【正文】 h即 ∑V = 15%Vk = 15% = m3 H =（ Vk+∑V） /=(+)/= m ≈ 9 m 廢鍋的設(shè)備計(jì)算 ⒈ 計(jì)算條件 ⑴ 選臥式 U 型換熱管 ⑵ 高壓管尺寸：￠ 24 、 d 外 = m 、 d 內(nèi) = m 、 d = m ⑶ 熱負(fù)荷： Q = kJh1 ⒊ 由分離器 → 循環(huán)機(jī)帶出熱量 Q73 Q73 = = 928(+35)= kJh1) 由冷凝塔進(jìn)氣 —?dú)鈸Q熱器熱量 Q51 由氣 —?dú)鈸Q熱器往合成塔帶出熱量 Q52 20760882 由廢鍋進(jìn)氣 —?dú)鈸Q熱器熱量 Q53 由氣 —?dú)鈸Q熱器出來(lái)所帶熱量 Q54 小 計(jì) 小 計(jì) 對(duì)水冷器作熱量衡算 令水冷器出口氣體溫度為 35℃ ,氣體先冷卻到 35℃ 后，氨再冷卻 ⒈ 由氣 —?dú)鈸Q熱器往水冷器所帶熱量 Q61 Q61 = Q54 = kJh1 ∴ 廢熱鍋脫氧水帶入熱量 Q 脫 = XI1 = = kJmol1 2 kmol 56207 kJ(molkg1 F15 = Q 吸 /△ INH3 = 686870/ = kgh1 YH2,17 =(F1YH2,1+F5YH2,5)/(F1+F5)= (1714+928)/(1714+928)= ％ YN2,17 = (F1YN2+F5YN2,5)/(F1+F5)= ％ YO2,17 = F5(F1+F5)= ％ YNH3,17 = F5(F1+F5)= ％ YAr,17 = ％ ％ ％ ％ = ％ ⒈ 氣體帶入熱量 Q11 F17 中的 ％氨中有 1％被冷凝， 由公式 =a+bT+cT2 計(jì)算 進(jìn)口氣體 : 表 45 23℃ 時(shí)進(jìn)口氣體的 因子 物料 a b103 c107 23℃ H2 NH3 N2 O2 = CPH,H2YH2,17+CPN2YN2,17+,17+,17+,17 = +++ = J 自冷凝塔二次出口的循環(huán)氣其中一部分進(jìn)入合成塔上部一次入口，氣體沿著內(nèi)件與外箱間環(huán)隙向下冷卻塔壁后，進(jìn)入下部換熱器管外，另一部分循環(huán)氣直接進(jìn)入塔外氣 氣換熱器冷氣入口，通過(guò)管外并與管內(nèi)廢鍋口出來(lái)氣體換熱后，設(shè)有副線氣流分成 四股，其中二股作為冷凝氣分別從塔頂進(jìn)入菱形分布器和層間換熱器，一股為塔底副線，另一股進(jìn)入合成塔下部二次入口與一次入口氣體混合，通過(guò)下部熱交換器與管內(nèi)氣體換熱后與塔底副線氣混合，由內(nèi)中心管進(jìn)入第一軸層反應(yīng)，反應(yīng)后氣體與塔頂引入的第一冷凝氣混合進(jìn)入第二軸向?qū)臃磻?yīng)氣體進(jìn)入層間換熱器管內(nèi)與第二冷凝氣換熱降低氣體溫度進(jìn)入徑向?qū)?，第二冷凝氣換熱后提高自身溫度進(jìn)入外中心管與內(nèi)中心管，氣體混合進(jìn)入第一軸向?qū)?，徑向?qū)幼岳锵蛲鈴较蛄鞒?，通過(guò)整個(gè)觸媒層進(jìn)入下部換熱器管內(nèi)，與管外換熱后出塔進(jìn)入廢鍋爐，與脫氧水換熱副產(chǎn)品， 的蒸汽 ,氣體溫度降低到 217 ℃ 以下 ,進(jìn)入氣氣換熱器 ,氣流經(jīng)與管外氣體換熱器降溫后進(jìn)入水冷器 ,后進(jìn)入循環(huán)機(jī) ,補(bǔ)充壓力 ,經(jīng)濾油器除去油圬后 ,進(jìn)入冷凝塔上部的熱交換器 ,出熱交換器后與新鮮氣混后開(kāi)始下一個(gè)循環(huán)。但是氫氮?dú)夂筒糠职币搽S之排放，造成一定損失，故循環(huán)氣體中惰性氣體的控制含量不能過(guò)高也不能過(guò)低。 