【正文】 工等部門以及輕工、食品、醫(yī)藥工業(yè)部門中，氨及其加工產(chǎn)品都是不可缺少的。氨在水中的溶解度隨壓力增大而降低。而在常溫下需加壓到 時(shí)才能液化。 100℃ , MPa 下，爆炸界限為 %～ %(NH3)。在氣化過程中所使用的空氣、水蒸氣或富養(yǎng)空氣 水蒸氣混合氣等稱為汽化劑。 空氣煤氣：以空氣為汽化劑制取的煤氣，又稱為吹風(fēng) 氣。可用蒸氣與適量的空氣或蒸氣與適量的富養(yǎng)空氣為汽化劑制得，也可用水煤氣與吹風(fēng)混合配制。再將吹風(fēng)氣送入廢熱鍋爐以產(chǎn)生水蒸氣。 在下吹階段中，水蒸氣與空氣混合，經(jīng)燃燒室回收蓄熱磚的熱量后，從煤氣發(fā)生爐頂部吹入（空氣較水蒸氣略遲通入），從爐底排出半水煤氣。 文獻(xiàn)綜述 合成氨工業(yè)是氮肥工業(yè)的基礎(chǔ)， 也是一些工業(yè)部門的重要原料，它的迅速發(fā)展促進(jìn)了一系列科學(xué)技術(shù)和化學(xué)合成工業(yè)的發(fā)展，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展， 合成氨工業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的作用必將日益顯著。目前，全國(guó)有規(guī)模以上基礎(chǔ)化肥生產(chǎn)企業(yè)近 1000 家，其中，氮肥廠約 500 家，合成氨年生產(chǎn)能力 30 萬噸以上的大型企業(yè)有 26 家，合成氨年生產(chǎn)能力 10 萬噸以上的中型企業(yè)也有 100多家，其他還有 800 多家小氮肥廠也生產(chǎn)合成氨，而其產(chǎn)量約占氮肥總量的 60%。國(guó)際上以天然氣為原料的氮肥占 85%。同時(shí)，對(duì)于有廉價(jià)天然氣資源的地區(qū)，鼓勵(lì)采用天然氣改造現(xiàn)有裝置或建設(shè)天然氣化肥基地。煤的儲(chǔ)量約為石油、天然氣總和的 10 倍，自從 70 年代中東石油漲價(jià)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(jì)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。合成氨生產(chǎn)中副產(chǎn)大量的二氧化碳，不僅可用于冷凍、飲料、滅火，也是生產(chǎn)尿素、純堿、碳酸氫銨的原料。同時(shí)，調(diào)整企業(yè)結(jié)構(gòu)，減少基礎(chǔ)肥料生產(chǎn)廠數(shù)量， 提高單套裝置的規(guī)模，使合成氨工業(yè)朝現(xiàn)代化又邁進(jìn)一步。 ⑶ 必須借助觸媒，以加快反應(yīng)速度。 ⑴ 低壓法 操作壓力低于 20 MPa 的稱低壓。 ⑵ 高壓法 操作壓力為 60 MPa 以上的稱為高壓法，其操作溫度大致為 550～ 650 ℃ 。合成塔需用高鎳優(yōu)質(zhì)合金鋼制造，即使這樣，也會(huì)產(chǎn)生破裂。 氨合成的上述三種方法，各有優(yōu)缺點(diǎn)，不能簡(jiǎn)單的比較其優(yōu)劣。決定生產(chǎn)條件最主要的因素有操作壓力、反應(yīng)溫度、空間速度和氣體組成等。氨合成壓力的高低，是影響氨合成生產(chǎn)中能量消耗的主要因素之一。同時(shí)，高壓下反應(yīng)溫度一般較高，催化劑使用壽命也比較短，操作管理比較困難。 ⑵ 最適宜的反應(yīng)溫度 合成氨反應(yīng)是一個(gè)可逆放熱反應(yīng)，當(dāng)溫度升高時(shí)，平衡常數(shù)下降，平衡氨含量必定減少。而催化劑必須在一定的溫度范圍內(nèi)才具有活性，所以氨合成反應(yīng)溫度必須維持在催化劑的活性范圍內(nèi)。就整個(gè)反應(yīng)過程來說，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，轉(zhuǎn)化率不斷增加，最佳溫度隨轉(zhuǎn)化率增加而降低。在中期活性降低，操作溫度應(yīng)比初期適當(dāng)提高 8~10 ℃ 。但由于氨凈值降低的程度比空間速度的增大倍數(shù)要少，所以當(dāng)空間速度增加時(shí)，合成氨的產(chǎn)量也有所增加。但在一定限度內(nèi)，其他條件不變，增加空間速度，合成氨產(chǎn)量增加，單位時(shí)間所得的總反應(yīng)熱增多，通過水冷器和氨冷器的氣體流量 增大，需要移走的熱量增多，導(dǎo)致冷凝器的冷卻面積要相應(yīng)增大，否則就不能將高流速氣體中的氨冷凝下來。 工業(yè)上采用的氨合成工藝流程雖然很多，而且流程中設(shè)備結(jié)構(gòu)操作條件也各有差異，但實(shí)現(xiàn)氨合成過程的基本步驟是相同 的，都必須包括以下幾個(gè)步驟：氮、氫原料氣的壓縮并補(bǔ)充到循環(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(duì)未反應(yīng)氣體補(bǔ)充壓力，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。一般含氨混合氣體的冷凝分離是經(jīng)水冷卻器和氨冷囂二步實(shí)現(xiàn)的。 ⑴ 氫氮比 當(dāng)氫氮比為 3:1 時(shí)，對(duì)于氨合成反應(yīng)可以獲得最大的平衡氨濃度，但從動(dòng)力 學(xué)角度分析，最適宜氫氮比隨著氨含量的變化而變化。惰性氣體不參與反應(yīng)，也不毒害催化劑，但由于他們的存在會(huì)降低氫氮比的分壓。但是氫氮?dú)夂筒糠职币搽S之排放，造成一定損失，故循環(huán)氣體中惰性氣體的控制含量不能過高也不能過低。由于原料氣的制備與凈化方法不同，新鮮氣體中惰性氣體的含量也不同。降低進(jìn)口氨含量，可加快反應(yīng)速度，提高氨凈值和生產(chǎn)能力。 綜合考慮的結(jié)果，一般中小型合成氨廠當(dāng)操作壓力在 30 MPa 左右時(shí)，塔進(jìn)口氨含量約控制在 %~%之間。 自冷凝塔二次出口的循環(huán)氣其中一部分進(jìn)入合成塔上部一次入口，氣體沿著內(nèi)件與外箱間環(huán)隙向下冷卻塔壁后，進(jìn)入下部換熱器管外，另一部分循環(huán)氣直接進(jìn)入塔外氣 氣換熱器冷氣入口，通過管外并與管內(nèi)廢鍋口出來氣體換熱后，設(shè)有副線氣流分成 四股，其中二股作為冷凝氣分別從塔頂進(jìn)入菱形分布器和層間換熱器，一股為塔底副線，另一股進(jìn)入合成塔下部二次入口與一次入口氣體混合，通過下部熱交換器與管內(nèi)氣體換熱后與塔底副線氣混合，由內(nèi)中心管進(jìn)入第一軸層反應(yīng)，反應(yīng)后氣體與塔頂引入的第一冷凝氣混合進(jìn)入第二軸向?qū)臃磻?yīng)氣體進(jìn)入層間換熱器管內(nèi)與第二冷凝氣換熱降低氣體溫度進(jìn)入徑向?qū)樱诙淠龤鈸Q熱后提高自身溫度進(jìn)入外中心管與內(nèi)中心管，氣體混合進(jìn)入第一軸向?qū)樱瑥较驅(qū)幼岳锵蛲鈴较蛄鞒?