【文章內(nèi)容簡介】 放空水 冷 器 圖6 合成氨方塊流程圖 設(shè)備選擇論證 氨合成塔的選擇論證氨合成塔是合成氨生產(chǎn)的主要設(shè)備之一。氨在高溫、高壓和催化劑存在條件下由氫氮氣合成。氫、氮對碳鋼有明顯的腐蝕作用。為了適應(yīng)氨合成反應(yīng)條件，氨合成通常由內(nèi)件和外筒兩部分組成，內(nèi)件置于外筒之內(nèi)。外筒主要承受高壓，但不承受高溫，可用普通低合金鋼或優(yōu)質(zhì)低碳鋼制成。而內(nèi)件承受高溫，不承受高壓，一般可用合金鋼制成。氨合成塔內(nèi)件結(jié)構(gòu)繁多，目前主要有冷管式和冷激式兩種塔型。前者屬于連續(xù)換熱式，后者屬于多段冷激式。冷管式氨合成塔：中國小型氨廠多采用冷管式內(nèi)件，其主要優(yōu)點是：床層溫度分布比較合理，催化劑生產(chǎn)強度高，入操作壓力為30MPa，空速20000—30000h1，催化劑的生產(chǎn)強度可達40—60t/(m3d),結(jié)構(gòu)可靠、操作穩(wěn)定、適應(yīng)性強。其缺點是：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，冷管與分氣盒占據(jù)較多的空間，催化劑還原時床層下部受冷管傳熱的影響升溫困難，還原不易徹底。冷激式氨合成塔：其分為：軸向冷激和徑向冷激。軸向冷激的優(yōu)點：用冷激氣調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度，操作方便，而且省去許多冷管，結(jié)構(gòu)簡單，內(nèi)件可靠性好，合成塔筒體與內(nèi)件上開設(shè)入孔，裝卸催化劑時，不必將內(nèi)件吊起，外筒密封在縮口處。其缺點是：運輸和安裝較困難等。徑向冷激的優(yōu)點：氣體呈徑向流動，流速低，壓力降較??；直徑較小。但其缺點是：不能有效地保證氣體均勻流經(jīng)催化劑床層，發(fā)生偏流。所以，本設(shè)計采用冷激式氨合成塔。 氨合成工序其他設(shè)備的選型本設(shè)計的循環(huán)機位置放在氨冷器之后，合成塔之前，故需要用離心式循環(huán)機，——320型立式離心式循環(huán)機。水冷器：常見的有兩種，噴淋式和套管式。鑒于兩種水冷器的型式的優(yōu)點，本設(shè)計選擇套管式。氨分離器：常見的有兩種，多層套管式和離心金屬絲網(wǎng)過濾組合。鑒于兩種氨分離器的型式的優(yōu)點，本設(shè)計選擇多層套管式。冷凝塔：由兩大部分組成。上部是列管換熱器，下部是氨分離器。氨冷器：常用的有兩種，一種是臥式，另一種是立式，鑒于兩種氨冷器的型式的優(yōu)點，本設(shè)計選擇立式氨冷器。廢熱鍋爐：分為三種，前置式、中置式和后置式，鑒于三種三種廢熱鍋爐型式的優(yōu)點，本設(shè)計采用中置式。軟水加熱器：塔外換熱器：油水分離器： 工藝操作條件的確定中壓法技術(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。 一般中小氮肥廠多為32MPa。表2 溫度 Kp102464 472 480 488 504 512 520 而A203催化劑的使用溫度是300—540OC，最適溫度500OC。故本設(shè)計的氨合成溫度定為500OC。 氫氮比氨合成原料氣中氫氣與氮氣的百分比簡稱氫氮比?！?，否則將不利于氨合成反應(yīng)的進行，使氨產(chǎn)量下降。氨合成反應(yīng)方程式為：N2+3H2=2NH3. 