【正文】 7=V14L17NH3= = m3出口氣體各組分：NH3，V17NH3/V17= 100%=%CH4，V17CH4/V17=100%=%Ar， V17Ar/V17=100%=%H2， V17H2/V17= 100%=%N2， V17N2/V17= 100%=% 氨冷器物料計算：進器物料：氨冷器進器物料等于冷交換器出器物料加上補充新鮮氣物料V1=其中，CH4 ，V1,CH4==Ar， V1,Ar==H2， V1,H2= = N2， V1,N2= =V2=V18=V17+V1=+= m3進器氣體組分含量，V18,i=V1,i+V17,i NH3， V18,NH3= V17,NH3=CH4， V18,CH4= + =Ar， V18,Ar=+ =H2， V18,H2= += N2， V18,N2= + =注：冷交換器出口的熱氣體的組成yi,17,即為放空氣組成以，yi，13所以有由上式可求得氨冷器氣體組成其中，NH3，y18,NH3=H2，y18,H2 =N2，y18,N2=CH4，y18,CH4 =Ar， y18,Ar= 進器液體等于冷交換器冷凝液氨量L18=L18,NH3=L17,NH3= m3 進器總物料＝V18+L18= + = 出器物料：已知出器氣體中氨含量為 %，設(shè)出器氣體中氨含量為b m3b/()=%解得，b= 則氨冷器中冷凝液氨量：L′18,NH3=V18,NH3b== 氨冷器出口總液氨量:L2NH3=L18NH3+L′18,NH3=+= 氨冷器出口氣量:V2=V18 L′18,NH3= = 其中，NH3，V2,NH3=CH4，V2,CH4= V18,CH4= m3Ar ，V2,Ar= V18,Ar=H2， V2,H2= V18,H2= N2， V2,N2= V18,N2= 各組分百分含量，y2,i=V2i/V2NH3，y2,NH3=100%=%CH4，y2,CH4=%Ar， y2,Ar=%H2，y2,H2=%N2，y2,N2=出器總物料=V2+L2NH3= + =將氨冷器出口氣體組成歸入表215。21,i 合成系統(tǒng)物料計算將整個合成看著一個系統(tǒng)，進入該系統(tǒng)的物料有新鮮補充氣補V1， 離開該系統(tǒng)的物料有放空氣V13，液氨貯槽弛放氣V弛，產(chǎn)平液氨L氨 。21,N2= 100﹪=% 入口液體中組分含量 x180。21,Ar=100﹪=﹪ 入口液體中氫氣含量 x180。21,NH3=100﹪=﹪ 入口液體中甲烷含量， x180。表213 出口弛放氣組分含量（%）NH3CH4ArH2N2小計100 液氨貯槽物料計算以液氨貯槽出口一噸純液氨為基準折標立方米計算液氨貯槽出口液體量L19=1000(17)=其中， NH3 ，L19,NH3=L19NH3x19NH3=﹪= m3 CH4，L19,CH4=L19,CH4x19,CH4=﹪= m3 Ar ，L19,Ar=L19,Arx19,Ar=﹪= m3 H2 ，L19,H2=L19,H2x19,H2=﹪= N2 ，L19,N2=L19,N2x19,N2=﹪= 液氨貯槽出口弛放氣（V/L）=V20=L19== m３其中， NH3 ，V20,NH3=V20,NH3y20,NH3=﹪= m3CH4，V20,CH4=V20,CH4y20,CH4= ﹪= m3Ar ，V20,Ar=V20Ary20,Ar= ﹪= m3H2 ，V20,H2=V20,H2y20,H2= ﹪=N2 ，V20,N2=V20,N2)y20,N2= ﹪= m3 液氨貯槽出口總物料=L19+ V20=+= m3 液氨貯槽進口液體： 由物料平衡，入槽總物料=出槽總物料，L21=L19+V20= m3 入口液體各組分含量計算：L21,i= L19,i + V20,i其中， NH3，L21,NH3=+= m3 CH4，L21,CH4= + = m3 Ar ，L21,Ar= + = m3 H2 ，L21,H2= += m3 N2 ，L21,N2=+ = m3 入口液體中組分含量核算由 ，x180。