年產(chǎn)五萬噸合成氨合成工段工藝的設(shè)計說明

1、目錄中文摘要1英文摘要21 引言31.1 氨的基本用途31.2 合成氨技術(shù)的發(fā)展趨勢41.3 合成氨常見工藝方法41.3.1 高壓法51.3.2 中壓法51.3.3 低壓法51.4 設(shè)計條件51.5 物料流程示意圖62 物料衡算82.1 合成塔入口氣組成82.2 合成塔出口氣組成82.3 合成率計算92.4 氨分離器出口氣液組成計算102.5 冷交換器分離出的液體組成132.6 液氨貯槽馳放氣和液相組成的計算132.7 液氨貯槽物料衡算152.8 合成循環(huán)回路總物料衡算173 能量衡算283.1 合成塔能量衡算283.2廢熱鍋爐能量衡算303.3 熱交換器能量衡算313.4 軟水預(yù)熱器能量衡算

2、323.5 水冷卻器和氨分離器能量衡算333.6 循環(huán)壓縮機能量衡算353.7 冷交換器與氨冷器能量衡算363.8 合成全系統(tǒng)能量平衡匯總384 設(shè)備選型與管道計算404.1 管道計算404.2 設(shè)備選型42結(jié)論43致44參考文獻45年產(chǎn)五萬噸合成氨合成工段工藝設(shè)計摘要：本次課程設(shè)計任務(wù)為年產(chǎn)五萬噸合成氨工廠合成工段的工藝設(shè)計，氨合成工藝流程一般包括分離和再循環(huán)、氨的合成、惰性氣體排放等基本步驟，上述基本步驟組合成為氨合成循環(huán)反應(yīng)的工藝流程。其中氨合成工段是合成氨工藝的中心環(huán)節(jié)。新鮮原料氣的摩爾分數(shù)組成如下：H2 73.25%，N2 25.59%， CH4 1.65%,Ar 0.51%合成操作

3、壓力為31MPa，合成塔入口氣的組成為NH3(3.0%),CH4+Ar(15.5%),要求合成塔出口氣中氨的摩爾分數(shù)達到17%。通過查閱相關(guān)文獻和資料，設(shè)計了年產(chǎn)五萬噸合成氨廠合成工段的工藝流程，并借助CAD技術(shù)繪制了該工藝的管道與儀表流程圖和設(shè)備布置圖。最后對該工藝流程進行了物料衡算、能量衡算，并根據(jù)設(shè)計任務(wù)與操作溫度、壓力按相關(guān)標準對工藝管道的尺寸和材質(zhì)進行了選擇。關(guān)鍵詞：物料衡算，氨合成，能量衡算The Design of 50kt/a Synthetic Ammonia ProcessAbstract:There are  many types of Ammonia synt

4、hesis technology and process, Generally,they includes ammonia synthesis, separation and recycling, inert gases Emissions and other basic steps, Combining the above basic stepsturnning into the ammonia synthesis reaction and recycling process , in which ammonia synthesis section is the central part o

5、f a synthetic ammonia process.The task of curriculum design is the ammonia synthesis section of an annual fifty thousand tons synthetic ammonia plant . The composition of fresh feed gas is: H2(73.77%),N2(24.56%),CH4(1.27%),Ar(0.4%), the temperature is 35, the operating pressure is 31MPa, the inlet g

6、as composition of the Reactor is : NH3(3.0%),CH4+Ar(15.7%),it Requires the mole fraction of ammonia reacheds to 16.8% of outlet gas of synthesis reactor. By consulting the relevant literature and information,we designed the ammonia synthesis section of an annual fifty thousand tons synthetic ammonia

7、 plant, with the help of CAD technology,we designed piping and instrument diagram and equipment layout. Finally,we did the material balance accounting ,and the energy balanceaccounting of the process, also we selected piping size and material according to the design operation of temperature, pressur

8、e and relevant standards .Keywords:ammonia synthesis section material balance accounting energy balanceaccounting1 引言1.1 氨的基本用途氨是基本化工產(chǎn)品之一，用途很廣?；适寝r(nóng)業(yè)的主要肥料，而其中的氮肥又是農(nóng)業(yè)上應(yīng)用最廣泛的一種化學(xué)肥料，其生產(chǎn)規(guī)模、技術(shù)裝備水平、產(chǎn)品數(shù)量，都居于化肥工業(yè)之首，在國民經(jīng)濟中占有極其重要的地位。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)展標志著氮肥工業(yè)的水平。以氨為主要原料可以制造尿素、硝酸銨、碳酸氫銨、硫酸銨、氯化銨等氮素肥料。還可

