年產(chǎn)五萬噸合成氨合成工段工藝設(shè)計模板

資料內(nèi)容僅供您學(xué)習(xí)參考，如有不當(dāng)或者侵權(quán)，請聯(lián)系改正或者刪除。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 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)備選型及管道計算 404.1管道計算 404.2設(shè)備選型 42結(jié)論 43致謝 44參考文獻(xiàn) 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?jǐn)?shù)組成如下:H273.25%,N225.59%,CH41.65%,Ar0.51%合成操作壓力為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?jǐn)?shù)達(dá)到17%。經(jīng)過查閱相關(guān)文獻(xiàn)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及儀表流程圖和設(shè)備布置圖。最后對該工藝流程進(jìn)行了物料衡算、能量衡算,并根據(jù)設(shè)計任務(wù)及操作溫度、壓力按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對工藝管道的尺寸和材質(zhì)進(jìn)行了選擇。關(guān)鍵詞:物料衡算,氨合成,能量衡算

TheDesignof50kt/aSyntheticAmmoniaProcessAbstract:Thereare

manytypesofAmmoniasynthesistechnologyandprocess,Generally,theyincludesammoniasynthesis,separationandrecycling,inertgasesEmissionsandotherbasicsteps,Combiningtheabovebasicstepsturnningintotheammoniasynthesisreactionandrecyclingprocess,inwhichammoniasynthesissectionisthecentralpartofasyntheticammoniaprocess.Thetaskofcurriculumdesignistheammoniasynthesissectionofanannualfiftythousandtonssyntheticammoniaplant.Thecompositionoffreshfeedgasis:H2(73.77%),N2(24.56%),CH4(1.27%),Ar(0.4%),thetemperatureis35℃,theoperatingpressureis31MPa,theinletgascompositionoftheReactoris:NH3(3.0%),CH4+Ar(15.7%),itRequiresthemolefractionofammoniareachedsto16.8%ofoutletgasofsynthesisreactor.Byconsultingtherelevantliteratureandinformation,wedesignedtheammoniasynthesissectionofanannualfiftythousandtonssyntheticammoniaplant,withthehelpofCADtechnology,wedesignedpipingandinstrumentdiagramandequipmentlayout.Finally,wedidthematerialbalanceaccounting,andtheenergybalanceaccountingoftheprocess,alsoweselectedpipingsizeandmaterialaccordingtothedesignoperationoftemperature,pressureandrelevantstandards.Keywords:ammoniasynthesissectionmaterialbalanceaccountingenergybalanceaccounting

