【正文】 m180。 圖 42 系統(tǒng)示意圖 由前計(jì)算數(shù)據(jù)如下表： 表 415 各組分的含量 名稱 NH3 CH4 Ar H2 N2 氣量 補(bǔ) 充氣 V 補(bǔ) 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(bǔ) ,V 放 ,V 入 ,V 出 ： 循環(huán)回路中氫平衡： V 補(bǔ) yH2補(bǔ) =V 放 yH2放 ＋ V 弛 yH2弛 +3/2V 放 yNH3放 +3/2V 弛 yNH3弛 +3/2LNH3 ┉┉┉┉┉┉① 循環(huán)回路中氮平衡 : V 補(bǔ) yN2補(bǔ) =V 放 yN2放 ＋ V 弛 yN2弛 +1/2V 放 yNH3放 +1/2V 弛 yNH3弛 +1/2LNH3 ┉┉┉┉┉┉② 循環(huán)回路中惰性氣體平衡 : V 補(bǔ) (yCH4放 +yAr放 )=V 弛 (yCH4放 +yAr放 )+V 弛 (yCH4弛 +yAr弛 ) V 補(bǔ) (+)=V 放 (+)+(+) 17 V 補(bǔ) = 放 + ┉┉┉┉┉┉③ 循環(huán)回路中惰性氣體平衡 :V 出 yNH3V 入 yNH3入 =V 放 y 放 +V 弛 y NH3弛 +LNH3 出 入 = 放 + ┉┉┉┉┉┉④ 循環(huán)回路中總物料體平衡 : V 入 =V 出 + V 補(bǔ) V 放 V 弛 LNH3= V 出 + V 補(bǔ) － V 放= V 出 + V 補(bǔ) － V 放 ┉┉┉┉┉┉⑤ 聯(lián)立①②③④⑤各式解得： V 放 = m３ 。所以 Q1=Q4=（ 4） 氣體反應(yīng)熱 QR 設(shè)合成塔二出溫度 370℃，假定氣體在塔內(nèi)先溫升到出口溫度后再進(jìn)行氨合 成反應(yīng)。 查 t=35 ℃， P= 時(shí)的各組分比熱容并計(jì)算得： 表 417 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 Cp1= + + + + =(Kmol℃ ) 熱氣體帶入熱量 Q1=V1Cp1t1= 35=(4)冷氣體帶入熱量 查 t4=10℃， P= 時(shí)各組分比熱容并計(jì)算得： 表 418 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℃ ) （ 5）氨冷凝 熱 設(shè)熱氣體出口溫度為 20℃，熱氣體在器內(nèi)由 35℃冷卻到 20℃，然后進(jìn)行氨冷凝，查氨冷凝熱 INH3=液氨冷凝放出熱量 Q 冷 = 20 = KJ/tNH3 （ 6）液氨帶入熱量查 10℃液氨比熱容 Cp= KJ/kg℃ 液氨帶入熱： Q4L= 17 (10)= KJ/tNH3 26 （ 7）熱氣體帶入熱 查 t3= 20℃， P= 時(shí)的各組分在常壓下， 17℃的 摩爾比熱容并計(jì)算得： 表 419 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= + + + +=℃ 熱氣體帶出熱量： Q3=V3Cp3t3= 17=（ 8）熱氣體中液氨帶出熱 查 20℃液氨比熱容 Cp= ℃ Q3L= 17 17=（ 9） 冷氣體中分離液氨帶出熱 Q2=Q4L=（ 10）冷氣體出口帶出熱 Q5=Q1+Q4+Q冷+Q4LQ3Q3LQ4L=+=4Q5=V5Cp5t5 t5=Q5/V5Cp5=489324 Cp5=設(shè) t5=30℃ ,P=： 表 420 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 