【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 考慮氨合成工段的工藝和設(shè)備問題時(shí)，必須遵循三個(gè)原則：一是有利于氨的合成和分離；二是有利于保護(hù) 催化劑，盡量延長使用壽命；三是有利于余熱回收降低能耗。 氨合成工藝選擇主要考慮合成壓力、合成塔結(jié)構(gòu)型式及熱回收方法。氨合成壓力高對(duì)合成反應(yīng)有利 , 但能耗高。中壓法技術(shù)比較成熟，經(jīng)濟(jì)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 , 大型廠壓力較低 ,為 10～ 20MPa。由于近來低溫氨催化劑的出現(xiàn) , 可使合成壓力降低。 合成反應(yīng)熱回收是必需的 , 是節(jié)能的主要方式之一。除盡可能提高熱回收率 ,多產(chǎn)蒸汽外 , 應(yīng)考慮提高回收熱的位能 , 即提高回收蒸汽的壓 力及過熱度。高壓過熱蒸汽的價(jià)值較高 , 當(dāng)然投資要多 , 根據(jù)整體流程統(tǒng)一考慮。 本次設(shè)計(jì)選用中壓法（壓力為 32MPa）合成氨流程，采用預(yù)熱反應(yīng)前的氫氮混合氣和副產(chǎn)蒸汽的方法回收反應(yīng)熱，塔型選擇見設(shè)備選型部分。 3 生產(chǎn)流程簡(jiǎn)述 氣體從冷交換器出口分二路、一路作為近路、一路進(jìn)入合成塔一次入口，氣體沿內(nèi)件與外筒環(huán)隙向下冷卻塔壁后從一次出口出塔，出塔后與合成塔近路的冷氣體混合，進(jìn)入氣氣換熱器冷氣入口，通過管間并與殼內(nèi)熱氣體換熱。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。二、三、四層 (觸 媒 )溫度，一路作為塔底副線調(diào)節(jié)一層溫度，另一路為二入主線氣體，通過下部換熱器管間與反應(yīng)后的熱氣體換熱、預(yù)熱后沿中心管進(jìn)入觸媒層頂端，經(jīng)過四層觸媒的反應(yīng)后進(jìn)入下部換熱器管內(nèi)，從二次出口出塔、出塔后進(jìn)入廢熱鍋爐進(jìn)口，在廢熱鍋爐中副產(chǎn) 25MPa 蒸氣送去管網(wǎng)，從廢熱鍋爐出來后分成二股，一股進(jìn)入氣氣換熱器管內(nèi)與管間的冷氣體換熱，另一股氣體進(jìn)入鍋爐給水預(yù)熱器在管內(nèi)與管間的脫鹽，脫氧水換熱，換熱后與氣氣換熱器出口氣體會(huì)合，一起進(jìn)入水冷器。在水冷器內(nèi)管被管外的循環(huán)水冷卻后出水冷器，進(jìn)入氨分離器，部分液氨被分離出來，氣體出 氨分離器，進(jìn)入透平循環(huán)機(jī)入口，經(jīng)加壓后進(jìn)入循環(huán)氣濾油器出來后進(jìn)入冷交換器熱氣進(jìn)口。在冷交換器管內(nèi)被管間的冷氣體換熱，冷卻后出冷交換器與壓縮送來經(jīng)過新鮮氣濾油器的新鮮氣氫氣、氮?dú)鈺?huì)合進(jìn)入氨冷器，被液氨蒸發(fā)冷凝到 5～ 10℃，被冷凝的氣體再次進(jìn)入冷交，在冷交下部氣液分離，液氨送往氨庫氣體與熱氣體換熱后再次出塔，進(jìn)入合成塔再次循環(huán)。 圖 31 工藝流程圖 4 工藝計(jì)算 原始條件 （ 1）年產(chǎn)量 80kt， 年生產(chǎn)時(shí)間扣除檢修時(shí)間后按 310 天計(jì)，則產(chǎn)量為：（ 2）新鮮補(bǔ)充氣組成 表 41 新鮮補(bǔ)充氣組成 組分 H2 N2 CH4 Ar 總計(jì) 合成塔 水冷器 熱交換器 廢熱鍋爐 放空 油分離器 循環(huán)機(jī) 冷交換器 氨分離器 新鮮氣 弛放 液氨儲(chǔ)槽 氨冷器 含量（ %） 24 100 （ 3）合成塔入口中氨含量： NH3 入 =% （ 4）合成塔出口中氨含量： NH3 出 =% （ 5）合成塔入口惰性氣體含量： CH4 +Ar=17% （ 6）合成塔操作壓力： 32Mpa （ 7）精練氣溫度： 35℃ ？？？？？？？ 