畢業(yè)設(shè)計--9萬噸年合成氨合成工段工藝設(shè)計

1、<p>　　9萬噸/年合成氨合成工段工藝設(shè)計</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　氨是最為重要的基礎(chǔ)化工產(chǎn)品之一，其產(chǎn)量居各種化工產(chǎn)品的首位。氨主要用于農(nóng)業(yè),合成氨是氮肥工業(yè)的基礎(chǔ)。氨的合成主要有脫硫、轉(zhuǎn)化、凈化、合成幾個工段。合成氨合成工段的設(shè)計，原料采用氮氣和氫氣，以合成塔為主要設(shè)備，在氨冷器、水冷器、氣—氣交換器、循環(huán)機、

2、分離器、冷凝塔等輔助設(shè)備的作用下制得液氨，工藝條件為： A201為催化劑， 480℃，31Mpa。本設(shè)計進行了物料衡算，熱量衡算，設(shè)備選型計算。</p><p>　　關(guān)鍵詞：合成 工藝參數(shù) 衡算 設(shè)備計算 </p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Ammonia is one of the

3、most important basic chemical products in the world，Its output of various kinds of chemicals rank first in the world. Ammonia mainly used in agriculture and synthetic ammonia is the basis of nitrogen fertilizer industry.

4、 Ammonia synthesis is mainly from the four sections of desulphurization, conversion, decontamination, and synthesis. With using nitrogen and hydrogen as materials and synthesis converter as main equipment, under the acti

5、on of the auxiliary equipments of ammo</p><p>　　KEY WORDS: synthesis process parameter balance calculation of Devices</p><p><b>　　-Ⅱ-</b></p><p><b>　　目 錄</

6、b></p><p><b>　　第一部分 緒論1</b></p><p>　　1.1氨的性質(zhì)及其在化工生產(chǎn)中的地位1</p><p>　　1.2合成氨的發(fā)展歷程1</p><p><b>　　1.3技術(shù)規(guī)格2</b></p><p>　　1.3.1原材料技術(shù)規(guī)

7、格2</p><p>　　1.3.2產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格2</p><p>　　1.3.3危險性物料主要物性表3</p><p><b>　　1.4合成原理3</b></p><p><b>　　1.5工藝條件4</b></p><p><b>　　1.6工藝流程

8、4</b></p><p>　　1.6.1工藝流程圖4</p><p>　　1.6.2流程簡述5</p><p>　　1.6.3工藝特點5</p><p>　　第二部分　工藝設(shè)計計算7</p><p><b>　　2.1計算依據(jù)7</b></p><p&

9、gt;<b>　　2.2物料衡算7</b></p><p>　　2.2.1合成塔進入塔氣氣量計算7</p><p>　　2.2.2氨分離器氣液平衡計算8</p><p>　　2.2.3冷交換器氣液平衡計算10</p><p>　　2.2.4液氨儲槽氣液平衡計算11</p><p>　　2

10、.2.5液氨貯槽物料計算13</p><p>　　2.2.6合成系統(tǒng)物料計算14</p><p>　　2.2.7合成塔內(nèi)物料計算16</p><p>　　2.2.8水冷器物料計算16</p><p>　　2.2.9氨分離器物料計算17</p><p>　　2.2.10冷交換器物料計算17</p>

11、<p>　　2.2.11氨冷器物料計算18</p><p>　　2.2.12冷分離器物料計算20</p><p>　　2.2.13液氨儲槽物料計算21</p><p>　　2.2.14物料衡算結(jié)果匯總23</p><p>　　2.3熱量衡算26</p><p>　　2.3.1冷交換器熱量計算2

12、6</p><p>　　2.3.2氨冷器熱量計算28</p><p>　　2.3.3循環(huán)機熱量計算30</p><p>　　2.3.4合成塔熱量計算31</p><p>　　2.3.5廢熱鍋爐熱量計算33</p><p>　　2.3.6熱交換器熱量計算34</p><p>　　2.3.

13、7水冷器熱量計算35</p><p>　　2.3.8氨分離器熱量計算36</p><p><b>　　- Ⅲ -</b></p><p>　　2.3.9中置鍋爐產(chǎn)生蒸汽量的計算37</p><p>　　2.3.10合成系統(tǒng)溫度計算示意圖38</p><p>　　第三部分 設(shè)備設(shè)計及選型校核

14、39</p><p>　　3.1 主要設(shè)備選型計算39</p><p>　　3.1.1 廢熱鍋爐設(shè)備工藝計算39</p><p>　　3.2.1冷交換器設(shè)備工藝設(shè)計及校核42</p><p>　　4.1 主要設(shè)備選型匯總表55</p><p><b>　　設(shè)計綜述56</b></

15、p><p><b>　　參考文獻57</b></p><p><b>　　- Ⅳ -</b></p><p><b>　　第一部分 緒論</b></p><p>　　1.1氨的性質(zhì)及其在化工生產(chǎn)中的地位</p><p>　　合成氨的化學(xué)名稱為氨，氮含量為8

16、2.3%。氨是一種無色具有強烈刺激性、催淚性和特殊臭氣的無色氣體，比空氣輕，密度1.429g/L，熔點－77.7℃；沸點－33.4℃。標(biāo)準狀況下，1米3氣氨重0.771公斤；1米3液氨重638.6公斤。極易溶于水，常溫（20℃）常壓下，一個體積的水能溶解700個體積的氨；標(biāo)準狀況下，一個體積水能溶解1300個體積的氨氨的水溶液稱為氨水，呈強堿性。因此，用水噴淋處理跑氨事故，能收到較好的效果, 氨在常溫常壓下為具有特殊性惡臭的無色有毒氣體

