氨合成畢業(yè)設(shè)計(jì)-- 年產(chǎn)112 kta 合成氨變換工序工藝設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘 要3</b></p><p><b>　　前 言5</b></p><p><b>　　目錄6</b></p><p>　　第一章 緒 論6</p>

2、<p><b>　　1.1氨的性質(zhì)6</b></p><p>　　1.1.1氨的物理性質(zhì)6</p><p>　　1.1.2氨的化學(xué)性質(zhì)6</p><p>　　1.1.3氨的用途6</p><p>　　第二章 設(shè)計(jì)任務(wù)的理論基礎(chǔ)7</p><p>　　2.1氨合成理論基礎(chǔ)7&

3、lt;/p><p>　　2.1.1氨合成反應(yīng)的熱效應(yīng).7</p><p>　　2.1.2影響平衡氨含量的因素7</p><p>　　2.1.3生產(chǎn)原理說明7</p><p>　　2.1.4合成氨的機(jī)理8</p><p><b>　　2.2催化劑8</b></p><p&g

4、t;　　2.2.1催化劑概述8</p><p>　　2.2.2合成氨的催化機(jī)理8</p><p>　　2.2.3催化劑的中毒9</p><p>　　第三章 氨合成化工工藝設(shè)計(jì)說明10</p><p>　　3.1合成氨工業(yè)的工藝介紹10</p><p>　　3.1.1原料氣制備10</p>&

5、lt;p>　　3.1.2原料氣凈化10</p><p>　　3.1.3氨的合成10</p><p>　　3.2工藝流程的選擇確定10</p><p>　　3.2.1工藝流程的設(shè)計(jì)選擇10</p><p>　　3.2.2生產(chǎn)工藝流程的說明11</p><p>　　第四章 氨合成物料衡算11 </

6、p><p>　　4.1設(shè)計(jì)依據(jù) 11 </p><p>　　4.1.1生產(chǎn)要求12 </p><p>　　4.1.2計(jì)算物料點(diǎn)流程13 </p><p>　　4.2物料衡算13</p><p>　　4.2.1合成塔入口氣組成 15 </p><p>　　4.2.2合成塔出口氣組成15 &

7、lt;/p><p>　　4.2.3合成率計(jì)算18</p><p>　　4.2.4氨分離器出口氣液組成計(jì)算18</p><p>　　4.2.5冷交換器分離出的液體組成20</p><p>　　4.2.6液氨貯槽馳放氣和液相組成計(jì)算21</p><p>　　4.2.7 液氨貯槽物料衡算21</p>&l

8、t;p>　　4.3合成循環(huán)回路總物料衡算23</p><p>　　4.3.1合成循環(huán)回路總物料衡算24</p><p>　　4.3.2合成塔進(jìn)出口物料衡算24</p><p>　　4.3.3沸熱鍋爐出口24</p><p>　　4.3.4氨分離器物料量26</p><p>　　4.3.5冷交換器物料衡算

9、27</p><p>　　4.4物料衡算法匯總30</p><p>　　4.4.1各物料點(diǎn)體積30</p><p>　　第五章 氨合成設(shè)備計(jì)算30</p><p>　　5.1熱交換器設(shè)備工藝計(jì)算34</p><p>　　5.1.1設(shè)計(jì)條件38</p><p>　　5.1.2管內(nèi)

10、給熱系數(shù)39</p><p>　　5.1.3管外給熱系數(shù)39</p><p>　　5.1.4總傳熱系數(shù)39</p><p>　　5.1.5傳熱面積核算40</p><p>　　5.2合成塔的工藝計(jì)算45</p><p>　　5.2.1冷激氣量50</p><p>　　5.2.2一層催

11、化劑的體積55</p><p>　　5.2.3第二層催化劑的體積52</p><p>　　5.2.4第三層催化劑的體積57</p><p>　　5.2.5計(jì)算第四層催化劑的體積59</p><p>　　5.2.6計(jì)算合成塔塔徑59</p><p>　　5.2.7估算各催化層的高度61</p>

12、<p>　　第六章 氨合成設(shè)備的選型62</p><p>　　6.1設(shè)備選型的基本要求62</p><p>　　6.1.1技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)62</p><p>　　6.1.2設(shè)備結(jié)構(gòu)上的要求62</p><p>　　6.1.3主要設(shè)備選型說明62</p><p>　　6.2 化工設(shè)備布置的一般原則6

13、3</p><p>　　參 考 文 獻(xiàn)63</p><p><b>　　附 錄A64</b></p><p><b>　　附 錄B64</b></p><p>　　附圖1：合成氨工段工藝管道及儀表流程圖 64 </p><p>　　附圖2：合成氨工段設(shè)備平面布置圖

14、64 </p><p>　　結(jié)論…………………………………………………………………………………………..65</p><p><b>　　致謝66 </b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　年產(chǎn)112 kt/a 合成氨變換工序工藝設(shè)計(jì)，簡述合成氨工藝及112 k

15、t/a合成氨裝置變換工序工藝流程的設(shè)置和關(guān)鍵，設(shè)備的選型。 對主要工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)算； 對熱能的回收利用進(jìn)行了評述； 對催化劑的選型、硫化和裝置的試運(yùn)行進(jìn)行了介紹。</p><p>　　本設(shè)計(jì)主要進(jìn)行了中小型合成氨廠合成車間的工藝設(shè)計(jì)。合成氨指由氮?dú)夂蜌錃庠诟邷?、高壓和催化劑條件下直接合成的氨。</p><p>　　原料來源為天然氣，采用天然氣三段轉(zhuǎn)化，總氨聯(lián)醇生產(chǎn)工藝得到氨合成工段

16、新鮮氣。主要工藝流程包括：氨的合成，合成氣的循環(huán)，氨的液化，余熱的利用等環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括合成工段的物料衡算和熱量衡算，以及主要設(shè)備的工藝計(jì)算，并且依據(jù)計(jì)算結(jié)果和工廠的實(shí)際確定了主要設(shè)備的裝配尺寸。并根據(jù)自己獲得的知識對進(jìn)行了簡單的設(shè)備布置。在物料衡算和熱量衡算中，本設(shè)采用Microsoft Excel使計(jì)算更準(zhǔn)確、更簡捷、更方便。</p><p>　　關(guān)鍵詞：物料衡算 熱量衡算 低溫變換 合