1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(jì)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(biāo)志著氮肥工業(yè)的水平。以氨為主要原料能夠制造尿素、硝酸銨、碳酸氫銨、硫酸銨、氯化銨等氮素肥料。還能夠?qū)奔庸ぶ瞥筛鞣N含氮復(fù)合肥料。另外,液氨本身就是一種高效氮素肥料,能夠直接施用,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。中國的氮肥工業(yè)自20世紀(jì)50年代以來,不斷發(fā)展壯大,當(dāng)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?fàn)t氣、天然氣及油田伴生氣和液態(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。當(dāng)前中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(jìn)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(dá)到4500萬t/a。氮肥工業(yè)已基本滿足了國內(nèi)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(jìn)一步改進(jìn)經(jīng)濟(jì)性。只有經(jīng)過科技進(jìn)步對經(jīng)濟(jì)增長的貢獻(xiàn)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(jì)中占有重要的地位。中國大多數(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(jìn)行技術(shù)改造的重點。當(dāng)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(jìn)先進(jìn)的煤氣化工藝制取合成氣,降低產(chǎn)品成本,改進(jìn)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煤氣化技術(shù),這也是中國當(dāng)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(jìn)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(jìn)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。基于裝置經(jīng)濟(jì)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)裝置當(dāng)前已經(jīng)停車或進(jìn)行以結(jié)構(gòu)調(diào)整為核心內(nèi)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,以煤為原料制氨等煤化工及其相關(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,改進(jìn)經(jīng)濟(jì)性”的基本目標(biāo),進(jìn)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(jìn)行技術(shù)的研究開發(fā)。大型化、集成化、自動化,形成經(jīng)濟(jì)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(jìn)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”改進(jìn)經(jīng)濟(jì)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”改進(jìn)經(jīng)濟(jì)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(jìn)控制技術(shù)等將越來越受到重視。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70～100MPa,溫度為550～650℃。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,因此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。當(dāng)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20～60MPa,溫度450～550℃,其優(yōu)缺點介于高壓法與低壓法之間,當(dāng)前此法技術(shù)比較成熟,經(jīng)濟(jì)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(biāo)和流程的布置情況?？偟膩砜?在15～30Pa的范圍內(nèi),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400～450℃。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(yán)格。