铵、氯化铵、氨水以及各种含氨混肥和复肥，都是以氨为原料的 氨在工业上主要用来制造和各种化学纤维和塑料。从氨可以制的硝酸，继而再制造硝酸铵、、和硝基纤维素等。在化纤和塑料工业中，则以 氨、硝酸和尿酸作为氮源，生产已内酰胺，己二胺、人造丝、全脂树脂和脲醛树脂等 产品 氨的其他工业用途也十分广泛，例如作为制冰、空调、冷藏等系统的制冷剂，在冶金工业中用来提炼矿石中的铜、镍等金属，在医药和生物化学方面生产磺胺类生物、 维生素、蛋氨酸和其他氨基酸等。 氨气的发现 十七世纪 30 年代末英国的牧师、 化学家 S.哈尔斯(HaLes， 1677~1761) ,用氯
化铵与石灰的混合物在以水封闭的曲颈瓶中加热， 隔墙偷听器只见水被吸入瓶中而不见气体放出， 1774 年化学家普利斯德里重做该实验， 用汞代替水来密封， 制得了碱空气(氨)，并且他还研究发现了 氨的性质， 发现氨极易溶于水、 可以燃烧， 还发现该气体通以电火花时其容积增加， 而且分解为两种气体: H2和 N2， 其后 H.戴维(Davy， 1778~1829) 等化学家继续研究， 进一步证明了 2 体积的氨通过电火花放电后， 分解为 1体积的氮气和 3 体积的氢气[2]。19 世纪以前农业上所需的氮肥来源主要来自于有机物的副产物和动植物的废物， 如粪便、 腐烂动植物等等， 随着农业和军工生产的发展的需要， 迫切的需要建立规模巨大的探索性的研究， 化学家们设想， 能不能把空气中大量的氮气固定下来， 从而开始设计以氮和氢为原料的合成氨流程。 19 世纪， 大量的化学家开始试图合成氨， 他们试图利用高温、 高压、 电弧、 催化剂等手段试验直接合成氨， 均未成功。 19 世纪末， 随着化学热力学、 动力学和催化剂等领域取得一定进展后， 对合成氨反应的研究有了新的进展。 1901年法国物理化学家吕·查得利开创性地提出氨合成的条件是高温、 高压， 催化剂存在。 1912年在德国建立了世界上第一个日产 30 吨的合成氨厂[2]。 合成氨也随之工业化， 在以后的生产过程中， 人们对合成氨的生产工艺进行了不断改进和完善， 如变换工艺的改进。 原 料气净化方法的革新及合成塔的改造等， 但工艺路线没有大的变化。国外
合成氨工业发展 到 20 世纪 50 年代， 由于北美成功开发了天然气资源， 从此天然气作为制氨的原料开始盛行。从工程投资，能量消耗和生产成本来看，以气体和液态烃类为原料生产 合成氨具有明显的优势。 到了 20 世纪 60 年代末， 国外主要产氨国都已先后停止用焦炭、 煤为原料，取而代之的是以天然气、 重油等为原料， 天然气所占的比重不断上升。70 年代原油涨价后， 一些采用石脑油为原料的合成氨老厂改用天然气， 新建厂绝大部分采用天然气作原料。 生产合成氨的方法主要区别在原料气的制造， 其中最广泛采用的为蒸汽转化法和部分氧化法[3]。 从世界燃料储量来看， 煤的储量约为石油、 天然气总和的 10 倍， 自从 70 年代中东石油涨价后， 从煤制氨路线重新受到重视,但因以天然气为原料的合成氨装置投资低、 透水混凝土做法
能耗低、 成本低的缘故，世界大多数合成氨厂仍将以气体燃料为主要原料。 国内合成氨工业发展 建国前， 我国国内内的合成氨工业基础非常薄弱， 规模小， 厂家少， 并且技术落后。建国后， 合成氨工业发展很快， 产量也不断增加。 中国的合成氨工业是在 20 世纪 30 年代开始的，智能操作票 当时仅在南京和大连两地建有规模不大的两个合成氨工厂， 此外在上海还有 一个电解水制氢生产合成氨的小型车间， 全国年产量不到 1 万吨。 建国以来， 基于农业的迫切需要， 我国的合成氨工业得到了快速发展。 在原料方面， 由