Cp5= + + + + =(Kmol℃ ) t5=℃ （ 11）冷交換器熱量負(fù)荷計(jì)算 Δ Q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） =(+)(+) = KJ/tNH3 （ 1） 氣體帶入熱量 Q3 由冷交換器熱量計(jì)算的 Q= KJ/tNH3 27 （ 2） 氣體中液氨帶入熱量 Q3由冷交換器熱量計(jì)算得： Q3=（ 3） 氨冷器中氣氨冷凝熱 查 10℃氣氨冷凝熱（《小氮肥長工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)》。(0i)≈ M180。 液氨貯槽入口 1Kmol 液體計(jì)算為準(zhǔn)，即 L0=1Kmol，入口液體混合后組分含量： m(0i)=L(15)X15i+L16X16i = G％ L0X15i+(1 G％ )X16i =+ 混合后入口氨含量： m0NH3= + = 混合后入口甲烷含量 : m0CH4= + = 混合后入口氬含量 : m0Ar= + = 混合后入口氫含量： m0H2= + = 混合后入口氮含量： m0N2= + = 表 411 液氨貯槽入口液體含量 m0NH3 m0CH4 m0Ar m0H2 m0N2 小計(jì) 當(dāng) t=17℃， P= 時(shí)，計(jì)算得熱平衡常數(shù)： 表 412 各組分的平衡常數(shù) KNH3 KCH4 KAr KH2 KN2 170 540 575 620 根據(jù)氣液平衡 L(i)=m(0i)/[1+(V/L)k(i)],設(shè) (V/L)=,代入上式得 : 出口液體氨含量： LNH3=m0NH3/[(1+(V/L) kNH3] =(1+ )= Kmol 出口液體甲烷含量： LCH4=m0CH4/[ 1+(V/L) kCH4] =(1+ 170)= Kmol 出口液體氬含量： LAr=m0Ar/[ 1+(V/L) kAr] =(1+ 540)= Kmol 出口液體氫氣含量： LH2=m0H2/[ 1+(V/L) kH2] =(1+ 575)= Kmol 出口液體氮?dú)夂浚?LN2=m0N2/[ 1+(V/L) kN2] =(1+ 620)= Kmol L(總 )=,V==,(V/L) ＇ =V/L=,誤差 =()/=％，假定正確。二、三、四層 (觸媒 )溫度，一路作為塔底副線調(diào)節(jié)一層溫度，另一路為二入主線氣體，通過下部換熱器管間與反應(yīng)后的熱氣體換熱、預(yù)熱后沿中心管進(jìn)入觸媒層頂端， 經(jīng)過四層觸媒的反應(yīng)后進(jìn)入下部換熱器管內(nèi)，從二次出口出塔、出塔后進(jìn)入廢熱鍋爐進(jìn)口，在廢熱鍋爐中副產(chǎn) 25MPa 蒸氣送去管網(wǎng)，從廢熱鍋爐出來后分成二股，一股進(jìn)入氣氣換熱器管內(nèi)與管間的冷氣體換熱，另一股氣體進(jìn)入鍋爐給水預(yù)熱器 10 在管內(nèi)與管間的脫鹽，脫氧水換熱，換熱后與氣氣換熱器出口氣體會(huì)合，一起進(jìn)入水冷器。 一般中小氮肥廠多為 32MPa , 大型廠壓力較低 ,為 10～ 20MPa。反應(yīng)后的高溫氣體首先通過塔內(nèi)則換熱器預(yù)熱 反應(yīng)前的氫氮混合氣，然后再通過塔外的換熱器預(yù)熱高壓鍋爐給水。在塔內(nèi)設(shè)置換熱器，用反應(yīng)后的高溫氣體預(yù)熱反應(yīng)前的氫氮混合氣，使其達(dá)到催化劑的活性溫度。 在氨合成循環(huán)系統(tǒng)中，流程中各部位的惰性氣體含量是不同的，放空位置應(yīng)該選擇在惰性氣體含量最大而氨含量最小的地方，這樣放空的損失最小。