【正文】 (即上 式〕 .用它算出的值，即與同書(shū)中平均分子熱容表中的值相符，故予以修正?！?。 已知條件 : 進(jìn)塔氣體 :壓力 大氣壓 ，溫度 30℃ ，氣量 標(biāo)準(zhǔn)米 3 合成塔 氣體組成 見(jiàn)表 418。℃ 。 列表計(jì)算如表 422（ ?t ℃ , t?21 = t?21 ,T = ,P = 大氣壓） 。 每噸產(chǎn)品氨的耗冷量 0 7 4 21 0 0 02 1 4 9 1 4?= 千 焦 /噸氨 6. 二級(jí)氨冷器的熱量衡算 已知條件 : 循環(huán)氣：與一級(jí)氨冷器出口氣體相同 新鮮氣：壓力 大氣壓，溫度 35℃ ，氣量 1000 標(biāo)準(zhǔn)米 3 二級(jí)氨冷器 氣體組成 見(jiàn)表 424。惟此一組算式，不宜直接從它求得相應(yīng)的平均分子熱容算式。 ② Q1 由物料衡算，進(jìn)塔氣量 = 標(biāo)準(zhǔn)米 3 Q1= )( ???? 千焦 （ 2） 氨合成放出的反應(yīng)熱量 Q2 ① 反應(yīng)熱（ HK? ） 由上?；W(xué)院《無(wú)機(jī)化工氣 —固相催化反應(yīng)過(guò)程》中查得： 在 300 大氣壓下 HK? = 1 2 0 9 5 52 1 1 5 9 92 1 1 5 9 9 ????? t 千卡 /千摩爾 27 在 200 大氣壓下 HK? = 1 2 1 2 1 6 2 1 6 2 3 ????? t 千卡 /千摩爾 在 145 大氣壓下 HK? = 1 2 1 6 5 57 7 1 7 3 27 7 1 7 3 2 ????? t千卡 /千摩爾 將此三數(shù)據(jù)繪成曲線(xiàn)，內(nèi)插查得在出塔條件下（ 大氣壓， ℃ ）， HK? =12134 千卡 /千摩爾 = 千焦 /千摩爾 ② 合成的氨量 合成的氨量 =產(chǎn)氨量 +放空氣中氨量 = ? = 千摩爾 ③ Q2 Q2= ? = 千 焦 Q1 =Q2 ，熱量平衡，故假設(shè)的出塔溫度 ℃ ，可用，不再試算。 3. 合成塔熱量衡算 合成塔熱量計(jì)算，按照蓋斯定律可分兩步進(jìn)行 :第一步，假定進(jìn)塔氣體成份不變，而溫 度升高至出塔溫度；第二步，在出塔溫度下進(jìn)行氨合成反應(yīng)?！病妒謨?cè)》附表 111〕 ； Tci —各純組份的臨界溫度， K，〔《手冊(cè)》附表 111〕 ； Pcm —混合氣體的虛擬臨界壓力，大氣壓 ； Tcm —混合氣體的虛擬臨界溫度， ? ； Pr —對(duì)比壓力 ； Tr —對(duì)比溫度 ； Cp? —熱容的壓力校正值，千 焦 /千摩爾 各純組份氣體的常壓平均分子熱容 Cpi0，采用別斯科夫算式： H2 +? 310? t +? 2610t? 《手冊(cè)》附式（ 1510） N2 +? 310? t ? 2610t? 《手冊(cè)》附式（ 1511） NH3 +? 310? t ? 2610t? ① CH4 7957+? 310? t ? 2610t? ② Ar 22 各組份的 平均分子熱容 Cp見(jiàn)表 415（ t =14℃ ,T =317K ,P = 大氣壓） 。這兩種方法，在本章中根據(jù)不同情況都曾采用，在下文有關(guān)設(shè)備中已分別注明。 高壓混合氣體平均分子熱容的計(jì)算方法： 本計(jì)算書(shū)中，在混合氣體中的氣氨未冷凝時(shí)，采用分壓疊加法，即先算出高壓下真實(shí)分子熱容，再換算為平均分子熱容，在有氣氨冷凝時(shí)，因處于氨飽和區(qū)內(nèi)，則采用壓力校正法，即先算出常壓下平均分子熱容，再換算為高壓下平均分子熱容。 由拉爾遜 —布列克公式 logyA=+－= yA= 考慮過(guò)飽和度數(shù) 10%, 則 39。 logyA=+－ = 即 yA= 水冷器進(jìn)口氣體中氨濃度為 11%，較 35℃ 時(shí)的平衡氨濃度 %為小，因氨未達(dá)飽和，不會(huì)出現(xiàn)冷凝。 (三 ) 物料衡算 13 計(jì)算基準(zhǔn) 。 精煉工段來(lái)的精煉氣組成 可參見(jiàn)表 41。生產(chǎn)過(guò)程中不生成或很少生成副產(chǎn)物、廢物 ,實(shí)現(xiàn)或接近“零排放”的清潔生產(chǎn) 技術(shù)將日趨成熟和不斷完善。 