17、成氨</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　With an annual output of 112 kt/a ammonia shift conversion process design, the process of the synthetic ammonia and 112 kt/a ammonia plant transf

18、ormation technology process setting and key, equipment selection.The main process parameters design for the calculation of thermal energy; recovery and utilization were reviewed; the selection of catalyst, curing and dev

19、ice test run are introduced.</p><p>　　The design of the main workshop in small ammonia plant synthesis process design.Synthetic ammonia is composed of nitrogen and hydrogen in high temperature, high press

20、ure and catalyst under conditions of direct synthesis of ammonia</p><p>　　Source of raw materials for natural gas, the natural gas of three period of transformation, the total ammonia and alcohol production

21、process from the ammonia synthesis section of fresh air.Main process includes: ammonia synthesis, synthesis gas, ammonia liquid, waste heat utilization.The main design elements include the synthesis section of material b

22、alance and heat balance, as well as the main equipment and process calculation, based on the calculation results and the actual factory to determin</p><p>　　Key words: material balance energy balance tempe

23、rature transformation of synthetic ammonia </p><p><b>　　前言</b></p><p>　　合成氨的生產(chǎn)過程主要分為：原料氣的制?。辉蠚獾膬艋c合成。氨合成工段是合成氨生產(chǎn)過程中的核心環(huán)節(jié)，氨凈值的高低直接影響整個(gè)合成氨廠的經(jīng)濟(jì)效益。</p><p>　　本設(shè)計(jì)以天然氣為原料制氨，

24、天然氣先經(jīng)脫硫，然后通過二次轉(zhuǎn)化，再分別經(jīng)過一氧化碳變換、二氧化碳脫除等工序，得到的氮?dú)浠旌蠚?，其中尚含有一氧化碳和二氧化碳約0.1%～0.3%（體積），經(jīng)甲烷化作用除去后，制得氫氮摩爾比為3的純凈氣，經(jīng)壓縮機(jī)壓縮而進(jìn)入氨合成回路，制得產(chǎn)品氨。該設(shè)計(jì)的研究重點(diǎn)是氨的合成過程，主要包括物料衡算、熱量衡算、主要設(shè)備計(jì)算與設(shè)備選型。物料衡算主要是對進(jìn)出設(shè)備的氣體或液體組成進(jìn)行計(jì)算，熱量衡算是對進(jìn)出設(shè)備的溫度和壓力等工藝參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，設(shè)備的計(jì)算

25、與選型主要對合成塔、熱交換器等主要設(shè)備進(jìn)行選型等計(jì)算。合成工藝參數(shù)的選擇除了考慮提高氨凈值、平衡氨含量外，還綜合考慮反應(yīng)速度、催化劑特性及系統(tǒng)的生產(chǎn)能力、能量消耗等。</p><p>　　產(chǎn)品液氨主要用于生產(chǎn)硝酸、尿素和其他化學(xué)肥料，還可用作醫(yī)藥和農(nóng)藥的原料。在國防工業(yè)中，用于制造火箭、導(dǎo)彈的推進(jìn)劑?？捎米饔袡C(jī)化工產(chǎn)品的氨化原料，還可用作冷凍劑。</p><p>　　由于作者的水平所限，設(shè)

26、計(jì)中難免會存在缺點(diǎn)和遺漏之處，敬請批評指正。</p><p><b>　　第一章 緒 論</b></p><p><b>　　1.1氨的性質(zhì)</b></p><p>　　氨分子式NH3，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下是無色氣體，比空氣輕，具有特殊的刺激性臭味。</p><p>　　1.1.1氨的物理性質(zhì)</

27、p><p>　　在常溫、常壓下為氣態(tài)，有特殊的刺激性氣味。加壓時(shí)易被液化為無色液體，不純時(shí)為淡黃色或淡藍(lán)色。 氨極易溶于水，溶解時(shí)放出大量的熱，可生產(chǎn)含NH315%~30%的氨水，氨水溶液是堿性，易揮發(fā)。</p><p>　　1.1.2氨的化學(xué)性質(zhì)</p><p>　　氨易與許多物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，性質(zhì)比較活潑，能與各種無機(jī)酸反應(yīng)生成鹽，例如與磷酸反應(yīng)生成磷酸銨；與CO2反應(yīng)

28、生成氨基甲酸銨，脫水成尿素；與CO2和水反應(yīng)生成碳酸氫銨。</p><p><b>　　1.1.3氨的用途</b></p><p>　　氨在工業(yè)上主要用來制造炸藥和各種化學(xué)纖維及塑料。純氨可以制的硝酸，進(jìn)而制造硝酸銨、硝化甘油、三硝基甲苯和硝基纖維素等。在化纖和塑料工業(yè)中，則以氨、硝酸、和尿素作為氮源，生產(chǎn)己內(nèi)酰胺、尼龍6單體、己二胺、人造絲、丙烯晴、酚醛樹脂等產(chǎn)品。

29、</p><p>　　第二章 設(shè)計(jì)任務(wù)的理論基礎(chǔ)</p><p>　　2.1氨合成理論基礎(chǔ)</p><p>　　2.1.1氨合成反應(yīng)的熱效應(yīng).</p><p>　　應(yīng)用化學(xué)平衡移動(dòng)原理可知：低溫、高壓操作有利于氨的生成。但是溫度和壓力對合成氨的平衡產(chǎn)生影響的程度。</p><p>　　2.1.2影響平衡氨含量的因素&

30、lt;/p><p>　　1.壓力和溫度的影響 ：溫度越低,壓力越高,平衡常數(shù)越大,平衡氨含量越高。</p><p>　　2.氫氮比的影響：當(dāng)溫度，壓力及惰性組分含量一定時(shí),使為最大。</p><p>　　3.惰性氣體的影響：惰性組分的存在,降低了氫,氮?dú)獾挠行Х謮?會使平衡氨含量降低。</p><p>　　2.1.3生產(chǎn)原理說明</p>