17、，比空氣輕。氨在常溫下穩(wěn)定，但是在高溫下可分解成氫和氮。一般在一個大氣壓下450-500℃時分解，如果有鐵、鎳等催化劑存在，可在300℃時分解。</p><p>　　氨與酸或酸酐可以直接作用，生成各種銨鹽；氨與二氧化碳作用可生成氨基甲銨，脫水成尿素；在鉑催化劑存在的條件下，氨與氧作用生成一氧化氮，一氧化氮繼續(xù)氧化并與水作用，便能得到硝酸。氨在高溫下(800℃以上)分解成氮和氫；</p><p&

18、gt;　　氨具有易燃易爆和有毒的性質(zhì)。氨的自燃點為630℃，氨在氧中易燃燒，燃燒時生成藍色火焰。氨與空氣或氧按一定比例混合后，遇明火能引起爆炸。常溫下氨在空氣中的爆炸范圍為15.5～28％，在氧氣中為13.5～82％。液氨或干燥的氣氨，對大部分物質(zhì)沒有腐蝕性，但在有水的條件下，對銅、銀、鋅等有腐蝕作用[12]。</p><p>　　氨是最為重要的基礎(chǔ)化工產(chǎn)品之一，其產(chǎn)量居各種化工產(chǎn)品的首位; 同時也是能源消耗的大

19、戶，世界上大約有10 %的能源用于生產(chǎn)合成氨。氨主要用于農(nóng)業(yè),合成氨是氮肥工業(yè)的基礎(chǔ)，氨本身是重要的氮素肥料，其他氮素肥料也大多是先合成氨、再加工成尿素或各種銨鹽肥料，這部分約占70 %的比例，稱之為“化肥氨”；同時氨也是重要的無機化學(xué)和有機化學(xué)工業(yè)基礎(chǔ)原料，用于生產(chǎn)銨、胺、染料、炸藥、制藥、合成纖維、合成樹脂的原料，這部分約占30 %的比例,稱之為“工業(yè)氨”[10]。</p><p>　　1.2 合成氨的發(fā)展歷

20、程</p><p>　　世界合成氨技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了傳統(tǒng)型蒸汽轉(zhuǎn)化制氨工藝、低能耗制氨工藝、裝置單系列產(chǎn)量最大化三個階段。根據(jù)合成氨技術(shù)發(fā)展的情況分析, 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(biāo), 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</p><p>&l

21、t;b>　　- 1 -</b></p><p><b>　　發(fā)。</b></p><p>　　據(jù)英國FERTECON公司預(yù)測,未來4年世界合成氨產(chǎn)量將以3.5%/年增速繼續(xù)增長。而中國的氨主要用于生產(chǎn)氮肥和尿素，2001年氮肥生產(chǎn)量比2000年氮肥生產(chǎn)量成長5.4%。2001年尿素產(chǎn)量比2000年尿素生產(chǎn)量成長3.1%。目前中國大陸合成氨生產(chǎn)基本上已

22、滿足氮肥工業(yè)的需要，今后氮肥工業(yè)的發(fā)展重點是調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，對合成氨的需求將緩慢成長。</p><p>　　中國現(xiàn)有合成氨生產(chǎn)企業(yè) 522個，2008年合成氨總產(chǎn)能約5700萬噸，中</p><p>　　國的商品液氨很少，主要用于生產(chǎn)肥料，非肥料需求不到10%，用于濃硝酸、己內(nèi)酰胺、丙烯腈等。</p><p>　　合成氨的發(fā)展，以原料構(gòu)成的變化可分為以固體燃料為原料生

23、產(chǎn)合成氨和以氣體燃料或液體燃料為原料生產(chǎn)合成氨兩個階段。20世紀50年代以前，氨合成塔的最大能力為日常200t氨，到1963年和1966年相繼建成日產(chǎn)544.31t和907.19t的氨廠，實現(xiàn)了單系列合成氨裝置的大型化，這是合成氨工業(yè)發(fā)展史上第一次突破。大型化的優(yōu)點是投資費用低，能量利用率高，占地少，勞動生產(chǎn)率高[14]。</p><p><b>　　1.3技術(shù)規(guī)格</b></p>

24、;<p>　　1.3.1原材料技術(shù)規(guī)格</p><p>　　表1.1 原材料技術(shù)規(guī)格</p><p>　　1.3.2產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格</p><p>　　表1.2 液氨產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格</p><p><b>　　- 2 -</b></p><p>　　表1.3 氨水產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格</p

25、><p>　　1.3.3危險性物料主要物性表</p><p>　　表1.4危險性物料主要物性</p><p><b>　　1.4 合成原理</b></p><p>　?。?）合成反應(yīng)方程式： </p><p>　　反應(yīng)的特點：可逆反應(yīng)、正反應(yīng)放熱、正反應(yīng)是氣體體積減小的可逆反應(yīng)。</p>

26、<p>　　反應(yīng)趨近于平衡時的限度取決于化學(xué)平衡常數(shù)。化學(xué)平衡常數(shù)可用下式表示：</p><p>　　在低壓與高壓狀態(tài)下影響平衡常數(shù)的因素是不同的。在低壓下，反應(yīng)物系可以看作理想氣體，平衡常數(shù)僅與溫度有關(guān)。高壓下的平衡常數(shù)不僅與溫度有關(guān)，而且與氣體組成及壓力有關(guān)。</p><p>　　在工業(yè)生產(chǎn)中主要考慮經(jīng)濟效應(yīng)與社會效應(yīng)，基本要求單位時間內(nèi)產(chǎn)量高、</p>&l

27、t;p>　　原料利用率高。需要將生成的氨及時分離出來，并不斷向體系中補充原料以增加反應(yīng)物濃度，使平衡向合成氨的方向進行[14]。</p><p><b>　　- 3 -</b></p><p><b>　　1.5 工藝條件</b></p><p>　　氨合成反應(yīng)與其他可逆放熱反應(yīng)一樣，氨合成反應(yīng)存在著最佳溫度Tm，它