9、以將氨加工制成各種含氮復(fù)料。此外，液氨本身就是一種高效氮素肥料，可以直接施用，一些國家已大量使用液氨。可見，合成氨工業(yè)是氮肥工業(yè)的基礎(chǔ)，對農(nóng)業(yè)增產(chǎn)起著重要的作用。我國的氮肥工業(yè)自20世紀50年代以來, 不斷發(fā)展壯大, 目前合成氨產(chǎn)量已躍居世界第一位, 現(xiàn)已掌握了以焦炭、無煙煤、焦爐氣、天然氣與油田伴生氣和液態(tài)烴多種原料生產(chǎn)合成氨、尿素的技術(shù), 形成了特有的煤、石油、天然氣原料并存和大、中、小生產(chǎn)規(guī)模并存的生產(chǎn)格局。目前我國合成氨氮肥廠有大中小型氮肥裝置近千個, 大型氮肥裝置重復(fù)引進32 套, 國產(chǎn)化裝置超過20套, 中型裝置近百套, 小型裝置約600 套, 合成氨生產(chǎn)能力達到4500萬t /a

10、。氮肥工業(yè)已基本滿足了國需求, 在與國際接軌后, 具備與國際合成氨產(chǎn)品競爭的能力, 今后發(fā)展重點是調(diào)整原料和產(chǎn)品結(jié)構(gòu), 進一步改善經(jīng)濟性。只有通過科技進步對經(jīng)濟增長的貢獻率來實現(xiàn), 這也是今后發(fā)展合成氨氮肥工業(yè)新的增長點。合成氨工業(yè)是氮肥工業(yè)的基礎(chǔ), 在國民經(jīng)濟中占有重要的地位。我國大多數(shù)合成氨企業(yè)的煤制氣技術(shù)沿用固定床水煤氣爐, 爐型老化、技術(shù)落后、能源利用率低、原料價格高, 是當(dāng)前急需進行技術(shù)改造的重點。目前合成氨工業(yè)的發(fā)展方向是優(yōu)化原料路線, 實現(xiàn)制氨原料的多元化, 引進先進的煤氣化工藝制取合成氣, 降低產(chǎn)品成本, 改善生產(chǎn)環(huán)境; 同時研究開發(fā)簡單可行, 又可就地取得原料制取合成氣的潔凈

11、煤氣化技術(shù), 這也是我國目前占氮肥生產(chǎn)總量60% 左右的中小型氮肥廠亟待要解決的問題。在這種背景下，該項目以“年產(chǎn)5萬噸合成氨合成工段工藝設(shè)計”為設(shè)計課題，對合成氨合成工段的各種工藝條件和設(shè)備選型等進行深入的研究。1.2 合成氨技術(shù)的發(fā)展趨勢由于石油價格的飛漲和深加工技術(shù)的進步,以“天然氣、輕油、重油、煤”作為合成氨原料結(jié)構(gòu)、并以天然氣為主體的格局有了很大的變化?；谘b置經(jīng)濟性考慮,“輕油”和“重油”型合成氨裝置已經(jīng)不具備市場競爭能力, 絕大多數(shù)裝置目前已經(jīng)停車或進行以結(jié)構(gòu)調(diào)整為核心容的技術(shù)改造。其結(jié)構(gòu)調(diào)整包括原料結(jié)構(gòu)、品質(zhì)構(gòu)調(diào)整。由于煤的儲量約為天然氣與石油儲量總和的10倍,以煤為原料制氨等

12、煤化工與其相關(guān)技術(shù)的開發(fā)再度成為世界技術(shù)開發(fā)的熱點, 煤有可能在未來的合成氨裝置原料份額中再次占舉足輕重的地位, 形成與天然氣共為原料主體的格局。根據(jù)合成氨技術(shù)發(fā)展的情況分析, 估計未來合成氨的基本生產(chǎn)原理將不會出現(xiàn)原則性的改變, 其技術(shù)發(fā)展將會繼續(xù)緊密圍繞“降低生產(chǎn)成本、提高運行周期, 改善經(jīng)濟性”的基本目標,進一步集中在“大型化、低能耗、結(jié)構(gòu)調(diào)整、清潔生產(chǎn)、長周期運行”等方面進行技術(shù)的研究開發(fā)。大型化、集成化、自動化, 形成經(jīng)濟規(guī)模的生產(chǎn)中心、低能耗與環(huán)境更友好將是未來合成氨裝置的主流發(fā)展方向。在合成氨裝置大型化的技術(shù)開發(fā)過程中, 其焦點主要集中在關(guān)鍵性的工序和設(shè)備, 即合成氣制備、合成氣