又因操作壓力低,氨的合成效率低,分離較困難,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能夠分為: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?jǐn)?shù)/%73.2524.591.650.51100(3)合成塔入口氣:yNH3為3.0%,y(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)其它部位的溫度和壓力,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)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(jìn)入冷交換器和氨冷器進(jìn)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(jìn)入合成塔,進(jìn)塔走塔內(nèi)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)塔內(nèi)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(jìn)到氨分離器分離出液氨。氣體則進(jìn)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(jìn)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(zhǔn)。2.1合成塔入口氣組成(摩爾分?jǐn)?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%H2:N2:yCH4:yAr:y入塔氣組成列入下表(包括3,4,5點)組分NH3H2N2CH4Ar合計摩爾分?jǐn)?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,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=總物質(zhì)的量的減少量nNH3=聯(lián)立解出nNH3或n式中:nNH3合成塔中生成的氨,kmoln3入口氣總物質(zhì)的量,kmoln6出口氣總物質(zhì)的量,kmoly3,NH3合成塔入口氨摩爾分?jǐn)?shù)y6,NH3合成塔出口氨摩爾分?jǐn)?shù)將已知數(shù)據(jù)代入,則n出塔氣總物質(zhì)的量n因此出塔氣組成(6點)NH3:y6,NH3=17.00%H2:y6,H2CH4:y6,CH4N2:yAr:y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?jǐn)?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η==2.4氨分離器出口氣液組成計算FFiV,yiL,xi設(shè)合成反應(yīng)后在水冷器內(nèi)部分氨被液化FFiV,yiL,xi已知進(jìn)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:F?Fi=V?y根據(jù)氣液平衡關(guān)系yi=m式中:mi為各組分的相平衡常數(shù)。把式(2)代入式(1)得Fi或L?xi=式中:Li為液相中各組分的量?？傄毫縇=Li液體組分的摩爾分?jǐn)?shù)xi=Li氣體總量V=F-L=1-L(6)氣體組分含量,按(2)式y(tǒng)i對以上各式求解,需用試差法,現(xiàn)采用直接迭代法進(jìn)行計算。已知分離器入口氣液混合物組成Fi組分FFFFF合計摩爾分?jǐn)?shù)0.170.49050.163480.134200.041871查t=35℃,p=30MPa下各組分的相平衡常數(shù)(mmmmmm0.1127.534.58.238先設(shè)R=VL=12,假定入口氣液混合物量F=1kmol以VL=12代入式(3液相中各組分的量:LLLLL液相總量:L=∑分離后氣相總量:V=F-L=1-0.07660=0.9234kmol計算氣液比:V誤差=設(shè)R=VL=12.055誤差=設(shè)R=VL=12.089,計算得誤差=設(shè)R=VL=12.113,計算得誤差=以VL=12.127代入式(3LLLLL計算得VL'在允許范圍之內(nèi),假定值能夠認(rèn)定VL液體組成(摩爾分?jǐn)?shù)):按xi表2.1氨分離器出口液體組成(17點)組成NH3H2N2CH4Ar合計摩爾分?jǐn)?shù)/%95.6818%1.9259%0.5121%1.7551%0.1191%100.000分離后氣體組成:yiNH3:y同法計算其它組分,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?jǐn)?shù)/%10.5177%52.9172%17.6528%14.3810%4.5222%100.000V=0.92388kmolL=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)機和油分離器后進(jìn)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)系能夠求出。