進塔氨含量和氨分離溫度進塔氨含量：當(dāng)其他條件不變時，進塔氨含量越高，則氨凈值越小，由于提高氨濃度，相應(yīng)使推動力減小，降低了生產(chǎn)能力。反之，則增大了推動力，反應(yīng)速度增加，雖然出口氨含量略有減少，但提高了氨凈值，產(chǎn)量也有明顯的提高。進塔氨含量降低，氨凈值升高，循環(huán)氣壓縮功耗低，但冷凍系統(tǒng)負荷增加，入塔氨含量與冷凝溫度和系統(tǒng)壓力有關(guān)。通常情況下，—%。氨分離器溫度：本設(shè)計采用一級氨冷，溫度范圍在0OC — 5OC。 惰性氣體含量惰性氣體的存在，無論從化學(xué)平衡和動力學(xué)角度分析都是有弊無利。惰性氣體主要來源于補充氣，保持循環(huán)氣中一定的惰性氣體含量主要是靠放空氣決定?？刂七^低的惰性氣體含量勢必要大量排放，有效氣體的放空損失在經(jīng)濟上是不合格的。當(dāng)操作壓力較低和催化劑活性較好時，循環(huán)氣中惰性氣體含量宜保持16%—20%，這樣可以節(jié)省原料氣消耗。反之，宜控制在12%—16%。本設(shè)計的惰性氣體含量控制在15%。 廢熱回收參數(shù)首先，從合成塔出來的混合氣體溫度達到330OC，利用這些熱量加熱中置鍋爐，產(chǎn)生蒸汽，溫度降為250OC，再對軟水加熱器進行加熱，使溫度進一步下降到190OC，然后進入塔外換熱器，與合成塔一次出口的混合氣換熱，使合成塔二次進口氣體的溫度升高到170OC，自己降為75OC，這些就是廢熱的回收利用。第三章 合成氨工序物料衡算 氨合成方塊工藝流程圖 120液氨7856放空43新鮮氣油分離器氨冷器塔外換熱器氨分離器水冷器水加熱器中置鍋爐合成塔循環(huán)機冷凝塔9圖7各組分編號見表3表3 組分 NH3 H2 N2 CH4 Ar 編號 0 1 2 3 4注：Ｉ=3+4 計算基準100Kmol進塔氣V2 已知條件進塔氣 =放空氣 15%=%= 合成回路壓力分布（1） 循環(huán)機 Mpa Mpa （2） 油分離器 Mpa Mpa（3） 冷凝塔 一次 Mpa Mpa 二次 Mpa Mpa（4）氨冷器 Mpa （5）氨合成塔 一次 Mpa 二次 Mpa Mpa（6）熱交換器 一次 Mpa Mpa 二次 Mpa Mpa（7）廢熱鍋爐 Mpa Mpa（8）水冷器 Mpa Mpa（9）氨分離器 Mpa 30 .30Mpa（10） 新鮮氣壓力 Mpa（11） 分氨壓力 氨分離器分氨 30 .30Mpa 冷凝塔分氨 Mpa 氨合成塔出口氨含量估計氨合成壓力 Mpa氨合成溫度 500oC計算得：Kp=102取=%,=3%，則 = ==考慮到反應(yīng)未達到平衡，取平衡達到程度為75%。則氨合成塔出口氨含量為： 取為15%。 氨合成塔 氨合成塔進塔氣組成見表4。表4氨合成塔進塔氣組成 組分 NH3 H2 N2 I 合計 含量/﹪ 出塔氣氣量：=(1+)/(1+)=100/=生成氨量：= ==出塔氣惰性氣含量：=/ =100/=﹪氨合成塔進出氣氫平衡：+=+則出塔氣氫含量：=(+)/ =(+)100/=﹪出塔氣氮含量：=1 ==﹪氨合成塔出塔氣組成見表5。表5 氨合成塔出塔氣組成 組分 NH3 H2 N2 I 合計 含量/﹪ 水冷器水冷器采用循環(huán)水冷卻。當(dāng)?shù)?月平均溫度為24℃，考慮涼水塔冷卻溫度差為10℃，則循環(huán)水的溫度為34℃；取水冷器傳熱溫度差為10℃，則水冷器后循環(huán)氣可達到的溫度為44℃，此即水冷器分氨溫度。