年產(chǎn)20萬噸合成氨合成工藝設計

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年產(chǎn) 20 萬噸合成氨合成工藝設計The Process Design of 200kt/a of Synthetic Ammonia Synthesis 目錄摘要 IAbstract .II引 言 .1第一章 綜 述 21.1 氨的研究背景 .21.2 氨的用途 .21.3 氨的生產(chǎn)方法的選擇 .3第二章 氨合成過程的步驟及工藝流程 .52.1 氨合成的步驟 .52.2 氨合成工藝流程簡述 .6第三章 工藝計算 .93.1 原始條件 .93.2 物料衡算 .93.2.1 合成塔物料衡算 .93.2.2 氨分離器氣液平衡計算 103.2.3 冷凝塔氣液平衡計算 113.2.4 液氨貯槽氣液平衡計算 123.2.5 液氨貯槽物料計算 143.2.6 合成系統(tǒng)物料計算 153.2.7 合成塔物料計算 163.2.8 水冷器物料計算 173.2.9 氨分離器物料計算 183.2.10 冷凝塔物料計算 .193.2.11 氨冷器物料計算 .213.2.12 冷凝塔物料計算 .233.2.13 液氨貯槽物料計算 .243.3 熱量衡算 263.3.1 合成塔熱量計算 263.3.2 廢熱鍋爐熱量計算 283.3.3 熱交換器熱量計算 29第四章 設備的計算與選型 314.1 已知條件 314.2 計算并初選換熱器規(guī)格 314.3 校核總傳熱系數(shù) K 314.3.1 官內(nèi)給熱系數(shù) α 計算 .314.3.2 管外給熱系數(shù) αo 354.3.3 總傳熱系數(shù) K 384.4 管子拉脫力的計算 384.5 計算是否安裝膨脹節(jié) 394.6 換熱器主要結構尺寸和計算結果 41結 論 .42致 謝 .43參考文獻 .44附錄 .45附錄 A：工藝流程圖 45附錄 B：設備圖 45I年產(chǎn) 20 萬噸合成氨合成工段工藝設計摘要：合成氨是化學工業(yè)的基礎，也是我國化學工業(yè)發(fā)展的重要先驅，其中氨合成工段是合成氨工藝的中心環(huán)節(jié)。本設計目的在于對年產(chǎn) 20 萬噸合成氨合成工段進行設計，并簡要介紹了氨的用途、現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢。在中壓法和催化劑的條件下，設計合成氨合成工段的生產(chǎn)工藝流程，將精制的氫氮混合氣直接合成為氨，然后將所得的氣氨從未合成為氨的混合氣中冷凝分離出來，最后在未反應的混合氣中補充一定量的新鮮氣繼續(xù)循環(huán)反應。在物料衡算中出塔氣氨含量達到 16.50%，合成氨 27.778t/h，合成率為 29.133%，由熱量衡算得到合成塔、中置鍋爐和塔外換熱器的熱量變化。并根據(jù)設計任務及操作溫度、壓力按相關標準對換熱器的尺寸和材質(zhì)進行選擇。塔外換熱器采用換熱面積為 546.97m2的立式列管式換熱器。關鍵詞：氨合成；物料衡算；能量衡算IIThe Process Design of 200kt/a Synthetic Ammonia Synthesis Abstract: Ammonia is the basis of the chemical industry, but also an important pioneer of China chemical industry,in which ammonia synthesis section is the central part of the synthetic ammonia process. is to optimize outputting 200,000 t/a of synthetic ammonia synthesis is as the purpose of the design,and the use of ammonia, current situation and future development trend is briefly introduced. The production process of synthetic ammonia synthesis is designed in the medium pressure and catalyst.The refined hydrogen and nitrogen mixture is made into synthesis ammonia by the design,then took the synthesis ammonia gas out of the mixture that has not been become ammonia.At last,the mixture of not reacting is supplied a certain amount of fresh gas to continue