【導讀】是合成氨工藝的中心環(huán)節(jié)。本設計目的在于對年產(chǎn)20萬噸合成氨合成工段進行設計，并。簡要介紹了氨的用途、現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢。反應的混合氣中補充一定量的新鮮氣繼續(xù)循環(huán)反應。熱量衡算得到合成塔、中置鍋爐和塔外換熱器的熱量變化。并根據(jù)設計任務及操作溫度、壓力按相關標準對換熱器的尺寸和材質進行選擇。的立式列管式換熱器。

　　

【正文】 (39) 將 yNH3=， xNH3= 代入上式： V=(xNH3 mNH3)/(xNH3 yNH3)= mNH3/┉┉③ ③ 式中 mNH3 可由物料平衡和氨平衡計算 mNH3=V5NH3/V5 V5′=V1+V4′ (310) V4′=V9V14L16 (311) V5NH3′=V5NH3+L4NH3+L4NH3′ (312) 式中 V5′ ——— 冷交換器入口總物料； V4′——— 冷交換器熱氣出口總物料 V′5NH3 ——— 冷交換器入口總氨物料 將 V9=， V14= m3， L16= m3 代入上式解得： V4′= ∴ V5′= += ； V5NH3′=+ += m3 ∴ mNH3= V5NH3′/ V5′=③ 得： V=； L=1V=； (L/V)= 由 (L/V)可求出冷交換器冷凝液體量 (L7/V6)=(L/V)= 冷凝液體量 L17=== m3 24 出器物料：冷交換器 (冷氣 )出口氣體物料等于進口總物料減去冷激液體量 V6== m3 其中 NH3 V6NH3= % = CH4 V6CH4= %= Ar V6Ar = % = H2 V6H2= %= N2 V6N2= %= 計算誤差 =(V6V 入 )/V 入 100%=()/=% 校核氨分離器液氨百分數(shù) 氨分離器液氨百分數(shù)： G 分 %=L16x16/(L16+L17x17)100% =( +)100 =% 冷交換器分離液氨百分數(shù)： G 冷 %=1G 分 %=% 計算誤差 =(G′G 分 )/G′=()/=% 表 冷凝塔出口液氨各組分的含量 組分 N2 H2 CH4 Ar NH3 總計 摩爾分數(shù) % 100 m3/T(NH3) m3/h kmol/h 液氨貯槽物料計算 進槽物料：氨分離器入槽液體 L16= m3 其中 NH3 L16NH3= = CH4 L16CH4= = Ar L16Ar= = H2 L16H2= = N2 L16N2= = 冷交換器入槽液體 L17= m3 其中 NH3 L17NH3= = 25 CH4 L17CH4= = Ar L17Ar= = H2 L17H2= = N2 L17N2= = 入槽混合物料 L18=L16+L17= += m3 各組分物料含量： L181i=L16i+L17i 其中 NH3 L18NH3= + = CH4 L18CH4= + = Ar L18Ar= + = H2 L18H2= += N2 L18N2= + = 百分含量 x18i=L18i/L18 其中 NH3 x18NH3= 100%=% CH4 x18CH4=100%=% Ar x18Ar= 100%=% H2 x18H2= 100%=% N2 x18N2=100%=% 出槽物料：液氨貯槽出口弛放氣 V20= m3 其中 NH3 V20NH3=﹪ = m３ CH4 V20CH4=14,46﹪ = Ar V20Ar=﹪ = m３ H2 V20H2=﹪ = N2 V20N2= ﹪ = m３ 出口液氨總物料 L19=L18L20= = m3 其中 NH3 L19NH3= L18NH3V20NH3= = CH4 L19CH4= L18CH4V20CH4= = Ar