年產(chǎn)五萬噸合成氨合成工段工藝處理設(shè)計(jì)

1、目錄中文摘要 英文摘要1引言1.1氨的基本用途1.2合成氨技術(shù)的發(fā)展趨勢1.3合成氨常見工藝方法1.3.1 咼壓法1.3.2中壓法1.3.3低壓法1.4設(shè)計(jì)條件1.5物料流程示意圖 物料衡算合成塔入口氣組成 合成塔出口氣組成合成率計(jì)算氨分離器出口氣液組成計(jì)算. 冷交換器分離出的液體組成. 液氨貯槽馳放氣和液相組成的計(jì)算 液氨貯槽物料衡算合成循環(huán)回路總物料衡算2.12.22.32.42.52.62.72.8能量衡算合成塔能量衡算廢熱鍋爐能量衡算熱交換器能量衡算軟水預(yù)熱器能量衡算水冷卻器和氨分離器能量衡算. 循環(huán)壓縮機(jī)能量衡算冷交換器與氨冷器能量衡算. 合成全系統(tǒng)能量平衡匯總3.13.23.33.

2、43.53.63.73.8設(shè)備選型及管道計(jì)算4.1管道計(jì)算4.2設(shè)備選型結(jié)論致謝參考文獻(xiàn).1.2.33.5.6.6.6.7.&. 10. .1.0. .1.0.1.2.1.2. 16. .16 .1.9.21.35. 3.5. .38.39.41.42.44.46.4.8. .5.1.51. .5.4. .54. 56. 5.8. .年產(chǎn)五萬噸合成氨合成工段工藝設(shè)計(jì)摘要：本次課程設(shè)計(jì)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(jì)，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)。

3、新鮮原料氣的摩爾分?jǐn)?shù)組成如下：H2 73.25% ,N2 25.59%，CH4 1.65%,Ar 0.51% 合成操作壓力為31MPa ,合成塔入口氣的組成為 NH3(3.O%),CH 4+Ar(15.5%),要求合成塔出口氣中氨的摩爾分?jǐn)?shù)達(dá)到17%。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)和資料，設(shè)計(jì)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(duì) 該工藝流程進(jìn)行了物料衡算、能量衡算，并根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)及操作溫度、壓力 按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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The Desig n of 50kt/a Syn thetic

4、 Amm oniaP rocessAbstract： There are many types of Ammo nia syn thesis tech no logy andp rocess, Gen erally,they in eludes ammo nia syn thesis, sep arati onother basic steps,and recycli ng,inert gases Emissi ons andCombi ningthe above basic steps turnninginto theammoniasyn thesisreact ionand recycli

5、 ngp rocessin whichammoniasyn thesissect ionis the centralpart of asyn theticammoniap rocess.The task of curriculum desig n isthe ammon ia syn thesis sect ionof an annual fifty thousandtonssyn thetic ammo nia plant .Thecomp ositi onoffreshfeedgasis:H2（73.77%）,N 2（24.56%）,CH 4（1.27%）,Ar（0.4%）,the tem

6、peratureis35 °C , the op erat ing p ressure is 31M Pa, the inlet gas compo siti onof the Reactor is : NH3（3.0%）,CH 4+Ar（15.7%）,it Requires the molefracti on of ammo nia reacheds to 16.8% of outlet gas of syn thesisreactor. By con sult ingthe releva nt literature and in formati on,wedesigned the

7、 ammoniasynthesissection of an annual fiftythousandtons syntheticammonia plant, with the help of CADtech no logy,wedesig nedpiping and in strume ntdiagram andequipment layout. Fin ally,we did the materialbala neeaccounting,and the energy balanee accounting of the process,also we selected piping size

8、 and material accord ing to the desig nop eratio n of temp erature, p ressure and releva nt sta ndards .Keywords: ammonia synthesis section en ergy bala nee acco untingmaterial bala nee acco unting1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

9、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。還可以將氨加工制成各種含氮復(fù)合肥料。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?？梢?，合成氨工業(yè)是氮肥工業(yè)的基 礎(chǔ)，對(duì)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(jì)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?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。目前

