天然氣合成氨20萬噸合成工段設(shè)計說明書-畢業(yè)設(shè)計

天然氣合成氨20萬噸合成工段設(shè)計說明書第一章總論 3 3 41.2.1氨的物理性質(zhì) 41.2.2氨的化學(xué)性質(zhì) 41.3原料氣來源 5 51.4.1合成氨工業(yè)的發(fā)展 51.4.2合成氨工業(yè)的現(xiàn)狀 61.4.3合成氨工業(yè)的發(fā)展趨勢 61.5設(shè)計任務(wù)的項目來源 7第二章流程方案的確定 72.1生產(chǎn)原理 72.2各生產(chǎn)方法及特點 72.3工藝流程的選擇 92.4合成塔進(jìn)口氣的組成 第三章工藝流程簡述 3.1合成工段工藝流程簡述 3.2工藝流程方框圖 第四章工藝計算 4.1物料衡算 4.1.2計算物料點流程圖 4.1.3合成塔入口氣組分 4.1.4合成塔出口氣組分 4.1.6氨分離器氣液平衡計算 4.1.7冷交換器氣液平衡計算 4.1.8液氨貯槽氣液平衡計算 4.1.9液氨貯槽物料計算 234.1.10合成系統(tǒng)物料計算 4.1.11合成塔物料計算 4.1.12水冷器物料計算 274.1.13氨分離器物料計算 4.1.14冷交換器物料計算 4.1.15氨冷器物料計算 4.1.16冷交換器物料計算 324.1.17液氨貯槽物料計算 4.2熱量衡算 374.2.1冷交換器熱量計算 374.2.2氨冷凝器熱量衡算 4.2.3循環(huán)機(jī)熱量計算 424.2.4合成塔熱量衡算 4.2.5廢熱鍋爐熱量計算 474.2.6熱交換器熱量計算 4.2.7水冷器熱量衡算 504.2.8氨分離器熱量核算 第五章設(shè)備選型及設(shè)計計算 5.1合成塔催化劑層設(shè)計 535.2廢熱鍋爐設(shè)備工藝計算 55 555.2.2管內(nèi)給熱系數(shù)的計算 555.2.3管外給熱系數(shù) 595.2.4傳熱總系數(shù)K 59 605.3熱交換器設(shè)備工藝計算 605.3.2管內(nèi)給熱系數(shù)的計算 5.3.3管外給熱系數(shù) 63 675.3.5傳熱面積核算 685.4水冷器設(shè)備工藝計算 685.4.2管內(nèi)給熱系數(shù)的計算 5.4.3管外給熱系數(shù) 71 715.4.5傳熱總系數(shù)K 715.5氨冷器設(shè)備工藝計算 725.5.2管內(nèi)給熱系數(shù)的計算 735.5.3管外給熱系數(shù) 765.5.4傳熱總系數(shù)K 76 77 77第六章車間布置 第七章“三廢”治理及綜合利用 7.1“三廢”的產(chǎn)生及污染 7.1.1廢氣污染危害 807.1.2廢水污染危害 7.1.3工業(yè)廢渣對環(huán)境的污染 82結(jié)束語 83參考文獻(xiàn) 84附錄 85物料衡算匯總表 85第一章總論氨是一種重要的含氮化合物。氮是蛋白質(zhì)質(zhì)中不可缺少的部分，是人類和一切生物所必須的養(yǎng)料；可以說沒有氮，就沒有蛋白質(zhì)，沒有蛋白質(zhì)，就沒有生命。大氣中存在有大量的氮，在空氣中氨占78體積分?jǐn)?shù)）以上，它是以游離狀態(tài)存在的。但是，如此豐富的氮，通常狀況下不能為生物直接吸收，只有將空氣中的游離氮轉(zhuǎn)化為化合物狀態(tài)，才能被植物吸收，然后再轉(zhuǎn)化成人和動物所需的營養(yǎng)物質(zhì)。把大氣中的游離氮固定下來并轉(zhuǎn)變?yōu)榭杀恢参镂盏幕衔锏倪^程，稱為固定氮。目前，固定氮最方便、最普通的方法就是合成氨，也就是直接由氮和氫合成為氨，再進(jìn)一步制成化學(xué)肥料或用于其它工業(yè)。在國民經(jīng)濟(jì)中，氨占有重要地位，特別是對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有著重大意義。氨主要用來制作化肥。液氨可以直接用作肥料，它的加工產(chǎn)品有尿素、硝酸銨、氯化氨和碳酸氫氨以及磷酸銨、氮磷鉀混合肥等。氨也是非常重要的工業(yè)原料，在化學(xué)纖維、塑料工業(yè)中，則以氨、硝酸和尿素作為氮元素的來源生產(chǎn)己內(nèi)酰胺、尼龍-6、丙烯腈等單體和尿醛樹脂等產(chǎn)品。由氨制成的硝酸，是各種炸藥和基本原料，如三硝基申苯，硝化甘油以及其它各種炸藥。硝酸銨既是優(yōu)良的化肥，又是安全炸藥，在礦山開發(fā)等基本建設(shè)中廣泛應(yīng)用。氨在其他工業(yè)中的應(yīng)用也非常廣泛。在石油煉制、橡膠工業(yè)、冶金工業(yè)和機(jī)械加工等部門以及輕工、食品、醫(yī)藥工業(yè)部門中，氨及其加工產(chǎn)品都是不可缺少的。例如制冷、空調(diào)、食品冷藏系統(tǒng)大多數(shù)都是用氨作為制冷劑。1.2.1氨的物理性質(zhì)氨在常溫下是無色氣體，比空氣輕，具有刺激性臭味，能刺激人體感官粘膜空氣中，含氨大于0.01％時即會引起人體慢性中毒。氣態(tài)氨易溶于水，成為氨水，氨水呈弱堿性。氨在水中的溶解度隨壓力增大而降低。氨水在溶解時放出大量熱。氨水中的氨極易揮發(fā)。常壓下氣態(tài)氨需冷卻到-33.35℃（沸點）才能液化。而在常溫下需加壓到0.87MPa時才能液化。液氨為無色液體，氣化時吸收大量的熱。⑴氨與氧在催化劑作用下生成氮的氧化物,并能進(jìn)一步與水作用,制得硝酸：4NH+5O→4NO+6HO⑵氨與酸或酐反應(yīng)生成鹽類,是制造氮肥的基本反應(yīng)：2NH+HNH+HNO=NHNONH3+HCl=NH4ClNH+HPO=NHHPO⑶氨與二氧化碳作用生成氨基甲酸銨,進(jìn)一步脫水成為尿素：2NH+CO=NHCOONHNH4COONH2=CO(NH2)2+H2O⑷氨與二氧化碳和水作用,生成碳酸氫銨：NH+CO+HO=NHHCO(5)氨可與鹽生成各種絡(luò)合物，如CuCl2?6NH3、CuSO4?4NH3。氨與空氣(或氧)的混合氣,在一定濃度范圍內(nèi)能發(fā)生劇烈的氧化作用而爆炸。在常溫常壓下，氨與空氣爆炸極限為15%～28%(NH3)。100℃,0.1MPa下，爆炸極限為14.5%～29.5%(NH3)。原料氣主要有兩部分：氮氣、氫氣。氮氣主要是從空氣中提取。氫氣是從半水煤氣中提取的，以煤為原料，在一定的高溫條件下通入空氣、水蒸氣或富氧空氣-水蒸氣混合氣，經(jīng)過一系列反應(yīng)生成含有一氧化碳、二氧化碳、氫氣、氮氣、及甲烷等混合氣體的過程。在氣化過程中所使用的空氣、水蒸氣或富氧空氣-水蒸氣混合氣等稱為汽化劑。這種生成的混合氣稱為煤氣。煤氣的成分取決于燃料和汽化劑的種類以及進(jìn)行汽化的條件。根據(jù)所用汽化劑的不同，工業(yè)煤氣可分為下列四種：空氣煤氣：以空氣為汽化劑制取的煤氣，又稱為吹風(fēng)氣。水煤氣：以水蒸氣（或水蒸氣與氧的混合氣）為汽化劑制取的煤氣。混合煤氣：以空氣和適量的水蒸氣為汽化劑制取的煤氣，一般作燃料用。半水煤氣：是混合煤氣中組成符合（H2+CO）/N2=3.1～3.2的一個特例。可用蒸氣與適量的空氣或蒸氣與適量的富養(yǎng)空氣為汽化劑制得，也可用水煤氣與吹風(fēng)混合配制。本設(shè)計采用半水煤氣，半水煤氣經(jīng)過凈化后得到純凈的氫氣，再配制適量的氮氣，成為合成氨的原料氣，其中含有氮氣、氫氣、以及惰性氣體甲烷和氬。