整體鍛焊式氨合成塔工藝計算

1、整體鍛焊式氨合成塔工藝計算1.1 合成原理及典型工藝流程1.1.1 合成原理合成氨生產(chǎn)是以氫氣、氮氣為原料，在一定的溫度與壓 力并有觸媒 (催化劑) 存在的條件下， 直接合成為氨的過程， 其化學(xué)反應(yīng)式為：N2+3H3 ? 2NH3+Q(2-1)這個反應(yīng)是放熱和體積縮小的可逆化學(xué)反應(yīng)。放熱、體 積縮小和可逆是合成氨工藝過程的特性，這個特性影響工藝 操作，也影響合成塔的結(jié)構(gòu)。因此根據(jù)可逆反應(yīng)的特點，必 須選擇一個適宜的操作條件，使在某一化學(xué)平衡的條件下， 生成物氣體中含氨量最多。1.1.2 典型工藝流程氨合成生產(chǎn)的幾種典型工藝流程及特點如下：1不副產(chǎn)蒸汽的氨合成系統(tǒng)流程，如圖2-12副產(chǎn)蒸汽的氨合

2、成系統(tǒng)流程，其特點是在循環(huán)壓縮機前分離液氨，在合成塔后設(shè)置廢熱鍋爐直接產(chǎn)生蒸汽，回 收能量。3一次分離液氨的氨合成系統(tǒng)流程，其特點是在循環(huán) 壓縮機前一次分離液氨，在氨合成塔后設(shè)置鍋爐給水預(yù)熱 器，以回收能量。4兩次分離液氨的氨合成系統(tǒng)流程，其特點是采用兩 次分離液氮的方案。在合成塔后設(shè)置鍋爐給水預(yù)熱器，以回 收能量。新鮮氣在氨冷器之前與循環(huán)氣混化在冷凝分離液氨 的同時，也可以除去混合氣中微量的水分和二氧化碳。5回收能量的組合成系統(tǒng)流程，其特點是利用一部分 氣體的熱能轉(zhuǎn)化為機械能。此外增加壓縮機最后一段缸的氣 量，以提高其效率。從上述流程中可以清楚地看出，氨合成塔工藝參數(shù)的選 擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合

3、理，直接影響到整個合成氨生產(chǎn)能力的 大小和技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)的好壞，而氨合成循環(huán)系統(tǒng)其它設(shè)備能 力的大小，又直接影響了氨合成塔的正常生產(chǎn)和生產(chǎn)能力因此，在設(shè)計氨合成塔時，必須在一定的優(yōu)惠工藝條件 下，連同整個合成系統(tǒng)其它設(shè)備一起考慮，才能達到技術(shù)先 進，經(jīng)濟合理和提高生產(chǎn)能力的目的。放空氣Vi精煉氣液氨圖 2-1 不副產(chǎn)蒸汽的氨合成系統(tǒng)流程本設(shè)計采用不副產(chǎn)蒸汽的氨合成系統(tǒng)流程。1.2 合成塔操作條件與說明操作條件即壓力、溫度、空速、氫氮比、惰性氣體的含 量，初始氨含量等。1壓力。在合成氨反應(yīng)中，反應(yīng)后氣體的體積縮小，因 此就化學(xué)平衡而言，提高壓力，有利于氨的生成。反應(yīng)速度 隨壓力的提高也提高。而且壓

4、力高時，高壓設(shè)備體積可以縮 小，占地面積也小，對于流程可簡化。但壓力過高時，動力 消耗增加，設(shè)備材料要求高，設(shè)備制造困難，造價高。因此 就有個最適宜的操作壓力，也就是在此壓力下操作最經(jīng)濟。本設(shè)計操作壓力為 30MPa 。2溫度。氨合成反應(yīng)是屬于可逆放熱反應(yīng)，溫度升高， 氨的平衡濃度降低，但反應(yīng)速度常數(shù)增加。因此，當(dāng)反應(yīng)物 在一定的條件（即惰性氣體成分、操作壓力、氫氮比等因素 不變時），存在著一個最適宜的溫度，在此溫度下，反應(yīng)速 度最大，氨合成轉(zhuǎn)化綠最大，也就是產(chǎn)量最高最適宜溫度隨轉(zhuǎn)化率而變，其變化關(guān)系稱為最適宜分布曲線。生產(chǎn)操作中希望，觸媒層溫度分布盡可能地靠近最適 宜溫度曲線。通常，我們把進

5、觸媒層的入口溫度稱為“零米 溫度”。同時，把觸煤層的溫度最高的一點，稱為“熱點” 。熱點以下的觸媒層溫度，應(yīng)沿最適宜溫度曲線逐步下降，最 后離開觸媒層。通常是控制出觸媒層的溫度，對于操作壓力 為30MPa，一般控制在470475 C為宜；對于操作壓力為 15MPa，控制在 455465 C。本設(shè)計觸媒層溫度選用 450 C 3空速。氣體與觸媒的接觸時間的長短，通常以空速 表示。即單位時間內(nèi)， 每單位體積觸媒所通過的氣體體積數(shù)。其單位為標(biāo)準(zhǔn)米3氣體/小時米3觸媒，習(xí)慣上簡寫為小時-1當(dāng)壓力、溫度、進塔氣體組成一定時，對于既定結(jié)構(gòu)的氨合成塔，增加空速也就是增快氣體通過觸媒層的速度，縮 短接觸時間使