10、我國合成氨氮肥廠有大中小型氮肥裝置近千個(gè)，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(diǎn)是調(diào)整原料和產(chǎn)品結(jié)構(gòu),進(jìn)一步改善經(jīng)濟(jì)性。只有通過科技進(jìn)步對(duì)經(jīng)濟(jì)增長的貢獻(xiàn)率來實(shí)現(xiàn)，這也是今后發(fā)展合成氨氮肥工業(yè)新的增長點(diǎn)。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。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(jià)格高，是當(dāng)前急需進(jìn)行技術(shù)改造的重點(diǎn)。目前合成氨工業(yè)的發(fā)展方向是優(yōu)化原料

11、 路線,實(shí)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, 改善生產(chǎn)環(huán)境；同時(shí)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(xiàng)目以“年產(chǎn)5萬噸合成氨合成工段工藝設(shè)計(jì)”為設(shè)計(jì)課題, 對(duì)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(jià)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?；谘b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)裝置目

12、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(chǔ)量約為天然氣與石油儲(chǔ)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(diǎn)，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(jì)未來合成氨的基本生產(chǎn)原理將不會(huì)出現(xiàn) 原則性的改變，其技術(shù)發(fā)展將會(huì)繼續(xù)緊密圍繞“降低生產(chǎn)成本、提高運(yùn)行周期 ，改善經(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(yùn)行”等方面進(jìn)行技術(shù)的研究開發(fā)。大型化、集成化、自動(dòng)化，形成經(jīng)濟(jì)規(guī)模的生產(chǎn)中心、低能

13、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(diǎn)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(jī)。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(huì)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“改善經(jīng)濟(jì)性、增強(qiáng)競爭力”的有效途徑。第二，實(shí)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(shí)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(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性，延長運(yùn)行周期是

14、未來合成氨裝置“改善經(jīng)濟(jì)性、 增強(qiáng)競爭力”的必要保證。有利于“提高裝置生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)率、延長運(yùn)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(duì)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 C。這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)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?yàn)楹铣尚矢撸?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

15、壽命較短。又 因?yàn)槭歉邷馗邏翰僮鳎瑢?duì)設(shè)備制造、材質(zhì)要求都較高，投資費(fèi)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450550 C,其優(yōu)缺點(diǎn)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(jì)性比較好。因?yàn)楹铣蓧毫Φ拇_定，不外乎從設(shè)備 投資和壓縮功耗這兩方面來考慮。從動(dòng)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(xiàng)，還要看其它工藝指標(biāo)和流程的布置情況。總的來看，在1530Pa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。133低壓法操作壓力lOMPa左右，溫度400450 C。由于操作壓力和溫度都比較低，故對(duì)設(shè)備要求低

16、，容易管理，且催化劑的活性較高，這是此法的優(yōu)點(diǎn)。但此法所用催 化劑對(duì)毒物很敏感，易中毒，使用壽命短，因此對(duì)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(shí)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(jì)條件(1)生產(chǎn)能力：液氨產(chǎn)量為50kt/a。(2)新鮮氮?dú)錃饨M成如下表:組成H2N2CH4Ar合計(jì)摩爾分?jǐn)?shù)73.2524.591.650.51100/%合成塔入口氣：yNH3為3.0%，ycH4+Ar為15.5%。合成塔出口氣：為17%。合成操作壓力：31MPa。(6)新鮮氣溫度：3

17、5 C。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 C。(9)以下各項(xiàng)再計(jì)算中，有些部位略去不計(jì)。(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(bǔ)充從凈化工序送來的新鮮氮?dú)錃?，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

18、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(jī)補(bǔ)充壓力形成循環(huán)回路。在油分離器出口補(bǔ)充了新鮮氮?dú)錃馊肜浣粨Q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，貝U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(gè)系統(tǒng)而言，進(jìn)入系統(tǒng)的是新鮮氮?dú)錃?，離開系統(tǒng)的是產(chǎn)品液氨、馳放氣、和空氣。3匚SllTPa圖1.1氨合成工序物料流程示意圖1 新鮮氮?dú)猓?2 放空氣；20 馳放氣；21 產(chǎn)品液氨為計(jì)算方便起見，在流程圖中各不同部位的物料

