【正文】 為 ，則： 冷交換器熱氣出口氣量及組分：其中 NH3 CH4 Ar H2 N2 出口總氣量 出口氣體各組分：NH3 CH4 Ar H2 N2 ：進(jìn)器物料：氨冷器進(jìn)器物料等于冷交換器出器物料加上補(bǔ)充新鮮氣物料其中 CH4 Ar H2 N2 進(jìn)器氣體物料 進(jìn)器氣體組分含量　　其中 NH3 CH4 Ar H2 N2 各組分百分含量　　NH3 CH4 Ar H2 N2 進(jìn)器液體等于冷交換器冷凝液氨量　進(jìn)器總物料出器物料：已知出器氣體中氨含量為 ，設(shè)出器氣體中氨含量為。即 ：進(jìn)器物料：水冷器進(jìn)氣物料等于熱交換器出口物料，即 出器物料：在水冷器中部分氣氨被冷凝；由氨分離器氣液平衡計(jì)算得氣液比 ，,有如下方程: 將 代入 得: 出口氣體組分由得:其中， NH3 CH4 Ar H2 N2 出口液體各組分由 得其中 NH3 CH4 Ar H2 N2 ：進(jìn)器物料：氨分離器進(jìn)器總物料等于水冷器出口氣液混合物總物料即　出器物料：氣液混合物在器內(nèi)進(jìn)行分離，分別得到氣體和液體出器氣體，出器液體氨分離器出口氣體放空 其中， NH3 CH4 Ar H2 N2 ：進(jìn)器物料：進(jìn)器物料等于氨分離器出口氣體物料減去放空氣量其中， NH3 CH4 Ar H2 N2 出器物料（熱氣）：設(shè)熱氣出口溫度17℃（由熱量計(jì)算核定）查 ,氣相中平衡氨含量，計(jì)算熱氣出口冷凝液氨時(shí)，忽略溶解在液氨中的氣體。 。以液氨貯槽入口 液體計(jì)算為準(zhǔn)，即 ，入口液體混合后組分含量：混合后入口氨含量：混合后入口甲烷含量：混合后入口氬含量：混合后入口氫含量：混合后入口氮含量： 表4110 液氨貯槽入口液體含量（%）小計(jì)100當(dāng) (由熱平衡計(jì)算得) 平衡常數(shù)：表4111 平衡常數(shù)表170540575620根據(jù)氣液平衡 ,設(shè) ,代入上式得:出口液體氨含量：出口液體甲烷含量：出口液體氬含量：出口液體氫氣含量：出口液體氮?dú)夂浚撼隹谝后w總量：出口氣體總量：l出口液體組分含量 出口液體氨含量：出口液體甲烷含量：出口液體氬含量：出口液體氫氣含量：出口液體氮?dú)夂浚罕?112 液氨貯槽出口液氨組分（%）NH3CH4ArH2N2小計(jì)100出口弛放氣組分含量：弛放氣氨含量：弛放氣甲烷含量：弛放氣氬含量：弛放氣氫氣含量：弛放氣氮?dú)夂浚罕?113 出口弛放氣組分含量(%)NH3CH4ArH2N2小計(jì)100：以液氨貯槽出口一噸純液氨為基準(zhǔn)折標(biāo)立方米計(jì)算液氨貯槽出口液體量 其中NH3 CH4 Ar H2 N2 液氨貯槽出口弛放氣 其中 NH3 CH4 Ar H2 N2 液氨貯槽出口總物料液氨貯槽進(jìn)口液體：由物料平衡，入口液體各組分含量計(jì)算：其中 NH3 CH4 Ar H2 N2 入口液體中組分含量核算,由 入口液體中氨含量 入口液體中甲烷含量 入口液體中氬含量 入口液體中氫氣含量 入口液體中氮?dú)夂? 入口液體中組分含量 :將整個(gè)合成看著一個(gè)系統(tǒng)，進(jìn)入該系統(tǒng)的物料有新鮮補(bǔ)充氣 ,離開該系統(tǒng)的物料有放空氣 ，液氨貯槽弛放氣 ，產(chǎn)品液氨 ，見圖413所示： V補(bǔ)V出V馳V放V氨V入圖413 合成系統(tǒng)物料計(jì)算示意圖由前計(jì)算數(shù)據(jù)如下表：表4114 計(jì)算數(shù)據(jù)名稱NH3CH4ArH2N2氣量Nm３補(bǔ)充氣放空氣弛放氣液氨入塔氣出塔氣根據(jù)物料平衡和元素組分平衡求,: 循環(huán)回路中氫平衡： 循環(huán)回路中氮平衡: 循環(huán)回路中惰性氣體平衡: 循環(huán)回路中惰性氣體平衡: 循環(huán)回路中總物料平衡: 聯(lián)立各式解得：。兩種液體百分比估算值，即水冷后分離液氨占總量的百分?jǐn)?shù)。 工藝流程方框圖合成塔水冷器熱交換器廢熱鍋爐油分離器冷交換器循環(huán)機(jī)新鮮氣放空液氨儲(chǔ)槽氨冷器氨分離塔馳放氣圖31合成氨工藝流程方框圖第四章 工藝計(jì)算 物料衡算：： 1. 