【正文】 = 7879296 kJh1，在冷凝塔中，主要的是循環(huán)機(jī)過(guò)來(lái)的氣體進(jìn)入冷凝塔，與從氨冷器出來(lái)的氣體進(jìn)行熱交換，由于在 此期間氨氣的蒸發(fā)量和冷凝量都很小，故忽略氨的蒸發(fā)量和冷凝量。h1 ∴ 假設(shè)的進(jìn)口溫度 t1 = 23 ℃ ,t2 = 0 ℃ 滿足條件。(molh1,YH2,15=60％ ,YN2,15=26％ ,YO2,15=5％ ,YAr,15=3％ ,YNH3,1=6％。h1= Nm3h1 ⑧ 把 ⑦ 代入 ⑥ 式，可得： F1 = 1714 kmol 襄樊學(xué)院 2021屆學(xué)士學(xué)位設(shè)計(jì) （ 論文 ） 報(bào)告紙 16 第三章 工藝流程簡(jiǎn)述 合成工段工藝流程簡(jiǎn)述 由高壓機(jī)送來(lái)的新鮮氣與冷凝塔一次出口循環(huán)氣混合送入氨冷器，在氨冷器內(nèi)，氣體 過(guò)管內(nèi)，液氨過(guò)管外，由于液氨的蒸氣吸取熱量，氣體被進(jìn)一步冷卻，并使氣體中部分氣氨冷凝管外蒸氣的氣氨經(jīng)沫除器分離掉液氨后，去氨氣柜或硝銨車間。 ⑶ 塔進(jìn)口氨含量 進(jìn)塔氣體中氨的含量，主要決定于氨分離時(shí)的冷凝溫度和分離效率。 惰性氣體來(lái)源于新鮮氣，隨著合成反應(yīng)的進(jìn)行，它們不參與反應(yīng)而在系統(tǒng)中積累，這樣合成系統(tǒng)中惰性氣體越來(lái)越多，為了提高氨的合成率，必須不斷在循環(huán)氣中將它們排放出去。貯槽壓力一般為 ～ MPa，此時(shí)， 冷凝過(guò)程中溶解在液氨中的氫、氮及惰性氣體大部分可減壓釋放出來(lái)。 綜合以上各方面的考慮，空間速度的增加是有限度的。 ⑶ 空間速度 空間速度反映氣體與催化劑接觸時(shí)間的長(zhǎng)短。反應(yīng)溫度不能低于活性溫度，在活性溫度范圍內(nèi)選用較低溫度 ，也有利于延長(zhǎng)催化劑的使用壽命。要根據(jù)能量消耗、原料費(fèi)用、設(shè)備投資等綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果來(lái)選擇操作壓力。壓力增加平衡常數(shù)增大，因而平衡氨含量也增大。 ⑶ 中壓法 操作壓力為 20～ 35 MPa 的稱為中壓法，操作溫度為 450～ 550 ℃ 。也可用磁鐵礦作催襄樊學(xué)院 2021屆學(xué)士學(xué)位設(shè)計(jì) （ 論文 ） 報(bào)告紙 12 化劑，操作溫度 450～ 550 ℃ 。 襄樊學(xué)院 2021屆學(xué)士學(xué)位設(shè)計(jì) （ 論文 ） 報(bào)告紙 11 第二章 流程方案的確定 生產(chǎn)原理 氨是由氣態(tài)氮和氫在適宜溫度壓力 ,并有觸媒的作用下發(fā)生反應(yīng)的 ,其反應(yīng)式為： 3/2H2+1/2N2 NH3+ kJ 此式為一不可逆，放熱，體積縮小的反應(yīng)，其反應(yīng)過(guò)程為： N2（擴(kuò)散） 2N（吸附） 2NH（吸附） 2NH2（吸附）2NH3（附） 2NH3（擴(kuò)散到氣相） 氨合成的反應(yīng)特點(diǎn)： ⑴ 反應(yīng)過(guò)程要在高壓下進(jìn)行，壓力越高，越有利于氨的合成。合成氨成本中能源費(fèi)用占較大比重，合成氨生產(chǎn)的技術(shù)改進(jìn)重點(diǎn)放在采用低能耗工藝、充分回收及合理利用能量上，主要方向是研制性能更好的催化劑、開(kāi)發(fā) 新的原料氣凈化方法、降低燃料消耗、回收和合理利用低位熱能等。建議針對(duì)不同企業(yè)采用不同的技術(shù)路線。第一次世界大戰(zhàn)結(jié)束后 ,轉(zhuǎn)向?yàn)檗r(nóng)業(yè)、工業(yè)服務(wù)。 在上吹階段中，由煤氣發(fā)生爐爐底吹入空氣 水蒸氣混合氣，半水煤氣由爐頂排出。 混合煤氣：以空氣和適量的水蒸氣為汽化劑制取的煤氣，一般作燃料用。 氮?dú)庵饕菑目諝庵刑崛?。氨水中的氨極易揮發(fā)。硝酸銨既是優(yōu)良的化肥，又是安全炸藥，在礦山開(kāi)發(fā)等基本建設(shè)中 廣泛應(yīng)用。大氣中存在有大量的氮，在空氣中氨占 78％（體積分?jǐn)?shù)）以上，它是以游離狀態(tài)存在的。 由于編者自身的知識(shí)水平和認(rèn)識(shí)水平的有限，書(shū)中錯(cuò)誤與不妥之處，懇請(qǐng)讀者批評(píng)指正。