畢業(yè)設計---年產(chǎn)三萬噸雙極氨冷式合成氨工藝流程設計

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　中文摘要1</b></p><p><b>　　英文摘要2</b></p><p><b>　　1 引言3</b></p><p>　　1.1 氨的基本用途3</p&g

2、t;<p>　　1.2 合成氨技術的發(fā)展趨勢4</p><p>　　1.3 合成氨常見工藝方法4</p><p>　　1.3.1 高壓法5</p><p>　　1.3.2 中壓法5</p><p>　　1.3.3 低壓法5</p><p>　　1.4 設計條件5</p><

3、p>　　1.5 物料流程示意圖6</p><p><b>　　2 物料衡算8</b></p><p>　　2.1 合成塔入口氣組成8</p><p>　　2.2 合成塔出口氣組成8</p><p>　　2.3 合成率計算9</p><p>　　2.4 氨分離器出口氣液組成計算1

4、0</p><p>　　2.5 冷交換器分離出的液體組成13</p><p>　　2.6 液氨貯槽馳放氣和液相組成的計算13</p><p>　　2.7 液氨貯槽物料衡算15</p><p>　　2.8 合成循環(huán)回路總物料衡算17</p><p>　　3 能量衡算28</p><p>

5、;　　3.1 合成塔能量衡算28</p><p>　　3.2廢熱鍋爐能量衡算30</p><p>　　3.3 熱交換器能量衡算31</p><p>　　3.4 軟水預熱器能量衡算32</p><p>　　3.5 水冷卻器和氨分離器能量衡算33</p><p>　　3.6 循環(huán)壓縮機能量衡算35</p&

6、gt;<p>　　3.7 冷交換器與氨冷器能量衡算36</p><p>　　3.8 合成全系統(tǒng)能量平衡匯總38</p><p>　　4 設備選型及管道計算40</p><p>　　4.1 管道計算40</p><p>　　4.2 設備選型42</p><p><b>　　結論43&l

7、t;/b></p><p><b>　　致謝44</b></p><p><b>　　參考文獻45</b></p><p>　　年產(chǎn)三萬噸雙極氨冷式合成氨工藝流程設計</p><p>　　摘要：本次課程設計任務為年產(chǎn)三萬噸雙極氨冷式合成氨工藝流程設計，氨合成工藝流程一般包括分離和再循環(huán)、氨

8、的合成、惰性氣體排放等基本步驟，上述基本步驟組合成為氨合成循環(huán)反應的工藝流程。其中氨合成工段是合成氨工藝的中心環(huán)節(jié)。新鮮原料氣的摩爾分數(shù)組成如下：H2 73.25%，N2 25.59%， CH4 1.65%,Ar 0.51%合成操作壓力為31MPa，合成塔入口氣的組成為NH3(3.0%),CH4+Ar(15.5%),要求合成塔出口氣中氨的摩爾分數(shù)達到17%。通過查閱相關文獻和資料，設計了年產(chǎn)三萬噸雙極氨冷式合成氨工藝流程設計

9、，并借助CAD技術繪制了該工藝的管道及儀表流程圖和設備布置圖。最后對該工藝流程進行了物料衡算、能量衡算，并根據(jù)設計任務及操作溫度、壓力按相關標準對工藝管道的尺寸和材質(zhì)進行了選擇。</p><p>　　關鍵詞：物料衡算 雙極氨合成 能量衡算</p><p>　　The Design of 30kt/a Synthetic Ammonia Process</p><p&

10、gt;　　Abstract: There are many types of Ammonia synthesis technology and process, Generally,they includes ammonia synthesis, separation and recycling, inert gases Emissions and other basic steps, Combining the above basi

11、c steps turnning into the ammonia synthesis reaction and recycling process , in which ammonia synthesis section is the central part of a synthetic ammonia process.</p><p>　　The task of curriculum design is

12、the ammonia synthesis section of an annual fifty thousand tons synthetic ammonia plant . The composition of fresh feed gas is: H2(73.77%),N2(24.56%),CH4(1.27%),Ar(0.4%), the temperature is 35℃, the operating pressure is

13、 31MPa, the inlet gas composition of the Reactor is : NH3(3.0%),CH4+Ar(15.7%),it Requires the mole fraction of ammonia reacheds to 16.8% of outlet gas of synthesis reactor. By consulting the relevant literature and info

14、rmation,we designed the am</p><p>　　Keywords: ammonia synthesis section material balance accounting </p><p>　　energy balance accounting</p><p><b>　　1 引言</b><

15、;/p><p>　　1.1 氨的基本用途</p><p>　　氨是基本化工產(chǎn)品之一，用途很廣?；适寝r(nóng)業(yè)的主要肥料，而其中的氮肥又是農(nóng)業(yè)上應用最廣泛的一種化學肥料，其生產(chǎn)規(guī)模、技術裝備水平、產(chǎn)品數(shù)量，都居于化肥工業(yè)之首，在國民經(jīng)濟中占有極其重要的地位。各種氮肥生產(chǎn)是以合成氨為主要原料的，因此，合成氨工業(yè)的發(fā)展標志著氮肥工業(yè)的水平。</p><p>　　以氨為主要原料可以

16、制造尿素、硝酸銨、碳酸氫銨、硫酸銨、氯化銨等氮素肥料。還可以將氨加工制成各種含氮復合肥料。此外，液氨本身就是一種高效氮素肥料，可以直接施用，一些國家已大量使用液氨?？梢?，合成氨工業(yè)是氮肥工業(yè)的基礎，對農(nóng)業(yè)增產(chǎn)起著重要的作用。</p><p>　　我國的氮肥工業(yè)自20世紀50年代以來, 不斷發(fā)展壯大, 目前合成氨產(chǎn)量已躍居世界第一位, 現(xiàn)已掌握了以焦炭、無煙煤、焦爐氣、天然氣及油田伴生氣和液態(tài)烴多種原料生產(chǎn)合成氨、