28、取決于反應(yīng)氣體的組成，壓力以及所用催化劑的活性。</p><p>　　Tm與平衡溫度Te及正可逆反應(yīng)的活化能E1，E2的關(guān)系為</p><p>　　壓力改變時，最佳溫度亦相應(yīng)變化，氣體組成一定，壓力越高，平衡溫度與最佳溫度越高。</p><p>　　從化學(xué)平衡和化學(xué)反應(yīng)速率的角度看，提高操作壓力是有利的。生產(chǎn)上選擇操作壓力的主要依據(jù)是能量消耗以及包括能量消耗，原料費

29、用，設(shè)備投資在內(nèi)的所謂綜合費用，也就是說主要取決于技術(shù)經(jīng)濟效果。能量消耗主要包括原料氣壓縮功，循環(huán)氣壓縮功和氨分離的冷凍功。通常原料氣和設(shè)備的費用對過程的經(jīng)濟指標(biāo)影響較大，在10～35Mpa范圍內(nèi)，壓力提高，綜合費用下降，主要原因是低壓下操作設(shè)備投資與原料氣消耗均增加。對于不同的流程來說，低于20Mpa時，三級冷凝流程的綜合費用較低；20～28.5Mpa時，二級冷凝流程的綜合費用也較低；更高壓力時采用一級冷凝的流程綜合費用最低。<

30、/p><p>　　總的說來，將壓力從10Mpa提高到35Mpa時，綜合費用可下降40%左右，繼續(xù)提高壓力效果不顯著。</p><p>　　精制后的氫氮混合氣是在高溫，高壓并有催化劑存在的條件下進行氨合成反應(yīng)的。根據(jù)合成反應(yīng)器所采用的壓力，溫度及催化劑型號的不同，氨合成的方法可以分為低壓法，中壓法和高壓法三種。小型合成氨廠是采用低壓法和中壓法二種。其合成壓力分別為15～20MPa和32Mpa[1

31、4]。</p><p><b>　　1.6 工藝流程</b></p><p>　　1.6.1氨合成工序流程圖</p><p><b>　　- 4 -</b></p><p>　　1.6.2流程簡述：</p><p>　　氣體從冷交換器出口分二路、一路作為近路、一路進入合成塔一

32、次入口，氣體沿內(nèi)件與外筒環(huán)隙向下冷卻塔壁后從一次出口出塔，出塔后與合成塔近路的冷氣體混合，進入氣氣換熱器冷氣入口，通過管間并與殼內(nèi)熱氣體換熱。升溫后從冷氣出口出來分五路進入合成塔、其中三路作為冷激線分別調(diào)節(jié)合成塔。二、三、四層(觸媒)溫度，一路作為塔底副線調(diào)節(jié)一層溫度，另一路為二入主線氣體，通過下部換熱器管間與反應(yīng)后的熱氣體換熱、預(yù)熱后沿中心管進入觸媒層頂端，經(jīng)過四層觸媒的反應(yīng)后進入下部換熱器管內(nèi)，從二次出口出塔、出塔后進入廢熱鍋爐進口

33、，在廢熱鍋爐中副產(chǎn)25MPa 蒸氣送去管網(wǎng)，從廢熱鍋爐出來后分成二股，一股進入氣氣換熱器管內(nèi)與管間的冷氣體換熱，另一股氣體進入鍋爐給水預(yù)熱器在管內(nèi)與管間的脫鹽，脫氧水換熱，換熱后與氣氣換熱器出口氣體會合，一起進入水冷器。在水冷器內(nèi)管被管外的循環(huán)水冷卻后出水冷器，進入氨分離器，部分液氨被分離出來，氣體出氨分離器，進入透平循環(huán)機入口，經(jīng)加壓后進入循環(huán)氣濾油器出來后進入冷交換器熱氣進口。在冷交換器管內(nèi)被管間的冷氣體換熱，冷卻后出冷交換器與壓縮

34、送來經(jīng)過新鮮氣濾油器的</p><p>　　新鮮氣氫氣、氮氣會合進入氨冷器，被液氨蒸發(fā)冷凝到-5～-10℃，被冷凝的氣體再次進入冷交，在冷交下部氣液分離，液氨送往氨庫氣體與熱氣體換熱后再</p><p>　　次出塔，進入合成塔再次循環(huán)[5]。</p><p><b>　　1.6.3工藝特點</b></p><p>　　本

35、工段生產(chǎn)液氨，生產(chǎn)能力為9kt噸液氨/年，與傳統(tǒng)流程相比較，具有節(jié)能低耗的特點，具體表現(xiàn)如下所述：</p><p>　?。?）合成塔內(nèi)件及催化劑的選擇：</p><p><b>　　合成塔內(nèi)件：</b></p><p>　　本次氨合成工藝選用YD型氨合成塔內(nèi)件，YD型氨合成內(nèi)件事四層絕熱冷激式氨合成塔，相比鴻化公司氨合成廠原使用的合成塔內(nèi)件并流

36、三套管型內(nèi)件，其裝填催化劑的體積要多了將近20%，在不改變原有條件下，催化劑的增加就意味著生產(chǎn)能力的提高。另外，YD型塔有多層絕熱，全冷激式，對氣體凈化度要求高，結(jié)構(gòu)簡單等特點。</p><p><b>　　催化劑的選擇：</b></p><p>　　第一床層選用A201催化劑，因為該型號的催化劑含鈷，其低溫活性好，氨凈值高，但價格昂貴，因此只用在第一床層，其進口溫度

37、為360oC，選用此型號催化劑更能發(fā)揮作用。</p><p>　　以下各層都選用A110催化劑，其適用溫度為380-500oC，價格較低，活性</p><p><b>　　- 5 -</b></p><p>　　也較好，適用于合成塔下面的床層。</p><p>　?。?）“二進二出”的合成流程及反應(yīng)熱回收的方式與利用：&