在氨冷凝過程，部分氫氮?dú)饧岸栊詺怏w溶解在液氨中。 (2)氣體的預(yù)熱和合成 壓縮后的氫氮混合氣需加熱到催化劑的起始活性溫度，才能送入催化劑層進(jìn)行氨合成反應(yīng)。在生產(chǎn)過程中有一系列化學(xué)反應(yīng)、傳熱、燃燒、分離等過程 ,溫度、壓力、濃度等因素都影響反應(yīng)的進(jìn)行 ,這些因素又受到設(shè)備質(zhì)量、水質(zhì)、煤質(zhì)、季節(jié)、氣候、操作水平、調(diào)度與管理的影響 ,這樣就形成了合成氨生產(chǎn)工藝過程、設(shè)備結(jié)構(gòu)、操作 管理與生產(chǎn)技術(shù)的復(fù)雜性。然后將所得的氣氨，從氫氮混合氣中經(jīng)冷卻冷凝成為液態(tài)氨分離出來。接觸液氨和高濃度氣氨，可使皮膚引起類似強(qiáng)堿的嚴(yán)重灼傷，出現(xiàn)紅斑、水泡，甚至因吸收水分，使皮膚脂肪皂化而壞死。它對(duì)人的眼睛和呼吸器官有較大的傷害作用。 (2) 硫化物和碳氧化物含量 無論那一種原料所得原料氣，都含有一定數(shù)量的硫 化物。如果循環(huán)氣中惰性氣體含量一定，新鮮氣中惰性氣體含量增加，根據(jù)物料平衡關(guān)系，新鮮氣消耗隨之增大。最簡便的方法是將水電解，但此法由于電能消耗大、成本高而受到限制。由于操作壓力和溫度都比較低，故對(duì)設(shè)備要求低，容易管理，且催化 劑的活性較高，這是此法的優(yōu)點(diǎn)。目前工業(yè)上很少采用此法生產(chǎn)。 簡述產(chǎn)品的幾種生產(chǎn)方法及特點(diǎn) 氨的合成是合成氨生產(chǎn)的最后一道工序，其任務(wù)是將經(jīng)過精制的氫氮混 合氣在催化劑的作用下多快好省地合成為氨。所以 ,合成氨工業(yè)是農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)。預(yù)計(jì) 2021 年產(chǎn)量將達(dá)。 氨也是重要的工業(yè)原料，廣泛用于制藥、煉油、純堿、合成纖維、合成樹脂、含氮無機(jī)鹽等工業(yè)部門。液氨或干燥的氣氨，對(duì)大部分物質(zhì)沒有腐蝕性，但在有水的條件下，對(duì)銅、銀、鋅等有腐蝕作用 [3]。標(biāo)準(zhǔn) 狀況下， 1 米 3氣氨重 公斤； 1 米 3液氨重 公斤。 設(shè)計(jì)任務(wù)的依據(jù) 設(shè)計(jì)任務(wù)書是項(xiàng)目設(shè)計(jì)的目的和依據(jù)： 2 產(chǎn)量： 80 kt/a 液氨 放空氣（惰性氣 Ar +CH4 ）： 17% 原料：新鮮補(bǔ)充氣 N2 24%， H2 %， Ar %， CH4 % 合成塔進(jìn)出口氨濃度： %， % 放空氣 :（惰性氣 Ar +CH4 ）～ 17% 合成塔操作壓力 32 MPa （絕壓） 精練氣溫度 40℃ 水冷器出口氣體溫度 35 ℃ 循環(huán)機(jī)進(jìn)出口壓差 年工作日 310 d 計(jì)算基準(zhǔn) 生產(chǎn) 1t 氨 概述 設(shè)計(jì)題目：年產(chǎn) 8 萬噸合成氨合成工段設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)具體內(nèi)容范圍及設(shè)計(jì)階段 本次設(shè)計(jì)的內(nèi)容為合成氨合成工段的設(shè)計(jì)，具體包括以下幾個(gè)設(shè)計(jì)階段： 1. 進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，確定生產(chǎn)方法和生 產(chǎn)工藝流程。