年產(chǎn)30萬噸合成氨工藝合成工段設(shè)計

PAGE48PAGE52 目錄13498摘要 I13498Abstract IITOC\o"1-4"\h\z\u引言 1第一章合成氨綜述 21.1氨的用途 21.2氨的性質(zhì) 21.2.1氨的物理性質(zhì) 21.2.2氨的化學(xué)性質(zhì) 21.3合成氨的生產(chǎn)方法 31.4合成工藝條件的選擇 41.4.1操作壓力 41.4.2反應(yīng)溫度 41.4.3空速 41.4.4合成塔進(jìn)口氣體組成 41.5合成氨工業(yè)的發(fā)展 5第二章合成工段工藝簡介 62.1合成工段工藝流程簡述 62.2工藝流程方框簡圖 62.3設(shè)備簡述 72.3.1氨合成塔 72.3.2熱交換器與廢熱鍋爐 72.3.3冷交換器 72.3.4氨冷器 7第三章工藝設(shè)計計算 83.1設(shè)計要求 83.2工藝流程圖 83.3物料計算 83.3.1合成塔入口氣體組分 83.3.2合成塔出口氣體組分 93.3.3合成率 93.3.4氨分離器氣液平衡計算 93.3.5冷交換器氣液平衡計算 113.3.6液氨儲槽氣液平衡計算 123.3.7液氨儲槽物料計算 153.3.8合成系統(tǒng)物料計算 163.3.9合成塔物料計算 173.3.10水冷器物料計算 183.3.11氨分離器物料計算 193.3.12冷交換器物料計算 193.3.13氨冷器的物料計算 213.3.14冷交換器物料計算 233.3.15液氨貯槽物料計算 253.4熱量衡算 273.4.1冷交換器熱量計算 273.4.2氨冷凝器熱量計算 303.4.3循環(huán)機熱量計算 323.4.4合成塔熱量衡算 333.4.5廢熱鍋爐熱量計算： 353.4.6熱交換器熱量計算 363.4.7水冷器熱量衡算： 373.4.8氨分離器熱量衡算： 38第四章設(shè)備的選型與計算 404.1設(shè)備選型 404.1.1設(shè)備簡述 404.1.2流程說明 404.2合成塔設(shè)計 404.2.1合成塔筒體設(shè)計 404.2.2催化劑層設(shè)計 414.2.3下?lián)Q熱器 474.2.4層間換熱器 484.3輔助設(shè)備選型 494.3.1廢熱鍋爐 494.3.2熱交換器 494.3.3水冷器 494.3.4冷交換器 494.3.5氨冷器I 494.3.6氨冷器II 50結(jié)論 51致謝 52參考文獻(xiàn) 53附錄 54年產(chǎn)30萬噸合成氨合成工段工藝設(shè)計摘要：氨在人們的生活中十分常見，在化工生產(chǎn)中具有舉足輕重的地位。開發(fā)創(chuàng)新更好合成氨工藝，對每一階段進(jìn)行細(xì)化調(diào)優(yōu)，盡量做到高效節(jié)能。合成氨工藝在現(xiàn)代生產(chǎn)中主要分為原料氣的制備、原料氣的凈化、氣體壓縮、氨的合成四大主要流程。本次設(shè)計主要針對第四部分合成工段進(jìn)行設(shè)計。根據(jù)任務(wù)書中已知條件進(jìn)行物料衡算、熱量衡算、設(shè)備計算等。由于生產(chǎn)過程會有像催化劑、壓力、溫度、等各種影響，本次設(shè)計選擇中壓法，此方法具有生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點。結(jié)合當(dāng)代的生產(chǎn)技術(shù)以，合成塔內(nèi)件選擇三段絕熱冷激--內(nèi)冷式內(nèi)件，此內(nèi)件的優(yōu)點是生產(chǎn)量高、生產(chǎn)效率高、管材消耗量小、催化劑易還原等優(yōu)點。關(guān)鍵詞：合成氨物料衡算熱量衡算合成塔ABSTRACTAbstract:Ammoniaisverycommoninpeople'slifeandplaysanimportantroleinchemicalproduction.Developandinnovatebettersyntheticammoniaprocess,refineandoptimizeeachstagetoachievehighefficiencyandenergysavingasfaraspossible.Inmodernproduction,syntheticammoniaprocessismainlydividedintofourmainprocesses:preparationoffeedgas,purificationoffeedgas,gascompressionandammoniasynthesis.Thisdesignismainlyforthefourthpartofthesynthesissection.Accordingtotheknownconditionsintheassignment,materialbalance,heatbalance,equipmentcalculation,etc.Becauseoftheinfluenceofcatalyst,pressure,temperatureandsoon,themediumpressuremethodisselectedinthisdesign,whichhastheadvantagesoflowproductioncostandhighproductionefficiency.Combinedwiththecontemporaryproductiontechnology,three-stageadiabaticcoldexcitationinternalcoolingtypeinternalsareselectedfortheinnerpartsofthesynthesistower.Theinnerparthastheadvantagesofreasonablestructure,highammonianetvalueandlargeproduction.Keywords:Syntheticammonia;Materialbalance;Heatbalance;Synthesistower第一章合成氨綜述1.1概述氨作為現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品，在人們的日常生活中已經(jīng)變得越來越常見。