13、凈化、氨合成技術(shù)、合成氣壓縮機。在低能耗合成氨裝置的技術(shù)開發(fā)過程中, 其主要工藝技術(shù)將會進一步發(fā)展。第一,以“油改氣”和“油改煤”為核心的原料結(jié)構(gòu)調(diào)整和以“多聯(lián)產(chǎn)和再加工”為核心的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整, 是合成氨裝置“改善經(jīng)濟性、增強競爭力”的有效途徑。第二,實施與環(huán)境友好的清潔生產(chǎn)是未來合成氨裝置的必然和惟一的選擇。生產(chǎn)過程中不生成或很少生成副產(chǎn)物、廢物, 實現(xiàn)或接近“零排放”的清潔生產(chǎn)技術(shù)將日趨成熟和不斷完善。第三,提高生產(chǎn)運轉(zhuǎn)的可靠性, 延長運行周期是未來合成氨裝置“改善經(jīng)濟性、增強競爭力”的必要保證。有利于“提高裝置生產(chǎn)運轉(zhuǎn)率、延長運行周期”的技術(shù), 包括工藝優(yōu)化技術(shù)、先進控制技術(shù)等將越來越受

14、到重視。1.3 合成氨常見工藝方法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。對于合成系統(tǒng)來說，液體氨即是它的產(chǎn)品。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。1.3.1 高壓法操作壓力70100MPa，溫度為550650。這種方法的主要優(yōu)點是氨合成效率高，混合氣中的氨易被分離。故流程、設(shè)備都比較緊湊。但因為合成效率高，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。又因為是高溫高壓操作，對設(shè)備制造、材質(zhì)要求都較高，投資費用大。目前工業(yè)上很少采用此法生產(chǎn)。1.3.2 中壓法操作壓力為2060MPa，溫度45

15、0550，其優(yōu)缺點介于高壓法與低壓法之間，目前此法技術(shù)比較成熟，經(jīng)濟性比較好。因為合成壓力的確定，不外乎從設(shè)備投資和壓縮功耗這兩方面來考慮。從動力消耗看，合成系統(tǒng)的功耗占全廠總功耗的比重最大。但功耗決不但取決于壓力一項，還要看其它工藝指標和流程的布置情況。總的來看，在1530Pa的圍，功耗的差別是不大的，因此世界上采用此法的很多。1.3.3 低壓法操作壓力10MPa左右，溫度400450。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。但此法所用催化劑對毒物很敏感，易中毒，使用壽命短，因此對原料氣的精制純度要求嚴格。又因操作壓力低，氨的合成效率低，分離

16、較困難，流程復(fù)雜。實際工業(yè)生產(chǎn)上此法已不采用了。合成氨工藝流程大概可以分為：原料氣的制備；原料氣的凈化；氣體壓縮和氨的合成四大部分。1.4 設(shè)計條件(1)生產(chǎn)能力：液氨產(chǎn)量為50kt/a。(2)新鮮氮氫氣組成如下表：組成H2N2CH4Ar合計摩爾分數(shù)/%73.2524.591.650.51100(3)合成塔入口氣：yNH3 為3.0%，yCH4+Ar為15.5%。(4)合成塔出口氣： 為17%。(5)合成操作壓力：31MPa。(6)新鮮氣溫度：35。(7)其他部位的溫度和壓力，見流程圖。(8)水冷卻器的冷卻器溫度：25。(9)以下各項再計算中，有些部位略去不計。(i)溶解液氨中的氣體量；(ii

17、)部分設(shè)備和管道的阻力；(iii)部分設(shè)備和管道的熱損失。1.5 物料流程示意圖流程簡介：在油分離器出口的循環(huán)氣中補充從凈化工序送來的新鮮氮氫氣，進入冷交換器和氨冷器進一步冷卻，使其中的氨氣絕大部分被冷凝分離出去。循環(huán)氣進入合成塔，進塔走塔間隙，溫度稍升高，引出到外部熱交換器再次升高溫度。第二次入合成塔，經(jīng)塔熱交換器加熱并在催化作用下發(fā)生合成反應(yīng)，溫度升高出塔后一次經(jīng)廢熱鍋爐、熱交換器和軟水預(yù)熱器回收熱量，然后再經(jīng)水冷卻器冷卻，使氣體中部分氨液化，進到氨分離器分離出液氨。氣體則進入循環(huán)壓縮機補充壓力形成循環(huán)回路。在油分離器出口補充了新鮮氮氫氣入冷交換器。從冷交換器中的氨分離器分離出的液氨與由氨