，通過整個(gè)觸媒層進(jìn)入下部換熱器管內(nèi)，與管外換熱后出塔進(jìn)入廢鍋爐，與脫氧水換熱副產(chǎn)品， 的蒸汽 ,氣體溫度降低到 217 ℃ 以下 ,進(jìn)入氣氣換熱器 ,氣流經(jīng)與管外氣體換熱器降溫后進(jìn)入水冷器 ,后進(jìn)入循環(huán)機(jī) ,補(bǔ)充壓力 ,經(jīng)濾油器除去油圬后 ,進(jìn)入冷凝塔上部的熱交換器 ,出熱交換器后與新鮮氣混后開始下一個(gè)循環(huán)。h1 ④ 由 ③ 式得： F2 = F3/ ⑤ 把 ⑤ 代入 ② 得： – = F4 ⑥ 把 ④ 分別代入 ① ， ⑥ 兩式后，再由 ⑥ ① 可得： F3=183kmol F2──空氣的流量 Nm3h1。 一 部 分 往 氫 回 收 車 間 ， 流 量 F3 = 183kmolh1 YH2,17 =(F1YH2,1+F5YH2,5)/(F1+F5)= (1714+928)/(1714+928)= ％ YN2,17 = (F1YN2+F5YN2,5)/(F1+F5)= ％ YO2,17 = F5(F1+F5)= ％ YNH3,17 = F5(F1+F5)= ％ YAr,17 = ％ ％ ％ ％ = ％ ⒈ 氣體帶入熱量 Q11 F17 中的 ％氨中有 1％被冷凝， 由公式 =a+bT+cT2 計(jì)算 進(jìn)口氣體 : 表 45 23℃ 時(shí)進(jìn)口氣體的 因子 物料 a b103 c107 23℃ H2 NH3 N2 O2 = CPH,H2YH2,17+CPN2YN2,17+,17+,17+,17 = +++ = Jh1 ⒉ 氣體帶出熱量 Q12 令帶出氣體時(shí)的溫度為 0℃ F6 = F17F171 ％ = kmolh1 ⒊ 冷凝的液氨帶出熱量 Q13 = = 2642240= kJkg1 Q14 = F1317 = 686870 kJkg1 F15 = Q 吸 /△ INH3 = 686870/ = kgh1 , H2,6 = ％ , YNH3,6 = ％ , YN2,6 = ％ , YO2,6 = ％ , YAr,6 = ％ ⒈ 氣體帶入冷凝塔的熱量 Q21 Q21 = Q12 = 18361253 kJh1 表 49 氣體出冷凝塔是不同溫度時(shí)的 因子 物料 a b103 c107 23℃ 47℃ H2 NH3 N2 O2 ℃ = 60％ +6％ +26％ +5％ = kJh1 ℃ = 60％ +6％ +26％ +5％ = kJ(molh1) 支 方 (kJK)1 Q31 = ,11t11= 1758(350+) = 39212809 kJh1 ⒌ H2 與 N2 合成放出的熱量 Q35 加壓下氨合成反應(yīng)熱效應(yīng)計(jì)算式 △ HF = [++106/T3] 103T2+ △ HF ── 氨合成反應(yīng)熱 kcalmol1 2 kmol 56207 kJh1 ∴ F9 = F7 F8 = = ≈2031 kmolh1 ⒉ 從廢鍋帶出氣體的熱量 Q42 令 t12 = 220 ℃ , F12 = F11 = 1758 kmolh1 ⒊ 廢熱鍋爐 熱負(fù)荷 △ Q = Q42Q41= = kJh1 ∴ 廢熱鍋脫氧水帶入熱量 Q 脫 = XI1 = = kJh1) 合成塔進(jìn)廢鍋爐 Q41 39212809 廢鍋爐帶出的熱量 Q42 脫氧水帶入熱量 Q 脫 蒸汽帶出熱量 Q 蒸 小計(jì) 小計(jì) 對(duì)氣 —?dú)鈸Q熱器作熱量衡算 F9 = 2031 kmolh1 ⒉ 由氣 —?dú)鈸Q熱器往合成塔的氣體 帶出熱量 Q52 F10 = F9 = 2031 kmolh1 ∴ 設(shè) t13 = 144℃ ,即 417K 時(shí)，查表計(jì)算 ℃ ℃ = ％ +％ +％ +％ = 由 Q54 = 得 t13 = Q54/()= (1758)= = ℃ 這與假設(shè) 144℃ 基本一致，符合條件。