合成氨工業(yè)是氮肥工業(yè)的基礎(chǔ)，也是一些工業(yè)部門的重要原料，它的迅速發(fā)展促進(jìn)了一系列科學(xué)技術(shù)和化學(xué)合成工業(yè)的發(fā)展，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，合成氨工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中的作用必將日益顯著。1.4.1合成氨工業(yè)的發(fā)展合成氨工業(yè)在20世紀(jì)初期形成，開始用氨作為火炸藥工業(yè)的原料，為戰(zhàn)爭服務(wù);第一次世界大戰(zhàn)結(jié)束后,轉(zhuǎn)向為農(nóng)業(yè)、工業(yè)服務(wù)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對氨的需要量日益增長，近30年來合成氨工業(yè)發(fā)展很快。目前，國內(nèi)合成氨年生產(chǎn)能力30萬噸以上的大型企業(yè)有26家，合成氨年生產(chǎn)能力10萬噸以上的中型企業(yè)有100多家，其他還有800多家小氮肥廠也生產(chǎn)約占總量60%的合成氨。1.4.2合成氨工業(yè)的現(xiàn)狀我國合成氨工業(yè)存在一些特殊問題，一是氮肥資源緊張。國際上以天然氣為原料的氮肥占85%。而我國氮肥原料以煤為主，天然氣僅占20%，我國氮肥行業(yè)急需解決采用成熟的粉煤氣化技術(shù)，以本地粉煤代替無煙塊煤。建議針對不同企業(yè)采用不同的技術(shù)路線。內(nèi)技術(shù)進(jìn)行改造。同時，對于有廉價天然氣資源的地區(qū)，鼓勵采用天然氣改造現(xiàn)有裝置或建設(shè)天然氣化肥基地。二是企業(yè)結(jié)構(gòu)不合理，產(chǎn)業(yè)集中度低，技術(shù)水平不高。在氮肥行業(yè)，要推廣新型煤氣化技術(shù)，包括粉煤氣化、水煤漿氣化技術(shù)等；新型凈化技術(shù)，如低溫變換、低溫甲醇洗MDEA等凈化技術(shù)；新型氨合成塔及大型低壓合成的成套技術(shù)和裝備。1.4.3合成氨工業(yè)的發(fā)展趨勢合成氨工業(yè)的發(fā)展趨勢:①原料路線的變化方向。煤的儲量約為石油、天然氣總和的10倍，自從70年代中東石油漲價后,從煤制氨路線重新受到重視,但因以天然氣為原料的合成氨裝置投資低、能耗低、成本低的緣故,預(yù)計到20世紀(jì)末,世界大多數(shù)合成氨廠仍將以氣體燃料為主要原料。②節(jié)能和降耗。合成氨成本中能源費用占較大比重，合成氨生產(chǎn)的技術(shù)改進(jìn)重點放在采用低能耗工藝、充分回收及合理利用能量上，主要方向是研制性能更好的催化劑、開發(fā)新的原料氣凈化方法、降低燃料消耗、回收和合理利用低位熱能等。③與其他產(chǎn)品聯(lián)合生產(chǎn)。合成氨生產(chǎn)中副產(chǎn)大量的二氧化碳，不僅可用于冷凍、飲料、滅火，也是生產(chǎn)尿素、純堿、碳酸氫銨的原料。到2010年，力爭組建50家大型企業(yè)集團(tuán)，大型氮肥廠合成氨平均規(guī)模達(dá)40萬噸/年以上，中型氮肥廠平均規(guī)模達(dá)20萬噸/年以上。其產(chǎn)品集中度達(dá)到50%，并形成3-5家在國際上有一定影響的大型企業(yè)集團(tuán)。同時，調(diào)整企業(yè)結(jié)構(gòu)，減少基礎(chǔ)肥料生產(chǎn)廠數(shù)量，提高單套裝置的規(guī)模，使合成氨工業(yè)朝現(xiàn)代化又邁進(jìn)一步。本課題是指導(dǎo)老師提高畢業(yè)生設(shè)計能力而選定的。希望通過此次課程設(shè)計讓學(xué)生可以較好地把理論學(xué)習(xí)中的分散知識點和實際生產(chǎn)操作有機(jī)結(jié)合起來，得到較為合理的設(shè)計成果，達(dá)到課程設(shè)計訓(xùn)練的目的，提高學(xué)生分析和解決化工實際問題的能力。第二章流程方案的確定氨是由氣態(tài)氮和氫在適宜溫度壓力,并有觸媒的作用下發(fā)生反應(yīng)的,其反應(yīng)式為：H2+N263+KJ氨合成的反應(yīng)特點：⑴反應(yīng)過程要在高壓下進(jìn)行，壓力越高，越有利于氨的合成。⑵溫度低時，反應(yīng)有利于向氨合成的方向進(jìn)行，但反應(yīng)速度較慢，提高溫度不利于反應(yīng)平衡，但可以加快反應(yīng)速度，在實際操作中，溫度的選擇取決于觸媒的活性。⑶必須借助觸媒，以加快反應(yīng)速度。⑷混合氣中氫、氮含量越高越有利于反應(yīng)，因此，氣體中惰性氣體含量越少越2.2各生產(chǎn)方法及特點合成氨的生產(chǎn)主要包括三個步驟：第一步是造氣，即制備含有氫、氮的原料氣；第二步是凈化，不論選擇什么原料，用什么方法造氣，都必須對原料氣進(jìn)行凈化處理，以除去氫、氮以外的雜質(zhì)；第三步是壓縮和合成，將純凈的氫、氮混合壓縮到高壓，在鐵催化劑與高溫條件下合成為氨。目前氨合成的方法，由于采用的壓力、溫度和催化劑種類的不同，一般可分為低壓法、中壓法和高壓法三種。操作壓力低于20MPa的稱低壓。采用活性強(qiáng)的亞鐵氰化物作催化劑，但它對毒物很敏感，所以對氣體中的雜質(zhì)（CO、CO2）要求十分嚴(yán)格。也可用磁鐵礦作催化劑，操作溫度450～550℃。該法的優(yōu)點是由于操作壓力和溫度較低，對設(shè)備、管道的材質(zhì)要求低、生產(chǎn)容易管理，但低壓法合成率不高，合成塔出口氣體中含氮約8％～10％，所以催化劑的生產(chǎn)能力比較低；同時由于壓力低而必須將循環(huán)氣降至-20℃的低溫才能使氣體中的氨液化，分離比較完全，所以需要設(shè)置龐大的冷凍設(shè)備，使得流程復(fù)雜，且生產(chǎn)成本較高。操作壓力為60MPa以上的稱為高壓法，其操作溫度大致為550～650℃。高壓法的優(yōu)點是，氨合成的效率高，合成氨出口氣體中含氨達(dá)25％～30％，催化劑的生產(chǎn)能力較大。由于壓力高，一般用水冷的方法氣體中的氨就能得到完全的分離，而不需要氨冷。從而簡化了流程；設(shè)備和流程比較低緊湊，設(shè)備規(guī)格小，投資少，但由于在高壓高溫下操作，對設(shè)備和管道的材質(zhì)要求比較高。合成塔需用高鎳優(yōu)質(zhì)合金鋼制造，即使這樣，也會產(chǎn)生破裂。高壓法管理比較復(fù)雜，特別是由于合成率高，催化劑層內(nèi)的反應(yīng)熱不易排除而使催化劑長期處于高溫下操作，容易失去活性。操作壓力為20～35MPa的稱為中壓法，操作溫度為450～550℃。中壓法的優(yōu)缺點介于高壓法與低壓法中間，但從經(jīng)濟(jì)效果來看，設(shè)備投資費用和生產(chǎn)費用都比較低。氨合成的上述三種方法，各有優(yōu)缺點，不能簡單的比較其優(yōu)劣。世界上合成氨總的發(fā)展趨勢多采用中壓法，其壓力范圍多數(shù)為30～35MPa。本設(shè)計采用中壓法，操作壓力為32MPa。合成氨的生產(chǎn)工藝條件必須滿足產(chǎn)量高，消耗低，工藝流程及設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，操作方便及安全可靠等要求。