18、分離器分出的液氨匯合入液氨貯槽。由于液氨貯槽壓力降低，則溶于液氨的氣體和部分氨被閃蒸出來，即所謂馳放氣送出另外處理。另外為限制循環(huán)氣中惰氣含量的積累，使其濃度不致于過高，故在氨分離器后放出一部分循環(huán)氣，成為放空氣。從整個系統(tǒng)而言，進入系統(tǒng)的是新鮮氮氫氣，離開系統(tǒng)的是產(chǎn)品液氨、馳放氣、和空氣。圖1.1 氨合成工序物料流程示意圖1新鮮氮氣；12放空氣；20馳放氣；21產(chǎn)品液氨為計算方便起見，在流程圖中各不同部位的物料，用數(shù)字編號表示。2 物料衡算以1t氨為基準。2.1 合成塔入口氣組成(摩爾分數(shù))(3點)已知入口氣的NH3和CH4+Ar濃度，并假定氫與氮的比例為3。因此NH3: y3,NH3=3%

19、 (已知)H2: y3,H2=100-3+15.5×34×100%=61.125%N2: y3,N2=100-3+15.5×14×100%=20.375%CH4: y3,CH4=15.5%×1.65 1.65+0.51=11.814%Ar: y3,Ar=15.5×0.511.65+0.51=3.686%入塔氣組成列入下表(包括3,4,5點)組分NH3H2N2CH4Ar合計摩爾分數(shù)/%3.00061.12520.37511.8143.6861002.2 合成塔出口氣組成(6點)假定入塔器為100kmol,列方程求解。氨生成量：根據(jù)反應(yīng)式

20、，在合成塔，氣體總物質(zhì)的量的減少，應(yīng)等于生成氨的物質(zhì)的量。因此可寫成聯(lián)立方程：生成的氨的物質(zhì)的量nNH3=n6y6,NH3-n3y3,NH3 (1) 總物質(zhì)的量的減少量nNH3=n3-n6(2)聯(lián)立解出nNH3=n6(y6,NH3 y3,NH3)1 + y3,NH3或nNH3=n3(y6,NH3-y3,NH3)1+y6,NH3式中：nNH3-合成塔中生成的氨，kmol n3-入口氣總物質(zhì)的量，kmol n6-出口氣總物質(zhì)的量，kmol y3,NH3-合成塔入口氨摩爾分數(shù) y6,NH3-合成塔出口氨摩爾分數(shù)將已知數(shù)據(jù)代入，則nNH3=n3(y6,NH3-y3,NH3)1+y6,NH3=100km

21、ol×(0.17-0.03)1+0.17=11.9658kmol出塔氣總物質(zhì)的量n6=n3-nNH3=100kmol-11.9658kmol=88.0342kmol所以出塔氣組成(6點)NH3: y6,NH3=17.00%(已知)H2: y6,H2=34100-3-15.5-2×11.9658kmol88.0342kmol×100%=49.045%CH4: y6,CH4=100kmol×11.814%88.0342kmol=13.420%N2: y6,N2=13y6,H2=16.348%Ar: y6,Ar=100kmol×3.686%88.03

22、42kmol=4.187%出塔氣組成列入下表(包括6,7,8,9,10點)組成NH3H2N2CH4Ar合計摩爾分數(shù)/%17.00049.04516.34813.4204.1871002.3 合成率計算反應(yīng)掉的N2，H2與入塔氣中的N2，H2氣之比。按下式計算。合成率 =2nNH3n3(1-y3,NH3-y3,CH4-y3,Ar)=2×11.9658kmol100kmol×(1-0.03-0.11814-0.03686)×100%=29.364%2.4 氨分離器出口氣液組成計算FFiV,yiL,xi設(shè)合成反應(yīng)后在水冷器部分氨被液化，氣液已達到相平衡。進入氨分離器的物

23、料為氣液混合物，物量為F，物料組成為F1；分離器出口氣相組分為yi，氣量為V;分離器出口液相組分為xi，液量為L。已知進口物料組成Fi,即合成出口氣組成，前已求出。假定F=1kmol對于每個組分的物料平衡：FFi=Vyi+Lxi=Fi (1)根據(jù)氣液平衡關(guān)系yi=mixi (2)式中：mi為各組分的相平衡常數(shù)。把式(2)代入式(1)得FiLxi=VLmi+1或Lxi=FiVLmi+1=Li (3)式中：Li為液相中各組分的量?？傄毫?L=Li (4)液體組分的摩爾分數(shù)xi=LiL (5)氣體總量 V=F-L=1-L (6)氣體組分含量，按(2)式y(tǒng)i=ViV=Fi-LiV (7)對以上各式求解

