【正文】 )( ??????? ?? ??? 損,式中： =(+)247。2=(kmol ? k)為進(jìn)出口平均摩爾定壓熱容 。 △ yNH3= == ，氨凈值； n3= ,入塔氣量。 △ t= ? ?? =℃ 則 t6=t5+△ t=℃ 與設(shè)定的出口溫度 360℃ 相差無幾，可以認(rèn)為計(jì)算正確。 由以上的關(guān)于合成塔的能量計(jì)算，可以匯總出來合成塔一二次 進(jìn)出塔氣的能量， 匯總于 下表 ： 寧夏理工學(xué)院畢業(yè)論文 19 表 合成塔能量平衡匯總表 收入項(xiàng) 項(xiàng)目 熱量 /kJh1 支出項(xiàng) 項(xiàng)目 熱量 / 一次入塔氣 Q3 3189132 一次出塔氣 Q4 5199379 二次入塔氣 Q5 18236953 二次出塔氣 Q6 34954516 反應(yīng)熱 QR 20970573 熱損失 Q 損 2242763 小計(jì) 42396658 小計(jì) 42396658 廢熱鍋爐能量衡算 對廢熱鍋爐進(jìn)行能量衡算，需要廢熱鍋爐能量平衡示意圖為依據(jù)，如下圖 ： 圖 ：廢熱鍋爐能量平 衡示意圖 通過衡算，可求得廢熱鍋爐熱負(fù)荷，從而可知生產(chǎn)蒸汽量。 (1)入口氣帶入熱 Q6 Q6=34954516kJ/h (2)出口氣帶出熱 Q7按前速方法求取摩爾定壓熱客 Cp， m 由 t7=250， p7= MPa 求得 =? k Q7= 24306972kJ/h (3)廢熱鍋爐熱負(fù)荷 △ Q=Q6 Q7=10647544kJ/h (4)可副產(chǎn)蒸汽量 設(shè)定軟水溫度為 90，其焓，飽和蒸汽壓力為 MPa(絕 )，其焓 H 汽 =如考慮 2%的熱損失，則由熱平衡，可求得蒸汽量： W=△ Q()/( H 汽 H水 )=軟水帶入熱量為 1634490kJ/h 蒸汽帶出熱量為 12069084kJ/h 寧夏理工學(xué)院畢業(yè)論文 20 熱損失為 106475442%=212950kJ/h 由以上的關(guān)于廢熱鍋爐的能量計(jì)算，匯總出廢熱鍋爐的各部分熱量，見下表 ： 表 廢熱鍋爐能量平衡匯總表 收入項(xiàng) 項(xiàng)目 熱量 /kJh1 支出項(xiàng) 項(xiàng)目 熱量 /kJh1 進(jìn)爐熱氣 Q6 34954516 出爐熱氣 Q7 24306972 軟水帶入熱 Q 1634490 蒸汽帶出熱 Q 12069084 ……. …… 熱損失 Q 損 212950 小計(jì) 36589006 小計(jì) 36589006 熱交換器能量衡算 冷、熱氣體的熱量，已有三項(xiàng)由合成塔和廢熱鍋爐的能量衡算確定。此處計(jì)算目的是確定出口熱氣體的溫度 t8。 (1)冷氣體 (即合成一次出塔氣 )帶入熱量 Q4=5199379kJ/h 對于熱交換器的能量衡算，需依據(jù)熱交換器能量平衡示意圖，見下圖 ： 圖 ：熱交換器能量平衡示意圖 (2)冷氣體 (即合成二次入塔氣 )帶出熱量 Q5=18236953kJ/h (3)熱氣體 (即廢熱鍋爐來氣 )帶入熱量 (4)熱氣體出口帶出熱量 Q8 = Q4 + Q7 – Q5(忽略熱損失 ) =11269398kJ/h 根據(jù)此值，按顯熱計(jì)算，求得出口溫度為 115℃ 。 