【正文】 學(xué)過程。這是放熱、縮小體積的可逆反應(yīng)，溫度、壓力對此反應(yīng)的化學(xué)平衡有影響。但在較低溫度下，氨合成的反應(yīng)速度十分緩慢，需采用催化劑來加快反應(yīng)。 氨合成反應(yīng)是在 具有活性的鐵催化劑作用下進行的，這種鐵系催化劑是人們通過長期研究氨合成催化劑后形成的。 當(dāng)工業(yè)上用鐵催化劑時 ,壓力大多選用 ～ (150atm～ 300atm)，即使在這樣壓力條件下操作，每次也只有一部分氮氣和氫氣反應(yīng)為氨，故氨合成塔出口氣體的氨濃度通常為 10％～ 20％（體積）。氨合成采用添加有助催化劑的鐵催化劑。加入鐵催化劑后，反應(yīng)以生成氮化物和氮氫化物兩個階段進行。由于反應(yīng)途徑的改變（生成不穩(wěn)定的中間化合物），降低了反應(yīng)的活化能，因而反應(yīng)速率加快了。一般認為是由于催化劑表面的活性中心被雜質(zhì)占據(jù)而 引起中毒。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 9 影響催化劑的還原 氨合成催化劑在未經(jīng)過還原反應(yīng)前不具備活性。所謂還原反應(yīng)就是用精煉氣中的 H2將鐵的氧化物（ Fe3O4,FeO,Fe2O3）還原成金屬α Fe。 原料氣制備 將煤和天然氣等原料制成含氫和氮的粗原料氣。 氨的合成 合成氨反應(yīng)式如下： QNHHN ??? 322 23 工藝流程的選擇確定 由氨合成的主要特點進行工藝流程的設(shè)計 內(nèi)蒙古科技大學(xué)高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 11 圖 氨合成工段物料流程示意圖 1新鮮補充氣 16放空氣 20馳放氣 21產(chǎn)品液氨 生產(chǎn)工藝流程的說明 流程簡述： 由壓縮工段段送來的合格的氫氮氣，以 35℃， 29Mpa 的狀態(tài)與冷交換器出來的氣體匯合，混合氣一并進入氨冷器，被冷卻到 6℃后再次回到冷交換 器，對第一次進入冷交換器的氣體進行冷卻，以便于氨的冷凝。預(yù)熱后氣體分為兩股，一股占混合氣 10%作為冷激氣 f3調(diào)節(jié)合成塔內(nèi)第四絕熱床層溫度，另一股則進入熱交換器再次進行升溫。在四段都反應(yīng)結(jié)束后，反應(yīng)氣以 360℃， 30Mpa 的狀態(tài)進廢熱鍋爐進行熱回收，副產(chǎn)蒸汽。熱交換后，反應(yīng)氣冷卻到75℃，并到達水冷器再次被冷卻到 35℃后進入氨分離器進行一次液氨分離。在進入冷交換器之前，對反應(yīng)氣進行間斷性防空，目的是排除惰性氣體。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 12 第四章 氨合成物料衡算 設(shè)計依據(jù) 生產(chǎn)要求 ：液氨產(chǎn)量為 t/h。 ： 3為 17%。 ，見物料計算過程與能量計算過程。 ，有些部位略去不計。 氨生成量：根據(jù)反應(yīng)式，在合成塔內(nèi)，氣體總物質(zhì)的量的減少，應(yīng)等于生成氨的物內(nèi)蒙古科技大學(xué)高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 14 質(zhì)的量，由氣體摩爾流量方程 和組分摩爾流量平衡得： 生成的氨的物質(zhì)的量： 3,553,883 NHNHNH ynynn ?? 總物質(zhì)的量的減少量： 853 nn? 聯(lián)立解出： 3n= 3,83,53,85 1 )(NHNHNHy yyn ? ? 式中： 3NH——— 合成塔中生成氨的量，kmol； 5n——— 入口氣總物質(zhì)的量， ； 8——— 出口氣總物質(zhì)的量， ； 3,5NHy——— 合成塔入口氨，摩爾分數(shù)； 3,8——— 合成塔出口氨，摩爾分數(shù)； 將已知數(shù)據(jù)代入上式： 3NHn= 3,83,53,85 1 )(NHNHNHy yyn ? ?= )(100 ? ??=kmol 出口氣總物質(zhì)的量 : n8= n5－ 3n== kmol 所以出塔氣組 成（ 9 點）： NH3：3,8NHy=%（已知） CH4：4854, CHCH nnn ?? ??