【正文】 Cp5=(Kmol℃ ) T5=℃ 誤差 =()/=% 假設(shè)成立 （ 5）熱交換器熱負(fù)荷 Δ Q=Q2Q1=Q5Q4==表 434 熱交換器熱量匯總表 入 冷氣帶入熱量 冷氣帶出熱量 熱氣帶入熱量 熱氣帶出熱量 35 總 Q進(jìn) 總 Q出 水冷器熱量計(jì)算 由題知 ,水冷器出口熱氣體溫度 t2=35℃ ,設(shè)氣體先冷卻至 35℃后 ,氨再冷凝。所以 Q1=Q4=（ 4） 氣體反應(yīng)熱 QR 設(shè)合成塔二出溫度 370℃，假定氣體在塔內(nèi)先溫升到出口溫度后再進(jìn)行氨合 成反應(yīng)。 即 V8=V9=V10= m3 水冷器物料計(jì)算 進(jìn)器物料：水冷器進(jìn)氣物料等于熱交換器出口物料，即 V10入 = m3 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(jì)算得氣液比(V/L)=,有如下方程 : V11出 /L11出 =(V/L)= ┉┉┉┉┉┉① V11出 +L11出 =L10入 = ┉┉┉┉┉┉② 將 V11出 = 帶入②得 : L11出 = m3 V11出 = m3 出口氣體組分由 V11i=V11出 y11i得 : 其中， NH3 V11NH3= %= CH4 V11CH4= % = Ar V11Ar= % = H2 V11H2= % = N2 V11N2= % = 出 口液體各組分由 L11i=V8iV11i 其中， NH3 L11NH3= = CH4 L11CH4= = Ar L11Ar= = H2 L11H2= = N2 L11N2= = 氨分離器物料計(jì)算 進(jìn)器物料：氨分離器進(jìn)器總物料等于水 冷器出口氣液混合物總物料 即 V11=V11出 +L11出 = + = m3 出器物料：氣液混合物在器內(nèi)進(jìn)行分離，分別得到氣體和液體 出器氣體 V12＝ V11出 ＝ m3，出器液體 L15＝ L11出 ＝ m3 氨分離器出口氣體放空 V13= m3 20 其中， NH3 V13NH3= % = CH4 V13CH4= % = Ar V13Ar= % = H2 V13H2= % = N2 V13N2= % = 冷交換器物料計(jì)算 進(jìn)器物料：進(jìn)器物料等于氨分離器出口氣體物料減去放空氣量 V14=V12V13= = m3 其中， NH3 V14NH3= % = m3 CH4 V14CH4= % = m3 Ar V14Ar= %= m3 H2 V14H2= % = m3 N2 V14N2= % = m3 出器物料（熱氣）： 設(shè)熱氣出口溫度 17℃ 查 t=17℃ ,P= 氣相平衡氨含量 y NH3=﹪，計(jì)算熱氣出口冷凝液氨時(shí)，忽略溶解在液氨中的氣體。 18 圖 42 系統(tǒng)示意圖 由前計(jì)算數(shù)據(jù)如下表： 表 415 各組分的含量 名稱 NH3 CH4 Ar H2 N2 氣量 補(bǔ) 充氣 V 補(bǔ) 放空氣 V 放 弛放氣 液氨 入塔氣 V 入 出塔氣 V 出 根據(jù)物料平衡和元素組分平衡求 V 補(bǔ) ,V 放 ,V 入 ,V 出 ： 循環(huán)回路中氫平衡： V 補(bǔ) yH2補(bǔ) =V 放 yH2放 ＋ V 弛 yH2弛 +3/2V 放 yNH3放 +3/2V 弛 yNH3弛 +3/2LNH3 ┉┉┉┉┉┉① 循環(huán)回路中氮平衡 : V 補(bǔ) yN2補(bǔ) =V 放 yN2放 ＋ V 弛 yN2弛 +1/2V 放 yNH3放 +1/2V 弛 yNH3弛 +1/2LNH3 ┉┉┉┉┉┉② 循環(huán)回路中惰性氣體平衡 : V 補(bǔ) (yCH4放 +yAr放 )=V 弛 (yCH4放 +yAr放 )+V 弛 (yCH4弛 +yAr弛 ) V 補(bǔ) (+)=V 放 (+)+(+) V 補(bǔ) = 放 + ┉┉┉┉┉┉③ 循環(huán)回路中惰性氣體平衡 :V 出 yNH3V 入 yNH3入 =V 放 y 放 +V 弛 y NH3弛 +LNH3 出 入 = 放 + ┉┉┉┉┉┉④ 循環(huán)回路中總物料體平衡 : V 入 =V 出 + V 補(bǔ) V 放 V 弛 LNH3= V 出 + V 補(bǔ) － V 放= V 出 + V 補(bǔ) － V 放 ┉┉┉┉┉┉⑤ 聯(lián)立①②③④⑤各式解得： V 放 = m３ 。