【正文】 .................... 1 英文摘要 ............................................................... 2 1 引言 ................................................ 錯誤 !未定義書簽。 合成氨常見工藝方法 ............................... 錯誤 !未定義書簽。 設計條件 ......................................... 錯誤 !未定義書簽。 合成塔出口氣組成 ................................. 錯誤 !未定義書簽。 液氨貯槽馳放氣和液相組成的計算 ................... 錯誤 !未定義書簽。 合成塔能量衡算 ................................... 錯誤 !未定義書簽。 水冷卻器和氨分離器能量衡算 ....................... 錯誤 !未定義書簽。 4 設備選型及管道計算 ................................... 錯誤 !未定義書簽。 致謝 ................................................... 錯誤 !未定義書簽。新鮮原料氣的摩爾分數(shù)組成如下： H2 %， N2 %， CH4 %,Ar %合成操作壓力為 31MPa，合成塔入口氣的組成為 NH3(%),CH4+Ar(%),要求合成塔出口氣中氨的摩爾分數(shù)達到 17%?；适寝r(nóng)業(yè)的主要肥料，而其中的氮肥又是農(nóng)業(yè)上應用最廣泛的一種化學肥料，其生產(chǎn)規(guī)模、 技術裝備水平、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。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。只有通過科技進步對經(jīng)濟增長的貢獻率來實現(xiàn) , 這也是今后發(fā)展合成氨氮肥工業(yè)新的增長點。 同時研究開發(fā)簡單可行 , 又可就地取得原料制取合成氣的潔凈煤氣化技術 , 這也是我國目前占氮肥生產(chǎn)總量 60% 左右的中小型氮肥廠亟待要解決的問題。其結構調(diào)整包括原料結構、品質(zhì)構調(diào)整。在合成氨裝置大型化的技術開發(fā)過程中 , 其焦點主要集中在關鍵性的工序和設備 , 即合成氣制備、合成氣凈化、氨合成技術、合成氣壓縮機。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)技術將日趨成熟和不斷完善。對于合成系統(tǒng)來說，液體氨即是它的產(chǎn)品。故流程、設備都比較緊湊。 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，目前此法技術比較成熟，經(jīng)濟性比較好?？偟膩砜矗?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。又因操作壓力低，氨的合成效率 低，分離較困難，流程復雜。 (2)新鮮氮氫氣組成如下表： 組成 H2 N2 CH4 Ar 合計 摩爾分數(shù) /% 100 (3)合成塔入口氣： 為 %，為 %。 (7)其他部位的溫度和壓力，見流程圖。 物 料流程示意圖 流程簡介：在油分離器出口的循環(huán)氣中補充從凈化工序送來的新鮮氮氫氣，進入冷交換器和氨冷器進一步冷卻，使其中的氨氣絕大部分被冷凝分離出去。在油分離器出口補充了新鮮氮氫氣入冷交換器。從整個系統(tǒng)而言，進入系統(tǒng)的是新鮮氮氫氣，離開系統(tǒng)的是產(chǎn)品液氨、馳放氣、和空氣。氨主要用于農(nóng)業(yè) ,合成氨是氮肥工業(yè)的基礎，氨本身是重要的氮素肥料，其他氮素肥料也大多是先合成氨、再加工成尿素或各種銨鹽肥料，這部分約占 70 %的比例，稱 之為“化肥氨”；同時氨也是重要的無機化學和有機化學工業(yè)基礎原料，用于生產(chǎn)銨、胺、染料、炸藥、制藥、合成纖維、合成樹脂的原料，這部分約占 30 %的比例 ,稱之為“工業(yè)氨”。 2 技術分析 ＋ ==NH3 Δ Hθ = kJ在生成氨的同時放出熱量，反應熱與溫度、壓力有關。 對整個氣固相催化反應過程，是表面反應控制還是擴散控制，取決于實際操作條件。 氨合成工藝選擇主要考慮合成壓力、合成塔結構型式及熱回收方法。由于近來低溫氨催化劑的出現(xiàn) , 可使合成壓力降低。 本次設計選用中壓法（壓力為 32MPa）合成氨流程，采用預熱反應前的氫氮混合氣和副產(chǎn)蒸汽的方法回收反應熱，塔型選擇見設備選型部分。為補償這一損失，流程中必須設置循環(huán)壓縮機。 目前工業(yè)上主要采用冷凝法分離循環(huán)氣中的氨。當液氨在貯槽內(nèi)減壓后，溶解的氣體大部分釋放出來，通常成為“貯罐氣”。