17、尿素的技術, 形成了特有的煤、石油、天然氣原料并存和大、中、小生產(chǎn)規(guī)模并存的生產(chǎn)格局。氮肥工業(yè)已基本滿足了國內(nèi)需求, 在與國際接軌后, 具備與國際合成氨產(chǎn)品競爭的能力, 今后發(fā)展重點是調(diào)整原料和產(chǎn)品結構, 進一步改善經(jīng)濟性。只有通過科技進步對經(jīng)濟增長的貢獻率來實現(xiàn), 這也是今后發(fā)展合成氨氮肥工業(yè)新的增長點。</p><p>　　合成氨工業(yè)是氮肥工業(yè)的基礎, 在國民經(jīng)濟中占有重要的地位。我國大多數(shù)合成氨企業(yè)的煤制氣

18、技術沿用固定床水煤氣爐, 爐型老化、技術落后、能源利用率低、原料價格高, 是當前急需進行技術改造的重點。目前合成氨工業(yè)的發(fā)展方向是優(yōu)化原料路線, 實現(xiàn)制氨原料的多元化, 引進先進的煤氣化工藝制取合成氣, 降低產(chǎn)品成本, 改善生產(chǎn)環(huán)境; 同時研究開發(fā)簡單可行, 又可就地取得原料制取合成氣的潔凈煤氣化技術, 這也是我國目前占氮肥生產(chǎn)總量60% 左右的中小型氮肥廠亟待要解決的問題。在這種背景下，該項目以“年產(chǎn)5萬噸合成氨合成工段工藝設計”為設

19、計課題，對合成氨合成工段的各種工藝條件和設備選型等進行深入的研究。</p><p>　　1.2 合成氨技術的發(fā)展趨勢</p><p>　　由于石油價格的飛漲和深加工技術的進步,以“天然氣、輕油、重油、煤”作為合成氨原料結構、并以天然氣為主體的格局有了很大的變化?；谘b置經(jīng)濟性考慮,“輕油”和“重油”型合成氨裝置已經(jīng)不具備市場競爭能力, 絕大多數(shù)裝置目前已經(jīng)停車或進行以結構調(diào)整為核心內(nèi)容的技

20、術改造。其結構調(diào)整包括原料結構、品質(zhì)構調(diào)整。由于煤的儲量約為天然氣與石油儲量總和的10倍,以煤為原料制氨等煤化工及其相關技術的開發(fā)再度成為世界技術開發(fā)的熱點, 煤有可能在未來的合成氨裝置原料份額中再次占舉足輕重的地位, 形成與天然氣共為原料主體的格局。</p><p>　　根據(jù)合成氨技術發(fā)展的情況分析, 估計未來合成氨的基本生產(chǎn)原理將不會出現(xiàn)原則性的改變, 其技術發(fā)展將會繼續(xù)緊密圍繞“降低生產(chǎn)成本、提高運行周期,

21、 改善經(jīng)濟性”的基本目標,進一步集中在“大型化、低能耗、結構調(diào)整、清潔生產(chǎn)、長周期運行”等方面進行技術的研究開發(fā)。</p><p>　　大型化、集成化、自動化, 形成經(jīng)濟規(guī)模的生產(chǎn)中心、低能耗與環(huán)境更友好將是未來合成氨裝置的主流發(fā)展方向。在合成氨裝置大型化的技術開發(fā)過程中, 其焦點主要集中在關鍵性的工序和設備, 即合成氣制備、合成氣凈化、氨合成技術、合成氣壓縮機。在低能耗合成氨裝置的技術開發(fā)過程中, 其主要工藝技

22、術將會進一步發(fā)展。</p><p>　　第一,以“油改氣”和“油改煤”為核心的原料結構調(diào)整和以“多聯(lián)產(chǎn)和再加工”為核心的產(chǎn)品結構調(diào)整, 是合成氨裝置“改善經(jīng)濟性、增強競爭力”的有效途徑。</p><p>　　第二,實施與環(huán)境友好的清潔生產(chǎn)是未來合成氨裝置的必然和惟一的選擇。生產(chǎn)過程中不生成或很少生成副產(chǎn)物、廢物, 實現(xiàn)或接近“零排放”的清潔生產(chǎn)技術將日趨成熟和不斷完善。</p>

23、<p>　　第三,提高生產(chǎn)運轉的可靠性, 延長運行周期是未來合成氨裝置“改善經(jīng)濟性、增強競爭力”的必要保證。有利于“提高裝置生產(chǎn)運轉率、延長運行周期”的技術, 包括工藝優(yōu)化技術、先進控制技術等將越來越受到重視。</p><p>　　1.3 合成氨常見工藝方法</p><p>　　氨的合成是合成氨生產(chǎn)的最后一道工序，其任務是將經(jīng)過精制的氫氮混合氣在催化劑的作用下多快好省地合成為

24、氨。對于合成系統(tǒng)來說，液體氨即是它的產(chǎn)品。工業(yè)上合成氨的各種工藝流程一般以壓力的高低來分類。</p><p><b>　　1.3.1 高壓法</b></p><p>　　操作壓力70～100MPa，溫度為550～650℃。這種方法的主要優(yōu)點是氨合成效率高，混合氣中的氨易被分離。故流程、設備都比較緊湊。但因為合成效率高，放出的熱量多，催化劑溫度高，易過熱而失去活性，所以

25、催化劑的使用壽命較短。又因為是高溫高壓操作，對設備制造、材質(zhì)要求都較高，投資費用大。目前工業(yè)上很少采用此法生產(chǎn)。</p><p><b>　　1.3.2 中壓法</b></p><p>　　操作壓力為20～60MPa，溫度450～550℃，其優(yōu)缺點介于高壓法與低壓法之間，目前此法技術比較成熟，經(jīng)濟性比較好。因為合成壓力的確定，不外乎從設備投資和壓縮功耗這兩方面來考慮。

