【正文】 合成氨的生產(chǎn)過程，主要包括以下三個步驟： （ 1） 造氣：即制備含有氫、氮的原料氣； （ 2） 凈化：采用適當(dāng)?shù)姆椒ǔピ蠚庵泻械膶铣砂庇泻Φ母鞣N雜質(zhì)； （ 3） 壓縮和合成：將合格的氫、氮混合氣壓縮到高壓，在鐵催化劑的存在下合成氨。 小型氨廠的發(fā)展 為了適應(yīng)農(nóng)業(yè)發(fā)展的迫切需要，發(fā)展中央和地方辦化肥廠的積極性， 1958年著名化學(xué)家侯德榜提出碳化法合成氨流程制取碳酸氫氨新工藝，經(jīng)過生產(chǎn)實驗，歷時 6年，終于闖過了技術(shù)關(guān)，經(jīng)濟(jì)關(guān)。氨能生成各種加成配位 化合物，它們和水合物類似，統(tǒng)稱氨合物或氨絡(luò)物，例如對應(yīng) CaCl. 6H2O和Cu SO4 . 4H2O,也分別有 CaCl. 6 NH3 和 Cu SO4 . 4 NH3。 氨的主要物理性質(zhì) ： 相對分子質(zhì)量 沸點 – 含氮量 /% 蒸發(fā)熱 摩爾體積 冰點 /℃ 6 – 液體密度（ 熔化熱（ ℃ ） (kJ /kg) 液體密度 氣體高熱值 /（ MJ/） m3 界濕度 /℃ 液體高熱值 /（ MJ/kg） 臨界壓力 /MPa 液體低熱值 /（ MJ/kg） 臨界體積 /L/kg 標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓 臨界密度 /(g/ cm3) 0235 標(biāo)準(zhǔn)摩爾熵 臨界熱導(dǎo)率 /[W/（ m 中華人名共和國建立以來，化工部門貫徹農(nóng)業(yè)服務(wù)的方針，把發(fā)展化肥生產(chǎn)放在首位。一氧化碳 。s yi —— 混合氣體中 i組分摩爾分?jǐn)?shù) Mi—— 混合氣體中 i組分的分子量 Sa —— 弓形截面積， m2 hˊ —— 弓形高度， m H —— 檔板間距， m F—— 傳熱面積 ， m2 L—— 列管長度 ， m K—— 總傳熱系數(shù) ， kJ/(m2 k) Kp —— 平衡常數(shù) Kt—— 反應(yīng)速率常數(shù)， mol/（ ℃ )或 kJ（ kg經(jīng)一段反應(yīng)后的變換氣在段間補充水分后進(jìn)入變換爐二段，二段反應(yīng)后變換氣進(jìn)入中間換熱器，達(dá)到一定溫度后進(jìn)入三段反應(yīng) ,最終將半水煤氣中 CO的含量由 %降低至 %左右，使之符合年產(chǎn) 9萬噸中溫變換工藝設(shè)計的要求。催化劑的活性溫度越低，在相同條件下， CO 的平衡變換率越高，即變換氣中含 CO越低，從而可節(jié)省蒸汽用量。 氨的性質(zhì)和用途 氨的分子式 NH3，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下是無色氣體，比空氣輕，具有特殊的刺激性臭味。 氨與空氣或氧的混合物在一定范圍內(nèi)能夠發(fā)生爆炸。 初液氨可直接作為肥料外，農(nóng)業(yè)上使用的氮肥，例如尿素，磷酸氨，硝酸氨，硫酸氨，氨水以及含氮混肥和復(fù)肥為原料的。氫氣一般常用含有烴類的各種燃料，即通過用焦炭、無煙煤、天然氣、重油等為原料與水蒸氣作用的方法來制取。一般固體燃料氧制得的水煤氣中含 CO35%— 37%，半水煤氣中含 CO25%— 34%，天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制得的轉(zhuǎn)化氣中含 CO 較低，一般為 12%— 14%，一氧化碳不是合成氨生產(chǎn)所需要的直接原料，而且在一定條件下還會與合成氨的鐵系催化劑發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致催化劑失活。液氮洗滌可以同時脫除一氧化碳和甲烷，氣體凈制程度較高，但需要空氣分離裝置，此法主要用在焦 爐分離以及重要部分氧化、煤富氧氣化的制氨流程中。我國以無煙煤或焦碳為原料的合成氨廠多采用銅洗流程。