to cyclic response. The design of raw material of gas refining section in production process the synthetic ammonia content that gets out from synthetic ammonia tower is made rich to 16.50% in material balance calculations,synthetic ammonia 27.778 t /h,synthetic rate 29.133% in this design of raw material of gas refining section in production process.The heat change of the synthesis tower,the boiler and the heat exchanger is attained by the heat balance,also we selected piping size and material according to the design operation of temperature,pressure and relevant standards.The heat exchanging area of 546.97m2 of vertical tube type exchanger is used as external heat exchanger of tower.Keywords: ammonia synthesis section;material balance accounting;energy balance accounting1引 言合成氨的化學名稱為氨，常溫常壓下，氨是一種具有特殊刺激性氣味的無色氣體，有強烈的毒性。比空氣輕，相對密度 0.596，熔點－77.7℃；沸點－33.4℃ ?？諝庵泻?.5%(體積分數(shù))的氨，就能使人在幾分鐘內(nèi)窒息而死。在 0.1MPa、-33.5℃，或在常溫下加壓到 0.7～0.8MPa，就能將氨變成無色液體，同時放出大量的熱量。氨的臨界溫度為 132.9℃，臨界壓力為 11.38MPa。液氨的相對密度為0.667g/cm (20℃)。若將液氨在 0.101MPa 壓力下冷至-77.7℃，就能凝結成略帶臭味的無3色結晶。液氨容易氣化，降低壓力可急劇蒸發(fā)，并吸收大量的熱。氨極溶于水，可制成含氨在 15%至 30%(質(zhì)量分數(shù) )的商品氨水。氨溶解時放出大量的熱。氨的水溶液呈堿性，易揮發(fā)。氨的化學性質(zhì)活潑，能與酸反應生成鹽。如與磷酸反應生成磷酸銨；與硝酸反應生成硝酸銨；與二氧化碳反應生成氨基甲酸銨，脫水后成為尿素；與二氧化碳和水反應生成碳酸氫銨。在有水的條件下，氨對銅、銀、鋅等金屬有腐蝕作用。氨的自燃點為 630℃。氨與空氣或氧按一定比例混合后，遇火能爆炸。常溫常壓下，氨在空氣中的爆炸極限為 15.5%到 28%，在氧氣中為 13.5%到 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 [1]。氨是重要的無機化工產(chǎn)品，在國民經(jīng)濟中占有重要地位。其產(chǎn)量居于各種化工產(chǎn)品的首位，同時是能源消耗的大戶本設計對氫、氮直接合成為氨的合成工段工藝流程進行介紹，將在傳統(tǒng)工藝流程上加以改進。擬采取的工藝路線縮短了，減少了設備投資，降低了能耗，操作簡單安全。物料消耗降低，生產(chǎn)安全性提高，從而降低了生產(chǎn)成本，提升了合成氨市場競爭力。2第一章 綜 述1.1 氨的研究背景世界合成氨技術的發(fā)展經(jīng)歷了傳統(tǒng)型蒸汽轉化制氨工藝、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, 進一步集中在 “大型化、低能耗、結構調(diào)整、清潔生產(chǎn)、長周期運行”等方面進行技術的研究開發(fā) [2,3,4]。(1) 大型化、集成化、自動化, 形成經(jīng)濟規(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開發(fā)過程中, 其焦點主要集中在關鍵性的工序和設備, 即合成氣制備、合成氣凈化、氨合成技術、合成氣壓縮機。在低能耗合成氨裝置的技術開發(fā)過程中, 其主要工藝技術將會進一步發(fā)展。(2) 以“油改氣”和“油改煤”為核心的原料結構調(diào)整和以“多聯(lián)產(chǎn)和再加工”為核心的產(chǎn)品結構調(diào)整,是合成氨裝置“改善經(jīng)濟性、增強競爭力”的有效途徑。(3)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)技術將日趨成熟和不斷完善。