38、lt;/p><p>　　本次設(shè)計選用的是“二進二出”的合成流程，選擇塔內(nèi)上下段雙換熱器和外設(shè)中置鍋爐的工藝路線。主線、副線及1#、2#、3#冷激氣一次進塔，反應(yīng)完成后進入塔內(nèi)上段換熱器管程，降溫后第一次出塔進入中置鍋爐回收熱量，提高了反應(yīng)熱的回收率并獲得了高品位的熱，降低了二次進塔氣體的溫度，有利于減少下段換熱器的熱負荷，延長設(shè)備的使用壽命，而中置鍋爐的副產(chǎn)品1Mpa的蒸汽可進入下一工段利用，節(jié)省了能源，降低了成本，

39、減少了工藝負荷。</p><p>　　（3）水冷器、雙氨分離器的設(shè)置： </p><p>　　本次設(shè)計采用雙氨分離器，氨分離器Ⅰ接在冷交換器與氨儲罐之間，氨分離器Ⅱ放在冷交換器與氨冷器之間，這樣的設(shè)計減少了單一氨分離器的生產(chǎn)負荷，有利于有效的分離產(chǎn)品中的液氨，提高液氨的產(chǎn)品規(guī)格等級，直接提高了經(jīng)濟效應(yīng)，水冷后分離液氨再進行冷交，這樣的設(shè)計減少了系統(tǒng)阻力，既提高了液氨的分離效果又避免了氣液兩

40、相流，充分解決了低壓下，水冷后很少有氨冷凝下來的矛盾[5]。</p><p>　?。?）氨冷器的選擇設(shè)置：</p><p>　　本次設(shè)計選擇的氨冷器與鴻化廠的氨冷凝塔氨蒸發(fā)器串聯(lián)使用相比較，處理能力上有一定的劣勢，但是單從合成氨工藝比較，單氨冷器的使用較兩設(shè)備</p><p>　　串聯(lián)使用，在符合設(shè)計要求的基礎(chǔ)上，不僅簡化了工藝流程，并且在經(jīng)濟上顯得更加合理。<

41、;/p><p><b>　　- 6 -</b></p><p><b>　　第二部分　工藝計算</b></p><p><b>　　2.1 計算依據(jù)</b></p><p>　?。?）年產(chǎn)量90kt，年生產(chǎn)時間扣除檢修時間后按320天計，則產(chǎn)量為：11.72t/h </p&g

42、t;<p><b>　?。?）精煉氣組成</b></p><p>　　表2-1 精煉氣組成</p><p>　　（3）合成塔入口中氨含量：NH3入=3.0%</p><p>　?。?）合成塔出口中氨含量：NH3出=15%</p><p>　?。?）合成塔入口中惰性氣體含量：CH4 +Ar=14%</p

43、><p>　　（6）合成塔操作壓力：31Mpa</p><p>　?。?）精練氣溫度：35℃</p><p>　?。?）循環(huán)機進出口壓差：1.45Mpa</p><p>　?。?）計算基準：生產(chǎn)1噸液氨</p><p>　　設(shè)備及管道造成的壓力，設(shè)備及管道的冷（熱）量損失；冷交換器及氨冷器溶解在液氨中的氣量，以上各項在計算

44、中忽略不計。</p><p><b>　　2.2 物料衡算</b></p><p>　　2.2.1 合成塔入塔氣量計算</p><p>　　(1)合成塔入口氣組分</p><p><b>　　根據(jù)原始數(shù)據(jù)計算：</b></p><p><b>　　入塔氣中氨的含量&

45、lt;/b></p><p>　　X5NH3=3.0％</p><p><b>　　入塔氣中甲烷的含量</b></p><p>　　X5CH4=14.00％×0.71/（0.71+0.28）×100％=10.04％</p><p><b>　　入塔氣中氬的含量 </b>&l

46、t;/p><p>　　X5Ar=14％-10.04％=3.96％</p><p><b>　　入塔氣中氫的含量</b></p><p>　　X5H2=［100-（3.0+14）］×3/4×100％=62.25％</p><p><b>　　入塔氣中氮的含量</b></p>

47、<p>　　X5N2=［100-（3.0+14）］×1/4×100％=21.75％</p><p><b>　　- 7 -</b></p><p>　　表2-2 入塔氣組成（V）</p><p>　　（2）合成塔出口氣組分</p><p>　　設(shè)1000kmol入塔氣作為基準求出塔氣組

48、分</p><p>　　由下式計算合成塔內(nèi)生成氨的含量</p><p>　　MNH3=M5(X8NH3-X5NH3)/(1+X8NH3)</p><p>　　=1000(0.15- 0.03)/(1+0.15)=104.348kmol</p><p><b>　　出塔氣量 </b></p><p&

49、gt;　　M8=入塔氣量—生成氨含量=1000-104.348=895.652kmol</p><p><b>　　出塔氣中氨的含量</b></p><p>　　X8NH3=15.00％</p><p><b>　　出塔氣中甲烷的含量</b></p><p>　　X8CH4=(M5/M8)×

50、;X5CH4=(1000/895.65)×10.04％=11.210％</p><p><b>　　出塔氣中氨的含量</b></p><p>　　X8Ar=(M5/M8)×X5Ar=1000/895.65×3.96％=4.421％</p><p><b>　　出塔氣中氫的含量</b></

51、p><p>　　X8H2=3/4(1-Y8NH3-Y8CH4-Y8Ar)×100％</p><p>　　=3/4(1-0.150-0.11210-0.04421)×100％=52.027％</p><p><b>　　出塔氣中氮的含量</b></p><p>　　X8N2=1/4(1-0.150-0.11

52、21-0.04421)×100％=17.342％</p><p>　　表2-3 出塔氣體組成（V%）</p><p><b>　　則得出合成率</b></p><p>　　合成率=2MNH3/［M5(1-X5NH3-X5CH4-X5Ar)］×100％</p><p>　　=2×104.34

53、8/［1000×(1-0.03-0.14)］×100％=25.144％</p><p>　　2.2.2氨分離器氣液平衡計算</p><p>　　設(shè)氨分離器進口氣液混合物F，</p><p><b>　　- 8 -</b></p><p>　　進口物料組分n(i)；分離氣相組分X(i)，氣量V；分離液相