決定生產(chǎn)條件最主要的因素有操作壓力、反應(yīng)溫度、空間速度和氣體組成等。(1)最適宜的操作壓力氨合成反應(yīng)是氣體體積縮小的反應(yīng)，提高壓力有利于反應(yīng)平衡向右移動。壓力增加平衡常數(shù)增大，因而平衡氨含量也增大。所以，提高壓力對氨合成反應(yīng)的平衡和反應(yīng)速度都有利，在一定空速下，合成壓力越高，出口氨濃度越高，氨凈值越高，合成塔的生產(chǎn)能力也越大。氨合成壓力的高低，是影響氨合成生產(chǎn)中能量消耗的主要因素之一。主要能量消耗包括原料氣壓縮功、循環(huán)氣壓縮功和氨分離的冷凍功。提高操作壓力，原料氣壓縮功增加，合成氨凈值增高，單位氨所需要的循環(huán)氣量減少，因而循環(huán)氣壓縮功減少，同時壓力高也有利于氨的分離，在較高氣溫下，氣氨即可冷凝為液氨，冷凍功減少。但是壓力高時，對設(shè)備的材料和制造的要求均高。同時，高壓下反應(yīng)溫度一般較高，催化劑使用壽命也比較短，操作管理比較困難。所以要根據(jù)能量消耗、原料費用、設(shè)備投資等綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果來選擇操作壓力。目前我國中小型合成氨廠合成操作壓力大多采用20~32MPa。(2)最適宜的反應(yīng)溫度合成氨反應(yīng)是一個可逆放熱反應(yīng)，當(dāng)溫度升高時，平衡常數(shù)下降，平衡氨含量必定減少。因此從化學(xué)平衡角度考慮，應(yīng)盡可能采用較低的反應(yīng)溫度。實際生產(chǎn)中還要考慮反應(yīng)速率的要求。為了提高反應(yīng)速率，必須使用催化劑才能實現(xiàn)氨合成反應(yīng)。而催化劑必須在一定的溫度范圍內(nèi)才具有活性，所以氨合成反應(yīng)溫度必須維持在催化劑的活性范圍內(nèi)。合成氨生產(chǎn)所用的催化劑活性溫度在400~500℃。反應(yīng)溫度不能低于活性溫度，在活性溫度范圍內(nèi)選用較低溫度，也有利于延長催化劑的使用壽命。在合成氨生產(chǎn)過程中，對應(yīng)于任意一個瞬時轉(zhuǎn)化率都存在一個最大的反應(yīng)速率的溫度，即最佳溫度。就整個反應(yīng)過程來說，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，轉(zhuǎn)化率不斷增加，最佳溫度隨轉(zhuǎn)化率增加而降低。在實際生產(chǎn)中，應(yīng)盡可能沿著最佳溫度曲線進(jìn)行。反應(yīng)溫度的控制還與催化劑的使用時間有關(guān)。新的催化劑因活性比較高，可采用較低的溫度。在中期活性降低，操作溫度應(yīng)比初期適當(dāng)提高8~10℃。催化劑使用到末期，活性因衰老而減弱，應(yīng)再適當(dāng)提高溫度。空間速度反映氣體與催化劑接觸時間的長短?？臻g速度增加，氣體與催化劑接觸時間減少，反應(yīng)物來不及反應(yīng)就離開了反應(yīng)區(qū)域，因此將是合成塔出口氣體中氨含量降低，即氨凈值降低。但由于氨凈值降低的程度比空間速度的增大倍數(shù)要少，所以當(dāng)空間速度增加時，合成氨的產(chǎn)量也有所增加。在其他條件一定時，增加空間速度能提高合成氨的生產(chǎn)強(qiáng)度。但空間速度增大，將使系統(tǒng)阻力增加，壓縮循環(huán)氣功耗增加，分離氨所需的冷凍量也增大，因此冷凍功耗增加。同時，單位循環(huán)氣量的產(chǎn)氨量減少。但在一定限度內(nèi)，其他條件不變，增加空間速度，合成氨產(chǎn)量增加，單位時間所得的總反應(yīng)熱增多，通過水冷器和氨冷器的氣體流量增大，需要移走的熱量增多，導(dǎo)致冷凝器的冷卻面積要相應(yīng)增大，否則就不能將高流速氣體中的氨冷凝下來。此外，空間速度增大，使出塔氣體中氨的百分含量降低，為了使氨從混合氣中冷凝分離出來，必須降低出塔氣體溫度，這樣就要消耗更多的冷凍量，導(dǎo)致冷凍功耗增加。綜合以上各方面的考慮，空間速度的增加是有限度的。目前，國內(nèi)一些小型合成氨廠合成壓力在30MPa左右的，空間速度選擇在2000~3000每小時之間。工業(yè)上采用的氨合成工藝流程雖然很多，而且流程中設(shè)備結(jié)構(gòu)操作條件也各有差異，但實現(xiàn)氨合成過程的基本步驟是相同的，都必須包括以下幾個步驟：氮、氫原料氣的壓縮并補(bǔ)充到循環(huán)系統(tǒng)；循環(huán)氣的預(yù)熱與氨的合成；氨的分離；熱能的回收利用；對未反應(yīng)氣體補(bǔ)充壓力，循環(huán)使用；排放部分循環(huán)氣以維持循環(huán)氣中惰性氣體的平衡等。流程設(shè)計在于合理地配置上述幾個步驟，以便得到較好的技術(shù)效果，同時在生產(chǎn)上穩(wěn)定可靠。從氫氮混合氣體中分離氨的方法大致有兩種：水吸收法、冷凝法。本設(shè)計采用冷凝法。一般含氨混合氣體的冷凝分離是經(jīng)水冷卻器和氨冷囂二步實現(xiàn)的。液氨在氨分離器中與循環(huán)氣體分開，減壓送入貯槽。貯槽壓力一般為1.6～1.8MPa，此時，冷凝過程中溶解在液氨中的氫、氮及惰性氣體大部分可減壓釋放出來，即弛放氣。2.4合成塔進(jìn)口氣的組成合成塔進(jìn)口氣體組成包括氫氮比、惰性氣體含量和塔進(jìn)口氨含量。當(dāng)氫氮比為3:1時，對于氨合成反應(yīng)可以獲得最大的平衡氨濃度，但從動力學(xué)角度分析，最適宜氫氮比隨著氨含量的變化而變化。從氨的合成反應(yīng)動力學(xué)機(jī)理可知，氮的活性吸附是合成氨反應(yīng)過程速度的控制步驟，因此適當(dāng)提高氮氣濃度，對氨合成反應(yīng)速度有利。在實際生產(chǎn)中，進(jìn)塔氣體的氫氮比控制在2.8~2.9比較適宜。在混合氣體中含有甲烷和氬氣等，統(tǒng)稱為惰性氣體。惰性氣體不參與反應(yīng)，也不毒害催化劑，但由于他們的存在會降低氫氮比的分壓。無論從化學(xué)平衡還是動力學(xué)角度分析，他們都是有弊無利的，導(dǎo)致氨的生產(chǎn)率下降。惰性氣體來源于新鮮氣，隨著合成反應(yīng)的進(jìn)行，它們不參與反應(yīng)而在系統(tǒng)中積累，這樣合成系統(tǒng)中惰性氣體越來越多，為了提高氨的合成率，必須不斷在循環(huán)氣中將它們排放出去。排放量多，可以使合成系統(tǒng)惰性氣體含量降低，氨的合成率提高。但是氫氮氣和部分氨也隨之排放，造成一定損失，故循環(huán)氣體中惰性氣體的控制含量不能過高也不能過低。循環(huán)氣體中惰性氣體的控制還與操作壓力和催化劑活性有關(guān)。操作壓力比較高，及催化劑活性比較好時，惰性氣體的含量可以高一些。相反，則要控制低一些。由于原料氣的制備與凈化方法不同，新鮮氣體中惰性氣體的含量也不同。在生產(chǎn)中，一般要保持新鮮氣中含惰性氣體的體積分?jǐn)?shù)在0.5%~1.0%之間，并控制循環(huán)氣中惰性氣體的體積分?jǐn)?shù)在10%~15%之間。(3)塔進(jìn)口氨含量進(jìn)塔氣體中氨的含量，主要決定于氨分離時的冷凝溫度和分離效率。