【正文】 天；產(chǎn)量 ；合成塔操作壓力： 32MPa（絕壓）；合成塔進(jìn)氣（摩爾百分?jǐn)?shù)）： NH3 ， CH4+Ar 15。??????LV=247。100 %=% 氣體甲烷含量： V Lmy CHCHCH 444 ??=(－ )247。=% 誤差滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。100%=% 弛放氣中氬含量： ??? V LMy ArArAr 0(－ )247。100%=% 入口液體中甲烷含量： ? ?4039。100%=% 入口液體中組分含量： ? ? ? ?ii mm 0039。100%=% 21 H2 17172VVH =247。=－ = 氨冷器出口總液氨量： ??? 333 1839。 ??? （ 312） 333 2239。)= L=1－ V= VL =247。100%=% CH4 421CHx=247。100%=% H2 221Hx= 247。100%=－ % 誤差在設(shè)計(jì)允許的范圍 內(nèi)，滿(mǎn)足要求。 NHNHNH LLVV ??? ???? （ 313） 式中 V′Ⅱ —冷交換器入口總物料 V′17—冷交換器熱氣出口總物料 339。100%=% CH4 42CHy=247。100%=% 氨冷器的物料計(jì)算 進(jìn)器物料：氨冷器進(jìn)器物料等于冷交換器出器物料加上補(bǔ)充新鮮氣物料 V1= 其中： CH4 4CHV?== Ar ArV? == H2 2HV?== N2 2NV?== V18（進(jìn)器氣體物料） =V1+V17=+= 進(jìn)器氣體組分含量 V18i=V1i+V17i 其中： NH3 ??33 1718 NHNH VV CH4 418CHV= += Ar ArV18 =+= H2 218HV= += N2 218NV= += 各組分百分含量：181818 VVy ii ? NH3 318NHy=247。 合成系統(tǒng)物料計(jì)算 圖 合成系統(tǒng)物料簡(jiǎn)圖 將整個(gè)合成看著一個(gè)系統(tǒng)，進(jìn)入該系統(tǒng)的物料有新鮮補(bǔ)充氣補(bǔ) V 補(bǔ) ，離開(kāi)該系統(tǒng)的物料有放空氣 V 放 ，液氨貯槽弛放氣 V 弛 ，產(chǎn)品液氨 L 氨 ，由前計(jì)算數(shù)據(jù)如表 表 前計(jì)算數(shù)據(jù) 名稱(chēng) NH3 CH4 Ar H2 N2 氣量 補(bǔ)充氣 －－ V 補(bǔ) 放空氣 V 放 17 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： 333222 NHNHNHHHH LyVyVyVyVyV ????? 馳放放馳馳放放補(bǔ)補(bǔ) （ 31） 循 環(huán)回路中氮平衡： V補(bǔ)補(bǔ)2Ny=V放放2Ny＋ V弛馳2Ny+放3NHy+馳3NHy+ （ 32） 循環(huán)回路中惰性氣體平衡： V 補(bǔ) (補(bǔ)4CHy+ 補(bǔ)Ary )=V 放 (放4CHy+ 放Ary )+V 弛 (馳4CHy+ 馳Ary ) V 補(bǔ) (+)=V 放 (+)+(+) 補(bǔ) = V 放 + V補(bǔ) = + （ 33） 循環(huán)回路中氨平衡： V 出 － V 入入3CHy=V 放 放y +V 弛馳3NHy+3NHL 出 － 入 = + + （ 34） 循環(huán)回路總物料平衡： V入 =V出 +V補(bǔ) － V放 － V弛 － LNH3=V出 +V補(bǔ) － V放 － － （ 35） 聯(lián)立（ 31）到（ 35）各式解得： V 放 = ； V 補(bǔ) = ； V 出 = ； V 入 = 合成塔物料計(jì)算 入塔物料： V5= 其 中： NH3 35NHV，= %= CH4 45 CHV，=%= Ar ArV，5 =%= H2 25 HV，=%= 18 N2 25 NV，=%= 合成塔一出，二進(jìn)物料，熱交換器，冷氣進(jìn)出物料等于合成塔入塔物料 即： V5=V6=V7= m3 出塔物料： V8= NH3 38NHV，=%= CH4 48 CHV，=%= Ar ArV，8 =%= H2 28HV，=%= N2 28NV，=%= 合成塔生成氨含量： 333 ,5,8 NHNHNH VVV ???