由于本設(shè)計要求聯(lián)產(chǎn)甲醇，沒必要采用低溫變換將 CO降至 %，用中溫變換就能滿足生 產(chǎn)要求，是原料氣在出變換系統(tǒng)的含量在 3%左右，且中溫變換的 催化劑操作溫度較寬，價格低，壽命長。由飽和塔通過 U 型管流入熱水塔，在經(jīng)熱水泵重復(fù)循環(huán)。所以 Kp=))(( ))(( 00 22 22 pabHco padpacHco Hco xyyyy xyyxyypp pp ?? ????? 已知溫度及初始組成，則可根據(jù)上敘關(guān)系計算 CO 的平衡變換率 xp 及系統(tǒng)平衡組成。流程三所需外加蒸汽遠(yuǎn)小于流程二。在反應(yīng)能依賴自熱進(jìn)行的條件下，影響經(jīng)濟(jì)性的因素則主要取決于蒸汽的消耗量。因此，適當(dāng)增加汽氣比是完全必要的。 年產(chǎn) 20 萬噸合成氨生產(chǎn)能力： 每小時 生產(chǎn)量： 202000 27. 8 /300 24 th?? 中變爐物料及熱量計算 干變換氣量及熱量計算：設(shè)氧與氫在變換爐一段催化劑內(nèi)完全燃燒生成水，由 ： 2 2 2O 2H 2H O?? 知，實際參加 CO 變換 反應(yīng) 的半水煤氣量為 ： 2 3O3 0 2 2 . 1 3 3 V 3 0 2 2 . 1 3 3 1 2 . 0 9 2 9 8 5 . 8 6 N m? ? ? ?－ 則干變換氣量應(yīng)為 ..coV V V y X??變 14 式中： y —— 半水煤氣體積； yco —— 混合氣中 CO含量，體積 %； CO 總變換率為 ： 39?！? CH4 kJ/ kmol 由于 B109 催化劑 E1=67156 kJ / kmol， CO 變換的逆反應(yīng)活化能 E2為 ： ? ?2 1 RE E r H? ? ?V 對于變換反應(yīng) r=1 則 ： ? ?2 R 1E H E? ? ?V △H R 為反應(yīng)熱 ，取其平均溫度下的值，即 320 480 400??（ ） ℃，得： RH 9 1 9 9 . 2 1 c a l / k m o l 3 8 5 1 5 . 3 4 k J / k m o l? ? ?V 2E 10 5 6 7 k J / k m o l? 表 5 氣體最適宜溫度 Xp tm/℃ Xp tm/℃ Xp tm/℃ 用以上數(shù)據(jù)作圖即得最適宜溫度曲線 。 1Q 3 8 5 0 0 9 . 4 7 4 3 6 4 7 4 9 . 0 0 k J? ? ? 氣體升溫吸收熱 Q2 ： 濕變換氣在平均溫度 384℃ 的平衡熱量 得 kJ/(kmol 三段催化劑床層的物料衡算 ： CO 的變換量 ： 31 6 6 . 6 6 1 2 2 5 4 . 6 6 N m 2 . 4 4 k m o L? ? ? 出口干氣總量 ： 33 6 8 0 . 4 5 4 . 6 6 3 7 3 5 . 0 6 N m 1 6 6 . 7 4 k m o l? ? ? CO 在三段催化劑床層的變換率為 ： ? ?1 6 6 . 6 6 1 2 2 / 1 6 6 . 6 6 1 0 0 % 3 2 . 8 5 %? ? ? 表 10 出三段催化劑層濕氣組成 組成 CO2 CO H2 N2 CH4 H2O 合計 % 100 N m3 112 kmol 設(shè)三段催化劑層出口氣體溫度為 344℃ ， 取平衡溫距為 25℃ ， 則t 357 25 369? ? ? ℃,則 CO的平衡變換率可算得 ： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?p c o 2 H 2 O c o H 2 O p p p pK P P / P P c a x d a x / a a x b a x 1 6 . 5 6??? ? ? ? ? ? ??? 解上式得 :Xp=% 出口氣體溫度校檢 ： 222p C O % %K 1 6 .5 3%%HC O H O??ˊ 計算得結(jié)果與 382℃ 時的 Kp值相近，符合要求。 圖 1 變換爐工藝條件計100 50 0CO變換率%250 290 330 370 410 450 490溫 度 ℃ 22 飽和 熱水塔出口熱水溫度估算 水加熱器出口變換氣溫度 設(shè)出水加熱器氣體壓力為 ,氣體中水蒸氣分壓為 ： 查蒸汽性質(zhì)表得露點溫度 t=150℃ ，設(shè)水加熱器出口溫度為 156℃ ，即入熱水塔變換氣溫度為 156℃ ?！? ?！? 