在全面介紹化工設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)上，重點(diǎn)闡述工藝流程設(shè)計(jì)、物料和能量衡算 及車間布置等內(nèi)容，并結(jié)合工藝計(jì)算、工程經(jīng)濟(jì)，力求體現(xiàn)當(dāng)今化工設(shè)計(jì)的水平。生產(chǎn)的氨的用途和產(chǎn)生的三廢在本設(shè)計(jì)也有所提到，在合成效率 方面也有進(jìn)一步研究。液氨可以直接用作肥料，它的加工產(chǎn)品有尿素、硝酸銨、氯化氨和碳酸氫氨以及磷酸銨、氮磷鉀混合肥等。 襄樊學(xué)院 2021屆學(xué)士學(xué)位設(shè)計(jì) （ 論文 ） 報(bào)告紙 7 氣態(tài)氨易溶于水，成為氨水，氨水呈弱堿性。 氨與空氣 (或氧 )的混合氣 ,在一定濃度范圍內(nèi)能發(fā)生劇烈的氧化作用而爆 炸 .在常溫常壓下 ,氨與空氣爆炸界限為非作 15%～ 28%(NH3)。根據(jù)所用汽化劑的不同，工業(yè)煤氣可分為下列四種。吹風(fēng)氣送入燃燒蓄熱室，在此通入助燃空 氣使吹風(fēng)氣中的一氧化碳燃燒。 在空氣吹凈階段，從爐底吹入空氣，產(chǎn)生吹風(fēng)氣將半水煤氣經(jīng)燃燒室、廢熱鍋爐、洗氣箱及洗氣塔送入氣柜。 合成氨工業(yè)的現(xiàn)狀 我國(guó)合成氨工業(yè)存在一些特殊問(wèn)題，一是氮肥資源緊張。 襄樊學(xué)院 2021屆學(xué)士學(xué)位設(shè)計(jì) （ 論文 ） 報(bào)告紙 10 合成氨工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì) 合成氨工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)： ① 原料路線的變化方向。其產(chǎn)品集中度達(dá)到 50%，并形成 35 家在國(guó)際上有一定影響的大型企業(yè)集團(tuán)。 目前氨合成的方法，由于采用的壓力、溫度和催化劑種類的不同，一般可分為低壓法、中壓法和高壓法三種。從而簡(jiǎn)化了流程；設(shè)備和流程 比較低緊湊，設(shè)備規(guī)格小，投資少，但由于在高壓高溫下操作，對(duì)設(shè)備和管道的材質(zhì)要求比較高。 工藝流程的選擇 合成氨的生產(chǎn)工藝條件必須滿足產(chǎn)量高，消耗低，工藝流程及設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便及安全可靠等要求。但是壓力高、時(shí)，對(duì)設(shè)備的材料和制造的要求均高。為了提高反應(yīng)速率，必須使用催化劑才能實(shí)現(xiàn)氨合成反應(yīng)。新的催化劑因活性比較高，可采用較低的溫度。同時(shí)，單位循環(huán)氣量的產(chǎn)氨量減少。 本設(shè)計(jì)采用冷凝法。 ⑵ 惰性氣體 襄樊學(xué)院 2021屆學(xué)士學(xué)位設(shè)計(jì) （ 論文 ） 報(bào)告紙 15 在混合氣體中含有甲烷和氬氣等，統(tǒng) 稱為惰性氣體。相反，則要控制低一些。壓力高，氨合成反應(yīng)速度快，進(jìn)口氨含量可適當(dāng)控制高一些；壓力低，為保持一定的反應(yīng)速度，進(jìn)口氨含量可適當(dāng)控制低一些。h1為基準(zhǔn)，進(jìn)行物料衡算 ⒊ 合成系統(tǒng)總圖 ⒋ 以元素和物質(zhì)列出原子矩陣 表 44 原子矩陣 元素 物質(zhì) N2 H2 O2 Ar N 2 0 0 0 H 0 2 0 0 O 0 0 2 0 Ar 0 0 0 1 ⒌ 根據(jù)元素守恒列式，求各流量 襄樊學(xué)院 2021屆學(xué)士學(xué)位設(shè)計(jì) （ 論文 ） 報(bào)告紙 19 對(duì) H： 2F1－ 2F3－ 3F3 = F43 ① 對(duì) N： 2F1 + 2F2 – 2F3－ F3 = F41 ② 對(duì) O: 2F2 – 2F3 = 0 ③ F4 = 647 kmolh1，此氣體 分 為 兩 部 分 。