【正文】 1)=105()/=設(shè)冷激后溫度降為380℃，查表得Cpk2,`=(Kmol.℃)出塔氣摩爾流量：Mk,2= 已知冷激氣溫度：tk,0=℃，查得Cpk,0= KJ/(Kmol.℃)據(jù)MknCpk,n平tk,n+Mk,0+Cpk,0 tk,0=tk,n`Cpk,n`(Mkn+Mk0)代入數(shù)據(jù)+ Mk,0=380(Mk,0+)解得冷激氣量：Mk,0＝冷激后氨含量：yNH3,n`=(MknyNH3,n+Mk0yNH3,0)/(Mkn+Mk0)yNH3,2`=(+)/(+)=③第三段絕熱層溫度分布計算（n=3）,首先假定催化劑層溫度tk,0=485℃由出第二段氣體溫度，tk,2=℃：第一段平均溫度，t平k,31=(tk,3+tk,2)/2=(485+)/2=℃由t平k,1=℃，yNH3,2= 查得，C平pk,3=(Kmol.℃)，⊿HT3=65437KJ/KmolNH3由聯(lián)立方程式，A3=⊿Vk/V03=(1/rNH3)平n/Ef=(y186。NH3,0)/Ef =105()/=105()/m3與假定第一段常數(shù)A1相符，故假定溫度求tk,1=447℃正確。NH3,1=()=,1(反算tk,1)，由A106催化劑活性曲線查(1/rNH3)1，(1/rNH3)2當(dāng)tk,0=412℃，y186。NH3,0/(1+y186。NH3,0)=+ y186。NH3,1)=⊿M1/V01+y186。NH3,0)式中 ⊿Vk—表示第n1段至n段催化劑用量 V01—為入塔氨分解基無惰性氣體體積流量 Ef—為催化劑活性系數(shù)y186。本設(shè)計采用“近似計算法”進行設(shè)計。所以對于排放出去的廢水必須經(jīng)脫氨處理并達到一定標(biāo)準(zhǔn)后才能向外排放?？梢岳谜羝闊岬男问綖樵O(shè)備提供熱量以保證設(shè)備在正常工作的溫度范圍內(nèi)工作。 在合成氨的合成氨工段，本設(shè)計采用原料氣循環(huán)利用的原則，以充分的利用每一份原料，對于循環(huán)過程中的放空氣以及馳放氣，采用膜分離提氫裝置，將這部分廢氣中的有效組分氫氣提取出來在作為原料氣進入循環(huán)管網(wǎng)用以生產(chǎn)氨。另外，氨反應(yīng)所需熱量由煤或者其他礦物質(zhì)的燃燒供熱，而礦物質(zhì)的燃燒又伴隨著大量的CO、CO氮氧化物以及煙塵等大氣污染氣體的生成，從而對環(huán)境造成污染。表235 各組分含量，分壓及比熱容組分NH3H2N2CH4Ar氣體含量各組分分壓/MpaCp（KJ/(Kmol℃)）Cp11=(Kmol℃)熱氣體帶出熱量：Q11=V11Cp11t11=35=(4)液氨帶出熱量查35 ℃液氨比熱容,CpL=(kmol℃)Q液=V11L/MCpLt11=35=(5) 冷卻水量計算設(shè)需要冷卻水量為W,冷卻上水ta=30℃ ,冷卻下水tb=38℃,取冷卻水比熱容CpL=則冷卻水吸收量為：ΔQ=Q進Q出=(Q10+Q冷)(Q11+Q液)=ΔQ=WCp(tbta)1000所以， W=ΔQ/(1000Cp(tbta)) =(1000(3830))= 冷卻上水帶入熱量：Q上水=100030=冷卻下水帶入熱量：Q下水=ΔQ+Q上水=+=將水冷器熱量匯入表236。