。 [8] 2Q 1 8 8 . 8 3 3 2 . 3 7 6 6 1 1 3 . 4 3 K J? ? ? 合計 3 1 4 0 5 2 8 6 1 1 3 tk J? 出熱 設(shè)備出口變換器帶出熱 Q3 ， 350℃ 時計算出氣體平均比熱容 查得 pC = Kj/(kmol 出熱交換器的變換氣的溫度： 入熱 變換器帶入熱 Q1 變換氣在 344℃ 時 氣體平均比熱容 得 ? ? / km ol? ℃。℃) 。 3Q 1 8 8 . 8 3 3 2 . 2 5 2 5 6 1 5 5 8 9 8 0 . 4 8 k J? ? ? ? 變換器帶出熱 Q4： 設(shè)變換 器出口 溫度為 294℃ ，在 294℃ 時 變換器 的比 熱容 kJ/(kmol 1Q 1 3 4 . 9 1 7 3 0 . 9 70 1 5 0 6 2 6 7 5 6 . 9 2 k J? ? ? ? 過熱蒸汽量 Q2： 350℃ ， 過熱蒸汽的焓 查得 i 7 5 5 k c a l / k g 3 1 6 1 . 0 3 4 k J / k g?? . 需要補充的過熱蒸汽的量 ： 5 3 .9 1 3 1 .0 5 3 1 8 4 1 1 .4 2 6 k g? ? ?（ ） 2Q 4 1 1 . 4 2 6 3 1 6 1 . 0 3 4 1 3 0 0 5 3 1 . 6 5 k J? ? ? 半水煤氣中 蒸汽量 Q3： 150℃ 時的蒸汽焓 i kJ / kg.? 3Q 3 1 . 0 5 3 1 8 2 7 5 0 . 7 1 5 3 7 5 1 4 . 7 7 k J? ? ? ? 合計 蒸汽混合后： 設(shè)干半水煤氣與蒸汽混合后溫度為 170℃ ，干半水煤氣 170℃ 時的比熱容 查得 (kmol 即熱水塔排水溫度為 ℃ 進(jìn)飽和塔水溫核算 水加熱器供熱 ： 1165120kJ 水吸收熱 ： H 1 1 6 5 1 2 0 / 2 2 0 0 0 5 2 .9 6 k J?? 進(jìn)塔熱水的焓 ： H 6 0 5 .3 5 5 2 .9 6 6 5 8 .3 1 k J? ? ? 解得 t=155℃ ， 與所假設(shè)的飽和塔熱水進(jìn)口溫度一致。 4Q 2 1 4 5 2 4 H k J? 熱損失 : 5Q 36000kJ? 合計： kJ 熱平衡 ： 1 2 3 4 5Q Q Q Q Q? ? ? ? 得 ? ?H 1 4 4 8 7 4 9 1 . 6 2 2 0 0 2 6 7 . 0 4 8 / 2 1 4 5 5 . 3 0 5 9 6 . 2 2 k J? ? ? 查表得出塔水溫 t=136℃ 。 出飽和塔半水煤氣溫度取 150℃ 。 [8]則 ： 2Q 2 1 4 3 5 . 1 4 t 7 5 1 9 . 8 t k J? ? ?VV 熱損失 Q3：設(shè) Q3=5000 熱平衡 ： Q1 = Q2+ Q3 即 ： 9 5 1 6 0 7 5 1 t 5 0 0 0??V 解得 ： t 12?V ℃ 三段催化劑層出口變換氣溫度為 ： t 350 12 362? ? ? ℃ 三段催化劑層平衡曲線計算 入三段催化劑汽 /氣比為 ： 100。 入二段催化劑汽 /氣比為 :100,根據(jù)二段催 化劑床層氣體組成 按 式(433)就算出各溫度下的 CO 的平衡變換率 。 氣體放出熱 Q1設(shè)噴水后氣體溫度為 360℃ ，氣體從 480℃ 降到 360℃ 的平均溫度為 420℃ 下，查 圖 461圖 462 并計算得比熱容為 ： [8] p .mC 3 1 5 k J / k m o l? 18 1Q 2 1 6 3 1 5 t?? V 冷 凝水吸收熱 Q2 ： 進(jìn)水溫度為 70℃ ， 查得 70℃ 時水的焓為 kJ/kg； 360℃ 、 時蒸汽的焓 為 kJ /kg。 3Q 3 4 .7 9 2 6 1 8 8 .2 9 4 t? ? ?V 熱損失 Q4：取 Q4= 熱平衡 1 2 3 4Q Q Q Q? ? ? 即 1 0 9 0 9 8 0 . 2 2 4 1 7 5 2 6 .