【正文】 [1+(V/L)k(i)],設(shè) (V/L)=,代入上式得 : 出口液體氨含量： LNH3=m0NH3/[(1+(V/L) kNH3] =(1+ )= Kmol 出口液體甲烷含量： LCH4=m0CH4/[ 1+(V/L) kCH4] =(1+ 170)= Kmol 出口液體氬含量： LAr=m0Ar/[ 1+(V/L) kAr] =(1+ 540)= Kmol 出口液體氫氣含量： LH2=m0H2/[ 1+(V/L) kH2] =(1+ 575)= Kmol 出口液體氮?dú)夂浚?LN2=m0N2/[ 1+(V/L) kN2] =(1+ 620)= Kmol L(總 )=,V==,(V/L) ＇ =V/L=,誤差 =()/=％，假定正確。兩種液體百分比估算值，即水冷后分離液氨占總量的白分?jǐn)?shù)。 入塔甲烷含量： y5CH4=％ （ +） 100％ =％； 入塔氫含量： y5H2=［ 100（ +17）］ 3/4 100％ =％； 入塔氬含量： y5Ar=17％ ％ =％； 入塔氮含量： y5N2=［ 100（ +17）］ 1/4 100％ =％ 表 42 入塔 氣組分含量（％） NH3 CH4 Ar H2 N2 小計(jì) 100 （ 2）合成塔出口氣組分： 以 1000kmol 入塔氣作為基準(zhǔn)求出塔氣組分， 由下式計(jì)算塔內(nèi)生成氨含量： MNH3=M5(y8NH3y5NH3)/(1+y8NH3)=1000( )/(1+)= 出塔氣量 : M8=入塔氣量 — 生成氨含量 == 出塔氨含量： y8NH3=％ 出塔甲烷含量： y8CH4=(M5/M8) y5CH4=(1000/) ％ =％ 12 出塔氨含量： y8Ar=(M5/M8) y5Ar=1000/ ％ =％ 出塔氫含量： y8H2=3/4(1y8NH3y8CH4y8Ar) 100％ =3/4() 100％ =％ 出塔氮含量： y8N2=1/4() 100％ =％ 表 43 出塔氣體組分含量（％） NH3 CH4 Ar H2 N2 小計(jì) 100 （ 3）合成率： 合成率 =2MNH3/［ M5(1y5NH3y5CH4y5Ar)］ 100％ =2 ［ 1000 ()］ 100％ =％ 氨分離器氣液平衡計(jì)算 表 45 已知氨分離器入口混合物組分 m(i) NH3 CH4 Ar H2 N2 小計(jì) 查 t=35℃， P= 時(shí)各組分平衡常數(shù)： 表 46 各組分平衡常數(shù) KNH3 KCH4 KAr KH2 KN2 設(shè)（ V/L） = 時(shí)，帶入 L (i)=m(i)/［ 1+(V/L) K(i)］ =L(i): LNH3=mNH3/［ 1+(V/L) KNH3］ = LCH4= mCH4/［ 1+(V/L) KCH4］ = Kmol LAr=mAr/［ 1+(V/L) KAr］ = Kmol LH2=mH2/［ 1+(V/L) KH2］ = LH2=mN2)/［ 1+(V/L) KN2］ = Kmol L 總 = L(NH3)+ L(CH4)+ L(Ar)+ L(Ar)+ L(H2)+ L(N2)= Kmol 分離氣體量： V=1L== Kmol 計(jì)算氣液比：（ V/L） ＇ = 誤差［（ V/L） （ V/L）＇］ /（ V/L） =（ ） / 100％ =％，結(jié)果合理。在冷交換器管內(nèi)被管間的冷氣體換熱，冷卻后出冷交換器 與壓縮送來經(jīng)過新鮮氣濾油器的新鮮氣氫氣、氮?dú)鈺?huì)合進(jìn)入氨冷器，被液氨蒸發(fā)冷凝到 5～ 10℃，被冷凝的氣體再次進(jìn)入冷交，在冷交下部氣液分離，液氨送往氨庫氣體與熱氣體換熱后再次出塔，進(jìn)入合成塔再次循環(huán)。二、三、四層 (觸媒 )溫度，一路作為塔底副線調(diào)節(jié)一層溫度，另一路為二入主線氣體，通過下部換熱器管間與反應(yīng)后的熱氣體換熱、預(yù)熱后沿中心管進(jìn)入觸媒層頂端， 經(jīng)過四層觸媒的反應(yīng)后進(jìn)入下部換熱器管內(nèi)，從二次出口出塔、出塔后進(jìn)入廢熱鍋爐進(jìn)口，在廢熱鍋爐中副產(chǎn) 25MPa 蒸氣送去管網(wǎng)，從廢熱鍋爐出來后分成二股，一股進(jìn)入氣氣換熱器管內(nèi)與管間的冷氣體換熱，另一股氣體進(jìn)入鍋爐給水預(yù)熱器 10 在管內(nèi)與管間的脫鹽，脫氧水換熱，換熱后與氣氣換熱器出口氣體會(huì)合，一起進(jìn)入水冷器。 