54、組分Y(i)，液量L，其中進口物料組分n(i)等于合成塔出口氣體組分。根據(jù)氣液平衡原理，以1Kmol進口物料為計算基準，即F=1Kmol。</p><p>　　表2-4 已知氨分離器入口混合物組分n(i)(V%)</p><p>　　t=35℃，P=29.4MPa時查《無機化工工藝學(xué)（1）》P346～349各組分平衡常數(shù)</p><p>　　表2-5 各組分平衡

55、常數(shù)</p><p>　　假設(shè)（V/L）=15時，帶入L×(i)=n(i)/［1+(V/L)×K(i)］:</p><p>　　LNH3=mNH3/［1+(V/L)×KNH3］=0.15/(1+15×0.098)=0.06073Kmol</p><p>　　LCH4=mCH4/［1+(V/L)×KCH4］=0.112

56、1/(1+15×8.2)=0.0009Kmol</p><p>　　LAr=mAr/［1+(V/L)×KAr］=0.04421/(1+15×28.2)=0.00010 Kmol</p><p>　　LH2=mH2/［1+(V/L)×KH2］=0.52027/(1+15×27.5)=0.00126Kmol</p><p&g

57、t;　　LH2=mN2/［1+(V/L)×KN2］=0.17342/(1+15×34.5)=0.00039 Kmol</p><p><b>　　計算分離液體量</b></p><p>　　L= LNH3+ LCH4+ LAr+ LH2+ LH2=0.06332 Kmol</p><p><b>　　計算分離氣體量

58、</b></p><p>　　V=1-L=1-0.07536=0.93668 Kmol</p><p><b>　　計算氣液比</b></p><p>　　（V/L）＇=0.93668/0.06332=14.793</p><p>　　誤差［（V/L）-（V/L）＇］/（V/L）=（14.793-15）/15

59、×100％=1.38％，假定正確</p><p><b>　　則分離液體組分含量</b></p><p><b>　　液體中氨的含量</b></p><p>　　YNH3=LNH3/L=0.06073/0.06332×100％=95.91％</p><p><b>　　

60、液體中氬的含量</b></p><p>　　YAr=LAr/L=0.0009/0.06332×IOO％=1.421％</p><p><b>　　液體中甲烷的含量</b></p><p>　　YCH4=LCH4/L=0.0001/0.06332×100％=0.147％</p><p>&l

61、t;b>　　液體中氫的含量</b></p><p>　　YH2=LH2/L=0.00126/0.06332×100％=1.96％</p><p><b>　　液體中氮的含量</b></p><p>　　YN2=LH2/L=0.00039/0.06332×100％=0.614％</p><

62、p><b>　　- 9 -</b></p><p>　　表2-6 氨分離器出口液體含量(V%)</p><p><b>　　分離氣體組分含量</b></p><p><b>　　氣體中氨的含量 </b></p><p>　　XNH3=［nNH3-LNH3］/V=(0.15

63、-0.06073)/0.93668=9.53％</p><p><b>　　氣體中甲烷的含量</b></p><p>　　XCH4=［nCH4-LCH4］/V=(0.1121-0.0009)/0.93668=11.87％</p><p><b>　　氣體中氬的含量</b></p><p>　　XAr

64、=［nAr-LAr］/V=(0.04421-0.0001)/0.93668=4.71％</p><p><b>　　氣體中氫的含量</b></p><p>　　XH2=［nH2-LH2］/V=(0.52027-0.00126)/0.93668=55.41％</p><p><b>　　氣體中氮的含量</b></p&g

65、t;<p>　　XN2=［nN2-LN2］/V=(0.17342-0.00033)/0.93668=18.48％</p><p>　　表2-7 氨分離器出口氣體含量(V%)</p><p>　　2.2.3冷交換器氣液平衡計算</p><p>　　根據(jù)氣液平衡原理Y(i)=X(i)/K(i),由于冷交換器第二次出口氣體含量等于合成塔進口氣體含量X(i)

66、和操作條件下的分離溫度可查出K(i)，可解出Y(i)。</p><p>　　t=-10℃,p=28.3MPa時查《無機化工工藝學(xué)（1）》P346～349的平衡常數(shù)得</p><p>　　表2-8 各組分的平衡常數(shù)</p><p>　　冷交換器出口液體組分含量：</p><p><b>　　出口液體中氨的含量</b>&l

67、t;/p><p>　　YNH3=XNH3/ KNH3=0.03/0.03048=98.448％</p><p>　　出口液體中甲烷的含量</p><p>　　YCH4=XCH4/ KCH4=0.1004/27=0.372％</p><p><b>　　出口液體中氬的含量</b></p><p>　　Y

68、Ar=XAr/ KAr=0.0396/51=0.078％</p><p><b>　　出口液體中氫的含量</b></p><p>　　YH2=XH2/ KH2=0.6225/75=0.83％</p><p><b>　　出口液體中氮的含量</b></p><p><b>　　- 10 -&

69、lt;/b></p><p>　　YN2=XN2/ KN2=0.2175/80=0.272％</p><p>　　表2-9 冷交換器出口液體組分含量(V%)</p><p>　　2.2.4液氨貯槽氣液平衡計算 </p><p>　　由于氨分離器液體和冷交換器出口分離液體匯合后進入液氨貯槽經(jīng)減壓后</p><p>

70、;　　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數(shù)。</p><p>　　G％=（1+Y5NH3）×(Y8NH3-YNH3)/(( Y8NH3- Y5NH3)×(1- YNH3))</p><p>　　=[(1+0.03）×（0.15-0.0953）]/ [（0.15-0.03）×（1-0.0953）]<

71、;/p><p><b>　　=51.897％</b></p><p>　　則水冷后分離液氨占總量的51.897％冷交，氨冷后分離液氨占總量的48.103%。 </p><p>　　液氨貯槽入口1Kmol液體計算為準，即L0=1Kmol，入口液體混合后組分含量</p><p>　　N(0i)=