冷凝溫度越低，分離效果越好，則進(jìn)塔氣體中氨含量也就越低。降低進(jìn)口氨含量，可加快反應(yīng)速度，提高氨凈值和生產(chǎn)能力。但將進(jìn)口氨含量降的過低，會導(dǎo)致冷凍功耗增加過多，經(jīng)濟(jì)上并不可取。進(jìn)口氨含量還與合成操作壓力和冷凝溫度有關(guān)。壓力高，氨合成反應(yīng)速度快，進(jìn)口氨含量可適當(dāng)控制高一些；壓力低，為保持一定的反應(yīng)速度，進(jìn)口氨含量可適當(dāng)控制低一些。綜合考慮的結(jié)果，一般中小型合成氨廠當(dāng)操作壓力在30MPa左右時，塔進(jìn)口氨含量約控制在2.5%~3.5%之間。對于壓力在15MPa的合成氨廠，一般應(yīng)控制在2.0%左右。本設(shè)計中塔進(jìn)口氨含量控制為2.5%。第三章工藝流程簡述3.1合成工段工藝流程簡述由氮氫氣壓縮機(jī)送來的35℃的新鮮氣，在油分離器中與循環(huán)機(jī)來的循環(huán)氣混合，除去氣體中的油、水及其雜質(zhì)?；旌蠚膺M(jìn)冷交換器上部換熱管內(nèi)，與冷交換器下部來的冷氣體進(jìn)行換熱回收冷量，熱氣體被冷卻至17℃,然后進(jìn)入氨冷器。氣體在管內(nèi)流動，液氨在管外蒸發(fā)，由于氨大量蒸發(fā)吸收了混合氣的熱量，使管內(nèi)氣體進(jìn)一步冷卻至-10℃,出氨冷器后的氣液混合物，在冷交換器的下部用氨分離器將液氨分離。分氨后的循環(huán)氣上升至上部換熱器殼程被熱氣體加熱至25℃后出冷交換器。然后氣體分兩股進(jìn)入合成塔，一股主線經(jīng)主閥由塔頂進(jìn)入塔內(nèi)環(huán)隙，另一股副線經(jīng)副閥從倒塔底進(jìn)入塔內(nèi)中心管，以調(diào)節(jié)催化劑床層溫度。入塔氣氨含量為2.5%。反應(yīng)換熱后溫度降為140~160℃,氨含量13%的反應(yīng)氣體出合成塔進(jìn)入水冷器，氣體經(jīng)水冷器冷卻至常溫，其中部分氣氨被冷凝，液氨在氨分離器中分出。為降低惰性氣體含量，保持循環(huán)系統(tǒng)中一定量的惰性氣體，循環(huán)氣岀氨分離器后部分放空，然后進(jìn)循環(huán)機(jī)增壓后送往油分離器，從而完成一個循環(huán)。冷交換器和氨分離器內(nèi)的液氨，經(jīng)液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)減壓后送往液氨貯槽。該流程具有能如下一些特征：○1氨合成反應(yīng)熱未充分予以回收，用來副產(chǎn)蒸汽，或用來預(yù)熱鍋爐給水。2流程簡單，設(shè)備投資抵?！?放空氣位置設(shè)在惰性氣體含量最高，氨含量較低處以減少氨和原料氣損廢熱鍋爐熱交換器水冷器新鮮氣廢熱鍋爐熱交換器水冷器新鮮氣○4循環(huán)機(jī)位于水冷器和氨冷器之間，適用于有油潤滑往復(fù)式壓縮機(jī)?！?新鮮氣和循環(huán)氣中油、水及雜質(zhì)可通過氨冷器低溫液氨洗滌后除去。合成塔放空循環(huán)機(jī)冷交換器油分離器氨分離塔循環(huán)機(jī)冷交換器油分離器馳放氣氨冷器液氨儲槽第四章工藝計算1.年產(chǎn)20萬噸液氨,設(shè)計裕度及液氨損失均不計2.精煉氣組成（%如下表表4-1-1精煉氣組成（mol%)N2H2CH4Armol%3.合成塔入口氨含量（molNH3,入=2.5%合成塔出口氨含量（molNH3,出=16.5%合成塔入口惰性氣體含量（molCH4+Ar=15.0%4.合成塔操作壓力:32MPa(絕壓)5.精煉氣溫度：35℃6.水冷器出口溫度：35℃7.循環(huán)機(jī)進(jìn)出口壓差：1.47Mpa8.年工作日：330天9.產(chǎn)量：25.2525tNH3/h10.計算基準(zhǔn)：生產(chǎn)1噸液氨4.1.2計算物料點流程圖圖4-1-1計算物料點流程圖6合成塔8廢熱鍋爐9熱交換器775冷交換器循環(huán)機(jī)油分離器冷交換器循環(huán)機(jī)1氨冷器 液氨儲槽4.1.3合成塔入口氣組分根據(jù)計算依據(jù)有y5y5,Ary5y5,H2y5y5,N2表4-1-2入塔氣組分含量（%）NH3CH4ArH2小計4.1.4合成塔出口氣組分以1000kmol入塔氣作為基準(zhǔn)求出塔氣組分，由下式計算塔內(nèi)生成氨含量：出塔氣量:5,CH48,Ar)×表4-1-3出塔氣體組分含量（%）NH3CH4ArH2小計5,CH44.1.6氨分離器氣液平衡計算已知氨分離器入口混合物組分mi表4-1-4氨分離器入口混合物組分CH4Ar小計1表4-1-5平衡常數(shù)表KNH3KCH4KArKHKi=計算各組分溶解液量:LNH3LH2LN2分離液體量：總NH3CH4ArH2N24'L結(jié)果合理從而可計算出液體中各組分含量：液體中氨含量：xNH液體中氬含量：xAr液體中甲烷含量：2液體中氫含量：xH22液體中氮含量：xN23LNH NHL ArArLCH 4CHL LH 2LH 2LLN 2 2L表4-1-6氨分離器出口液體含量（%）NH3CH4ArH2小計分離氣體組分含量：yNHyNH3yCHyCH4氣體氬含量氣體氫含量yAr=2yH=2氣體氮含量N2LN2氣體氮含量表4-1-7氨分離器出口氣體含量（%）NH3CH4ArH2小計4.1.7冷交換器氣液平衡計算根據(jù)氣液平衡原理xi=，由于冷交換器第二次出口氣體含量等于合成塔進(jìn)口氣體含量，由合成塔入口氣體含量yi和操作條件下的分離溫度可查出Ki，便可解出xi。表4-1-8平衡常數(shù)表KNH3KCH4KArKHKH冷交換器出口液體組分含量：出口液體氨含量3 K3NH3 出口液體甲烷含量4 4 4K4CH4 出口液體氬含量出口液體氫含量出口液體氮含量xAr表4-1-9冷交換器出口液體組分含量（%）NH3CH4ArH2小計4.1.8液氨貯槽氣液平衡計算圖4-1-2液氨貯槽氣液平衡圖L L21液氨儲槽LL由于氨分離器液體和冷交換器出口分離液體匯合后進(jìn)入液氨貯槽經(jīng)減壓后溶解在液氨中的氣體會解吸，即弛放氣;兩種液體百分比估算值，即水冷后分離液氨占總量的百分5,NH3)×(y8,NH3?NH3分) 水冷后分離液氨占總量的57.554%，冷交分離液氨占總量的42.446%。含量：混合后入口氨含量：m0,NH3=混合后入口甲烷含量：m0,CH4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4-1-10液氨貯槽入口液體含量（%）小計KNH3KCH4KArKHKi根據(jù)氣液平衡L=iV L,設(shè)V L,設(shè)出口液體總量：總NH3CH4ArH2N2出口氣體總量：l出口液體組分含量LNH 3出口液體氨含量：NH 3L 出口液體甲烷含量：4LCH 4CHL 出口液體氫氣含量：出口液體氮氣含量： 表4-1-12液氨貯槽出口液氨組分（%）NH3CH4ArH2小計出口弛放氣組分含量：表4-1-13出口弛放氣組分含量(%)NH3CH4ArH2小計4.1.9液氨貯槽物料計算以液氨貯槽出口一噸純液氨為基準(zhǔn)折標(biāo)立方米計算液氨貯槽出口液體量L19==1319375Nm3其中NH3L19,NH3=L19×x19,NH3=1319.375×99.869%=1317.467Nm3CH4L19,CH4=L19×x19,CH4=1319.375×0.085%=1.121Nm3H2L19,H2=L19×x19,H2=1319.375×0.034%=0.449Nm3N2L19,N2=L19×x19,N2=1319.375×0.009%=0.119Nm3液氨貯槽出口弛放氣V=00821L.