24、，需用試差法，現(xiàn)采用直接迭代法進行計算。已知分離器入口氣液混合物組成Fi即6點值。組分FNH3FH2FN2FCH4FAr合計摩爾分數(shù)0.170.49050.163480.134200.041871查t=35，p=30MPa下各組分的相平衡常數(shù)(mi)mNH3mH2mN2mCH4mAr0.1127.534.58.238先設(shè)R=VL=12，假定入口氣液混合物量F=1kmol并假定0.001。以VL=12 代入式(3)計算，計算結(jié)果如下。液相中各組分的量：LNH3=0.07328kmolLH2=0.001482kmolLN2=0.0003949kmolLCH4=0.001350kmolLAr=0.0

25、0009162kmol液相總量： L=Li=0.07660kmol分離后氣相總量：V=F-L=1-0.07660=0.9234kmol計算氣液比：VL'=VL=0.9234kmol0.07660kmol=12.055誤差=VL-VL'VL=12.055-1212=4.6%0.001 設(shè)R=VL=12.055，計算得VL'=12.089誤差=VL-VL'VL=0.007383>0.001設(shè)R=VL=12.089，計算得VL'=12.113誤差=VL-VL'VL=0.00198>0.001設(shè)R=VL=12.113，計算得VL'=1

26、2.127誤差=VL-VL'VL=0.001156>0.001以VL=12.127 代入式(3)計算，計算結(jié)果如下：LNH3=0.07284kmolLH2=0.001466kmolLN2=0.0003898kmolLCH4=0.001336kmolLAr=0.00009066kmol計算得VL'=12.139 誤差=VL-VL'VL=0.0009895<0.001在允許圍之，假定值可以認定VL=12.127。液體組成(摩爾分數(shù))：按xi=LiL計算，計算結(jié)果列入下表：表2.1 氨分離器出口液體組成(17點)組成NH3H2N2CH4Ar合計摩爾分數(shù)/%95.6

27、818%1.9259%0.5121%1.7551%0.1191%100.000分離后氣體組成：yi=Fi-LiV計算NH3: yNH3=FNH3-LiV=0.17-0.072840.92388×100%=10.5177%同法計算其他組分，結(jié)果列入下表。表2.2 氨分離器出口氣體組成(11,12,13,14,15點)組成NH3H2N2CH4Ar合計摩爾分數(shù)/%10.5177%52.9172%17.6528%14.3810%4.5222%100.000V=0.92388kmol L=0.07612kmol2.5 冷交換器分離出的液體組成(18點) 由于從氨分離器出口氣經(jīng)循環(huán)機和油分離器后

28、進入冷交換器系統(tǒng)，此前已有部分氣體放空并補充了新鮮氣，因此氣量和其組成均發(fā)生了變化。而冷交換器出口氣即是合成塔入口氣，其組成已在前面算出。因此在冷交換器中的氨分離器分離出的液氨，應(yīng)與出口氣成平衡，由氣液平衡關(guān)系可以求出。其關(guān)系式為yi=mixi從手冊差得在操作條件下(t=-4.5，p=30MPa)的相平衡常數(shù)mi如下表：mNH3mH2mN2mCH4mAr0.030570752540冷交換器出口液體組成，根據(jù)yi=mixi計算。計算結(jié)果列入下表(18點)：組成NH3H2N2CH4Ar合計摩爾分數(shù)0.983610.008730.002720.004730.000112.6 液氨貯槽馳放氣和液相組成

29、的計算L17,x17,i17L18,x18,i18X19,i19V,yi20L,xi21氨分離器出口液氧(17點)與冷交換器的氨分出口液氨(18點)匯合于貯槽(19點) 由于減壓，溶在液氨中的氣體會解析出來和部分氧的蒸發(fā)氣形成弛放氣。水冷后的氨分離囂分離的液氨占總量的摩爾分數(shù)G可由下式計算：G=1+y3,NH3(y6,NH3-y11,NH3)(y6,NH3-y3,NH3)1-y11,NH3×100%代入已知數(shù)據(jù)：y3,NH3=0.03，y6,NH3=0.17，y11,NH3=0.105178G=1+0.03(0.17-0.105178)0.17-0.03(1-0.105178)

30、15;100%=53.295%53.3%取G=53.3%則氨分離器的分離液氨占53.3%，冷交換器分離液氨占46.7%。根據(jù)物料衡算按下式計算混合后液氨組成。x19,i=0.533x17,i+0.467x18,i計算結(jié)果列入下表(19點)組成NH3H2N2CH4Ar合計摩爾分數(shù)/%96.936%1.434%0.400%1.156%0.068%100.000根據(jù)氨貯槽的壓力t=20，p=2.1MPa差得氣液平衡常數(shù)，如下表mNH3mH2mN2mCH4mAr0.598575620170540在液氨貯槽中，類似于閃蒸過程，仍按氨分離器的計算方法，假定一個V/L初值，經(jīng)過試差，求得計算結(jié)果，如下表?，F(xiàn)