據(jù)統(tǒng)計，大概八成的氨投入到化肥的生產(chǎn)中,另外兩成用作其他化工產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)原料。氨的生產(chǎn)對農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有極大的的作用?，F(xiàn)在全球氮肥產(chǎn)量約1.2億噸，世界人均消耗氮肥20kg，可以這樣說，如果沒有合成氨技術(shù)，世界上將有近一半的人無法存活。另外，合成氨也被使用在了軍事領(lǐng)域以及有機化學(xué)生產(chǎn)中。例如，合成氨是生產(chǎn)聚氨酯產(chǎn)品的重要材料，現(xiàn)代火藥的生產(chǎn)也少不了合成氨的參與。其他的工業(yè)中也能夠見到氨的身影，像是橡膠生產(chǎn)、冶金煉鋼以及食品、醫(yī)藥等有關(guān)部門，氨已經(jīng)成為人們生活不可或缺的一部分了。美國的Kellogg工藝一直作為傳統(tǒng)合成氨技術(shù)的主要生產(chǎn)工藝，隨著時間的推移丹麥、英國、德國等西方一部分國家以Kellogg工藝作為生產(chǎn)基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上加以改進(jìn)和創(chuàng)新，開發(fā)出了屬于自己公司特有的生產(chǎn)工藝。但是萬變不離其宗，所有的改進(jìn)工藝都與基礎(chǔ)工藝有以下相同的生產(chǎn)單元:合成氣的制備、合成氣的清潔與提純、氨的合成、氨的分離等單元。但是這些工藝技術(shù)往往都會由于反應(yīng)的進(jìn)行會產(chǎn)出大量的熱，但是生產(chǎn)氨必須要處于低溫環(huán)境之內(nèi)才能夠進(jìn)行，故此循環(huán)回路中會有大量的熱交換產(chǎn)生。所以目的是通過工藝優(yōu)化和工程技術(shù)改造實現(xiàn)低能耗的合成氨工藝。時代的進(jìn)步以及科技的快速發(fā)展，合成氨已經(jīng)出現(xiàn)了供不應(yīng)求的情況，傳統(tǒng)的生產(chǎn)手段已經(jīng)過時，需要更先進(jìn)更符合現(xiàn)代科學(xué)的生產(chǎn)工藝?，F(xiàn)階段工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的政策和經(jīng)濟(jì)發(fā)展理念是“綠色、健康、環(huán)保、安全”。為了更好的發(fā)展，合成氨生產(chǎn)也必須與之緊緊相連。未來合成氨的生產(chǎn)技術(shù)也會向著“設(shè)備大型化、設(shè)備規(guī)模化、設(shè)備清潔化、設(shè)備低能耗、生產(chǎn)能源優(yōu)化”等方向進(jìn)行重點突破。因此采用更加優(yōu)化更高效的氨合成工藝流程，可以充分解決在生產(chǎn)過程中熱量流失利用不充分以及氨合成效率過低的問題。降低生產(chǎn)所用成本、提高生產(chǎn)工作效率、提高工作安全質(zhì)量，能夠?qū)ξ磥砗铣砂碑a(chǎn)業(yè)帶來極大的幫助。1.2氨的性質(zhì)1.2.1氨的物理性質(zhì)氨在常溫的狀態(tài)下呈現(xiàn)為無色樣氣體并且還附帶著刺激性的氣味，ρ=0.771千克/立方米對人體的眼、鼻、喉等感官粘膜有毒害可能?？諝庵泻绷看笥?.01％時會使人慢性中毒。氨在水中極易溶解，在常溫常壓時，水氨比為1：700氨水在溶解的時候會有極大的熱產(chǎn)生，水溶液狀態(tài)下的氨會在短時間內(nèi)迅速揮發(fā)。氨在正常的壓力情況下當(dāng)溫度到達(dá)-33.35℃時沸騰。處于正常溫度時應(yīng)該增加壓力至0.78Mpa才可以被液化。同樣液態(tài)氨若要氣化則應(yīng)給予足夠的熱量，故常用于生產(chǎn)制冷產(chǎn)品。1.2.2氨的化學(xué)性質(zhì)氨水呈弱堿性，與其他堿性物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)相仿，能夠與酸性物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，并能夠與一些氧化物反應(yīng)等。氨與空氣(或氧)的混合氣,有可能會產(chǎn)生十分劇烈的爆炸反應(yīng)。氨能在常溫常壓的情況下和空氣接觸產(chǎn)生爆炸，爆炸極限為15%～28%(NH3)。100℃，0.1MPa下，爆炸極限為14.5%～29.5%(NH3)。1.3原料氣來源從壓縮工段來的原料氣主要是由氮氣和氫氣組成。氮氣主要是從空氣中提取。氫氣可以以水和煤，水和甲烷，及重油為原料制取。國內(nèi)大部分氫氣是通過半水煤氣的提純得到的，煤在高溫時能與空氣和水蒸氣發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)而產(chǎn)生混合氣。