72、L(15)Y15i+L16Y16i</p><p>　　= G％L0Y15i+(1- G％)Y16i</p><p>　　=0.51897Y15i+0.48103Y16i</p><p>　　混合后入口中氨的含量</p><p>　　N0NH3=0.51897×0.9591+0.48103×0.98448=0.97131&

73、lt;/p><p>　　混合后入口中甲烷的含量</p><p>　　N0CH4=0.51897×0.01421+0.48103×0.00372=0.00916</p><p>　　混合后入口中氬的含量</p><p>　　N0Ar=0.51897×0.00147+0.48103×0.00078=0.0011

74、4</p><p>　　混合后入口中氫的含量</p><p>　　N0H2=0.51897×0.0196+0.48103×0.0083=0.01416</p><p>　　混合后入口中氮的含量</p><p>　　N0N2=0.51897×0.00614+0.48103×0.00272=0.00449&

75、lt;/p><p><b>　　- 11 -</b></p><p>　　表2-10 液氨貯槽入口液體含量(V%)</p><p>　　t=17℃、P=1.568Mpa時查《無機化工工藝學(xué)（1）》P346～349平衡常數(shù)</p><p>　　表2-11 各組分的平衡常數(shù)</p><p>　　根據(jù)氣液

76、平衡L(i)=N(0i)/[1+(V/L)k(i)]</p><p>　　設(shè)(V/L)=0.07,代入上式有</p><p>　　出口液體中氨的含量 LNH3=N0NH3/[(1+(V/L)×kNH3]</p><p>　　=0.97131/(1+0.07×0.598)=0.93228Kmol</p><p>　　出

77、口液體中甲烷的含量 LCH4=N0CH4/[ 1+(V/L)×kCH4]</p><p><b>　　- 11 -</b></p><p>　　=0.00916/(1+0.07×170)=0.00071Kmol</p><p>　　出口液體中氬的含量 LAr=N0Ar/[ 1+(V/L)×kAr]</

78、p><p>　　=0.00114/(1+0.07×540)=0.00003Kmol</p><p>　　出口液體中氫氣的含量 LH2=N0H2/[ 1+(V/L)×kH2]</p><p>　　=0.01416/(1+0.07×575)=0.00034Kmol</p><p>　　出口液體中氮氣的含量 LN2=N

79、0N2/[ 1+(V/L)×kN2]</p><p>　　=0.00449/(1+0.07×620)=0.0001Kmol</p><p>　　L(總)= LNH3+ LCH4+ LAr+ LH2+ LH2=0.93346 Kmol</p><p>　　得出出口氣體總量 V=1-0.93346=0.06654Kmol </p>

80、<p>　　計算氣液比 (V/L) ＇=V/L=0.06654/0.93346=0.0713</p><p>　　誤差 =(0.07-0.0713)/0.07=-1.857％，則假定正確。</p><p><b>　　出口液體組分含量</b></p><p>　　出口液體氨的含量 </p><p>　

81、　YNH3=LNH3/L=0.93228/0.93346×100％=99.874％</p><p><b>　　出口液體甲烷的含量</b></p><p>　　YCH4=LCH4/L=0.00071/0.93346×100％=0.076％</p><p><b>　　出口液體氬的含量</b></p

82、><p>　　YAr=LAr/L=0.00003/0.93346×100％=0.003％</p><p><b>　　出口液體氫氣的含量</b></p><p>　　YH2=LH2/L=0.00034/0.93346×100％=0.036％</p><p><b>　　出口液體氮氣的含量<

83、/b></p><p>　　YN2=LN2/L=0.0001/0.93346×100％=0.011％</p><p><b>　　- 12 -</b></p><p>　　表2-12 液氨貯槽出口液氨組分(V%)</p><p>　　計算出口弛放氣各組分含量</p><p>&l

84、t;b>　　弛放氣中氨的含量 </b></p><p>　　XNH3=(M0NH3-LNH3)/V</p><p>　　=(0.97131-0.93228)/0.06654×100％=58.645％</p><p><b>　　弛放氣中甲烷的含量</b></p><p>　　XCH4=(N0C

85、H4-LCH4)/V</p><p>　　=(0.00916-0.00071)/0.06654×100％=12.678％</p><p><b>　　弛放氣中氬的含量</b></p><p>　　XAr=(NOAr-LAr)/V</p><p>　　=(0.00114-0.00003)/0.06654×

86、;100％=1.668％</p><p><b>　　弛放氣中氫氣的含量</b></p><p>　　XH2=(N0H2-LH2)/V</p><p>　　=(0.01416-0.00034)/0.06654×100％=20.769％</p><p><b>　　弛放氣中氮氣的含量</b>

87、</p><p>　　XN2=(N0N2-LN2)/V</p><p>　　=(0.00449-0.0001)/0.06654×100％=6.598％</p><p>　　表2-13 出口弛放氣組分含量(V%)</p><p>　　2.2.5液氨貯槽物料計算</p><p>　　以液氨貯槽出口1噸純液氨為基

88、準折標(biāo)米3計算液氨貯槽出口液體量</p><p>　　L19=1000×22.4/(0.99874×17)=1319.309m3(標(biāo))</p><p>　　則有 L19NH3=L19NH3×Y9NH3=1319.309×0.99874 =1317.647m3(標(biāo))</p><p>　　L19CH4=L19CH4×

89、Y19CH4=1319.309×0.00076=1.003m3(標(biāo))</p><p>　　L19Ar=L19Ar×Y19A=1319.309×0.00003=0.040m3(標(biāo))</p><p>　　L19H2=L19H2×Y19H2=1319.309×0.00036=0.475m3(標(biāo))</p><p>　　L19

90、N2=L19N2×Y19N2=1319.309×0.00011=0.145m3(標(biāo))</p><p>　　有前可知液氨貯槽出口弛放氣（V/L）=0.07</p><p>　　V20=0.07×L19=0.07×1319.309=92.352m3(標(biāo))</p><p>　　其中　V20NH3=V20NH3×X20NH3

91、=92.352×0.58645=54.160m3(標(biāo))</p><p><b>　　- 13 -</b></p><p>　　V20CH4=V20CH4×X20CH4=92.352×0.12678=11.708m3(標(biāo))</p><p>　　V20Ar=V20Ar×X20Ar=92.352×0.