26、從動力消耗看，合成系統(tǒng)的功耗占全廠總功耗的比重最大。但功耗決不但取決于壓力一項，還要看其它工藝指標和流程的布置情況?？偟膩砜?，在15～30Pa的范圍內(nèi)，功耗的差別是不大的，因此世界上采用此法的很多。</p><p><b>　　1.3.3 低壓法</b></p><p>　　操作壓力10MPa左右，溫度400～450℃。由于操作壓力和溫度都比較低，故對設備要求低，容易

27、管理，且催化劑的活性較高，這是此法的優(yōu)點。但此法所用催化劑對毒物很敏感，易中毒，使用壽命短，因此對原料氣的精制純度要求嚴格。又因操作壓力低，氨的合成效率低，分離較困難，流程復雜。實際工業(yè)生產(chǎn)上此法已不采用了。合成氨工藝流程大概可以分為：原料氣的制備；原料氣的凈化；氣體壓縮和氨的合成四大部分。</p><p><b>　　1.4 設計條件</b></p><p>　　(

28、1)生產(chǎn)能力：液氨產(chǎn)量為30kt/a。</p><p>　　(2)新鮮氮氫氣組成如下表：</p><p>　　(3)合成塔入口氣： 為3.0%，為15.5%。</p><p>　　(4)合成塔出口氣： 為17%。</p><p>　　(5)合成操作壓力：31MPa。</p><p>　　(6)新鮮氣溫度：35。<

29、/p><p>　　(7)其他部位的溫度和壓力，見流程圖。</p><p>　　(8)水冷卻器的冷卻器溫度：25。</p><p>　　(9)以下各項再計算中，有些部位略去不計。</p><p>　　(i)溶解液氨中的氣體量；</p><p>　　(ii)部分設備和管道的阻力；</p><p>　　(

30、iii)部分設備和管道的熱損失。</p><p>　　1.5 物料流程示意圖</p><p>　　流程簡介：在油分離器出口的循環(huán)氣中補充從凈化工序送來的新鮮氮氫氣，進入冷交換器和氨冷器進一步冷卻，使其中的氨氣絕大部分被冷凝分離出去。循環(huán)氣進入合成塔，進塔走塔內(nèi)間隙，溫度稍升高，引出到外部熱交換器再次升高溫度。第二次入合成塔，經(jīng)塔內(nèi)熱交換器加熱并在催化作用下發(fā)生合成反應，溫度升高出塔后一次經(jīng)

31、廢熱鍋爐、熱交換器和軟水預熱器回收熱量，然后再經(jīng)水冷卻器冷卻，使氣體中部分氨液化，進到氨分離器分離出液氨。氣體則進入循環(huán)壓縮機補充壓力形成循環(huán)回路。在油分離器出口補充了新鮮氮氫氣入冷交換器。從冷交換器中的氨分離器分離出的液氨與由氨分離器分出的液氨匯合入液氨貯槽。由于液氨貯槽壓力降低，則溶于液氨的氣體和部分氨被閃蒸出來，即所謂馳放氣送出另外處理。另外為限制循環(huán)氣中惰氣含量的積累，使其濃度不致于過高，故在氨分離器后放出一部分循環(huán)氣，成為放空

32、氣。從整個系統(tǒng)而言，進入系統(tǒng)的是新鮮氮氫氣，離開系統(tǒng)的是產(chǎn)品液氨、馳放氣、和空氣。</p><p>　　圖1.1 氨合成工序物料流程示意圖</p><p>　　1—新鮮氮氣；12—放空氣；20—馳放氣；21—產(chǎn)品液氨 為計算方便起見，在流程圖中各不同部位的物料，用數(shù)字編號表示。</p><p>　　年產(chǎn)三萬噸雙極

33、氨冷式合成氨物料衡算部分</p><p><b>　　1 總論</b></p><p>　　氨是最為重要的基礎化工產(chǎn)品之一，其產(chǎn)量居各種化工產(chǎn)品的首位; 同時也是能源消耗的大戶，世界上大約有10 %的能源用于生產(chǎn)合成氨。氨主要用于農(nóng)業(yè),合成氨是氮肥工業(yè)的基礎，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、再加工成尿素或各種銨鹽肥料，這部分約占70 %的比例，稱

34、之為“化肥氨”；同時氨也是重要的無機化學和有機化學工業(yè)基礎原料，用于生產(chǎn)銨、胺、染料、炸藥、制藥、合成纖維、合成樹脂的原料，這部分約占30 %的比例,稱之為“工業(yè)氨”。</p><p>　　世界合成氨技術的發(fā)展經(jīng)歷了傳統(tǒng)型蒸汽轉化制氨工藝、低能耗制氨工藝、裝置單系列產(chǎn)量最大化三個階段。根據(jù)合成氨技術發(fā)展的情況分析, 未來合成氨的基本生產(chǎn)原理將不會出現(xiàn)原則性的改變, 其技術發(fā)展將會繼續(xù)緊密圍繞“降低生產(chǎn)成本、提高運

35、行周期, 改善經(jīng)濟性”的基本目標, 進一步集中在“大型化、低能耗、結構調(diào)整、清潔生產(chǎn)、長周期運行”等方面進行技術的研究開發(fā)[1]。</p><p>　　1.1設計任務的依據(jù)</p><p>　　設計任務書是項目設計的目的和依據(jù)：</p><p>　　產(chǎn)量：30 kt/a 液氨</p><p>　　放空氣（惰性氣Ar +CH4 ）：17%<

36、;/p><p>　　原料：新鮮補充氣N2 24.2%，H2 75.1 %，CH4 0.7%</p><p>　　合成塔進出口氨含量：2.5%，13.2%</p><p>　　合成塔入口惰性氣含量:（惰性氣Ar +CH4 ）～17%</p><p>　　年工作日 330 d</p><p>　　計算基準 生產(chǎn)30000t氨&