表232 廢熱鍋爐熱量匯總表入口出口管內(nèi)熱氣帶入熱量管內(nèi)熱氣帶出熱量軟水帶入熱量蒸汽帶出熱量總Q進總Q出 熱交換器熱量核算（1）冷氣體帶入熱量Q6由合成塔熱平衡計算，Q6=（2）熱氣體帶入熱量Q9由廢熱鍋爐熱平衡計算，Q9=（3）冷氣體帶出熱量Q7由合成塔熱平衡計算，Q7= kJ/tNH3（4）熱氣體出口溫度計算Q6+Q9=Q7+Q10熱平衡得 Q10=Q6+Q9Q7=+=Q10=V10Cp10t10所以，t10=Q10/V10/Cp10=設(shè)t5=60℃ P=?！嗪铣伤怏w二次入口帶入熱量。表227 各組分含量，分壓及比熱容組分NH3H2N2CH4Ar氣體含量各組分分壓/MpaCp（KJ/(Kmol℃)）Cp=(Kmol℃)Q6==(7) 合成塔二出氣體帶出熱量Q8當(dāng)t=365℃ P=，見表228。表226 循環(huán)機進出熱量匯總?cè)肟诔隹跉怏w帶入熱量氣體帶出熱量壓縮熱總Q入總Q出 合成塔熱量核算(1) 環(huán)隙溫升t2計算(2) 設(shè)合成塔環(huán)隙高度高度h=，由經(jīng)驗公式知，℃計，則合成塔一出溫度t2為，t2=t1+=36+14=℃?；旌虾蟀崩淦魅肟跓釟鉁囟?0℃(6) 氣體帶出熱量Q2 由冷交換器熱量計算Q2= kJ/tNH3(7) 氣體中液氨帶出熱量Q2L由冷交換器熱量計算Q2L=(8) 液氨蒸發(fā)吸收熱量Q吸 （冷凍量）由熱平衡計算：Q吸=Q入(Q2+Q2L)=++=查25℃液氨焓INH3L=（由液氨儲槽來）15℃蒸發(fā)蒸氣，INH3=ΔINH3=INH3INH3L==（9） 冷凍量計算 W=Q吸/ΔINH3=將氨冷器進出熱量匯總，見表223。表220 各組分含量，分壓及比熱容組分NH3H2N2CH4Ar氣體含量各組分分壓/MpaCp（KJ/(Kmol℃)）Cp5=++++=(Kmol℃)t5=℃(11) 冷交換器熱量負荷計算ΔQ放=（管內(nèi)熱氣帶入熱+管內(nèi)液氨冷凝熱）（管內(nèi)熱氣帶出熱+管內(nèi)液氨帶出熱） =(+)(+) = 氨冷器熱量核算(1) 氣體帶入熱量Q3由冷交換器計算計算的Q3= KJ/tNH3(2) 氣體中液氨帶入熱量Q3L由冷交換器熱量計算得： Q3L= KJ/tNH3(3) 氨冷器中氣氨冷凝熱查10℃氣氨冷凝熱（《小氮肥廠工藝設(shè)計手冊》。 由《物理化學(xué)》[7]查t=35℃，P=30MPa時的各組分比熱容，見表217。 由前計算數(shù)據(jù)如下表214。21,H2= 100﹪=% 入口液體中氮氣含量 x180。(21,i)=L21,i/L21 入口液體中氨含量， x180。表211 各組分的平衡常數(shù)[6]KNH3KCH4KArKH2KN2170540575620根據(jù)氣液平衡L(i)= z21,i/[1+(V/L)Ki]，設(shè)(V/L)=，代入上式得：出口液體氨含量：LNH3=z21,NH3/[(1+(V/L)kNH3]=(1+)=出口液體甲烷含量：LCH4=z21,CH4/[ 1+(V/L)kCH4]=(1+170)= Kmol出口液體氬含量：LAr=z21,Ar/[ 1+(V/L)kAr]=(1+540)=出口液體氫氣含量：LH2=z21,H2/[ 1+(V/L)kH2]=(1+575)= Kmol出口液體氮氣含量：LN2=z21,N2/[ 1+(V/L)kN2]=(1+620)= Kmol所以得，L(總)=,V==則，(V/L) `=V/L=,誤差 =()/=%，假定正確。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)。