【正文】 化崗位制取碳酸氫銨；或送硝酸車間制取硝酸和硝銨；或送硫銨車間制取硫酸銨；或?qū)⒁喊彼湍蛩剀囬g制取尿素等。同時， 因生產(chǎn)工藝流程長、連續(xù)性強(qiáng)，設(shè)備長期承受高溫和高壓，還有內(nèi)部介質(zhì)的沖刷、滲透和外部環(huán)境的腐蝕等，各類事故發(fā)生率比較高，尤其是火災(zāi)、爆炸和重大設(shè)備事故經(jīng)常發(fā)生。 氨合成過程的基本工藝步驟 實現(xiàn)氨合成的循環(huán)，必須包括如下幾個步驟 [4]：氮氫原料氣的壓縮并補(bǔ)入循環(huán)系統(tǒng)；循環(huán)氣的預(yù)熱與氨的合成；氨的分離；熱能的回收利用；對未反應(yīng)氣體補(bǔ)充壓力并循環(huán)使用，排放部分循環(huán)氣以維持循環(huán)氣中惰性氣體的平衡等。氣體中所含的油不僅會使氨合成催化劑中毒、而且附著在熱交換器壁上，降低傳熱效率，因此必須清除干凈。在正常操作的情況下，加熱氣體的熱源主 要是利用氨合成時放出的反應(yīng)熱，即在換熱器中反應(yīng)前的氫氮混合氣被反應(yīng)后的高溫氣體預(yù)熱到反應(yīng)溫度。 目前工業(yè)上主要采用冷凝法分離循環(huán)氣中的氨。當(dāng)液氨在貯槽內(nèi)減壓后，溶解的氣體大部分釋放出來，通常稱為“貯罐氣”。為補(bǔ)償這一損失，流程中必須設(shè)置循環(huán)壓縮機(jī)。由此可見，放空的位置應(yīng)該在氨已大部分分離之后，而又在新鮮氣加入之前。這樣，提高了放空氣中惰性氣體含量，從而減少了氫氮氣損失。這種方法簡單，但熱量回收不完全。按副產(chǎn)蒸汽鍋爐安裝位置的不同，可分為塔內(nèi)副產(chǎn)蒸汽合成塔 (內(nèi)置式 )和塔外副產(chǎn)蒸汽合成塔 (外置式 )兩類。此法的優(yōu)點是減少了塔內(nèi)換器的面積，從而減小了塔的體積，同時熱能回收完全。 氨合成工藝選擇主要考慮合成壓力、合成塔結(jié)構(gòu)型式及熱回收方法。由于近來低溫氨催化劑的出現(xiàn) , 可使合成壓力降低。 本次設(shè)計選用中壓法（壓力為 32MPa）合成氨流程，采用 預(yù)熱反應(yīng)前的氫氮混合氣和副產(chǎn)蒸汽的方法回收反應(yīng)熱，塔型選擇見設(shè)備選型部分。在水冷器內(nèi)管被管外的循環(huán)水冷卻后出水冷器，進(jìn)入氨分離器，部分液氨被分離出來，氣體出氨分離器，進(jìn)入透平循環(huán)機(jī)入口，經(jīng)加壓后進(jìn)入循環(huán)氣濾油器出來后進(jìn)入冷交換器熱氣進(jìn)口。 從而可計算出液體中各組分含量： 液體中氨含量： xNH3=LNH3/L= 100％ =％ 液體中氬含量： xAr=LAr/L= IOO％ =％ 液體中甲烷含量： xCH4=LCH4/L= 100％ =％ 液體中氫含量 : xH2=LH2/L= 100％ =％ 液體中氮含量： xN2=LH2/L= 100％ =％ 13 表 47 氨分離器出口液體含量 NH3 CH4 Ar H2 N2 小計 分離氣體組分含量： 氣體氨含量： yNH3=［ mNH3LNH3］ /V=％ 氣體甲烷含量： yCH4=［ mCH4LCH4］ /V=％ 氣體氬含量： yAr=［ mArLAr］ /V=％ 氣體氫含量： yH2=［ mH2LH2］ /V=％ 氣體氮含量： yN2=［ mN2LN2］ /V=％ 表 48 氨分離器出口氣體含量（％） NH3 CH4 Ar H2 N2 小計 冷交換器氣液平衡計算 查 t=10℃ ,p= 的平衡常數(shù)： 表 49 各組分的平衡常數(shù) KNH3 KCH4 KAr KH2 KN2 27 51 75 80 冷交換器出口液體組分含量： 出口液體甲烷含量： xCH4=yCH4/ KCH4=％ 出口液體氨含量： xNH3=yNH3/ KNH3=％ 出口液體氬含量 : xAr=yAr/ KAr=％ 出口液體氫含量 : xH2=yH2/ KH2=％ 出口液體氮含量 : xN2=yN2/ KN2=％ 表 410 冷交換器出口液體組分含量（％） NH3 CH4 Ar H2 N2 小計 液氨貯槽氣液平衡計算 由于氨分離器液體和冷交換器出口分離液體匯合后進(jìn)入液氨貯槽經(jīng)減壓后溶解在液氨中的氣體會解吸，即弛放氣 。 