工業(yè)上采用的氨合成工藝流程雖然很多，而且流程中設(shè)備結(jié)構(gòu)操作條件也各有差異，但實(shí)現(xiàn)氨合成過(guò)程的基本步驟是相同 的，都必須包括以下幾個(gè)步驟：氮、氫原料氣的壓縮并補(bǔ)充到循環(huán)系統(tǒng)；循環(huán)氣的預(yù)熱與氨的合成；氨的分離；熱能的回收利用；對(duì)未反應(yīng)氣體補(bǔ)充壓力，循環(huán)使用；排放部分循環(huán)氣以維持循環(huán)氣中惰性氣體的平衡等。就整個(gè)反應(yīng)過(guò)程來(lái)說(shuō)，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，轉(zhuǎn)化率不斷增加，最佳溫度隨轉(zhuǎn)化率增加而降低。氨合成壓力的高低，是影響氨合成生產(chǎn)中能量消耗的主要因素之一。 ⑵ 高壓法 操作壓力為 60 MPa 以上的稱為高壓法，其操作溫度大致為 550～ 650 ℃ 。合成氨生產(chǎn)中副產(chǎn)大量的二氧化碳，不僅可用于冷凍、飲料、滅火，也是生產(chǎn)尿素、純堿、碳酸氫銨的原料。目前，全國(guó)有規(guī)模以上基礎(chǔ)化肥生產(chǎn)企業(yè)近 1000 家，其中，氮肥廠約 500 家，合成氨年生產(chǎn)能力 30 萬(wàn)噸以上的大型企業(yè)有 26 家，合成氨年生產(chǎn)能力 10 萬(wàn)噸以上的中型企業(yè)也有 100多家，其他還有 800 多家小氮肥廠也生產(chǎn)合成氨，而其產(chǎn)量約占氮肥總量的 60%?？捎谜魵馀c適量的空氣或蒸氣與適量的富養(yǎng)空氣為汽化劑制得，也可用水煤氣與吹風(fēng)混合配制。而在常溫下需加壓到 時(shí)才能液化。把大氣中的游離氮固定下來(lái)并轉(zhuǎn)變?yōu)榭杀恢参镂盏幕衔锏倪^(guò)程，稱為固定氮。 畢業(yè)設(shè)計(jì) 年產(chǎn) 8 萬(wàn)噸合成氨合成工段工藝設(shè)計(jì) 前 言 本設(shè)計(jì)就合成車間的工藝生 產(chǎn)流程，著重介紹化工設(shè)計(jì)的基本原理、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、技巧和經(jīng)驗(yàn)。目前，固定氮最方便、最普通的方法就是合成氨，也就 是直接由氮和氫合成為氨，再進(jìn)一步制成化學(xué)肥料或用于其它工業(yè) 在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中，氨占有重要地位，特別是對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有著重大意義。液氨為 無(wú)色液體，氣化時(shí)吸收大量的熱。 本設(shè)計(jì)采用半水煤氣，半水煤氣經(jīng)過(guò)凈化后得到純凈的氫氣，再配制適量的氮?dú)?，成為合成氨的原料氣。但我?guó)合成氨工業(yè)還不夠發(fā)達(dá)，比外國(guó)的氮肥企業(yè)還有些距離。如果在合成氨原料氣脫除二氧化碳過(guò)程中能聯(lián)合生產(chǎn)這些產(chǎn)品，則可以簡(jiǎn)化流程、減少能耗、降低成本。高壓法的優(yōu)點(diǎn)是，氨合成的效率高，合成氨出口氣體中含氨達(dá) 25％～ 30％，催化劑的生產(chǎn)能力較大。主要能量消耗包括原料氣壓縮功、循環(huán)氣壓縮功和氨分離的冷凍功。在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)盡可能沿著最佳溫度曲線進(jìn)行。 流程設(shè)計(jì)在于合理地配置上述幾個(gè)步驟，以便得到較好的技術(shù)效果，同時(shí)在生產(chǎn)上穩(wěn)定可靠。 循環(huán)氣體中惰性氣體的控 制還與操作壓力和催化劑活性有關(guān)。 