31、按試差最后的V/L值，具體計算如下。設(shè)VL=0.079代入下式。(假定入槽液量F=1kmol)Li=FiVLmi+1則液氨中各組分的物質(zhì)的量：NH3:LNH3=0.92567kmolH2:LH2=0.00030889kmolN2:LN2=0.000080032kmolCH4:LCH4=0.00080111kmolAr:LAr=0.000015575kmolL=Li=0.92687kmol V=0.7313VL'=VL=0.7313kmol0.92687kmol=0.0789 誤差=VL-VL'VL=0.00127>0.001以VL=0.0789 代入式(3)計算，計算結(jié)果

32、如下：LNH3=0.92567kmolLH2=0.0030927kmolLN2=0.000080131kmolLCH4=0.00080205kmolLAr=0.000015594kmolL=Li=0.92688kmolV=F-L=1-0.92688=0.07312kmol計算得VL'=0.0788888 誤差=VL-VL'VL=0.0002535<0.001在允許圍之，假定值可以認定VL=0.0788880.0789。液體組成(摩爾分數(shù))：按xi=LiL×100%計算。NH3:xNH3=LNH3L=0.925670.92688=99.871%其它組分計算結(jié)果列入

33、下表(21點，產(chǎn)品液氨組成)組成NH3H2N2CH4Ar合計摩爾分數(shù)/%99.879%0.033%0.009%0.087%0.002%100.000馳放氣氣體組成：yi=Fi-LiV×100%計算NH3: yNH3=FNH3-LNH3V=0.96936-0.925670.07312×100%=59.751%其它組分計算結(jié)果列入下表(20點，馳放氣組成)組成NH3H2N2CH4Ar合計摩爾分數(shù)/%59.751%19.188%5.361%14.713%0.908%100.0002.7 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m3為單位計，則L

34、21=1000kg×22.4m3kmol17kgkmol×0.99879=1319.2433m3其中各組分的體積，按L21,i=L21x21,iNH3: L21,NH3=1319.2433×99.879%=1317.6471m3H2: L21,H2=1319.2433×0.033%=0.4353m3N2: L21,N2=1319.2433×0.009%=0.1187m3CH4: L21,CH4=1319.2433×0.087%=1.1477m3yeAr: L21,Ar=1319.2433×0.002%=0.0264m3液氨貯

35、槽馳放氣體積，按VL=0.0789計，則馳放氣體積：V20=0.0789L21=0.0789×1319.2433=104.0883m3NH3: V20,NH3=104.0883×59.751%=62.1938m3H2: V20,H2=104.0883×19.188%=19.9725m3N2: V20,N2=104.0883×5.361%=5.5802m3CH4: V20,CH4=104.0883×14.713%=15.3145m3Ar: V20,Ar=104.0883×0.908%=0.9451m3液氨貯槽出口總物料體積：L21+V2

36、0=1319.2433+104.0883=1423.3316m3因此入口總物料也應(yīng)與出口相等：L19=L21+V20=1423.3316m3入口物料各組分體積按L19,i=L21,i+V20,i計算，結(jié)果為：NH3: L19,NH3=1379.8409m3H2: L19,H2=20.4078m3N2: L19,N2=5.6989m3CH4: L19,CH4=16.4622m3Ar: L19,Ar=0.9715m3L19'=Li=1423.3813m3由x19,i'=L19,iL19'計算，計算結(jié)果列入下表：組成NH3H2N2CH4Ar合計摩爾分數(shù)/%96.942%1.4

37、32%0.400%1.157%0.069%100.000結(jié)果與x19,i基本一樣。2.8 合成循環(huán)回路總物料衡算(各個部位物料量)(1)對整個回路做衡算，可求出補充新鮮氣量V1，放空氣量V12，一級合成塔進氣量V3和出氣量V6。合成循環(huán)回路可簡化如下示意圖。補充氣 V補=V1放空氣 V放=V12馳放氣V馳=V20V入=V3產(chǎn)品液氨L21V出=V6合成塔貯槽圖2.1 合成循環(huán)回路簡圖以1t產(chǎn)品氨為基準，即等于1319.2433m3(液氨折成標準狀況下氣體體積)。為方便計算，把前已算得已知數(shù)據(jù)列入下表：名稱NH3H2N2CH4Ar氣量/m3補充氣100.73250.24590.01650.0051

38、V1放空氣120.105180.529270.176530.143800.04522V12馳放氣200.597510.191880.053610.147130.009451104.0883產(chǎn)品液氨210.998790.000330.000090.000870.000021319.2433合成塔入口30.030000.611250.203750.118140.03686V3合成塔出口60.170000.490450.163480.134200.04187V6(2)首先列出以下元素平衡和總物料平衡方程(式中液氨忽略溶解物，以100% NH3計)氫平衡：以體積量計算(下同)V1y1,H2=V12y1