其中NH3V20,NH3=V20×y20,NH3=108.321×59.605%=64.565Nm3CH4V20,CH4=V20×y20,CH4=108.321×14.447%=15.649Nm3ArV20,Ar=V20×y20,Ar=108.321×1.526%=1.653Nm3H2V20,H2=V20×y20,H2=108.321×19.145%=20.738Nm3N2V20,N2=V20×y20,N2=108.321×5.277%=5.716Nm3液氨貯槽出口總物料=L19+V20=1319.375+108.321=1427.696Nm3液氨貯槽進(jìn)口液體：由物料平衡，入槽總物料=出槽總物料，L21=L19+V20=1427.696Nm3入口液體各組分含量計算：L21,i=L19,i+V20,i其中NH3L21,NH3=1317.647+64.565=1382.212Nm3=3=4=3=40,NH0,CH===×100%=0.408%0,Ar0,H20,N2CH4ArH2N2L21,CHL21,ArL21,H2L21,N24=1.121+15.649=16.77Nm333=0.039+0.1653=0.1692Nm33=0.449+20.738=21.187Nm=0.119+5.716=5.835Nm3入口液體中組分含量核算,由m'0,i=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4.1.10合成系統(tǒng)物料計算mmmm==m將整個合成看著一個系統(tǒng)，進(jìn)入該系統(tǒng)的物料有新鮮補(bǔ)充氣V放,離開該系統(tǒng)的物料有放空氣V放，液氨貯槽弛放氣V馳，產(chǎn)品液氨L氨，見圖4-1-3所示：合成塔合成塔V補(bǔ)VV入V出V放V馳V氨圖4-1-3合成系統(tǒng)物料計算示意圖由前計算數(shù)據(jù)如下表：表4-1-14合成系統(tǒng)物料計算數(shù)據(jù)名稱NH3CH4ArH2N2氣量Nm3補(bǔ)充氣0.7445V補(bǔ)放空氣V放弛放氣0.1921液氨入塔氣V入出塔氣V出根據(jù)物料平衡和元素組分平衡求V補(bǔ),V放,V入,V出:循環(huán)回路中氫平衡：放2放+VyH23+V2yH23+V2yH23+L2NH循環(huán)回路中氮平衡:放2放+VyN21+V2yN21+V2yN21+L2NH循環(huán)回路中惰性氣體平衡:V補(bǔ))=V弛弛4+yAr)+V(yCH4+yAr)補(bǔ)放補(bǔ)放補(bǔ)放補(bǔ)放循環(huán)回路中惰性氣體平衡:3VV入NH3yNH3yNH3NH3循環(huán)回路中總物料平衡:放放33其中NH3CH4ArH2V33VV3VV3VVV3合成塔一出，二進(jìn)物料，熱交換器冷氣進(jìn)出物料等于合成塔入塔物料33333333廢熱鍋爐進(jìn)出口物料，熱交換器進(jìn)出口物料等于合成塔出塔物料。3進(jìn)器物料：水冷器進(jìn)氣物料等于熱交換器出口物料，即V10,入=10212.836Nm3出器物料：在水冷器中部分氣氨被冷凝；由氨分離器氣液平衡計算得氣液比VV將VV3333H33333其中NH3CH4ArH2L3L4L3L43L33L33進(jìn)器物料：氨分離器進(jìn)器總物料等于水冷器出口氣液混合物總物料3出器物料：氣液混合物在器內(nèi)進(jìn)行分離，分別得到氣體和液體出器液體L15＝3其中，33333進(jìn)器物料：進(jìn)器物料等于氨分離器出口氣體物料減去放空氣量VVV3其中，NH3CH4ArH23V33V43V33V4V3V3V3出器物料（熱氣設(shè)熱氣出口溫度17℃（由熱量計算核定）查T=17平衡氨含量y*NH3=5.9%，計算熱氣出口冷凝液氨時，忽略溶解在液氨中的氣體。設(shè)熱氣出口氨體積為a，則：33冷交換器熱氣出口氣量及組分：其中NH3CH4ArH2VV3V3V3V33出口氣體各組分：======ArH2N2V17,ArVV17,H2VV17,N2V 4.1.15氨冷器物料計算進(jìn)器物料：氨冷器進(jìn)器物料等于冷交換器出器物料加上補(bǔ)充新鮮氣物料V1=2956.98Nm3其中CH4V1,CH4=2956.98×0.011=32.527Nm3ArV1,Ar=2956.98×0.0033=9.758Nm3H2V1,H2=2956.98×0.7445=2201.472Nm3N2V1,N2=2956.98×0.2412=713.223Nm3進(jìn)器氣體物料V18=V1+V17=2956.98+8948.691=11905.671Nm3進(jìn)器氣體組分含量V18,i=V1,i+V17,i其中NH3V18,NH3=V17,NH3=580.769Nm3CH4V18,CH4=32.527+1305.641=1338.168Nm3ArV18,Ar=9.758+394.739=404.497Nm3H2V18,H2=2201.472+4999.948=7201.42Nm3N2V18,N2=713.223+1667.594=2380.817Nm3各組分百分含量y18,i=NH3y18,NH3=11×100%=4.878%H進(jìn)器液體等于冷交換器冷凝液氨量L18=L18,NH3=L17,NH3=284.979Nm33出器物料：已知出器氣體中氨含量為2.5%，設(shè)出器氣體中氨含量為bNm3。333333333各組分百分含量y2,i=V2V14V2V142,CH42,H23圖4-1-4冷交換器物料計算示意圖V17V3進(jìn)口物料：冷交換器進(jìn)口總物料等于氨冷器出口總物料其中氣體入口液體入口其中氣體入口液體入口LNH3；由氣液平衡計算得，以1kmol進(jìn)口物料為計算基準(zhǔn)：3NH3NH可由物料平衡和氨平衡計算可由物料平衡和氨平衡計算V′=V+V′V33V V2V′=V+L+L′式中V2′———冷交換器入口總物料；V′———V′V2′,NH3———冷交換器入口總氨物料VLV3；V3由L可求出冷交換器冷凝液體量L16=L=005045VVV.33出器物料：冷交換器（冷氣）出口氣體物料等于進(jìn)口總物料減去冷凝液體量。V333333校核氨分離器液氨百分?jǐn)?shù)氨分離器液氨百分?jǐn)?shù)：冷分冷分333H33333H333333H333333HV33333CHA3333HN4r22各組分百分含量：其中NH3CH4ArH2液氨產(chǎn)量核算:3 44 33物料衡算匯總表見附錄4.2.1冷交換器熱量計算Q3Q2冷交換器Q16QQ16Q14圖4-2-1冷交換器熱量計算示意圖（1）熱氣進(jìn)口溫度，冷交換器熱氣進(jìn)口溫度等于水冷器體出口溫度，由題意知（2）冷氣進(jìn)口溫度，為保證合成塔入口氨含量在2.5％,出氨冷器的氣體的氨含量必須等于或小于2.5設(shè)過飽和度為10％,則，該冷凝溫度下的平衡氨含查《小氮肥工藝設(shè)計手冊》圖9-3-1平衡氨含量為2.27p=28.4MPa時，冷激溫度T2=?10℃,故冷氣進(jìn)口溫度等于?10℃（3）熱氣體帶入熱量，熱氣體在器內(nèi)處于氨飽和區(qū)，計算氣體比熱容時先求常壓下氣體比熱容，然后用壓力校正的方法計算實際的氣體比熱容：查,p=28.4MPa時的各組分比熱容并計算得：Cpm=29.806KJ/(kmol?