物料衡算 合成塔物料衡算 （ 1） 合成塔入口氣組分： 入塔氨含量 : y5NH3=％ 。 入塔甲烷含量： y5CH4=％ （ +） 100％ =％； 入塔氫含量： y5H2=［ 100（ +17）］ 3/4100％ =％； 入塔氬含量： y5Ar=17％ ％ =％； 入塔氮含量： y5N2=［ 100 （ +17）］ 1/4100％ =％ 表 42 入塔氣組分含量（％） NH3 CH4 Ar H2 N2 小計(jì) 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(jì)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/)％ =％ 出塔 氬 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(jì) 100 （ 3）合成率： 合成率 =2MNH3/［ M5(1y5NH3y5CH4y5Ar)］ 100％ =2［ 1000()］ 100％ =％ 氨分離器氣液平衡計(jì)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(jì) 查 t=35℃ ， P= 時(shí)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(shí)，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(jì)算氣液比： （ V/L）＇ = 誤差 ［（ V/L） （ V/L）＇］ /（ V/L） =（ ） /100％ =％ ，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： xNH3=LNH3/L=100％ =％ 液體中氬含量： xAr=LAr/L=IOO％ =％ 液體中甲烷含量： xCH4=LCH4/L=100％ =％ 液體中氫含量 : xH2=LH2/L=100％ =％ 液體中氮含量： xN2=LH2/L=100％ =％ 表 47 氨分離器出口液體含量 NH3 CH4 Ar H2 N2 小計(jì) 分離氣體組分含量： 氣體氨含量： yNH3=［ mNH3LNH3］ /V=％ 氣體甲烷含量： yCH4=［ mCH4LCH4］ /V=％ 氣體氬含量： yAr=［ mArLAr］ /V=％ 氣體氫含量： yH2=［ mH2LH2］ /V=％ 氣體氮含量： yN2=［ mN2LN2］ /V=％ 表 48 氨分離器出口氣體含量（％） NH3 CH4 Ar H2 N2 小計(jì) 冷交換器氣液平衡計(jì)算 查 t=10℃ ,p= 的平衡常數(shù)： 表 49 各組分的平衡常數(shù) KNH3 KCH4 KAr KH2 KN2 27 51 75 80 冷交換器出口液體組分含量： 出口液體甲烷含量： xCH4=yCH4/ KCH4=％ 出口液體氨含量： xNH3=yNH3/ KNH3=％ 出口液體氬含量 : xAr=yAr/ KAr=％ 出口液體氫含量 : xH2=yH2/ KH2=％ 出口液體氮含量 : xN2=yN2/ KN2=％ 表 410 冷交換器出口液體組分含量（％） NH3 CH4 Ar H2 N2 小計(jì) 液氨貯槽氣液平衡計(jì)算 由于氨分離器液體和冷交換器出口分離液體匯合后進(jìn)入液氨貯槽經(jīng)減壓后溶解在液氨中的氣體會(huì)解吸，即弛放氣 。兩種液體百分比估算值，即水冷后分離液氨占總量的白分?jǐn)?shù)。 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％。 