37、lt;/p><p><b>　　1.2 產(chǎn)品方案</b></p><p>　　產(chǎn)品的名稱：氨(NH3)；</p><p>　　產(chǎn)品的質(zhì)量規(guī)格：氨含量≥99.9%（wt%）；</p><p>　　產(chǎn)品的規(guī)模：30kt/a 液氨；</p><p>　　產(chǎn)品的包裝方式：氨為高壓低溫液體，合成后直接送到下一工

38、段作為原料繼續(xù)生產(chǎn)，多余部分設立氨儲槽儲存起來。</p><p><b>　　2 技術分析</b></p><p>　　2.1合成氨反應的特點</p><p>　　0.5N2＋1.5H2==NH3 ΔHθ=-46.22 kJ·mol-1</p><p>　　(1)是可逆反應。即在氫氣和氮氣反應生成氨

39、的同時，氨也分解成氫氣和氮氣。 </p><p>　　(2)是放熱反應。在生成氨的同時放出熱量，反應熱與溫度、壓力有關。</p><p>　　(3)是體積縮小的反應。 </p><p>　　(4)反應需要有催化劑才能較快的進行。</p><p>　　2.2合成氨反應的動力學</p><p>　　動力學過程 氨合成為氣固

40、相催化反應，它的宏觀動力學過程包括以下幾個步驟:</p><p>　　a．混合氣體向催化劑表面擴散(外,內(nèi)擴散過程)；</p><p>　　b．氫,氮氣在催化劑表面被吸附，吸附的氮和氫發(fā)生反應，生成的氨從催化劑表面解吸(表面反應過程)；</p><p>　　c. 氨從催化劑表面向氣體主流體擴散(內(nèi),外擴散過程)。</p><p>　　對整個氣

41、固相催化反應過程，是表面反應控制還是擴散控制，取決于實際操作條件。低溫時可能是動力學控制，高溫時可能是內(nèi)擴散控制；</p><p>　　大顆粒的催化劑內(nèi)擴散路徑長，小顆粒的路徑短，所以在同樣溫度下大顆粒可能是內(nèi)擴散控制，小顆?？赡苁腔瘜W動力學控制。</p><p><b>　　2.2.1反應機理</b></p><p>　　氮、氫氣在催化劑表面

42、反應過程的機理，可表示為：</p><p>　　N2(g)+Cate —→2N(Cate) </p><p>　　H2(g)+Cate —→2H(Cate) </p><p>　　N(Cate) + H(Cate) —→NH(Cate)</p><p>　　NH(Cate) + H(Cate) —→NH2(Cate)</p>&

43、lt;p>　　NH2(Cate) + H(Cate) —→NH3(Cate)</p><p>　　NH3(Cate)—→NH3(g) + (Cate)</p><p>　　實驗結果證明,N2活性吸附是最慢的一步，即為表面反應過程的控制步驟。</p><p>　　2.3氨合成工藝的選擇</p><p>　　考慮氨合成工段的工藝和設備問題時

44、，必須遵循三個原則：一是有利于氨的合成和分離；二是有利于保護催化劑，盡量延長使用壽命；三是有利于余熱回收降低能耗。</p><p>　　氨合成工藝選擇主要考慮合成壓力、合成塔結構型式及熱回收方法。氨合成壓力高對合成反應有利, 但能耗高。中壓法技術比較成熟，經(jīng)濟性比較好，在15～30Pa的范圍內(nèi)，功耗的差別是不大的，因此世界上采用此法的很多。 一般中小氮肥廠多為32MPa , 大型廠壓力較低,為10～20MPa。由

45、于近來低溫氨催化劑的出現(xiàn), 可使合成壓力降低。</p><p>　　合成反應熱回收是必需的, 是節(jié)能的主要方式之一。除盡可能提高熱回收率,多產(chǎn)蒸汽外, 應考慮提高回收熱的位能, 即提高回收蒸汽的壓力及過熱度。高壓過熱蒸汽的價值較高, 當然投資要多, 根據(jù)整體流程統(tǒng)一考慮。</p><p>　　本次設計選用中壓法（壓力為32MPa）合成氨流程，采用預熱反應前的氫氮混合氣和副產(chǎn)蒸汽的方法回收反

46、應熱，塔型選擇見設備選型部分。</p><p><b>　　2.4系統(tǒng)循環(huán)結構</b></p><p>　　氫氮混合氣經(jīng)過氨合成塔以后，只有一小部分合成為氨。分離氨后剩余的氫氮氣，除為降低惰性氣體含量而少量放空以外，與新鮮原料氣混合后，重新返回合成塔，再進行氨的合成，從而構成了循環(huán)法生產(chǎn)流程。由于氣體在設備、管道中流動時，產(chǎn)生了壓力損失。為補償這一損失，流程中必須設置

47、循環(huán)壓縮機。循環(huán)機進出口壓差約為20~30大氣壓，它表示了整個循環(huán)系統(tǒng)阻力降的大小。</p><p><b>　　2.5分離工藝</b></p><p>　　進入氨合成塔催化層的氫氮混合氣，只有少部分起反應生成氨，合成塔出口氣體氨含量一般為10~20%，因此需要將氨分離出來。氨分離的方法有兩種，一是水吸法，二是冷凝法，將合成氣體降溫，使其中的氨氣冷凝成液氨，然后在氨分

48、離器中，從不凝氣體中分離出來。</p><p>　　目前工業(yè)上主要采用冷凝法分離循環(huán)氣中的氨。以水和氨冷卻氣體的過程是在水冷器和氨冷器中進行的。在水冷器和氨冷器之后設置氨分離器，把冷凝下來的液氨從氣相中分離出來，經(jīng)減壓后送至液氨貯槽。在氨冷凝過程，部分氫氮氣及惰性氣體溶解在液氨中。當液氨在貯槽內(nèi)減壓后，溶解的氣體大部分釋放出來，通常成為“貯罐氣”。</p><p><b>　　3