V14? 、 V24? — 液氨。 。隨著深度加工產(chǎn)品的不斷開(kāi)發(fā)，化學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域 6 不斷開(kāi)拓，其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位將愈顯重要 [14]。 根據(jù)合成氨技術(shù)發(fā)展的情況分析，估計(jì)未來(lái)合成氨的基本生產(chǎn)原理將不會(huì)出現(xiàn)原則性的改變，其技術(shù)發(fā)展將會(huì)繼續(xù)緊密?chē)@ “降低生產(chǎn)成本、提高運(yùn)行周期，改善經(jīng)濟(jì)性 ”的基本目標(biāo)，進(jìn)一步集中在 “大型化、低能耗、結(jié)構(gòu)調(diào)整、清潔生產(chǎn)、長(zhǎng)周期運(yùn)行 ”等方面進(jìn)行技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)。氨合成反應(yīng)式如下： N2+3H2→2NH 3(g) =要求： 繪制帶控制點(diǎn)的工藝流程圖 系統(tǒng)物料、能量合算 系統(tǒng)主要設(shè)備能力及觸媒裝填量核算 5 該工段設(shè)備多，工藝計(jì)算復(fù)雜，分合成塔設(shè)備及觸媒核算、熱量核算及主要設(shè)備能力核算 意義：通過(guò)該設(shè)計(jì)鍛煉自己嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的 治學(xué)態(tài)度，將理論知識(shí)運(yùn)用于實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)差距，改進(jìn)方法。因此，原料氣在進(jìn)入合成工序前，必須進(jìn)行原料氣的最終凈化，即精制過(guò)程 [9]。 CO2 既是氨合成催化劑的毒物，又是制造尿素、碳酸氫銨等氮肥的重要原料。 ① 一氧化碳變換過(guò)程 在合成氨生產(chǎn)中，各種方法制取的原料氣都含有 CO，其體積分?jǐn)?shù)一般為 12%~40%。 1911 年米塔研究成功以鐵為活性組分的合成催化劑，鐵基催化劑活性好、比鋨催化劑價(jià)廉、易得 [3]。 但氨和空氣混合物達(dá)到上述濃度范圍遇明火會(huì)燃燒和爆炸 ,如有油類(lèi)或其它可燃性物質(zhì)存在 ,則危險(xiǎn)性更高。自燃點(diǎn) ℃ 。合成氨是大宗化工產(chǎn)品之一，世界每年合成氨產(chǎn)量已達(dá)到 1 億噸以上，其中約有 80%的 氨用來(lái)生產(chǎn)化學(xué)肥料， 20%作為其它化工產(chǎn)品的原料。有時(shí)，在同一設(shè)備中會(huì)有處于和不處于氨飽和區(qū)的幾種氣體同時(shí)出現(xiàn)，為了避免采用兩種不同的熱容計(jì)算法而引起誤差，就統(tǒng)一采用壓力校正法 (如冷交換器等）。合成氨的生產(chǎn)主要分為原料氣的制取原料氣的凈化與合成。氨本身是重要的氮素肥料除石灰氮外，其它氮素肥料都是先 合成氨，然后加工成各種銨鹽或尿素。因此兩種方法的計(jì)算結(jié)果是有出入的。除液氨可直接作為肥料外，農(nóng)業(yè)上使用的氮肥，例如尿素、硝酸銨、磷酸銨、氯化銨以及各種含氮復(fù)合肥，都是以氨為原料的。沸點(diǎn) ℃ 。遇熱、明火 ,難以點(diǎn)燃而危險(xiǎn)性較低 。 1910 年成功地建立了能生產(chǎn) 80 氨的試驗(yàn)裝置。 (2)凈化 對(duì)粗原料氣進(jìn)行凈化處理，除去氫氣和氮?dú)庖酝獾碾s質(zhì)，主要包括變換過(guò)程、脫硫脫碳過(guò) 程以及氣體精制過(guò)程。 粗原料氣經(jīng) CO 變換以 后，變換氣中除 H2 外，還有 CO CO 和 CH4 等組分，其中以 CO2 含量最多。為了防止對(duì)氨合成催化劑的毒害，規(guī)定 CO 和 CO2 總含量不得大于 10cm3/m3(體積分?jǐn)?shù) )。