6、出塔氣中的氨含量降低，即凈值降低。但另一 方面由于觸媒層中對于一定位置的氨平衡濃度與氨含量之 差增大，即反應(yīng)速度相應(yīng)也增大。由于凈值降低的程度比空 間速度的增大倍數(shù)要少，所以增加空速，合成的生產(chǎn)強度也 有所提高。但空速也不能太高，其存在一個最佳值。本設(shè)計以 1000 標(biāo)準(zhǔn)立方米精煉氣為基準(zhǔn)計算。4氫氮比。從化學(xué)反應(yīng)平衡的觀點來看，當(dāng)氫氮比為3時，氨的平衡濃度最大。但從反應(yīng)速度來看，對于不同的氨 濃度，為了達到瞬時的反應(yīng)速度最大，也有一個最適宜的氫 氮比。當(dāng)反應(yīng)過程屬于動力學(xué)控制時，對于反應(yīng)速度最大時的 最適宜氫氮比是隨氣體中氨含量和溫度而變化的。反應(yīng)初 期，也就是氨濃度較低時，如果忽略逆反應(yīng)速

7、度，由反應(yīng)速 度對氫氮比求極大值，可求得此時最適宜的氫氮比為1.5。反應(yīng)后期，也就是氨濃度向平衡濃度接近，此時雖適宜的氫 氮比接近于 3。因此，從理論上講，氫氮比應(yīng)隨反應(yīng)的進行逐漸從 1.5 增加到 3。出于氨合成時氫氮比是按 3 比 1 而消耗的，所以 混合氣中的氫氮比將隨反應(yīng)進行而不斷減小。若要保持氫氮 比不變，勢必在反應(yīng)時不斷補充氫氣，這是工業(yè)生產(chǎn)實際中 很難做到的。為了調(diào)節(jié)方便起見，合成氨廠生產(chǎn)上氫氮比以 維持在 3 左右為宜。本設(shè)計氫氮比按 3 計算。5惰性氣體的含量。惰性氣體來自補充氣。就化學(xué)平 衡而言，惰性氣體對氮含量的影響是雙重的，因為它不但降 低了氫、氮氣的有效分壓，而且沖淡

8、了氨的含量。所以，惰 性氣體含量增加無論對反應(yīng)的平衡和速度都是降低。國外日產(chǎn) l000 噸合成氨廠 CH4Ar 一般控制在 1215% 本設(shè)計入塔氣 Ar+CH 4 含量控制在 15%。6初始氨含量。當(dāng)其他條件一定時，進塔氣體中氨含 量提高，則出塔氣體中氨的含量也隨著提高。但是由于氨濃 度的提高，越接近于平衡濃度，降低了推動力。所以，隨著 進口氨含量的增高，凈值反而降低。經(jīng)分析進塔氣中氨含量 越低，產(chǎn)量越高，循環(huán)氣電耗低。對國內(nèi)目前大多數(shù)生產(chǎn)廠是采用冷凍法來分離液氨，其 進塔氣中氨含量受冷凝溫度的限制，要維持較低氨含量，必 須消耗大量冷凍量， 在經(jīng)濟上是不合算的。 對操作壓力為 300 公斤

9、/厘米 2，進塔氨含量控制在 3.23.8%；對操作壓力 150 公斤 /厘米 2，進塔氨含量控制在 1.83.2%；國外日產(chǎn) 1000 噸合成氨廠，操作壓力 150 公斤/厘米 2，進塔氨含量控制在 1.01.2%。本設(shè)計初始氨含量為 4.0% 。 故合成塔設(shè)計條件為：1.給定：2002設(shè)計（論文）的原始數(shù)據(jù)：新鮮氣： CH4： 0.70%；入塔氣： NH3： 4.0%，Ar+CH 4： 15%，30 C出塔氣：NH3: 17% ;出水冷卻器溫度：35C ；設(shè)計壓力：32MPa;觸媒：自選1.3 物料衡算1.3.1 計算依據(jù)合成氨生產(chǎn)過程的物料衡算同其他化學(xué)生產(chǎn)過程的物 料衡算一樣，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，通過計算求得加入個設(shè)備 和離開個設(shè)備的物料個組分的成份、重量和體積物料衡算根據(jù)下列公式:XG入=XG出+XG損式中：EG入一輸入物料量總和;EG出一輸出物料量總和;Eg損物料損失量總和。132物料衡算計算基準(zhǔn)：1000標(biāo)準(zhǔn)立方米精煉氣。131.