通入的與煤反應(yīng)的氣體也被叫做汽化劑。這種生成的混合氣稱為煤氣。汽化劑在不同的反應(yīng)條件下能夠產(chǎn)生多種多樣不同成分的煤氣。1.4合成氨行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀1.4.1國外合成氨工業(yè)的現(xiàn)狀國外的合成氨工藝主要采用高溫高壓法，因此生產(chǎn)所消耗的能量很大，在能源消耗上投入大量成本，所以合成氨的改進(jìn)方向就是減少生產(chǎn)所需要的能源消耗。合成氨的工藝技術(shù)有很多種，在世界上有一些比較成熟的合成氨工藝其中就包括美國的凱洛格低能耗工藝流程，C.F.布朗深冷凈化流程，丹麥的托普索流程，加拿大的克特爾工藝，德國伍德-AMV工藝，日本的NEC流程及英國ICI公司的LCA流程。1.4.2我國合成氨工業(yè)的現(xiàn)狀國內(nèi)的合成氨技術(shù)相比與國外相對緩慢，但是總體技術(shù)水平正在不斷地提高。在剛建國階段，全國只有兩家化肥生產(chǎn)廠，的那個坐落于南京和大連，每年也僅僅能生產(chǎn)出6000噸的化肥。隨著時間推移來到了70年代，因為當(dāng)時的天然氣、石油的快速發(fā)展，國內(nèi)引進(jìn)了共17套不同生產(chǎn)原料的合成氨裝置。90年代的時候，由于環(huán)境問題，再次引進(jìn)了多套低能、節(jié)能生產(chǎn)裝置。在這么多年的不斷的努力下，我國已經(jīng)建成了許多規(guī)模、流程不同的合成氨廠。由于我國有著極其豐富的煤炭，煤制氨在我國工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用，故采用煤氣化法制合成氨。隨著技術(shù)的逐漸進(jìn)步，現(xiàn)階段中國合成氨工業(yè)產(chǎn)量位居世界第一位，已經(jīng)掌握了以天然氣、渣油、煤等各種原料的工藝技術(shù)，是世界上原料路線和工藝技術(shù)最全的國家。伴隨著科技的發(fā)展與提升，我國的合成氨生產(chǎn)量穩(wěn)居世界第一，并且能夠熟練運用煤氣、石油渣、天然氣等多種多樣的生產(chǎn)方式，稱得上世界上工藝技術(shù)最先進(jìn)最全面的國家1.4.3合成氨工業(yè)的發(fā)展趨勢合成氨工業(yè)正在往好的方向發(fā)展，70年代之前一直采用石油和天然氣作為制氨的主要原料氣，但是由于石油價格的飆升，人們漸漸將視野投在煤炭之上了。但是煤制合成氨的生產(chǎn)成本過大導(dǎo)致現(xiàn)在大部分的小中型氨廠依然選擇天然氣制氨。合成氨生產(chǎn)成本中占比最大的一部分就是能源方面的消耗，降低能耗以及更全面的使用各階段能量才能使合成氨工業(yè)取得突破性發(fā)展。第二章流程方案的確定2.1生產(chǎn)原理氮、氫在通過在合適的溫度壓力下進(jìn)行反應(yīng)生成氨方程式為：氨的合成反應(yīng)特點：⑴氨的合成效率與反應(yīng)所需要的壓力成正比，壓力越高效率越高。⑵低溫情況下，有利于推進(jìn)反應(yīng)過程的進(jìn)行，但反應(yīng)的速度較緩。雖然溫度的提高會影響反應(yīng)平衡，但能提高反應(yīng)速率。實際情況下，煤觸的活性決定了溫度的具體選擇⑶煤觸是必要的，使得反應(yīng)速度加快。⑷降低惰性氣體含量，有利于反應(yīng)的進(jìn)行。2.2各生產(chǎn)方法及特點現(xiàn)階段的合成氨生產(chǎn)中，由于壓力和催化劑的不同，大致劃分成為了三大種類:低壓法、中壓法以及高壓法。(1)低壓法操作壓力P≤20MPa。亞鐵氰化物是一種十分優(yōu)秀的催化劑，具有活性強的優(yōu)點，但此催化劑會被空氣中CO、CO2等雜質(zhì)污染，所以應(yīng)該嚴(yán)格管理。當(dāng)磁鐵礦作為催化劑的情況時，P＝450～550℃。此方法的優(yōu)點是對管材、設(shè)備材料的質(zhì)量沒有太高的的要求，適用性廣，但是生產(chǎn)效率較低。合成塔出口氣體N≈8％～10％，因此催化劑生產(chǎn)力偏低；但因系統(tǒng)壓力較無法將氣體中的氨完全液化，需使循環(huán)氣降溫至-20℃，因此整個系統(tǒng)需置辦龐大的制冷機，所以全流程較復(fù)雜，生產(chǎn)成本過高。(2)高壓法當(dāng)滿足，操作壓力大于等于60MPa的時候，并且其操作溫度確定在550～650℃之間時，被稱之為高壓法。而這進(jìn)行比較，本方法的催化劑生產(chǎn)效率、氨合成率更高，且氨出口氣中氨含量高達(dá)25％～30％。因為壓力較高，此方法合成氣中的氨分離過程僅僅需要水冷法就可以做到，并不需要進(jìn)行氨冷流程，進(jìn)而使整體流程得化簡。小規(guī)模的設(shè)備、緊密相連的設(shè)備流程、經(jīng)濟(jì)實惠的生產(chǎn)投資是高壓法的主要優(yōu)點，但代價是高溫高壓需要材質(zhì)更好的管道和設(shè)備。雖然合成率提高了，但是因為環(huán)境密閉使得處于催化劑層內(nèi)的反應(yīng)產(chǎn)生的熱量不能夠盡快排出，催化劑一直處于高溫環(huán)境之中，影響了活性使得效率降低，與其他方法相比高壓法不易控制。(3)中壓法當(dāng)滿足，操作壓力處于20～35MPa之間、操作溫度處于450～550℃時，被稱為中壓法。中壓法的優(yōu)點以及缺點介于高、低壓法二者之間。但是其在生產(chǎn)、設(shè)備等費用卻是最低的。