其關(guān)系式為y從手冊差得在操作條件下(t=-4.5℃,p=30MPa)的相平衡常數(shù)mmmmm0.030570752540冷交換器出口液體組成,根據(jù)yi計算結(jié)果列入下表(18點):組成NH3H2N2CH4Ar合計摩爾分?jǐn)?shù)0.983610.008730.002720.004730.000112.6液氨貯槽馳放氣和液相組成的計算L17,x17,i17L18,x18,i18X19,i19V,yi20L17,x17,i17L18,x18,i18X19,i19V,yi20L,xi21水冷后的氨分離囂分離的液氨占總量的摩爾分?jǐn)?shù)G可由下式計算:G=代入已知數(shù)據(jù):yG=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。x計算結(jié)果列入下表(19點)組成NH3H2N2CH4Ar合計摩爾分?jǐn)?shù)/%96.936%1.434%0.400%1.156%0.068%100.000根據(jù)氨貯槽的壓力t=20℃mmmmm0.598575620170540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)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L則液氨中各組分的物質(zhì)的量:NHHNCHAr:L=∑VL'以VL=0.0789代入式(3LLLLLL=∑V=F-L=1-0.92688=0.07312kmol計算得VL'在允許范圍之內(nèi),假定值能夠認(rèn)定VL液體組成(摩爾分?jǐn)?shù)):按xiNH3:x其它組分計算結(jié)果列入下表(21點,產(chǎn)品液氨組成)組成NH3H2N2CH4Ar合計摩爾分?jǐn)?shù)/%99.879%0.033%0.009%0.087%0.002%100.000馳放氣氣體組成:yiNH3:y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?jǐn)?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(zhǔn),折成標(biāo)準(zhǔn)狀況下的氣體體積,以m3為單位計,則L其中各組分的體積,按LNH3:LH2:LN2:LCH4:L21,CH4Ar:L液氨貯槽馳放氣體積,按VL馳放氣體積:VNH3:VH2:VN2:VCH4:VAr:V液氨貯槽出口總物料體積:L因此入口總物料也應(yīng)與出口相等:L入口物料各組分體積按L19,iNH3:LH2:LN2:LCH4:LAr:LL由x19,i組成NH3H2N2CH4Ar合計摩爾分?jǐn)?shù)/%96.942%1.432%0.400%1.157%0.069%100.000結(jié)果與x19,i2.8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(jìn)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(zhǔn),即等于1319.2433m3(液氨折成標(biāo)準(zhǔn)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100.73250.24590.01650.0051V1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)V1y氮平衡:V1y惰氣平衡:V1(氨平衡:合成塔內(nèi)生成的氨應(yīng)等于排出的氨V6y總物料平衡:合成反應(yīng)后進(jìn)出口氣體體積減少了V3-V6v1=v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+式(2):0.2459V1=(0.17653+1式(1)’加式(2)’得:0.9784=0.91616V12+2788.42733數(shù)據(jù)代入式(3)得:0.0216V1=0.1890V將式(3)’與式(6)聯(lián)立解得:V將已知數(shù)據(jù)V1和V12的值代入式(4)與式(5)。式(4):0.170.17V6-0.03V式(5):3100.96430V3-V6(4)’與(5)’聯(lián)立解得:V(3)合成塔進(jìn)出口物料量(各組分的量)a.入塔總物料量:VV其中各組分的量按照V3,iNHHNCHAr:b.出塔總物料量,V其中各組分量按照V6,iNHHNCHAr:(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)生變化與合成出口相同,即V(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全一致。即V經(jīng)氨分離器后,分為氣相和液相兩股物料。即V10=V11+按前面氨分器氣液平衡算得氣液比:V和V由以上兩式能夠解得VL17換算成質(zhì)量Lb.