49、 生產(chǎn)流程簡述</b></p><p>　　氣體從冷交換器出口分二路、一路作為近路、一路進入合成塔一次入口，氣體沿內(nèi)件與外筒環(huán)隙向下冷卻塔壁后從一次出口出塔，出塔后與合成塔近路的冷氣體混合，進入氣氣換熱器冷氣入口，通過管間并與殼內(nèi)熱氣體換熱。升溫后從冷氣出口出來分五路進入合成塔、其中三路作為冷激線分別調(diào)節(jié)合成塔。二、三、四層(觸媒)溫度，一路作為塔底副線調(diào)節(jié)一層溫度，另一路為二入主線氣體，通過下部換熱

50、器管間與反應后的熱氣體換熱、預熱后沿中心管進入觸媒層頂端，經(jīng)過四層觸媒的反應后進入下部換熱器管內(nèi)，從二次出口出塔、出塔后進入廢熱鍋爐進口，在廢熱鍋爐中副產(chǎn)25MPa 蒸氣送去管網(wǎng)，從廢熱鍋爐出來后分成二股，一股進入氣氣換熱器管內(nèi)與管間的冷氣體換熱，另一股氣體進入鍋爐給水預熱器在管內(nèi)與管間的脫鹽，脫氧水換熱，換熱后與氣氣換熱器出口氣體會合，一起進入水冷器。在水冷器內(nèi)管被管外的循環(huán)水冷卻后出水冷器，進入氨分離器，部分液氨被分離出來，氣體出氨

51、分離器，進入透平循環(huán)機入口，經(jīng)加壓后進入循環(huán)氣濾油器出來后進入冷交換器熱氣進口。在冷交換器管內(nèi)被管間的冷氣體換熱，冷卻后出冷交換器與壓縮送來經(jīng)過新鮮氣濾油器的新鮮氣氫氣、氮氣會合進入氨冷器，被液氨蒸發(fā)</p><p>　　圖3-1 工藝流程圖</p><p><b>　　4 工藝計算</b></p><p><b>　　4.1 原

52、始條件</b></p><p>　?。?）年產(chǎn)量300kt，年生產(chǎn)時間扣除檢修時間后按330天計，則產(chǎn)量為：</p><p>　　30000/(330*24)=3.786t/h</p><p>　　（2）新鮮補充氣組成</p><p>　　表4-1 新鮮補充氣組成</p><p>　?。?）合成塔入口中氨含

53、量：NH3入=2.5%</p><p>　?。?）合成塔出口中氨含量：NH3出=13.2%</p><p>　?。?）合成塔入口惰性氣體含量：CH4 +Ar=17%</p><p>　?。?）合成塔操作壓力：32Mpa</p><p>　?。?）精練氣溫度：35℃</p><p>　　1.2.3.4.5.——精煉氣

54、 6.7.8.9.10.11.12.14.17.18.——合成氣；</p><p>　　13——放空氣 20——弛放氣 15.16.19.21——液氨</p><p>　　圖4-1 計算物料點流程</p><p><b>　　4.2 物料衡算</b></p><p>　　4.2.1 合成塔物料衡算

55、</p><p>　　（1）合成塔入口氣組分：</p><p>　　入塔氨含量: y5NH3=2.5％;</p><p>　　入塔甲烷含量：y5CH4=17.00％；</p><p>　　入塔氫含量： y5H2=［100-（2.5+17）］×3/4×100％=60.375％；</p><p>

56、　　入塔氮含量： y5N2=［100-（2.5+17）］×1/4×100％=20.125％</p><p>　　表4-2 入塔氣組分含量（％）</p><p>　?。?）合成塔出口氣組分：</p><p>　　以1000kmol入塔氣作為基準求出塔氣組分，</p><p>　　出塔氨含量： y8NH3=13.2％&l

57、t;/p><p>　　由下式計算塔內(nèi)生成氨含量：</p><p>　　MNH3=M5(y8NH3-y5NH3)/(1+y8NH3)=1000×(0.132- 0.025)/(1+0.132)=94.523kmol</p><p>　　出塔氣量: </p><p>　　M8=(MNH3+1000y5NH3)/y8NH3=(94.5

58、23+1000×0.025)/0.132=905.477kmol</p><p><b>　　出塔甲烷含量：</b></p><p>　　y8CH4=(M5/M8)×y5CH4=(1000/905.477)×17％=18.775％</p><p><b>　　出塔氫含量： </b></

59、p><p>　　y8H2=3/4(1-y8NH3-y8CH4)×100％=3/4(1-0.132-0.18775)×100％=51.019％</p><p><b>　　出塔氮含量： </b></p><p>　　y8N2=1/4(1-0.132-0.18775)×100％=17.006％</p>&l

60、t;p>　　表4-3 出塔氣體組分含量（％）</p><p><b>　?。?）合成率：</b></p><p>　　合成率=2MNH3/［M5(1-y5NH3-y5CH4)］×100％=2×94.523/［1000×(1-0.025-0.17)］×100％=23.484％</p><p>　　4

61、.2.2氨分離器氣液平衡計算</p><p>　　設氨分離器進口氣液混合物F，進口物料組分m(i）,分離氣象組分y(i),氣量V；分離液相組分x(i),液量L，其中進口物料組分m(i)等于合成塔出口氣體組分。根據(jù)氣液平衡原理，以1kmol進口物料為計算基準，即F=1kmol。</p><p>　　表4-4 已知氨分離器入口混合物組分m(i)</p><p>　　查

62、t=35℃，P=29.1MPa時各組分平衡常數(shù)：</p><p>　　表4-5 各組分平衡常數(shù)</p><p>　　設（V/L）=21.16時，帶入L×(i)=m(i)/［1+(V/L)×K(i)］=L(i):</p><p>　　LNH3=mNH3/［1+(V/L)×KNH3］=0.132/(1+21.16×0.098)=

63、0.042945 kmol</p><p>　　LCH4= mCH4/［1+(V/L)×KCH4］=0.18775/(1+21.16×8.2)=0.001076 kmol</p><p>　　LH2=mH2/［1+(V/L)×KH2］=0.51019/(1+21.16×27.50)=0.000875 kmol</p><p>

