【正文】 : m0Ar=+= 混合后入口氫含量： m0H2=+= 混合后入口氮含量： m0N2=+= 表 液氨貯槽入口液體含量 (摩爾分?jǐn)?shù) %) m0NH3 m0CH4 m0Ar m0H2 m0N2 總 計(jì) 100 當(dāng) t=17℃， P= 時(shí)，計(jì)算得熱平衡常數(shù)： 13 表 各組分的平衡常數(shù) KNH3 KCH4 KAr KH2 KN2 170 540 575 620 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)= 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)= 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)。 由兩式得 L(i)=m(i)/[1+(V/L)K(i)]； V=FL=1L 液體組分 x(i)=L(i)/L；氣體組分 y(i)=V(i)/V=[m(i)L(i)]/V 表 已知氨分離器入口混合物組分 (摩爾分?jǐn)?shù) %) NH3 CH4 Ar H2 N2 總 計(jì) 100 查 t=35℃ ， P= 時(shí)各組分平衡常數(shù)： 表 各組分平衡常數(shù) KNH3 KCH4 KAr KH2 KN2 11 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］ =(1+)= LCH4= mCH4/［ 1+(V/L)KCH4］ =(1+8.)= Kmol LAr=mAr/［ 1+(V/L)KAr］ =(1=)= Kmol LH2=mH2/［ 1+(V/L)KH2］ =(1=)= LH2=mN2)/［ 1+(V/L)KN2］ =(1=)= 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。 入塔甲烷含量： y6CH4=%(+)100%=%； 入塔氫含量： y6H2=［ 100(+15)］ 3/4100%=%； 入塔氬含量： y6Ar=15%%=%； 入塔氮含量： y6N2=［ 100 (+15)］ 1/4100%=% 表 入塔氣組分含量 (摩爾分?jǐn)?shù) %) NH3 CH4 Ar H2 N2 總 計(jì) 100 10 (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=m6 (y9NH3y6NH3)/ (1+y9NH3) =1000()/ (1+)= 出塔氣量 : m9=入塔氣量 — 生成氨含量 =1000120 172= 出塔氨含量： y9NH3=% 出塔甲烷含量： y9CH4=(M6/M9)y6CH4=(1000/)%=% 出塔氬含量： y9Ar=(M6/M9)y5Ar=(1000/)%=% 出塔氫含量： y9H2=3/4(1y9NH3y9CH4y9Ar)100% =3/4()100%=% 出塔氮含量： y9N2=1/4()100%=% 表 出塔氣體組分含量 (摩爾分?jǐn)?shù) %) NH3 CH4 Ar H2 N2 總 計(jì) 100 (3)合成率： 合成率 =2mNH3/［ m6(1y6NH3y6CH4y6Ar)］ 100% =2［ 1000()］ 100%=% 氨分離器氣液平衡計(jì)算 設(shè)氨分離器進(jìn)口氣液混合物 F，進(jìn)口物料組分 m(i)， 分離器組分 y(i)，液量其中進(jìn)口物料組分 m(i)等于合成塔出口氣體組分。 在從氨分離器、冷凝 塔分離的液氨，經(jīng)自調(diào)和手動(dòng)兩路降壓后排入液氨總管送入液氨貯槽，貯槽內(nèi)排放一部分馳放氣，液氨再通過(guò)倒氨管線(xiàn)向新區(qū)氨庫(kù)倒氨 [11]。 在 氨分離器中，大部分的氨被冷凝分離，剩余的氣體則在排放一部分放空氣后經(jīng)過(guò)循環(huán)機(jī)壓縮循環(huán)成為循環(huán)氣。另一部分經(jīng)主線(xiàn)閥 V7 與經(jīng) V4 的一出氣體混合后由塔下部二次入口進(jìn)入合成塔，通過(guò)下部換熱器與塔二出氣體換熱后即進(jìn)入中心管，然后上升至第一層入口與 2 冷激氣混合，經(jīng)過(guò)觸媒一層反應(yīng)后，在冷激器內(nèi)和 1 冷激氣換熱 后進(jìn)入觸媒 二 層由 外向內(nèi)反應(yīng)后，在層間換熱器內(nèi)和 1 冷激氣混合后進(jìn)入觸媒三層由 內(nèi)向外反應(yīng)后，進(jìn)入下部換熱器與 管 間冷氣體換熱后 從塔下部二次出口出塔。 一路是經(jīng)過(guò) V1 閥的氣體（ 80%），和 V2 來(lái)的一出氣體混合后， 進(jìn)入 塔 外換熱器 上 部冷氣入口與管程高溫氣體換熱后從下部冷氣出口出來(lái)。 