(0H2)= 100﹪ =% 入口液體中氮?dú)夂? m180。(0i)=L(21i)/L(21): 入口液體中氨含量 m180。兩種液體百分比估算值，即水冷后分離液氨占總量的白分?jǐn)?shù)。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(lái)經(jīng)過(guò)新鮮氣濾油器的新鮮氣氫氣、氮?dú)鈺?huì)合進(jìn)入氨冷器，被液氨蒸發(fā)冷凝到 5～ 10℃，被冷凝的氣體再次進(jìn)入冷交，在冷交下部氣液分離，液氨送往氨庫(kù)氣體與熱氣體換熱后再次出塔，進(jìn)入合成塔再次循環(huán)。 3 生產(chǎn)流程簡(jiǎn)述 氣體從冷交換器出口分二路、一路作為近路、一路進(jìn)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(jìn)入氣氣換熱器冷氣入口，通過(guò)管間并與殼內(nèi)熱氣體換熱。 合成反應(yīng)熱回收是必需的 , 是節(jié)能的主要方式之一。氨合成壓力高對(duì)合 成反應(yīng)有利 , 但能耗高。目前大型合成氨廠一般采用這種方法回收熱量。目前一般采用外置式，該法熱量回收比較完全，同時(shí)得到了副產(chǎn)蒸汽，目前中型氮廠應(yīng)用較多。目前小型氨廠及部分中型氨廠采用此法回收利用反應(yīng)熱。 (6)反應(yīng)熱的回收利用 氨的合成反應(yīng)是放熱反應(yīng)，必須回收利用這部分反應(yīng)熱。放空氣中的氨可用水吸收法或冷凝法加以回收，其余的 氣體一股可用作燃料。 循環(huán)機(jī)進(jìn)出口壓差約為 20～ 30 大氣壓，它表示了整個(gè)合成循環(huán)系統(tǒng)阻力降的大小。 (4)氣體的循環(huán) 氫氮混合氣經(jīng)過(guò)氨合成塔以后，只有一小部分合成為氨。以水和氨冷卻氣體的過(guò)程是在水冷器和氨冷 器中進(jìn)行的。在開(kāi)工或反應(yīng)不能自熱時(shí)，可利用塔內(nèi)電加熱爐或塔外加熱爐供給熱量。除油的方法是壓縮機(jī)每段出口處設(shè)置油分離器，并在氨合成系統(tǒng)設(shè)置濾油器。 由于采用壓縮機(jī)的型式、氨分冷凝級(jí)數(shù)、熱能回收形式以及各部分相對(duì)位置的差異，而形成不同的工業(yè)生產(chǎn)流程 ，但實(shí)現(xiàn)氨合成過(guò)程的基本工藝步驟是相同的。但是，只要我們能充分認(rèn)識(shí)這一客觀規(guī)律并掌握這一客觀規(guī)律就能做到安全生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)。未合成為氨的氫氮混合氣體繼續(xù)在合成系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)使用。 要減少?gòu)U水和工藝?yán)淠褐械?COD 的排放，可改進(jìn)生產(chǎn)工藝，使廢水排放減少，建設(shè)特生化處理裝置，進(jìn)行廢水處理，使廢水中的 COD 含量達(dá)到國(guó)家控制標(biāo)準(zhǔn) [6]。對(duì)于成品氨罐放空的氣態(tài) NH3 可引入冰機(jī)中進(jìn)行加壓冷凝，不僅回收了 NH3，同時(shí)也不會(huì)造成環(huán)境的污染 [3]。 合成氨生產(chǎn)中合成工段經(jīng)常接觸的液體毒物有液氨、氨水等。如在氨氣濃度不大的環(huán)境中，停留時(shí)間不長(zhǎng)，而且能及時(shí)離開(kāi)環(huán)境，到空氣新鮮的地方去，上述的癥狀可漸漸消失。 氨氣和液氨 氨氣是一種 具有強(qiáng)烈刺激臭味的無(wú)色氣體 , 易被液化成藍(lán)色液體。硫化物是各種催化劑的毒物，硫化氫能腐蝕設(shè)備管道。為過(guò)分降低冷凝溫度而過(guò)多地增加氨冷負(fù)荷在經(jīng)濟(jì)上也并不可取。由于原料氣制備與凈化方法不同，新鮮氣中惰性氣體含量也各個(gè)相同，循環(huán)氣中所控制的惰性氣體含量也有差異。惰性氣體的存在，無(wú)論從化學(xué)平衡還是動(dòng)力學(xué)上考慮均屬有弊。 主要原料規(guī)格 (1) 合成塔進(jìn)口氣體組成 合成塔進(jìn)口氣體組成包括氫氮比、惰性氣體含量與初始氨含量。 