1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

1.选题的背景和意义

氨在国民经济中有着重要意义，目前，我国农业用氨主要用于生产尿素和碳酸铵，其消费量约占合成氨总消费量的75%，用于生产硝酸铵、氯化铵等其他肥料的合成氨约占合成氨总消费量的15%，工业用氨量约占合成氨总消费量的10%，氨在工业生产中主要用来制造炸药和各种化学纤维及塑料，从而制造硝酸，进而制造硝酸铵、硝酸甘油等。

氮肥工业市场化改革激发出巨大潜能，促进了氮肥工业的发展、开放和繁荣，也满足了我国农业生产的需求。近十年间，我国氮肥产量以年平均增长6.7%的速度发展，最终氮肥供应由极度匮乏向部分自给有余转变。以氮肥中所占比例最大的尿素为例，2009年尿素产量合计（折N含量100%）2932.5万吨充足的肥料供给，为我国粮食连年增产丰收奠定了坚实基础。

1.1我国合成氨的现状：

（1）产能快速增长：中国现有合成氨生产企业 522个，2008年合成氨总产能约5700万吨，2009年底预计达到6000万吨以上。而产能增加主要是新建装置和部分装置扩能改造的贡献。2008年合成氨产量5050万吨，占世界总产量1.53亿吨的33％，居世界首位。如图0-1所示

图0-1 2005年-2008年合成氨产量

（2）合成氨贸易量及利用：每年全球合成氨贸易量约占总产量的12%以上。2008年约为1870万吨，比2007年下降2.4%。中国的商品液氨很少，主要用于生产肥料，非肥料需求不到10%，用于浓硝酸、己内酰胺、丙烯腈等。如图0-2所示：

图0-2 2006年-2008年合成氨贸易量

2.毕业设计的基本内容

2.1比较分析各种原料合成氨的优劣。

合成氨的主要原料如表0-1所示，但一般大型化工厂都选择以天然气合成氨。

表0-1 合成氨的原料选择

（1）天然气制氨：天然气先经脱硫，然后通过二次转化，再分别经过一氧化碳变换、二氧化碳脱除等工序，得到的氮氢混合气，其中尚含有一氧化碳和二氧化碳约0.1％～0.3％（体积），经甲烷化作用除去后，制得氢氮摩尔比为3的纯净气，经压缩机压缩而进入氨合成回路，制得产品氨。以石脑油为原料的合成氨生产流程与此流程相似。

（2）重质油制氨：重质油包括各种深度加工所得的渣油，可用部分氧化法制得合成氨原料气，生产过程比天然气蒸气转化法简单，但需要有空气分离装置。空气分离装置制得的氧用于重质油气化，氮作为氨合成原料外，液态氮还用作脱除一氧化碳、甲烷及氩的洗涤剂。

（3）煤制氨：一是煤的焦化（或称高温干馏），二是煤的气化。焦化是指煤在隔绝空气条件下，在90－1000℃制取焦碳副产品为焦炉煤气。焦炉煤气组成中含氢气55-60％（体积）甲烷23-27％、一氧化碳6-8％等。每吨煤可得煤气300－350m3，可作为城市煤气， 亦是制取氢气的原料。

根据以上以这三种原料合成氨的主要流程进行比较：

（1）从技术方面看：天然气工艺技术目前最可靠，工艺成熟、生产连续；煤技术中，固定层气化流程，虽然工艺成熟，但气化消耗高，环保污染严重、难以达标、厂区环境恶劣，水煤浆气化技术对煤种要求特别高，包括煤的活性，灰份含量、灰熔点、固定碳含量，所以，煤为原料的连续气化的合成氨风险比较大。

（2）从流程装置方面看：重质油包括各种深度加工所得的渣油，可用部分氧化法制得合成氨原料气，生产过程比天然气蒸气转化法简单，但需要有空气分离装置，天然气装置的投资远比煤头装置低，如果15万吨天然气为原料的合成氨装置固定投资为2.81亿，同等规模的投资大致如表0-2所示：

表0-2 合成氨同等规模的投资

（3）从原料价格来看：如果煤用现行价格（503元/吨）不变，天然气2012年（含2012年）前每年涨价8%。2012年之后天然气价格不变（见下表0-3）。

表0-3 天然气与煤的价格

（4）从资源储量来看：见表0-4

表0-4 资源的储量情况

我国的石油分布广泛，但总量不多，每年都要进口大量的石油与天然气。而煤炭资源主要分布在华北地区，其他地方的煤炭资源缺乏，故可以在华北地区采取煤炭制氨法，其他地方可以因地制宜。