19、，用數(shù)字編號(hào)表示。2 物料衡算以lt氨為基準(zhǔn)。2.1合成塔入口氣組成（摩爾分?jǐn)?shù)）（3點(diǎn)）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% (已知)3H2： y3,H2 = 100 - (3+ 15.5) X4 X100% = 61.125%1N2： y3,N2 = 100 - (3+ 15.5) X- X100% = 20.375%1 65CH4： y3,CH4 = 15.5% X .65+05 = 11.814%0 51Ar：y3，Ar = 15.5 X 165+0 = 3.686%入塔氣組成列入下表（包括3,4,5點(diǎn)）組分NH3H2N2CH

20、4Ar合計(jì)摩爾分?jǐn)?shù)/%3.00061.12520.37511.8143.6861002.2合成塔出口氣組成（6點(diǎn)）假定入塔器為lOOkmol,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 = n6y6,NH3 - n3y3,NH3總物質(zhì)的量的減少量(1)聯(lián)立解出nNH3 = n3 - n6nNH3n6(y 6,NH3- 3fNH3 )1 + y 3,NH3_ n3(y 6,NH3 -y 3,NH3 ) nNH3 = 苻INH式中：nNH3-合成塔中生成的氨，kmoln3-入口氣總物質(zhì)的量，kmoln

21、6-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_ n3(y 6,nh3 -y 3,NH3 ) 100kmol X (0.17-0.03) nNH3 =荷二；1+0.1711.9658kmol出塔氣總物質(zhì)的量門6 =門3 - nNH3 = 100kmol - 11.9658kmol88.0342kmol所以出塔氣組成（6點(diǎn)）NH3： y6,NH3 = 17.00% (已知)3 (100-3-15.5-2 X 11.9658 )kmolH2： y6,H2 = 4887342kmo X100%88.0342kmol=49.045

22、%,100kmol X 11.814%CH4： y6,CH4 =88.0342kmol =計(jì)2%1N2： y6,N2 = 3y6,H2 = 16.348%100kmol X 3.686%Ar: y6,Ar =:= 4.187%88.0342kmol出塔氣組成列入下表（包括6,7,8,9,10點(diǎn)）組成NH 3H2N2CH4Ar合計(jì)摩爾分?jǐn)?shù)17.00049.04516.34813.4204.187100/%2.3合成率計(jì)算反應(yīng)掉的N2 ,H2與入塔氣中的N2 , H2氣之比。按下式計(jì)算。2n nh3合成率 n=n3(1-y 3,NH3-y 3,CH4-y 3,Ar)2X 11.9658kmollO

23、Okmol X (1-0.03-0.11814-0.03686)X100% = 29.364%2.4氨分離器出口氣液組成計(jì)算設(shè)合成反應(yīng)后在水冷器內(nèi)部分氨被液化,氣液已達(dá)到相平衡。進(jìn)入氨分離器的物料為氣液混合物，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。FLx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(duì)于每個(gè)組分的物料平衡:F?Fi = V?yi + L?Xi = Fi根據(jù)氣液平衡關(guān)系yi = mi ?Xi式中：mi為各組分的相平衡常數(shù)。把式代入式得i)mi + 1式中：Li為液相中各組分的量?？傄毫縇 = EL

24、i液體組分的摩爾分?jǐn)?shù)LiXi =匚氣體總量V= F- L= 1 - L氣體組分含量，按（2）式ViFi-L iyi = 丁 = 對(duì)以上各式求解，需用試差法，現(xiàn)采用直接迭代法進(jìn)行計(jì)算。已知分離器入口氣液混合物組成Fi即6點(diǎn)值。組分FnH3Fh2Fn2FcH4Fa r合計(jì)摩爾分?jǐn)?shù)0.170.49050.163480.134200.041871查t=35 C, p= 30MPa下各組分的相平衡常數(shù)（mJmNH3mH2mN2mCH4mAr0.1127.534.58.238先設(shè)R= V?L= 12，假定入口氣液混合物量F= 1kmol并假定& < 0.001。以V?L= 12代入式計(jì)算，計(jì)

25、算結(jié)果如下。液相中各組分的量:Lnh3 = 0.07328kmolLh2 = 0.001482kmolLn2 = 0.0003949kmolLch4 = 0.001350kmolLAr = 0.00009162kmol液相總量:L = XL = 0.07660kmol分離后氣相總量:F-1 - 0.07660 = 0.9234kmol計(jì)算氣液比:V（L）=（L）0.9234kmol0.07660kmol =佗。55V V（匸）-（L）> 0.001設(shè) R= V?L =12.055，計(jì)算得（V）= 12.0890.007383 > 0.001設(shè)R = v?L = 12.089，計(jì)算得