氮?dú)鈦?lái)源于空氣，可以在低溫下將空氣液化、分離而得，或者在制氫過(guò)程中直接加入空氣來(lái)解決。又因操作壓力低，氨的合成效率低，分離較困難，流程復(fù)雜。因此，本次設(shè)計(jì)選用 32MPa 壓力的合成氨流程。因?yàn)楹铣蓧毫Φ拇_定，不外乎從設(shè)備投資和壓縮功耗這兩方面來(lái)考慮。但因?yàn)楹铣尚矢?，放出的熱量多，催化劑溫度高，易過(guò)熱而失去活性，所以催化劑的使用壽命較短。工業(yè)上合成氨的各種工藝流程一般以壓力的高低來(lái)分類 [3]。當(dāng)今走老廠改造擴(kuò)建的道路 ,可使投資節(jié)省 1/2— 2/3。因此 ,我國(guó)現(xiàn)有眾多的化肥生產(chǎn)裝置應(yīng)成為改造擴(kuò)建增產(chǎn)的基礎(chǔ)。合成氨工業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中舉足輕重。我國(guó) 1996 年合成氨產(chǎn)量已達(dá) ,專家預(yù)測(cè) 2020 年將達(dá) 36Mt,2020 年將增加至 45Mt。所以合成氨工業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有十分重要的地位，氨及氨加工工業(yè)已成為現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的一個(gè)重要部門(mén) [4]。現(xiàn)代國(guó)防工業(yè)和尖端技術(shù)也都與氨合成工業(yè)有密切關(guān)系，如生產(chǎn)火箭的推進(jìn)劑 和氧化劑，同樣也離不開(kāi)氨。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(guó)家已大量使用液氨?；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(yīng)用最廣泛的一種化學(xué)肥料，其生產(chǎn)規(guī)模、技術(shù)裝備水平、產(chǎn)品數(shù)量，都居于化肥工業(yè)之首，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有極其重要的地位。氨與空氣或氧按一定比例混合后，遇明火能引起爆炸。因此，用水噴淋處理跑氨事故，能收到較好的效果 [2]。 設(shè)計(jì)的產(chǎn)品的性能、用途及市場(chǎng)需要 (1) 氨的物化性能 合成氨的化學(xué)名稱為氨，氮含量為 %。 3. 繪制帶控制點(diǎn)的工藝流程圖 （ PID） 。 提高生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性 ,延長(zhǎng)運(yùn)行周期是未來(lái)合成氨裝置“改善經(jīng)濟(jì)性、增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力”的必要保證。 開(kāi)發(fā)低壓、高活性合成催化劑 , 實(shí)現(xiàn)“等壓合成”。根據(jù)合成氨技術(shù)發(fā)展的情況分析 , 未來(lái)合成氨的基本生產(chǎn)原理將不會(huì)出現(xiàn)原則性的改變 , 其技術(shù)發(fā)展將會(huì)繼續(xù)緊密圍繞“降低生產(chǎn)成本、提高運(yùn)行周期 , 改善經(jīng)濟(jì)性”的基本目標(biāo) , 進(jìn)一步集中在“大型化、低能耗、結(jié)構(gòu)調(diào)整、清潔生產(chǎn)、長(zhǎng)周期運(yùn)行”等方面進(jìn)行技術(shù)的研究開(kāi)發(fā) [1]。 1 年產(chǎn) 8 萬(wàn)噸合成氨合成工段設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 1 總論 氨是最為重要的基礎(chǔ)化工產(chǎn)品之一，其產(chǎn)量居各種化工產(chǎn)品的首位 。 世界合成氨技 術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了傳統(tǒng)型蒸汽轉(zhuǎn)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(gè)階段。