℃)查《小氮肥工藝設(shè)計手冊》附表1-1-1，各物質(zhì)的臨界溫度和壓力并計算得：Tc=112.273Kpc=3.246MPaT==cm prm== 查《小氮肥工藝設(shè)計手冊》附表1-5-9?Cpm=4.598KJ/(kmol?℃)由壓力校正法：Cp,14=Cpm+?Cpm×29.806+4.598=34.405KJ/(kmol?℃)熱氣體帶入熱量：Q14=V14Cp,14T14=×34.405×35=496381.901KJ(4)冷氣體帶入熱量：,p=28.12MPa時各組分比熱容并計算得：Tc=83.882Kpc=11.326MPaprm===11.326查《小氮肥工藝設(shè)計手冊》附表1-5-19?Cpm=4.18kJ/(kmol?℃)由壓力校正法：Cp,2=Cpm+?Cpm=31.904+4.18=36.08KJ/(kmol?℃)冷氣體(5)氨冷凝熱：設(shè)熱氣出口溫度為17℃，熱氣體在器內(nèi)由35℃冷卻到17℃然后進(jìn)行氨冷凝，查氨冷凝熱INH3=1197.445KJ/kg(6)液氨帶入熱量：查-10℃時液氨比熱容Cp,L=4.535KJ/(kg?℃)(7)熱氣體帶出熱量：查T14=17℃,p=28.4MPa時的各組分比熱容并計算得：cmT=102.931Kcmpcm=2.986MPacT=T=17+273.15=2.817crmT102.931查《小氮肥工藝設(shè)計手冊》附表1-5-8?Cpm=4.389KJ/(kmol?℃)由壓力校正法：Cp=Cpm+?Cpm=29.464+4.389=33.853KJ/(kmol?℃)熱氣體帶出熱量：Q17=V17Cp,17T17=8948.691×33.853×=229909.84KJ(8)熱氣體中液氨帶出熱量：查17℃時液氨比熱容Cp,L=4.696KJ/(kg?℃)液氨帶入熱量×=17519.657KJ(9)冷氣體帶入熱量：Q16=Q2L=?19802.608KJ(10)冷氣體帶出熱量：Q3=Q14+Q2+Q冷+Q2L?Q17?Q17L?Q2L=320824KJQVC設(shè)T設(shè)T3=====11605×Cp,3Cp,3,查p=28.12MPa時的各組分比熱容并計算得：QQ表4-2-1冷交換器熱量平衡匯總表熱量（KJ）熱量（KJ）管內(nèi)熱氣體帶入熱量管內(nèi)熱氣體帶出熱量管內(nèi)熱氣體帶出熱量Q管外冷氣體帶入熱量Q2管內(nèi)液氨帶出熱量Q管內(nèi)液氨帶出熱量Q管內(nèi)液氨冷凝熱冷管外液氨帶出熱量管外液氨帶出熱量Q管外液氨散熱管外冷氣帶出熱量Q3(11)冷交換器熱量負(fù)荷計算：?Q放管內(nèi)熱氣體帶入熱量內(nèi)液氨冷凝熱）?（管內(nèi)熱氣體帶出熱量內(nèi)液氨帶出熱量）4.2.2氨冷凝器熱量衡算氨冷凝器氣氨圖4-2-2氨冷凝器熱量計算示意圖（2）氣體中液氨帶入熱量Q17L（3）氨冷器Ⅰ中氣氨冷凝熱查《小氮肥工藝設(shè)計手冊—理化數(shù)據(jù)》在?10℃,INH3=1295.633KJ/kg則氣氨冷凝熱：Q（4）新鮮氣帶入熱量QⅠT=35℃,1=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Cp,1=29.70KJ/(kmol?℃)所以新鮮氣帶入熱量：氨冷器收入總熱量Q=Q17+Q17L+QⅠ,冷Ⅰ+Q=229909.849+17519.657+285535.476+137231.594=670198.576KJ（5）氨冷器入口混合物溫度T18計算由熱平衡Q18=Q?Q冷=V18Cp,18T18+V18LCp,18LT18=670196.576?T=Q18V VCC+18,Lp,18Lp,18V= C+C+=285535.476=384661.1KJC+0.4069C設(shè)T18=20℃,p=28.42MPa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。pc=2.705MPa,cT=91.726Kc rp=p r,cT=T=293=3.194c查《小氮肥工藝設(shè)計手冊》附圖4-1-1液氮的比熱容p20與假設(shè)一致?；旌虾蟀蠢錃馊肟跓釟鉁囟?0℃.（6）氣體帶出熱量Q2和Q2L由冷交換器熱量計算Q2=?187109.86KJ（7）氣體中液氨帶出熱量（8）液氨蒸發(fā)吸熱Q吸=Q?2+Q2L（9）需冷凍量Q2L=?19802.608KJ=670196.576?187109.查25℃液氨INH3=535.583KJ/kg，?15℃液氨INH3=1663.767KJ/kg，所以：?INH3=1128.185KJ/kg，W1=3=85=777.452kg表4-2-2氨冷器熱量平衡匯總表熱量（KJ）熱量（KJ）氣體帶入熱量229909.849氣體帶出熱量液氨帶入熱量液氨帶出熱量氣體中氨冷凝熱285535.476冷凍量877109.046新鮮氣帶入熱137231.594670196.576670196.5764.2.3循環(huán)機(jī)熱量計算（1）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：Cp,4T4表4-2-3絕熱指數(shù)表組分H2ArCH4NH3Ki×出×出入代入上式得：代入上式得：入Z1式中V/min將上述數(shù)據(jù)代入壓縮功的計算式得：1(4)氣體帶出熱量由T4=29℃p=31.458MPa查常壓下各組分氣體比熱容并計算得：pc=2.991MPacT=88.955KcT=T=3.288crTcrp=prpc查《小氮肥工藝設(shè)計手冊》附圖1-5-19比熱容壓力校正圖，則計算正確。氣體帶出熱量Q4=476358.788KJ表4-2-4循環(huán)機(jī)熱平衡匯總表收方（KJ）支方（KJ）氣體帶入熱量Q′3320824氣體帶出熱量Q4476358.788壓縮熱QN476358.788476358.7884.2.4合成塔熱量衡算圖4-2-3合成塔熱量計算示意圖合成塔QR設(shè)合成塔環(huán)隙高度h=13.5，由經(jīng)驗公式知：環(huán)隙溫升按1.46℃計則合成塔一出溫度T6為:TT(2)氣體帶入熱量Q5476358.788KJ因油分離器內(nèi)無溫升變化（忽略損失）設(shè)合成塔二出溫度365℃,假定氣體在塔內(nèi)先溫升至出口溫度后進(jìn)行氨合成反R則合成塔內(nèi)反應(yīng)熱(4)二次入塔氣體帶入熱量Q7由熱平衡知Q7∴T7∴T7VC(5)合成塔一出氣體帶出熱量Q6混合氣體熱容，按高壓疊加法計算得：(6)合成塔二出氣體帶出熱量Q8查T=365℃p=30.388MPa混合氣體熱容，按高壓疊加法計算得：∴Q8==5860107.059KJ(7)合成塔熱損失根據(jù)經(jīng)驗公式Q損=αwFw(Tw?TB)設(shè)塔壁溫度Tw=80℃空氣溫度?5℃塔外壁高h(yuǎn)=15m外徑D=1.008mw=202422.085KJ(8)合成塔二入溫度計算將上述數(shù)據(jù)帶入T7溫度計算式中得：711607p,7Cp,7查混合氣體熱容，按高壓疊加法計算得：Cp，7=31.513KJ/(kmol?