出口液體組分含量： 出口液體氨含量： xNH3=LNH3/L= 100％ =％ 出口液體甲烷含量： xCH4=LCH4/L= 100％ =％ 出口液體氬含量： xAr=LAr/L= 100％ =％ 出口液體氫氣含量： xH2=LH2/L= 100％ =％ 出口液體氮氣含量： xN2=LN2/L= 100％ =％ 15 表 413 液氨貯槽出口液氨組分（％） NH3 CH4 Ar H2 N2 小計 出口弛放氣組分含量： 弛放氣氨含量： yNH3=(M0NH3LNH3)/V=()/ 100％ =％ 弛放氣甲烷含量： yCH4=(M0CH4LCH4)/V=()/ 100％=％ 弛放氣氬含量： yAr=(M0 ArLAr)/V=()/ 100％ =％ 弛放氣氫氣含量： yH2=(M0H2LH2)/V=()/ 100％ =％ 弛放氣氮氣含量： yN2=(M0N2LN2)/V=()/ 100％ =％ 表 414 出口弛放氣組分含量（％） NH3 CH4 Ar H2 N2 小計 100 液氨貯槽物料計算 以液氨貯槽出 口一噸純液氨為基準(zhǔn)折標(biāo)立方米計算液氨貯槽出口液體量 L(19)=1000 ( 17)= 其中 NH3 L(19NH3)=L(19NH3) X(19NH3)= ﹪ = m３ CH4 L(19CH4)=L(19CH4) X(19CH4)= ﹪ = m３ Ar L(19Ar)=L(19Ar) X(19Ar)= ﹪ = m３ H2 L(19H2)=L(19H2) X(19H2)= ﹪ = m３ N2 L(19N2)=L(19N2) X(19N2)= ﹪ = m３ 液氨貯槽出口弛放氣（ V/L） = V(20)= L(19)= = m３ 其中 NH3 V(20NH3)=V(20NH3) y(20NH3)= ﹪ = m３ CH4 V(20CH4)=V(20CH4) y(20CH4)= ﹪ = m３ Ar V(20Ar)=V(20Ar) y(20Ar)= ﹪ = m３ H2 V(20H2)=V(20H2) y(20H2)= ﹪ = m３ N2 V(20N2)=V(20N2) y(20N2)= ﹪ = m３ 液氨貯槽出口總物料 =L(19)+ V(20)=+= m３ 液氨貯槽進(jìn)口液體： 由物料平衡，入槽總物料 =出槽總物料， L(21)=L(19)+V(20)= m３ 入口液體各組分含量計算 :L(21i)= L(19i) + V(20i) 16 其中 NH3 L(21NH3)=+= m３ CH4 L(21CH4)= + = m３ Ar L(21Ar)= + = m３ H2 L(21H2)= += m３ N2 L(21N2)=+ = m３ 入口液體中組分含量核算 ,由 m180。(0Ar)= 100﹪ =﹪ 入口液體中氫氣含量 m180。(0i) 合成系統(tǒng)物料計算 將整個合成看著一個系統(tǒng)，進(jìn)入該系統(tǒng)的物料有新鮮補(bǔ)充氣補(bǔ) V 補(bǔ) ， 離開該系統(tǒng)的物料有放空氣 V 放 ，液氨貯槽弛放氣 V 弛 ，產(chǎn)平液氨 L 氨 。 V 入 = m3 合成塔物料計算 入塔物料： V5= m3 NH3 V5NH3=11422 ﹪ = CH4 V5CH4= ﹪ = Ar V5Ar= ﹪ = H2 V5H2= ﹪ = N2 V5N2= ﹪ = 合成塔一出，二進(jìn)物料，熱交換器，冷氣進(jìn)出物料等于合成塔入塔物料 即 V5=V6=V7= m3 出塔物料 V8= m3 NH3 V8NH3= ﹪ = m3 CH4 V8CH4= ﹪ = m3 Ar V8Ar= ﹪ = m3 H2 V8H2= ﹪ = m3 N2 V8N2= ﹪ = m3 合成塔生成氨含量：Δ VNH3=V8NH3V5NH3 = =3= 沸熱鍋爐進(jìn)出口物料，熱交換 器進(jìn)出口物料等于合成塔出塔物料。