氨合成工藝流程簡(jiǎn)述 由壓縮送來(lái)的新鮮氣（ 30℃ ） 在濾油器中與循環(huán)氣混合并分離油水后 （ 35℃ ） ，經(jīng)壓 7 出總管，氣體進(jìn)入冷凝塔上部（一次進(jìn)口），在上部熱交換器管程內(nèi)進(jìn)行預(yù)冷，其中的氣氨有部分冷凝，然后氣體（ 17℃ ）在分氣盒匯合，經(jīng)中心管向上，由一次出口出冷凝塔，同時(shí)進(jìn)入氨冷器 A/B 進(jìn)一步冷卻，冷卻后的低溫氣體（ 10℃ ），在冷凝塔底部匯合，由底部二次入口進(jìn)入冷凝塔下部分離器二次分離液氨，冷凝的液氨由冷凝塔底部排出后，冷氣進(jìn)入上部熱交換器的管間，與一次入口氣體換熱 后（ 27℃ 左右 ），從上部二次出口出來(lái)，分為兩路： 一 路 由 V3 閥進(jìn)入合成塔一次入口（作為塔壁保護(hù)氣，約占總氣量 20%），從合成塔一次入口進(jìn)入外筒和內(nèi)件之間的環(huán)隙 ，向下冷卻塔壁后從塔下部一次出塔（ 70℃）。目前大型合成氨廠(chǎng)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(guò)塔內(nèi)側(cè)換熱器預(yù)熱反應(yīng)前的氫氮混合氣，然后再通過(guò)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(chǎng)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(chǎng)及部分中型氨廠(chǎng)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。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) 6 氫氮混合氣經(jīng)過(guò)氨合成塔以后，只有一小部分合成為氨。在氨冷凝過(guò)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(guò)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(lái)。在開(kāi)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(guò)程中氣體夾帶的潤(rùn)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(jí)數(shù)、熱能回收形式以及各部分相對(duì)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(guò)程的基本工藝步驟是相同的 [9]。 本次設(shè)計(jì)選用中壓法 (壓力為 32MPa)合成氨流程，采用預(yù)熱反應(yīng)前的氫氮混合氣和副產(chǎn)蒸汽的方法回收反應(yīng)熱，塔型選擇見(jiàn)設(shè)備選型部分。除盡可能提高熱回收率 ,多產(chǎn)蒸汽外 , 應(yīng)考慮提高回收熱的位能 , 即提高回收蒸汽的壓力及過(guò)熱度。由于近來(lái)低溫氨催化劑的出現(xiàn) , 可使合成壓力降低。中壓法技術(shù)比較成熟，經(jīng)濟(jì)性比較好，在 15～ 30Pa 的范圍內(nèi)，功耗的差 別是不大的，因此世界上采用此法的很多。 氨合成工藝選擇主要考慮合成壓力、合成塔結(jié)構(gòu)型式及熱回收方法。實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)上此法已不采用了。但此法所用催化劑對(duì)毒物很敏感，易中毒，使用壽命短，因此對(duì)原料氣的精制純度要求嚴(yán)格。 (3)低壓法 操作壓力 10MPa 左右，溫度 400～ 450℃ ?？偟膩?lái)看，在 15～ 30Pa的范圍內(nèi)，功耗的差別是不大的，因此世界上采用此法的很多。從動(dòng)力消耗看，合成系統(tǒng)的功耗占全廠(chǎng)總功耗的比重最大。 4 (2)中壓法 操作壓力為 20～ 60MPa，溫度 450～ 550℃ ，其優(yōu)缺點(diǎn)介于高壓法與低壓法之間，目前此法技術(shù)比較成熟，經(jīng)濟(jì)性比較好。又因?yàn)槭歉邷馗邏翰僮?，?duì)設(shè)備制造、材質(zhì)要求都較高，投資費(fèi)用大。故流程、設(shè)備都比較緊湊。 (1)高壓法 操作壓力 70～ 100MPa，溫度為 550～ 650℃ 。對(duì)于合成系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，液體氨即是它的產(chǎn)品。