℃)則T7=59=186.337℃假設(shè)值與實際值基本相符,計算有效?！嗪铣伤怏w二次入口帶入熱量Q7=302419.602KJ（9）合成塔絕熱溫升核算∴T6=T7+180.59=186.337+180.59=366.9℃假設(shè)值與實際值基本相符,計算有效。表4-2-5合成塔熱量平衡匯總表熱量（KJ）支方熱量（KJ）一次氣體進(jìn)口帶入熱量Q5476358,788一次氣體出口帶入熱量Q6二次氣體進(jìn)口帶入熱量Q73042919.602二次氣體進(jìn)口帶入熱量Q8反應(yīng)熱QR熱損失Q損202422.0856844063.208小計6844063.2084.2.5廢熱鍋爐熱量計算（1）管內(nèi)熱氣體帶入熱量Q8由合成塔熱平衡計算得Q8=5860107.059KJ（2）管內(nèi)熱氣體帶出熱量Qs設(shè)T9=220℃p=29.4MPa查《小氮肥工藝設(shè)計手冊—理化數(shù)據(jù)》并計算得：Cp,9=34.895KJ/(kmol?℃)∴Q9=V9×Cp,9×T9==3500130.388KJ(3)廢熱鍋爐熱負(fù)荷(4)軟水量計算設(shè)廢熱鍋爐加入軟水溫度T=30℃,需軟水量X。.716KJ/kg∴廢熱鍋爐軟水帶入熱量：表4-2-6廢熱鍋爐熱量平衡匯總表熱量（KJ）熱量（KJ）管內(nèi)熱氣帶入熱量Q8管內(nèi)熱氣帶出熱量Q9軟水帶入熱量Q軟蒸汽帶出熱量Q蒸4.2.6熱交換器熱量計算熱交換器（1）冷氣帶入熱量Q6由合成塔熱平衡計算得：熱交換器熱量計算示意圖Q6=781534.064KJ（2）熱氣體帶入熱量Q9由廢熱鍋爐熱平衡計算得：Q9=3500130.388KJ（3）冷氣帶出熱量Q7由合成塔熱平衡計算得：Q7=3042919.602KJ（4）熱氣出口溫度計算由熱平衡得：Q6+Q9=Q7+Q10Q10=Q6+Q9?Q7=781534.064+3500130.388?3042919.602=1238744.85KJQ設(shè)T10=75℃p=29.4MPa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：pc=3.889MPacT=135.432KccT=T=348=2.569crT rp=p r查《小氮肥工藝設(shè)計手冊—理化數(shù)據(jù)》附圖1-5-19比熱容壓力校正圖?CpmCpT=Cpm+?Cpm===V10p,10=31.252+5.057=36.039KJ/(kmol?℃)假設(shè)值與實際值基本相符，計算有效。（5）熱交換器熱負(fù)荷表4-2-7熱交換器熱量平衡匯總表熱量（KJ）熱量（KJ）冷氣帶入熱量Q6冷氣帶入熱量Q7熱氣帶入熱量Q9熱氣帶出熱量Q104.2.7水冷器熱量衡算由題意知水冷器出口溫度T11=35℃,設(shè)氣體先冷卻至35℃后氨再冷凝（2）氨冷凝熱查《小氮肥工藝設(shè)計手冊—理化數(shù)據(jù)》10-1-1得：氨冷凝熱冷式中16.796是液氨的平均分子量。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T pr=T=308=2.743查《小氮肥工藝設(shè)計手冊—理化數(shù)據(jù)》比熱容壓力校正圖則混合氣的比熱容Cp=Cpm+?Cpm熱氣帶出熱量Q11=V11Cp,11T11==503664.955KJ=503664.955KJ(4)液氨帶出熱量查35℃液氨比熱容CpL=4.891KJ/kg (5)冷水量計算設(shè)需冷水量W，冷卻上水Ta=30℃，冷卻下水Tb=38℃，冷卻水比熱容CpL=4.18KJ/kg則冷卻水吸收熱量為?Q=Q吸?Q支液?Q11+Q=1335693.583KJ?Q=WCp(Tb?Ta)×1000冷卻上水帶入熱量：冷卻下水帶入熱量：Q下水?Q+Q=1335693.583+5008852.2=6344545.783KJ表4-2-8水冷器熱量平衡匯總表熱量（KJ）熱量（KJ）熱氣帶入熱量Q10熱氣帶出熱量Q11氨冷凝熱量Q冷液氨帶出熱量Q液冷卻上水帶入熱量Q上水冷卻下水帶入熱量Q下水4.2.8氨分離器熱量核算其進(jìn)出口溫度無變化，由氣體熱平衡，氨分離器吸入熱、水冷器熱平衡計算得：.955KJ氨分離器支出熱，氣體放空氣帶出熱量：V冷交換器帶入熱量，由冷交換器熱平衡計算得：'假設(shè)值與實際值基本相符計算有效氨分離器帶入熱量等于液氨帶出熱量熱量計算點圖見附錄第五章設(shè)備選型及設(shè)計計算5.1合成塔催化劑層設(shè)計1223456入塔氣圖5-1三段絕熱冷激—間接換熱式內(nèi)件流程圖選用三段絕熱冷激—間接換熱式內(nèi)件，此內(nèi)件是由三段軸向絕熱床和復(fù)合換熱式結(jié)構(gòu)組成，層間換熱器與下?lián)Q熱器并聯(lián)：第一絕熱床+冷激器+第二絕熱床+層間換熱器+第三絕熱床+下?lián)Q熱器。三段絕熱冷激—間接換熱式內(nèi)件流程如圖5-1所示。并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行合成塔的催化劑層設(shè)計，依據(jù)已給定參數(shù)設(shè)計確定催化劑用量及幾何尺寸等工藝參數(shù)，然后再按照一定的操作條件確定催化劑床層溫度、濃度和產(chǎn)量。本設(shè)計根據(jù)經(jīng)驗對催化劑床層進(jìn)行近似設(shè)計。將整個催化劑床層分成三段，各段尺寸及參數(shù)見下表：表5-1各段催化劑床層尺寸及參數(shù)表名段稱數(shù)n123絕熱層高度?Ln,mm150025003500催化劑用量?VK,n,m3An,n?6(m3催化劑活性系數(shù)Ef412472.10447487進(jìn)口氨含量yNH,n?1,%出口氨含量yNH3,n,%氨產(chǎn)量?MNH3,n,kmol/hKJ/(m?h)依圖5-1對該流程進(jìn)行說明：入塔主線氣體經(jīng)內(nèi)外筒環(huán)隙進(jìn)入，經(jīng)底部出口去塔外預(yù)熱器預(yù)熱后，分兩股二次入塔，一股進(jìn)入下?lián)Q熱器預(yù)熱，然后通過中心管進(jìn)入一段床層進(jìn)行絕熱反應(yīng)，出一段催化劑氣體與從塔頂引入的冷激氣，在冷激分布器中混合均勻，降低溫度后進(jìn)入二段催化劑，經(jīng)二段絕熱反應(yīng)后氣體進(jìn)入層間換熱器管內(nèi)與另一股管間冷氣換熱降溫，冷氣從塔頂引入，出換熱管間后通過升氣管與入塔主線氣體混合后一起進(jìn)入一段床層，經(jīng)三段床層絕熱反應(yīng)后的氣體進(jìn)入底部下?lián)Q熱器，降溫后出塔，改變冷激氣和冷卻氣流量，可以分別調(diào)節(jié)二段及三段床層入口氣體溫度，一段床層入口氣體溫度可采用塔副線調(diào)節(jié)。