液氨貯槽入口 1Kmol 液體計(jì)算為準(zhǔn)，即 L0=1Kmol，入口液體混合后組分含量： m(0i)=L(15)X15i+L16X16i = G％ L0X15i+(1 G％ )X16i =+ 混合后入口氨含量： m0NH3=+= 混合后入口甲烷含量 : m0CH4=+= 混合后入口氬含量 : m0Ar=+= 混合后入口氫含量： m0H2=+= 混合后入口氮含量： m0N2=+= 表 411 液氨貯槽入口液體含量 m0NH3 m0CH4 m0Ar m0H2 m0N2 小計(jì) 當(dāng) t=17℃ ， P= 時(shí)，計(jì)算得熱平衡常數(shù)： 表 412 各組分的平衡常數(shù) KNH3 KCH4 KAr KH2 KN2 170 540 575 620 根據(jù)氣液平衡 L(i)=m(0i)/[1+(V/L)k(i)],設(shè) (V/L)=,代入上式得 : 出口液體氨含量： LNH3=m0NH3/[(1+(V/L)kNH3] =(1+)= Kmol 出口液體甲烷含量： LCH4=m0CH4/[ 1+(V/L)kCH4] =(1+170)= Kmol 出口液體氬含量： LAr=m0Ar/[ 1+(V/L)kAr] =(1+540)= Kmol 出口液體氫氣含量： LH2=m0H2/[ 1+(V/L)kH2] =(1+575)= Kmol 出口液體氮?dú)夂浚?LN2=m0N2/[ 1+(V/L)kN2] =(1+620)= Kmol L(總 )=,V==,(V/L) ＇ =V/L=,誤差 =()/=％，假定正確。 出口液體組分含量： 出口液體氨含量： xNH3=LNH3/L=100％ =％ 出口液體甲烷含量： xCH4=LCH4/L=100％ =％ 出口液體氬含量： xAr=LAr/L=100％ =％ 出口液體氫氣含量： xH2=LH2/L=100％ =％ 出口液體氮?dú)夂浚? xN2=LN2/L=100％ =％ 表 413 液氨貯槽出口液氨組分（％） NH3 CH4 Ar H2 N2 小計(jì) 出口弛放氣組分含量： 弛放氣氨含量： yNH3=(M0NH3LNH3)/V=()/100％ =％ 弛放氣甲烷含量： yCH4=(M0CH4LCH4)/V=()/100％ =％ 弛放氣氬含量： yAr=(M0 ArLAr)/V=()/100％ =％ 弛放 氣氫氣含量： yH2=(M0H2LH2)/V=()/100％ =％ 弛放氣氮?dú)夂浚? yN2=(M0N2LN2)/V=()/100％ =％ 表 414 出口弛放氣組分含量（％） NH3 CH4 Ar H2 N2 小計(jì) 100 液氨貯槽物料計(jì)算 以液氨貯槽出口一噸純液氨為基準(zhǔn)折標(biāo)立方米計(jì)算液氨貯槽出口液體量 L(19)=1000(17)= 其中 NH3 L(19NH3)=L(19NH3)X(19NH3)=﹪ = m３ CH4 L(19CH4)=L(19CH4)X(19CH4)=﹪ = m３ Ar L(19Ar)=L(19Ar)X(19Ar)=﹪ = m３ H2 L(19H2)=L(19H2)X(19H2)=﹪ = m３ N2 L(19N2)=L(19N2)X(19N2)=﹪ = m３ 液氨貯槽出口弛放氣（ V/L） = V(20)=L(19)== m３ 其中 NH3 V(20NH3)=V(20NH3)y(20NH3)=﹪ = m３ CH4 V(20CH4)=V(20CH4)y(20CH4)=﹪ = m３ Ar V(20Ar)=V(20Ar)y(20Ar)=﹪ = m３ H2 V(20H2)=V(20H2)y(20H2)=﹪ = m３ N2 V(20N2)=V(20N2)y(20N2)=﹪ = m３ 液氨貯槽出口總物料 =L(19)+ V(20)=+= m３ 液氨貯槽進(jìn)口液體： 由物料平衡，入槽總物料 =出槽總物料， L(21)