26、（V）= 12.113誤差=|(®i| = 0.00198 > 0.001(l)'設(shè)R=V?l= 12.113，計(jì)算得(V)= 12.127（L）誤差=|(|= 0.001156 > 0.001以V?L= 12.127代入式（3）計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如下:Lnh3 = 0.07284kmolLH2 = 0.001466kmolLn2 = 0.0003898kmolLCH4 = 0.001336kmolLAr = 0.00009066kmolV (V)-( V)V（L）計(jì)算得(L)= 12.139 誤差=I L,v、L I = 0.0009895 < 0.001在允

27、許范圍之內(nèi)，假定值可以認(rèn)定 V?L= 12.127。液體組成（摩爾分?jǐn)?shù)）：按Xi = ¥計(jì)算，計(jì)算結(jié)果列入下表:表2.1氨分離器出口液體組成（17點(diǎn)）組成NH3H2N2CH4Ar合計(jì)摩爾分?jǐn)?shù)/%95.68181.92590.5121%1.75510.1191100.00%0分離后氣體組成：yi =匕計(jì)算FnH3 -L i 0.17-0.07284NH3： yNH3 = =0.92388><100% = 10.5177%同法計(jì)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(diǎn)）組成NH3H2N2CH4Ar合計(jì)摩爾分?jǐn)?shù)/%10.5177

28、52.917217.652814.38104.5222100.00%0V= 0.92388kmol L = 0.07612kmol2.5冷交換器分離出的液體組成（18點(diǎn)）由于從氨分離器出口氣.經(jīng)循環(huán)機(jī)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(bǔ)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 = mi ?Xi從手冊(cè)差得在操作條件下（t= -4.5 C, p= 30MPa）的相平衡常數(shù)mi如下表:mNH3mH2mN2mcH4mAr0.030

29、570752540冷交換器出口液體組成，根據(jù)yi = mi ?xi計(jì)算。計(jì)算結(jié)果列入下表（18點(diǎn)）:組成NH3H2N2CH4Ar合計(jì)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(jì)算氨分離器出口液氧（17點(diǎn)）與冷交換器的氨分出口液氨（18點(diǎn)）匯合于貯槽（19點(diǎn)） 由于減壓，溶在液氨中的氣體會(huì)解析出來和部分氧的蒸發(fā)氣形成弛放氣。201 17X19,i,L18,X18,i*118在液氨貯槽中，類似于閃蒸過程，仍按氨分離器的計(jì)算方法，假定一個(gè)V/L初(1 + y3,NH3 )(y 6,NH3 - yi1,NH3 )水冷后的氨分離囂分離的

30、液氨占總量的摩爾分?jǐn)?shù) G可由下式計(jì)算:G 二 X 100%(y6,NH3 - y3,NH3 )(1 - y11,NH3 )代入已知數(shù)據(jù):y3,NH3 = 0.03, y6,NH3 = 0.17, y11,NH3 = 0.105178(1 + 0.03)(0.17 - 0.105178)CC X100% = 53.295% 53.3%(0.17- 0.03)(1 - 0.105178)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(jì)算混合后液氨組成。X19,i = 0.533x 17,i + 0.467x 18,i計(jì)算結(jié)果列入下表（19點(diǎn)）組

31、成NH 3H2N2CH4Ar合計(jì)摩爾分?jǐn)?shù)/%96.9361.434%0.400%1.156%0.068%100.00%0根據(jù)氨貯槽的壓力t = 20 °C, P = 2.1M Pa差得氣液平衡常數(shù)，如下表mNH3m h2mN?mcH4mAr0.598575620170540值,（V）經(jīng)過試差，求得計(jì)算結(jié)果，如下表?，F(xiàn)按試差最后的v/l值，具體計(jì)算如下。設(shè)V?L = 0.079代入下式。（假定入槽液量F= Ikmol）_ Fi（V）mi + 1則液氨中各組分的物質(zhì)的量:NH3: Lnh3 = 0.92567kmolH2：Lh2 = 0.00030889kmolN2： Ln2 = 0.0