合成氨的主要方法就是以上三種，各有高低，因此不能前面的去評價其優(yōu)劣。結(jié)合資料以及世界上氨廠的普遍情況，中壓法最為流行。所以本次的設(shè)計選用中壓法制合成氨，操作壓力為33Mpa。2.3工藝條件的選擇產(chǎn)量高、能耗低、流程及設(shè)備簡單、操作安全便捷等要求是現(xiàn)代合成氨生產(chǎn)中所規(guī)定的必要條件。操作壓力、反應(yīng)溫度、空間氣速等是判斷工藝生產(chǎn)條件的基本要素。(1)壓力的選擇壓力的提升會增加合成氨的反應(yīng)速率。確定空速為一定值時，增加反應(yīng)壓力，出口氨濃度增大，氨凈值也會增加，合成塔的生產(chǎn)能力提高。合成氨的產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益是影響合成氨壓力的主要原因。壓力的提高雖然有利于提高氨分離度，代價是因壓力過大所導(dǎo)致動力消耗的大量增加。所以中壓法合成氨的壓力一般在30~35Mpa。(2)適宜的反應(yīng)溫度的選擇合成氨為可逆放熱反應(yīng)，從兩方面來看，低溫有利于反應(yīng)平衡，使平衡右移；高溫有利于反應(yīng)速率，使反應(yīng)速率加快從；當(dāng)溫度上升到太高或者下降到太低的時候催化劑活性都會受到影響，活性降低，影響反應(yīng)。影響控制溫度的因素還有催化劑用料時長。催化劑使用的時間也會影響反應(yīng)溫度。當(dāng)新鮮的催化劑投入，其活性高，因此可用較低的溫度。反應(yīng)進(jìn)行中期催化劑活性逐漸降低，應(yīng)將操作溫度較初期提高8-10℃。當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到后期，催化劑活性因活性因子降低而衰減，應(yīng)適當(dāng)增加操作溫度。(3)空間速度空速就是催化劑和合成塔反應(yīng)氣之間相互接觸的時間?？账僭龃?，則接觸時間縮短，沒有給予反應(yīng)物足夠的反應(yīng)時間，有可能導(dǎo)致出口氨含量降低，凈氨值降低。但由于二者的變化程度不相同，氨含量的影響程度小于空速，所以當(dāng)空速提高時，合成氨產(chǎn)量小幅增加。結(jié)合數(shù)據(jù)與資料，空速的變化空間是有一定限度的?，F(xiàn)階段，國內(nèi)大部分小合成氨廠設(shè)定操作壓力P≈30Mpa，空速選擇在2000~3000每小時。工業(yè)生產(chǎn)中，合成氨工藝流程種類繁多而且在結(jié)構(gòu)設(shè)備等方面的選擇也大不相同，但是萬變不離其宗，總體流程不會有太大差異。整體工藝流程主要是將以上步驟進(jìn)行有序合理的搭配，在加以技術(shù)上的改進(jìn)，進(jìn)而得到技術(shù)層面的提升，也能夠更加穩(wěn)定的進(jìn)行生產(chǎn)。2.4合成塔進(jìn)口氣的組成進(jìn)口氣的組成主要以氮氫比、惰性氣體、進(jìn)口氨含量三者構(gòu)成。(1)氮氫比N:H＝1:3，是合成氨反應(yīng)取得平衡氨濃度最大值的氮氫比例，從化學(xué)動力學(xué)層面考慮，氨的濃度會對其產(chǎn)生影響。當(dāng)改變氮的活性吸附時合成氨的反應(yīng)速度也會為之改變，所以當(dāng)反應(yīng)物中氮氣濃度上升時，反應(yīng)速率增加，合成氨反應(yīng)效率增加。將進(jìn)塔氣氮氫比控制在2.8~2.9，適用于大部分生產(chǎn)過程。(2)惰性氣體進(jìn)口氣中的惰性氣體為CH4、AR等。惰性氣體是不會加入到反應(yīng)之中的，因此也不會對毒害催化劑，但是因為占據(jù)了進(jìn)口氣的一部分體積會使得進(jìn)口氣分壓逐漸下降。從兩種角度分別考慮，都會對反應(yīng)產(chǎn)生負(fù)面影響，使合成氨生產(chǎn)率下降。由于新鮮氣的加入，使得惰性氣體也帶入了合成塔。雖然其不參與反應(yīng)，但是隨著時間的積累，不參與反應(yīng)的惰性氣體逐漸增加。只有不停地將循環(huán)氣中的惰性氣體排出系統(tǒng)，才能從根本提高反應(yīng)合成率?？梢酝ㄟ^提高排氣量的方式來排出惰性氣體，但是由于無法準(zhǔn)確控制排放會導(dǎo)致氮、氫氣和一部分氨被誤排進(jìn)而影響產(chǎn)量，所以應(yīng)將系統(tǒng)中惰性氣體含量控制在一定范圍內(nèi)。操作壓力和催化劑活性也會改變循環(huán)氣內(nèi)惰性氣體的調(diào)控。由于生產(chǎn)過程中制備、凈化新鮮氣的方法大不相同，所以惰性氣體的含量也會產(chǎn)生很大的差別。根據(jù)資料以及數(shù)據(jù)參考，現(xiàn)代生產(chǎn)過程中惰性氣體占新鮮氣的0.5%~1.0%占循環(huán)氣的10%~15%為最佳情況。(3)塔進(jìn)口氨含量此項數(shù)值主要依靠著分離的效率以及冷凝的溫度二者進(jìn)行控制。通過降低進(jìn)口氨含量，能夠使反應(yīng)過程加速，進(jìn)而提高凈氨值以及生產(chǎn)效率。但是必須將進(jìn)口氨含量控制在一定的范圍內(nèi)，一旦含量過低，使得系統(tǒng)投入大量能耗用來制冷，增加經(jīng)費。操作壓力和冷凝溫度也會對進(jìn)口氨含量產(chǎn)生一定的影響。當(dāng)操作壓力增高時，使得反應(yīng)往正方向進(jìn)行，加快反應(yīng)速度，所以可以適當(dāng)?shù)陌褦?shù)值調(diào)節(jié)的高一點。