【導(dǎo)讀】氮，只有當?shù)c其他元素化合以后，才能被植物吸收利用。將空氣中的游離氮轉(zhuǎn)變?yōu)榛?。合態(tài)氮的過程稱為“固定氮”。其中合成氨法的能耗最低。1913年工業(yè)上實現(xiàn)了氨合成以后，合。成氨法發(fā)展迅速，30年代以后，合成氨法已成為人工固氮的主要方法。激呼吸道器官粘膜，空氣中氨的質(zhì)量分數(shù)占%~%就會使人在幾分鐘內(nèi)窒息。的主要物理性質(zhì)見表0-1。氨在常溫加壓易液化，稱為液氨。氨易溶于水，與水反應(yīng)形。氣和水，氨含量為1%的水溶液PH為。濃氨水氨含量為28%~29%。硝酸反應(yīng)生成硝酸銨；與二氧化碳反應(yīng)生成甲基甲酸銨，脫水后生成尿素等等。氨還可以做冷凍，冷藏系統(tǒng)的制冷劑。高溫、高壓、電弧、催化劑等手段試驗直接合成氨，均未成功。近年，合成氨產(chǎn)量以蘇聯(lián)、中國、美國、印度等十國最高，占世界總產(chǎn)量的。，其中工業(yè)用氨量約為10Mt，約占總氨消費量的12%。國年產(chǎn)量不到1萬噸。油等多種原料制氫。研制并生產(chǎn)多種合成氨工藝所需的催化劑，在品種、產(chǎn)量和質(zhì)量上

　　

【正文】 Cp10=(Kmol℃ ) t5=℃ 年產(chǎn) 10 萬噸合成氨合成工段設(shè)計 第 34 頁 共 63 頁 誤差 =()/60=%， 假設(shè)成立 （ 5）熱交換器熱負荷 ΔQ=Q2Q1=Q5Q4==將熱交換器熱量歸入表 234。 表 234 熱交換器熱量匯總表 入口 出口 冷氣帶入熱量 冷氣帶出熱量 熱 氣帶入熱量 熱氣帶出熱量 總 Q進 總 Q出 水冷器熱量核算 由題知 ， 水冷器出口熱氣體溫度 t2=35℃ ， 設(shè)氣體先冷卻至 35℃ 后 ， 氨再冷凝。 (1) 熱氣體帶入熱量 Q10由熱交換器熱平衡計算 Q10=(2)氨冷凝熱 查 ≤小氨肥廠工藝設(shè)計手冊 ≥得 35℃ 時氨冷凝熱 I=Q冷 =V2I NH3==式中 (3)熱氣體帶出熱量 Q11 查 t2=35℃ , P= MPa得混合氣體的比熱容 ，見表 235。 表 235 各組分含量，分壓及比熱容 組分 NH3 H2 N2 CH4 Ar 氣體含量 各組分分壓 /Mpa Cp（ KJ/(Kmol℃ )） Cp11=(Kmol℃ ) 熱氣體帶出熱量 ： Q11=V11Cp11t 11=35=(4)液氨帶出熱量 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 35 頁 共 63 頁 查 35 ℃ 液氨比熱容 ,CpL=(kmol℃ ) Q液 =V11L/MCpLt 11=35=(5) 冷卻水量計算 設(shè)需要冷卻水量為 W, 冷卻上水 ta=30℃ ,冷卻下水 tb=38℃ , 取 冷卻水比熱容CpL=則冷卻水吸收量為 ： ΔQ=Q進 Q出 =(Q10+Q冷 )(Q11+Q液 )=ΔQ=WCp(tbta)1000 所以， W=ΔQ/(1000Cp(tbta)) =(1000(3830))= 冷卻上水帶入熱量 ： Q上水 =100030=冷卻下水帶入熱量 ： Q下水 =ΔQ+Q上水 =+=將水冷器熱量匯入表 236。 表 236 水冷器熱量匯總表 入口 出口 熱氣帶入熱量 熱氣帶出熱量 氨冷凝熱 液氨帶出熱量 冷卻上水帶入熱 冷卻下水帶出熱 總 Q進 總 Q出 氨分離器熱量核算 氨分離器進出口溫度沒有發(fā)生變化 ,由氣體熱量平衡 , 氨分離器收入熱 ,則 Q11=氨分離器支出熱 氣體放空氣帶走熱量 Q13=V13Cp13t 13=35=冷交換器帶入熱量 ,由冷交換器熱平衡計算得： Q14=Q′11=Q13+Q14=+=誤差 =()/ =%， 假設(shè)成立 。 