64、　　LH2=mN2/［1+(V/L)×KN2］=0.17006/(1+21.16×34.50)=0.000233 kmol</p><p>　　L總= LNH3+ LCH4 + LH2+ LN2=0.042945+0.001076+0.000875+0.000233=0.045129 kmol</p><p>　　分離氣體量：V=1-L=1-0.045129=0.954

65、871 kmol</p><p>　　計算氣液比：（V/L）＇=0.954871/0.045129=21.1587</p><p>　　誤差［（V/L）-（V/L）＇］/（V/L）=（21.16-21.1587）/21.16×100％=0. 006％，結果合理。</p><p>　　從而可計算出液體中各組分含量：</p><p>　

66、　液體中氨含量： xNH3=LNH3/L=0.042945/0.045129×100％=95.161％</p><p>　　液體中甲烷含量：xCH4=LCH4/L=0.001076/0.045129×100％=2.384％</p><p>　　液體中氫含量: xH2=LH2/L=0.000875/0.045129×100％=1.939％</p>

67、;<p>　　液體中氮含量： xN2=LH2/L=0.000233/0.045129×100％=0.516％</p><p>　　表4-6 氨分離器出口液體含量（%）</p><p><b>　　分離氣體組分含量：</b></p><p>　　氣體氨含量: yNH3=(mNH3-LNH3)/V=（0.132-0.0

68、42945）/0.954871=9.326%</p><p>　　氣體甲烷含量：yCH4=(mCH4-LCH4)/V=（0.18775-0.001076）/0.954871= 19.55%</p><p>　　氣體氫含量： yH2=(mH2-LH2)/V=（0.51019-0.000875）/0.954871=53.339％</p><p>　　氣體氮含量： yN2

69、=(mN2-LN2)/V=（0.17006-0.000233）/0.954871=17.785％</p><p>　　表4-7 氨分離器出口氣體含量（％）</p><p>　　4.2.3冷交換器氣液平衡計算</p><p>　　根據(jù)氣液平衡原理x(i)=y(i)+K(i),由于冷交換器第二次出口氣體含量等于合成塔進口氣體含量，由合成塔入口氣體含量和操作條件下的分離

70、溫度可查出K（i），便可解出x（i）。</p><p>　　查t=-15℃,p=28.3MPa的平衡常數(shù)：</p><p>　　表4-8 各組分的平衡常數(shù)</p><p>　　冷交換器出口液體組分含量：</p><p>　　出口液體氨含量： xNH3=yNH3/KNH3=9.326/0.0254=98.3157％</p>

71、<p>　　出口液體甲烷含量： xCH4=yCH4/KCH4=19.55/27=0.6289％</p><p>　　出口液體氫含量: xH2=yH2/KH2==53.339/75=0.8041％</p><p>　　出口液體氮含量: xN2=yN2/KN2=17.785/80=0.2513％</p><p>　　表4-9 冷交換器出

72、口液體組分含量（％）</p><p>　　4.2.4液氨貯槽氣液平衡計算</p><p>　　由于氨分離器出口分離液體和冷交換器出口分離液體匯合后進入液氨貯槽經(jīng)減壓后溶解在液氨中的氣體會解吸，即弛放氣。兩種液體百分比估算值，即水冷后分離液氨占總量的百分數(shù)。</p><p>　　G％=（1+y5NH3）×(y8NH3-yNH3.分)/(( y8NH3- y5

73、NH3)×(1- yNH3.分))</p><p>　　=[(1+0.025）×（0.132-0.09326）]/ [（0.132-0.025）×（1-0.09326）]</p><p><b>　　=40.928％</b></p><p>　　水冷后分離液氨占總量的40.928％冷交，氨冷后分離液氨占總量的59.

74、072％。</p><p>　　以液氨貯槽入口1kmol液體計算為準，即L0=1kmol，入口液體混合后組分含量：</p><p>　　m0i=L15X15i+L16X16i= G％L0X15i+(1- G％)X16i=0.40928X15i+0.59072X16i</p><p>　　混合后入口氨含量： m0NH3=0.40928×0.95161+0.

75、59072×0.983157=0.97025</p><p>　　混合后入口甲烷含量: m0CH4=0.40928×0.02384+0.59072×0.006289=0.013472</p><p>　　混合后入口氫含量： m0H2=0.40928×0.01939+0.59072×0.00804=0.012685</p>&

76、lt;p>　　混合后入口氮含量： m0N2=0.40928×0.00516+0.59072×0.00251=0.0035946</p><p>　　表4-10 液氨貯槽入口液體含量（%）</p><p>　　當t=17℃，P=1.568MPa時，計算得熱平衡常數(shù)：</p><p>　　表4-11 各組分的平衡常數(shù)</p>

77、<p>　　根據(jù)氣液平衡Li=m0i/[1+(V/L)ki],設(V/L)=0.076,代入上式得:</p><p>　　出口液體氨含量： LNH3=m0NH3/[(1+(V/L)×KNH3] =0.97025/(1+0.091×0.598)=0.92807 kmol</p><p>　　出口液體甲烷含量：LCH4=m0CH4/[ 1+(V/L)×

78、;KCH4] =0.013472/(1+0.091×170)=0.000968 kmol</p><p>　　出口液體氫氣含量：LH2=m0H2/[ 1+(V/L)×KH2]=0.012685/(1+0.091×575)=0.000284 kmol</p><p>　　出口液體氮氣含量：LN2=m0N2/[ 1+(V/L)×KN2] =0.00359

79、46/(1+0.091×620)=0.000075 kmol</p><p>　　L(總)=0.92807+0.000968+0.000284+0.000075=0.929397 kmol；</p><p>　　V=1-0.929397=0.070603 kmol,</p><p>　　(V/L)’=V/L=0.075966</p><