由以上對熱交換器的熱量計(jì)算，可得熱交換器各部分能量，如下表 ： 寧夏理工學(xué)院畢業(yè)論文 21 表 熱交換器能量平衡匯總表 收入項(xiàng) 項(xiàng)目 熱量 /kJh1 支出項(xiàng) 項(xiàng)目 熱量 /kJh1 合成一次出塔氣 Q4 5199379 去合成二次入塔氣 Q5 18236953 廢熱鍋爐來氣 Q7 24306972 熱氣出口去軟水預(yù)熱器 Q8 11269398 小計(jì) 29506351 小計(jì) 29506351 水冷器能量衡算 設(shè)各點(diǎn)的溫度和壓力如下表 : 表 測量各點(diǎn)的溫度和壓力 位置 循環(huán)機(jī) 濾油器 氨冷器 合成塔 氨分離器 進(jìn)口 出口 出口 進(jìn)口 出口 進(jìn)口 出口 出口 溫度 ℃ 35 44 40 25 1 20 210 35 壓力 Mpa 29 本設(shè)計(jì)中以合成塔出口處數(shù)據(jù) 為例，即對水冷器作能量衡算： 壓力為 ，溫度為 210℃ 。氨含量為 %混合氣體的熱容是由《氮肥工藝設(shè)計(jì)手冊》理化數(shù)據(jù)分冊查得，為 ? mol? ℃ 。求得氣體帶入的熱量 1Q ： 則： Q1=210=液氨在 35℃ 下的冷凝熱為 kJ/kg 氨， 冷凝氨量為 kg? mol/h，故冷凝熱為 2Q : 則： Q2=17=出口氣量為 =? mol/h，查得混合氣體的 Cp=? mol? ℃ ，液氨比熱為 ，故氣體帶走的熱量為 Q3： 則： Q3=35+1735=水冷器移走的熱量為 Q4： 則： Q4=Q1+Q2Q3=+=若冷卻水進(jìn)口溫度為 30℃ ，出口溫度為 40℃ ，則用水量為 V： 則： V=247。(4030)1000= 寧夏理工學(xué)院畢業(yè)論文 22 第五章 典型設(shè)備選型及論證 合成塔 氨合成塔是合成氨生產(chǎn)的主要設(shè)備之一。 為了適應(yīng)氨合成反應(yīng)條件，氨合成塔通常由外殼和內(nèi)芯兩個(gè)部分組成，內(nèi)芯置于外筒之內(nèi)。 外殼需保證氣體能夠處于高壓下，因此必須堅(jiān)固。根據(jù)強(qiáng)度高，容積大，易加工等要求，外殼一般都制成長筒形。由于采取降溫措施，外殼溫度一般不超過 50~60 ℃ 。所以，對外殼材料并不強(qiáng)調(diào)要耐氫、氮腐蝕，外殼通常是用高強(qiáng)度、低合金鋼制成。 內(nèi)芯供氣體進(jìn)行預(yù)熱、反應(yīng)和冷卻之用。內(nèi)芯由于處于高溫、高壓下，必須采用耐 氮、氫腐蝕的特種合金鋼，但內(nèi)芯處于外殼內(nèi)，壓差很小，可以單薄一些，即使腐蝕損壞了，也可以更換。由此可見，把合成塔分成外殼和內(nèi)芯兩部分是節(jié)省大量合金鋼、降低投資的重要措施。 合成塔內(nèi)件的催化劑床層因換熱形式的不同，大致分為連續(xù)換熱式、多段間接換熱式和多段冷激式三種塔形。 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形。前者屬于連續(xù)換熱式，后者屬于多段冷激式。 本設(shè)計(jì)采用單管并流氨合成塔；單管并流氨合成塔的內(nèi)件結(jié)構(gòu)是內(nèi)部換熱合成塔的形式之一。它是由催化劑筐和下部換熱器組成。催化劑筐內(nèi)設(shè)有單層冷管、集氣環(huán) 、引氣管以及電加熱器中心管，下部換熱器采用列管式。 該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是冷管內(nèi)氣體移走的熱量與催化劑層內(nèi)氨合成放熱規(guī)律基本一樣。