以 Uhde公司的“雙壓法氨合成工藝”和 Kellogg 公 司的“基于釕基催化劑 KAAP 工藝” ,將會(huì)在氨合成工藝的大型化方面發(fā)揮重要的作用。 同時(shí)也是能源消耗的大戶，世界上大約有 10 %的能源用于生產(chǎn)合成氨。 (2) 以“油改氣”和“油改煤”為核心的原料結(jié)構(gòu)調(diào)整和以“多聯(lián)產(chǎn)和再加工”為核心的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整 ,是合成氨裝置“改善經(jīng)濟(jì)性、增強(qiáng)競爭力”的有效途徑。 4. 進(jìn)行車間布置設(shè)計(jì)，并繪制設(shè)備平立面布置圖。 氨與酸或酸酐可以直接作用，生成各種銨鹽；氨與二氧化碳作用可生成氨基甲銨，脫水成尿素；在鉑催化劑存在的條件下，氨與氧作用生成一氧化氮，一氧化氮繼續(xù)氧化并與水作用，便能得到硝酸。各種氮肥生產(chǎn)是以合成氨為主要原料的 ，因此，合成氨工業(yè)的發(fā)展標(biāo)志著氮肥工業(yè)的水平。此外，氨還是常用的冷凍劑。即今后 20 年間將增加到現(xiàn)在的 倍。我國七十至九十年代先后重復(fù)引進(jìn) 30 多套大化肥裝置 ,耗費(fèi)巨額資金 ,在提高了化肥生產(chǎn)技術(shù)水平的同時(shí) ,也受到國外的制約。 (1)高壓法 操作壓力 70～ 100MPa，溫度為 550～ 650℃。從動(dòng)力消耗看，合成系統(tǒng)的功耗占全廠總功耗的比重最大。實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)上此法已不采用了。當(dāng)氫氫比為3 時(shí)，對(duì)于氨合成反應(yīng)，可得最大平衡氨含量，但從動(dòng)力學(xué)角度分析，最適宜氫氨比隨氨含量的不同而變化。 當(dāng)其它條件一定時(shí)，進(jìn)塔氣體中氨含量越高，氨凈值越小，生產(chǎn)能力越低。以烴類為原料的蒸汽轉(zhuǎn)化法制取原料氣，鎳催化劑對(duì)硫含量限制十分嚴(yán)格，要求烴原料中總硫含量為 (重量 )以下。中毒嚴(yán)重時(shí)，會(huì)引起肺部腫脹導(dǎo)致死亡。 合成氨廢水 合成氨生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢水是 COD 的主要來源。 7 合成氨生產(chǎn)的特點(diǎn)，概括起來有如下幾方面 [7]： (1)工藝流程長、設(shè)備管道多； (2)生產(chǎn)過程有高度的連續(xù)性； (3)各工序生產(chǎn)操作相互影響； (4)生產(chǎn)是在高溫、高壓、易燃、易爆、易中毒、易灼傷的情況下進(jìn)行的。 (1)氣體的壓縮和除油 為了將新鮮原料氣和循環(huán)氣壓縮到氨合成所要求的操作壓力，就需要在流程中 設(shè)置壓縮機(jī)。 8 (3)氨的分離 進(jìn)入氨合成塔催化層的氫氮混合氣，只有少部分起反應(yīng)生成氨，合成塔出口氣體氨含量一般為 10～ 20％，因此需要將氨分離出來。分離氨后剩余的氫氮?dú)?，除為降低情性氣體含量而少量放空以外，與新鮮原料氣混合后，重新返回合成塔，再進(jìn)行氨的合成，從而構(gòu)成了循環(huán)法生產(chǎn)流程。也可采用冷凝法將放空氣中的甲烷分離出來，得到氫、氮?dú)?，然后將甲烷轉(zhuǎn)化為氫，回收利用，從而降低原料氣的消耗。 9 (2) 預(yù)熱反應(yīng)前的氫