5.2廢熱鍋爐設(shè)備工藝計算（1）選臥式U型換熱管 （2）高壓管尺寸Φ24×4.5，d外=0.024m，d外=0.015m，（3）熱負(fù)荷Q=2359976.671KJ/tNH3（4）產(chǎn)量W=25.2525tNH3/h（5）冷氣體壓力p=29.89Mpa（6）氣體入口溫度T入=360℃（7）氣體出口溫度T出=220℃（8）進(jìn)氣量V=9998.906×25.2525=252497.374Nm3/h（9）副產(chǎn)蒸氣壓力p=1.274Mpa(表）（10）軟水入口溫度T入=30℃（11）蒸氣飽和溫度T蒸=194.13℃5.2.2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T==290℃p=29.89MPa之值查《小氮肥廠工藝手冊》（理化數(shù)據(jù)）表1-1氣體的臨界常數(shù)表5-2-1臨界常數(shù)表NH3CH4ArH2N2iTKTKpci,MPaTcm=iTci=135.44Kpcm=ipci=3.889Mpa對比壓力r p=p=r pcm 查《小氮肥廠工藝手冊》（理化數(shù)據(jù)） 對比溫度對比溫度cmrTcm普遍化壓縮系數(shù)之四得(2)混合氣體平均分子量M=iMi查《小氮肥廠工藝手冊》氣體比熱容表5-2-2氣體比熱容表NH3CH4ArH2N2pi,MPaCpi29.427(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)'T'T=r=行計算查《小氮肥廠工藝手冊》（理化數(shù)據(jù)）臨界修正參數(shù)表5-2-3臨界修正參數(shù)表NH3CH4ArH2N2iTKTK239pci,MPa0.3687=141.76Kpm=ipci=7.47Mpam=ipi 假對比參數(shù)p 假對比參數(shù)p=='pcmTcm·cmT rm=查《小氮肥廠工藝手冊》（理化數(shù)據(jù)）圖1-22,23,25,30,31各組分氣體的粘度表5-2-4各組分氣體粘度表NH3CH4ArH2N2i11μiM 1 2i4高壓下含氨混合氣體的粘度1μ=iMi2C1iμiiM2i iMiMiM 1i2Ciμi1iMi23.035重量流量W= VM ==136686.748kg/h管道截面積，設(shè)管道數(shù)量185根Re=Re0.8（7）普蘭特準(zhǔn)數(shù)d0Gμ=65Pr=CpPr==管內(nèi)給熱系數(shù) =27926.983KJ/(m5.2.3管外給熱系數(shù)o0.176(m2式中q=Q—鍋爐熱負(fù)荷，KJ/h,F—鍋爐換熱面積，m2,p—蒸氣壓力，Mpa設(shè)鍋爐換熱面積F=60.0m2，副產(chǎn)1.372Mpa絕熱蒸氣，代入上式o0.1760.176o5.2.4傳熱總系數(shù)K設(shè)液相側(cè)污垢系數(shù)R2=2.0393×10?4m2?h?℃/KJK==1 +++Rd內(nèi)外1++?4管內(nèi)氣體溫度360℃220?Tm= ?Tm=F=K?Tm=2325=69.65m2實取換熱面積F=70m2按一根U型管長8.04m，需列管數(shù)N=F=70=185根5.3熱交換器設(shè)備工藝計算熱氣走管程=0.014m，3熱氣走管程=0.014m，3（3）熱負(fù)荷Q=2261385.538KJ/tNH（4）產(chǎn)量W=25.2525tNH3/h（5）冷氣體壓力p=31.458Mpa（6）冷氣入口溫度T入=48.71℃（7）冷氣出口溫度T出=186.337℃（8）冷氣氣量（9）熱氣體壓力p=29.4Mpa（10）熱氣入口溫度T入=220℃（11）熱氣出口溫度T出=75℃d外=0.010m，d=0.012m（12）熱氣氣量V'=257899.641Nm3/h5.3.2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T==147.5℃p=29.4MPa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Tcm=135.44K，pcm=3.889MPa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Z=1.14則氣體體積流量V=V0T=257899.64121098×420.5=1509.516m3h (2)混合氣體平均分子量M=12.126查《小氮肥廠工藝手冊》（理化數(shù)據(jù)）并計算得Cp=36.58KJ/(kmol?℃)(4)氣體導(dǎo)熱系數(shù)λ查《小氮肥廠工藝手冊》（理化數(shù)據(jù)）1-88表常壓下各組分導(dǎo)熱系數(shù)表5-3-1各組分導(dǎo)熱系數(shù)表NH3CH4ArH2N20.1907M 1 3i計算1iMi3 3 3iyiMμ=M由前計算'TT=141.76K'pcm=7.554MPa查《小氮肥廠工藝手冊》（理化數(shù)據(jù)）普遍化氣體對比導(dǎo)熱系數(shù)，m查《小氮肥廠工藝手冊》（理化數(shù)據(jù)）圖1-22,23,25,30,31各組分氣體的粘度表5-3-2各組分氣體粘度表NH3CH4ArH2N211μi0.0135高壓下含氨混合氣體的粘度1μ=iMi2C1iμiiMi21iMi21iMi2Ciμi1iMi23.035設(shè)取管內(nèi)流速ω=1.0ms ρ===92.487kg/m3Re==Re==Pr=CpμPr== 管內(nèi)給熱系數(shù)25.3.3管外給熱系數(shù)oμm式中冷氣體物性數(shù)據(jù)取平均溫度pcm由前計算知Tcm=pcm2=2.489MPa對比壓力 rp=p=rpcm 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Z=1.21(2)混合氣體分子量．M=iM查《小氮肥廠工藝手冊》（理化數(shù)據(jù)）氣體比熱容表5-3-3氣體比熱容表NH3CH4ArH2N2,MPaCp=iCpi查《小氮肥廠工藝手冊》（理化數(shù)據(jù)）1-88表常壓下各組分導(dǎo)熱系數(shù)表5-3-4導(dǎo)熱系數(shù)表NH3CH4ArH2N2M 1 3i由=yiMi3m1iMi3計算其中1iMi31yiMi31=yiMi3=0.7148miM1.879由前計算Tr=4.649p=12.639查《小氮肥廠工藝手冊》理（化數(shù)據(jù)）普遍化r查《小氮肥廠工藝手冊》（理化數(shù)據(jù)）圖1-22,23,25,30,31各組分氣體的粘度表5-3-5氣體粘度表NH3CH4ArH2N211μi0.0403高壓下含氨混合氣體的粘度1μ=iMi2C1iμiiMi2其中1iMi211iMi22.747(6)換熱器尺寸設(shè)計設(shè)換熱器面積F=620m2，換熱管L=4.12m則換熱管數(shù)N=F=620=3994根管間距t0=1.2d外=1.2×14=16.8mm取t0=18mm正六邊形排列層數(shù)a==36.49實取37層六邊形對角線排管b=1.1n=70根取板間距h=200mm，取e=1.5d外=1.5×14=21mm實取換熱器直徑D=1300mm校核管內(nèi)流速===1.337m/si管外當(dāng)量直徑de=2==15.855mm2=f2取檔板直徑D'=644mm，r==322mmh=0.23D=0.23×1300=299mm(弓形高度）2=0.148m2流道截面積f2=0.1482]=0.0444m2(7)計算雷諾準(zhǔn)數(shù)氣體重量流速 (8)計算普蘭特準(zhǔn)數(shù)0.14=0.14=0.14=管內(nèi)給熱系數(shù)oo取R=0.0001196(m2?h?℃)/KJK==1 + +++Rd內(nèi)外λ1++ ?45.3.5傳熱面積