（5)从目前全球形式来看：如表0-5所示

表0-5 全球合成氨原料结构占产能的比例（%）

综上所述合成氨原料的选择要本着以下原则：

（1）原料来源易得、符合环保和清洁生产要求、投资省和运行成本低、工艺技术可靠、生产稳定、操作方便、便于管理。

（2）选择煤还是天然气必须因地制宜的决择。

（3）目前为止，天然气为原料的合成氨厂，其业绩比其他原料路线好，而且比较稳定。

依据以上分析，合成氨原料路线选择应以天然气为宜。

2.2对以上生产工艺进行比较考量之后选择以天然气为原料合成氨作为本设计的研究象。

2.2.1研究工艺流程的特点。

（1）天然气合成氨工艺流程图0-3：

图0-3 天然气合成氨工艺流程

（2）氨合成操作条件的选择：

①压力：氨合成压力的高低，是影响氨合成生产中能量消耗的主要因素。提高压力，对氨合成反应的平衡和反应速率都是有利的，在一定的空间速度下，合成压力越高，出口氨浓度越高，氨净值越高，合成塔的生产能力也就越大，氨产率是随着压力的升高而上升的。

②温度：氨合成反应必须在催化剂的存在下才能进行，而催化剂必须在一定的温度范围内才具有催化活性，所以氨合成反应温度必须在催化剂的活性温度范围内。

③空间速度：当操作压力、温度及进塔气组成一定时，对于即定结构的合成塔，增加空间速度也就是增快气体通过催化剂床层的速度，气体与催化剂接触时间缩短，使出塔气中氨含量降低，即氨净值降低。但由于氨净值降低的程度比空间速度的增大倍数要少，所以当空间速度增加时，氨合成的生产强度有所提高，氨产量有所增加。

④合成塔进塔气体组成：合成塔进口气体组成包括氢氮比、惰性气体含量与初始氨含量。当氢氮比为3时，可获得最大的平衡氨浓度，但从氨的反应机理可知，氨的活性吸附石氨合成反应过程中控制步骤，因此适当提高氢气浓度，对氨合成反应速率是有利的。惰性气体不参加反应，但由于它的存在会降低氢氮气的分压，对化学平衡和反应速率都是不利的，导致氨的生产率下降。

（3）操作要点：

①催化剂层热点温度的控制

根据合成塔进口气体成分及生产负荷的变化，及时调节合成塔各段冷激阀、循环机回路阀及系统近路阀，稳定催化剂层热点温度，温度波动范围应控制在5℃以内，当发现催化剂层温度猛降时，应立即判明原因，采取相应措施，如改变气量，停止补气，加强放氨及启用电加热器等方法进行调节。

②氨冷器温度的调节

及时调整氨冷器液位和液氨蒸汽压力，控制好氨冷温度，以降低合成塔进口气体中的氨含量，并严防氨冷器中的液氨带入氨压缩机。

③防止跑气和漏气

氨分离器及冷交换热器底部放氨时，应严防高压气体窜入液氨储槽；经常检查透平循环机运行情况。

2.2.2工艺流程安全性分析

(1)物料的危险特性：

氨的主要性质如表0-6所示：

表0-6 氨的主要性质

此外，氨是无色、有刺激性恶臭的气味。易溶于水、乙醇、乙醚，是第2.3类有毒气体，在建规火险分级中分为乙类，易燃，有毒，与空气混合能形成爆炸性混合物。若遇明火、高热能引起燃烧爆炸，与氟、氯等接触发生剧烈的化学反应。若遇高热，容器内压增大，有开裂和爆炸的危险。

（2）不正常现象：催化剂床层温度突然升高；循环气氢氮比过大或过低；补充气中一氧化碳和二氧化碳含量高；合成塔进口气体带液氨；催化剂床层同平面温差大；合成塔塔壁温度过高；合成塔进口气体氨含量高；合成塔电炉丝烧坏；催化剂床层温度测不准等等。

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

（1）虚拟年产x吨的生产厂，明确厂区的功能区域（公用工程区，生产区，产品包装储存区等）并合理划分区域分布，对此厂进行的厂区平面布置和简单的消防设计的设计。此处需要出详细的明面布置图，并配详细的文字说明。需要参考的法规有：石油化工企业设计防火规范、建筑消防法规等。设计需要研究的问题：①计算物料用量②工艺流程②操作条件③事故预防④安全评价

（2）安全评价方法的选择

选择评价方法时应根据安全评价的特点、具体条件和需要，针对被评价系统的实际情况、特点和评价目标，经过认真地分析、比较来选择；必要时，应根据评价目标的要求选择几种安全评价方法进行安全评价，互相补充、分析综合和相互验证，以提高评价结果的可靠性。