3 生產(chǎn)流程簡述 氣體從冷交換器出口分二路、一路作為近路、一路進(jìn)入合成塔一次入口，氣體沿內(nèi)件與外筒環(huán)隙向下冷卻塔壁后從一次出口出塔，出塔后與合成塔近路的冷氣體混合，進(jìn)入氣氣換熱器冷氣入口，通過管間并與殼內(nèi)熱氣體換熱。高壓過熱蒸汽的價(jià)值較高 , 當(dāng)然投資要多 , 根據(jù)整體流程統(tǒng)一考慮。 合成反應(yīng)熱回收是必需的 , 是節(jié)能的主要方式之一。 一般中小氮肥廠多為 32MPa , 大型廠壓力較低 ,為 10～ 20MPa。氨合成壓力高對合 成反應(yīng)有利 , 但能耗高。 氨合產(chǎn)工藝的選擇 考慮氨合成工段的工藝和設(shè)備問題時(shí)，必須遵循三個(gè)原則：一是有利于氨的合成和分離；二是有利于保護(hù)催化劑，盡量延長使用壽命；三是有利于余熱回收降低能耗。目前大型合成氨廠一般采用這種方法回收熱量。反應(yīng)后的高溫氣體首先通過塔內(nèi)則換熱器預(yù)熱 反應(yīng)前的氫氮混合氣，然后再通過塔外的換熱器預(yù)熱高壓鍋爐給水。目前一般采用外置式，該法熱量回收比較完全，同時(shí)得到了副產(chǎn)蒸汽，目前中型氮廠應(yīng)用較多。既在塔內(nèi)設(shè)置換熱器預(yù)熱反應(yīng)前的氫氮混合氣，又利用余熱副產(chǎn)蒸汽。目前小型氨廠及部分中型氨廠采用此法回收利用反應(yīng)熱。在塔內(nèi)設(shè)置換熱器，用反應(yīng)后的高溫氣體預(yù)熱反應(yīng)前的氫氮混合氣，使其達(dá)到催化劑的活性溫度。 (6)反應(yīng)熱的回收利用 氨的合成反應(yīng)是放熱反應(yīng)，必須回收利用這部分反應(yīng)熱。 有些工廠設(shè)置二循環(huán)合成系統(tǒng)，合成系統(tǒng)放空氣進(jìn)入二循環(huán)系統(tǒng)的合成塔，繼續(xù)進(jìn)行合成反應(yīng)，分離氨后部分情性氣體放空，其余部分在二循環(huán)系統(tǒng)繼續(xù)循環(huán)。放空氣中的氨可用水吸收法或冷凝法加以回收，其余的 氣體一股可用作燃料。 在氨合成循環(huán)系統(tǒng)中，流程中各部位的惰性氣體含量是不同的，放空位置應(yīng)該選擇在惰性氣體含量最大而氨含量最小的地方，這樣放空的損失最小。 循環(huán)機(jī)進(jìn)出口壓差約為 20～ 30 大氣壓，它表示了整個(gè)合成循環(huán)系統(tǒng)阻力降的大小。由于氣體在設(shè)備、管道中流動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生了壓力損失。 (4)氣體的循環(huán) 氫氮混合氣經(jīng)過氨合成塔以后，只有一小部分合成為氨。在氨冷凝過程，部分氫氮?dú)饧岸栊詺怏w溶解在液氨中。以水和氨冷卻氣體的過程是在水冷器和氨冷 器中進(jìn)行的。氨分離的方法有兩種，一是水吸收法；二是冷凝法，將合成后氣體降溫，使其中的氣氮冷凝成液氨，然后在氨分離器中，從不凝氣體中分離出來。在開工或反應(yīng)不能自熱時(shí)，可利用塔內(nèi)電加熱爐或塔外加熱爐供給熱量。 (2)氣體的預(yù)熱和合成 壓縮后的氫氮混合氣需加熱到催化劑的起始活性溫度，才能送入催化劑層進(jìn)行氨合成反應(yīng)。除油的方法是壓縮機(jī)每段出口處設(shè)置油分離器，并在氨合成系統(tǒng)設(shè)置濾油器。當(dāng)使用往復(fù)式壓縮機(jī)時(shí)，在壓縮過程中氣體夾帶的潤滑油和水蒸汽混合在一起，呈細(xì)霧狀懸浮在氣流中。 由于采用壓縮機(jī)的型式、氨分冷凝級數(shù)、熱能回收形式以及各部分相對位置的差異，而形成不同的工業(yè)生產(chǎn)流程 ，但實(shí)現(xiàn)氨合成過程的基本工藝步驟是相同的。