L19NH3= L18NH3V20NH3= = H2 L19H2= L18H2V20H2== N2 L19N2= L18N2V20N2= = 各組分百分含量： x19i=L19i/L19 26 其中 NH3 x19NH3= 100%=% CH4 x19CH4=100%=% Ar x19Ar= 100%=% H2 x19H2= 100%=% N2 x19N2=100%=% 液氨產(chǎn)量核算 : mNH3=17=996Kg≈1000Kg 表 液氨貯槽進口液體 各組分的含量 組分 N2 H2 CH4 Ar NH3 總計 摩爾分數(shù) % 100 m3/T(NH3) m3/h kmol/h 表 產(chǎn)品液氨各組 分的含量 組分 N2 H2 CH4 Ar NH3 總計 摩爾分數(shù) % 100 m3/T(NH3) m3/h kmol/h 表 馳放氣組成 各組分的含量 組分 N2 H2 CH4 Ar NH3 總計 摩爾分數(shù) % m3/T(NH3) m3/h 875 kmol/h 熱量衡算 合成塔熱量計算 計算合成塔一次入口帶入熱量 Q6=V6CP6T6 氣體在器內(nèi)處與氨飽和區(qū)內(nèi)，計算氣體比熱容時先求常壓下氣體比熱容，然后用壓力校正的辦法計 算實際的氣體比熱容。 由 t4=27℃ P=，查常壓下各組分氣體比熱容并計算得： 27 表 各組分含量，分壓及比熱容 組分 N2 H2 CH4 Ar NH3 氣體含量 各組分分壓 Cp Cpm=++++=56KJ/(Kmol℃ ) 查《小氮肥長工藝設計手冊》附表 159的 △ CPm=(Kmol℃ ) C6=Cpm+△ CPm=(Kmol℃ ) 則 Q6=V6CP6T6=27247。= 設合成塔二出溫度 310℃ ，假定氣體在塔內(nèi)先溫升到出口溫度后再進行氨合 成反應。在壓力 P= ， t=310℃ 下的氣體反應熱簡化計算公式為： H=11599+=11599+310=由物料平衡計算知氨產(chǎn)量 ΔVNH3=(標 )= 則合成塔內(nèi)反應熱 QR=(Hr)ΔVNH3==(1) 合成塔一出氣體帶出熱量 Q7 查 t=70℃ P= 混合氣體熱容： 表 各組分含量，分壓及比熱容 組分 N2 H2 CH4 Ar NH3 氣體含量 Cp Cp7=++++ =(Kmol℃ ) Q7=70=(2) 合成塔二出氣體帶出熱量 Q9 當 t=310℃ P= 混合氣體熱容： 表 各組分含量，分壓及比熱容 組分 N2 H2 CH4 Ar NH3 氣體含量 Cp 28 Cp9=++++= (Kmol℃ ) Q9=310= (3) 合成塔熱損失 由經(jīng)驗公式 Q損 =awFw(twtb)設塔壁溫度 tw= 71℃ ,空氣溫度 6℃ ,塔外壁高 h=, 外徑 D= 則 aw=+=71+=(m2h℃ ) ∴ Q損 =(twtb)=[71(6)]= kJ/tNH3 (4)合成塔二次入口帶入熱量 Q8=Q7+Q9+Q損 QrQ6=++= 2367211kJ/tNH3 表 合成塔熱量平衡匯總表 入 出 一次氣體進口帶入熱 Q6 一次氣體出口帶出熱 Q7 二次氣體進口帶入熱 Q8 2367211 二次氣體出口帶出熱 Q9 反應熱 Qr 熱損失 Q損 總 Q入 總 Q出 廢熱鍋爐熱量計算 (1)熱氣體帶入熱量等于合成塔二次出口帶出熱量 即 Q9=(2) 管內(nèi)熱平衡氣體帶出熱量 Q10 設 t2=210 C, P=，得混合氣體比熱容： 表 各組分含量，分壓及比熱容 組分 N2 H2 CH4 Ar NH3 氣體含量 Cp Cp10=++++= (Kmol℃ ) Q10=210=(3) 廢熱鍋爐熱負荷 ΔQ=Q9Q10==(4) 軟水量計算 29 設廢熱鍋爐加入軟水溫度 