【正文】 士學(xué)位設(shè)計(jì) （ 論文 ） 報(bào)告紙 8 含有一氧化碳、二氧化碳、氫氣、氮?dú)?、及甲烷等混合氣體的過程。根據(jù)所用汽化劑的不同，工業(yè)煤氣可分為下列四種。 半水煤氣：是混合煤氣中組成符合（ H2+CO） /N2=～ 的一個(gè)特例。吹風(fēng)氣送入燃燒蓄熱室，在此通入助燃空 氣使吹風(fēng)氣中的一氧化碳燃燒。半水煤氣經(jīng)過燃燒室加熱蓄熱磚（此時(shí)不加助燃空氣），再依次經(jīng)過廢熱鍋爐、洗氣箱、洗氣塔送入氣柜。 在空氣吹凈階段，從爐底吹入空氣，產(chǎn)生吹風(fēng)氣將半水煤氣經(jīng)燃燒室、廢熱鍋爐、洗氣箱及洗氣塔送入氣柜。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)氨的需要量日益增長(zhǎng)，近 30 年 來合成氨工業(yè)發(fā)展很快。 合成氨工業(yè)的現(xiàn)狀 我國(guó)合成氨工業(yè)存在一些特殊問題，一是氮肥資源緊張。內(nèi)技術(shù)進(jìn)行改造。 襄樊學(xué)院 2021屆學(xué)士學(xué)位設(shè)計(jì) （ 論文 ） 報(bào)告紙 10 合成氨工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì) 合成氨工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)： ① 原料路線的變化方向。 ③ 與其他產(chǎn)品聯(lián)合生產(chǎn)。其產(chǎn)品集中度達(dá)到 50%，并形成 35 家在國(guó)際上有一定影響的大型企業(yè)集團(tuán)。 ⑵ 溫度低時(shí)，反應(yīng)有利于向氨合成的方向進(jìn)行，但反應(yīng)速度較慢，提高溫度不利于反應(yīng)平衡，但可以加快反應(yīng)速度，在實(shí)際操作中，溫度的選擇取決于觸媒的活性。 目前氨合成的方法，由于采用的壓力、溫度和催化劑種類的不同，一般可分為低壓法、中壓法和高壓法三種。該法的優(yōu)點(diǎn)是由于操作壓力和溫度較低，對(duì)設(shè)備、管道的材質(zhì)要求低生產(chǎn)容易 管理，但低壓法合成率不高，合成塔出口氣體中含氮約8％ ～ 10％，所以催化劑的生產(chǎn)能力比較低；同時(shí)由于壓力低必須將循環(huán)氣準(zhǔn)至20℃ 的低溫才能使氣體中的氨液化，分離比較完全，所以需要設(shè)置龐大的冷凍設(shè)備，使得流程復(fù)雜，且生產(chǎn)成本較高。從而簡(jiǎn)化了流程；設(shè)備和流程 比較低緊湊，設(shè)備規(guī)格小，投資少，但由于在高壓高溫下操作，對(duì)設(shè)備和管道的材質(zhì)要求比較高。中壓法的優(yōu)缺點(diǎn)介于高壓法與低壓法中間，但從經(jīng)濟(jì)效果來看，設(shè)備投資費(fèi)用和生產(chǎn)費(fèi)用都比較低。 工藝流程的選擇 合成氨的生產(chǎn)工藝條件必須滿足產(chǎn)量高，消耗低，工藝流程及設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便及安全可靠等要求。所以，提高壓力對(duì)氨合成反應(yīng)的平衡和反應(yīng)速度都有利，在一定空速下，合成壓力越高，出口氨濃度越高， 氨凈值越襄樊學(xué)院 2021屆學(xué)士學(xué)位設(shè)計(jì) （ 論文 ） 報(bào)告紙 13 高，合成塔的生產(chǎn)能力也越大。但是壓力高、時(shí)，對(duì)設(shè)備的材料和制造的要求均高。目前我國(guó)中小型合成氨廠合成操作壓力大多采用 20~32 MPa。為了提高反應(yīng)速率，必須使用催化劑才能實(shí)現(xiàn)氨合成反應(yīng)。在合成氨生產(chǎn)過程中，對(duì)應(yīng)于任意一個(gè)瞬時(shí)轉(zhuǎn)化率都存在一個(gè)最大的反應(yīng)速率的溫度，即最佳溫度。新的催化劑因活性比較高，可采用較低的溫度。空間速度增加，氣 體與催化劑接觸時(shí)間減少，反應(yīng)物來不及反應(yīng)就離開了反應(yīng)區(qū)域，因此將是合成塔出口氣體中氨含量降低，即氨凈值降低。同時(shí)，單位循環(huán)氣量的產(chǎn)氨量減少。