工藝流程方框圖 高壓機(jī) 氨冷囂 冷凝塔氣 氣換熱囂合成塔 水冷器 分離器新鮮氣 新鮮氣有液氨的高壓混合氣 循環(huán)氣氣體 氣液混合混合氣體循環(huán)氣 氨氨 圖一 第四章 工藝計(jì)算 物料衡算 新鮮氣流量的確定 ⒈ 計(jì)算依據(jù) 表 41 進(jìn)合成系統(tǒng)新鮮氣組成 組 成 N2 H2 Ar/CH3 合 計(jì) mol％ 20 64 16 100 表 42 空氣組成 組 成 N2 O2 Ar 合 計(jì) mol％ 78 21 1 100 表 43 循環(huán)氣組成 合 成 N2 H2 O2 NH3 Ar/CH3 合 計(jì) mol％ 26 60 5 6 3 100 ⒉ 計(jì)算基準(zhǔn) ⑴ 生產(chǎn)任務(wù) 年產(chǎn)八萬(wàn)噸的合成氨，取一年 300 天為基準(zhǔn)，則 80000/y = 80000/（ 30024） ≈ ≈11t/h= 647 kmol(molh1 表 48 氨冷器熱量平衡匯總表 收 方 ((kJK)1 Q24 = Q21+(Q22Q23) = 18361253+() = kJmol1 647 kmolh1 蒸汽帶入熱量 Q 蒸 = = kJh1 ⒉ 氨冷凝熱 Q 冷 查《小氮肥工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)》表 101 得 35℃ 時(shí)氨冷凝熱 I= kJh1 ⒋ 氨分離器液氨帶入熱量 Q74 等于液氨帶出熱量 Q75 Q74 = Q75 = Q63 = kJh1 ⑷ 產(chǎn)量： W = 11 tNH3 ℃ ⒊ 管外給熱系數(shù) ai: 用管外水沸騰給熱系數(shù)公式進(jìn)行計(jì)算 ai = q kJm2h1 ∴ D = (Vg/) = (35000) = m ⒊ 觸媒筐的高度 H 取對(duì)應(yīng)空速下，觸媒體積 Vk = m3 , ∑V取觸媒體積的 15% 。h1 ⒉ 由分離器帶出往去氫回收車間的熱量 Q72 Q72 = = 183(+35) = kJh1) 支方 (kJkg1 由熱平衡 △ Q = X(I2I1) X = △ Q/(I2I1) = () = kgmol1 3H2 + N2 —→ 2NH 3 kJh1 ⒋ . 經(jīng)冷凝塔往合成塔氣體帶出的熱量 Q24 令 t = 25℃ ,(25℃ ) = kJ ⒍ 氨冷器冷凍量的計(jì)算： 氨冷器用 33 ℃ 的液氨為冷凝液，其流量為 F15，令其氣液混合溫度約為 1℃ ， 則有： △ I△ NH3(1 ℃ )I△ NH3(33 ℃ ) = = kJ 進(jìn)氨冷器組分含兩部分， F1 和 F5，即 F17=F1 + F5=2642 kmol 氨的高壓混合氣，自氨冷器出來(lái)，進(jìn)入冷凝塔下部的氨分離器，分離液氨 ,除氨后的混合氣，再經(jīng)過(guò)冷凝塔上部的熱交換器與循環(huán)機(jī)氣體換熱，二次出冷凝塔。排放量多，可以使合成系統(tǒng)惰性氣體含量降低，氨的合成率提高。目前，國(guó)內(nèi)一些小型合成氨廠合成壓力在 30 MPa 左右的，空間速度選擇在 20xx~3000 每小時(shí)之間。在合成氨生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)應(yīng)于任意一個(gè)瞬時(shí)轉(zhuǎn)化率都存在一個(gè)最大的反應(yīng)速率的溫度，即最佳溫度。所以，提高壓力對(duì)氨合成反應(yīng)的平衡和反應(yīng)速度都有利，在一定空速下，合成壓力越高，出口氨濃 度越高，氨凈值越高，合成塔的生產(chǎn)能力也越大。該法的優(yōu)點(diǎn)是由于操作壓力和溫度較低，對(duì)設(shè)備、管道的材質(zhì)要求低 生產(chǎn)容易管理，但低壓法合成率不高，合成塔出口氣體中含氮約 8％ ～ 10％，所以催化劑的生產(chǎn)能力比較低；同時(shí)由于壓力低必須將循環(huán)氣準(zhǔn)至 20℃ 的低溫才能使氣體中的氨液化，分離比較完全，所以需要設(shè)置龐大的冷凍設(shè)備，使得流程復(fù)雜，且生產(chǎn)成本較高。 ③ 與其他產(chǎn)品聯(lián)合生產(chǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)氨的需要量日益增長(zhǎng)，近 30 年 來(lái)合成氨工業(yè)發(fā)展很快。 半水煤氣：是混合煤氣中組成符合（ H2+CO） /N2=～ 的一個(gè)特例。 常壓下氣態(tài)氨需冷卻到 ℃ （沸點(diǎn)）才能液化。但是，如此豐富的氮，通常狀況下不能為生物直接吸收，只有將空氣中的游離氮轉(zhuǎn)化為化合物狀態(tài)，才能被植物吸收，然后再轉(zhuǎn)化成人和動(dòng)物所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。本 設(shè)計(jì) 內(nèi)容是根據(jù) 魯南化肥廠 有限公司合成車間的生產(chǎn)實(shí)際情況而 設(shè)計(jì) 的，確定優(yōu)化的工藝流程、工藝條件、設(shè)備選型及其他非工藝專業(yè)等內(nèi)容。氨主要用來(lái)制作化肥。 氨的化學(xué)性質(zhì) ⑴ 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： 4NH3+5O2 4NO+6H2O ⑵ 氨與酸或酐反應(yīng)生成鹽類 ,是制造氮肥的基本反應(yīng)： 2NH3+H2SO4 = (NH4)2SO4 NH3+HNO3= NH4NO3 NH3+HCl= NH4Cl NH3+H3PO4 =NH4H2PO4 ⑶ 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： 2NH3+CO2 =NH4COONH2 NH4COONH2 =CO(NH2)2+H2O ⑷ 氨與二氧化碳和水作用 ,生成碳酸氫銨： NH3+CO2+H2O=NH4HCO3 氨可與鹽生成各種絡(luò)合 物 ， 如 CuCl2?6NH CuSO4?4NH3。 半水煤氣生產(chǎn)的工藝流程：在吹風(fēng)階段中，空氣由煤氣發(fā)生爐的底部吹入，由爐頂排出吹風(fēng)氣。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，世界合成氨產(chǎn)能已超過(guò) 億噸 /年，主要生產(chǎn)能力分布在俄羅斯約有 35 家氮肥廠，合成氮平均規(guī)模為 40 萬(wàn)噸；美國(guó)有 50 多家氮肥廠，合成氨平均規(guī)模在 30萬(wàn)噸以上。 到 20xx 年，力爭(zhēng)組建 50 家大型企業(yè)集團(tuán)，大型氮肥廠合成氨平均規(guī)模達(dá)40 萬(wàn)噸 /年以上，中型氮肥廠平均規(guī)模達(dá) 20 萬(wàn)噸 /年以上。由于壓力高，一般用水冷的方法氣體中的氨就能得到完全的分離，而不需要氨冷。提高操作壓力，原料氣壓縮功增加，合成氨凈值增高，單位氨所需要的循環(huán)氣量減少，因而循環(huán)氣壓縮功減少，同時(shí)壓力高也有利于氨的分離，在較高氣溫下，氣氨即可冷凝為液氨，冷凍功減少。 反應(yīng)溫度的控制還與催化劑的使用時(shí)間有關(guān)。 從氫氮混合氣體中分離氨的方法大致有兩種：水吸收法、冷凝法。操作壓力比較高，及催化劑活性比較好時(shí)，惰性氣體的含量可以高一些。h1 ⑵ 計(jì)算基準(zhǔn) 本計(jì)算中以 kmolK)1 ∴ Q’11 = F17 = 2642(23+) = 19991043 kJh1) 支 方 (kJh1F7 = F6 = kmolh1 Q35 Q35 = 56207647 = kJh1 表 414 廢熱鍋爐熱量匯總表 收 方 (kJkg1 Q 冷 = F4MINH3 = 64717 = kJh1 表 419 氨分離器熱量平衡匯總表 收 方 (kJh1 ⑸ 氣體壓力： P = MPa ⑹ 氣體入口溫度： t 入 =350 ℃ ⑺ 脫氧水入口溫度： t 水 =30 ℃ ⑻ 副產(chǎn)蒸汽壓力： P = MPa(表