【導(dǎo)讀】題目年產(chǎn)10萬(wàn)噸合成氨的生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)。專(zhuān)業(yè)應(yīng)用化工技術(shù)。完成日期2020年6月25日—2020年10月13日。畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）

　　

【正文】 十年以上。 氨合成的最適宜溫度，隨氨含量的增加而逐漸降低。因此，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，催化劑層應(yīng)采取逐漸降溫措施。 濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 圖 3— 1氨合成塔 1塔體下部； 2托架； 3底座； 4花板； 5熱交換器； 6外筒； 7擋板； 8冷氣管； 9分氣盒； 10溫度； 11冷管（雙套管）； 12中心管； 13電爐； 14大法蘭； 15頭蓋； 16催化劑床蓋； 17催化劑床 列管式石墨換熱器 石墨換熱器是用于冷卻或加熱氣體的設(shè)備，主要有列管式和塊孔式。圖 32給出了上蓋設(shè)置冷卻水箱的浮頭列管式石墨換熱器，可出于合成爐經(jīng)空氣冷卻導(dǎo)管后的高溫氯化氫氣的冷卻，水箱的設(shè)置可以降低氣體進(jìn)口部位特別是上管板的溫度，不致 經(jīng)受高溫而使管板與列管的膠接縫處因材料熱膨脹系數(shù)差異而膿裂損壞 。 由圖可見(jiàn) ， 與氣體接觸部分均用石墨材料制造，這種石墨是浸漬 過(guò) 酚醛或酮樹(shù)脂的 所謂 “ 不造性石墨 ” 。如上、下管板是 由 小尺寸石墨塊交叉膠接后，經(jīng)過(guò)車(chē)圓、 浸漬 、鉆孔、 浸漬 、 再 精加工而完成的，列管則是由石墨粉與酚醛樹(shù)脂捏合擠壓成型的；列管與 管 板 (或浮頭 )間借酚醛膠泥 粘合 而成。列管外的殼體是 通入冷卻水，所以可用普通低碳鋼制作，折流 板 選用硬聚氯乙烯樹(shù)料。下管 板 又稱(chēng)濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 浮頭，當(dāng)操作溫度高于或低于安裝溫度時(shí)，石墨列 管 由于具 有 較大的熱膨脹系數(shù)，使它比鋼質(zhì)的外殼體發(fā)生較大的 伸 長(zhǎng) 或 收縮．鋼 殼 體與浮頭間的填料函結(jié)構(gòu)，就是為了 防 止團(tuán)這種溫差引起的 伸 縮不致使石墨管或膠接處拉裂而產(chǎn)生泄漏 的 結(jié)構(gòu) 。 也就是說(shuō)，借 支 耳立式安裝的石墨換熱器，上管 板 和鋼 殼 是固定的，當(dāng)操作溫度變化時(shí)，由于列管與外殼伸縮下一致，導(dǎo)致 浮頭、底蓋，乃至與底蓋相連的管道都有觀察不到的伸縮 (或稱(chēng)作浮動(dòng) )，這就是浮頭式石墨換熱器的重要性，所以，當(dāng)與底蓋連接的管道直徑較大，彎頭直管段 較 短難以自然熱補(bǔ)償時(shí)，應(yīng)根據(jù)伸縮情況加 設(shè) 管道熱補(bǔ)償器。顯易見(jiàn)， 對(duì) 于列管式石墨換熱器，立式安裝比斜式或臥式安裝更有利于浮頭的 自 由 伸縮 。 圖 3— 2 列管式石墨換熱器 1法蘭； 2上管板； 3填料； 4壓盞； 5半開(kāi)環(huán)； 6底蓋； 7浮頭； 8 鍋殼； 9石墨列管；10折流板； 11支耳； 12冷卻水箱 壓縮機(jī) 轉(zhuǎn)化后的合成氣體如采用加壓，則合成氣的壓縮是一道不可缺少的工序。在壓縮過(guò)程中，氣體的溫度、壓力 、體積的變化遵循以下方程式： P1V1/T1=P2V2/T2 濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 經(jīng)壓縮后的氣體溫度和壓力是升高的，而體積則是縮小的。圖 3— 3 為離心式壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)： 圖 33 離心壓縮機(jī) 1吸氣室； 2葉輪； 3擴(kuò)壓器； 4彎道； 5回流器； 6蝸殼； 7， 8密封； 9隔板密封；10輪蓋密封； 11平衡盤(pán)； 12推力盤(pán)； 13聯(lián)軸盤(pán)； 14卡環(huán)； 15主軸； 16機(jī)殼； 17支持軸承； 18止推軸承 ； 19隔板； 20回流器導(dǎo)流葉片 第四章 工藝計(jì)算 （ 1）已知條件 工藝流程：見(jiàn)圖 31 氨產(chǎn)量： 11416kg/h 催化劑體積： 3m 表 31氣體成分（ %） 取樣點(diǎn) 2H 2N 4CH Ar 3NH 合成塔入口 濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 合成塔出口 新鮮氣 水冷器進(jìn)口氣體溫度： 220176。 