31、;<p>　　氨合成反應(yīng)的基本原理：</p><p>　　氨合成反應(yīng)的化學(xué)方程式為：</p><p>　　2.1.4合成氨的機(jī)理</p><p>　　有固體觸媒存在下，氣體之間的反應(yīng)可按次序分為七個(gè)步驟：</p><p>　　1.氫和氮的絕大部分，自外表向催化劑的毛細(xì)口內(nèi)部擴(kuò)散，到達(dá)內(nèi)表面；</p><p&g

32、t;　　2.氫和氮（個(gè)別或同時(shí)）被催化劑表面（主要是內(nèi)表面）的活性吸附；</p><p>　　3.吸附后的氣體，反應(yīng)氣體混合物氫和氮從氣象主體擴(kuò)散到鐵催化劑的外表；</p><p>　　4.在表面上起化學(xué)反應(yīng)，生成一系列中間化合物后，形成吸附態(tài)的氨；</p><p>　　5.氨從催化劑表面上的脫吸；</p><p>　　6.脫吸后的氨從毛細(xì)

33、孔組織內(nèi)部向外表面擴(kuò)散；</p><p>　　7.氨從催化劑表面擴(kuò)散到氣體主體；</p><p>　　以上七步中，1和7為外擴(kuò)散過程，2和4是內(nèi)擴(kuò)散過程，3，4，5總稱化學(xué)動(dòng)力學(xué)過程。</p><p>　　2.2催化劑[13]</p><p>　　2.2.1催化劑概述</p><p>　　合成氨原料氣（氮?dú)浠旌蠚猓┰诟?/p>

34、溫、高壓和催化劑存在下直接合成為氨的工藝過程。這是放熱、縮小體積的可逆反應(yīng)，溫度、壓力對此反應(yīng)的化學(xué)平衡有影響。當(dāng)混合氣中氫氮摩爾比為3時(shí)，氨平衡含量隨著溫度降低、壓力增加而提高。但在較低溫度下，氨合成的反應(yīng)速度十分緩慢，需采用催化劑來加快反應(yīng)。由于受到所用催化劑活性的限制，溫度不能過低，因此為提高反應(yīng)后氣體中的氨含量，氨合成宜在高壓下進(jìn)行。</p><p>　　氨合成反應(yīng)是在具有活性的鐵催化劑作用下進(jìn)行的，這種

35、鐵系催化劑是人們通過長期研究氨合成催化劑后形成的。即以天然的磁鐵礦為主體配入一定量的助催化劑，經(jīng)過熔融，冷卻，破碎后制成的。</p><p>　　當(dāng)工業(yè)上用鐵催化劑時(shí),壓力大多選用15.2MPa～30.4MPa (150atm～300atm)，即使在這樣壓力條件下操作，每次也只有一部分氮?dú)夂蜌錃夥磻?yīng)為氨，故氨合成塔出口氣體的氨濃度通常為10％～20％（體積）。決定反應(yīng)的主要因素是鐵催化劑的活性，反應(yīng)所產(chǎn)生的氨與氮

36、氣、氫氣的分離以及氮、氫氣的循環(huán)使用。氨合成采用添加有助催化劑的鐵催化劑。。</p><p>　　2.2.2合成氨的催化機(jī)理</p><p>　　在無催化劑時(shí)，氨的合成反應(yīng)的活化能很高，大約335 kJ/mol。加入鐵催化劑后，反應(yīng)以生成氮化物和氮?dú)浠飪蓚€(gè)階段進(jìn)行。第一階段的反應(yīng)活化能為126 kJ/mol～167 kJ/mol，第二階段的反應(yīng)活化能為13 kJ/mol。由于反應(yīng)途徑的改

37、變（生成不穩(wěn)定的中間化合物），降低了反應(yīng)的活化能，因而反應(yīng)速率加快了。</p><p>　　2.2.3催化劑的中毒 </p><p>　　催化劑在穩(wěn)定活性期間，往往因接觸少量的雜質(zhì)而使活性明顯下降甚至被破壞，這種現(xiàn)象稱為催化劑的中毒。一般認(rèn)為是由于催化劑表面的活性中心被雜質(zhì)占據(jù)而引起中毒。中毒分為暫時(shí)性中毒和永久性中毒兩種。</p><p>　　2.2.4影響催化劑

38、的還原</p><p>　　氨合成催化劑在未經(jīng)過還原反應(yīng)前不具備活性。只有經(jīng)過還原處理后的催化劑才具有活性。所謂還原反應(yīng)就是用精煉氣中的H2將鐵的氧化物（Fe3O4,FeO,Fe2O3）還原成金屬α-Fe。</p><p>　　第三章 氨合成化工工藝設(shè)計(jì)說明</p><p>　　3.1合成氨工業(yè)的工藝介紹</p><p>　　原料氣制備過程

39、、凈化過程以及氨合成過程。</p><p>　　3.1.1原料氣制備 </p><p>　　將煤和天然氣等原料制成含氫和氮的粗原料氣。</p><p>　　3.1.2原料氣凈化 </p><p>　　對粗原料氣進(jìn)行凈化處理，除去氫氣和氮?dú)庖酝獾碾s質(zhì)，主要包括變換過程、脫硫脫碳過程以及氣體精制過程。</p><p>&l

40、t;b>　　3.1.3氨的合成</b></p><p><b>　　合成氨反應(yīng)式如下：</b></p><p>　　3.2工藝流程的選擇確定</p><p>　　3.2.1由氨合成的主要特點(diǎn)進(jìn)行工藝流程的設(shè)計(jì)</p><p>　　圖3.1 氨合成工段物料流程示意圖</p><p>

41、;　　1-新鮮補(bǔ)充氣 16-放空氣 20-馳放氣 21-產(chǎn)品液氨</p><p>　　3.2.2生產(chǎn)工藝流程的說明</p><p><b>　　流程簡述：</b></p><p>　　由壓縮工段段送來的合格的氫氮?dú)?，?5℃，29Mpa的狀態(tài)與冷交換器出來的氣體匯合，混合氣一并進(jìn)入氨冷器，被冷卻到-6℃后再次回到冷交換器，對第一次進(jìn)入冷交