即上部催化劑層氣體中氨含量較低，反應(yīng)速度大，單位體積催化劑放出的熱量多，而上部冷管內(nèi)正好是溫度較低的氣體，溫差較大，移走熱量也多；下部催化劑層反應(yīng)和放出的熱量較少，而此時(shí)冷管內(nèi)氣體溫度較高，管內(nèi)外溫差較小，冷管移走的熱量也越少。從結(jié)構(gòu)上看，它是用兩根直徑較大的升氣管代替三套管中幾十根兩層內(nèi)冷管，把氣體從底部換熱器引到催化劑上部冷管的管環(huán)中，以上下環(huán)管代替結(jié)構(gòu)復(fù)雜的分氣盒，加工方便、結(jié)構(gòu)緊 湊和容積利用系數(shù)高。以單管代替三套管，既節(jié)省鋼材的消耗，又增加了催化劑的填裝量，還降低了催化劑床的阻力 ［ 8］ 。 具體的結(jié)構(gòu)參見下圖 ： 寧夏理工學(xué)院畢業(yè)論文 23 圖 :氨合成塔結(jié)構(gòu)圖 1主進(jìn)氣口； 2催化劑筐； 3合成塔外筒； 4 換熱器； 5副進(jìn)氣口； 6中心孔； 7排氣孔 水冷器 水冷器的作用是冷卻從合成塔出來的反應(yīng)后氣體，使氣體的溫度降低至 40℃ 以下，并使其中部分的氣氨凝結(jié)成液氨。 本設(shè)計(jì)采用套管式。由兩層套管組成的多組排管。內(nèi)層為高壓管，外層管位低壓管。高溫氣體從上部進(jìn)入 高壓管內(nèi)，從下部出來后溫度為 ? 40℃ 的高壓氣體，進(jìn)入氨分離器。冷卻水自下而上在套管內(nèi)流動，以冷卻高壓管內(nèi)的氣體。一般在上部幾排用以加熱供鍋爐用的軟水以回收部分反應(yīng)熱。 該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是傳熱效率比較高，操作環(huán)境好。缺點(diǎn)是水質(zhì)要求比較高，清洗較為麻煩，鋼材消耗量大，占地面積也比較大。 氨分離器 氨分離器是用來分離經(jīng)過水冷器以后循環(huán)氣中凝結(jié)的液氨，分離下來的液氨經(jīng)液面控制機(jī)構(gòu)減壓后送往液氨儲罐。 本設(shè)計(jì)采用多層套筒式。分離器內(nèi)件由固定在外層上部的多層套筒（三層或四層）組層。套筒之間形成環(huán)隙。 每層套筒均開有 許多長方形槽孔，各層槽孔排列位置互相錯(cuò)開，以使氣液混合物（液3 4 5 1 2 7 6 圖 ：合成塔結(jié)構(gòu)圖 寧夏理工學(xué)院畢業(yè)論文 24 氨是以霧滴狀分散在循環(huán)氣流中）不斷改變流動方向。帶有液氨霧滴的循環(huán)氣，由筒體上部側(cè)面進(jìn)入，沿筒體與外套筒環(huán)隙向下流動，當(dāng)氣體出環(huán)隙到達(dá)筒體中部時(shí)，由于流速的突然降低，氣體中較大的液滴便得到分離。然后氣體由最外層套筒上的方形槽孔進(jìn)入，依次曲折經(jīng)第二、三和第四層，由于氣體流速及流向的不斷改變，以及氣體不斷與各層套筒碰撞，更多的液氨被分離下來。同時(shí)，較小的液氨霧滴也會凝聚增大，由于重力的作用，沿著筒壁流下，達(dá)到分離的目的。分離掉液氨的氣體，經(jīng)中心圓筒上部 引出氨分離器。液氨經(jīng)減壓后送往氨庫 ［ 9］ 。 具體的結(jié)構(gòu)參見下圖 ： 該分離器結(jié)構(gòu)比較簡單，制造和安裝方便。缺點(diǎn)是處理能力比較小。 冷凝塔 冷凝塔（又稱冷熱交換器）有兩個(gè)作用。一個(gè)作用是將進(jìn)入氨冷器的熱氣體和氨冷器出來的冷氣體進(jìn)行換熱，以回收部分能量。另一作用是分離循環(huán)氣體中夾帶的液氨。 冷凝塔內(nèi)件由上部列管換熱器和下部氨分離器組成。分離下來的液氨，由液面控制機(jī)構(gòu)減壓后送往氨庫。