表26 氨分離器出口液體含量/%組分NH3H2N2CH4Ar總計xi,15/% 分離氣體組分含量： 氣體氨含量： y12,NH3=[mNH3－LNH3]/V=% 同理有：y12，CH4=%y12，H2=%y12，N2=%y12，Ar=%將分離氣體組分含量歸入表27。表22 入塔氣組分含量/%組分NH3H2N2CH4Ar總計含量/% （2） 合成塔出口氣組分以1000kmol入塔氣作為基準(zhǔn)求出塔氣組分，由下式計算塔內(nèi)生成氨含量[6]： 出塔氣量： M8=入塔氣量－生成氨氣量=1000－= 出塔氨含量：y8，NH3=%出塔甲烷含量： 出塔氬含量：出塔氫含量：出塔氮含量：將出塔氣體組分歸入表23。 13——放空氣。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)。第 63 頁 共 63 頁2 工藝計算 生產(chǎn)流程簡述放空新鮮氣弛放氨分離器水冷器熱交換器合成塔廢熱鍋爐油分離器循環(huán)機冷交換器液氨儲槽氨冷器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。特別是近年來因地球氣候日益變暖而提出的對溫室效應(yīng)的控制，將會對二氧化碳的排放加以嚴格限制。目前工業(yè)上采用的原料氣主要分為三種：固體原料（焦炭、無煙煤、褐煤等）、液體原料（重油、原油、輕油等）、氣體原料（天然氣、油田氣、焦?fàn)t氣、煉廠氣等）[5]。 國內(nèi)合成氨工業(yè)的發(fā)展趨勢合成氨工業(yè)的迅速發(fā)展促進了一系列科學(xué)技術(shù)和近代化學(xué)合成工業(yè)的發(fā)展。經(jīng)過50多年的努力，我國已擁有多種原料、不同流程的大、中、小型合成氨工廠550余個。建國以來，基于農(nóng)業(yè)的迫切需要，我國的合成氨工業(yè)得到了快速發(fā)展。中國開發(fā)的用氨水脫除二氧化碳直接制碳酸氫銨新工藝，以及中國、意大利等國開發(fā)的變換氣氣提法聯(lián)合生產(chǎn)尿素工藝，都有明顯的優(yōu)點。合成氨成本中能源費用占較大比重，合成氨生產(chǎn)的技術(shù)改進重點放在采用低能耗工藝、充分回收及合理利用能量上，主要方向是研制性能更好的催化劑、降低氨合成壓力、開發(fā)新的原料氣凈化方法、降低燃料消耗、回收和合理利用低位熱能等。1981年，世界以天然氣制氨的比例約占71%，%、美國為96%、荷蘭為100%；中國仍以煤、焦炭為主要原料制氨,天然氣制氨僅占20%。近年，合成氨產(chǎn)量以蘇聯(lián)、中國、美國、印度等十國最高，占世界總產(chǎn)量的一半以上。原料氣凈化方法的革新及合成塔的改造等，但工藝路線沒有大的變化。1901年法國物理化學(xué)家呂 合成氨的發(fā)展歷史 氨氣的發(fā)現(xiàn)十七世紀(jì)30年代末英國的牧師、化學(xué)家 （HaLes，1677～1761）,用氯化銨與石灰的混合物在以水封閉的曲頸瓶中加熱，只見水被吸入瓶中而不見氣體放出，1774年化學(xué)家普利斯德里重做該實驗，用汞代替水來密封，制得了堿空氣（氨），并且他還研究發(fā)現(xiàn)了氨的性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)氨極易溶于水、可以燃燒，還發(fā)現(xiàn)該氣體通以電火花時其容積增加，而且分解為兩種氣體：H2和N2，（Davy，1778～1829）等化學(xué)家繼續(xù)研究，進一步證明了2體積的氨通過電火花放電后，分解為1體積的氮氣和3體積的氫氣[2]。