t=30,壓力 P=,副產(chǎn) 飽和蒸汽，需 軟水量為 X 由 軟水焓 I1=X=ΔQ/(I2I1)=()=廢熱鍋爐帶入熱量 Q軟 =XI1==蒸汽帶入熱量 Q蒸 =Q軟 +ΔQ=+=表 廢熱鍋爐熱量匯總表 入 出 管內(nèi)熱氣帶入熱量 Q9 管內(nèi)熱氣帶出熱量 Q10 軟水 帶入熱量 Q軟 蒸汽帶出熱量 Q蒸 總 Q進 總 Q出 熱交換器熱量計算 (1)冷氣體帶入熱量等于合成塔一次出口帶出熱量即 Q7=(2)熱氣體帶入熱量等于廢熱鍋爐管內(nèi)熱氣帶出熱量即 Q10=(3)冷氣體帶出熱量等于合成塔二次入口帶入熱量 Q8=2367211kJ/tNH3 (4)熱氣體帶出熱量 即 Q10+Q7=Q8+Q11 Q11=Q10+Q7Q8=+=Q11=V11Cp11t11 t11=Q11/V11/Cp11=℃ Cp11=(Kmol℃ ) 設 t11=110℃ P=： 表 各組分含量，分壓及比熱容 組分 N2 H2 CH4 Ar NH3 氣體含量 Cp Cp11=++++44. 214= (Kmol℃ ) 查《小氮肥長工藝設計手冊》附表 159的 △ CPm=(Kmol℃ ) C6=Cpm+△ CPm=38,337KJ/(Kmol℃ ) 誤差 =()/=% 假設成立 30 (5)熱交換器熱負荷 ΔQ=Q8Q7=Q10Q11==表 熱交換器熱量匯總表 入 出 冷氣帶入熱量 Q7 冷氣帶出熱量 Q8 2367211 熱氣帶入熱量 Q10 熱氣帶出熱量 Q11 總 Q進 總 Q出 31 第 四 章 設備的計算與選型 有 了 物料衡算和熱量衡算 我們就可以對換熱器進行 工藝計算 已知條件 (1)熱負荷 Q=(2)產(chǎn)量 W=(3)冷氣體壓力 P=1Mpa，熱氣體壓力 P= (4)冷氣體入口溫度 t 冷 入 =46℃ ，冷氣體出口溫度 t 冷 出 =100℃ (5)熱氣體入口溫度 t 熱 入 =210℃ ，熱氣體出口溫度 t 熱出 =110℃ (6) 冷氣體氣量 V=， 熱氣體氣量 V= m2/h 計算并初選換熱器規(guī)格 選用立式列管式換熱器，材質為 16MnR，冷氣體走殼程，熱氣體走管程。 (1)計算平均溫差并確定殼程數(shù) 逆流溫差 Δtm=4610 0 01121 0ln)4610 0()01121 0(????? =℃ R=(210110)/(10046)= P=(11046)/(21046)= 查《化工原理課程設計》圖 213(a)得 t?? = 故可選用單殼程的換熱器 (2) 初選設備規(guī)格 列管尺寸 ? 25： do =， di =， dm= 校核總傳熱系數(shù) K 官內(nèi)給熱系數(shù)α計算 α=? 式中 λ 導熱系數(shù) kJ /(mh ℃ ) α 給熱系數(shù) kJ /(mh ℃ ) 式中各數(shù)據(jù)均取平均值 則 t = (210+110)/2 = 160 ℃ p = 32 (1)壓縮系數(shù) Z 查《氮肥工藝設計手冊》表 11 氣體的臨界常 數(shù)： 表 氣體的臨界常數(shù) 組分 NH3 CH4 Ar H2 N2 yi 0， 49838 Tci,K 151 Pci, MPa Tcm= ii?Tcy =++151++=134.95K Pcm= ii? Pc y =++++3= 對比壓力 Pr= Pcmp平均 =對比溫度 Tr=TcmT = (160+ 273)/= 查《氮肥工藝設計手冊 (理化數(shù)據(jù) )》圖 14 普遍化壓縮系數(shù)之三， 得 Z = (2)混合分子量 M M = iMi? y =17+16+40+2+28= (3)氣體比熱 Cp： 表 氣體的比熱容 組分 NH3 CH4 Ar H2 N2 yi