42、換器的氣體進(jìn)行冷卻，以便于氨的冷凝。進(jìn)行如此冷熱氣體熱交換后，混合氣以20℃，28.8Mpa的狀態(tài)進(jìn)入到循環(huán)機(jī)，增溫增壓到35℃，31.2Mpa后進(jìn)入到油水分離器，將混合氣中的油質(zhì)雜質(zhì)脫除后以35℃，31Mpa的狀態(tài)進(jìn)入合成塔環(huán)隙進(jìn)行預(yù)升溫到50℃，此為第一次進(jìn)合成塔。預(yù)熱后氣體分為兩股，一股占混合氣10%作為冷激氣f3調(diào)節(jié)合成塔內(nèi)第四絕熱床層溫度，另一股則進(jìn)入熱交換器再次進(jìn)行升溫。溫度升高到180℃后被分成三股，其中兩股以各占混合氣1

43、0%作為兩冷激氣f1 、f2分別調(diào)節(jié)第二絕熱床層溫度和第三絕熱床層溫度，另外一股作為主線由合成塔底部中心管進(jìn)入合成塔，在下部換熱器調(diào)節(jié)溫度后進(jìn)入第一絕熱床層開始進(jìn)行氨合成反應(yīng)。在四段都反應(yīng)結(jié)束后，反應(yīng)氣以360℃，30Mpa的狀態(tài)進(jìn)廢熱鍋爐進(jìn)行熱回收，副產(chǎn)蒸汽。后以220℃的高溫出廢熱鍋爐與第一次出合成塔的混合氣在熱交換器進(jìn)行熱交換。熱交換后，反應(yīng)氣冷卻到75℃，并到達(dá)水冷器再次被冷卻到35℃后進(jìn)入氨</p><p&

44、gt;　　第四章 氨合成物料衡算</p><p><b>　　4.1設(shè)計(jì)依據(jù)</b></p><p><b>　　4.1.1生產(chǎn)要求</b></p><p>　　1.生產(chǎn)能力：液氨產(chǎn)量為7.07 t/h。(112 kt/a ，按330天/a計(jì)算)</p><p>　　2.新鮮氫氮比組成如下表所示：

45、</p><p>　　表4.1新鮮氫氮比組成</p><p>　　3.合成塔入口氣：為3.0%，為16.0%。</p><p>　　4.合成塔出口氣為：為17%。</p><p>　　5.新鮮氣溫度：35℃</p><p>　　6.合成操作壓力：31MPa。</p><p>　　7.其他部位的溫

46、度壓力，見物料計(jì)算過程與能量計(jì)算過程。</p><p>　　8.水冷卻器的冷卻水溫為25℃。</p><p>　　9.以下各項(xiàng)在計(jì)算中，有些部位略去不計(jì)。</p><p>　?。╥） 溶解氨中的氣體量；</p><p>　　（ii）設(shè)備和管道的阻力；</p><p>　?。╥ii）設(shè)備和管道的熱損失；</p>

47、;<p>　　4.1.2計(jì)算物料點(diǎn)流程</p><p>　　其中各如圖3.1中各物料點(diǎn)的溫度和壓力匯總?cè)缦拢?lt;/p><p>　　=35℃ =30 MPa =6 ℃ =29 MPa</p><p>　　=20 ℃ =29 MPa =30 ℃ =31.2MPa</p>&l

48、t;p>　　=30 ℃ =31 MPa =50℃ =30.9 MPa</p><p>　　=180 ℃ =30.8 MPa =360 ℃ =30 MPa</p><p>　　=220℃ =29.8 MPa =75 ℃ =29.7 MPa </p><p>　　=35℃

49、 =29.6 MPa =35℃ =29.4 MPa</p><p>　　=35 ℃ =29.4 MPa =35℃ =29 MPa </p><p>　　=17 ℃ =29 MPa =20 ℃ =29 MPa</p><p>　　=6℃ =29 MPa

50、 = 35 ℃ =29.4 MPa</p><p><b>　　4.2物料衡算 </b></p><p>　　4.2.1合成塔入口氣組成 (摩爾分?jǐn)?shù))（5點(diǎn)）</p><p>　　已知入口氣的NH3和CH4+Ar濃度，并假定氫與氮的比例為3，因此</p><p>　　NH3： = 3.0%（已知）<

51、;/p><p>　　H2： =[100(3.0+16.0)]= 60.75%</p><p>　　N2： =[100(3.0+16.0)] ××100%= 20.25%</p><p>　　CH4 : =16.0= 12.164%</p><p>　　Ar： =16.0×= 3.836%</p>

52、<p>　　表4.2入塔氣組分含量（包括3，4，5，6，7點(diǎn)）</p><p>　　4.2.2合成塔出口氣組成（8點(diǎn)）</p><p>　　假定入塔氣100 kmol，列方程求解。</p><p>　　氨生成量：根據(jù)反應(yīng)式，在合成塔內(nèi)，氣體總物質(zhì)的量的減少，應(yīng)等于生成氨的物質(zhì)的量，由氣體摩爾流量方程和組分摩爾流量平衡得：</p><p

53、>　　生成的氨的物質(zhì)的量： </p><p>　　總物質(zhì)的量的減少量： </p><p>　　聯(lián)立解出： = </p><p>　　式中： ———合成塔中生成氨的量，；</p><p>　　———入口氣總物質(zhì)的量，；</p><p>　　———出口氣總物質(zhì)的量，；</p><p

54、>　　———合成塔入口氨，摩爾分?jǐn)?shù)；</p><p>　　———合成塔出口氨，摩爾分?jǐn)?shù)；</p><p>　　將已知數(shù)據(jù)代入上式：</p><p>　　===11.9658</p><p><b>　　出口氣總物質(zhì)的量:</b></p><p>　　n8= n5－=100-11.9658=8

55、8.0342 kmol</p><p>　　所以出塔氣組成（9點(diǎn)）：</p><p>　　NH3：=17.000%（已知）</p><p>　　CH4：=13.820</p><p>　　Ar： y8,Ar===4.357</p><p>　　H2： y8,H2=（1y8,Ar）××100%&l

56、t;/p><p>　　=（1-0.17-0.13820-0.04357）××100%</p><p><b>　　=48.620%</b></p><p>　　N2： y8,N2=（1y8,Ar）××100%</p><p>　　=(1-0.17-0.13820-0.04357) &

