【正文】 出口 (液體 )17 摩爾分?jǐn)?shù) % 0 0 0 0 1 1 m3/T(NH3) 0 0 0 0 m3/h 0 0 0 0 kmol/h 0 0 0 0 氨 冷器進(jìn)口 (氣體 )18 摩爾分?jǐn)?shù) % 20 100 m3/T(NH3) m3/h kmol/h 氨冷器進(jìn)口 (液體 )18 摩爾分?jǐn)?shù) % 0 0 0 0 1 1 m3/T(NH3) 0 0 0 0 m3/h 0 0 0 0 kmol/h 0 0 0 0 氨冷器出口 (液體 )2 摩爾分?jǐn)?shù) % 0 0 0 1 m3/T(NH3) m3/h kmol/h 新鮮補充氣⑴ 摩爾分?jǐn)?shù) % 0 0 m3/T(NH3) 0 0 m3/h 0 0 kmol/h 0 0 馳放氣組成 20 摩爾分?jǐn)?shù) % m3/T(NH3) m3/h 875 kmol/h 液氨貯槽進(jìn)口液體 21 摩爾分?jǐn)?shù) % 100 m3/T(NH3) m3/h 177 kmol/h 產(chǎn)品液氨 19 摩爾分?jǐn)?shù) % 0 100 m3/T(NH3) m3/h kmol/h 年產(chǎn) 8 萬噸合成氨合成工段設(shè)計 說明書 25 熱量衡算 冷交換器熱量衡算 （ 1） 熱氣進(jìn)口溫度 冷交換器熱氣進(jìn)口溫度等于水冷器氣體出口溫度，由題意知 t1=35℃ （ 2） 冷氣進(jìn)口溫度 為了保證合成塔入口氨含量在 %，出氨冷器氣體的氨含量必須小于或等于 %，設(shè)過飽和度為 10%，則在該冷凝溫度下的平衡氨含量為 yNH3= 100%=% 查《小氮肥廠工藝設(shè)計手冊》圖平衡氨含量為 %時的冷凝溫度 t2=10℃ ，故冷氣進(jìn)口溫度等于 10℃ （ 3） 熱氣體帶入熱量 熱氣體在器內(nèi)處與氨飽和區(qū)內(nèi)，計算氣體比熱容時先求常壓下氣體比熱容，然后用壓力校正的辦法計算實際的氣體比熱容。(0N2)= 100﹪ =% 入口液體中組分含量 m180。 G％ =（ 1+y5NH3） (y8NH3yNH3)/(( y8NH3 y5NH3) (1 yNH3)) =[(1+）（ ） ]/ [（ ）（ ） ] =％ 水冷后分離液氨占總量的 ％冷交，氨冷后分離液氨占總量的年產(chǎn) 8 萬噸合成氨合成工段設(shè)計 說明書 14 ％。升溫后從冷氣出口出來分五路進(jìn)入合成塔、其中三路作為冷激線分別調(diào)節(jié)合成塔。中壓法技術(shù)比較成熟，經(jīng)濟性比較好，在 15～30Pa 的范圍內(nèi)，功耗的差別是不大的，因此世界上采用此法的很多。 (3)預(yù)熱反應(yīng)前的氫氮混合氣和預(yù)熱高壓鍋爐給水。目前回收利用反應(yīng)熱的方法主要有以下幾種： (1) 預(yù)熱反應(yīng)前的氫氮混合氣。 (5)惰性氣體的排除 氨合成循環(huán)系統(tǒng)的情性氣體通過以下三個途徑帶出： (1)一小部分從系統(tǒng)中漏損； (2)一小部分溶解在液氨中被帶走； (3)大部分采用放空的辦法，即間斷或連續(xù)地從系統(tǒng)中排放。在水冷器和氨冷器之后設(shè)置氨分離器，把冷凝下來的液氨從氣相中分離出來，經(jīng)減壓后送至液氮貯槽。若采用離心式壓縮機或采用無油潤滑的往復(fù)式壓縮機，氣體中不含油水，可以取消濾油設(shè)備，簡化了流程。 因此，合成氨生產(chǎn)必須滿足高溫、高壓、高純度要求。 2 生產(chǎn)流程及生產(chǎn)方法的確定 氨的合成工段，其主要任務(wù)是在適宜的溫度、壓力和有觸媒催化的條件下，將經(jīng)過精制的氫氮混合氣體，在合成塔內(nèi)直接合成為氨。液氨或氨水濺入眼內(nèi)，可造成眼睛嚴(yán)重?fù)p傷 ，出現(xiàn)眼瞼水腫，眼結(jié)膜迅速充血水腫，眼劇痛，角膜混濁，甚至因角膜潰瘍、穿孔而失明。車間空氣中氨的最高容許濃度為 30 毫克／米 3。操作壓力 300atm 時，一般進(jìn)塔氨含量控制在 ～ ％； 150atm 時，為 ～ ％。但是，維持過低的惰氣含量又需大量排放循環(huán)氣導(dǎo)致原料氣消耗量增加。 氫氣來源于水或含有烴類的各種燃料，它取決于用什么方法制取。 (3)低壓法 操作壓力 10MPa 左右，溫度 400～ 450℃。又因為是高溫高壓操作，對設(shè)備制造、材質(zhì)要求都較高，投資費用大。