氨合成反應(yīng)在較高壓力和催化劑存在的條件下進(jìn)行，由于反應(yīng)后氣體中氨含量不高，一般只有 10%~20%，故采用未反應(yīng)氫氮?dú)庋h(huán)的流程 [10]。在與國(guó)際接軌后，具備與國(guó)際合成氨產(chǎn)品 的能力，今后發(fā)展重點(diǎn)是調(diào)整原料和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步改善經(jīng)濟(jì)性 [12]。 產(chǎn)品多樣化當(dāng)今，從制氨用合成氣出發(fā)，在制取合成氨的同時(shí)，聯(lián)產(chǎn)甲醇和碳一化產(chǎn)品，已成為資源綜合利用的有效途徑。 。 圖 31 為合成系統(tǒng)示意流程 圖 1—合成塔， 2—水冷器， 3—水冷后氨分離 器， 4—循環(huán)機(jī)， 5—油分離器， 8 6—一級(jí)氨冷器， 7—一級(jí)氨分離器， 8—二級(jí)氨冷器， 9—冷交換器； V0 — 新鮮氫氮?dú)猓?V1 — 放空氣， V2 — 進(jìn)塔氣， V3 — 出塔氣 。 《制冷機(jī)及制冷設(shè)備》克魯西林公式管外給熱系數(shù) Cq?? (318) 由上?；W(xué)院：螺旋板式熱交換器設(shè)計(jì)與計(jì)算 , 1972； Ф500 微碳純鐵單管并流氨合成塔內(nèi)件計(jì)算說(shuō)明書(shū)， 1973 有： 螺旋總?cè)?shù) N=21)(2 200 ?? ?? bdD ? ? (319) 每塊板的平均圈數(shù) n= mN (320) 每塊板的平均長(zhǎng)度 )()(4)( 2 bnbnl nd n ?????? ?????? (321) 10 環(huán)保及安全要求 實(shí)施與環(huán)境友好的清潔生產(chǎn)是未來(lái)合成氨裝置的必然和惟一的選擇。但至合成工段，循環(huán)氣中的氬含量上升至 3%左右，若不從氮中分出來(lái)，將導(dǎo)致較大的誤差，故合成工段按照氮、氬分 開(kāi) .將氬計(jì)入惰性氣體進(jìn)行計(jì)算。 2． 精煉氣成份可參見(jiàn)表 41. 3． 進(jìn)塔氣中氨含量： % 4． 出塔氣中氨含量： 11% 5． 出塔氣中惰性氣體含量： % 6． 精煉氣溫度： 35℃ 7． 壓力 :循環(huán)機(jī)出口 Mpa，其余各點(diǎn)壓力見(jiàn)示意流程圖 8． 氣體在液氨中的溶解量忽略不計(jì)，熱 (冷 )損失亦忽略不計(jì)。 表 46 塔出口所體組成 成份 H2 N2 CH4 Ar NH3 合計(jì) 標(biāo)準(zhǔn)米3 % 100 （１ ) 進(jìn)口與合成塔出口氣體相同 (２ ) 出口 設(shè)：水次器出口溫度為 35℃ ? =308K， ? = 大氣壓 由《氮?dú)夤ぷ髡呤謨?cè)》中拉爾遜一布列克經(jīng)驗(yàn)公式 ： logyA=+－ 式中 ： yA—液氨上方氣體中的平衡氨濃度， %； ? —混合氣體的壓力，大氣壓； ? —混合氣體的絕對(duì)溫度， ? 。 表 48 冷交換器出口熱氣體組成 成份 H2 N2 CH4 Ar NH3 合計(jì) 標(biāo)準(zhǔn)米3 % 100 17 設(shè) ： 一級(jí)氨冷器出口溫度為 7℃ , T=280K, P = 大氣壓。 6. 冷凝的總氨量 19 ++= 標(biāo)準(zhǔn)米 3 或 ++= 千克 7. 精煉氣消耗定額 1000?= 標(biāo)準(zhǔn)米 3/千克 = 標(biāo)準(zhǔn)米 3/噸氨 熱量衡算 計(jì)算基準(zhǔn) :1000 標(biāo)準(zhǔn)米 3 精煉氣 小時(shí)氨產(chǎn)量 :680 千克 基準(zhǔn)溫度 :0℃ 液氨的焓 :《氮?dú)夤ぷ髡呤謨?cè)》 (54 頁(yè) )飽和氨蒸汽表中，液氨的焓是以 0℃ 為基準(zhǔn)的，故下文中液氨的焓，采用此書(shū)中的數(shù)據(jù) (摘錄于 174 頁(yè) )。(2)以 t℃ 和 0℃ 的平均溫度下 (即 2t ℃ )的真實(shí)分子熱容作為 t℃