32、00080032kmolCH4：Lch4 = 0.00080111kmolAr: LAr = 0.000015575kmolL = ELi = 0.92687kmol V = 0.7313V V=（L）= 0.0789 誤差=1*1 = 0.00127 > 0.001以V?L= 0.0789代入式（3）計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如下:Lnh3 = 0.92567kmolLh2 = 0.0030927kmolLn2 = 0.000080131kmolLch4 = 0.00080205kmolLAr = 0.000015594kmolL = Eli = 0.92688kmolV= F- L = 1 -

33、0.92688 = 0.07312kmol/V V計(jì)算得（V）= 0.0788888 誤差=|（L）-V）L）| = 0.0002535 < 0.001在允許范圍之內(nèi)，假定值可以認(rèn)定 V?L= 0.0788880.0789。l .液體組成（摩爾分?jǐn)?shù)）：按Xi = f X100%計(jì)算。NH3：XnH3 =竿=簽二".871%其它組分計(jì)算結(jié)果列入下表（21點(diǎn)，產(chǎn)品液氨組成）組成NH3H2N2CH4Ar合計(jì)摩爾分?jǐn)?shù)/%99.8790.033%0.009%0.087%0.002%100.00%0馳放氣氣體組成：yi = 歲 x 100%計(jì)算hillFnH3 -L NH3 0.96936

34、-0.92567-red n/NH3： yNH3 = V= 0 x100% = 59.751%其它組分計(jì)算結(jié)果列入下表（20點(diǎn)，馳放氣組成）組成NH3H2N2CH4Ar合計(jì)摩爾分?jǐn)?shù)/%59.751%19.1885.361%14.7130.908%100.000%2.7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(jì)，則17kg?kmol x 0.99879L21= 1000kg X22.4m3?kmOl = 1319.2433m 3其中各組分的體積，按L2i,i = L2iX2i,iNH3： L21,nh3 = 1319.2433 x99.879% =

35、 1317.6471m 3H2: L21,h2 = 1319.2433 x0.033% = 0.4353m3N2： L21,n2 = 1319.2433 x0.009% = 0.1187m3CH4： L21,CH4 = 1319.2433 x 0.087% = 1.1477m 3yeAr: L21,ar = 1319.2433 X 0.002% = 0.0264m 3液氨貯槽馳放氣體積，按V?L= 0.0789計(jì)，則馳放氣體積:V20 = 0.0789L21 = 0.0789 X 1319.2433 = 104.0883m3NH3： V20,nh3 = 104.0883 X59.751% =

36、62.1938m3H2： V20,h2 = 104.0883 X19.188% = 19.9725m3N2： V20,n2 = 104.0883 X5.361% = 5.5802m3CH4： V20,ch4 = 104.0883 X 14.713% = 15.3145m3Ar： V20,ar = 104.0883 X 0.908% = 0.9451m3液氨貯槽出口總物料體積:L21 + V20 = 1319.2433 + 104.0883 = 1423.3316m3因此入口總物料也應(yīng)與出口相等:L19 = L21 + Wo = 1423.3316m 3入口物料各組分體積按Li9,i = L2i

37、,i + V20,i計(jì)算，結(jié)果為:NH 3： L19,nh3 = 1379.8409m 3H2：L19,h2 = 20.4078m 3N2：L19,n2 = 5.6989m 3CH4：L19,ch4 = 16.4622m3Ar:L19,Ar =0.9715m3L19 = ELi = 1423.3813m3由x19,i = 也計(jì)算，計(jì)算結(jié)果列入下表:L19組成NH3摩爾分?jǐn)?shù)/%96.942%H2N2CH4Ar合計(jì)1.432%0.400%1.157%0.069%100.000結(jié)果與Xi9,i基本相同。2.8合成循環(huán)回路總物料衡算（各個(gè)部位物料量）（1）對(duì)整個(gè)回路做衡算，可求出補(bǔ)充新鮮氣量Vi，放空

38、氣量V12，一級(jí)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。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1319.2433m 3（液氨折成標(biāo)準(zhǔn)狀況下氣體體積）。為方便計(jì)算，把前已算得已知數(shù)據(jù)列入下表:名稱NH3H2N2CH4Ar氣量 /m 3補(bǔ)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210.998790.000330.000090.000870.00002131