當(dāng)操作壓力降低的時候則應(yīng)該降低。結(jié)合實際情況，當(dāng)今大部分合成氨廠的操作壓力在控制在30兆帕到35兆帕之內(nèi)，進(jìn)口氨含量控制在2.5~3.5%之內(nèi)。第三章工藝流程簡述3.1合成工段工藝流程簡述氮氫壓縮機將新鮮氣送入油分離器，遇到由循環(huán)機送來的循環(huán)氣，二者混合脫去其中的水和油等雜質(zhì)。冷交換器下部冷氣和混合氣在冷交換器上部的換熱管中進(jìn)行換熱從而回收冷量，待熱氣體降溫后送入氨冷器進(jìn)行下一步反應(yīng)。循環(huán)氣再進(jìn)行過氨分離后，整體送至換熱器上部與熱氣接觸待溫度上升后送出冷交換器。其中一部分氣體進(jìn)入主閥從合成塔頂部進(jìn)入到合成塔環(huán)隙，另一部分進(jìn)入副閥從合成塔塔底進(jìn)入合成塔中心管，用來控制催化劑床層的反應(yīng)溫度。NH3入＝4.5％。反應(yīng)過程中經(jīng)過換熱使整體溫度下降到T≈140-160℃，氣體由反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)入到水冷器中，降低溫度直到常溫狀態(tài)，里面的一部分氣體被冷凝成為液氨從氨分離中流出。從氨分離器放出的一部分循環(huán)氣放空，目的是為了使循環(huán)系統(tǒng)時刻存有少量惰性氣體。另一部分循環(huán)氣先進(jìn)入循環(huán)機增加壓力然后送入油分離器進(jìn)行下一步反應(yīng)，依次往復(fù)。處于氨分離器以及冷交換器之中的液氨，應(yīng)首先被液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)處理至適宜的低壓再送入液氨貯槽。整體流程特點如下：eq\o\ac(○,1)反應(yīng)熱未充分回收。eq\o\ac(○,2)反應(yīng)過程簡易，設(shè)備、生產(chǎn)投資低廉。eq\o\ac(○,3)為最大程度增大反應(yīng)效率，應(yīng)將放空氣設(shè)置在惰性氣體含量最大、氨含量最小的地方以防損失產(chǎn)品。eq\o\ac(○,4)在氨冷器與水冷器之間設(shè)置循環(huán)機。eq\o\ac(○,5)處于氨冷器中的冷液氨能夠脫除循環(huán)氣中的水和油等影響反應(yīng)的雜質(zhì)。3.2工藝流程圖 1—新鮮氣13—放空氣20—馳放氣圖3.1工藝流程圖第四章工藝設(shè)計計算4.1設(shè)計要求年工作日：330天；產(chǎn)量37.8788t/h；合成塔操作壓力：33MPa（絕壓）；合成塔進(jìn)氣組成：NH3=4.5、CH4+Ar=18;水冷器的出口溫度為：T=35℃；精煉氣的溫度為：T=35℃；精煉氣組成：H274.17，N224.30,CH41.2，Ar0.33。4.2物料計算4.2.1合成塔入口氣體組分入塔氨含量：=入塔甲烷含量：=入塔氬含量：=入塔氫含量：=入塔氮氣含量：=表3.2入口氣組成（%）NH3CH4ArH2N2總計注：表3.1-3.12之中的數(shù)據(jù)均是摩爾含量。4.2.2合成塔出口氣組分規(guī)定1000kmol的入塔氣體為標(biāo)準(zhǔn)，用來算出塔氣組分：=出塔氣量：M8=-=出塔氨含量：=出塔甲烷含量：==出塔氬含量：=出塔氫含量：=0.75×（1-）×=出塔氮含量:=0.25×(1-)×=表3.2出塔氣組成（%）NH3CH4ArH2N2總計4.2.3合成率=28.431%4.2.4氨分離器氣液平衡計算表3.4組分平衡常數(shù)0.0988.20028.20027.50034.500設(shè)時，代入則==同理====L=分離氣體量：V=計算氣液比：=誤差=符合條件，可繼續(xù)算出液體中各組分量液體中氨含量：液體中氬含量：=/L=液體中甲烷含量：=/L=液體中氫含量：=/L=液體中氮含量：=/L=表3.5氨分離器出口液體組分（%）NH3CH4ArH2N2總計出口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3.6氨分離器出口氣組成（%）NH3CH4ArH2N2總計4.2.5冷交換器氣液平衡計算冷交換器內(nèi)的第二次出口氣量是與合成塔的進(jìn)口氣量相同的，因為氣液平衡，合成塔入口氣量與分離溫度可查得，于是算出。表3.7當(dāng)T=-10℃，P=28.028Mpa平衡常數(shù)冷交換器出口液體組分含量出口液體甲烷含量：出口液體氨含量：出口液體氬含量：出口液體氫含量：出口液體氮含量：表3.8冷交換器出口液體組成（%）NH3CH4ArH2N2總計4.2.6液氨儲槽氣液平衡計算圖3.2液氨儲槽物料簡圖氨分離器內(nèi)部的出口分離液與冷交換器中的一起送入到液氨儲槽中。減少壓力后，液態(tài)氨里的氣體解吸變?yōu)槌诜艢狻?=水冷后分離液氨占總量的，冷交換器分離液氨占總量的。設(shè)L0=1Kmol,入口液體混合后組成量：混合后入氨含量：=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3.9液氨儲槽入口液體組成（%）NH3CH4ArH2N2總計表3.10當(dāng)T=17℃，平衡壓力P=1.568Mpa，查平衡常數(shù)0.598170540575620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：出口液體氮氣含量：，〔〕′=0.09861，誤差誤差滿足設(shè)計要求。