在生產(chǎn)過程中有一系列化學(xué)反應(yīng)、傳熱、燃燒、分離等過程 ,溫度、壓力、濃度等因素都影響反應(yīng)的進(jìn)行 ,這些因素又受到設(shè)備質(zhì)量、水質(zhì)、煤質(zhì)、季節(jié)、氣候、操作水平、調(diào)度與管理的影響 ,這樣就形成了合成氨生產(chǎn)工藝過程、設(shè)備結(jié)構(gòu)、操作 管理與生產(chǎn)技術(shù)的復(fù)雜性。但是，只要我們能充分認(rèn)識(shí)這一客觀規(guī)律并掌握這一客觀規(guī)律就能做到安全生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)。 在整個(gè)合成氨生產(chǎn)過程中，合成氨生產(chǎn)比較復(fù)雜，始終存在著高溫、高壓、易燃、易爆、易中毒等危險(xiǎn)因素，各種控制條件比較嚴(yán)格，稍有疏忽就可能發(fā)生事故。未合成為氨的氫氮混合氣體繼續(xù)在合成系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)使用。然后將所得的氣氨，從氫氮混合氣中經(jīng)冷卻冷凝成為液態(tài)氨分離出來。 要減少廢水和工藝?yán)淠褐械?COD 的排放，可改進(jìn)生產(chǎn)工藝，使廢水排放減少，建設(shè)特生化處理裝置，進(jìn)行廢水處理，使廢水中的 COD 含量達(dá)到國家控制標(biāo)準(zhǔn) [6]。比如，隔油池中廢水就含有 COD。對于成品氨罐放空的氣態(tài) NH3 可引入冰機(jī)中進(jìn)行加壓冷凝，不僅回收了 NH3，同時(shí)也不會(huì)造成環(huán)境的污染 [3]。接觸液氨和高濃度氣氨，可使皮膚引起類似強(qiáng)堿的嚴(yán)重灼傷，出現(xiàn)紅斑、水泡，甚至因吸收水分，使皮膚脂肪皂化而壞死。 合成氨生產(chǎn)中合成工段經(jīng)常接觸的液體毒物有液氨、氨水等。氨氣刺激眼睛能引起角膜炎。如在氨氣濃度不大的環(huán)境中，停留時(shí)間不長，而且能及時(shí)離開環(huán)境，到空氣新鮮的地方去，上述的癥狀可漸漸消失。它對人的眼睛和呼吸器官有較大的傷害作用。 氨氣和液氨 氨氣是一種 具有強(qiáng)烈刺激臭味的無色氣體 , 易被液化成藍(lán)色液體。 為防止 CO 和 CO2 對催化劑的毒害，規(guī)定 CO 和 CO2 總含量不得多余20ppm[5]。硫化物是各種催化劑的毒物，硫化氫能腐蝕設(shè)備管道。 (2) 硫化物和碳氧化物含量 無論那一種原料所得原料氣，都含有一定數(shù)量的硫 化物。為過分降低冷凝溫度而過多地增加氨冷負(fù)荷在經(jīng)濟(jì)上也并不可取。初始氨含量的高低取決于氨分離的方法。由于原料氣制備與凈化方法不同，新鮮氣中惰性氣體含量也各個(gè)相同，循環(huán)氣中所控制的惰性氣體含量也有差異。如果循環(huán)氣中惰性氣體含量一定，新鮮氣中惰性氣體含量增加，根據(jù)物料平衡關(guān)系，新鮮氣消耗隨之增大。惰性氣體的存在，無論從化學(xué)平衡還是動(dòng)力學(xué)上考慮均屬有弊。如果略 去氫及氨在液氨中溶解損失的少量差異，氨合成反應(yīng)氫與氮總是按 3： 1 消耗，新鮮氣氫氮比應(yīng)控制為 3，否則循環(huán)系統(tǒng)中多余的氫或氮就會(huì)積累起來，造成循環(huán)氣中氫氮比的失調(diào)。 主要原料規(guī)格 (1) 合成塔進(jìn)口氣體組成 合成塔進(jìn)口氣體組成包括氫氮比、惰性氣體含量與初始氨含量。最簡便的方法是將水電解，但此法由于電能消耗大、成本高而受到限制。 氮?dú)鈦碓从诳諝?，可以在低溫下將空氣液化、分離而得，或者在制氫過程中直接加入空氣來解決。 