氨分離器液氨帶入熱量等于液氨帶 出熱量即 Q11L=Q15L=年產(chǎn) 10 萬噸合成氨合成工段設(shè)計 第 36 頁 共 63 頁 3 氨合成過程中的綠色化學(xué)化工 綠色化學(xué)化工的基本概念 “ 綠色 ” 化工的含意是在化工生產(chǎn)中要實現(xiàn)生態(tài)： “ 綠色 ” 化，采用化工產(chǎn)品為相關(guān)行業(yè)服務(wù)時也要追求相關(guān)行業(yè)的生產(chǎn)實現(xiàn)生態(tài) “ 綠色 ” 化，也就是要模擬動植物、微生物生態(tài)系統(tǒng)的功能，建立起相當于 “ 生產(chǎn)者、消費者和還原者 ” 的化工生態(tài)鏈，以低消耗（物耗和水、電、汽、冷等能耗及工耗）、無污染（至少低污染）、資源綜合利用、分離降解等方式實現(xiàn)生產(chǎn)無毒化工產(chǎn)品的化工的 “ 生態(tài) ” 循環(huán)和 “ 環(huán)境友好 ” 及清潔和安全生產(chǎn)的 “ 綠色 ” 結(jié)果。 合成氨是一個高耗能且高污染的生產(chǎn)過程，在合成氨工段需要消耗大量的熱量以保證合成氣能夠反應(yīng)生成產(chǎn)品氨，而后將氨氣冷凝到液氨又需要消耗大量的冷量，所以合成氨的合成工段為高耗能過程。另外，氨反應(yīng)所需熱量由煤或者其他礦物質(zhì)的燃燒供熱，而礦物質(zhì)的燃燒又伴隨著大量的 CO、 CO氮氧化物以及煙塵等大氣污染氣體的生成，從而對環(huán)境造成污染。我國 “ 十一五 ” 中的長期科技規(guī)劃的宏偉目標是建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會。對此，合成氨合成工段的生產(chǎn)過程應(yīng)該是有利于環(huán)境的生產(chǎn)、無污染或低污染的技術(shù)和產(chǎn)品，少污染與低損耗的產(chǎn)業(yè) 結(jié)構(gòu)，符合生態(tài)條件的生成力布局。 合成氨工段的原子經(jīng)濟性 原子經(jīng)濟性可表示為 A E = 100%?目 標 產(chǎn) 物 的 相 對 分 子 質(zhì) 量原 子 經(jīng) 濟 性 （ ） 反 應(yīng) 物 質(zhì) 的 相 對 分 子 質(zhì) 量 總 和 對于一般的合成反應(yīng) A+B C+D? CA E = 10 0%A + B ?的 相 對 分 子 質(zhì) 量的 相 對 分 子 質(zhì) 量 的 相 對 分 子 質(zhì) 量 原子經(jīng)濟性是衡量所有反應(yīng)物轉(zhuǎn)變?yōu)樽罱K產(chǎn)物的量度。 在合成氨的合成氨工段，本設(shè)計采用原料氣循環(huán)利用的原則，以充分的利用每一份原料，對于循環(huán)過程中的放空氣以及馳放氣，采用膜分離提氫裝置，將這部分廢氣中的有效組分氫氣提取出來在作為原料氣進入循環(huán)管網(wǎng)用 以生產(chǎn)氨。 合成氨工段的熱能綜合利用 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 37 頁 共 63 頁 合成氨過程中會產(chǎn)生大量的熱量，這部分熱量若排放到大氣中將會給環(huán)境帶去熱污染，而破壞周圍的生態(tài)環(huán)境，若將這部分熱量回收，不僅會解決因大量熱量排放到空氣中帶來的熱污染問題，而且也間接的為企業(yè)節(jié)約許多的資金。 本設(shè)計采用廢熱鍋爐法回收合成氨反應(yīng)產(chǎn)生的熱量并副產(chǎn)水蒸氣，從而將不可利用的廢熱轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢岳玫母邏核魵?，水蒸氣輸送到汽包，夏天水蒸? 可用作 原料氣預(yù)熱和發(fā)電，將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芄S區(qū)的生活用電，在冬天。