= Ar： y8,Ar=Aryyy ,585 ?= ?= H2： y8,H2=（ 1?3,8NH4,8CHyy8,Ar） 4 100% =（ ）3 100% =% N2： y8,N2=（ 13,8NHy 4,8CHyy8,Ar）14 100% 內(nèi)蒙古科技大學(xué)高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 15 =() 14 100% =% 表 出塔氣組分含量（包括 8， 9， 10， 11點） 組分 NH3 H2 N2 CH4 Ar 合計 摩爾分數(shù) % % % % % 100% 合成率計算 反應(yīng)掉的 N2， H2與入塔氣中的 N2， H2之比，按下式計算： 合成率：η =)( 2 22 ,5,55 3 HN NH yyn n? 100%=%)%(100 965 ?? ? 100%=% 氨分離器出口氣液組成計算 設(shè)合成反應(yīng)后氣體在水冷器內(nèi)部分氨被液化，氣液已達到相平衡，進入水冷器的物料為氣液混合物，物量為 F，物料組成為 Fi，水冷器出口氣相組成為 yi，氣量為 V，水冷器出口液相組成為 xi，液量為 L。 假定 F=1kmol 對于每個組分的物料平衡有： F Fi=V yi+L xi=Fi 式（ ） 根據(jù)氣液平衡關(guān)系： yi=mi xi 式（ ） 式中： mi為各組分的相平衡常數(shù)。 液相總量： 內(nèi)蒙古科技大學(xué)高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 16 L=iL? 式（ ） 液相組分的摩爾分數(shù)： xi=iLL 式（ ） 氣體總量 V=FL=1L 式（ 含量按式（ ）計算或按下式計算 yi=iVV=iiFLV? 式 () 對于以上各式求解，需用試差法，現(xiàn)采用直接迭代，按下述步驟進行： a. 根據(jù)經(jīng)驗，先假設(shè)一個 V/L值； b. 按已知操作條件（溫 度，壓力）從手冊中查取向平衡常數(shù) mi； c. 將假設(shè)的 V/L值和 mi代入式（ ），計算出 Li； d. 按式（ ）求得 L； 按式（ ）和（ ）求得 xi， yi； 按式（ ）計算 V，進而算出 V/L； e. V/L 計算值與假定值比較，如果誤差較大，以計算值作為假定值，重復(fù)計算，直至誤差在允許范圍內(nèi)為止。 按式（ ）計算得氨分離器出口液體組分含量： XNH3=LNH3/L=XN2=LN2/L=XAr=LAR/L=表 氨分離器出口液體組分含量（ 18點） 組分 NH3 H2 N2 CH4 Ar 合計 內(nèi)蒙古科技大學(xué)高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 18 摩爾分數(shù) % % % % % 100% 按式（ ）計算的氨分離器出口氣體含量： XNH3=(FNH3LNH3)/L=(%)/=% 表 氨分離器 出口氣體含量（ 12 點） 組分 NH3 H2 N2 CH4 Ar 合計 摩爾分數(shù) % % % % % 100% 冷交換器分離出的液體組成（ 17點） 氨冷器出口氣經(jīng)冷卻后，與新鮮補充氣混合進入冷交換器，冷交換器出口氣組成即合成塔入口氣組成。 查《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊 下冊》 【 3】 表 144 可得 t17=－ 6℃， P17= 29MPa的相平衡常數(shù) mi如下表： 表 相平衡常數(shù) 相平衡常數(shù) NH3 H2 N2 CH4 Ar mi 49 39 24 30 由氣液平衡關(guān)系式（ ）計算得冷交換器出口液體含量： 表 冷交換器出口液體含量（ 17 點） 組分 NH3 H2 N2 CH4 Ar 合計 摩爾分數(shù) % % % % % 100% 液氨貯槽馳放氣和液相組成計算 氨分離器出口液氨與冷交換器分出口液氨匯合于貯槽，由于減壓溶解在液氨中的氣體會解析出來和部分氨的蒸氣形成弛放氣。 