【正文】 NH3,1= 時 ， (1/rNH3)1=()/m3(標(biāo) ) 當(dāng) tk,2=℃ 時， y186。 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(jì)算 進(jìn)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(jìn)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(jì)算有效 。NH3,1 y186。NH3,0= 時 ， (1/rNH3)0 =105()/m3 當(dāng) tk,1=447℃ ， y186。NH3,1（ 1 y0,0Mk,0/Mk,1） =（ ,1） 式中 ， Mk,1=Mk,0⊿ M1 所以， Mk,1==y186。NH3,0)= 上式 =+=， 所以， y186。NH3,0=yNH3,0/(1yNH3,0)=()=， y186。NH3,0/(1+y186。NH3,0/(1+ y186。NH3,0/(1+y186。NH3,1/（ 1+y186。NH3,1， y186。NH3,1y186。 (1) 基本數(shù)據(jù) ，見 表 41： 表 41 入塔氣體基本組成 進(jìn)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(jì) ⊿ Ln,mm 1500 2500 3500 7500 ⊿ Vkn,m3 An,n,x106()/m3 Ef 組分 NH3 H2 N2 CH4 Ar 含量 /% WWWWW 進(jìn)塔氣成分 圖 41 催化劑床層示意圖 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 39 頁 共 63 頁 (2)分段計(jì)算： ① 第一段絕熱層溫度 分布計(jì)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℃ 。 年產(chǎn) 10 萬噸合成氨合成工段設(shè)計(jì) 第 38 頁 共 63 頁 4 設(shè)備選型 合成塔催化劑層設(shè)計(jì) 選用三段絕熱冷激間冷式內(nèi)件，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行合成塔的催化劑層設(shè)計(jì)，依據(jù)已給定參數(shù)設(shè)計(jì)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(jì)算催化劑層溫度、濃度和產(chǎn)量。對于冷卻水因?yàn)橹苯优欧挪唤?jīng)濟(jì)，可循環(huán)利用。 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。另外在北方蒸汽還可用作居民區(qū)供暖。因?yàn)樘旌承┰O(shè)備不能正常工作。 合成氨工段的熱能綜合利用 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 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。 合成氨工段的原子經(jīng)濟(jì)性 原子經(jīng)濟(jì)性可表示為 A E = 100%?目 標(biāo) 產(chǎn) 物 的 相 對 分 子 質(zhì) 量原 子 經(jīng) 濟(jì) 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(jì)性是衡量所有反應(yīng)物轉(zhuǎn)變?yōu)樽罱K產(chǎn)物的量度。我國 “ 十一五 ” 中的長期科技規(guī)劃的宏偉目標(biāo)是建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會。 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。 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(jìn) 總 Q出 氨分離器熱量核算 氨分離器進(jìn)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(jì)算得： Q14=Q′11=Q13+Q14=+=誤差 =()/ =%， 假設(shè)成立 。 (1) 熱氣體帶入熱量 Q10由熱交換器熱平衡計(jì)算 Q10=(2)氨冷凝熱 查 ≤小氨肥廠工藝設(shè)計(jì)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 233 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℃ )） Cp10=(Kmol℃ ) t5=℃ 年產(chǎn) 10 萬噸合成氨合成工段設(shè)計(jì) 第 34 頁 共 63 頁 誤差 =()/60=%， 假設(shè)成立 （ 5）熱交換器熱負(fù)荷 ΔQ=Q2Q1=Q5Q4==將熱交換器熱量歸入表 234。 表 231 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℃ )） Cp2=(Kmol℃ ) Q9=220=(3) 廢熱鍋爐熱負(fù)荷 ΔQ=Q9Q8=(4) 軟水量計(jì)算 設(shè)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， 軟水焓 I1=蒸汽焓 I2=軟水帶出熱量為 ΔQ=X(I2I1) 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 33 頁 共 63 頁 所以，由 熱平衡得 ， X=ΔQ/(I2I1)=廢熱鍋爐帶入熱量 ： Q軟 =XI1==蒸汽帶入熱量 ： Q蒸 =+=將廢熱鍋爐的計(jì)算熱量匯入表 223。 