因為天寒某些設(shè)備不能正常工作。可以利用蒸汽伴熱的形式為設(shè)備提供熱量 以保證設(shè)備在正常工作的溫度范圍內(nèi)工作。另外在北方蒸汽還可用作居民區(qū)供暖。 合成氨工段的 “ 三廢 ” 處理 在氨的合成過程中難免會產(chǎn)生一些 “ 廢水、廢氣、廢渣 ” 比如：水冷器中的冷卻水里含一定濃度的氨；放空氣中的少量氨氣、甲烷以及燃料燃燒帶來的廢渣這些如果排放到環(huán)境中都會對我們生活的環(huán)境造成傷害，所以必須加以處理凈化，達標后才能排放到環(huán)境中去。 廢水的處理：合成工段的廢水中主要是含有一定濃度的氨，氨水為稀堿液，排放會對周圍的生態(tài)造成破壞，若直接排放到河流中會導(dǎo)致魚蝦和水生植物死亡。所以對于排放出去的廢水必須經(jīng)脫氨處理并 達到一定標準后才能向外排放。對于冷卻水因為直接排放不經(jīng)濟，可循環(huán)利用。 廢氣的處理：對于放空氣中主要含有氨氣和甲烷，可先通過稀酸，然后再對放空的氣體進行燃燒處理使得氣體中的甲烷轉(zhuǎn)化為無害的二氧化碳 廢渣的處理：煤燃燒產(chǎn)生的大量廢渣可回收回來作為制造建筑的材料，如制造磚等。 年產(chǎn) 10 萬噸合成氨合成工段設(shè)計 第 38 頁 共 63 頁 4 設(shè)備選型 合成塔催化劑層設(shè)計 選用三段絕熱冷激間冷式內(nèi)件，并在此基礎(chǔ)上進行合成塔的催化劑層設(shè)計，依據(jù)已給定參數(shù)設(shè)計確定催化劑用量及幾何尺寸等工藝參數(shù)，然后再按照一定的操作條件計算催化劑層溫度、濃度和產(chǎn)量。本設(shè)計采用 “ 近似計算法 ” 進行 設(shè)計。 (1) 基本數(shù)據(jù) ，見 表 41： 表 41 入塔氣體基本組成 進塔氣摩爾流量： V1==MK0= =無惰性氣體分解基流量： yNH3,1=， y0,1= 則， V0,1=V1(1y0,1) [1+yNH3,1/(1 y0,1)]= ()[1+()] = m3/h 將整個催化劑床層分成三段，各段尺寸見表 42： 表 42 催化劑各床層尺寸 n 1 2 3 小計 ⊿ Ln,mm 1500 2500 3500 7500 ⊿ Vkn,m3 An,n,x106()/m3 Ef 組分 NH3 H2 N2 CH4 Ar 含量 /% WWWWW 進塔氣成分 圖 41 催化劑床層示意圖 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 39 頁 共 63 頁 (2)分段計算： ① 第一段絕熱層溫度 分布計算（ n=1） 首先假定催化劑層溫度 tk,0=412℃ ， 設(shè)出第一段氣體溫度tk,1=447℃ 。 a. 查物料數(shù)據(jù)：第一段平均溫度 t 平 k,1=(tk,0+tk,1)/2=(412+417)/2=℃ 由 t 平 k,1=℃ ， yNH3,1=， 查 得： C 平 pk,1=(Kmol.℃ )， ⊿ HT1=54340KJ/KmolNH3 由聯(lián)立方程式 ： A1=⊿ Vk/V01=(1/rNH3)平 n/Ef=(y186。NH3,1y186。NH3,0) 式 中 ⊿ Vk— 表示第 n1 段至 n 段催化劑用 量 V01— 為入塔氨分解基無惰性氣體體積流量 Ef— 為催化劑活性系數(shù) y186。NH3,1， y186。NH3,0— 為扣除了惰性氣體的第 n 段催化劑進出計算氨含量 ， （ 1/rNH3)平 n— 為第 n 段進出口反應(yīng)速度倒數(shù) b. 求反應(yīng)熱及生成氨含量 令氣體第一段焓升（反應(yīng)熱） ⊿ I1 ⊿ I1=Mk,0C 平 pk,1(tk,1tk,0)=⊿ M1x⊿ HT1 ∴⊿ M1=Mk,0C 平 pk,1(tk,1tk,0)/⊿ HT1 =(447412)/54340=⊿ I1=⊿ M1⊿ HT1=54340=c. 