出口液體含氨量：=出口液體甲烷含量：=出口液體氬含量：=出口液體氫氣含量：=出口液體氮氣含量：表3.11液氨儲槽出口液體組成（%）NH3CH4ArH2N2總計出口馳放氣組分含量：馳放氣中氨含量：弛放氣中甲烷含量：弛放氣中氬含量：弛放氣中氫氣含量：=弛放氣中氮氣含量：表3.12出口馳放氣組成（%）NH3CH4ArH2N2總計4.2.7液氨儲槽物料計算設(shè)1噸純液氨為標(biāo)準(zhǔn)計算液氨儲槽出口液體量L(19)=其中：NH3CH4ArH2N2液氨儲槽的馳放氣=0.098V(20)=0.025×L(19)=其中：NH3CH4ArH2N2液氨儲槽的出口總物料==液氨儲槽進(jìn)口液體：在物料平衡的前提下，人槽總物料是等于出槽總物料的：=入口液各組分：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：=入口液體中氮氣含量：=入口液體中組分含量：滿足設(shè)計要求。4.2.8合成系統(tǒng)物料計算圖3.3合成系統(tǒng)物料簡圖設(shè)整體合成為一個系統(tǒng)，進(jìn)入系統(tǒng)的：新鮮補充氣，離開系統(tǒng)的：放空氣，弛放氣，產(chǎn)品液氨表3.13前計算數(shù)據(jù)補充氣－－V補放空氣V放弛放氣液氨入塔氣V入出塔氣V出根據(jù)上表求：循環(huán)回路中氫平衡：（3-1）循環(huán)回路中氮平衡：=V放＋V弛+0.5V放+0.5V弛+（3-2）循環(huán)回路中惰性氣體平衡：V補(+)=V放(+)+V弛(+)（3-3）循環(huán)回路中氨平衡：V出－V入=V放+V弛+（3-4）循環(huán)回路總物料平衡：（3-5）聯(lián)立（3-1）到（3-5）各式解得：；；；4.2.9合成塔物料計算入塔物料：V5=其中：NH3=CH4=Ar=H2=N2=V5=V6=V7=出塔物料：V8=NH3=CH4=Ar=H2=N2=合成塔生成氨含量：=V8=V9=V10=4.2.10水冷器物料計算進(jìn)器物料：熱交換器出口物料和水冷器的進(jìn)氣總物料相同，=出器物料：處于水冷器里的一部分氨氣被冷凝；氣液比,有如下方程：==9.549（3-6）V11出+L11出=L10入=11948.349（3-7）將帶入（3-7）得：L11出=V11出=由得:其中：NH3=CH4=Ar=H2=N2=由L11i=V8i－V11i其中：NH3=CH4=Ar=H2=N2=4.2.11氨分離器物料計算V11=V11出+L11出=出器物料：混合物分離之后，從中析出的氣體與液體。出器氣體V12＝V11出＝出器液體L15＝L11出＝氨分離器出口氣體放空V13=其中：NH3=CH4=Ar=H2=N2=4.2.12冷交換器物料計算V14=V12－V13=其中：NH3=CH4=Ar=H2=N2=出器物料（熱氣）：設(shè)熱氣出口溫度T=17℃查時的氣相平衡氨含量=，計算在液態(tài)氨冷凝的時候被忽略在其中的氣體。設(shè)過飽和度故=設(shè)熱氣出口氨體積為a，則：計算得a=622.043=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=4.2.13氨冷器物料計算進(jìn)器物料：冷交換器中=氨冷器=新鮮氣總物料其中：CH4=Ar=H2=N2=（進(jìn)器氣體物料）==進(jìn)器氣體組成：m3=Ar=H2=N2=各組分百分含量：NH3=CH4=Ar=H2=N2=進(jìn)器液體=冷交換器冷凝液氨量：=進(jìn)器總物料＝V18+L18=出器Ⅰ：氣體氨含量，出器II：氣體氨含量，設(shè)出器氣體氨含量解得bⅠ=則氨冷器中冷凝液氨量：=氨冷器出口總液氨量：氨冷器出口氣量：V2=V18－b=其中：NH3=CH4==Ar==H2==N2==各組分百分含量：NH3=CH4=Ar=H2=N2=出器總物料==氨冷器出口氣體組成與冷交換器二次出口氣體組成相同則氨冷器冷凝的液體量:4.2.14液氨貯槽物料計算進(jìn)槽物料：氨分離器入槽液體冷交換器入槽液體入槽混合物料出口液氨總物料液氨產(chǎn)量核算:4.3熱量衡算4.3.1冷交換器熱量計算 Q2 Q3 Q14 Q17 Q16圖3.5冷交換器熱量圖(1)熱氣的進(jìn)口溫度：冷交換器中熱氣進(jìn)口溫度=水冷器中氣體出口溫度，。(2)冷氣的進(jìn)口溫度：為了保證氨含量，氨冷器出口氨含量，設(shè)過飽和度,平衡氨的含量是：=查《小氮肥工藝設(shè)計手冊》圖9-3-1，當(dāng)平衡氨含量=2.27%；=28.4MPa時，冷激溫度,冷氣進(jìn)口溫度=-10℃。(3)熱氣帶入熱：熱氣儲于氨飽和區(qū)，首先算常壓時比熱容再計算進(jìn)行過壓力校正后的實際比熱容：查時的各組分比熱容并計算得：=查《小氮肥工藝設(shè)計手冊》見下表：表3.14各組分臨界參數(shù)表組分H2N2CH4ArNH3(K)(atm)==116.870K====，=查《小氮肥工藝設(shè)計手冊》附表1-5-8得：=4.598，通過壓力的校正法：Cp14=+=29.806+4.598=34.404熱氣體帶入熱量：Q14=(4)冷氣體帶入熱量：查T2=－10℃,=28.42MPa時各組分比熱容并計算得：=6.925經(jīng)計算====查《小氮肥工藝設(shè)計手冊》附表1-5-8得：=4.18由壓力校正法：Cp2=+=31.904+4.18=36.084冷氣體帶入熱量：Q2=(5)氨冷凝熱：設(shè)熱氣出口溫度17℃，熱氣在設(shè)備內(nèi)由35℃降低至17℃然后進(jìn)行氨冷，查氨冷凝熱=液氨冷凝放出熱量：Q冷=液氨帶入熱量：查－10℃時液氨比熱容=4.535液氨帶入熱量：Q2L=(7)熱氣體帶出熱量：查，28.42MPa時各組分比熱容。