出口液體組分含量： 出口液體氨含量： xNH3=LNH3/L=100%=% 出口液體甲烷含量： xCH4=LCH4/L=100%=% 出口液體氬含量： xAr=LAr/L=100%=% 出口液體氫氣含量： xH2=LH2/L=100%=% 出口液體氮氣含量： xN2=LN2/L=100%=%將液氨貯槽出口液氨組分歸入表212。表 210氨貯槽的液氨組成組分NH3H2N2CH4Ar總計z21,i/% 當t=17℃，P=，計算得熱平衡常數(shù)歸入表211。%冷交，%。表29 冷交換器出口液體組分含量組分NH3H2N2CH4Ar總計xi,16/% 液氨貯槽氣、液平衡計算由于氨分離器液體和冷交換器出口分離液體匯合后進入液氨貯槽經(jīng)減壓后溶解在液氨中的氣體會解吸，即弛放氣。表27 氨分離器出口氣體含量/%組分NH3H2N2CH4Ar總計yi,12/% 冷交換器氣、液平衡計算冷交換器各組分平衡常數(shù)在t=10℃，p=，見表28。表25 各組分平衡常數(shù)K（i）[6]KNH3KH2KN2KCH4KAr設(shè)時，代入L總=LNH3+LCH4+LH2+LN2+LAr=分離氣體量：V=1－=計算液氣比誤差，符合要求，故結(jié)果合理從而可計算液體中各組分含量，由式 x（i）=L（i）/L 可得液體中各組分的含量，將計算結(jié)果匯入下表26。表23 出塔氣體組分含量/%組分NH3H2N2CH4Ar總計含量132 100（3） 氨的合成率：合成率 氨分離器氣液平衡計算氨分離器進口氣體組成等于合成塔出口氣體組成及氨分離器入口混合物組分如表24所示。其余各節(jié)點為循環(huán)氣圖22 計算物料點流程 物料衡算 合成塔物料衡算 （1） 合成塔入塔氣組分： 入塔氨含量： yNH3=%； 入塔甲烷含量：y5,CH4=%%/(+) 100%=% 入塔氫含量： y5,H2=[100(+15)] 3/4100%=% 入塔氬含量： y5,Ar=15%%=% 入塔氮含量： y5,N2=[100(+15)] 1/4100%=%將入塔組分歸入表22。 20——弛放氣。表21 新鮮補充氣組成組分H2N2CH4Ar總計含量/% （3） 合成塔入口氨含量：NH3=% （4） 合成塔出口氨含量：NH3=% （5） 合成塔入口惰性氣體含量：CH4+Ar=15% （6） 合成塔操作壓力：30MPa （7） 精煉氣溫度：35℃1.——精煉氣。合成氨合成工藝流程見圖21。在水冷器內(nèi)管被管外的循環(huán)水冷卻后出水冷器，進入氨分離器，部分液氨被分離出來，氣體出氨分離器，進入透平循環(huán)機入口，經(jīng)加壓后進入循環(huán)氣濾油器出來后進入冷交換器熱氣進口。升溫后從冷氣出口出來分五路進入合成塔、其中三路作為冷激線分別調(diào)節(jié)合成塔。 