=－ = m3 廢熱鍋爐進(jìn)出口物料，熱交換器進(jìn)出口物料等于合成塔出塔的物料。100%=% 入口液體中氬含量： ? ?Arm039。100%=% 弛放氣中氮?dú)夂浚???? V LMy NNN 222 0(－ )247。100%=% 出口液體甲烷含量： LLx CHCH 44 ?=247。100 %=% 氣體氫含量： V Lmy HHH 222 ??=(－ )247。??????????????LVLVLV=% 結(jié)果合理從而可計(jì)算出液體中各組分含量 液體中氨含量： ?? LLx NHNH /33 247。 工藝流程圖 1—新鮮氣 13—放空氣 20—馳放氣 圖 工藝流程圖 物料計(jì)算 合成塔入口氣體組分 入塔氨含量： 3,5NHy =% 入塔甲烷含量： 4,5CHy =15%247。 熱交換器與廢熱鍋爐 合成氨反應(yīng)為一放熱反應(yīng)，在工業(yè)生產(chǎn)中考慮到節(jié)能及降低成本，廣泛采用熱交換器，達(dá)到熱量的有效利用。 目前我國(guó)的氮肥行業(yè)產(chǎn)能普遍偏低，耗能高，污染大，急需采用成熟的粉 煤氣化技術(shù)，以提高原料利用率，降低對(duì)環(huán)境的危害。 中國(guó)合成氨生產(chǎn)是在 20世紀(jì) 30年代開(kāi)始的，當(dāng)時(shí)僅在南京、大連兩地建有氨廠，最高年產(chǎn)量不超過(guò) 50kt（ 1941年）。為過(guò)分降低冷凝溫度而過(guò)多的增加氨冷負(fù)荷在經(jīng)濟(jì)上并不可取。 (2) 惰性氣體含量 5 惰性氣體來(lái)源于新鮮空氣，它們不參與反應(yīng) 因而在系統(tǒng)中積累?？账俅?，單位體積催化劑處理的氣量大，能增加生產(chǎn)能力。所以要根據(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。 (3) 高壓法 操作壓力為 60MPa 以上的稱(chēng)為高壓法，其操作溫度大致為 550650 ℃ 。目前氨合成的方法，由于采用的壓力的不同，一般可分為低壓法、中壓法和高壓法三種 [8]。常壓下氣態(tài)氨氣需冷卻到 ℃ （沸點(diǎn)）才能液化，而在常溫下需加壓到 時(shí)才能液化。氨也是重要的無(wú)機(jī)化學(xué)和有機(jī)化學(xué)工業(yè)基礎(chǔ)原料，這部分約占 30%的比例，稱(chēng)之為 “工業(yè)氨 ”[5] 。 2 第一章 合成氨綜述 氨的用 途 氮元素是生命存在的基礎(chǔ)，它是構(gòu)成蛋白質(zhì)的重要物質(zhì)。以反應(yīng)床論，可分為絕熱式和內(nèi)冷式，即床層內(nèi)含有移熱裝置，如單冷管等；以移熱方式論，可分為冷激式、層間換熱式、內(nèi)冷式以及冷激間換熱復(fù)合式；以反應(yīng)氣體流向論，可分為軸向型和徑向型以及軸徑向混流型，其各有所長(zhǎng) [2]。 以煤為原料的合成氨生產(chǎn)工藝主要包括原料氣的制備、原料氣的凈化 (脫硫、變換、脫碳、精制 )、氣體壓縮、氨的合成、氨的分離、未反應(yīng)氣體的循環(huán)等部分。根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)，繪制出主要設(shè)備及帶控制點(diǎn)的工藝流程圖等。對(duì)合成氨工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，并對(duì)其過(guò)程進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。 heat balance。目前，大多合成氨裝置都選擇中、低壓合成工藝。本設(shè)計(jì)則采用多段絕熱冷激式內(nèi)件。 在實(shí)際生產(chǎn)中，固定氮的方法有電弧法、 氰氨法 及合成氨法。 氨的性質(zhì) 氨的物理性質(zhì) 氨氣在常溫下是無(wú)色有刺激性氣味的氣體， 對(duì)人體的眼、鼻、喉等有刺激作用，接觸時(shí)應(yīng)小心。其他的性質(zhì)如下： (1) 氨與氧在催化劑作用下生成氮的氧化物 ,并能進(jìn)一步與水作用 ,制得硝酸： 3 3 2 24 5 4 6N H O N O H O? ? ? (2) 氨與酸或酐反應(yīng)生成鹽類(lèi) ,是制造氮肥的基本反應(yīng)： 3 3 4 3 N H H N O N H N O?? (3) 氨與二氧化碳作用生成氨基甲酸銨 ,進(jìn)一步脫水成為尿素： 3 2 4 22N H C O N H C O O N H?? (4) 氨與二氧化碳和水作用 ,生成碳酸氫銨： 3 2 2 4 3N H C O H O N H H C O? ? ? (5) 氨可與鹽生成各種絡(luò)合 物 ， 如 CuCl2? 