C 水冷器出口氣體溫度： 176。 C 水冷器操作壓力： （表壓） 冷卻水：進(jìn)口 28176。 C，出口 42176。 C （ 2） 物料衡算 氨產(chǎn)量 11416kg/h=672kmol/h=15053 3m （標(biāo)） /h 空速 )(15053)( ??? ??== 33 33 00 55 77 /（ 3mh? ） 進(jìn)塔氣 33057 =92560N 3m /h= kmol/h 其中 2H = kmol/h=57850 3m （標(biāo)） /h 2N =843 kmol/h=18882 3m （標(biāo)） /h 4CH = kmol/h=6849 3m （標(biāo)） /h 3NH =132 kmol/h= 3m （標(biāo)） /h Ar =269 kmol/h= 3m （標(biāo)） /h 表 32進(jìn)塔 氣體組成 成分 % Kmol 3m （標(biāo)） H2 N2 CH4 Ar NH3 843 132 269 57850 18882 6849 總計(jì) 100 氨合成反應(yīng)式 2 2 33122H N NH?? (31) 消耗 2H 519 32 = kmol/h= 3m （標(biāo)） /h 濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 消耗 2N 519 12= kmol/h= 3m （標(biāo)） /h 剩余 2H — = kmol/h= 3m （標(biāo)） /h 剩余 2N 843— = kmol/h= 3m （標(biāo)） /h 3NH 132+519=651 kmol/h= 3m （標(biāo)） /h 放空氣及馳放氣的氨不計(jì) 表 33出塔氣組成 成分 % Kmol 3m （標(biāo)） 2243HNCHArNH 132 651 6849 總計(jì) 100 （ 3）水冷器物料衡算 進(jìn)氣： 3m /h（組分見(jiàn)①） 氨冷凝量：壓力（ +） Mpa 溫度 ℃ 依3 5 . 9 8 7 9 1 0 9 9 . 5l g 4 . 1 8 5 6 0 . 9 6 72 7 3 3 5 . 32 9 6 1NH ? ? ? ??? 求得 3NH %=% 氨冷凝量 = 6 4 7 4 6 .2 4 ( 0 .1 5 7 0 .0 3 2 )(1 0 .0 3 2 )???=8361 3m （標(biāo)） /h =373kmol/h=6341kg/h 氨冷凝量占總產(chǎn)量 % 表 34冷凝后氣體成分 成分 % Kmol 3m (標(biāo) )/h 濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 液氨中溶解氣量 根據(jù)水冷凝溫度查得常壓下每噸氨中 2H 、 2N 、 4CH 、 Ar的溶解度分別為 、 、 、 3m (標(biāo) )。所以溶解量為： 2H 297（絕壓， kgf/ 2cm ，下同） ? ? ? （液氨量）=115N 3m /h=2N 297???=43 N3m /h= kmol/h 4CH 297??? = N3m /h= kmol/h Ar 297 ???= N 3m /h= kmol/h 表 35溶解氣組分 氨分離器出口氣體 假設(shè)冷凝液氨在這里全部分離。 氣量 = 3m （標(biāo)） /h 表 36 氨分離器出口氣體成分 H2 N2 CH4 Ar NH3 132 6849 7128 總計(jì) 100 成分 % Kmol 3m (標(biāo) ) H2 N2 CH4 Ar 29 115 43 總計(jì) 100 成分 % Kmol 3m (標(biāo) ) 濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 以水冷凝器熱量衡算為例。 （ 1）入熱 進(jìn)氣量為 3m (標(biāo) )/h；壓力（ +） MPa； 溫度 220℃；含 3NH %；氣體的熱容 Cp= /(kmol℃ )（查表）。 1 6 4 7 4 6 . 2 4 3 2 . 3 6 2 2 0 2 0 5 7 7 7 4 2 /2 2 . 4Q k J h? ? ? ? 分離液氨 6341kg，放出冷凝潛熱。查表可知，液氨在此溫度下放出冷凝潛熱為 1122kJ /kg 3NH 。 2Q =6341? 