39、2,H2+32V12y12,NH3+V20y20,H2+32V20y20,NH3+32L21 (1)氮平衡：V1y1,N2=V12y12,N2+12V12y12,NH3+V20y20,H2+12V20y20,NH3+12L21 (2)惰氣平衡：V1(y1,CH4+y1,Ar)=V12(y12,CH4+y12,Ar)+V20(y20,CH4+y20,Ar) (3)氨平衡：合成塔生成的氨應(yīng)等于排出的氨V6y6,NH3-V3y3,NH3=V12y12,NH3+V20y20,NH3+y20,Ar (4)總物料平衡：合成反應(yīng)后進出口氣體體積減少了V3- V6v1=v12+v20+L21+(v3-v6)

40、(5)把式(1)與式(2)合并，將已知數(shù)據(jù)代入式(1)與式(2)式(1)：0.7325V1=0.52927+32×0.10518V12+104.0833×0.19188×32×0.59751+32×1319.2433=0.68704V12+2092.12811m3 (1)式(2)：0.2459V1=(0.17653+12×0.10518)V12+104.0833×0.05361×12×0.59751+32×1319.2433=0.22192V12+696.29922m3 (2)式(1)加式(2)

41、得： 0.9784=0.91616V12+2788.42733m3 (6)數(shù)據(jù)代入式(3)得： 0.0216V1=0.1890V12+16.29815m3 (3)將式(3)與式(6)聯(lián)立解得：V1=3100.96430m3V12=268.13382m3將已知數(shù)據(jù)V1和V12的值代入式(4)與式(5)。式(4)： 0.17V6-0.03V3=268.13382m3×0.10518+104.08833m3×0.59751+1319.2433m30.17V6-0.03V3=1409.63942m3 (4)式(5)：3100.96430m3=268.13382m3+104.0883

42、3m3+1319.2433m3+V3-V6V3-V6=1409.49888m3 (5)(4)與(5)聯(lián)立解得：V3=11176.31641m3V6=9766.81753m3(3)合成塔進出口物料量(各組分的量)a. 入塔總物料量： V3=11176.31641m3V3=V4=V5=11176.31641m3其中各組分的量按照V3,i=V3,y3,i計算。NH3:V3,NH3=335.28949m3H2: V3,H2=6831.52341m3N2: V3,N2=2277.17447m3CH4: V3,CH4=1320.37002m3Ar: V3,Ar=411.84844m3b. 出塔總物料量，V

43、6=9766.81753m3其中各組分量按照V6,i=V6,y6,i計算。NH3:V6,NH3=1660.35898m3H2: V6,H2=4790.13566m3N2: V6,N2=1596.67933m3CH4: V6,CH4=1310.70691m3Ar: V6,Ar=408.93665m3(4)廢熱鍋爐出口，熱交換器出口和軟水預(yù)熱器出口物料，組成未發(fā)生變化與合成出口一樣，即V6=V7=V8=V9=9766.81753m3(5)水冷卻器和氨分離器物料量a水冷卻器入口氣即軟水預(yù)熱器出口氣V9。水冷卻器出口總物料未發(fā)生變化。由于有部分氨被液化，出口物料實際為氣液混合物。其總量和總組成與入口完

44、全一致。即V10=V9=9766.81753m3經(jīng)氨分離器后，分為氣相和液相兩股物料。即V10=V11+L17(Ll7量暫以氣體體積計)按前面氨分器氣液平衡算得氣液比： V11L17=R=12.127和 V10=V11+L17=9766.81753m3由以上兩式可以解得V11=9022.79243m3L17=744.02510m3L17換算成質(zhì)量 L17=744.02510×1722.4=564.66191kgb. 氨分離器出口氣體組分的體積，按V11,i=V11y11,i計算。NH3:V11,NH3=V11y11,NH3=9022.79243×0.105177=948.9

45、9024m3H2: V11,H2=4745.51140m3N2: V11,N2=1592.77550m3CH4: V11,CH4=1297.56778m3Ar: V11,Ar=408.0287m3氨分離器出口液體組分的量，按L17,i=L17x17,i計算。NH3: L17,NH3=711.89661m3H2: L17,H2=14.32918m3N2: L17,N2=3.81015m3CH4: L17,CH4=17.05838m3Ar: L17,Ar=0.88613m3(6)循環(huán)機入口V13和出口V14：由流程圖上表明進入循環(huán)機之前，有放空氣放出。所以 V13=V14=V11-V12=9022