57、#215;×100%</p><p><b>　　=16.203%</b></p><p>　　表4.3出塔氣組分含量（包括8，9，10，11點(diǎn)）</p><p>　　4.2.3合成率計(jì)算</p><p>　　反應(yīng)掉的N2，H2與入塔氣中的N2，H2之比，按下式計(jì)算：</p><p>　

58、　合成率：η=×100%=×100%=29.545%</p><p>　　4.2.4氨分離器出口氣液組成計(jì)算</p><p>　　設(shè)合成反應(yīng)后氣體在水冷器內(nèi)部分氨被液化，氣液已達(dá)到相平衡，進(jìn)入水冷器的物料為氣液混合物，物量為F，物料組成為Fi，水冷器出口氣相組成為yi，氣量為V，水冷器出口液相組成為xi，液量為L。</p><p>　　已知進(jìn)口物

59、料組成Fi，即合成出口氣組成，前已求出。</p><p><b>　　假定F=1kmol</b></p><p>　　對于每個(gè)組分的物料平衡有：</p><p>　　FFi=Vyi+Lxi=Fi 式（4.1）</p><p><b>　　根據(jù)氣液平衡關(guān)系：</b><

60、/p><p>　　yi=mixi 式（4.2）</p><p>　　式中：mi為各組分的相平衡常數(shù)。</p><p>　　把式（4.2）代入式（4.1）得：=mi+1 式（4.3）</p><p>　　式中：Li為液相中各組分的量。</p>

61、<p><b>　　液相總量：</b></p><p>　　L= 式（4.4）</p><p>　　液相組分的摩爾分?jǐn)?shù)：</p><p>　　xi= 式（4.5）</p><p><b>　　氣體總量

62、 </b></p><p>　　V=F-L=1-L 式（4.氣體組分含量按式（4.2）計(jì)算或按下式計(jì)算</p><p>　　yi== 式 (4.7)</p><p>　　對于以上各式求解，需用試差法，現(xiàn)采用直接迭代，按下述步驟進(jìn)行：</p><p>

63、　　根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，先假設(shè)一個(gè)V/L值；</p><p>　　按已知操作條件（溫度，壓力）從手冊中查取向平衡常數(shù)mi；</p><p>　　將假設(shè)的V/L值和mi代入式（4.3），計(jì)算出Li；</p><p>　　按式（4.4）求得L；</p><p>　　按式（4.5）和（4.7）求得xi，yi；</p><p>　　按式

64、（4.6）計(jì)算V，進(jìn)而算出V/L；</p><p>　　V/L計(jì)算值與假定值比較，如果誤差較大，以計(jì)算值作為假定值，重復(fù)計(jì)算，直至誤差在允許范圍內(nèi)為止。</p><p>　　已知氨分離器入口氣組成Fi即11點(diǎn)值，設(shè)F=1 kmol</p><p>　　表4.4氨分離器入口氣組分含量（11點(diǎn)）</p><p>　　查《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手

65、冊 下冊》【3】表1-4-4可得t11=35℃，P11=29.4MPa下組分的相平衡常數(shù)mi如下表：</p><p><b>　　表4.5相平衡常數(shù)</b></p><p>　　先設(shè)入口氣液混合物量F=1 kmol并假定ε≤0.001</p><p>　　以V/L=9.7代入（4.3）計(jì)算</p><p>　　則液相中各

66、組分的量：=</p><p>　　LNH3= =0.902kmol</p><p>　　LH2==0.4862/9.7×39.05+1=o.00128 kmol</p><p>　　LAr==0.04357/9.7×27.67+1=0.00016kmol</p><p>　　LN2==0.16203/9.7×35

67、.40+1=0.00047kmol</p><p>　　表4.6氨分離器入口液的量kmol（11點(diǎn)）</p><p>　　液相總量：L==0.0902+0.00128+0.00047+0.00128+0.00016</p><p>　　=0.09339 kmol</p><p>　　分離后氣相總量：V=F－L=1-0.09339=0.9066

68、1 kmol</p><p>　　計(jì)算氣液比：（V/L）′=(V/L)=9.70161</p><p>　　誤差==0.00017≤0.001</p><p>　　有原公式得：誤差=(9.70778-9.7)/9.70778=0.00080<0.001</p><p>　　在允許范圍內(nèi)，假定值可以認(rèn)定。</p><p

69、>　　按式（4.5）計(jì)算得氨分離器出口液體組分含量：</p><p>　　XNH3=LNH3/L=0.0902/0.09339=96.584% XH2=LH2/L=0.00128/0.09339=1.371% XN2=LN2/L=0.00047/0.09339=0.503% XCH4=LCH4/L=0.00128/0.09339=1.371% XAr=LAR/L=0.00016/0.09339=

70、0.171%</p><p>　　表4.7氨分離器出口液體組分含量（18點(diǎn)）</p><p>　　按式（4.7）計(jì)算的氨分離器出口氣體含量：</p><p>　　XNH3=(FNH3-LNH3)/L=(17.000%-0.0902)/0.90656=8.797%</p><p>　　表4.8氨分離器出口氣體含量（12點(diǎn)）</p>

71、<p>　　4.2.5冷交換器分離出的液體組成（17點(diǎn)）</p><p>　　氨冷器出口氣經(jīng)冷卻后，與新鮮補(bǔ)充氣混合進(jìn)入冷交換器，冷交換器出口氣組成即合成塔入口氣組成。因此，在冷交換器中分離出的液氨應(yīng)與出口氣成平衡。</p><p>　　查《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊 下冊》【3】表1-4-4可得t17=－6℃，P17= 29MPa的相平衡常數(shù)mi如下表：</p>

72、<p><b>　　表4.9相平衡常數(shù)</b></p><p>　　由氣液平衡關(guān)系式（4.2）計(jì)算得冷交換器出口液體含量：</p><p>　　表4.10冷交換器出口液體含量（17點(diǎn)）</p><p>　　4.2.6液氨貯槽馳放氣和液相組成計(jì)算</p><p>　　氨分離器出口液氨與冷交換器分出口液氨匯合于

73、貯槽，由于減壓溶解在液氨中的氣體會解析出來和部分氨的蒸氣形成弛放氣。</p><p>　　水冷后的氨分離器的液氨占總量的摩爾分?jǐn)?shù)G可由下式計(jì)算:</p><p>　　G=×100%=(1+3%)(17%-8.797%) /(17%-3%)(1-8.797%)×100%=66.17% 式（4.8）</p><p>　　將已知數(shù)據(jù)代入式（