氨分離器出口氣體組分的體積,按V11,iNH=948.99024HNCHAr:氨分離器出口液體組分的量,按L17,iNHHNCHAr:(6)循環(huán)機入口V13和出口V14:由流程圖上表明進(jìn)入循環(huán)機之前,有放空氣放出。因此V其中各組分的量按照V13,iNHHNCHAr:放空氣中各組分的量:按V12,iNHHNCHAr:(7)冷交換器進(jìn)出口物料a.進(jìn)氣量:V2=循環(huán)機出口加上補充氣的量即Vb.補充氣中各組分的量:按V1,iNHHNCHAr:c.冷交換器入口氣體各組分的量:按V2,iNHHNCHAr:d.冷交換器入口氣體組成(2點):按照y2,iNH其它組分的計算結(jié)果如下表(2點)組成NH3H2N2CH4Ar合計摩爾分?jǐn)?shù)0.007650.582430.194670.110520.034731.000e.冷交換器出口氣體的量V3V其中各組分的量按V3,iNHHNCHAr:f.冷交換器出口液氨的量:它是進(jìn)出口氣體體積之差。L其中分組分的量按L18,iNHHNCHAr:g.液氨貯槽物料衡算(均以標(biāo)準(zhǔn)狀況下氣體體積計)進(jìn)入貯槽的液氨量:L貯槽中排除產(chǎn)品液氨的量:L21結(jié)果與計算基準(zhǔn)基本一致。(8)物料衡算結(jié)果匯總?cè)缦?(以下物料量均在標(biāo)準(zhǔn)狀況下,按1t,NH3計算。)補充新鮮氣(1點)V氨冷器入口氣(2點)合成塔進(jìn)出口(3,4,5點)合成塔出口(6,7,8,9點)水冷卻器出口(10點)(氣液混合,以氣體計)氨分離器出口氣體(11點)放空氣(12點)循環(huán)壓縮機進(jìn)出口氣(13,14點)氨冷器進(jìn)出口(15,16點)(氣液混合)氨分離器液體出口(17點)冷交換器液體出口(18點)兩股液氨合并(19點)馳放氣(20點)產(chǎn)品液氨(21點)(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(zhǔn)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?jǐn)?shù)/%m3/tNH3m3/hkmol/hNH33335.28952221.292999.1649H261.1256831.523445258.84252020.4840N220.3752277.174515086.2808673.4947CH411.8141320.37008747.4514390.5112Ar3.686411.95902729.2285121.8406∑10011176.316474043.09623305.4954表2.4合成塔出口(6點和7,8,9,10點)組成摩爾分?jǐn)?shù)/%m3/tNH3m3/hkmol/hNH317.0001660.359010999.8782491.0660H249.0454790.135631734.64861416.7254N216.3481596.711910578.2162472.2418CH413.4201310.70698683.4333387.6533Ar4.187408.93662709.2053120.9467∑1009766.817564705.16592888.6235表2.5氨分離器出口氣(11點)組成摩爾分?jǐn)?shù)/%m3/tNH3m3/hkmol/hNH310.518949.01736287.2396280.6803H252.9274775.493331637.64331412.3948N217.6531592.793510552.2572471.0829CH414.3801297.47758595.7888383.7406Ar4.522408.01072703.0707120.6728∑1009022.792459775.99972668.5714表2.6循環(huán)機入,出口(13,14點)組成摩爾分?jǐn)?shù)/%m3/tNH3m3/hkmol/hNH310.518920.81506100.3993272.3393H252.9274633.578230697.45531370.4221N217.6531545.459910238.3444457.0836CH4414.3801258.91998340.3444372.3368Ar4.522395.88572622.7425117.0867∑1008754.658657999.61322589.2684表2.7放空氣(12點)組成摩爾分?jǐn)?shù)/%m3/tNH3m3/hkmol/hNH310.51828.2023186.84038.3411H252.927141.9152940.188041.9727N217.65347.3337313.585613.9994CH414.38038.5577255.444511.4038Ar4.52212.125080.32823.5861∑100268.13381776.386479.3030表2.8新鮮補充氣(1點)組成摩爾分?jǐn)?shù)/%m3/tNH3m3/hkmol/hNH30000H273.252271.456415048.3983671.8035N224