单一的焦炭发展到煤、 矩阵干扰天然气、 焦炉气、 石油炼厂气、 轻油和重油等多种原料制氢。 研制并生产多种合成氨工艺所需的催化剂， 在品种、 产量和质量上都能满足工业生产的要求， 一些品种的质量已达到国际先进水平; 我国已完成大型合成氨厂的设计及关键设备的制造。 具有因地制宜特点的我国小型合成氨工业， 经过多年的改进， 工艺日趋完善， 能耗也有明显降低。已掌握了以焦炭、无烟煤、焦炉气、天然气及油田伴生气和液态烃多种 原料生产合成氨、尿素的技术,形成了特有的煤、石油、天然气原料并存和大、中、 小生产规模并存的生产格局。 在技术力量方面， 我国已拥有一支能从事合成氨生产的科研、 设计、 制造和施工的高素质技术队伍。 在生产能力方面， 1980年中国合成氨产量为 1498 万吨， 到 1990 年上升至 2129 万吨， 仅次于前苏联名列世界第二。 1994 年中国氨产量达到 2442 万吨， 2005 年中国氨产量为 4596 万吨， 2006 年中国合成氨产量为 4937.9 万吨， 2007 年中国合成氨产量已超过 5000 万吨， 从 1994 年后中国合成氨产量位列世界第一。氮肥工业已基本满足了国内需求,在与国际接轨后,具备与国际合成氨产品竞争的能力,今后 发展重点是调整原料和产品结构,进一步改善经济性。
根据合成氨技术发展的情况分析,估计未来合成氨的基本生产原理将不会出现原则性的改变,其技术发展将会继续紧密围绕“降低生产成本、提高运行周期,改善经济 性”的基本目标,进一
步集中在 “大型化、低能耗、结构调整、清洁生产、长周期运 行”等方面进行技术的研究开发 大型化、集成化、自动化,形成经济规模的生产中心、低能耗与环境更友好将是未来合成氨装置的主流发展方向 。单系列合成氨装置生产能力将从2000t/d 提高至 4000~5000t/d。以天然气为原料制氨吨氨能耗已经接近了理论水平,今后难以有较大幅 度的降低,但以油、煤为原料制氨,降低能耗还可以有所作为。 在合成氨装置大型化的技术开发过程中,其焦点主要集中在关键性的工序和设备, 即合成气制备、合成气净化、氨合成技术、合成气压缩机 ;在低能耗合成氨装置的技术开发过程中,其主要工艺技术将会进一步发展;实施与环境友好的清洁生产是未来合成氨装置的必然和惟一的选择。生产过程中不生成或很少生成副产物、废物,实 现或接近“零排放”的清洁生产技术将日趋成熟和不断完善;提高生产运转的可靠性, 延长运行周期是未来合成氨装置“改善经济性、增强竞争力”的必要保证。有利于“提 高装置生产运转率、延长运行周期”的技术,包括工艺优化技术、先进控制技术等将 越来越受到重视。
二、设计依据
设计任务书；市场需要；技术改造；厂址评述；原料选取；最终产品选择。
本设计是年产 10万吨合成氨厂合成工段工艺设计。
1.市场需要 农业是我国国民经济的基础，不断提高粮食产量，实现化肥自产自给是解决十五亿人吃饭问题的主要保证。
2.技术改造 由于我国一些小型厂存在着技术落后，设备老化的问题，在我国已加入世界贸易组织的形势下，改造这些尤其显的刻不容缓，以新技术改造老装备达到的目的是:增加产量，节能降耗，改善环保，提高产凭质量，用于改造新的技术其流程应是先进可靠，操作简便易于掌握，对于生产变化的适应性要强，生产危险性小，另外投资还要省。 综上所述，设计一年产十万吨的合成氨工序是有用的。
3.厂址选择 由于合成氨厂高温高压设备多，易燃易爆易中毒的特点，排放污水废气等所以 厂址选在远离繁华市区的农村。同时，还有水、电资源丰富，还要考虑原料，产品三脚电感 的输送条件，特别是原料的运费，一定要考虑在内应选在靠近原料稀罕地的地方为厂址。
4.原料选择 随着需要量的增长以及天然气和石油工业的需速发展，原料逐渐由焦炭和焦炉气被廉价的天然气、石脑油和重油代替，自中东石油危机以来，天然气和石脑油的 价格不
断上涨，面对资源储量日益减少的天燃气和石脑油人们又将目光转到了一度备受冷落的煤炭，着手研究以煤炭为原料的新技术。 选用何种原料受其所在地区的资源限制，一般以油田地区可建新的大型氨厂， 而一般小型合成氨厂以煤炭为原料，一般选用碳量和热值都高的山西无烟煤。
5.产品选择 (1)尿素 纯尿素为白，无味，无臭的针状或棱状晶体，工业产品中由于含有杂质，有 时略待微红瑟，尿素含氮量是目前固体氮肥中最高的，为 46%，是一种高浓度氮 肥，属中性特效肥料，在土壤中部残留任何有害成分，长期施用没有不良影响，畜 牧业可用作反刍动物的饲料，在反刍动物中，微生物将尿素的胺态氮转化为蛋白质， 使肉奶增产。也可作为高聚物的合成材料用，此外，也常在医药、纺织、石油、制 革工业中得到应用。因而得到普遍赞誉。 尿素具有吸湿性，当空气中相对湿度大于尿素吸湿点时，尿素吸收空气中的水 分而得潮解，所以包装、贮存运输应注意防潮。 (2)液氨 液氨主要用于生产硝酸、尿素和其他化学肥料，还可用作医药和农药的原料。 在国防工业中，用于制造火箭导弹的推进剂。可用做有机化工产品的氨化原料，还 可用作制冷剂。液氨也是一个很好的溶剂。液氨加热至 800~850 C自动润滑系统，在镍基催化剂作用下，将氨进行分解可以得到75%的H2，25%N2 的氮氢混合气体。用此法制的的气 体是一种良好的保护气体，可以广泛的应用于