92、01668=1.540m3(標(biāo))</p><p>　　V20H2=V20H2×X20H2=92.352×0.20769=19.181m3(標(biāo))</p><p>　　V20N2=V20N2×X20N2=92.352×0.06598=6.093m3(標(biāo))</p><p>　　液氨貯槽出口總物料=L19+ V20=1319.309

93、+ 92.352=1411.661m3(標(biāo))</p><p>　　由物料平衡，則有：入槽總物料=出槽總物料</p><p>　　L21=出口總物料=1411.661m3(標(biāo))</p><p>　　得入口液體各組分含量計算:L21i= L19i + V20i</p><p>　　則有 L21NH3=1317.647 + 54.160=137

94、1.807m3(標(biāo))</p><p>　　L21CH4=1.003 + 11.708 =12.711m3(標(biāo))</p><p>　　L21Ar=0.040 + 1.540 =1.58m3(標(biāo))</p><p>　　L21H2=0.475 + 19.181=19.656m3(標(biāo))</p><p>　　L21N2=0.145 + 6.093 =6

95、.238m3(標(biāo))</p><p>　　由入口液體中組分含量核算,由 M´0i=L21i/L21得</p><p>　　入口液體中氨的含量 </p><p>　　N´0NH3= L21NH3/L21=1371.807/1411.661=97.177﹪</p><p>　　入口液體中甲烷的含量</p>&

96、lt;p>　　N´0CH4= L21CH4/L21=12.711/1411.661=0.900﹪</p><p>　　入口液體中氬的含量 </p><p>　　N´0Ar= L21Ar/L21=1.58/1411.661=0.112﹪</p><p>　　入口液體中氫氣的含量</p><p>　　N´

97、0H2= L21H2/L21=19.656/1411.661=1.392%</p><p>　　入口液體中氮氣的含量</p><p>　　N´0N2= L21N2/L21=6.238/1411.661=0.442%</p><p>　　則 N´0i≈ N0i</p><p>　　2.2.6合成系統(tǒng)物料

98、計算</p><p>　　合成系統(tǒng)物料計算示意圖： - 14 -</p><p>　　將整個合成看著一個系統(tǒng)，進入該系統(tǒng)的物料有新鮮補充氣補V補， 離開該系統(tǒng)的物料有放空氣V放，液氨貯槽弛放氣V弛，產(chǎn)品液氨L氨 。</p><p>　　則由前計算數(shù)據(jù)列出下表：</p><p>　　表2-14 各組分的含量(V%)</p>&

99、lt;p>　　由物料平衡和元素組分平衡計算V補,V放,V入,V出：</p><p><b>　　循環(huán)回路中氫平衡</b></p><p>　　V補XH2補=V放XH2放＋V弛XH2弛+3/2V放XNH3放+3/2V弛XNH3弛+3/2LNH3 ┉┉（1）</p><p><b>　　循環(huán)回路中氮平衡</b><

100、;/p><p>　　V補XN2補=V放XN2放＋V弛XN2弛+1/2V放XNH3放+1/2V弛XNH3弛+1/2LNH3 ┉┉（2）</p><p>　　循環(huán)回路中惰性氣體平衡</p><p>　　V補(XCH4放+XAr放)=V弛(XCH4放+XAr放)+V弛(XCH4弛+XAr弛)</p><p>　　V(0.0071+0.0028)=V

101、(0.1187+0.0471)+92.352(0.12678+0.01668)</p><p>　　V補=16.747V放+1338.264 ┉┉┉（3）</p><p>　　循環(huán)回路中惰性氣體平衡</p><p>　　V出YNH3-V入YNH3入=V放X放+V弛XNH3弛+LNH3</p><

102、p>　　0.15V出-0.03V入=0.0953V放 + 1371.807 ┉┉┉（4）</p><p>　　循環(huán)回路中總物料體平衡 </p><p>　　V入=V出 + V補 - V放 - V弛- LNH3</p><p>　　= V出 + V補－V放-92.352-1317.647</p><p>　　=V

103、出 + V補－V放- 1409.999 ┉┉┉（5）</p><p>　　將（1）式（2）式聯(lián)立</p><p>　　V補（XN2補+XH2補）=V放（XH2放+XN2放+2XNH3放）+V馳（XH2馳+XN2馳+2XNH3馳）+2LNH3</p><p>　?。?.7470+0.2431）V補= V放(0.5541+0

104、.1848+2×0.0953)+</p><p>　　92.352(0.20769+0.0698+2×0.58645)+2×1317.647</p><p>　　0.9901 V補=0.9295 V放+2769.24</p><p>　　V補=0.9388 V放+2796.93 ┉┉┉（6）<

105、/p><p>　　將（3）式（6）式聯(lián)立求解</p><p>　　15.8082 V放=1458.666</p><p><b>　　- 15 -</b></p><p>　　V放=92.273 m3(標(biāo))</p><p><b>　　代入（6）式得</b></p>

106、<p>　　V補=0.9388×92.273+2796.93=2883.556 m3(標(biāo))</p><p>　　聯(lián)立方程（4）式與（5）式，將V放、V補帶入得</p><p>　　V出=11850.379 m3(標(biāo))</p><p>　　V入=13231.663 m3(標(biāo))</p><p>　　2.2.7合成塔物料計算&

107、lt;/p><p>　　由前計算可知 入塔物料：V5=13231.663 m3(標(biāo))</p><p>　　其中 NH3 V5NH3=13231.663×0.03=396.950 m3(標(biāo))</p><p>　　CH4 V5CH4=13231.663×0.1004=1328.459 m3(標(biāo))</p><p>