.59762.52715051.7422225.242CH41.6551.1659338.974215.1382Ar0.5115.8149104.77384.6774∑1003100.964320543.8885917.1379表2.9冷交換一入(2點),一出(15點),二入(16點)組成摩爾分?jǐn)?shù)/%m3/tNH3m3/hkmol/hNH37.765920.68916098.9027272.2725H258.2436905.070445746.09172042.2362N219.4672307.934115290.0635682.5921CH411.0521310.28348680.6278387.5280Ar3.473411.74582727.8158121.7775∑10011855.622978543.50173506.4063表2.10氨分離器出口液氨(17點)組成摩爾分?jǐn)?shù)/%m3/tNH3m3/hkmol/hNH395.682711.89814716.3249210.5502H21.92614.329994.93574.2382N20.5121.12677.46420.3332CH41.7553.905925.87671.1552Ar0.1190.26481.75460.0783∑100744.02514929.1663220.0520表2.11冷交換器出口液氨(18點)組成摩爾分?jǐn)?shù)/%m3/tNH3m3/hkmol/hNH398.361668.17264426.6439197.6180H20.8735.930339.28851.7540N20.2721.847712.24110.5465CH40.4733.213121.28690.9503Ar0.010.00680.04500.0020∑100679.30654500.4056200.9110表2.12馳放氣組成(20點)組成摩爾分?jǐn)?shù)/%m3/tNH3m3/hkmol/hNH351.75162.1938412.033918.3944H219.18819.9725132.31765.9070N25.3615.580236.96871.6504CH414.71315.3145101.45864.5294Ar0.9080.94516.26140.2759∑100104.0883689.585030.7850表2.13液氨貯槽入口(19點)組成摩爾分?jǐn)?shù)/%m3/tNH3m3/hkmol/hNH396.9361379.81739141.2897408.0933H21.43420.4120135.22956.0370N20.4005.693737.72091.6840CH41.15616.4549109.01354.8667Ar0.0680.96796.41260.2863∑99.9941423.33169429.5719420.9630表2.14產(chǎn)品液氨(21點)組成摩爾分?jǐn)?shù)/%m3/tNH3m3/hkmol/hNH399.8791317.64708729.4115389.7059H20.0330.43542.88420.1288N20.0090.11870.78660.0351CH40.0871.14777.60380.3395Ar0.0020.02640.17480.0078∑1001319.24338739.9869390.17803能量衡算根據(jù)已知條件和物料衡算結(jié)果,對整個系統(tǒng)的各個設(shè)備進(jìn)行能量衡算。從回路中任何一個設(shè)備開始計算均可。現(xiàn)從合成塔開始,逐次對各單元設(shè)備進(jìn)行能量衡算。3.1合成塔能量衡算計算基準(zhǔn):以小時產(chǎn)量(單位為kmol/h)為基準(zhǔn)。溫度基準(zhǔn)為O℃(熱力學(xué)溫度273.2K,計算中涉及的溫度實為溫差)。QQ3Q5Q6Q4QKQ損③⑤⑥④圖3.1合成塔能量平衡示意圖熱平衡式:Q式中:Q3,Q4,Q5,Q6均為顯熱,需熱容數(shù)據(jù)。計算中先按常壓下求取,然后再進(jìn)行壓力校正。(利用普遍化熱容差校正圖)(1)合成塔一次入塔氣帶入熱量Q3根據(jù)合成塔一次入氣③,t3=30求得Cp3,mQ(2)合成塔二次入塔氣帶入熱量Q5由已知t5=180℃,p5=30.8MPa求得Cp5,mQ(3)合成塔一次出塔氣帶出熱量Q4由已知t4=50℃,p4=30.9MPa求得Cp6,mQ(4)合成塔二次出塔氣帶出熱量Q6由已知t6=360℃,p6=30MPa求得Cp6,mQ(5)合成反應(yīng)熱QR反應(yīng)熱數(shù)值,由《小氮肥工藝設(shè)計手冊》查圖取:-HR=53509.86J/molNH3由物料衡算知,塔內(nèi)反應(yīng)生成氨為△nNH3Q=391.9011kmol/h熱平衡．減差值為熱損失Q占總收入熱Q根據(jù)經(jīng)驗,此數(shù)據(jù)是合理的。合成塔內(nèi)溫升核算:由于二次入塔溫度為180℃,經(jīng)過反應(yīng)后,溫度升高后的數(shù)值,應(yīng)為出口氣體溫度。