39、9.2433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(jì))氫平衡：以體積量計(jì)算（下同）333V1y1,H2 = V12 y12,H2 + 2V12y12,NH3 + V?0y20,H2 +V?0y20,NH3 + 2 L21(1)氮平衡:1 1 1V| y1,N2 = V12y12,N2 + 2 Vl2y12,NH3 + V20y20,H2 + _ V?0y20,NH3 + ? L

40、21惰氣平衡:V1 (y1,CH4 + yi,Ar) = V12 (y12,CH4 + y12,Ar ) + %0 (y 20,CH4 + y20,Ar )氨平衡：合成塔內(nèi)生成的氨應(yīng)等于排出的氨V6y6,NH3-V3y3,NH3 = V12y12,NH3 + V?0y20,NH3 + y20,Ar總物料平衡:合成反應(yīng)后進(jìn)出口氣體體積減少了V3- V 6V1 = V12+ V20 + L21 + (V3 - V6)把式(1)與式(2)合并,將已知數(shù)據(jù)代入式(1)與式0.7325V1 = (0.5292733+ 2 X 0.10518) V12 + 104.0833 X (0.19188 X- X

41、30.59751) +3 X1319.24330.68704V12 + 2092.12811m 3(1)式:0.2459V1=(0.1765311-X0.10518)V12 + 104.0833 X(0.05361 X? X0.59751) + -X 1319.24330.22192V12 +696.29922m 3式加式得:0.9784 =0.91616V12 +2788.42733m 3數(shù)據(jù)代入式(3)得:0.0216V1 = 0.1890V12+ 16.29815m3將式(3)'與式(6)聯(lián)立解得:V = 3100.96430m 3M2 = 268.13382m 3將已知數(shù)據(jù)V1

42、和V12的值代入式與式。式:0.17V6 - 0.03V3 = 268.13382m3 X0.10518 + 104.08833m 3 X0.59751 1319.2433m30.17V6 - 0.03V3 = 1409.63942m 3式：3100.96430m 3 = 268.13382m 3 + 104.08833m 3 + 1319.2433m 3 + V3 -V3V3 - V6 = 1409.49888m 3'與'聯(lián)立解得:V3 = 11176.31641m 3 V6 = 9766.81753m 3(3)合成塔進(jìn)出口物料量(各組分的量)a.入塔總物料量:V3 = 11

43、176.31641m 3V3 = V4 = Vs = 11176.31641m 3其中各組分的量按照gi = V3,y3,i計(jì)算。NH3： V3,nh3 = 335.28949m 3H2：N2：3,h2 = 6831.52341m 33,n2 = 2277.17447m 3CH4：V3,ch4 = 1320.37002m 3Ar:3,Ar = 411.84844m 3b.出塔總物料量，V5 = 9766.81753m 3其中各組分量按照V6,i = 計(jì)算。NH3：V6,nh3 = 1660.35898m 3H2： 6,h2 = 4790.13566m 3N2： V6,n2 = 1596.679

44、33m 3CH4： V5,CH4 = 1310.70691m 3Ar:6,Ar = 408.93665m 3(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V6 = V7 = V8 = V9 = 9766.81753m 3(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(shí)際為氣液 混合物。其總量和總組成與入口完全一致。即Mo = V9 = 9766.81753m 3經(jīng)氨分離器后，分為氣相和液相兩股物料。即V|0 = V11 + Li7(L|7量暫以氣體體積計(jì))按前面氨

45、分器氣液平衡算得V11氣液比:-11= R= 12.127L17Mo = Mi + Li7 = 9766.81753m 3由以上兩式可以解得V11 = 9022.79243m 3 L17 = 744.02510m 3Li7換算成質(zhì)量17L17 = 744.02510 X"= 564.66191kgb.氨分離器出口氣體組分的體積，按 V,i,i = Vii ?yii,i計(jì)算。NH3：V11,nh3 = V11 ?y11,NH3 = 9022.79243 X 0.105177=948.99024m 3H2： Vi,h2 = 4745.51140m 3N2： V1,n2 = 1592.77