根據(jù)物料衡算有下式： x19,i=,+,i 式（ ） 按式（ ）計算得液氨貯槽入口液體含量： 表 液 氨貯槽入口液體含量（ 19點） 組分 NH3 H2 N2 CH4 Ar 合計 摩爾分數(shù) % % % % % 100% 查《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊 下冊》 【 3】 表 144 可得 t19=20℃， P19=的相平衡常數(shù) mi如下表： 表 氣液平衡常數(shù) 相平衡常數(shù) NH3 H2 N2 CH4 Ar Mi 575 620 170 540 在液氨貯槽中，類似于閃蒸的過程，仍按氨分離的計算方法，假定一個 V/L 值，經(jīng)過視差，求得計算 結(jié)果，現(xiàn)按視差最后的 V/L 值，具體計算如下： 1iiiFL VmL? ? 式（ ） 設(shè) V/L= 代入式（ ）計算得液氨中各個組分的物質(zhì)的量（假定入貯槽液氨量 F=1 kmol）： 表 液氨中各組分物質(zhì)的量 kmol（ 19 點） 組分 NH3 H2 N2 CH4 Ar 合計 摩爾分數(shù) % % % % % 100% 則得出液體總含量： L=iL?= kmol 出口氣體總含量： V=1－ L= kmol 計算氣液比：??????????????? LVLV 計算誤差 =39。 由式（ ）計算得液氨貯槽出口產(chǎn)品液氨組分含量： 內(nèi)蒙古科技大學(xué)高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 20 表 液氨貯槽出口產(chǎn)品液氨組分含量（ 21點） 組分 NH3 H2 N2 CH4 Ar 合計 摩爾分數(shù) % % % % % 100% 按式（ ）計算得馳放氣組分含量： 表 弛放氣組分含量（ 20 點） 組分 NH3 H2 N2 CH4 Ar 合計 摩爾分數(shù) % % % % % 100% 液氨貯槽物料衡算 以液氨貯槽出口 1t純液氨為基準，折成標準狀況下的氣體體積，以3m為單位計，則 L21=31000 /17 / m kmolkg mol? ?=3m 按式 L21,i=ixL ,2121計算得液氨貯槽中各組分物質(zhì)的量并列入下表： 表 液氨貯槽中各組分體積3m（ 21 點） 組分 NH3 H2 N2 CH4 Ar 體積 按 V/L= 計，則液氨貯槽弛放氣體積 ： V20== 按 V20,i=V20y20,i 計算得弛放氣中各組分體積： 表 弛放氣中各組分體積 （ 20點） 組分 NH3 H2 N2 CH4 Ar 體積 液氨貯槽出口總物料的體積： L21+V20=+= 因此入口總物料也應(yīng)與出口相等： L19=L21+V20 = 入口物料各組分體積按 L19,i=L21,i+V20,i計算得： 表 液氨貯槽入口各組分體積 （ 19點） 組分 NH3 H2 N2 CH4 Ar 體積 總計： L? ??? 7,1919 iLm3L19， = ∑ L19,I=3m 內(nèi)蒙古科技大學(xué)高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 21 入口物料組分核算 由??? 19,19,19 LLx ii計算，計算結(jié)果列入下表： X19,NH3=L19,NH3/L19,=X19,H2=L19,H2/L19,=X19,N2=L19,N2/L19,=X19,CH4=L19,CH54/L19,=X19,AR=L19,AR/L19,=% 表 4 9 液氨貯槽入口各組分摩爾分數(shù)（ 19點） 組分 NH3 H2 N2 CH4 Ar 合計 摩爾分數(shù) % % % % % 100% 結(jié) 果ix,19?與i,19基本相等。 以 1t 產(chǎn)品氨為基準，即等于 折成標準狀況下氣體體積）。則將已知數(shù)據(jù)代入式（ ）和（ ）相加得 ： =+ 式（ ）由式（ ）代入數(shù)化簡得： =+ 式（ ） 式（ ）與式（ ）聯(lián)立可得：1V = V13=3m 再將已知數(shù)據(jù)1V， V13代入式（ ）和式（ ）聯(lián)立解得： V5= V8=3 合成塔進出口物料衡算 1．入塔總物料量： V5 =3m， V5=V6=V7 由 V5,i=V5y5,i計算得合成塔入口各組分的量并列入下表： V5NH3= = V5H2= =