按下速公式進(jìn)行核算△式中:C為進(jìn)出口平均摩爾定壓熱容;△yn3△則t與設(shè)定的出口溫度360℃相差無幾,能夠認(rèn)為計算正確。表3.1合成塔能量平衡匯總表收入項支出項項目熱量/KJ·h-1項目熱量/KJ.h-1一次入塔氣Q33189132一次入塔氣Q45199379二次入塔氣Q518236953二次入塔氣Q434954516反應(yīng)熱QR20970573熱損失Q損2242763小計42396658小計42396658Q6eq\o\ac(○Q6eq\o\ac(○,6)360℃軟水蒸汽eq\o\ac(○,7)Q7250℃Q損圖3.2廢熱鍋爐能量平衡示意圖經(jīng)過衡算,可求得廢熱鍋爐熱負(fù)荷,從而可知生產(chǎn)蒸汽量。(1)入口氣帶入熱Q6Q(2)出口氣帶出熱Q7按前速方法求取摩爾定壓熱客Cp,m由t7=250℃,p7=29.2MPa求得CQ7=24306972kJ/h(3)廢熱鍋爐熱負(fù)荷△(4)可副產(chǎn)蒸汽量設(shè)定軟水溫度為90℃,其焓H水=377.42kJ/kg,飽和蒸汽壓力為1.3MPa(絕),其如考慮2%的熱損失,則由熱平衡,可求得蒸汽量:W=軟水帶入熱量為1634490kJ/h蒸汽帶出熱量為12069084kJ/h熱損失為10表3.2廢熱鍋爐能量平衡匯總表收入項支出項項目熱量/kJ·h-1項目熱量/kJ·h-1進(jìn)爐熱氣Q634954516出爐熱氣Q724306972軟水帶入熱Q水1634490蒸汽帶出熱Q汽12069084熱損失Q損212950小計36589006小計365890063.3熱交換器能量衡算 冷、熱氣體的熱量,已有三項由合成塔和廢熱鍋爐的能量衡算確定。此處計算目的是確定出口熱氣體的溫度t8。(1)冷氣體(即合成一次出塔氣)帶入熱量QQQ7Q8Q4Q5④⑦⑤⑧圖3.3熱交換器能量平衡示意圖(2)冷氣體(即合成二次入塔氣)帶出熱量Q(3)熱氣體(即廢熱鍋爐來氣)帶入熱量(4)熱氣體出口帶出熱量Q=11269398kJ/h根據(jù)此值,按顯熱計算,求得出口溫度為115℃。表3.3熱交換器能量平衡匯總表收入項支出項項目熱量/kJ·h-1項目熱量/kJ·h-1合成一次出塔氣Q45199379去合成二次入塔氣Q518236953廢熱鍋爐來氣Q724306972熱氣出口去軟水預(yù)熱器Q811269398小計29506351小計295063513.4軟水預(yù)熱器能量衡算經(jīng)過衡算,能夠算出可能回收的熱量和可預(yù)熱的軟水量作為鍋爐給水。(1)熱氣體(從熱交器來氣)帶入熱量Q8(2)熱氣體(去水冷卻器)帶出熱量設(shè)定溫度為t2525℃90℃Q8115℃Q980℃圖3.4軟水預(yù)熱器能量平衡示意圖經(jīng)過計算和查圖,求得C算得Q(3)熱負(fù)荷(可回收的熱量,忽略熱損失)?Q(4)軟水量假定來水溫度為25℃,預(yù)熱到90℃,則軟水量W=除供給廢熱鍋爐外,還可送出。軟水帶入熱:1219252kJ/h軟水帶出熱:4389310kJ/h表3.4軟水預(yù)熱器能量平衡匯總表收入項支出項項目熱量/kJ·h-1項目熱量/kJ·h-1熱交換器來氣Q811269389去水冷器的氣Q98099261軟水帶入熱1219252軟水帶出熱4389310小計12488641小計124885713.5水冷卻器和氨分離器能量衡算35℃25℃水冷器氨分離器Q8eq\o\ac(○,8)80℃eq\o\ac(○,10)35℃eq\o\ac(○,11)Q1135℃eq\o\ac(○,17)Q1735℃圖3.5水冷卻器和按分離器能量平衡示意圖經(jīng)過能量衡算,可求出水冷移出的熱量和冷卻水消耗量。假定氨分離器無溫度和熱量變化,忽略熱損失,故與水冷器作為一個系統(tǒng)計算,并假定水冷器為套管冷卻囂。(l)氣體帶入熱Q9由軟水預(yù)熱器計算得Q(2)氣體帶出熱Q由物料衡算知氣體量為C算得:Q(3)液氨帶出熱由手冊查得35℃時,液氨比熱容為4.8988kJ/(kg·K)由物料衡算知氨分離器,液體排出量每小時為其中氨量為210.5502kmol/h,溶解的氣體為9.5018kmol/h算得液體帶出熱:Q而溶解氣帶出熱:總帶出熱:Q(4)液氨冷凝放出熱由手冊查得,氨的冷凝熱為1123.9583kJ/kg算得:Q凝(5)冷卻水移出熱Q水Q(6)需要冷卻水量W取冷卻水溫度為25℃,升高到35℃。則W=表3.5水冷卻器能量匯總表收入項支出項項目熱量/kJ·h-1項目熱量/kJ·h-1熱氣體帶入熱Q98099261氣體出口帶出熱Q113223486氨冷凝放熱Q凝4023044液體出口帶出熱Q17625188冷卻水移出熱Q水8273631小計12122305小計121223053.6循環(huán)壓縮機能量衡算(1)循環(huán)壓縮機出口溫度計算能夠認(rèn)為是絕熱壓縮過程,出口氣體溫度會因壓縮而升高。己知入口氣體溫度為35入口壓力為28.6MPa出口壓力為31.8MPa由手冊查得各組分的絕熱指數(shù)以及進(jìn)氣組成列入下表:組分NH3H2N2CH4Ar摩爾分?jǐn)?shù)0.150180.529270.176530.143804.522絕熱指數(shù)1.291.4071.41.3081.66混合氣體的絕熱指數(shù),按下述公式計算。