h1) 由冷凝塔進(jìn)氣 —?dú)鈸Q熱器熱量 Q51 由氣 —?dú)鈸Q熱器往合成塔帶出熱量 Q52 20760882 由廢鍋進(jìn)氣 —?dú)鈸Q熱器熱量 Q53 由氣 —?dú)鈸Q熱器出來所帶熱量 Q54 小 計(jì) 小 計(jì) 對(duì)水冷器作熱量衡算 令水冷器出口氣體溫度為 35℃ ,氣體先冷卻到 35℃ 后，氨再冷卻 ⒈ 由氣 —?dú)鈸Q熱器往水冷器所帶熱量 Q61 Q61 = Q54 = kJh1 YH2,14 = 60％ , YNH3,14 = 6％ , YN2,14 = 26％ ,YO2,14 = 5％ ,YAr,14 = 3％ 表 417 35℃ 下水冷器中出口氣體的 因子 物料 a b103 c107 35℃ H2 NH3 N2 O2 = 60％ +6％ +26％ +5％ = kJkg1 Q 液 = 6471735 = kJh1 表 418 水冷器熱量平衡匯總表 收方 (kJh1 ⒊ 由分離器 → 循環(huán)機(jī)帶出熱量 Q73 Q73 = = 928(+35)= kJh1) 由水冷器 → 分離器帶進(jìn)熱量 Q71 9829002 由分離器帶出往去氫回收車間的熱量 Q72 氨分離器液氨帶入熱量 Q74 由分離器 → 循環(huán)機(jī)帶出熱量 Q73 小 計(jì) KJ/h 液氨帶出熱量 Q75 小 計(jì) 循環(huán)機(jī)熱量衡算 ⒈ 循環(huán)機(jī)出口氣體溫度計(jì)算，由《小氮肥廠工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)》附表 111 查得循環(huán)氣中各組分的絕熱指數(shù)如下 表 420 絕熱指數(shù) 物料 NH3 Ar H2 N2 O2 K1 根據(jù)公式 1/(K1) = ∑Yλi/(Ki1) = ()+()+()+() +()= K = (K1)/K = T 出 = T 入 (P 出 /P 入 )(K1)/K 由前已知令 T 入 = 35℃ = , T 出 = 47℃ = K P 入 = 24 MPa , P 出 = MPa ∴ T出 = ()()/ = = ℃ ≈ 47 ℃ ∴ 與前面假設(shè)的 T 出 = 47 ℃ 一致。h1 壓縮功 N = Q83/3600 = 336055/3600 = kW 表 421 循環(huán)機(jī)熱量平衡匯總表 收 方 (kJ本設(shè)計(jì)為年產(chǎn) 80000 噸合成氨，即生產(chǎn)任務(wù)： 11 t即 ∑V = 15%Vk = 15% = m3 H =（ Vk+∑V） /=(+)/= m ≈ 9 m 廢鍋的設(shè)備計(jì)算 ⒈ 計(jì)算條件 ⑴ 選臥式 U 型換熱管 ⑵ 高壓管尺寸：￠ 24 、 d 外 = m 、 d 內(nèi) = m 、 d = m ⑶ 熱負(fù)荷： Q = kJh(kmolh1 管道 截面積，設(shè)管道數(shù)為 152 根 S = d 內(nèi) 2n = 152 = ㎡ 重量流速： G = W/S = ㎏ h℃ 其中 q = Q/S Q —— 鍋爐熱負(fù)荷 ， kJ183