分離器內(nèi)維持一定高度的液面，以防止高壓氣體竄到中、低壓系統(tǒng)而圖 ：氨分離器結(jié)構(gòu)圖 1循環(huán)氣入口； 2筒體； 3內(nèi)件； 4液氨排出口； 6液面計(jì)接口； 7循環(huán)氣出口； 8上蓋 1 2 3 4 5 6 7 8 寧夏理工學(xué)院畢業(yè)論文 25 發(fā)生事故。 氨冷器 氨冷器有如下兩個(gè)作用：一個(gè)作用是利用液氨的低壓下汽化吸收大量的蒸發(fā)潛熱，將高壓管內(nèi)的氣體溫度由 5~15℃ 降到 5~10℃ ，是循環(huán)氣體中更多的氣氨冷凝下來，然后到冷凝塔中進(jìn)行分離；另一個(gè)作用是利用冷凝下來的液氨洗滌新鮮氣中的催化劑毒物。液氨洗滌的作用是，一方面降低溫度，使氣相中油水的分壓減小，另一方面是將油水及碳酸 氫銨等雜質(zhì)溶洗掉。 本設(shè)計(jì)采用兩種氨冷器：氨冷器 I（立式），氨冷器 II（臥式）； 在氨冷器中，液氨在列管外蒸發(fā)以冷卻管內(nèi)的高壓氣體，蒸發(fā)出來的液滴回至氨冷器，出除沫器的氣氨由 氨總管送往氨加工系統(tǒng)或冰機(jī)系統(tǒng)。 循環(huán)機(jī) 循環(huán)機(jī)的作用有二：一是補(bǔ)充循環(huán)氣在循環(huán)流轉(zhuǎn)中的壓頭損失；二是通過循環(huán)機(jī)上設(shè)置的副線，可以用調(diào)節(jié)循環(huán)機(jī)打氣量的辦法控制合成塔的溫度。 目前使用的循環(huán)機(jī)有活塞式和離心式，其特點(diǎn)分別是： （ 1） 活塞式壓縮機(jī) 由氣缸、活塞、十字頭、主軸以及電機(jī)等部件組成。當(dāng)電機(jī)帶動主軸轉(zhuǎn)動時(shí)，通過曲軸連桿機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變?yōu)橥鶑?fù)運(yùn)動，使氣缸內(nèi)的活塞來回運(yùn)動壓縮氣體。氣缸是由鍛件制成的，內(nèi)嵌有鑄鐵缸套，磨損了可以更換?；钊麨榛瑒邮?，上面開有四道凹槽，槽內(nèi)裝有灰鑄鐵制成的活塞環(huán)， 以防止活塞兩側(cè)串氣而降低循環(huán)機(jī)的打氣量。氣缸兩側(cè)裝有氣閥，一側(cè)為入口，另一側(cè)為出口，分別于進(jìn)氣管和出氣管相連接。進(jìn)出管之間裝有一副閥，作為調(diào)節(jié)氣量和開停車氣體循環(huán)之用。今年來，灰鑄鐵活塞環(huán)合巴氏合金填料，逐漸為有機(jī)材料或粉末冶金加入有機(jī)材料所代替，因?yàn)檫@些材料具有比較好的機(jī)械和物理性能。 （ 2） 離心式壓縮機(jī) 離心式壓縮機(jī)是一種葉片旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)（即透平式壓縮機(jī)）。在離心式壓縮機(jī)中，高速旋轉(zhuǎn)的葉輪給予氣體的離心力作用，以及在擴(kuò)壓通道中給予氣體的擴(kuò)壓作用，使氣體壓力得到提高。早期，由于這種壓縮機(jī)只適于低， 中壓力、大流量的場合，而不為人們所注意。但近來，由于化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，各種大型化工廠，煉油廠的建立，離心式壓縮機(jī)就成為壓縮和輸送化工生產(chǎn)中各種氣體的關(guān)鍵機(jī)器，而占有極其重要的地位。隨著氣體動力學(xué)研究的成就使離心壓縮機(jī)的效率