6NH CuSO4? 4NH3。也可用磁鐵礦作催化劑，操作溫 度450550℃ 。高壓法合成率高，但催化劑層內(nèi)的反應(yīng)熱不易排除而使催化劑長(zhǎng)期處于高溫下操作，容易失去活性。在合成氨反應(yīng)中使用催化劑是較好的選 擇，而催化劑必須在一定的溫度范圍內(nèi)才具有活性，所以氨合成反應(yīng)溫度必須維持在催化劑的活性范圍內(nèi)。因此，空速要保持在一定的范圍。因此，循環(huán)氣中惰性氣體含量應(yīng)根據(jù)新鮮氣惰性氣體含量、操作壓力、催化劑活性等條件而定。 合成氨工業(yè)的發(fā)展 合成氨是化學(xué)工業(yè)中產(chǎn)量很大的化工產(chǎn)品。在技術(shù)力量方面，我國(guó)已擁有一支能從事合成氨生產(chǎn)的科研、設(shè)計(jì)、制造和施工的高素質(zhì)技術(shù)隊(duì)伍。換熱產(chǎn)生蒸汽后進(jìn)入塔外換熱器，蒸汽本身溫度降至 112℃ 左右進(jìn)水冷器被冷卻產(chǎn)生部分液氨，溫度降至 35℃ ，混合氣液進(jìn)氨分 離器，分離液氨，分離的液氨去液氨罐貯存，出氨分離器的氣體則部分放空，放空氣去氫回收裝置，放空后的循環(huán)氣經(jīng)冷交換器降溫至 17℃ 與新鮮氣混合，繼續(xù)下一循環(huán)。 冷交換器 冷交換器分為上下兩部分，上部換熱器為列管換熱器，下部為氨分離器，將熱氣體在進(jìn)入氨冷器前用冷氣體進(jìn)行冷卻換熱，以回收冷氣體的冷凍量，使進(jìn)入氨冷器的熱氣體預(yù)冷卻，從而節(jié)省冷凍量，同時(shí)分離經(jīng)氨冷后含氨混和氣中的液氨。（ 1+） = 出塔氣量： M8=入塔氣量 生成氨含量 == 出塔氨含量： 3,8NHy =% 出塔甲烷含量： 4,8CHy =4,585 CHyMM ? =（ 1000247。100%=% 液體中氫含量：2Hx=2HL/L=247。 表 查 T=10℃ ， P= 的平衡常數(shù) 3NHK 4CHK ArK 2HK 2NK 27 51 75 80 冷交換器出口液體組分含量 出口液體甲烷含量： 444CHCHCH Kyx ? = ?? %100270115390. % 出口液體氨含量： 12 %42598%100025220 0250333 ...KyxNHNHNH ???? 出口液體氬含量： %0680%100510 3 4 6 20 ..KyxArArAr ???? 出口液體氫含量： %8250%10032133 6 1 8 7 50222 ...KyxHHH ???? 出口液體氮含量： %2550%100802 0 6 2 50222 ..KyxNNN ???? 表 冷交換器出口液體組分含量（ %） NH3 CH4 Ar H2 N2 總計(jì) 100 液氨儲(chǔ)槽氣液平衡計(jì)算 圖 液氨儲(chǔ)槽物料簡(jiǎn)圖 氨分離器液體和冷交換器出口分離液體匯合進(jìn)入液氨儲(chǔ)槽經(jīng)減壓溶解在液氨中的氣體會(huì)解吸形成馳放氣，兩種液體百分比估值，即水冷后分離液氨占總量的百分?jǐn)?shù)。100%=% 出口液體氮?dú)夂浚??? LLx NN 22247。(0i)=L(21i)247。 Hm = 247。取過(guò)飽和度 10% 故317NHV=%=% 設(shè)熱氣出口氨體積為 a，則： %496a8 6 5 . 7 4 99 2 3 3 . 6 7 a .??? 計(jì)算 得 a= ??? aVL NHNH 33 1417 － = 冷交換器熱氣出口氣量及組分： 其中： NH3 333 171417 NHNHNH LVV ?? = CH4 44 1417 CHCH LV ? = Ar ArAr LV 1417 ? = H2 22 1717 HH LV ? = N2 22 1717 NN LV ? = 出口總氣量 3171417 NHLVV ??=－ = m3 出口氣體各組分： NH3 1717 3VVNH =247。100%=% H2 218Hy=247。100%=% N2 22Ny=247。39。