求出口氨含量 由公式 y186。NH3,1/（ 1+y186。NH3,1)=⊿ M1/V01+y186。NH3,0/(1+y186。NH3,0) =+y186。NH3,0/(1+ y186。NH3,0) =+ y186。NH3,0/(1+y186。NH3,0) 由公式 y186。NH3,0=yNH3,0/(1yNH3,0)=()=， y186。NH3,0/(1+y186。NH3,0)= 上式 =+=， 所以， y186。NH3,1= 圖 42 催化劑第一段示意圖 年產(chǎn) 10 萬噸合成氨合成工段設(shè)計 第 40 頁 共 63 頁 實際出口氨含量： yNH3,1=y186。NH3,1（ 1 y0,0Mk,0/Mk,1） =（ ,1） 式中 ， Mk,1=Mk,0⊿ M1 所以， Mk,1==y186。NH3,1=()= ,1(反算 tk,1)， 由 A106 催化劑活性曲線查 (1/rNH3)1， (1/rNH3)2 當 tk,0=412℃ ， y186。NH3,0= 時 ， (1/rNH3)0 =105()/m3 當 tk,1=447℃ ， y186。NH3,1= 時 ， 1/rNH3)1=105()/m3 (1/rNH3)平 1=[(1/rNH3)0 +(1/rNH3)1]/2=105()/m3 A1,1=(1/rNH3)平 1(y186。NH3,1 y186。NH3,0)/Ef =105()/=105()/m3 與假定第一段常數(shù) A1 相符，故假定溫度求 tk,1=447℃ 正確 。 本段單位長度反應(yīng)熱 ， Q1=⊿ I1/⊿ L1 =() 第一段催化劑用量 ⊿ Vk， 1=A1,1V01=105= ② 第二絕熱床層的計算 進第二絕熱床層摩爾流量 ： Mk2= Mk1+ Mk0=+=無惰性氣體氨分解基流量： y02= V02= V2(1 y0,2)[1+ yNH3,2/(1 y0,2)] = () (1+()) =設(shè)第二段出口氨含量為 %， 則第二絕熱床層無惰性氣體進出口氨含量： y0NH3,2=()= y0NH3,1= 氨生成量： ΔM2=Vo,2/(yoNH3,2/(1＋ yoNH3,2) yoNH3,21/(1＋ yoNH3,21)) ΔM2=(0. 094/(1+)(1+))=假設(shè)第二段出口溫度為 452℃ ， 查得 Cpk,2 平 = KJ/(Kmol. ℃ )， ΔHT2=55732KJ 第二段出口溫度核算： tk,2=⊿ M2⊿ HT2/(Mk1Cpk,2 平 )+tk,1 =55732/()+447=℃ 與假定值相同，計算有效 。 圖 43 第二段床層示意圖 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 41 頁 共 63 頁 由 A106 催化劑活性曲線查 (1/rNH3)n1, (1/rNH3)n 當 tk,1=447℃ 時 ， y186。NH3,1= 時 ， (1/rNH3)1=()/m3(標 ) 當 tk,2=℃ 時， y186。NH3,2= 時 ， (1/rNH3)2=()/m3(標 ) (1/rNH3)2 平 =((1/rNH3)2＋ (1/rNH3)1)＝ ()/m3(標 ) 第二絕熱床層催化劑用量： ΔVk2=V0,?x(1/rNH3) 2 平 /Ef(y0NH3,2y0NH3,1) =105()/= 設(shè)冷激后溫度降為 380℃ ，查表得 Cpk2,`=(Kmol.℃ ) 出塔氣摩爾流量： Mk,2= 已知冷激氣溫度： tk,0=℃ ， 查得 Cpk,0= KJ/(Kmol.℃ ) 據(jù) MknCpk,n 平 tk,n+Mk,0+Cpk,0 tk,0=tk,n`Cpk,n`(Mkn+Mk0)代入數(shù)據(jù) + Mk,0=380(Mk,0+) 解得冷激 氣量： Mk,0＝ 冷激后氨含量： yNH3,n`=(Mkny