算得：=29.464=×===,==查《小氮肥工藝設(shè)計手冊》附表1-5-8得：=4.389由壓力校正法：Cp=+=29.464+4.389=33.853熱氣體帶出熱量：Q17=(8)熱氣中液氨帶出的熱量：查的液氨比熱容=4.696液氨帶入熱量：Q17L=(9)冷氣的帶入熱量：=(10)冷氣體帶出熱量：=－（-13732.625）=383047.220KJ=設(shè)查=28.42MPa時各組分比熱容。算得：=29.108，T3=冷交換器的熱負(fù)荷計算：＝表3.15冷交換器熱量平衡匯總表管內(nèi)熱氣體帶入熱量管內(nèi)熱氣體帶出熱量管外冷氣體帶入熱量管內(nèi)液氨帶出熱量管內(nèi)液氨冷凝熱管外液氨帶出熱量管外液氨散熱管外冷氣帶出熱量小計4.3.2氨冷凝器熱量計算 Q2 Q17 Q18 Q1 Q液氨 Q氣氨 圖3.6氨冷凝器熱量圖氣體帶入熱：冷交換器熱計算氣體中液氨帶入熱：冷交換器熱計算(3)氨冷器中氣氨冷凝熱，查《小氮肥工藝設(shè)計手冊—理化數(shù)據(jù)》在，=QⅠ冷=×17×÷22.4=(4)新鮮氣帶入熱量QⅠT1=35℃，=31.36MPa查壓力下各組分氣體比熱容然后用疊加的方法計算得實際氣體混合熱容Cp1=29.70QⅠ==氨冷器收入總熱量QQ==717986.747KJ氨冷器入口混合物溫度計算通過熱平衡==÷（+）設(shè)查壓力下各組分氣體比熱容，用疊加法計算實際氣體混合熱容=3.762Copm=30.502Cp18=Copm+=30.502+1.762=34.264查20℃時《小氮肥工藝設(shè)計手冊—理化數(shù)據(jù)》=4.756，帶入上式T18=符合條件，混合后的氨冷器入口氣溫=氣體帶出熱：氣體中液氨帶出熱：液氨蒸發(fā)吸熱：Q吸=需冷凍量，查液氨=當(dāng)時液氨==1128.185KJ/kgW1=Q吸÷=表3.16氨冷器熱量表氣體帶入熱氣體帶出熱氣體中氨冷凝熱液氨帶出熱液氨帶入熱冷凍量新鮮氣帶入熱小計小計4.3.3循環(huán)機熱量計算(1)出口溫度計算由《小氮肥工藝設(shè)計手冊—理化數(shù)據(jù)》表1－1－1查的絕熱指數(shù)如下表：表3.17各組分絕熱指數(shù)組分H2N2ArCH4NH3Ki1.311.661.29由公式==2.400K=1.417由前已知T入≈19.09+273.15=292.24K，=31.458MPa，=28.42帶入上式得：=300.769K=27.62℃氣體帶出熱：(3)壓縮功又p1=28.42，p2=31.458，K=1.394，Z2=1.13，Z1=1.02式中：==0.818把以上數(shù)據(jù)帶入壓縮功公式：N=41.609KWQN=(4)氣體帶出熱量由熱平衡得：Q4=Cp4==28.546，=31.458查常壓各組分比熱容：=2.105=27.685Cp=Copm+=29.790誤差=誤差滿足設(shè)計要求4.3.4合成塔熱量衡算圖3.7合成塔熱量圖：環(huán)隙溫升T6計算：設(shè)合成塔環(huán)隙高度，由經(jīng)驗公式可算出：環(huán)隙溫升按，則合成塔一出口溫度為：T6=氣體帶入熱量Q5因油分離器內(nèi)無溫升變化（忽略損失）氣體反應(yīng)熱QR：假設(shè)合成塔的二出口溫度為，設(shè)氣體在塔內(nèi)先溫升至出口溫度后進(jìn)行氨合成反應(yīng)在壓力時簡化計算式為：將T=365℃帶入得：=12772.84=53390.471由物料平衡計算知氨產(chǎn)量：=則合成塔內(nèi)反應(yīng)熱(5)二次入塔的氣體帶入熱Q7由熱平衡知(6)合成塔一出氣體帶出熱查：混合氣體熱容，按高壓疊加法計算得Q6=(7)合成塔二出氣體帶出熱查混合氣體熱容，按高壓疊加法計算得：Q8=(8)合成塔熱損失根據(jù)經(jīng)驗公式Q損=假設(shè)塔壁溫度=，空氣溫度，塔外壁高，外徑D=1.225m=0.209×+33.44=0.209×80+33.44=50.16KJ/m2hQ損=50.16××（－）=(9)合成塔二入溫度計算：把以上的計算數(shù)據(jù)帶進(jìn)溫度計算式中設(shè)查混合氣體熱容，按高壓疊加法計算得：則T7=誤差=合成塔氣體二次入口帶入熱量－=(10)合成塔絕熱溫升核算式中==(33.044+35.231)/2=34.138∴T=∴T6=表3.18合成塔熱量表一次氣體進(jìn)口帶入熱量一次氣體出口帶入熱量二次氣體進(jìn)口帶入熱量二次氣體進(jìn)口帶入熱量反應(yīng)熱熱損失小計4.3.5廢熱鍋爐熱量計算：(1)管內(nèi)熱氣體帶入熱量Q8通過合成塔熱平衡算得(2)管內(nèi)熱氣體帶出熱量Qs設(shè)查《小氮肥工藝設(shè)計手冊—理化數(shù)據(jù)》并計算得：=Q9=(3)廢熱鍋爐熱負(fù)荷Q=(4)軟水量計算假設(shè)廢熱鍋爐內(nèi)加入軟水的溫度，=1.274MPa，副產(chǎn)1.3MPa飽和蒸汽需軟水量×查軟水焓=125.484KJ/kg蒸汽焓=由熱平衡得=(5)廢熱鍋爐軟水帶入熱量：Q軟==(6)蒸汽帶出熱量：Q蒸=表3.19廢熱鍋爐熱量表管內(nèi)熱氣帶入熱量管內(nèi)熱氣帶出熱量軟水帶入熱量蒸汽帶出熱量Q蒸小計4.3.6熱交換器熱量計算圖3.8熱交換器熱量圖冷氣帶入熱量Q6通過合成塔熱平衡算得：熱氣體帶入熱量Q9通過沸熱鍋爐熱平衡算得：(3)冷氣帶出熱量Q7通過合成塔熱平衡算得：(4)熱氣出口溫度計算由熱平衡得：Q10==設(shè)查《小氮肥工藝設(shè)計手冊—理化數(shù)據(jù)》混合氣體熱容按疊加法計算得：=5.057=31.252=+=5.057+31.252=36.039誤差=(5)熱交換器熱負(fù)荷Q=表3.20熱交換器熱量表冷氣帶入熱冷氣帶入熱熱氣帶入熱熱氣帶出熱4.3.7水冷器熱量衡算：由題意了解到水冷器的出口溫度，設(shè)氣體先冷卻至后再進(jìn)行冷凝熱氣帶入熱量Q10通過熱交換器的熱平衡計算得：氨冷凝熱Q冷查《小氮肥工藝設(shè)計手冊—理化數(shù)據(jù)》10-1-1得：氨冷凝熱==熱氣體帶出熱量Q11T11=35℃，=28.42MPa由于氣體在氨飽和區(qū)，故先計算常壓下氣體組分比熱容然后用壓力校正法計算實際比熱容+=29.806+4.599=34.405熱氣帶出熱量：液氨帶出熱量Q液 