節(jié)省的巨額資金 ,用作農(nóng)田水利建設(shè)和農(nóng)產(chǎn)品深加工 ,將在加速農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展 ,提高農(nóng)民生活水平 ,縮小城鄉(xiāng)差距起著重要用。農(nóng)業(yè)生產(chǎn) ,“有收無收在于水 ,收多收少在于肥”。 (3)市場需要 據(jù)資料統(tǒng)計 :1997 年世界合成氨年產(chǎn)量達(dá) ?？梢姡铣砂惫I(yè)是氮肥工業(yè)的基礎(chǔ)，對農(nóng)業(yè)增產(chǎn)起著重要的作用。常溫下氨在空氣中的爆炸范圍為 ～ 28％，在氧氣中為 ～ 82％。氨是一種無色具有強烈刺激性、催淚性和特殊臭氣的無色氣體，比空氣輕，相對密度 ，熔點－ ℃；沸點－ ℃。有利于“提高裝置生產(chǎn)運轉(zhuǎn)率、延長運行周期”的技術(shù) ,包括工藝優(yōu)化技術(shù)、先進(jìn)控制技術(shù)等將越來越受到重視。 (1) 大型化、集成化、自動化 , 形成經(jīng)濟規(guī)模的生產(chǎn)中心、低能耗與環(huán)境更友好將是未來合成氨裝置的主流發(fā)展方向。氨主要用于農(nóng)業(yè) ,合成氨是氮肥工業(yè)的基礎(chǔ)，氨本身是重要的氮素肥料，其他氮素肥料也大多是先合成氨、再加工成尿素或各種銨鹽肥料，這部分約占 70 %的比例，稱之為“化肥氨”；同時氨也是重要的無機化學(xué)和有機化學(xué)工業(yè)基礎(chǔ)原料，用于生產(chǎn)銨、胺、染料、炸藥、制藥、合成纖維、合成樹脂的原料，這部分約占 30 %的比例 ,稱之為“工業(yè)氨”。 實施與環(huán)境友好的清潔生產(chǎn)是未來合成氨裝置的必然和惟一的選擇。 5. 進(jìn)行管路配置設(shè)計，并繪制管路布置圖。氨在高溫下 (800℃以上 )分解成氮和氫； 年產(chǎn) 8 萬噸合成氨合成工段設(shè)計 說明書 3 氨具有易燃易爆和有毒的性質(zhì)。以氨為主要原料可以制造尿素、硝酸銨、碳酸氫銨、硫酸銨、氯化銨等氮素肥料。 合成氨工業(yè)的迅速發(fā)展，也促進(jìn)和帶動了許多科學(xué)技術(shù)部門的發(fā)展，如高壓技術(shù)、低溫技術(shù)、催化技術(shù)、特殊金屬材料、固體燃料氣化、烴類燃料的合理利用等。因而合成氨的持續(xù)健康發(fā)展還有相當(dāng)長的路要走。今后應(yīng)利用國內(nèi)開發(fā)和消化吸收引進(jìn)的工藝技術(shù) ,自力更生 ,立足國內(nèi) ,走出一條具有中國特色的社會主義民族工業(yè)的發(fā)展道路。這種方法的主要優(yōu)點是氨合成效率高，混合氣中的氨易被分離。但功耗決不但取決于壓力一項，還要看其它工藝指標(biāo)和流程的布置情況。 產(chǎn)品方案 產(chǎn)品的名稱：氨 (NH3)； 產(chǎn)品的質(zhì)量規(guī)格：液體純氨； 產(chǎn)品的規(guī)模： 80 kt/a 液氨； 產(chǎn)品的包裝方式：氨為高壓低溫液體，合成后直接送到下一工段作為原料繼續(xù)生產(chǎn)，多余部分設(shè)立氨儲槽儲存起來。如果略 去氫及氨在液氨中溶解損失的少量差異，氨合成反應(yīng)氫與氮總是按 3： 1 消耗，新鮮氣氫氮比應(yīng)控制為 3，否則循環(huán)系統(tǒng)中多余的氫或氮就會積累起來，造成循環(huán)氣中氫氮比的失調(diào)。初始氨含量的高低取決于氨分離的方法。 為防止 CO 和 CO2 對催化劑的毒害，規(guī)定 CO 和 CO2 總含量不得多余20ppm[5]。氨氣刺激眼睛能引起角膜炎。比如，隔油池中廢水就含有 COD。 在整個合成氨生產(chǎn)過程中，合成氨生產(chǎn)比較復(fù)雜，始終存在著高溫、高壓、易燃、易爆、易中毒等危險因素，各種控制條件比較嚴(yán)格，稍有疏忽就可能發(fā)生事故。當(dāng)使用往復(fù)式壓縮機時，在壓縮過程中氣體夾帶的潤滑油和水蒸汽混合在一起，呈細(xì)霧狀懸浮在氣流中。氨分離的方法有兩種，一是水吸收法；二是冷凝法，將合成后氣體降溫，使其中的氣氮冷凝成液氨，然后在氨分離器中，從不凝氣體中分離出來。由于氣體在設(shè)備、管道中流動時，產(chǎn)生了壓力損失。 