氨的化學(xué)性質(zhì)比較活潑，能與酸反應(yīng)生成鹽，如與鹽酸反應(yīng)生成氯化銨；與磷酸反應(yīng)生成磷酸銨；與硝酸反應(yīng)生成硝酸銨；與二氧化碳反應(yīng)生成甲基甲酸銨，脫水后生成尿素等等。氨在常溫加壓易液化，稱為液氨。氨的主要物理性質(zhì)見表01。濃氨水氨含量為28% ~ 29%。氨還可以做冷凍，冷藏系統(tǒng)的制冷劑。19世紀(jì)末，隨著化學(xué)熱力學(xué)、動力學(xué)和催化劑等領(lǐng)域取得一定進展后，對合成氨反應(yīng)的研究有了新的進展。合成氨也隨之工業(yè)化，在以后的生產(chǎn)過程中，人們對合成氨的生產(chǎn)工藝進行了不斷改進和完善，如變換工藝的改進。1982年，世界合成氨的生產(chǎn)能力為125Mt氨,但因原料供應(yīng)、市場需求的變化，合成氨的產(chǎn)量遠比生產(chǎn)能力要低。合成氨主要原料有天然氣、石腦油、重質(zhì)油和煤等。從世界燃料儲量來看，煤的儲量約為石油、天然氣總和的10倍，自從70年代中東石油漲價后，從煤制氨路線重新受到重視,但因以天然氣為原料的合成氨裝置投資低、能耗低、成本低的緣故，預(yù)計到20世紀(jì)末，世界大多數(shù)合成氨廠仍將以氣體燃料為主要原料。如果在合成氨原料氣脫除二氧化碳過程中能聯(lián)合生產(chǎn)這些產(chǎn)品，則可以簡化流程、減少能耗、降低成本。中國的合成氨工業(yè)是在20世紀(jì)30年代開始的，當(dāng)時僅在南京和大連兩地建有規(guī)模不大的兩個合成氨工廠，此外在上海還有 一個電解水制氫生產(chǎn)合成氨的小型車間，全國年產(chǎn)量不到1萬噸。具有因地制宜特點的我國小型合成氨工業(yè)，經(jīng)過多年的改進，工藝日趨完善，能耗也有明顯降低。1994年中國氨產(chǎn)量達到2442萬噸，2005年中國氨產(chǎn)量為4596萬噸，2007年中國合成氨產(chǎn)量已超過5000萬噸，從1994年后中國合成氨產(chǎn)量位列世界第一[4]。合成氨生產(chǎn)包括三個主要步驟：第一步是制造含氮和氫的原料氣；第二步是將原料氣進行凈化處理，以除去各種雜質(zhì)和有毒成分，從而獲得純凈的氮氫混合氣體；第三步是氨的合成。過去被合成氨工業(yè)認為沒有太多困難的環(huán)境保護問題，由于對污染控制變得日益嚴格，一些認為已經(jīng)解決的問題，現(xiàn)在又得重新加以評價。 氨的合成是全工段的中樞，是合成氨廠的最后一道工序，它的任務(wù)是在一定溫度、壓力及催化劑存在的條件下，由凈化工段過來的合成氣（N2+H2）進入合成塔在催化劑的作用下開始氨的合成，其后便是液氣分離，得到液氨產(chǎn)品和未反應(yīng)的氣體做循環(huán)氣使用，氨合成的反應(yīng)的化學(xué)方程式是： 由反應(yīng)方程式可以看出氨的合成具有如下幾個特點：①可逆反應(yīng) ② 放熱反應(yīng) ③ 體積縮小的反應(yīng) ④ 反應(yīng)需要有催化劑才能較快的進行故對于這次畢業(yè)設(shè)計的主要環(huán)節(jié)包括：(1) 對合成氨工段的工藝資料進行綜合整理； (2) 合成工段中各個反應(yīng)設(shè)備的物料衡算和熱量衡算，包括合成塔、水冷器