氨合成工藝單元主要以增加氨合成轉(zhuǎn)化率 (提高氨凈值 ) ,降低合成壓力、減小合成回路壓降、合理利用能量為主，開(kāi)發(fā)氣體分布更加均勻、阻力更小、結(jié)構(gòu)更加合理的合成塔及其內(nèi)件 。生產(chǎn) 過(guò)程中不生成或很少生成副產(chǎn)物、廢物 ,實(shí)現(xiàn)或接近“零排放”的清潔生產(chǎn)技術(shù)將日趨成熟和不斷完善。 2. 進(jìn)行化工計(jì)算，包括物料衡算、能量衡算以及設(shè)備選型和計(jì)算。 6. 撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。極易溶于水，常溫（ 20℃）常壓下，一個(gè)體積的水能溶解 600 個(gè)體積的氨；標(biāo)準(zhǔn)狀況下，一個(gè)體積水能溶解 1300 個(gè)體積的氨氨的水溶液稱為氨水，呈強(qiáng)堿性。氨的 自燃點(diǎn)為 630℃，氨在氧中易燃燒，燃燒時(shí)生成藍(lán)色火焰。 (2) 氨的用途 氨是基本化工產(chǎn)品之一，用途很廣。還可以將氨加工制成各種含氮復(fù)合肥料。將氨氧化可以制成硝酸，而硝酸又是生產(chǎn)炸藥、染料等產(chǎn)品的重要原料。同時(shí)，尿素和甲醇的合成、石油加氫、高壓聚合等工業(yè)，也是在合成氨工業(yè)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。其化肥用氨分別占氨產(chǎn) 量的 %和 %。未來(lái)我國(guó)合成氨氮肥的實(shí)物產(chǎn)量將會(huì)超過(guò)石油和鋼鐵。它的發(fā)展將對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展產(chǎn)生重大影響。過(guò)去引進(jìn)建設(shè)一套大型化肥 4 裝置 ,耗資數(shù)十億元。對(duì)于合成系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，液體氨即是它的產(chǎn)品。故流程、設(shè)備都比較緊湊。 (2)中壓法 操作壓力為 20～ 60MPa，溫度 450～ 550℃，其優(yōu)缺點(diǎn)介于高壓法與低壓法之間，目前此法技術(shù)比較成熟，經(jīng)濟(jì)性比較好?？偟膩?lái)看，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。但此法所用催化劑對(duì)毒物很敏感，易中毒，使用壽命短，因此對(duì)原料氣的精制純度要求嚴(yán)格。 設(shè)計(jì)產(chǎn)品所需的主要原料規(guī)格、來(lái)源 5 主要原料來(lái)源 生產(chǎn)合成氨，首先必須制備氫、氮原料氣 ?，F(xiàn)在工業(yè)上普遍采用以焦炭、煤、天然氣、重油等原料與水蒸汽作用的氣化方法。 惰性氣體 (CH Ar)來(lái)源于新鮮原料氣，它們不參與反應(yīng)因而在系統(tǒng)中積累。因此，循環(huán)氣中惰性氣體含量應(yīng)根據(jù)新鮮氣惰性氣體含量、操作壓力、 催化劑活性等條件而定。對(duì)于冷凍法分離氨，初始氨含量與冷凝溫度和系統(tǒng)壓力有關(guān)。雖然原料氣中硫化物含量不高，但對(duì)合成氨生產(chǎn)危害卻很大。 生產(chǎn)中產(chǎn)生有害物質(zhì)和處理措施 6 中小型合成氨廠在生產(chǎn)過(guò)程中，常見(jiàn)的有毒有害物質(zhì)種類很多，多以氣體、蒸氣、霧、粉塵等狀態(tài)存在，其中有毒有害氣體是合成氨生產(chǎn)中最常見(jiàn)的。氨中毒的癥狀首先是服粘膜和呼吸道粘膜受到刺激、胸感抑郁、胃痛、打噴嚏、流口水、周身有不舒服感。因氨有氣味，故較好預(yù)防。 在正常生產(chǎn)過(guò)程中，有很少一部份氣態(tài) NH3 無(wú)法回收，通過(guò)放空火炬燃燒掉就不會(huì)對(duì)環(huán)境造成影響。如果含有 COD 的廢水排 放出去就會(huì)繁衍菌類、藻類，污染水源和土壤，更嚴(yán)重的是會(huì)造成污染滋生源，對(duì)環(huán)境造成更大的破壞。液氨由氨罐進(jìn)入氨冷器