氨的合成是全工段的中樞，是合成氨廠的最后一道工序，它的任務(wù)是在一定溫度、壓力及催化劑存在的條件下，由凈化工段過來的合成氣（N2+H2）進入合成塔在催化劑的作用下開始氨的合成，其后便是液氣分離，得到液氨產(chǎn)品和未反應的氣體做循環(huán)氣使用，氨合成的反應的化學方程式是： 由反應方程式可以看出氨的合成具有如下幾個特點：①可逆反應 ② 放熱反應 ③ 體積縮小的反應 ④ 反應需要有催化劑才能較快的進行故對于這次畢業(yè)設(shè)計的主要環(huán)節(jié)包括：(1) 對合成氨工段的工藝資料進行綜合整理； (2) 合成工段中各個反應設(shè)備的物料衡算和熱量衡算，包括合成塔、水冷器、廢熱鍋爐、熱交換器、冷交換器、氨冷器以及液氨貯槽；(3) 合成工段合理利用熱能；(4) 制定變換工段的工藝流程，并繪制工藝流程圖；(5) 主要的設(shè)備選型及計算；(6) 安全因素、經(jīng)濟效益方面等；(7) 廠房與設(shè)備布置。所有這些新舊問題對合成氨工業(yè)的發(fā)展，都會起到舉足輕重的影響。過去被合成氨工業(yè)認為沒有太多困難的環(huán)境保護問題，由于對污染控制變得日益嚴格，一些認為已經(jīng)解決的問題，現(xiàn)在又得重新加以評價。21世紀，由于能源危機、清潔環(huán)保因素的制約，而且近年來提倡的低碳生活，根據(jù)合成氨技術(shù)發(fā)展的情況分析, 未來合成氨的基本生產(chǎn)原理將不會出現(xiàn)原則性的改變,其技術(shù)發(fā)展將會繼續(xù)緊密圍繞“降低生產(chǎn)成本、提高運行周期, 改善經(jīng)濟性”的基本目標,進一步集中在“大型化、低能耗、結(jié)構(gòu)調(diào)整、清潔生產(chǎn)、長周期運行”等方面進行技術(shù)的研究開發(fā)。合成氨生產(chǎn)包括三個主要步驟：第一步是制造含氮和氫的原料氣；第二步是將原料氣進行凈化處理，以除去各種雜質(zhì)和有毒成分，從而獲得純凈的氮氫混合氣體；第三步是氨的合成。隨著科學技術(shù)的進步和生產(chǎn)能力的不斷發(fā)展，合成氨工業(yè)在國民經(jīng)濟中的基礎(chǔ)作用必將日益顯著。1994年中國氨產(chǎn)量達到2442萬噸，2005年中國氨產(chǎn)量為4596萬噸，2007年中國合成氨產(chǎn)量已超過5000萬噸，從1994年后中國合成氨產(chǎn)量位列世界第一[4]。在技術(shù)力量方面，我國已擁有一支能從事合成氨生產(chǎn)的科研、設(shè)計、制造和施工的高素質(zhì)技術(shù)隊伍。具有因地制宜特點的我國小型合成氨工業(yè)，經(jīng)過多年的改進，工藝日趨完善，能耗也有明顯降低。在原料方面，由單一的焦炭發(fā)展到煤、天然氣、焦爐氣、石油煉廠氣、輕油和重油等多種原料制氫。中國的合成氨工業(yè)是在20世紀30年代開始的，當時僅在南京和大連兩地建有規(guī)模不大的兩個合成氨工廠，此外在上海還有 一個電解水制氫生產(chǎn)合成氨的小型車間，全國年產(chǎn)量不到1萬噸。 國內(nèi)合成氨工業(yè)發(fā)展建國前，我國國內(nèi)內(nèi)的合成氨工業(yè)基礎(chǔ)非常薄弱，規(guī)模小，廠家少，并且技術(shù)落后。如果在合成氨原料氣脫除二氧化碳過程中能聯(lián)合生產(chǎn)這些產(chǎn)品，則可以簡化流程、減少能耗、降低成本?，F(xiàn)在已提出以天然氣為原料的節(jié)能型合成氨新流程多種。