46、.79243-268.13382=8754.65861m3其中各組分的量按照V13,i=V13y13,i計算。NH3:V13,NH3=920.26345m3H2: V13,H2=4633.59567m3N2: V13,N2=1545.44238m3CH4: V13,CH4=1259.00746m3Ar: V13,Ar=395.90317m3放空氣中各組分的量：按V12,i=V12y12,i計算。NH3:V12,NH3=28.20151m3H2: V12,H2=141.91572m3N2: V12,N2=47.33313m3CH4: V12,CH4=38.56032m3Ar: V12,Ar=12

47、.12501m3(7)冷交換器進出口物料a. 進氣量：V2=循環(huán)機出口加上補充氣的量 即V2=V14+V1=3100.96430+8754.65861=11855.62291m3b. 補充氣中各組分的量：按V1,i=V1y1,i計算。NH3:V1,NH3=0m3H2: V1,H2=2271.45635m3N2: V1,N2=762.52712m3CH4: V1,CH4=51.16591m3Ar: V1,Ar=15.81492m3c. 冷交換器入口氣體各組分的量：按V2,i=V14,i+V1,i計算。NH3:V2,NH3=920.26345m3H2: V2,H2=6905.05202m3N2:

48、V2,N2=2307.96950m3CH4: V2,CH4=1310.17337m3Ar: V2,Ar=411.71809m3d. 冷交換器入口氣體組成(2點)：按照y2,i=V2,iV2計算。NH3： y2,NH3=V2,NH3V2=920.26345m3 11855.62291m3 =0.07765其他組分的計算結(jié)果如下表(2點)組成NH3H2N2CH4Ar合計摩爾分數(shù)0.007650.582430.194670.110520.034731.000e. 冷交換器出口氣體的量V3V3=合成塔入口氣體的量=11176.31641m3其中各組分的量按V3,i=V3y3,i計算。NH3:V3,NH

49、3=335.28949m3H2: V3,H2=6831.52341m3N2: V3,N2=2277.17447m3CH4: V3,CH4=120.37002m3Ar: V3,Ar=411.95902m3f. 冷交換器出口液氨的量：它是進出口氣體體積之差。L18=V2-V3=11855.62291-11176.31641=679.30650m3其中分組分的量按L18,i=L18x18,i計算。NH3: L18,NH3=668.17267m3H2: L18,H2=5.93035m3N2: L18,N2=1.84771m3CH4: L18,CH4=3.21312m3Ar: L18,Ar=0.0379

50、3m3g. 液氨貯槽物料衡算(均以標準狀況下氣體體積計)進入貯槽的液氨量：L19=L17+L18=1423.33160m3貯槽中排除產(chǎn)品液氨的量：L21=L19-V20=1423.33160m3-104.0883m3=1319.2411m3(標準狀況)結(jié)果與計算基準基本一致。(8)物料衡算結(jié)果匯總?cè)缦拢?以下物料量均在標準狀況下，按1t,NH3計算。)補充新鮮氣(1點) V1=3100.9643m3氨冷器入口氣(2點) V2=11855.6229m3合成塔進出口(3,4,5點) V3=V4=V5=11176.3164m3合成塔出口(6,7,8,9點) V6=V7=V8=V9=9766.8175

51、m3水冷卻器出口(10點)(氣液混合，以氣體計) V10=9766.8175m3氨分離器出口氣體(11點) V11=9022.7924m3放空氣(12點) V12=268.1338m3循環(huán)壓縮機進出口氣(13,14點) V13=V14=8754.6586m3氨冷器進出口(15,16點)(氣液混合) V15=V16=11855.6229m3氨分離器液體出口(17點) L17=744.0251m3冷交換器液體出口(18點) L18=679.3065m3兩股液氨合并(19點) L19=1423.3316m3馳放氣(20點) V20=104.0883m3產(chǎn)品液氨(21點) L21=1319.3887m

52、3 (9)各部位的物料組成和數(shù)量，分別列表如下。其中把以1t氨為基準的量，這算為按生產(chǎn)量每小時的氨產(chǎn)量為6.625t的體積(m3/h)和其物質(zhì)的量(kmol/h)作為能量衡算依據(jù)。表2.3 合成塔一次入(3點)，一次出(4點)，二次入(5點)組成摩爾分數(shù)/%m3/t NH3m3/hkmol/hNH33335.28952221.292999.1649H261.1256831.523445258.84252020.4840N220.3752277.174515086.2808673.4947CH411.8141320.37008747.4514390.5112Ar3.686411.95902729.2285121.840610011176.316474043.09623305.4954表2.4 合成塔出口(6點和7,8,9，10點)組成摩爾分數(shù)/%m3/t NH3m3/hkmol/hNH317.0001660.359010999.87824