節(jié)省的巨額資金 ,用作農(nóng)田水利建設(shè)和農(nóng)產(chǎn)品深加工 ,將在加速農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展 ,提高農(nóng)民生活水平 ,縮小城鄉(xiāng)差距起著重要用。過(guò)去引進(jìn)建設(shè)一套大型化肥裝置 ,耗資數(shù)十億元。我國(guó)七十至九十年代先后重復(fù)引進(jìn) 30 多 套大化肥裝置 ,耗費(fèi)巨額資金 ,在提高了化肥生產(chǎn)技術(shù)水平的同時(shí) ,也受到國(guó)外的制約。它的發(fā)展將對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展產(chǎn)生重大影響。農(nóng)業(yè)生產(chǎn) ,“有收無(wú)收在于水 ,收多收少在于肥”。未來(lái)我國(guó)合成氨氮肥的實(shí)物產(chǎn)量將會(huì)超過(guò)石油和鋼鐵。即今后 20 年間將增加到 20xx年 的 倍。其化肥用氨分別占氨產(chǎn)量 的 %和 %。 同時(shí)氨也有市場(chǎng)需要，據(jù)資料統(tǒng)計(jì) :1997 年世界合成氨年產(chǎn)量達(dá) 。同時(shí)，尿素和甲醇的合成、石油加氫、高壓聚合等工業(yè)，也是在合成氨工業(yè)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。此外，氨還是常用的冷凍劑 [7]。將氨氧化可以制成硝酸，而硝酸又是生產(chǎn)炸藥、染料等產(chǎn)品的重要原料?？梢?jiàn)，合成氨工業(yè)是氮肥工業(yè)的基礎(chǔ)，對(duì)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)起著重要的 作用 [5]。還可以將氨加工制成各種含氮復(fù)合肥料。各種氮肥生產(chǎn)是以合成氨為主要原料的，因此，合成氨工業(yè)的發(fā)展標(biāo)志著氮肥工業(yè) 的水平。 氨的用途 氨是基本化工產(chǎn)品之一，用途很廣。 (4)提高生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性 ,延長(zhǎng)運(yùn)行周期是未來(lái)合成氨裝置“改善經(jīng)濟(jì)性、增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力”的必要保證。 (3)實(shí)施與環(huán)境友好的清潔生產(chǎn)是未來(lái)合成氨裝置的必然和惟一的選擇。在低能耗合成氨裝置的技術(shù)開(kāi)發(fā)過(guò)程中 , 其主要工藝技術(shù)將會(huì)進(jìn)一步發(fā)展。 (1) 大型化、集成化、自動(dòng)化 , 形成經(jīng)濟(jì)規(guī)模的生產(chǎn)中心、低能耗與環(huán)境更友好將 是未來(lái)合成氨裝置的主流發(fā)展方向。 2 第 一 章 綜 述 氨的研究背景 世界合成氨技術(shù)的發(fā)展經(jīng) 歷了傳統(tǒng)型蒸汽轉(zhuǎn)化制氨工藝、低能耗制氨工藝、裝置單系列產(chǎn)量最大化三個(gè)階段。擬采取的工藝路線(xiàn)縮短了，減少了設(shè)備投資，降低了能耗，操作簡(jiǎn)單安全。 氨是重要的無(wú)機(jī)化工產(chǎn)品，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。常溫常壓下， 氨在空氣 中的爆炸極限為 %到 28%，在氧氣中為 %到 82%。 氨的自燃點(diǎn)為 630℃ 。如與磷酸反應(yīng)生成磷酸銨；與硝酸反應(yīng)生成硝酸銨；與二氧化碳反應(yīng)生成氨基甲酸銨，脫水后成為尿素；與二氧化碳和水反應(yīng)生成碳酸氫銨。氨的水溶液呈堿性，易揮發(fā)。氨極溶于水，可制成含氨在 15%至 30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù) )的商品氨水。若將液氨在 壓力下冷至 ℃ ，就能凝結(jié)成略帶臭味的無(wú)色結(jié)晶。氨的臨界溫度為 ℃ ，臨界壓力為 ?？諝庵泻?%(體積分?jǐn)?shù) )的氨，就能使人在幾分鐘內(nèi)窒息而死。energy balance accounting 1 引 言 合成氨的化學(xué)名稱(chēng)為氨，常溫常壓下，氨是一種具有特殊刺激性氣味的無(wú)色氣體，有強(qiáng)烈的毒性。 關(guān)鍵詞： 氨合成 ； 物料衡算 ； 能量衡算 II The Process Design of 200kt/a Synthetic Ammonia Synthesis Abstract: Ammonia is the basis of t