Q7=++)( +) =(10) 合成塔絕熱溫升核算 △ t=Cp1(NTQyNHHyNH R 損?? ?? 331 )() Cp =(Cp1+Cp2)/2=(Kmol℃ ) △ t=((1+) /)/ =℃ t6=t7+=℃ 將合成塔熱量平衡匯入表 230。 表 229 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℃ )） Cp2=(Kmol℃ ) t7=[(Q6+Q8+Q損 )(QRQ5)]/V1Cp1=℃ 誤差 =（ ） /210100﹪ =﹪ 假設(shè)值與實(shí)際值基本相符計(jì)算有效 。 表 228 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℃ )） Cp1=(Kmol℃ ) 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 31 頁 共 63 頁 Q8=365= (8) 合成塔熱損失 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式 Q損 =awFw(twtb)設(shè)塔壁溫度 tw=70℃ ,空氣溫度 5℃ ,塔外壁高 h=14m,外徑 D=。在壓力 P= 下的氣體反應(yīng)熱簡化計(jì)算公式為： H=11599+, 將 t=365℃ 代入得： H=11599+365=由物料平衡計(jì)算知氨產(chǎn)量 ΔVNH3=(標(biāo)） = 則合成塔內(nèi)反應(yīng)熱 ， QR=(Hr)ΔVNH3==(5) 二次入塔氣體帶入熱量 Q7 Q7=(Q6+Q8+Q損 )(QRQ5)=V2Cp2t2 得， t2=((Q6+Q8+Q損 )(QRQ5))/V1Cp1 (6) 合成塔一出氣體帶出熱量 Q6 查 t=℃ P= 混合氣體熱容 ，見表 227。 (3) 氣體帶入熱量 Q1由前計(jì)算 Q4=（忽略熱損失）。 表 225 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℃ )） Cp=++++=30.215KJ/(Kmol℃ ) 將循環(huán)機(jī)進(jìn)出熱量匯人表 226。 表 223 氨冷器進(jìn)出熱量匯總表 進(jìn)口 出口 氣體帶入 Q2 氣體帶出 Q2 液氨帶入 Q2L 液氨帶出 Q2L 氣體中氨冷凝 Q冷 冷凍量 Q吸 新鮮氣體帶入 Q1 總 Q入 總 Q出 年產(chǎn) 10 萬噸合成氨合成工段設(shè)計(jì) 第 28 頁 共 63 頁 循環(huán)機(jī)熱量核算 (1) 循環(huán)機(jī)出口氣體溫度計(jì)算 由《小氮肥廠工藝設(shè)計(jì)手冊》附表 111 查得循環(huán)氣體中各組分的絕熱指數(shù)如 表 224。 表 222 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℃ )） Cp4=++++ =(Kmol℃ ) 查 t=℃ 時 ， Cp4L=(Kmol℃ ) 代入 ： t4=(+)=， 與假設(shè)一致 。表 1011 氨熱力學(xué)性質(zhì)）INH3=Q冷 = L′18,NH317INH3=17=(4) 新鮮氣帶入熱量 Q1 查 t1=10℃ ,P=30MPa壓力下各組分氣體比熱容 ,并歸入表 221。 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 25 頁 共 63 頁 表 219 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℃ )） Cp=++++ =℃ 熱氣體帶出熱量： Q3=V3Cp3t3=17=(8) 熱氣體中液氨帶出 熱 查 20℃ 液氨比熱容 Cp= ℃ Q3L=1717=(9) 冷氣體中分離液氨帶出熱 Q2=Q4L=(10) 冷氣體出口帶出熱 Q5=Q1+Q4+Q冷 +Q4LQ3Q3LQ4L =+()++()+ = 由 Q5=V5Cp5t5 得， t5=Q5/V5Cp5=Cp5=設(shè) t5=30℃ ， P= 歸入表 220。 年產(chǎn) 10 萬噸合成氨合成工段設(shè)計(jì) 第 24 頁 共 63 頁 表 217 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℃ ) Cp1=+++=／ tNH3 熱氣體帶入熱量 ： Q1=V14Cp1t1/=35/=(4) 冷氣體帶入熱量 查 t4=10℃ ， P= 時各組分比熱容并計(jì)算得 ，見表 218。 表 216 物料計(jì)算匯總 裝置名稱 氣（液）量 /m3 組 成 /% NH3 H2 N2 CH4 Ar 新鮮空氣 氨冷凝器出口 冷交換器冷氣出口 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 23 頁 共 63 頁 (續(xù)） 表 216 物料計(jì)算匯總 裝置名稱 氣（液）量 /m3 組 成 /% NH3 H2 N2 CH4 Ar 合成塔入口 水冷器出口 氨分離器氣體出口 放空氣 冷交換器熱氣入口 氨分離器液氨出口 冷交換器液氨出口 冷交換器熱氣出口 氨冷器入口