目前，國(guó)內(nèi)一些小型合成氨廠合成壓力在 30 MPa 左右的，空間速度選擇在 2021~3000 每小時(shí)之間。 本設(shè)計(jì)采用冷凝法。 合成塔進(jìn)口氣的組成 合成塔進(jìn)口氣體組成包括氫氮比、惰性氣體含量和塔進(jìn)口氨含量。 ⑵ 惰性氣體 襄樊學(xué)院 2021屆學(xué)士學(xué)位設(shè)計(jì) （ 論文 ） 報(bào)告紙 15 在混合氣體中含有甲烷和氬氣等，統(tǒng) 稱為惰性氣體。排放量多，可以使合成系統(tǒng)惰性氣體含量降低，氨的合成率提高。相反，則要控制低一些。冷凝溫度越低，分離效果越好，則進(jìn)塔氣體中氨含量也就越低。壓力高，氨合成反應(yīng)速度快，進(jìn)口氨含量可適當(dāng)控制高一些；壓力低，為保持一定的反應(yīng)速度，進(jìn)口氨含量可適當(dāng)控制低一些。 氨的高壓混合氣，自氨冷器出來，進(jìn)入冷凝塔下部的氨 分離器，分離液氨 ,除氨后的混合氣，再經(jīng)過冷凝塔上部的熱交換器與循環(huán)機(jī)氣體換熱，二次出冷凝塔。h1為基準(zhǔn)，進(jìn)行物料衡算 ⒊ 合成系統(tǒng)總圖 ⒋ 以元素和物質(zhì)列出原子矩陣 表 44 原子矩陣 元素 物質(zhì) N2 H2 O2 Ar N 2 0 0 0 H 0 2 0 0 O 0 0 2 0 Ar 0 0 0 1 ⒌ 根據(jù)元素守恒列式，求各流量 襄樊學(xué)院 2021屆學(xué)士學(xué)位設(shè)計(jì) （ 論文 ） 報(bào)告紙 19 對(duì) H： 2F1－ 2F3－ 3F3 = F43 ① 對(duì) N： 2F1 + 2F2 – 2F3－ F3 = F41 ② 對(duì) O: 2F2 – 2F3 = 0 ③ F4 = 647 kmolh1 = Nm3h1 F1──進(jìn)入合成系統(tǒng)的新氣流量 Nm3h1。h1，此氣體 分 為 兩 部 分 。 進(jìn)氨冷器組分含兩部分， F1和 F5，即 F17=F1 + F5=2642 kmolh1 令其過程損失的熱量為輸入的 ％ 故進(jìn)口氣體帶入熱量 Q11=19991043(％ ) =18991491 kJK)1 Q12 = ,2 = = 18361253 kJK)1 Tc = ℃ = K Pc = Mpa = atm 表 47 不同溫度時(shí)的 Tbr和 I T(℃ ) 33 1 23 Tbr I(KJ/Kg) 1411 Tbr = T/TC ∴△ INH3 = INH3(27℃ )INH3(33℃ )= 1411 = kJ ⒍ 氨冷器冷凍量的計(jì)算： 襄樊學(xué)院 2021屆學(xué)士學(xué)位設(shè)計(jì) （ 論文 ） 報(bào)告紙 23 氨冷器用 33 ℃ 的液氨為冷凝液，其流量為 F15，令其氣液混合溫度約為 1℃ ，則有： △ I△ NH3(1 ℃ )I△ NH3(33 ℃ ) = = kJh1) 氣體帶入熱量 Q11 18991491 氣體帶出熱量 Q12 18361253 氨冷凝時(shí)放出熱量 Q14 686870 冷凝的液氨氣體帶出熱量 Q13 小 計(jì) 19678361 積累量 熱損失 小 計(jì) 對(duì)冷凝塔作熱量衡 算 已知 F6 = kmol 假設(shè)冷凝塔出口的溫度為 t22=25 ℃ ,t16=47℃ ,t11=23 ℃ F16 = 928 kmolh1 ⒊ 經(jīng)冷凝塔往氨冷器帶出的熱量 Q23(t=23℃ ) F16 = 928 kmolh1 ⒋ . 經(jīng)冷凝塔往合成塔氣體帶出的熱量 Q24 令 t = 25℃ ,(25℃ ) = kJh1 ∴ 氣體的溫度 t = Q24/ = () = ≈ 25 ℃ 這與假設(shè)的溫度一致，故滿足要求 t = 25 ℃ 表 410 冷凝器熱量平衡匯總表 收 方 (kJ(molh1 ⒋ 補(bǔ)充氣 F2的熱量 Q34 ℃ = 78％ +21％ = ∴ Q34 = ℃ t 補(bǔ) = 44(25+)= kJmol1 3H2 + N2 —→ 2NH 3 kJh1 ⒍ 令合成塔的熱損失為 5％，即 Q 損 = 5％ Q 總 [Q32+Q33+Q34+Q35] = Q31 + Q 損 [Q32+Q33+Q34+Q35](15％ ) = Q31 [(2615F8)10222+7275F8++] = 39212809/ 2947F8 = 1722480 F8 = kmolh1) 由氣 —?dú)鈸Q熱器進(jìn)入合成塔氣體熱量 Q32 20760882 從合成塔出來的氣體帶出的熱量 Q31 39212809 由冷凝塔直接帶進(jìn)的熱量 Q33 10％合成塔的熱損失 補(bǔ)充氣 F2的熱量 Q34 小 計(jì) H2與 N2合成放出的熱量 Q35 小 計(jì) 襄樊學(xué)院 2021屆學(xué)士學(xué)位設(shè)計(jì) （ 論文 ） 報(bào)告紙 27 對(duì)廢鍋?zhàn)鳠崃亢馑? ⒈ 合成塔進(jìn)廢鍋氣體帶進(jìn)熱量 Q41 Q41 = Q31 = 39212809 kJK)1 ∴ Q42 = ℃ T12 = 1758(220+) = kJkg1 由熱平衡 △ Q = X(I2I1) X = △ Q/(I2I1) = () = kgh1) 支 方 (kJK)1 Q51 = ℃ t9 = 2031(+25)= kJh1 ⒋ 由氣 —?dú)鈸Q熱器出來所 帶熱量 Q54 由熱平衡 Q 得 Q51+Q53 = Q52+Q54 襄樊學(xué)院 2021屆學(xué)士學(xué)位設(shè)計(jì) （ 論文 ） 報(bào)告紙 29 Q54 = Q51+Q53Q52 = + = ∵ F13 = 1758 kmolh1) 支方 (kJh1 ⒊ 熱氣體帶出熱量 Q62 F14 = F3+F15 = 183+928 = 1111 kmolh1 ⒋ 液氨帶出熱量 Q63 查 35℃ 液氨比熱容 Cpl= kJh1 冷卻水出口帶出熱量 Q 出 = 120100065 = 32604000 kJh1 ⒉ 由分離器帶出往去氫回收車間的熱量 Q72 Q72 = = 183(+35) = kJh1) 支 方 (kJh1 ⒋ 氨分離器液氨帶入熱量 Q74等于液氨帶出熱量 Q75 Q74 = Q75 = Q63 = kJh1) 支方 (kJh1 ⒌ 水冷器熱負(fù)荷 △ Q △ Q = Q61+Q 冷 Q62Q 液 = + = kJ(kmolh1 ⒉ 氨冷凝熱 Q 冷 查《小氮肥工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)》表 101 得 35℃ 時(shí)氨冷凝熱 I= kJ ⒌ 氣 —?dú)鈸Q熱器的熱負(fù)荷 △ Q = Q53Q54 = Q52Q51= = kJh1 Q52 = Q32 = 20760882 kJh1 ,YH2,9,10 = ％ ,YNH3,9,10 = ％ YN2,9,10 = ％ ， YO2,9,10 = ％ ,YAr,9,10 = ％ 表 415 氣 —?dú)鈸Q熱器中的氣體在不同溫度下的 因子 物料 a b103 c107 25℃ 144℃ H2 NH3 N2 O2 ⒈ 由冷凝塔進(jìn)氣 —?dú)鈸Q熱器的熱量 Q51 ℃ = ％ +％ +％ + ％ = kJh1 蒸汽帶入熱量 Q 蒸 = = kJh1 ⒋ 脫氧量計(jì)算 設(shè)廢鍋加入脫氧水溫度 t=30 ℃ ,壓力 P= MPa,副產(chǎn) MPa 的蒸汽需脫氧水量計(jì)算 X 查得脫氧水焓 I1 = kJh1, YH2,12 = ％ YNH3,12 = ％ ,YN2,12 = ％ , YO2,12 = ％ , YAr,12 = ％ 表 413 220℃ 時(shí)氣體出廢鍋的 因子 物料 a b103 c107 220℃ H2 NH3 N2 O2 ℃ = ％ +％ +％ + ％ = kJh1 表 412 合成塔熱量平衡匯總表 收 方 (kJmol1 647 kmolkmol1 P ── 壓力 atm T ── 溫度 K 令合成塔的工作壓力為 30 MPa=296 atm,溫度為 500℃ = K, 代入式子可得： △ HF = Kcal/Kmol = 56207 kJh1 ⒉ 由氣 —?dú)鈸Q熱器進(jìn)入合成塔氣體熱量 Q32 F10 = F9 = F8 = ％ +％ +％ +％ = 26 Q32 = () t10 = ()(+120) = ()10222 = 20760882 kJh1) 氣體帶入冷凝塔的熱量Q21 18361253 經(jīng)冷凝塔往氨冷器帶出的熱量 Q23(t=23℃ ) 7879296 從循環(huán)機(jī)往氨冷器氣體帶入的熱量 Q22 經(jīng)冷凝塔往合成塔氣體 帶出的熱量 Q24 小 計(jì) 小 計(jì) 對(duì)合成塔作熱量衡算 ∵ F7 = F8+F9 , YH2,7,8,9 = ％ , YNH3,7,8,9 = ％ ,YN2,7,8,9 = ％ , YO2,7,8,9