從世界燃料儲量來看，煤的儲量約為石油、天然氣總和的10倍，自從70年代中東石油漲價后，從煤制氨路線重新受到重視,但因以天然氣為原料的合成氨裝置投資低、能耗低、成本低的緣故，預計到20世紀末，世界大多數(shù)合成氨廠仍將以氣體燃料為主要原料。70年代原油漲價后，一些采用石腦油為原料的合成氨老廠改用天然氣，新建廠絕大部分采用天然氣作原料。合成氨主要原料有天然氣、石腦油、重質(zhì)油和煤等。合成氨主要消費部門為化肥工業(yè)，用于其他領(lǐng)域的（主要是高分子化工、火炸藥工業(yè)等）非化肥用氨，統(tǒng)稱為工業(yè)用氨。1982年，世界合成氨的生產(chǎn)能力為125Mt氨,但因原料供應、市場需求的變化，合成氨的產(chǎn)量遠比生產(chǎn)能力要低。 國外合成氨工業(yè)發(fā)展到20世紀50年代，由于北美成功開發(fā)了天然氣資源，從此天然氣作為制氨的原料開始盛行。合成氨也隨之工業(yè)化，在以后的生產(chǎn)過程中，人們對合成氨的生產(chǎn)工藝進行了不斷改進和完善，如變換工藝的改進。查得利開創(chuàng)性地提出氨合成的條件是高溫、高壓，催化劑存在。19世紀末，隨著化學熱力學、動力學和催化劑等領(lǐng)域取得一定進展后，對合成氨反應的研究有了新的進展。 合成氨的發(fā)現(xiàn)及其發(fā)展19世紀以前農(nóng)業(yè)上所需的氮肥來源主要來自于有機物的副產(chǎn)物和動植物的廢物，如糞便、腐爛動植物等等，隨著農(nóng)業(yè)和軍工生產(chǎn)的發(fā)展的需要，迫切的需要建立規(guī)模巨大的探索性的研究，化學家們設(shè)想，能不能把空氣中大量的氮氣固定下來，從而開始設(shè)計以氮和氫為原料的合成氨流程。氨還可以做冷凍，冷藏系統(tǒng)的制冷劑。表11氨的主要物理性質(zhì)[1]項目數(shù)據(jù)項目數(shù)據(jù)相對分子質(zhì)量 臨界密度/(g/cm3) 氮含量 臨界壓縮系數(shù)PV=ZRT 摩爾體積(0℃，)/(L/mol) 臨界熱導率[kj/)] 氣體密度(0℃，)/(g/L) 沸點()/℃`液體密度(℃,)/(g/cm3) 蒸發(fā)熱（℃)/(kJ/kg) 臨界溫度/℃ 冰點/℃ 臨界壓力/MPa 熔化熱(℃)/(kJ/kg) 臨界比體積/(L/kg) 氨的用途氨主要用于制造化學肥料，如農(nóng)業(yè)上使用的所有氮肥、含氮混合肥和復合肥等；也作為生產(chǎn)其他化工產(chǎn)品的原料，如基本化學工業(yè)中的硝酸、純堿、含氮無機鹽，有機化學工業(yè)的含氮中間體，制藥工業(yè)中磺胺類藥物、維生素，化纖和塑料工業(yè)中的己酰胺、己二胺、甲苯二異氰酸酯、人造絲、丙烯腈、酚醛樹脂等都需要直接或間接地以氨為原料。濃氨水氨含量為28% ~ 29%。氨易溶于水，與水反應形成水合氨（NH3 + H2O=NH3氨的主要物理性質(zhì)見表01。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。20世紀初，經(jīng)過人們的不懈探索，終于成功的開發(fā)了三種固定氮的方法：電弧法、氰氨法、和合成氨法。 process design V 1 引言氮是植物營養(yǎng)的重要成分之一，大多數(shù)的植物不能直接吸收存在于空氣中的游離氮，只有當?shù)c其他元素化合以后，才能被植物吸收利用。 material balance。關(guān)鍵詞：合成氨；物料衡算；熱量核算；工藝設(shè)計Usi