80、p>　　誤差 =(0.075966-0.076)/0.076×100％=-0.045%，參數(shù)設定符合，則</p><p>　　出口液體各組分含量如下：</p><p>　　出口液體氨含量： xNH3=LNH3/L=0.92807/0.929397×100％=99.857％</p><p>　　出口液體甲烷含量： xCH4=LCH4/L=

81、0.000968/0.929397×100％=0.104％</p><p>　　出口液體氫氣含量： xH2=LH2/L=0.000284/0.929397×100％=0.0305％</p><p>　　出口液體氮氣含量： xN2=LN2/L=0.000075/0.929397×100％=0.00807％</p><p>　　表4-12

82、 液氨貯槽出口液氨組分（％）</p><p>　　出口弛放氣各組分含量：</p><p><b>　　弛放氣氨含量： </b></p><p>　　yNH3=(m0NH3-LNH3)/V=(0.97025-0.92807)/ 0.070603×100％=59.743％</p><p><b>　　弛放

83、氣甲烷含量：</b></p><p>　　yCH4=(m0CH4-LCH4)/V=(0.013472-0.000968)/ 0.070603×100％=17.710％</p><p><b>　　弛放氣氫含量： </b></p><p>　　yH2=(m0H2-LH2)/V=(0.012685-0.000284)/ 0.0

84、70603×100％=17.564％</p><p><b>　　弛放氣氮氣含量： </b></p><p>　　yN2=(m0N2-LN2)/V=(0.0035946-0.000075)/ 0.070603×100％=4.985％</p><p>　　表4-13 出口弛放氣組分含量（％）</p><p

85、>　　以液氨貯槽出口10000噸純液氨為基準折標立方米計算液氨貯槽出口液體量</p><p>　　L19=28892130×22.4/(0.99857×17)=38124147.65m３=14271521kmol </p><p>　　其中 NH3 L19NH3=L19×X19NH3= 14271521×99.857﹪=38069630.12

86、 m３=14251112.72kmol</p><p>　　CH4 L19CH4=L19CH4×X19CH4=38124147.65×0.104﹪= 148423.8184m３=148211.5723kmol</p><p>　　H2 L19H2=L19×X19H2= 38124147.65×0.0305﹪= 116278.65m３=43528

87、.139kmol</p><p>　　N2 L19N2=L19×X19N2=38124147.65×0.00807﹪=3076.619m３=1151.711kmol 液氨貯槽出口弛放氣（V/L）=0.076</p><p>　　V20=0.076×L19=0.076×38124147.65=2897435.22m３=1084635.59

88、6kmol </p><p>　　其中NH3 V20NH3=V20×y20NH3=2897435.22×0.59743=1731014.723m３=647993.844kmol </p><p>　　CH4 V20CH4=V20×y20CH4=2897435.22×0.17710=513135.77m３=192088.964kmol </p

89、><p>　　H2 V20H2=V20×y20H2=2897435.22×0.17564=508905.522 m３=190505.396kmol </p><p>　　N2 V20N2=V2×y20N2=2897435.22×0.04985=144437.1457m３=54069.084kmol </p><p>　　

90、液氨貯槽出口總物料=L19+ V20=38124147.65+2897435.22=41021582.87 m３</p><p>　　液氨貯槽進口液體：由物料平衡，入槽總物料=出槽總物料</p><p>　　L21=L19+V20=41021582.87m３=15356156.6kmol</p><p>　　入口液體各組分含量計算:L21i= L19i + V20i

91、</p><p>　　其中NH3 L21NH3=395294117.6+17973905.6=413268023.2 m３=18449465.3kmol</p><p>　　CH4 L21CH4=411694.6+5328119.9=5739814.5 m３=256241.7kmol </p><p>　　H2 L21H2=120737.4 +52841

92、95.3= 5404932.7m３=241291.6kmol</p><p>　　N2 L21N2=31945.9+1499755.9=1531701.8m３=68379.5kmol</p><p>　　入口液體中組分含量核算,由 m´0i=L21(i)/L21:</p><p>　　入口液體中氨含量 m´0(NH3）=41326802

93、3.2/425945572.7×100﹪=97.024﹪</p><p>　　入口液體中甲烷含量 m´0(CH4)= 5328119.9/425945572.7×100﹪=1.2509﹪</p><p>　　入口液體中氫氣含量 m´0(H2)= 5284195.3 /425945572.7×100﹪=1.2406%</p>

94、<p>　　入口液體中氮氣含量 m´0(N2)= 1499755.9 /425945572.7×100﹪=0.3521%</p><p>　　入口液體中組分含量 m´0（i)≈ m0（i)</p><p>　　4.2.6合成系統(tǒng)物料計算</p><p>　　將整個合成看著一個系統(tǒng)，進入該系統(tǒng)的物料有新鮮補充氣補V補，離開

95、該系統(tǒng)的物料有放空氣V放，液氨貯槽弛放氣V弛，產(chǎn)品液氨L氨 </p><p>　　由前計算數(shù)據(jù)如下表： </p><p>　　表4-14 各組分的含量</p><p>　　根據(jù)物料平衡和元素組分平衡求V補,V放,V入,V出：</p><p>　　循環(huán)回路中總物料體平衡:</p

96、><p>　　V入=V出 + V補 - V放 - V弛- LNH3 ┉┉┉┉┉┉①</p><p>　　= V出+866763900- V放-30085375.0-395860197.7= V出-V放+440818327.3 </p><p>　　由于氨合成時體積減小</p>

97、<p>　　V出= V入-（0.09326V放+0.59743V弛+ LNH3）</p><p>　　= V入-（0.09326V放+0.59743×30085375.0+395860197.7） </p><p>　　以V出代人①中 V放=36989571.5 m3</p><p><b>　　循環(huán)回路中氨平衡:</b&

98、gt;</p><p>　　V出yNH3-V入yNH3入=V放y放+V弛y NH3弛+LNH3 ┉┉┉┉┉┉②</p><p>　　0.132V出-0.025V入=0.09326×36989571.5+ 0.59743×30085375.0+395860197.7=417283750.7</p><p><b