74、4.10）得：G</p><p>　　則氨分離器的分離液氨占66.17%，冷交換器分離液氨占33.83%。</p><p>　　根據(jù)物料衡算有下式：x19,i=0.6617x18,+0.3383x17,i 式（4.9）</p><p>　　按式（4.9）計(jì)算得液氨貯槽入口液體含量：</p>

75、<p>　　表4.11液氨貯槽入口液體含量（19點(diǎn)）</p><p>　　查《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊 下冊》【3】表1-4-4可得 t19=20℃，P19=2.1MPa的相平衡常數(shù)mi如下表：</p><p>　　表4.12氣液平衡常數(shù)</p><p>　　在液氨貯槽中，類似于閃蒸的過程，仍按氨分離的計(jì)算方法，假定一個(gè)V/L值，經(jīng)過視差，求得計(jì)算

76、結(jié)果，現(xiàn)按視差最后的V/L值，具體計(jì)算如下：</p><p><b>　　式（4.10）</b></p><p>　　設(shè)V/L=0.0713代入式（4.10）計(jì)算得液氨中各個(gè)組分的物質(zhì)的量（假定入貯槽液氨量F=1 kmol）：</p><p>　　表4.13液氨中各組分物質(zhì)的量kmol（19點(diǎn)）</p><p>　　則得

77、出液體總含量：L==0.93341 kmol</p><p>　　出口氣體總含量： V=1－L=0.06659 kmol</p><p>　　計(jì)算氣液比：0.07134</p><p>　　計(jì)算誤差=<0.001 在允許范圍內(nèi)。 </p><p>　　由式（4.5）計(jì)算得液氨貯槽出口產(chǎn)品液氨組分含量：</p><

78、;p>　　表4.14液氨貯槽出口產(chǎn)品液氨組分含量（21點(diǎn)）</p><p>　　按式（4.7）計(jì)算得馳放氣組分含量：</p><p>　　表4.15 弛放氣組分含量（20點(diǎn)）</p><p>　　4.2.7 液氨貯槽物料衡算</p><p>　　以液氨貯槽出口1t純液氨為基準(zhǔn)，折成標(biāo)準(zhǔn)狀況下的氣體體積，以為單位計(jì)，則L21==1319

79、.468</p><p>　　按式L21,i=計(jì)算得液氨貯槽中各組分物質(zhì)的量并列入下表：</p><p>　　表4.16液氨貯槽中各組分體積（21點(diǎn)）</p><p>　　按V/L=0.0713計(jì)，則液氨貯槽弛放氣體積：V20=0.0713L21=94.08m3 </p><p>　　按V20,i=V20y20,i 計(jì)算得弛放氣中各組分體積：

80、</p><p>　　表4.17弛放氣中各組分體積（20點(diǎn)）</p><p>　　液氨貯槽出口總物料的體積：L21+V20=1319.468+94.08=1413.548m3因此入口總物料也應(yīng)與出口相等：L19=L21+V20 =1413.548m3</p><p>　　入口物料各組分體積按L19,i=L21,i+V20,i計(jì)算得： </p><

81、p>　　表4.18液氨貯槽入口各組分體積（19點(diǎn)）</p><p>　　總計(jì)：Lm3L19，=∑L19,I=1417.170</p><p><b>　　入口物料組分核算</b></p><p>　　由計(jì)算，計(jì)算結(jié)果列入下表：X19,NH3=L19,NH3/L19,=1373.870/1417.170=96.945%</p>

82、<p>　　X19,H2=L19,H2/L19,=18.692/1417.170=1.319% </p><p>　　X19,N2=L19,N2/L19,=7.170/1417.170=0.506% </p><p>　　X19,CH4=L19,CH54/L19,=15.216/1417.170=1.073</p><p>　　X19,AR=L19,A

83、R/L19,=0.157%</p><p>　　表4 9液氨貯槽入口各組分摩爾分?jǐn)?shù)（19點(diǎn)）</p><p><b>　　結(jié)果與基本相等。</b></p><p>　　4.3合成循環(huán)回路總物料衡算</p><p>　　4.3.1合成循環(huán)回路總物料衡算</p><p>　　1.對整個(gè)回路作物料衡算，

84、可求出補(bǔ)充新鮮氣量，放空氣量V13，以及合成塔進(jìn)氣量V5和出塔量V8。</p><p>　　以1t產(chǎn)品氨為基準(zhǔn)，即等于1319.468折成標(biāo)準(zhǔn)狀況下氣體體積）。</p><p>　　合成循環(huán)回路可簡化為如下示意圖：</p><p>　　圖4.2 合成循環(huán)回路簡圖</p><p>　　為了方便算，把前已算的一直數(shù)據(jù)列入下表：（氣量單位：）&l

85、t;/p><p>　　表4.20各物料點(diǎn)物料組分</p><p><b>　　計(jì)）</b></p><p>　　氫平衡：以體積量計(jì)算（下同）</p><p><b>　　式（4.11）</b></p><p>　　0.7388V1H2=0.5349V13+3/2V13×

86、0.08797+94.08×0.19391+3/2×94.08×0.59771+3/2×1319.468 8.7388V1，H2=0.6668V13+2081.794</p><p><b>　　氮平衡：</b></p><p><b>　　式（4.12）</b></p

87、><p>　　0.244V1N2=1/2V16(y16,N2+y16,NH3)+94.08×0.07453+1/2×94.08×0.59771+1/2×1319.468</p><p><b>　　惰性氣體平衡：</b></p><p>　　式（4.13）V1(0.0130+0.0041)=V13(0.151

88、03+0.04792)+94.08×(0.1494+0.02305)</p><p>　　0.0171V1=0.19895V13+16.224</p><p>　　氨平衡： 合成塔內(nèi)生成的氨應(yīng)等于F排除出的氨即</p><p>　　0.17V8-0.03V5=0.08797V13+94.08×0.59771+1319.468</p>