年產(chǎn)20萬噸液氨,設(shè)計(jì)裕度及液氨損失均不計(jì) 2. 精煉氣組成（%）：如下表 表411精煉氣組成（mol％）組 成N2H2CH4Ar 合 計(jì)mol％ 100 3. 合成塔入口氨含量（mol％）： 合成塔出口氨含量（mol％）： 合成塔入口惰性氣體含量（mol％）： 4. 合成塔操作壓力: 32MPa(絕壓) 5. 精煉氣溫度：35℃ 6. 水冷器出口溫度：35℃ 7. 循環(huán)機(jī)進(jìn)出口壓差： 8. 年工作日：330天 9. 產(chǎn)量： NH3/h 10. 計(jì)算基準(zhǔn)：生產(chǎn)1噸液氨：1 2 3 4 5精煉氣 6 7 8 9 10 11 12 14 17 18合成氣；13放空氣 20弛放氣 圖411 計(jì)算物料點(diǎn)流程圖合成塔氨分離塔水冷器氨冷器熱交換器液氨儲(chǔ)槽廢熱鍋爐放空油分離器新鮮氣冷交換器循環(huán)機(jī)液氨儲(chǔ)槽氨冷器氨分離塔循環(huán)機(jī)314571614122115201918172910116813：根據(jù)計(jì)算依據(jù)有入塔氨含量：入塔甲烷含量：入塔氬含量：入塔氫含量：入塔氮含量：表412 入塔氣組分含量（%）NH3CH4ArH2N2小計(jì)100：以 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：出塔氣量: 出塔氨含量： 出塔甲烷含量：出塔氨含量： 出塔氫含量： 出塔氮含量： 表413 出塔氣體組分含量（%）NH3CH4ArH2N2小計(jì)100：： 已知氨分離器入口混合物組分表414 氨分離器入口混合物組分小計(jì)1查 ，各組分平衡常數(shù)：表415 平衡常數(shù)表設(shè)時(shí)，代入計(jì)算各組分溶解液量:分離液體量：分離氣體量：計(jì)算氣液比：結(jié)果合理從而可計(jì)算出液體中各組分含量：液體中氨含量：液體中氬含量：液體中甲烷含量： 液體中氫含量：液體中氮含量：表416 氨分離器出口液體含量（%）NH3CH4ArH2N2小計(jì)分離氣體組分含量：氣體氨含量 氣體甲烷含量 氣體氬含量 氣體氫含量 氣體氮含量 表417 氨分離器出口氣體含量（%）NH3CH4ArH2N2小計(jì)100：根據(jù)氣液平衡原理，由于冷交換器第二次出口氣體含量等于合成塔進(jìn)口氣體含量，由合成塔入口氣體含量和操作條件下的分離溫度可查出，便可解出。循環(huán)機(jī)位于水冷器和氨冷器之間，適用于有油潤(rùn)滑往復(fù)式壓縮機(jī)。流程簡(jiǎn)單，設(shè)備投資抵。 冷交換器和氨分離器內(nèi)的液氨，經(jīng)液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)減壓后送往液氨貯槽。反應(yīng)換熱后溫度降為140~160℃，氨含量13%的反應(yīng)氣體出合成塔進(jìn)入水冷器，氣體經(jīng)水冷器冷卻至常溫，其中部分氣氨被冷凝，液氨在氨分離器中分出。然后氣體分兩股進(jìn)入合成塔，一股主線經(jīng)主閥由塔頂進(jìn)入塔內(nèi)環(huán)隙，另一股副線經(jīng)副閥從倒塔底進(jìn)入塔內(nèi)中心管，以調(diào)節(jié)催化劑床層溫度。氣體在管內(nèi)流動(dòng)，液氨在管外蒸發(fā)，由于氨大量蒸發(fā)吸收了混合氣的熱量，使管內(nèi)氣體進(jìn)一步冷卻至10℃，出氨冷器后的氣液混合物，在冷交換器的下部用氨分離器將液氨分離。第三章 工藝流程簡(jiǎn)述 合成工段工藝流程簡(jiǎn)述由氮?dú)錃鈮嚎s機(jī)送來的35℃的新鮮氣，在油分離器中與循環(huán)機(jī)來的循環(huán)氣混合，除去氣體中的油、水及其雜質(zhì)。對(duì)于壓力在15 MPa的合成氨廠，%左右。壓力高，氨合成反應(yīng)速度快，進(jìn)口氨含量可適當(dāng)控制高一些；壓力低，為保持一定的反應(yīng)速度，進(jìn)口氨含量可適當(dāng)控制低一些。但將進(jìn)口氨含量降的過低，會(huì)導(dǎo)致冷凍功耗增加過多，經(jīng)濟(jì)上并不可取。