【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 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混合配制。再將吹風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。 文獻綜述 合成氨工業(yè)是氮肥工業(yè)的基礎， 也是一些工業(yè)部門的重要原料，它的迅速發(fā)展促進了一系列科學技術和化學合成工業(yè)的發(fā)展，隨著科學技術的發(fā)展， 合成氨工業(yè)在國民經(jīng)濟中的作用必將日益顯著。目前，全國有規(guī)模以上基礎化肥生產(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%。國際上以天然氣為原料的氮肥占 85%。同時，對于有廉價天然氣資源的地區(qū)，鼓勵采用天然氣改造現(xiàn)有裝置或建設天然氣化肥基地。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 ,預計到 20 世紀末 ,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，調整企業(yè)結構，減少基礎肥料生產(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)代化又邁進一步。 ⑶ 必須借助觸媒，以加快反應速度。 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)質合金鋼制造，即使這樣，也會產(chǎn)生破裂。 氨合成的上述三種方法，各有優(yōu)缺點，不能簡單的比較其優(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，高壓下反應溫度一般較高，催化劑使用壽命也比較短，操作管理比較困難。 ⑵ 最適宜的反應溫度 合成氨反應是一個可逆放熱反應，當溫度升高時，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才具有活性，所以氨合成反應溫度必須維持在催化劑的活性范圍內。就整個反應過程來說，隨著反應的進行，轉化率不斷增加，最佳溫度隨轉化率增加而降低。在中期活性降低，操作溫度應比初期適當提高 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，所以當空間速度增加時，合成氨的產(chǎn)量也有所增加。但在一定限度內，其他條件不變，增加空間速度，合成氨產(chǎn)量增加，單位時間所得的總反應熱增多，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，導致冷凝器的冷卻面積要相應增大，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，而且流程中設備結構操作條件也各有差異，但實現(xiàn)氨合成過程的基本步驟是相同 的，都必須包括以下幾個步驟：氮、氫原料氣的壓縮并補充到循環(huán)系統(tǒng)；循環(huán)氣的預熱與氨的合成；氨的分離；熱能的回收利用；對未反應氣體補充壓力，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現(xiàn)的。 ⑴ 氫氮比 當氫氮比為 3:1 時，對于氨合成反應可以獲得最大的平衡氨濃度，但從動力 學角度分析，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，也不毒害催化劑，但由于他們的存在會降低氫氮比的分壓。但是氫氮氣和部分氨也隨之排放，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。降低進口氨含量，可加快反應速度，提高氨凈值和生產(chǎn)能力。 綜合考慮的結果，一般中小型合成氨廠當操作壓力在 30 MPa 左右時，塔進口氨含量約控制在 %~%之間。 自冷凝塔二次出口的循環(huán)氣其中一部分進入合成塔上部一次入口，氣體沿著內件與外箱間環(huán)隙向下冷卻塔壁后，進入下部換熱器管外，另一部分循環(huán)氣直接進入塔外氣 氣換熱器冷氣入口，通過管外并與管內廢鍋口出來氣體換熱后，設有副線氣流分成 四股，其中二股作為冷凝氣分別從塔頂進入菱形分布器和層間換熱器，一股為塔底副線，另一股進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氣體換熱后與塔底副線氣混合，由內中心管進入第一軸層反應，反應后氣體與塔頂引入的第一冷凝氣混合進入第二軸向層反應氣體進入層間換熱器管內與第二冷凝氣換熱降低氣體溫度進入徑向層，第二冷凝氣換熱后提高自身溫度進入外中心管與內中心管，氣體混合進入第一軸向層，徑向層自里向外徑向流出，通過整個觸媒層進入下部換熱器管內，與管外換熱后出塔進入廢鍋爐，與脫氧水換熱副產(chǎn)品， 的蒸汽 ,氣體溫度降低到 217 ℃ 以下 ,進入氣氣換熱器 ,氣流經(jīng)與管外氣體換熱器降溫后進入水冷器 ,后進入循環(huán)機 ,補充壓力 ,經(jīng)濾油器除去油圬后 ,進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 計算 進口氣體 : 表 45 23℃ 時進口氣體的 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 加壓下氨合成反應熱效應計算式 △ HF = [++106/T3] 103T2+ △ HF ── 氨合成反應熱 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 熱負荷 △ Q = Q42Q41= = kJh1 ∴ 廢熱鍋脫氧水帶入熱量 Q 脫 = XI1 = = kJh1) 合成塔進廢鍋爐 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 小計 對氣 —氣換熱器作熱量衡算 F9 = 2031 kmolh1 ⒉ 由氣 —氣換熱器往合成塔的氣體 帶出熱量 Q52 F10 = F9 = 2031 kmolh1 ∴ 設 t13 = 144℃ ,即 417K 時，查表計算 ℃ ℃ = ％ +％ +％ +％ = 由 Q54 = 得 t13 = Q54/()= (1758)= = ℃ 這與假設 144℃ 基本一致，符合條件。h1) 由冷凝塔進氣 —氣換熱器熱量 Q51 由氣 —氣換熱器往合成塔帶出熱量 Q52 20760882 由廢鍋進氣 —氣換熱器熱量 Q53 由氣 —氣換熱器出來所帶熱量 Q54 小 計 小 計 對水冷器作熱量衡算 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 —氣換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)機帶出熱量 Q73 Q73 = = 928(+35)= kJh1) 由水冷器 → 分離器帶進熱量 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)機帶出熱量 Q73 小 計 KJ/h 液氨帶出熱量 Q75 小 計 循環(huán)機熱量衡算 ⒈ 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 ℃ ∴ 與前面假設的 T 出 = 47 ℃ 一致。h1 壓縮功 N = Q83/3600 = 336055/3600 = kW 表 421 循環(huán)機熱量平衡匯總表 收 方 (kJ本設計為年產(chǎn) 80000 噸合成氨，即生產(chǎn)任務： 11 t即 ∑V = 15%Vk = 15% = m3 H =（ Vk+∑V） /=(+)/= m ≈ 9 m 廢鍋的設備計算 ⒈ 計算條件 ⑴ 選臥式 U 型換熱管 ⑵ 高壓管尺寸：￠ 24 、 d 外 = m 、 d 內 = m 、 d = m ⑶ 熱負荷： Q = kJh(kmolh1 管道 截面積，設管道數(shù)為 152 根 S = d 內 2n = 152 = ㎡ 重量流速： G = W/S = ㎏ h℃ 其中 q = Q/S Q —— 鍋爐熱負荷 ， kJ183