半导体工业，冶金工业，以及需要保 护气氨的其他工业和科学研究中。
我公司是以合成氨生产为龙头，集有机、无机化工产品生产的化工企业。形成了以合成氨为基础，具有自身特的循环经济产品链条，产品主要有硝酸、硝酸铵、三聚氰胺、苯酐、硝基复合肥、尿素、农用碳酸氢铵、硝酸钠盐、甲醇等产品
三、设计规模
论述合成氨厂规模大小的利弊和选择。
(1)我国合成氨产量一度居世界第一位，但单系列装置规模较小，合成氮平均规模较小，无法适应世界合成氨的发展趋势。近年来合成氨装置大型化是世界合成氨的主流发展趋势。(2)目前我国化肥厂原料组成气、油煤比例大致为14%、22%和 65%。由于原料 在成本构成中占有很大比例，因此要提高国际市场竞争力，首要的是选用价格较低 的原料，不再新建以煤，油为原料的大型合成氨装置。对现有以天然气为原料的大 型合成氨装置要保证原料供应，有条件的要进行挖潜改造，提高装置规模;以油为原料的合成安装制改造为以天然气为原料;对于以无烟煤或焦炭为原料，再用固定层间歇气化的中小型厂，有天然气资源的
要改为以天然气为原料，没有天然气资源 的，特别是远离原料产地的企业要加快富氧连续气化，碎煤或煤粉加压汽化技术。 (3)中型合成氨装置必须进行改造，种子那个合成安装之设备效率低是主要矛盾，技术改造主要是提高设备效率，不要盲目扩大设备能力。我国的中型合成氨装 置基本上都是我国自行设计，自己制造设备建设起来的。国外没有这方面的实践和 投入，因此中型合成氨装置技术改造应以国内技术为主。 (4)必须压小保大。我国长期以来对化肥企业实行了多项优惠政策，特别是小 化肥企业免征增值税。国家以下决心压小保大，腾出有限的市场空间，净化现有的 市场格局，这也是很多企业成功的做法。对现有大中型氮肥企业进行资产重组，建 立若干个大型化肥企业集团。从地域看，建立几个区域性大型化肥企业集团，是可 行的，这些产品一至，市场趋同的企业应该探索走联合发展的路子，建立大型化肥 企业集团，实现资源最优配置，以发挥整体优势。而自然淘汰下来的小型合成氨企 业可为单一元素基础化肥进行二次加工，生产市场需求的各种专用或多功能肥料化 肥，由于自然淘汰下来的小型合成氨企业遍布各地，直接面向市场，可形成化肥加 工、销售、服务一条龙系统。 (5)原料占了合成氨生产成本的75%，由于原料来源困难和价格高，一些厂将 调整原料结构，有原料气的地方改用天然气为原料，没有天然气的地方改用煤为原 料。但没和天然气也将受国内国际价格的影响，也不能完全靠一种原料，
要保证装 置也要适用天然气、煤(焦)、轻油和重油等原料。我国化肥工业在靠近市场，远离 原料产地的现象，加上公路运输禁止超载，原料长距离运输费用增高。拿尿素来说， 每吨成本至少上升 100 元以上。国家对化肥运输实行优惠运价，国家规定的 1000 千米的尿素运输为23.4 元，加上合计费不到50 元每吨，而“西气东输”至上海的 输送价为0.884 ,每一千米约为0.21元，每吨尿素消耗的天然气的输送费用 为126 元每千米，高于尿素的运输成本。因此，对化肥而言，输气不如输产品，氮 肥装置应建设在大天然气资源产地，天然气价格也是制约合成氨项目成败的主要因 素之一。 (6)国际上基本以高浓度化肥为主，而近年来发达国家化肥生产主要以复合肥 料为主，并正在进一步向多功能、专用方向发展。因此必须调整下游产品结构，生 产部分复合肥料或混配肥料，以适应农业发展的需要我国氮肥中高浓度的尿素、硝 酸铵约占56%，低浓度的碳铵、硫酸铵等占40%，复合肥、专用肥比例较小，跟不上农业生产对化肥需求的变化。
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