99、>　　聯(lián)立①②式解得：</b></p><p>　　V出=3805495624 m３; V入=4209324380m3</p><p>　　4.2.7合成塔物料計算</p><p>　　入塔物料：V5=4209324380m3=187916267.0kmol </p><p>　　NH3 V5NH3=4209324380&

100、#215;2.5﹪=105233109.5m3=4697906.7kmol</p><p>　　CH4 V5CH4=4209324380×17﹪=715585144.6m3=31945765.4kmol</p><p>　　H2 V5H2=4209324380×60.375﹪=2541379594m3=113454446.2kmol</p><

101、p>　　N2 V5N2=4209324380×20.125﹪=847126531.5m3=37818148.7kmol</p><p>　　合成塔一出，二進物料，熱交換器，冷氣進出物料等于合成塔入塔物料</p><p>　　即 V5=V6=V7=4209324380m3=187916267.0kmol</p><p>　　出塔物料 V8=3

102、805495624m3=169888197.5kmol </p><p>　　NH3 V8NH3=3805495624×13.2﹪=502325422.4m3=22425242.0kmol</p><p>　　CH4 V8CH4=3805495624×18.77﹪=714291528.6m3=31888014.7kmol</p><p>　　

103、H2 V8H2=3805495624×51.0188﹪=1941518201m3=86674919.7kmol</p><p>　　N2 V8N2=3805495624×17.0062﹪=647170196.8m3=28891526.6kmol</p><p><b>　　合成塔生成氨含量：</b></p><p>

104、　　ΔVNH3=V8NH3-V5NH3=502325422.4-105233109.5=397092312.9m3=301364701.8kg</p><p>　　沸熱鍋爐進出口物料，熱交換器進出口物料等于合成塔出塔物料。</p><p>　　即V8=V9=V10=3805495624m3</p><p>　　4.2.8水冷器物料計算</p><

105、p>　　進器物料：水冷器進氣物料等于熱交換器出口物料，即 V10入=3805495624m3</p><p>　　出器物料：在水冷器中部分氣氨被冷凝；由氨分離器氣液平衡計算得氣液比(V/L)=21.16,有如下方程:</p><p>　　V11出/L11出=(V/L)=21.16 ┉┉┉┉┉┉①</p><p>　　V11出+L11出=L10入=380549

106、5624 ┉┉┉┉┉┉②</p><p>　　將 V11出=21.16L11出帶入②得:</p><p>　　L11出=171728141.9m3= 7666434.9kmol , </p><p>　　V11出=3633767482m3=162221762.6kmol </p><p>　　出口氣體組分由V11i=V11出y11i

107、得:</p><p>　　其中， NH3 V11NH3=3633767482×0.093264=338899690.5m3=15129450.5kmol</p><p>　　CH4 V11CH4=12533.791×0.195497=710390641.4m3=31713867.9kmol</p><p>　　H2 V11H2=125

108、33.791×0.53384 =1939850433m3=86600465.7kmol</p><p>　　N2 V11N2=12533.791×0.17785=646265546.7m3=28851140.5kmol</p><p>　　出口液體各組分由L11i=V8i-V11i</p><p>　　其中， NH3 L11NH3=50

109、2325422.4-338899690.5=163425731.9m3=7295791.6kmol</p><p>　　CH4 L11CH4=714291528.6-710390641.4=3900887.2m3=174146.75 kmol</p><p>　　H2 L11H2=1941518201-1939850433=1667768m3=74453.9kmol</p>

110、;<p>　　N2 L11N2=647170196.8-646265546.7=904650.1m3=40386.2kmol</p><p>　　4.2.9氨分離器物料計算</p><p>　　進器物料：氨分離器進器總物料等于水冷器出口氣液混合物總物料</p><p>　　即 V11=V11出+L11出=3805495624m3</p>

111、<p>　　出器物料：氣液混合物在器內(nèi)進行分離，分別得到氣體和液體</p><p>　　出器氣體V12＝V11出＝3633767482m3，</p><p>　　出器液體L15＝L11出＝171728141.9m3=7666434.9kmol</p><p>　　其中 NH3 L15NH3= 171728141.9×0.95161 =16

112、3418217.1m3=7295456.1kmol</p><p>　　CH4 L15CH4=171728141.9× 0.02384 =4093998.9m3=182767.8kmol</p><p>　　H2 L15H2= 171728141.9× 0.01940=3331526.0m3= 148728.8kmol</p><p>

113、　　N2 L15N2=171728141.9× 0.00515=884399.9m3=39482.1kmol</p><p>　　氨分離器出口氣體放空V13=36989571.5m3=1651320.2kmol</p><p>　　其中， NH3 V13NH3=36989571.5×9.3264% =3449795.4m3=154008.7kmol</

114、p><p>　　CH4 V13CH4=36989571.5×19.5497% =7231350.3m3=322828.1kmol</p><p>　　H2 V13H2=36989571.5×53.384% =19746512.9m3=881540.8kmol</p><p>　　N2 V13N2=36989571.5×17.785

115、% =6578595.3m3=293687.3kmol</p><p>　　4.2.10冷交換器物料計算</p><p>　　進器物料：進器物料等于氨分離器出口氣體物料減去放空氣量</p><p>　　V14=V12-V13=3633767482-36989571.5 =3596777910.5m3=160570442.4kmol</p><p&

116、gt;　　其中， NH3 V14NH3=3596777910.5×9.326% =335449895m3=14975441.7kmol</p><p>　　CH4 V14CH4=3596777910.5×19.5497% =703159291.2m3=31391039.8kmol</p><p>　　H2 V14H2=3596777910.5×53

117、.384% =1920103920m3=85718925.0kmol</p><p>　　N2 V14N2=3596777910.5×17.785% =639686951.4m3=28557453.2kmol</p><p><b>　　出器物料（熱氣）：</b></p><p>　　設熱氣出口溫度17℃ 查 t=17℃,P=28