1122=7114602 /kJh （ 2）出熱 出氣量為 3m （標(biāo)） /h 壓力（ +） MPa 溫度 ℃ 含 3NH % 氣體熱容 Cp= /（ kmol℃）（查表） 3 7 0 4 1 6 . 0 4 3 5 . 3 3 4 . 5 0 3 8 2 8 4 0 0 /2 2 . 4Q k J h? ? ? ? 4Q? 冷卻水移去的熱量 熱量平衡（熱損失忽略不計(jì)） 4 1 2 3Q Q Q Q? ? ? ?20577742+71146023828400=23863944kJ /h 2H 2N 4CH Ar 3NH 41882 13858 7733 5972 7121 總計(jì) 100 76566 濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 32 水冷凝器的平均傳熱溫差 mt? ? ? ? ?220 42 35. 3 28 42ln 35. 3 28mt? ? ?? ? ???℃ 水冷器的熱傳面積 F=338 2m 據(jù) Q=KF mt? ，求得水冷器的總傳熱系數(shù)為： 23863944 13253 3 8 5 3 . 3mQK k JFt? ? ???/（ h 2m ℃） 用水量 23863944 4 0 7 /( 4 2 2 8 ) 1 0 0 0 4 .1 8 6 8 th?? ? ?（未考慮自然通風(fēng)熱擴(kuò)散） 式中 42—— 冷卻水出口溫度，℃； 28—— 冷卻水進(jìn)口溫度，℃。 每噸 3NH 用水： 407 t? 濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 33 致 謝 大學(xué)生活一晃而過(guò)，回首走過(guò)的歲月，心中倍感充實(shí)，當(dāng)我寫(xiě)完這篇畢業(yè)論文的時(shí)候，有一種如釋重負(fù)的感覺(jué)，感慨良多。 首先誠(chéng)摯的感謝我的論文指導(dǎo) 馬科友 老師。 他 在忙碌的教學(xué)工作中擠出時(shí)間來(lái)審查、修改我的論文。還有教過(guò)我的所有老師們，你們嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、一絲不茍的作風(fēng)一直是我學(xué)習(xí) 、工作 中的榜樣； 你 們循循善誘的教導(dǎo)和不拘一格的思路給予我無(wú)盡的啟迪。 感謝三年中陪伴在我身邊的同學(xué)、朋友，感謝 你 們?yōu)槲姨岢龅挠幸娴慕ㄗh和意見(jiàn)，有了 你 們的支持、鼓勵(lì)和幫助，我才能充實(shí)的度過(guò)了三年的學(xué)習(xí)生活。 最后，要感謝我的父親 母親。你們一直是我的堅(jiān)強(qiáng)后盾，無(wú)論何時(shí)何地，都有親切的鼓勵(lì)與溫暖的關(guān)心，讓我在任何時(shí)候都不放棄希望，堅(jiān)強(qiáng)前行 ! 大學(xué)生活即將結(jié)束，似水流年的日子里我開(kāi)始期待明天。 濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 34 參考文獻(xiàn) [1] 陳五平 .合成氨 .第二版 [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 1995 [2] 張成芳 .合成氨工藝與節(jié)能 [M] .上海：華東化工學(xué)院出版社， 1988 [3] 梅安華 .小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊(cè) [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社 .1995 [4] 石油化工設(shè)計(jì)院 .小氮肥廠工藝設(shè)計(jì)手冊(cè) [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社 .1980 [5] 姜圣階 等 .合成氨工學(xué)第一卷，第二卷，第三卷 [M].北京：石油化學(xué)工業(yè)出版社 .1978,1976,1977 [6] 湖北化工設(shè)計(jì)院 .氨合成塔 [M].北京：石油化學(xué)工業(yè)出版社， 1977 [7] 化工部上?；ぱ芯吭?.小氮肥期刊 [J]. 93（ 6）： 2， 95（ 1）： 6， 96.（ 5）： 4， 97.（ 1）： 8,98.（ 6） :3 [8] 張子峰 .合成氨生產(chǎn)技術(shù) .北京 : 化學(xué)工業(yè)出版社， 2020. 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