h1 令其過(guò)程損失的熱量為輸入的 ％ 故進(jìn)口氣體帶入熱量 Q11=19991043(％ ) =18991491 kJK)1 Tc = ℃ = K Pc = Mpa = atm 表 47 不同溫度時(shí)的 Tbr和 I T(℃ ) 33 1 23 Tbr I(KJ/Kg) 1411 Tbr = T/TC ∴△ INH3 = INH3(27℃ )INH3(33℃ )= 1411 = kJh1) 氣體帶入熱量 Q11 18991491 氣體帶出熱量 Q12 18361253 氨冷凝時(shí)放出熱量 Q14 686870 冷凝的液氨氣體帶出熱量 Q13 小 計(jì) 19678361 積累量 熱損失 小 計(jì) 對(duì)冷凝塔作熱量衡 算 已知 F6 = kmolh1 ⒊ 經(jīng)冷凝塔往氨冷器帶出的熱量 Q23(t=23℃ ) F16 = 928 kmolh1 ∴ 氣體的溫度 t = Q24/ = () = ≈ 25 ℃ 這與假設(shè)的溫度一致，故滿足要求 t = 25 ℃ 表 410 冷凝器熱量平衡匯總表 收 方 (kJh1 ⒋ 補(bǔ)充氣 F2的熱量 Q34 ℃ = 78％ +21％ = ∴ Q34 = ℃ t 補(bǔ) = 44(25+)= kJh1 ⒍ 令合成塔的熱損失為 5％，即 Q 損 = 5％ Q 總 [Q32+Q33+Q34+Q35] = Q31 + Q 損 [Q32+Q33+Q34+Q35](15％ ) = Q31 [(2615F8)10222+7275F8++] = 39212809/ 2947F8 = 1722480 F8 = kmolK)1 ∴ Q42 = ℃ T12 = 1758(220+) = kJh1) 支 方 (kJh1 ⒋ 由氣 —?dú)鈸Q熱器出來(lái)所 帶熱量 Q54 由熱平衡 Q 得 Q51+Q53 = Q52+Q54 襄樊學(xué)院 2021屆學(xué)士學(xué)位設(shè)計(jì) （ 論文 ） 報(bào)告紙 29 Q54 = Q51+Q53Q52 = + = ∵ F13 = 1758 kmolh1 ⒊ 熱氣體帶出熱量 Q62 F14 = F3+F15 = 183+928 = 1111 kmolh1 冷卻水出口帶出熱量 Q 出 = 120100065 = 32604000 kJh1) 支 方 (kJh1) 支方 (kJ(kmol ⒌ 氣 —?dú)鈸Q熱器的熱負(fù)荷 △ Q = Q53Q54 = Q52Q51= = kJh1 ,YH2,9,10 = ％ ,YNH3,9,10 = ％ YN2,9,10 = ％ ， YO2,9,10 = ％ ,YAr,9,10 = ％ 表 415 氣 —?dú)鈸Q熱器中的氣體在不同溫度下的 因子 物料 a b103 c107 25℃ 144℃ H2 NH3 N2 O2 ⒈ 由冷凝塔進(jìn)氣 —?dú)鈸Q熱器的熱量 Q51 ℃ = ％ +％ +％ + ％ = kJh1 ⒋ 脫氧量計(jì)算 設(shè)廢鍋加入脫氧水溫度 t=30 ℃ ,壓力 P= MPa,副產(chǎn) MPa 的蒸汽需脫氧水量計(jì)算 X 查得脫氧水焓 I1 = kJh1 表 412 合成塔熱量平衡匯總表 收 方 (kJkmol1 P ── 壓力 atm T ── 溫度 K 令合成塔的工作壓力為 30 MPa=296 atm,溫度為 500℃ = K, 代入式子可得： △ HF = Kcal/Kmol = 56207 kJh1) 氣體帶入冷凝塔的熱量Q21 18361253 經(jīng)冷凝塔往氨冷器帶出的熱量 Q23(t=23℃ ) 7879296 從循環(huán)機(jī)往氨冷器氣體帶入的熱量 Q22 經(jīng)冷凝塔往合成塔氣體 帶出的熱量 Q24 小 計(jì) 小 計(jì) 對(duì)合成塔作熱量衡算 ∵ F7 = F8+F9 , YH2,7,8,9 = ％ , YNH3,7,8,9 = ％ ,YN2,7,8,9 = ％ , YO2,7,8,9 = ％ , YAr,7,8,9 = ％ . 又 ∵ F11 = F12 = F13 = F14 = F15+F3+F4 = 928+647+183 = 1758 kmol(molh1 ⒉ 從循環(huán)機(jī)往氨冷器氣體帶入的熱量 Q22 令 F15=F16=F5=928kmolh1 ⒌ 由 ∑Q帶入 ∑Q帶出 = Q 積累 Q11Q12Q13 = = ≈Q14 = 686870 kJh1 YH2,6 = 2642(264226421％ ) = ％ YNH3,6 = 2642％ /= ％ YN2 = 2642％ YO2 = 2642％ /= ％ YAr = ％ ％ ％ ％ = ％ 襄樊學(xué)院 2021屆學(xué)士學(xué)位設(shè)計(jì) （ 論文 ） 報(bào)告紙 22 表 46 0℃ 時(shí)進(jìn)口氣體的 CP..M 值 因子 物料 a b103 c107 0℃ H2 NH3 N2 O2 = CpH21/H2,