在水冷器內(nèi)管被管外的循環(huán)水冷卻后出水冷器，進入氨分離器，部分液氨被分離出來，氣體出氨分離器，進入透平循環(huán)機入口，經(jīng)加壓后進入循環(huán)氣濾油器出來后進入冷交換器熱氣進口。根據(jù)氣液平衡原理，以 1kmol進口物料為計算基準，即 F=1kmol。兩種液體百分比估算值，即水冷后分離液氨占總量的百分數(shù)。0(NH3） = 100﹪ =﹪ 入口液體 中甲烷含量 m180。0（ i)≈ m0（ i) 合成系統(tǒng)物料計算 將整個合成看著一個系統(tǒng)，進入該系統(tǒng)的物料有新鮮補充氣補 V 補 ，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)品液氨 L 氨 由前計算數(shù)據(jù)如下表： 表 414 各組分的含量 名稱 NH3 CH4 H2 N2 氣量 補充氣 866763900 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)回路中總物料體平衡 : V 入 =V 出 + V 補 V 放 V 弛 LNH3 ┉┉┉┉┉┉① = V 出 +866763900 V 放 = V 出 V 放 + 由于氨合成時體積減小 V 出 = V 入 （ 放 + 弛 + LNH3） = V 入 （ 放 + +） 以 V 出 代人①中 V 放 = m3 循環(huán)回路中氨平衡 : V 出 yNH3V 入 yNH3入 =V 放 y 放 +V 弛 y NH3弛 +LNH3 ┉┉┉┉┉┉② 出 入 = + += 20 聯(lián)立①②式解得： V 出 =3805495624 m３ 。從回路中任何一個設備開始計算均可。表 1011 氨熱力學性質(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+Q=+++=（ 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 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= 30 （ 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)=++= KJ/tNH3 查 25℃液氨焓 INH3L=（由液氨儲槽來） 15℃蒸發(fā)蒸氣 INH3=（ 9） 冷凍量計算 W=Q吸 /Δ INH3= 表 423 氨冷器進出熱量匯總表 進 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)機熱量計算 （ 1） 循環(huán)機出口氣體溫度計算 由《小氮肥廠工藝設計手冊》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= 31 （ 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)機進出熱量會在匯總 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=（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≤小氨肥廠工藝設計手冊≥得 35℃時氨冷凝熱 I=Q冷 =V2 INH3= 16769 = (3)熱氣體帶出熱量 Q2 查 t2=35℃ , P= MPa得混合氣體的比熱容： 表 435 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 Cp2=(Kmol℃ ) 熱 氣 體 帶 出 熱 量 Q2=V2 Cp2 t2= 35955 35=(4)液氨帶出熱量 查 35 ℃液氨比熱容 ,CpL=(kmol℃ ) Q 液 =V2L/ M CpL t2= 35 =(5) 冷卻水量計算 設需要冷卻水量為 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 Δ Q=Q進 Q出 =(Q1+Q冷 )(Q2+Q液 )= Cp (tbta)1000 W= Δ Q/(1000 Cp (tbta))=(1000 (3830))= 冷卻上水帶入熱量 Q上水 = 1000 30=冷 卻 下 水 帶 入 熱 量 Q 下水 = Δ Q+Q 上水=+=表 436 水冷器熱量匯總表 入 出 熱氣帶入熱量 熱氣帶出熱量 氨冷凝熱 液氨帶出熱量 冷卻上水帶入熱 冷卻下水帶出熱 總 Q進 總 Q出 36 氨分離器熱量核算 氨分離器進出口溫度沒有發(fā)生變化 ,由氣體熱量平衡 , 氨分離器收入熱 ,則 Q1= kJ/tNH3 氨分離器支出熱 氣體放空氣帶走熱量 Q3=V3 Cp3 t3= 35=冷交換器帶入熱量 ,由冷交換器熱平衡計算得： Q4=Q1=Q3+Q4=+=誤差 =()/=% 假設成立 氨分離器液氨帶入熱量等于液氨帶出熱量即 Q1L=Q5L=5 主要設備選型 廢熱鍋爐設備工藝計算 計算條件 (1) 選