89、<p>　　0.17V8-0.03V5-0.08797V13=1375.701 式（4.14）</p><p>　　總物料平衡：合成反應(yīng)后進(jìn)出口氣體體積，減少V5-V8，則得</p><p>　　V1=V13+V20+L21+V5-V8 式（4.15）V1+V8-V5-V13=1413.548</p>

90、<p>　　上述5個(gè)方程可做如下處理：</p><p>　　上述5個(gè)方程中，實(shí)際上只有4個(gè)未知數(shù)，即，V5，V8，V13，把式（4.11）與式（4.12）合并。則將已知數(shù)據(jù)代入式（4.11）和（4.12）相加得 ：</p><p>　　0.9829V1=0.8891V13+2776.656 式（4.16）由式（4.13）代入數(shù)化簡得：</p>

91、<p>　　0.0171V1=0.19895V13+16.224 式（4.17）</p><p>　　式（4.16）與式（4.17）聯(lián)立可得： = 2983.130</p><p>　　V13=174.854 </p><p>　　再將已知數(shù)據(jù)，V13代入式（4.14）和式（4.15）聯(lián)立解得：</p><

92、;p>　　V5=11629.906</p><p>　　V8=10235.178 </p><p>　　4.3.2合成塔進(jìn)出口物料衡算</p><p>　　1．入塔總物料量：V5 =11629.906，V5=V6=V7</p><p>　　由V5,i=V5y5,i計(jì)算得合成塔入口各組分的量并列入下表：</p><

93、p>　　V5NH3=11629.906×0.03=348.897 V5H2=11629.906×0.6075=7065.168</p><p>　　V5N2=11629.906×0.2025=2355.056 V5AR=11629.906×0.03836=4460123</p><p>　　V5CH4=11629.906×0.121

94、64=1414.662 </p><p>　　表4.21合成塔入口各組分的體積（5點(diǎn)）</p><p>　　2． 出塔物料量：V8=10235.178 </p><p>　　由V8,i=V8y8,i計(jì)算得合成塔出口各組分的量：</p><p>　　V8NH3=10235.178×0.17=1739.980 V8

95、N2=10235.178×0.1620=1658.099</p><p>　　V8AR=10235.178×0.04357=445.947 V8H2=10235.178×0.4862=4976.344</p><p>　　V8CH4=10235.178*0.1382=1414.502</p><p>　　表4.22合成塔出口各組分的體積

96、（8點(diǎn)）</p><p>　　4.3.3沸熱鍋爐出口</p><p>　　廢熱鍋爐出口、熱交換器出口、冷交出口物料組成未發(fā)生變化與合成塔出口相同，即 =V10=V11=10235.178</p><p>　　4.3.4氨分離器物料量</p><p>　　1.經(jīng)氨分離器后，分為氣相和液相兩股物料，即</p><p>

97、　　V11=L18+V12(V12暫以氣體體積計(jì)) </p><p>　　按前面氨分離器氣液平衡算得：V12/V18=R（氣液比）R=9.7 式（4.18）V12+ L18=V11 =10235.178 式（4.19）</p><p>　　由式（4.18）與式（4.19）聯(lián)立解得：<

98、/p><p>　　氨分離器出口液氨量：L18=956.559m3</p><p>　　氨分離器出口氣體量：V12=9278.620 </p><p>　　折成液體 L18= 956.559×17kg/mol-1/22.4m3.kmol-1=725.960kg</p><p>　　2.氨分離器出口氣體組分的體積</p>

99、;<p>　　由V12,i=V12y12，i計(jì)算得氨分離器出口氣體組分體積</p><p>　　V12NH3=9278.620×0.08797=816.240 V12N2=9278.620×0.17835=1654.842 V12Ar=9278.620×0.04792=444.63 V12H2=9278.620×0.5349=4963.13

100、4 V12CH4=9728.620×0.15103=1401.350</p><p>　　表4.23氨分離器出口氣體組分體積（12點(diǎn)）</p><p>　　由計(jì)算得氨分離器出口液體各組分體積：</p><p>　　L18NH3=956.559×0.08797=816.240 L18N2=956.559×0.00503=4.811

101、L18AR=956.559×0.00171=1.636 L18H2=956.559×0.01371=13.114 L18CH4=956.559×0.01371=13.114 </p><p>　　表4.24氨分離器出口液體組分體積（18點(diǎn)）</p><p>　　4.3.5冷交換器物料衡算</p><p>　　1. 冷交換器入口氣、

102、氨分離器出口氣、放空氣組成相同，即y12,i=y13,i= y14,i</p><p>　　由工藝流程圖知進(jìn)入冷交換器之前，有放空氣放出，所以V14=V12 -V13=9278.620-174.854=9103.766 </p><p>　　由V14,i=V14y14,i 計(jì)算得冷交換器入口氣體各組分的量并列入下表：</p><p>　　V14NH3=9103.

103、766×0.08797=800.858 V14H2=9103.766×0.5349=4869.604</p><p>　　V14N2=9103.766×0.17818=1622.109 V14CH4=9103.766×0.15103=1374.942</p><p>　　V14AR=9103.766×0.04792=436.252</

104、p><p>　　表4.25冷交換器入口氣體組分體積（14點(diǎn)）</p><p>　　按V13,i =V13y13,i計(jì)算得放空氣中各組分體積：</p><p>　　V13NH3=174.854×0.08797=15.382 V13H2=174.854×0.5349=93.529 V13N2=174.854×0.17818=31.155

105、 V13CH4=174.854×0.15103=26.408 V13AR=174.854×0.04792=8.379</p><p>　　表4.26放空氣各組分體積 （13點(diǎn)）</p><p>　　按V1,i=V1y1,i計(jì)算得補(bǔ)充氣中各組分體積：</p><p>　　V1H2=2983.130×0.7388=2203.936

106、 V1CH4=2983.130×0.013=38.781 V1N2=2983.130×0.2441=728.182 V1AR=2983.130×0.0041=12.231</p><p>　　表4.27補(bǔ)充氣各組分體積（1點(diǎn)）</p><p>　　按V15,i=V2,i-V1,i計(jì)算得冷交換器出口氣體各組分體積：</p><p

107、>　　V15NH3=348.897-0=348.897 V15H2=7065.168-2203.936=4861.232 V15CH4=1414.662-38.781=1376.431 V15N2=2355.056-728.182=1626.874 V15AR=446.123-12.231=433.892</p><p>　　表4.28氨冷器出口氣體各組分體積（2點(diǎn)）</p><