1KT(2)進(jìn)口氣體帶入熱Q13由物料衡算知,氨分離器來氣有部分放空,進(jìn)入循環(huán)壓縮機的氣量每小時為2589.2684kmol/h。摩爾定壓熱容與氨分出口的相同C計算得Q(3)出口氣帶出熱Ql4經(jīng)計算:C則Q(4)絕熱壓縮提供能Q(5)絕熱功校核按下述公式計算壓縮功率:P=16.674已知:p查得:Z進(jìn)口氣體實際狀態(tài)的流量應(yīng)為V因此P=194.352kW折成每小時的熱量:Q結(jié)果Q此誤差不大,能夠認(rèn)為計算是平衡的,實際壓縮功率應(yīng)為715984/3600=198.88kW3.7冷交換器與氨冷器能量衡算現(xiàn)將兩個設(shè)備作為一個系統(tǒng)進(jìn)行能量衡算對象。eq\o\ac(○,3)冷交換器Q330℃Q液液氨25℃eq\o\ac(○,15)eq\o\ac(○,16)氨蒸氣-15℃Q冷eq\o\ac(○,18)eq\o\ac(○,2)eq\o\ac(○,14)eq\o\ac(○,1)35℃42℃Q14-4.5℃Q18圖3.6冷交換器與氨冷器能量平衡示意圖能量平衡式:Q過程中,氨冷器使循環(huán)氣中的氨大部分被液化,液化放出熱量Q液,經(jīng)過衡算,可求得氨冷器的冷凍量。(1)熱氣體(循環(huán)機來)帶入熱Q14經(jīng)計算和查圖,摩爾定壓熱容Cp14,m算得Q(2)新鮮補充氣帶入熱Q1經(jīng)查圖,摩爾定壓熱容C計算得:Q1(3)氣體(去合成塔)帶出熱Q3由合成塔熱衡算知Q(4)氨的冷凝熱Q液查手冊在-4.5℃下,氨的冷凝熱為1279.0448kJ/kg。由物料衡算結(jié)果,液氨量為197.6180kmol/h。經(jīng)計算:Q液(5)液氨帶出熱Q18冷交排出的液氨濃度為98.44%,其余為溶解的其它氣體,為簡單起見,均計入液氨中。液量為200.911kmol/h。故從手冊可得-4.5℃時,液氨比熱容為4.5639kJ/(kg?K)計算得:Q(6)由液氯蒸發(fā)移出的熱量Q冷

Q(7)冷凍液氨量G查25℃時液氨的焓值HNH3,15℃時氣氨的焓值H冷凍氨量G=Q表3.6冷交換器和氨冷器熱平衡匯總表收入項支出項項目熱量/kJ·h-1項目熱量/kJ·h-1循環(huán)氣帶入熱Q143669353循環(huán)氣帶出熱Q33189132新鮮補充氣Q198液氨帶出熱Q18-70146氨冷凝熱Q液4296959液氨蒸發(fā)移出熱Q冷5829334小計8948320小計89483203.8合成全系統(tǒng)能量平衡匯總Q水Q水水冷卻器移出熱合成系統(tǒng)新鮮氣帶入熱Q1合成反應(yīng)熱QR壓縮熱QN氨冷凝熱QYQ損熱損失Q12放空氣帶出熱Q17氨分液氨帶出熱Q18冷交液氨帶出熱Q冷氨冷器移出熱Q汽廢熱鍋爐移出熱Q軟軟水預(yù)熱器移出熱圖3.7全系統(tǒng)能量平衡示意圖其中的各項熱量說明:(1)氨冷凝熱QY包括水冷器中和氨冷器中的氨冷凝熱。(2)放空氣帶出熱Q12,由氨分后與入循環(huán)機的氣體的熱量之差確定。(3)由氨分離器和冷交換器排出液氨熱量Ql7和Q18作為支出項。包括了弛放氣和產(chǎn)品氨的熱量。(4)熱損失項Q損,包括已計入的合成塔熱損失(實際上包括計算誤差在內(nèi))和油分離器的熱損失,(循環(huán)機出口44℃,油分出口為42℃)后者由Q14和Q'14確定其差為Q則Q(5)其它各項均為各單元設(shè)備計算結(jié)果?，F(xiàn)將各項熱平衡匯總?cè)缦卤?。?.7能量平衡匯總表收入項支出項項目熱量/kJ·h-1項目熱量/kJ·h-1新鮮氣帶入熱Q1948255放空氣帶出熱Q1262361合成反應(yīng)熱QR22130603氨分液氨帶出熱Q17634277循環(huán)壓縮機壓縮熱QP763028冷交液氨帶出熱Q18-64825廢熱鍋爐移出熱Q汽11215701氨冷凝熱QY8272737軟水預(yù)熱器移出熱Q軟3440225水冷卻器移出熱Q水8738178氨冷器移出熱Q冷5624611熱損失Q損2464095小計32114623小計32114623

4設(shè)備選型及管道計算4.1管道計算取液體流速u=10m/s,氣體流速u=2m/s,則:v=1點:vd根據(jù)化肥用高壓無縫鋼管GB6479-86,選擇管子規(guī)格為?58×32點:vd根據(jù)化肥用高壓無縫鋼管GB6479-86,選擇管子規(guī)格為?1543點:vd根據(jù)化肥用高壓無縫鋼管GB6479-86,選擇管子規(guī)格為?133×17mm。4點:vd根據(jù)化肥用高壓無縫鋼管GB6479-86,選擇管子規(guī)格為?154×23mm。5點:vd根據(jù)化肥用高壓無縫鋼管GB6479-86,選擇管子規(guī)格為?180×19mm。6點:vd根據(jù)化肥用高壓無縫鋼管GB6479-86,選擇管子規(guī)格為?180×19mm。7點:vd根據(jù)化肥用高壓無縫鋼管GB6479-86,選擇管子規(guī)格為?180×19mm。8點:vd根據(jù)化肥用高壓無縫鋼管GB6479-