46、550m 3CH4： M1,ch4 = 1297.56778m 3Ar: V1,Ar = 408.0287m 3氨分離器出口液體組分的量，按Li7,i = Li7 ?Xi7,i計(jì)算。NH3：L17,nh3 = 711.89661m 3H2：L7,h2 = 14.32918m 3N2：L7,n2 = 3.81015m 3CH4：L17,ch4 = 17.05838m 3Ar:L17,Ar = 0.88613m 3(6) 循環(huán)機(jī)入口 V13和出口 V14 :由流程圖上表明進(jìn)入循環(huán)機(jī)之前，有放空氣放出。所以 Vi3 = 4 = Vii -場2 = 9022.79243 - 268.13382 = 8

47、754.65861m 3其中各組分的量按照V,3,i = V,3 ?yi3,i計(jì)算。NH3： V3,nh3 = 920.26345m 3H2： V3,h2 = 4633.59567m 3N2： V3,n2 = 1545.44238m 3CH4： M3,ch4 = 1259.00746m 3Ar: V3,Ar = 395.90317m3放空氣中各組分的量：按Vi2,i = Vi2 ?yi2,i計(jì)算。NH3：M2,nh3 = 28.20i5im3H2: V2,H2 = 141.91572m3N2： V2,n2 = 47.33313m3CH4： V2,ch4 = 38.56032m3Ar: V2,A

48、r = 12.12501m3(7) 冷交換器進(jìn)出口物料a.進(jìn)氣量：V2=循環(huán)機(jī)出口加上補(bǔ)充氣的量即V2 =場4 + y = 3100.96430 + 8754.65861 = 11855.62291m 3b.補(bǔ)充氣中各組分的量：按Vi,i = Vi ?yi,i計(jì)算。NH3： Vi,nh3 = 0m3H2：V,h2 = 2271.45635m 3N2：V,N2 = 762.52712m3CH4： Wch4 = 51.16591m3Ar: V,Ar = 15.81492m3c.冷交換器入口氣體各組分的量：按 V?,i = Vi4,i + Vi,i計(jì)算。NH3： V2,nh3 = 920.26345

49、m 36905.05202m 3H2：,H2 =N2：V?,N2 =CH4：V?,CH4 =Ar:V；,Ar =2307.96950m 31310.17337m 3d.冷交換器入口氣體組成(2點(diǎn))：按照y2,i =411.71809m 3號(hào)計(jì)算。NH3 : y2,NH3=V7V2920.26345m 311855.62291m 3 = 0.07765其他組分的計(jì)算結(jié)果如下表（2點(diǎn)）組成NH3H2N2CH4Ar合計(jì)摩爾分?jǐn)?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 =11176.31641m 3其中各組分

50、的量按V3,i = V3 ?y3,i計(jì)算。NH3: V3,NH3 = 335.28949m 3H2：V3,h2 = 6831.52341m 3N2：V3,n2 = 2277.17447m 3CH4：V3,CH4 = 120.37002m 3Ar:3,ar = 411.95902m 3f.冷交換器出口液氨的量：它是進(jìn)出口氣體體積之差。L18 = V2 - V3 = 11855.62291 - 11176.31641 = 679.30650m 3其中分組分的量按Li8,i = L18 ?Xl8,i計(jì)算。NH3： L18,nh3 = 668.17267m 3H2:Li8,H2=5.93035m3N2:L18,N2=1.84771m3CH4: L18,CH4=3.21312m3Ar:L18,Ar=0.03793m 3g.液氨貯槽物料衡算（均以標(biāo)準(zhǔn)狀況下氣體體積計(jì)）進(jìn)入貯槽的液氨量:L19 = L仃 + L18 = 1423.33160m 3貯槽中排除產(chǎn)品液氨的量:L21 = L19 - 720 = 1423.33160m 3 - 104.0883m3 = 1319.2411m 3（標(biāo)準(zhǔn)狀況）結(jié)果與計(jì)算基準(zhǔn)基本一致。（8）物料衡算結(jié)果匯總?cè)缦拢海ㄒ韵挛锪狭烤跇?biāo)準(zhǔn)狀況下，按1t,NH 3計(jì)算。）補(bǔ)充新鮮氣（1點(diǎn)）M = 3100.9643m3氨冷器