【正文】 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) 最后，要感謝我的父親 母親。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。 首先誠(chéng)摯的感謝我的論文指導(dǎo) 馬科友 老師。℃） 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，℃?！妫ú楸恚? 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查表可知，液氨在此溫度下放出冷凝潛熱為 1122kJ /kg 3NH 。℃ )（查表）。 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。 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) )。 C 水冷器操作壓力： （表壓） 冷卻水：進(jìn)口 28176。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。 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。 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。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。 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 ” 。 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。 氨合成的最適宜溫度，隨氨含量的增加而逐漸降低。大型氨合成塔內(nèi)件，一般不設(shè)電加熱器而由塔外加熱爐供熱，內(nèi)件使用壽命比外筒短得多。內(nèi)件由催化劑筐、熱交換器、電加熱器三部分構(gòu)成．在 500℃左右的高溫下操作，只承受環(huán)隙氣流與內(nèi)件氣流間壓差 (一般為 ～ 2 MPa)，即只承受高溫而不承受高壓。氮?dú)庠诟邷?、高壓下與鋼中的鐵及其他合金元素生成硬而脆的氮化物，導(dǎo)致金屬力學(xué)性能降低。氫腐蝕是氫滲透至鋼材內(nèi)部，使碳化物分解并生成甲烷 (Fe3C+2H2=3Fe+CH4)，生成的甲烷聚集于晶界微觀孔隙 中形成高壓，導(dǎo)致應(yīng)力集中，沿晶界出現(xiàn)破壞裂紋，并在鋼材中聚積形成宏觀鼓泡。氫對(duì)碳鋼腐蝕有氫脆和氫腐蝕。一般小合成氨廠進(jìn)塔氨含量應(yīng)控制在 %～ %之間。 進(jìn)口氨含量與合成操 作壓力和冷凝溫度有關(guān)。降低進(jìn)口氨含量，可加快反應(yīng)速度，提離氨凈值和生產(chǎn)能力，循環(huán)氣壓縮功耗降低，但冷凍系統(tǒng)負(fù)荷增加。 (3) 進(jìn)口氨含量 進(jìn)塔氣中的氨含量，主要決定于氨分離時(shí)的凝聚溫度和分離效率。一般循環(huán)氣中的惰性氣體含量控制在 16%～ 20%左右。相反，則控制低一些。 循環(huán)氣中惰性氣體的控制，還與操作壓力和催化劑有關(guān)。排放量多，可是合成系統(tǒng)惰性氣體含量降低，氨合成率提高。 （ 2）惰性氣體 惰性氣體不參與反應(yīng)，也不毒害催化劑，但由于它的存在會(huì)降低氫氮?dú)獾姆謮?，無(wú)論從化學(xué)平衡還是動(dòng)力學(xué)角度分析 都有弊無(wú)利，導(dǎo)致氨的生成率下降，能耗增多。從氨的合成反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理可知，氮的活性吸附是氨合成反應(yīng)過(guò)程速度的控制步驟，因此適當(dāng)提高氮?dú)鉂舛?，?duì)氨合成反應(yīng)速度有利。如操作壓力 15MPa 的軸向冷激式合成塔，空速取為 10000h1，氨凈值為 10％。 一般操作壓力為 30MPa 的中壓法合成氨廠．空速在 20200～ 30000h1之間，氨凈值 10％～ 15％。在其他條件一定時(shí)，增加空速能提高催化劑生產(chǎn)強(qiáng)度。 氨合成反應(yīng)在催化劑顆粒表面進(jìn)行，氣體中氨含量與氣體和催化劑表面接觸時(shí)間有關(guān)。 圖 25能耗和壓力的關(guān)系 1總能量消耗； 2循環(huán)氣壓縮功； 3氨分離 冷凍功； 4氫氮?dú)鈮嚎s功 濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 圖 2— 6綜合費(fèi)用與操作壓力的關(guān)系 （以 30MPa、二級(jí)冷凝流程的綜合費(fèi)用為基準(zhǔn)） 實(shí)線 — 三級(jí)冷凝流程；虛線 — 二級(jí)冷凝流程；點(diǎn)劃線 — 以及冷凝流程 根據(jù)實(shí)際情況，從能量消耗和綜合費(fèi)用分析，我國(guó)中小型氨廠多采用 20～32MPa。其三 :綜合費(fèi)用不僅取決于操作壓力，還與生產(chǎn)流程、裝置的生產(chǎn)能力、操作條件、原料及動(dòng)力以及設(shè)備的價(jià)格、熱量的綜合利用等因素有關(guān)。但對(duì)設(shè)備材質(zhì)、加工制造的要求提高，尤其當(dāng)壓力過(guò)高，對(duì)設(shè)備材料和制造技術(shù)要求更高，設(shè)備投資又會(huì)迅速增加。則總能耗隨壓力提高呈下降趨勢(shì)到一 定值后又回升。提高操作壓力，合成率提高，循環(huán)氣量減少，氣氨易分離，故曲線 2一循環(huán)氣壓縮功和曲線 3氨分離冷凍功呈下降趨勢(shì) 。其一 :要充分考慮能量消耗，即原料氣的壓縮功耗，循環(huán)氣的壓縮功耗和冷凍系統(tǒng)的壓縮功耗。也就是說(shuō)主要取決于技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。 壓力 由化學(xué)反應(yīng)式知，氨合成反應(yīng)是一個(gè)體積縮小的反應(yīng)，提高壓力有利于反應(yīng)向生成氨的方向進(jìn)行，而且反應(yīng)速度隨著壓力的提高而增大，同時(shí)氨分離流 程可以簡(jiǎn)化。反應(yīng)初期，反應(yīng)物濃度高，反應(yīng)速率很高，能很快放出反應(yīng)熱量，使溫度迅速上升至最適宜溫度，再繼續(xù)反應(yīng)，則將超過(guò)最適宜溫度。 如圖 24催化劑最適溫度曲線 1平衡溫度曲線； 2最 適宜溫度曲線 從理論上看，反應(yīng)沿著最適宜溫度進(jìn)行，催化劑用量最少，氨合成率最高，生產(chǎn)能力最大。 濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 溫度 氨合成反應(yīng)和其他可逆放熱反應(yīng)一樣，溫度升高反應(yīng)速度常數(shù)增大，氨的平衡濃度降低。 生產(chǎn)上，氫氮原料氣送往合成系統(tǒng)之前應(yīng)充分