有些工廠設(shè)置二循環(huán)合成系統(tǒng)，合成系統(tǒng)放空氣進(jìn)入二循環(huán)系統(tǒng)的合成塔，繼續(xù)進(jìn)行合成反應(yīng)，分離氨后部分情性氣體放空，其余部分在二循環(huán)系統(tǒng)繼續(xù)循環(huán)。既在塔內(nèi)設(shè)置換熱器預(yù)熱反應(yīng)前的氫氮混合氣，又利用余熱副產(chǎn)蒸汽。 氨合產(chǎn)工藝的選擇 考慮氨合成工段的工藝和設(shè)備問題時，必須遵循三個原則：一是有利于氨的合成和分離；二是有利于保護催化劑，盡量延長使用壽命；三是有利于余熱回收降低能耗。高壓過熱蒸汽的價值較高 , 當(dāng)然投資要多 , 根據(jù)整體流程統(tǒng)一考慮。 入塔甲烷含量： y5CH4=％ （ +） 100％ =％； 入塔氫含量： y5H2=［ 100（ +17）］ 3/4 100％ =％； 入塔氬含量： y5Ar=17％ ％ =％； 入塔氮含量： y5N2=［ 100（ +17）］ 1/4 100％ =％ 表 42 入塔 氣組分含量（％） NH3 CH4 Ar H2 N2 小計 100 （ 2）合成塔出口氣組分： 以 1000kmol 入塔氣作為基準(zhǔn)求出塔氣組分， 由下式計算塔內(nèi)生成氨含量： MNH3=M5(y8NH3y5NH3)/(1+y8NH3)=1000( )/(1+)= 出塔氣量 : M8=入塔氣量 — 生成氨含量 == 出塔氨含量： y8NH3=％ 出塔甲烷含量： y8CH4=(M5/M8) y5CH4=(1000/) ％ =％ 年產(chǎn) 8 萬噸合成氨合成工段設(shè)計 說明書 12 出塔氨含量： y8Ar=(M5/M8) y5Ar=1000/ ％ =％ 出塔氫含量： y8H2=3/4(1y8NH3y8CH4y8Ar) 100％ =3/4() 100％ =％ 出塔氮含量： y8N2=1/4() 100％ =％ 表 43 出塔氣體組分含量（％） NH3 CH4 Ar H2 N2 小計 100 （ 3）合成率： 合成率 =2MNH3/［ M5(1y5NH3y5CH4y5Ar)］ 100％ =2 ［ 1000 ()］ 100％ =％ 氨分離器氣液平衡計算 表 45 已知氨分離器入口混合物組分 m(i) NH3 CH4 Ar H2 N2 小計 查 t=35℃， P= 時各組分平衡常數(shù)： 表 46 各組分平衡常數(shù) KNH3 KCH4 KAr KH2 KN2 設(shè)（ V/L） = 時，帶入 L (i)=m(i)/［ 1+(V/L) K(i)］ =L(i): LNH3=mNH3/［ 1+(V/L) KNH3］ = LCH4= mCH4/［ 1+(V/L) KCH4］ = Kmol LAr=mAr/［ 1+(V/L) KAr］ = Kmol LH2=mH2/［ 1+(V/L) KH2］ = LH2=mN2)/［ 1+(V/L) KN2］ = Kmol L 總 = L(NH3)+ L(CH4)+ L(Ar)+ L(Ar)+ L(H2)+ L(N2)= Kmol 分離氣體量： V=1L== Kmol 計算氣液比：（ V/L） ＇ = 誤差［（ V/L） （ V/L）＇］ /（ V/L） =（ ） / 100％ =％，結(jié)果合理。(0CH4)= 100﹪ =﹪ 入口液體中氬含量 m180。 V 出 = m３ 。 7MPa 下的氣體反應(yīng)熱簡化計算公式為： H=11599+, t=370℃代入得： H=11599+ 370=由物料平衡計算知氨產(chǎn)量Δ VNH3=(標(biāo)） = 年產(chǎn) 8 萬噸合成氨合成工段設(shè)計 說明書 30 則合成塔內(nèi)反應(yīng)熱 QR=(Hr)Δ VNH3= =(5) 二次入塔氣體帶入熱量 Q2 Q2=(Q1+Q3+Q損 )(QRQ5)=V2Cp2t2 t2=((Q1+Q3+Q損 )(QRQ5))/V1Cp1 (6) 合成塔一出氣體帶出熱量 Q1 查 t=℃ P= 混合氣體熱容： 表 427 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=(Kmol℃ ) Q1= =(7) 合成塔二出氣體帶出熱量 Q1 當(dāng) t=370℃ P= 混合氣體熱容： 表 428 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