108、　　Ar V5Ar=13231.663×0.0396=523.974 m3(標(biāo))</p><p>　　H2 V5H2=13231.663×0.6225=8236.710 m3(標(biāo))</p><p>　　N2 V5N2=13231.663×0.2175=2877.887 m3(標(biāo))</p><p>　　又因合成塔一出，二進物料，

109、熱交換器，冷氣進出物料等于合成塔入塔物料</p><p>　　即　　V5=V6=V7= 13231.663m3(標(biāo)) </p><p>　　出塔物料：　　 V8=11850.379 m3(標(biāo))</p><p>　　其中 NH3 V8NH3=11850.379×0.15=1777.557 m3(標(biāo)) </p><p>　　CH

110、4 V8CH4=11850.379×0.1121=1328.427 m3(標(biāo)) </p><p>　　Ar V8Ar=11850.379×0.04421=523.905 m3(標(biāo))</p><p>　　H2 V8H2=11850.379×0.52027=6165.397 m3(標(biāo))</p><p>　　N2 V8N2=118

111、50.379×0.17342=2055.093 m3(標(biāo))</p><p><b>　　合成塔生成氨的量</b></p><p>　　ΔVNH3=V8NH3-V5NH3</p><p>　　=1777.557 -396.950=1380.607m3(標(biāo))=1047.782Kg</p><p>　　廢熱鍋爐進出口

112、物料，熱交換器進出口物料等于合成塔出塔物料</p><p>　　即 V8=V9=V10=11850.379 m3(標(biāo))</p><p>　　2.2.8水冷器物料計算</p><p>　　進器物料：水冷器進氣物料等于熱交換器出口物料，即</p><p>　　V10入=11850.379 m3(標(biāo))</p><p>　　

113、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(V/L)=14.793,故有如下方程</p><p>　　V11出/L11出=(V/L)=14.793 ┉┉┉┉┉（1）</p><p>　　V11出+L11出=L10入=11850.379 ┉┉┉┉┉（2）</p>

114、<p><b>　　- 16 -</b></p><p>　　將 V11出=14.793L11出帶入（2）得</p><p>　　L11出=11850.379/15.793=750.356 m3(標(biāo))</p><p>　　V11出=11850.379-750.356=11100.023 m3(標(biāo))</p><p&g

115、t;　　出器氣體組分由V11i=V11出y11i得</p><p>　　其中 NH3 V11NH3=11100.023×0.0953=1057.823 m3(標(biāo))</p><p>　　CH4 V11CH4=11100.023×0.1187 =1317.573 m3(標(biāo))</p><p>　　Ar V11Ar=11100.023

116、5;0.0471 =522.811 m3(標(biāo))</p><p>　　H2 V11H2=11100.023×0.5541 =6150.523 m3(標(biāo))</p><p>　　N2 V11N2=11100.023×0.1848 =2051.284 m3(標(biāo))</p><p>　　出器液體各組分由L11i=V8i-V11i得</p>

117、<p>　　其中 NH3 L11NH3=1777.557 - 1057.823 =719.734 m3(標(biāo))</p><p>　　CH4 L11CH4=1328.427 - 1317.573 =10.854 m3(標(biāo))</p><p>　　Ar L11Ar=523.905 - 522.811 =1.094 m3(標(biāo))</p><p>　　

118、H2 L11H2=6165.397 - 6150.523 =14.874 m3(標(biāo))</p><p>　　N2 L11N2=2055.093 – 2051.284=3.809 m3(標(biāo))</p><p>　　2.2.9氨分離器物料計算</p><p>　　進器物料：氨分離器進器總物料等于水冷器出口氣液混合物總物料</p><p>

119、　　即　V11=V11出+L11出</p><p>　　=11100.023 +750.356 =11850.379 m3(標(biāo))</p><p>　　出器物料：氣液混合物在器內(nèi)進行分離，分別得到氣體和液體.</p><p>　　出器氣體V12＝V11出＝11100.023 m3(標(biāo))，出器液體L15＝L11出＝750.356 m3(標(biāo))</p><

120、;p>　　氨分離器出口氣體放空V13=92.273 m3(標(biāo))</p><p>　　其中 NH3 V13NH3=92.273×0.0953 =8.794 m3(標(biāo))</p><p>　　CH4 V13CH4=92.273×0.1187 =10.953 m3(標(biāo))</p><p>　　Ar V13Ar=92.273×0

121、.0471 =4.346 m3(標(biāo)) </p><p>　　H2 V13H2=92.273×0.5541 =51.128 m3(標(biāo))</p><p>　　N2 V13N2=92.273×0.1848 =17.052 m3(標(biāo))</p><p>　　2

122、.2.10冷交換器物料計算 </p><p>　　進器物料：進器物料等于氨分離器出口氣體物料減去放空氣量</p><p>　　V14=V12-V13=11100.023 -92.273 =11007.75 m3(標(biāo))</p><p>　　其中 NH3 V14NH3=11007

123、.75×0.0953 =1049.039 m3(標(biāo))</p><p>　　CH4 V14CH4=11007.75×0.1187 =1306.620 m3(標(biāo))</p><p>　　Ar V14Ar=11007.75×0.0471 =518.465 m3(標(biāo))</p><p><b>　　- 17 -</b>

124、</p><p>　　H2 V14H2=11007.75×0.5541 =6099.394 m3(標(biāo))</p><p>　　N2 V14N2=11007.75×0.1848 =2034.232 m3(標(biāo))</p><p><b>　　出器物料（熱氣）：</b></p><p>　　設(shè)熱氣出

125、口溫度17℃(由熱量計算核定)查 t=17℃,P=28.42MPa氣相平衡氨</p><p>　　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。取過飽和度10﹪。故 V17NH3=1.1×5.9﹪=6.49﹪。</p><p>　　設(shè)熱氣出口氨體積為A，則：</p><p>　　A/(11007.75 - 1049.039