【正文】 Cp5=(Kmol℃ ) T5=℃ 誤差 =()/=% 假設(shè)成立 （ 5）熱交換器熱負荷 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 總 Q出 水冷器熱量計算 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行氨合 成反應(yīng)。 即 V8=V9=V10= m3 水冷器物料計算 進器物料：水冷器進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= = 氨分離器物料計算 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 即 V11=V11出 +L11出 = + = m3 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 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= % = 冷交換器物料計算 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 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=﹪，計算熱氣出口冷凝液氨時，忽略溶解在液氨中的氣體。 18 圖 42 系統(tǒng)示意圖 由前計算數(shù)據(jù)如下表： 表 415 各組分的含量 名稱 NH3 CH4 Ar H2 N2 氣量 補 充氣 V 補 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 ,V 放 ,V 入 ,V 出 ： 循環(huán)回路中氫平衡： V 補 yH2補 =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 yN2補 =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 (yCH4放 +yAr放 )=V 弛 (yCH4放 +yAr放 )+V 弛 (yCH4弛 +yAr弛 ) V 補 (+)=V 放 (+)+(+) V 補 = 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 V 放 V 弛 LNH3= V 出 + V 補 － V 放= V 出 + V 補 － V 放 ┉┉┉┉┉┉⑤ 聯(lián)立①②③④⑤各式解得： V 放 = m３ 。(0H2)= 100﹪ =% 入口液體中氮氣含量 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數(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)冷凝到 5～ 10℃，被冷凝的氣體再次進入冷交，在冷交下部氣液分離，液氨送往氨庫氣體與熱氣體換熱后再次出塔，進入合成塔再次循環(huán)。 3 生產(chǎn)流程簡述 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。 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)機進出口壓差約為 20～ 30 大氣壓，它表示了整個合成循環(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程是在水冷器和氨冷 器中進行的。在開工或反應(yīng)不能自熱時，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。 由于采用壓縮機的型式、氨分冷凝級數(shù)、熱能回收形式以及各部分相對位置的差異，而形成不同的工業(yè)生產(chǎn)流程 ，但實現(xiàn)氨合成過程的基本工藝步驟是相同的。但是，只要我們能充分認識這一客觀規(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。 要減少廢水和工藝冷凝液中的 COD 的排放，可改進生產(chǎn)工藝，使廢水排放減少，建設(shè)特生化處理裝置，進行廢水處理，使廢水中的 COD 含量達到國家控制標準 [6]。對于成品氨罐放空的氣態(tài) NH3 可引入冰機中進行加壓冷凝，不僅回收了 NH3，同時也不會造成環(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，停留時間不長，而且能及時離開環(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 具有強烈刺激臭味的無色氣體 , 易被液化成藍色液體。硫化物是各種催化劑的毒物，硫化氫能腐蝕設(shè)備管道。為過分降低冷凝溫度而過多地增加氨冷負荷在經(jīng)濟上也并不可取。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，無論從化學平衡還是動力學上考慮均屬有弊。 主要原料規(guī)格 (1) 合成塔進口氣體組成 合成塔進口氣體組成包括氫氮比、惰性氣體含量與初始氨含量。 氮氣來源于空氣，可以在低溫下將空氣液化、分離而得，或者在制氫過程中直接加入空氣來解決。又因操作壓力低，氨的合成效率低，分離較困難，流程復雜。因此，本次設(shè)計選用 32MPa 壓力的合成氨流程。因為合成壓力的確定，不外乎從設(shè)備投資和壓縮功耗這兩方面來考慮。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分類 [3]。當今走老廠改造擴建的道路 ,可使投資節(jié)省 1/2— 2/3。因此 ,我國現(xiàn)有眾多的化肥生產(chǎn)裝置應(yīng)成為改造擴建增產(chǎn)的基礎(chǔ)。合成氨工業(yè)在國民經(jīng)濟中舉足輕重。我國 1996 年合成氨產(chǎn)量已達 ,專家預測 2020 年將達 36Mt,2020 年將增加至 45Mt。所以合成氨工業(yè)在國民經(jīng)濟中占有十分重要的地位，氨及氨加工工業(yè)已成為現(xiàn)代化學工業(yè)的一個重要部門 [4]?，F(xiàn)代國防工業(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)火箭的推進劑 和氧化劑，同樣也離不開氨。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，在國民經(jīng)濟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)計的產(chǎn)品的性能、用途及市場需要 (1) 氨的物化性能 合成氨的化學名稱為氨，氮含量為 %。 3. 繪制帶控制點的工藝流程圖 （ PID） 。 提高生產(chǎn)運轉(zhuǎn)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。 開發(fā)低壓、高活性合成催化劑 , 實現(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(shù)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 , 改善經(jīng)濟性”的基本目標 , 進一步集中在“大型化、低能耗、結(jié)構(gòu)調(diào)整、清潔生產(chǎn)、長周期運行”等方面進行技術(shù)的研究開發(fā) [1]。 1 年產(chǎn) 8 萬噸合成氨合成工段設(shè)計 設(shè)計說明書 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(shù)將日趨成熟和不斷完善。 2. 進行化工計算，包括物料衡算、能量衡算以及設(shè)備選型和計算。 6. 撰寫設(shè)計說明書。極易溶于水，常溫（ 20℃）常壓下，一個體積的水能溶解 600 個體積的氨；標準狀況下，一個體積水能溶解 1300 個體積的氨氨的水溶液稱為氨水，呈強堿性。氨的 自燃點為 630℃，氨在氧中易燃燒，燃燒時生成藍色火焰。 (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，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)展起來的。其化肥用氨分別占氨產(chǎn) 量的 %和 %。未來我國合成氨氮肥的實物產(chǎn)量將會超過石油和鋼鐵。它的發(fā)展將對國民經(jīng)濟的發(fā)展產(chǎn)生重大影響。過去引進建設(shè)一套大型化肥 4 裝置 ,耗資數(shù)十億元。對于合成系統(tǒng)來說，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)濟性比較好。總的來看，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。 設(shè)計產(chǎn)品所需的主要原料規(guī)格、來源 5 主要原料來源 生產(chǎn)合成氨，首先必須制備氫、氮原料氣 。現(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)過程中，常見的有毒有害物質(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，故較好預防。 在正常生產(chǎn)過程中，有很少一部份氣態(tài) NH3 無法回收，通過放空火炬燃燒掉就不會對環(huán)境造成影響。如果含有 COD 的廢水排 放出去就會繁衍菌類、藻類，污染水源和土壤，更嚴重的是會造成污染滋生源，對環(huán)境造成更大的破壞。液氨由氨罐進入氨冷器