【正文】 (yCH4放+yAr放)=V弛(yCH4放+yAr放)+V弛(yCH4弛+yAr弛) V補(bǔ)(+)=V放(+)+(+) V補(bǔ)=+ ┉┉┉┉┉┉③ 循環(huán)回路中惰性氣體平衡:V出yNH3V入yNH3入=V放y放+V弛y NH3弛+LNH3 = + ┉┉┉┉┉┉④ 循環(huán)回路中總物料體平衡: V入=V出 + V補(bǔ) V放 V弛 LNH3= V出 + V補(bǔ)－= V出 + V補(bǔ)－V放 ┉┉┉┉┉┉⑤ 聯(lián)立①②③④⑤各式解得：V放= m３。(0i)≈ M180。(0H2)= 100﹪=% 入口液體中氮?dú)夂? m180。(0CH4)=100﹪=﹪ 入口液體中氬含量 m180。(0i)=L(21i)/L(21): 入口液體中氨含量 m180。 液氨貯槽入口1Kmol液體計算為準(zhǔn)，即L0=1Kmol，入口液體混合后組分含量： m(0i)=L(15)X15i+L16X16i = G％L0X15i+(1 G％)X16i =+混合后入口氨含量： m0NH3=+=混合后入口甲烷含量: m0CH4=+=混合后入口氬含量: m0Ar=+=混合后入口氫含量： m0H2=+=混合后入口氮含量： m0N2=+=表411 液氨貯槽入口液體含量m0NH3m0CH4m0Arm0H2m0N2小計當(dāng)t=17℃，P=，計算得熱平衡常數(shù)：表412 各組分的平衡常數(shù)KNH3KCH4KArKH2KN2170540575620 根據(jù)氣液平衡L(i)=m(0i)/[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浚篖N2=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）］3/4100％=％； 入塔氬含量：y5Ar=17％％=％； 入塔氮含量：y5N2=［100（+17）］1/4100％=％表42 入塔氣組分含量（％）NH3CH4ArH2N2小計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/)％=％ 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（％）NH3CH4ArH2N2小計100 （3）合成率： 合成率=2MNH3/［M5(1y5NH3y5CH4y5Ar)］100％ =2［1000()］100％=％表45 已知氨分離器入口混合物組分m(i)NH3CH4ArH2N2小計 查t=35℃，P=：表46 各組分平衡常數(shù)KNH3KCH4KArKH2KN2 設(shè)（V/L）=，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线M(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?？紤]氨合成工段的工藝和設(shè)備問題時，必須遵循三個原則：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、管道中流動時，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，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，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褐械腃OD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，同時也不會造成環(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，停留時間不長，而且能及時離開環(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)鈦碓从诳諝猓梢栽诘蜏叵聦⒖諝庖夯?、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)立氨儲槽儲存起來。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)計選用32MPa壓力的合成氨流程。但功耗決不但取決于壓力一項，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]。 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 ,專家預(yù)測2000 年將達(dá)36Mt,2020 年將增加至45Mt。預(yù)計2000 。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)的一個重要部門[4]。合成氨工業(yè)的迅速發(fā)展，也促進(jìn)和帶動了許多科學(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?，F(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