108、p>　　表4.29新鮮氣體各組分含量（1點(diǎn)）</p><p>　　表4.30冷交換器出口氣體各組分體積（15點(diǎn)）</p><p>　　5.冷交換器出口液氨的量L18=V15－V14=457.245，按L18,i=L18x18,i計(jì)算其中各組分體積：</p><p>　　表4.31冷交換器出口液氨各組分體積（17點(diǎn)）</p><p>　　

109、6.液氨儲槽物料橫算（均以標(biāo)準(zhǔn)狀況下氣體體積計(jì)）</p><p>　　進(jìn)入儲槽的液氨量：L19=L17+L18=1413.945 </p><p>　　儲槽中排出產(chǎn)品液氨的量：L21=L19―V20=1319.471 </p><p>　　結(jié)果與計(jì)算基準(zhǔn)基本一致。</p><p>　　4.4物料衡算法匯總</p><

110、;p>　　4.4.1各物料點(diǎn)體積</p><p>　　以下物料均在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，按1噸NH3計(jì)算</p><p>　　補(bǔ)充新鮮氣量（1點(diǎn)）：V1=2983.130 </p><p>　　冷交換器入口氣量（2點(diǎn)）：V2=11629.906 </p><p>　　合成塔進(jìn)口氣量（3、4、5、6、7點(diǎn)）：V3=V4=V5=V6=1162

111、9.906 </p><p>　　合成塔出口氣量（8、9、10、11點(diǎn)）：V7=V8=V9= V10=V11=10235.178 </p><p>　　氨分離器出口氣量（12點(diǎn)）：V12=9278.620 m3</p><p>　　放空氣量（13）：L13=174.854 m3</p><p>　　冷交換器入口氣量（14點(diǎn)）：V14=

112、9103.766</p><p>　　冷交換器出口氣量（15點(diǎn)）：V15=8647.374</p><p>　　氨冷器入口氣量（16點(diǎn)）：V16=10235.178</p><p>　　冷交換器液體出口量（17點(diǎn)）</p><p>　　表4.32冷交換器出口液氨摩爾分?jǐn)?shù)</p><p>　　氨分離器出口液量（18點(diǎn)）&

113、lt;/p><p>　　表4.33氨分離器出口液氨摩爾分?jǐn)?shù)</p><p>　　液氨儲槽入口（19點(diǎn)）</p><p>　　表4.34液氨儲槽入口摩爾分?jǐn)?shù)</p><p><b>　　弛放氣（20點(diǎn)）</b></p><p>　　表4.35弛放氣摩爾分?jǐn)?shù)</p><p>　　產(chǎn)

114、品液氨量（21點(diǎn)）</p><p>　　表4.36產(chǎn)品液氨摩爾分?jǐn)?shù)</p><p>　　第五章 氨合成設(shè)備的計(jì)算</p><p>　　5.1熱交換器設(shè)備工藝計(jì)算</p><p>　　據(jù)《小合成氨廠工藝技術(shù)手冊》[3]熱交換器的計(jì)算</p><p><b>　　5.1.1設(shè)計(jì)條件</b></p

115、><p>　　1.選列管式換熱器，冷氣走殼程，熱氣走管程；</p><p>　　2.列管尺寸∮25*2無縫鋼管，；</p><p>　　3.熱負(fù)荷：Q=2269005.0</p><p>　　4.產(chǎn)量：W=7.07</p><p><b>　　5.冷氣體壓力：；</b></p><

116、p>　　6.冷氣入口溫度：t入（t7）=50℃； </p><p>　　7.冷氣出口溫度：t出（t8）=180℃；</p><p>　　8.冷氣氣量：V=260548.58；</p><p><b>　　9.熱氣體壓力：；</b></p><p>　　10.熱氣入口溫度：入（t9）=220℃；</p>

117、<p>　　11.熱氣出口溫度出（t10）=75℃；</p><p>　　12.熱氣氣量： =229302.08</p><p>　　5.1.2管內(nèi)給熱系數(shù) </p><p>　　由管內(nèi)給熱系數(shù)公式：</p><p><b>　　式（6.1）</b></p><p>　　計(jì)算，式中各物

118、性數(shù)據(jù)均取之平均溫度：</p><p><b>　　℃，之值。</b></p><p>　　1.壓縮系數(shù)和體積流量</p><p>　　查《小氮肥工藝設(shè)計(jì)手冊》[9]高壓下混合氣體的臨界修正參數(shù)如下所示：</p><p>　　由壓縮系數(shù)計(jì)算得：，則</p><p><b>　　對比壓力為

119、： </b></p><p><b>　　對比溫度為： </b></p><p>　　查《小氮肥工藝設(shè)計(jì)手冊》[8]圖普遍化壓縮系數(shù)得：z=1.1，則氣體體積流量為： </p><p><b>　　式（6.2）</b></p><p>　　將已知數(shù)據(jù)代入式（6.2）得： </p

120、><p><b>　　2.混合氣體分子量</b></p><p><b>　　計(jì)算可得：</b></p><p><b>　　式（6.3） </b></p><p>　　將已知數(shù)據(jù)代入式（6.3）得：=0.17*17+0.1382*16+0.04357*40+0.48620*2+0

121、.16203*28=13.7806</p><p><b>　　3.氣體熱容</b></p><p>　　查《化工計(jì)算》[7]附錄六，計(jì)算得：</p><p>　　表6.2混合氣體中各組分比熱容</p><p><b>　　混合氣體比熱容：</b></p><p>　　= 0

122、.17×38.31 + 0.4862×29.01 +0.16200×29.14</p><p>　　+0.1382×37.827+0.0436×20.85= 31.45℃</p><p><b>　　4.導(dǎo)熱系數(shù)</b></p><p>　　查《化學(xué)工程手冊》[5]表得常壓下各組分導(dǎo)熱系數(shù)如下表

123、所示：</p><p>　　表6.3各組分導(dǎo)熱系數(shù)</p><p><b>　　按下式計(jì)算：</b></p><p><b>　　式(6.4)</b></p><p><b>　　先計(jì)算</b></p><p>　　則代入式（6.4）得</p>