冷凝溫度越低，分離效果越好，則進(jìn)塔氣體中氨含量也就越低。在生產(chǎn)中，%~%之間，并控制循環(huán)氣中惰性氣體的體積分?jǐn)?shù)在10%~15%之間。相反，則要控制低一些。循環(huán)氣體中惰性氣體的控制還與操作壓力和催化劑活性有關(guān)。排放量多，可以使合成系統(tǒng)惰性氣體含量降低，氨的合成率提高。無論從化學(xué)平衡還是動(dòng)力學(xué)角度分析，他們都是有弊無利的，導(dǎo)致氨的生產(chǎn)率下降。(2) 惰性氣體在混合氣體中含有甲烷和氬氣等，統(tǒng)稱為惰性氣體。從氨的合成反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理可知，氮的活性吸附是合成氨反應(yīng)過程速度的控制步驟，因此適當(dāng)提高氮?dú)鉂舛?，?duì)氨合成反應(yīng)速度有利。 合成塔進(jìn)口氣的組成合成塔進(jìn)口氣體組成包括氫氮比、惰性氣體含量和塔進(jìn)口氨含量。液氨在氨分離器中與循環(huán)氣體分開，減壓送入貯槽。本設(shè)計(jì)采用冷凝法。 流程設(shè)計(jì)在于合理地配置上述幾個(gè)步驟，以便得到較好的技術(shù)效果，同時(shí)在生產(chǎn)上穩(wěn)定可靠。目前，國(guó)內(nèi)一些小型合成氨廠合成壓力在30 MPa左右的，空間速度選擇在2000~3000每小時(shí)之間。此外，空間速度增大，使出塔氣體中氨的百分含量降低，為了使氨從混合氣中冷凝分離出來，必須降低出塔氣體溫度，這樣就要消耗更多的冷凍量，導(dǎo)致冷凍功耗增加。同時(shí)，單位循環(huán)氣量的產(chǎn)氨量減少。在其他條件一定時(shí)，增加空間速度能提高合成氨的生產(chǎn)強(qiáng)度。空間速度增加，氣體與催化劑接觸時(shí)間減少，反應(yīng)物來不及反應(yīng)就離開了反應(yīng)區(qū)域，因此將是合成塔出口氣體中氨含量降低，即氨凈值降低。催化劑使用到末期，活性因衰老而減弱，應(yīng)再適當(dāng)提高溫度。新的催化劑因活性比較高，可采用較低的溫度。在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)盡可能沿著最佳溫度曲線進(jìn)行。在合成氨生產(chǎn)過程中，對(duì)應(yīng)于任意一個(gè)瞬時(shí)轉(zhuǎn)化率都存在一個(gè)最大的反應(yīng)速率的溫度，即最佳溫度。合成氨生產(chǎn)所用的催化劑活性溫度在400~500 ℃。為了提高反應(yīng)速率，必須使用催化劑才能實(shí)現(xiàn)氨合成反應(yīng)。因此從化學(xué)平衡角度考慮，應(yīng)盡可能采用較低的反應(yīng)溫度。目前我國(guó)中小型合成氨廠合成操作壓力大多采用20~32 MPa。同時(shí)，高壓下反應(yīng)溫度一般較高，催化劑使用壽命也比較短，操作管理比較困難。提高操作壓力，原料氣壓縮功增加，合成氨凈值增高，單位氨所需要的循環(huán)氣量減少，因而循環(huán)氣壓縮功減少，同時(shí)壓力高也有利于氨的分離，在較高氣溫下，氣氨即可冷凝為液氨，冷凍功減少。氨合成壓力的高低，是影響氨合成生產(chǎn)中能量消耗的主要因素之一。壓力增加平衡常數(shù)增大，因而平衡氨含量也增大。決定生產(chǎn)條件最主要的因素有操作壓力、反應(yīng)溫度、空間速度和氣體組成等。本設(shè)計(jì)采用中壓法，操作壓力為32 MPa。氨合成的上述三種方法，各有優(yōu)缺點(diǎn)，不能簡(jiǎn)單的比較其優(yōu)劣。(3) 中壓法 操作壓力為20～35 MPa的稱為中壓法，操作溫度為450～550 ℃。合成塔需用高鎳優(yōu)質(zhì)合金鋼制造，即使這樣，也會(huì)產(chǎn)生破裂。由于壓力高，一般用水冷的方法氣體中的氨就能得到完全的分離，而不需要氨冷。(2) 高壓法 操作壓力為60 MPa 以上的稱為高壓法，其操作溫度大致為550～650 ℃。也可用磁鐵礦作催化劑，操作溫度450～550 ℃。(1) 低壓法 操作壓力低于20 MPa的稱低壓。 各生產(chǎn)方法及特點(diǎn)合成氨的生產(chǎn)主要包括三個(gè)步驟