平衡氨含量按下式計算：=+==﹪取過飽和度為10﹪，則分氨后循環(huán)氣氨含量為：==﹪各組分在液氨內(nèi)的溶解度系數(shù)(m3m3MPa1)：=+44==+44==+44==+44=考慮它們未達到平衡，取甲烷的平衡到達率為85﹪，其余為75﹪。假設(shè)不考慮其他氣體的溶解，則分氨前后其他氣體的平衡為：(1)=(1)=(1)/(1) =()=水冷器后氨分離器分離液氨量為：== ==其他氣體組成為：=/ =﹪=/ =﹪=1 ==﹪則估計位置5處循環(huán)氣的組成見表6。表6 氨分離器出口氣體初步計算組成 組分 NH3 H2 N2 I 合計 含量/﹪ 44℃㎏/，若分離液氨量為kmol，則各組分在液氨內(nèi)的溶解量分別為：=17=17=17=17溶解氣量為：=kmol式中，=。考慮氣體溶解后，對水冷器和氨分離器的物料平衡為：=+ =+(1+A)=+聯(lián)立上述二式，得到：=[1(1+A)]/[1(1+)] =[1(1+)][1(1+)]==()/（1+A） =()/(1+)=對氫平衡，得到：=+=()/ =()/=同理，對氮平衡得到：=()/ =()/=于是有：=1 ==以上述氣體組成重復(fù)計算一次，得=，=，=﹪，=﹪，= ﹪，最終確定溶解氣量==。位置5的最終氣體組成見表7。表7 氨分離器出口氣最終計算組成 組分 NH3 H2 N2 I 合計 含量/﹪ 冷凝塔冷凝塔分氨壓力：冷凝塔分氨溫度取決于氨合成塔進塔氣氨含量的要求，以氨冷器氨氣化的壓力調(diào)節(jié)。若氨合成塔進氣氨含量為3%，則考慮10%的過飽和度，平衡氨含量為：3%/=%=+(273+t)則冷凝分氨溫度為：t=(+)273= ℃各組分在液氨內(nèi)的溶解度系數(shù)(m3m3MPa1)：H1=+（）=H2=+（）=H3=+（）=H4=+（）=考慮到它們未達到平衡，取甲烷的平衡到達率為85%，其余為75%。位置2處的氣體即為氨合成塔的進塔氣，其組成見表8表8 組分 NH3 H2 N2 I 合計 含量/﹪ ℃，若分離液氨量為，則各組分在液氨內(nèi)的溶解量分別為：===溶解氣量為：式中，B= 氨合成工序物料衡算氨合成工序氨平衡 ①新鮮氣平衡：VO=2(V80+V90)+AV80+BV90+(1+y40）V6 ②放空位置物料平衡：V4=V6+V5 ③ 新鮮氣補入位置物料平衡：V0+V5=V1 ④ 冷凝塔二次進出物料平衡：V1=V2+V9=V2+(1+B)V90 ⑤上述聯(lián)立方程可用試差法解。假設(shè)V90=由式⑤確定V1，得到V1=由式①確定V6，得到V6=由式②確定V0，得到V0=由式④確定V5，得到V5=V7=V5由式③進行校核：V4=V6+V5誤差：% % 滿足要求對氨合成工序進行惰性氣平衡校核：誤差：%%% 滿足要求對氨合成工序進行氫平衡，得到：確定 則：%對氨合成工序進行氮平衡，得到：V確定%根據(jù)=%于是有：%對氨合成工序進行甲烷平衡，得到：確定%從而得到：%根據(jù)這一組成，重新計算A和Ai。=17=17=17=17根據(jù)，重新調(diào)整分配y21，重新計算B和Bi。C====根據(jù)新的A、B、Ai、Bi值，重復(fù)上述計算，得到各位置的循環(huán)氣和新鮮氣的氣量和組成。所以循環(huán)氣和新鮮氣的氣量和組成如下。其中，把以1t氨為基準的量，(Nm3/h)和其物質(zhì)的量(kmol/h)作為能量恒算的依據(jù)。+=合成塔進氣量：=合成塔出氣量：=氨分離器出口氣量：=放空氣量：=新鮮補充氣量：=冷凝塔進口氣量：=氨分離器出口液氨量：（+）=其組成為：==（+）=所以：同理：冷凝塔出口液氨：=（+）=其組成為：==