表 1011 氨熱力學(xué)性質(zhì)） INH3=Q冷 =L4 17 INH3= 17 =(4) 新鮮氣帶入熱量 Q1 t1=10℃ ,P=,查壓力下各組分氣體比熱容 : 表 421 各組分含量，分壓及比熱容 N2 H2 CH4 Ar 氣體含量 各組分分壓 Cp Cp1= + + + =(Kmol℃ ) 新鮮氣帶入熱 量 Q1=V1Cp1t1= 10 =氨冷器收入總熱量 Q=Q3+Q3L+Q冷 +Q1 =+++ =（ 5）氨冷器入口混合氣溫度 t4計算 由熱平衡 Q4=冷 =V4Cp4t4+V4LCp4Lt4==t4=Q4/V4/(Cp4+Cp4L 17/)=(Cp4+) 設(shè) t4=24℃， P= 查常壓下各組分氣體比熱容 : 表 422 各組分含量，分壓及比熱容 N2 H2 CH4 Ar NH3 氣體含量 各組分分壓 Cp’ Cp4= + + + + =(Kmol℃ ) 查 t=℃時 Cp4L=(Kmol℃ ) 代入 t4=(33171+ )= 與假設(shè)一致 混合后氨冷器入口熱氣溫度 24℃ （ 6）氣體帶出熱量 Q2 由冷交換器熱量計算 Q2=（ 7）氣體中液氨帶出熱量 Q2L由冷交換器熱量計算 Q2L= 28 （ 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) =++= KJ/tNH3 查 25℃液氨焓 INH3L=（由液氨儲槽來） 15℃蒸發(fā)蒸氣 INH3=Δ INH3=INH3INH3L==（ 9） 冷凍量計算 W=Q吸 /Δ INH3= 表 423 氨冷器進(jìn)出熱量匯總表 進(jìn) 出 氣體帶入 Q2 氣體帶出 Q2 液氨帶入 Q2L 液氨帶出 Q2L 氣體中氨冷凝 Q冷 冷凍量 Q吸 新鮮氣體帶入 Q1 總 Q入 總 Q出 循環(huán)機(jī)熱量計算 （ 1） 循環(huán)機(jī)出口氣 體溫度計算 由《小氮肥廠工藝設(shè)計手冊》附表 111 查得循環(huán)氣體中各組分的絕熱指數(shù)如下： 表 424 各組分的絕熱指數(shù) NH3 CH4 Ar H2 N2 K1 根據(jù)公式 ? ?? 1i i1 KyK 入 =()+()+()+() =+++++ K= KKPPTT 1??????????入出入出 T入 =30+273=303 K P出 = P入 =28MPa代入得 1. 3 94 11. 3 94)2830 .94( 2?出T==℃39? ℃ （ 2） 氣體帶入熱量由前計算 Q5= 29 （ 3） 壓縮功 1211211 ZZPPK KVPN KK????????????????????? ? P1=28MPa P2= K= Z2= Z1= V1=V0P0T/(P1T0)= (173+39)/273=將上述數(shù)據(jù)代入壓縮功計算工式中得： N= 壓縮熱 QN=3600N=3600 =(4) 氣體帶出熱量 由熱平衡得： Q4=Q3+QN=+=625664KJ/tNH3 Q4=V4Cp4t4 Cp4=Q4/V4/t4=625664 (Kmol℃ ) 由 t4=39℃ P=，查常壓下各組分氣體比熱容并計算得： 表 425 各組分含量，分壓及比熱容 N2 H2 CH4 Ar NH3 氣體含量 各組分分壓 Cp Cp= + + + + =(Kmol℃ ) 表 426 循環(huán)機(jī)進(jìn)出熱量會在匯總 入 出 氣體帶入熱量 氣體帶出熱量 625664 壓縮熱 總 Q入 625664 總 Q出 625664 合成塔熱量計算 （ 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，環(huán)隙每米溫升按℃計，則合成塔一出溫度 t2為 , t2=t1+=39+ 14= ℃ （ 3） 氣體帶入熱量 Q1由前計算 Q4=變化（忽略熱損失）。 (1) 熱氣體帶入熱量 Q1由熱交換器熱平衡計算 Q1=(2)氨冷凝熱 查≤小氨肥廠工藝設(shè)計手冊≥得 35℃時氨冷凝熱 I=Q冷 =V2 INH3= 16769 =式中 (3)熱氣體帶出熱量 Q2 查 t2