查35℃液氨比熱容=4.891KJ/kg℃Q液==冷水量計算假設(shè)需冷水量W，冷卻上水，冷卻下水，冷卻水比熱容=4.18KJ/kg℃則冷卻水吸收熱量：==Q=×1000W=冷卻上水帶入熱量：Q上水=冷卻下水帶入熱量：Q下水=Q+Q上水=表3.21水冷器熱量匯總表熱氣帶入熱熱氣帶出熱量氨冷凝熱量液氨帶出熱量冷卻上水帶入熱冷卻下水帶入熱4.3.8氨分離器熱量衡算：氨分離器的吸入熱、水冷器的熱平衡可以得出：氨分離器的支出熱，氣體放空氣的帶出熱：=冷交換器的帶入熱，可通過冷交換器熱平衡算出：，=誤差==氨分離器帶入熱=液氨帶出熱。設(shè)備選型5.1合成塔催化劑層設(shè)計1第一段絕熱床2冷激器3第二段絕熱床4層間換熱器5第三段絕熱床層6下?lián)Q熱器圖5-1三段絕熱冷激—間接換熱式內(nèi)件圖表5-1各段催化劑床層尺寸及參數(shù)表段段數(shù)n名稱123絕熱層高度150025003500催化劑用量0.5050.7090.8912.6953.8711.331催化劑活性系數(shù)0.620.420.26進(jìn)口溫度412382.05472.10出口溫度447458.5487進(jìn)口氨含量2.54.612.5出口氨含量4.612.516.5氨產(chǎn)量192.216240.833287.872催化劑單位反應(yīng)熱，6963.3555382.135.2廢熱鍋爐設(shè)備工藝計算：5.2.1計算條件（1）選臥式U型換熱管（2）高壓管尺寸，，，（3）熱負(fù)荷（4）產(chǎn)量（5）冷氣體壓力（6）氣體入口溫度（7）氣體出口溫度（8）進(jìn)氣量（9）副產(chǎn)蒸氣壓力（10）軟水入口溫度（11）蒸氣飽和溫度5.2.2管內(nèi)給熱系數(shù)的計算各取平均溫度之值(1)壓縮系數(shù)Z表5-2-1臨界常數(shù)表NH3CH4ArH2N2對比壓力，對比溫度查《小氮肥廠工藝手冊》（理化數(shù)據(jù)）普遍化壓縮系數(shù)之四得(2)混合氣體平均分子量(3)氣體熱容表5-2-2氣體比熱容表NH3CH4ArH2N2(4)氣體導(dǎo)熱系數(shù)λ高溫下含氮混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)，用氮的對比導(dǎo)熱系數(shù)圖進(jìn)行計算正參數(shù)表5-2-3臨界修正參數(shù)表NH3CH4ArH2N2假對比參數(shù)(5)氣體粘度μ表5-2-4各組分氣體粘度表NH3CH4ArH2N2高壓下含氨混合氣體的粘度(6)雷諾準(zhǔn)數(shù)重量流量管道截面積，設(shè)管道數(shù)為則重量流速（7）普蘭特準(zhǔn)數(shù)管內(nèi)給熱系數(shù)5.2.3管外給熱系數(shù)式中Q—鍋爐熱負(fù)荷，,F—鍋爐換熱面積，m2,p—蒸氣壓力，Mpa設(shè)鍋爐換熱面積，絕熱蒸氣5.2.4傳熱總系數(shù)K設(shè)氣相測污垢系數(shù)設(shè)液相側(cè)污垢系數(shù)5.2.5傳熱溫差管內(nèi)氣體溫度管內(nèi)軟水溫度5.2.6傳熱面積實取換熱面積按一根U型管長8.04m，需列管數(shù)5.3熱交換器設(shè)備工藝計算:5.3.1計算條件（1）列管式換熱器，冷氣-殼程，熱氣-管程（2）列管尺寸無縫鋼管，，，（3）熱負(fù)荷（4）產(chǎn)量（5）冷氣體壓力（6）冷氣入口溫度（7）冷氣出口溫度（8）冷氣氣量（9）熱氣體壓力（10）熱氣入口溫度（11）熱氣出口溫度（12）熱氣氣量5.3.2管內(nèi)給熱系數(shù)的計算式中各物性數(shù)據(jù)取之平均溫度之值(1)壓縮系數(shù)和體積流量由廢熱鍋爐壓縮系數(shù)計算知，對比壓力,對比溫度查手冊普遍化壓縮系數(shù)之四得則氣體體積流量(2)混合氣體平均分子量(3)氣體熱容查《小氮肥廠工藝手冊》（理化數(shù)據(jù)）并計算得(4)氣體導(dǎo)熱系數(shù)λ表5-3-1各組分導(dǎo)熱系數(shù)表NH3CH4ArH2N20.14180.19070.08430.81480.12042.5712.5093.4191.2593.037由計算由前計算，(5)氣體粘度μ表5-3-2各組分氣體粘度表NH3CH4ArH2N20.650.9110.89高壓下含氨混合氣體的粘度(6)雷諾準(zhǔn)數(shù)設(shè)取管內(nèi)流速(7)普蘭特準(zhǔn)數(shù)管內(nèi)給熱系數(shù)5.3.3管外給熱系數(shù)式中冷氣體物性數(shù)據(jù)取平均溫度(1)壓縮因子Z由前計算知對比壓力查《小氮肥廠工藝手冊》（理化數(shù)據(jù)）普遍化壓縮系數(shù)之四得(2)混合氣體分子量．(3)氣體熱容容表5-3-3氣體比熱容表NH3CH4ArH2N20.7863.6291.08919.4