產(chǎn)品方案 產(chǎn)品的名稱：氨 (NH3)； 產(chǎn)品的質(zhì)量規(guī)格：液體純氨； 產(chǎn)品的規(guī)模： 80 kt/a 液氨； 產(chǎn)品的包裝方式：氨為高壓低溫液體，合成后直接送到下一工段作為原料繼續(xù)生產(chǎn)，多余部分設(shè)立氨儲(chǔ)槽儲(chǔ)存起來。又因操作壓力低，氨的合成效率低，分離較困難，流程復(fù)雜。由于操作壓力和溫度都比較低，故對設(shè)備要求低，容易管理，且催化 劑的活性較高，這是此法的優(yōu)點(diǎn)。因此，本次設(shè)計(jì)選用 32MPa 壓力的合成氨流程。但功耗決不但取決于壓力一項(xiàng)，還要看其它工藝指標(biāo)和流程的布置情況。因?yàn)楹铣蓧毫Φ拇_定，不外乎從設(shè)備投資和壓縮功耗這兩方面來考慮。目前工業(yè)上很少采用此法生產(chǎn)。但因?yàn)楹铣尚矢?，放出的熱量多，催化劑溫度高，易過熱而失去活性，所以催化劑的使用壽命較短。這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是氨合成效率高，混合氣中的氨易被分離。工業(yè)上合成氨的各種工藝流程一般以壓力的高低來分類 [3]。 簡述產(chǎn)品的幾種生產(chǎn)方法及特點(diǎn) 氨的合成是合成氨生產(chǎn)的最后一道工序，其任務(wù)是將經(jīng)過精制的氫氮混 合氣在催化劑的作用下多快好省地合成為氨。當(dāng)今走老廠改造擴(kuò)建的道路 ,可使投資節(jié)省 1/2— 2/3。今后應(yīng)利用國內(nèi)開發(fā)和消化吸收引進(jìn)的工藝技術(shù) ,自力更生 ,立足國內(nèi) ,走出一條具有中國特色的社會(huì)主義民族工業(yè)的發(fā)展道路。因此 ,我國現(xiàn)有眾多的化肥生產(chǎn)裝置應(yīng)成為改造擴(kuò)建增產(chǎn)的基礎(chǔ)。所以 ,合成氨工業(yè)是農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)。合成氨工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中舉足輕重。因而合成氨的持續(xù)健康發(fā)展還有相當(dāng)長的路要走。我國 1996 年合成氨產(chǎn)量已達(dá) ,專家預(yù)測 2021 年將達(dá) 36Mt,2020 年將增加至 45Mt。預(yù)計(jì) 2021 年產(chǎn)量將達(dá)。所以合成氨工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中占有十分重要的地位，氨及氨加工工業(yè)已成為現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的一個(gè)重要部門 [4]。 合成氨工業(yè)的迅速發(fā)展，也促進(jìn)和帶動(dòng)了許多科學(xué)技術(shù)部門的發(fā)展，如高壓技術(shù)、低溫技術(shù)、催化技術(shù)、特殊金屬材料、固體燃料氣化、烴類燃料的合理利用等。現(xiàn)代國防工業(yè)和尖端技術(shù)也都與氨合成工業(yè)有密切關(guān)系，如生產(chǎn)火箭的推進(jìn)劑 和氧化劑，同樣也離不開氨。 氨也是重要的工業(yè)原料，廣泛用于制藥、煉油、純堿、合成纖維、合成樹脂、含氮無機(jī)鹽等工業(yè)部門。此外，液氨本身就是一種高效氮素肥料，可以直接施用，一些國家已大量使用液氨。以氨為主要原料可以制造尿素、硝酸銨、碳酸氫銨、硫酸銨、氯化銨等氮素肥料。化肥是農(nóng)業(yè)的主要肥料，而其中的氮肥又是農(nóng)業(yè)上應(yīng)用最廣泛的一種化學(xué)肥料，其生產(chǎn)規(guī)模、技術(shù)裝備水平、產(chǎn)品數(shù)量，都居于化肥工業(yè)之首，在國民經(jīng)濟(jì)中占有極其重要的地位。液氨或干燥的氣氨，對大部分物質(zhì)沒有腐蝕性，但在有水的條件下，對銅、銀、鋅等有腐蝕作用 [3]。氨與空氣或氧按一定比例混合后，遇明火能引起爆炸。氨在高溫下 (800℃以上 )分解成氮和氫； 3 氨具有易