(4)提高生產(chǎn)運轉的可靠性,延長運行周期是未來合成氨裝置“改善經(jīng)濟性、增強競爭力”的必要保證。有利于“提高裝置生產(chǎn)運轉率、延長運行周期”的技術,包括工藝優(yōu)化技術、先進控制技術等將越來越受到重視。1.2 氨的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)上應用最廣泛的一種化學肥料，其生產(chǎn)規(guī)模、技術裝備水平、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，對農(nóng)業(yè)增產(chǎn)起著重要的作用 [5]。氨也是重要的工業(yè)原料，廣泛用于制藥、煉油、純堿、合成纖維、合成樹脂、含氮3無機鹽等工業(yè)部門。將氨氧化可以制成硝酸，而硝酸又是生產(chǎn)炸藥、染料等產(chǎn)品的重要原料?，F(xiàn)代國防工業(yè)和尖端技術也都與氨合成工業(yè)有密切關系，如生產(chǎn)火箭的推進劑和氧化劑，同樣也離不開氨。此外，氨還是常用的冷凍劑 [7]。合成氨工業(yè)的迅速發(fā)展，也促進和帶動了許多科學技術部門的發(fā)展，如高壓技術、低溫技術、催化技術、特殊金屬材料、固體燃料氣化、烴類燃料的合理利用等。同時，尿素和甲醇的合成、石油加氫、高壓聚合等工業(yè)，也是在合成氨工業(yè)的基礎上發(fā)展起來的。所以合成氨工業(yè)在國民經(jīng)濟中占有十分重要的地位，氨及氨加工工業(yè)已成為現(xiàn)代化學工業(yè)的一個重要部門。同時氨也有市場需要，據(jù)資料統(tǒng)計:1997 年世界合成氨年產(chǎn)量達 103.9Mt。2000 年產(chǎn)量已達 111.8Mt。其化肥用氨分別占氨產(chǎn)量的 81.7%和 82.6%。我國 1996 年合成氨產(chǎn)量已達 30.64Mt,2000 年也達 36Mt,2020 年將增加至 45Mt。即今后 20 年間將增加到2000 年的 1.5 倍。因而合成氨的持續(xù)健康發(fā)展還有相當長的路要走。未來我國合成氨氮肥的實物產(chǎn)量將會超過石油和鋼鐵。合成氨工業(yè)在國民經(jīng)濟中舉足輕重。農(nóng)業(yè)生產(chǎn),“有收無收在于水,收多收少在于肥” 。所以,合成氨工業(yè)是農(nóng)業(yè)的基礎。它的發(fā)展將對國民經(jīng)濟的發(fā)展產(chǎn)生重大影響。因此,我國現(xiàn)有眾多的化肥生產(chǎn)裝置應成為改造擴建增產(chǎn)的基礎。我國七十至九十年代先后重復引進 30 多套大化肥裝置,耗費巨額資金,在提高了化肥生產(chǎn)技術水平的同時,也受到國外的制約。今后應利用國內(nèi)開發(fā)和消化吸收引進的工藝技術,自力更生,立足國內(nèi),走出一條具有中國特色的社會主義民族工業(yè)的發(fā)展道路。過去引進建設一套大型化肥裝置,耗資數(shù)十億元。當今走老廠改造擴建的道路,可使投資節(jié)省1/2～2/3。節(jié)省的巨額資金,用作農(nóng)田水利建設和農(nóng)產(chǎn)品深加工,將在加速農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展,提高農(nóng)民生活水平,縮小城鄉(xiāng)差距起著重要用。1.3 氨的生產(chǎn)方法的選擇 氨的合成是合成氨生產(chǎn)的最后一道工序，其任務是將經(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)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，所以催化劑的使用壽命較短。又因為是高溫高壓操作，對設備制造、材質(zhì)要求都較高，投資費用大。目前工業(yè)上很少采用此法生產(chǎn)。4(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，目前此法技術比較成熟，經(jīng)濟性比較好。因為合成壓力的確定，不外乎從設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。因此，本次設計選用 32MPa 壓力的合成氨流程。(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格。又因操作壓力低，氨的合成效率低，分離較困難，流程復雜。實際工業(yè)生產(chǎn)上此法已不采用了?？紤]氨合成工段的工藝和設備問題時，必須遵循三個原則：一是有利于氨的合成和分離；二是有利于保護催化劑，盡量延長使用壽命；三是有利于余熱回收降低能耗。氨合成工藝選擇主要考慮合成壓力、合成塔結構型式及熱回收方法。氨合成壓力高對合成反應有利, 但能耗高。中壓法技術比較成熟，經(jīng)濟性比較好，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。 一般中小氮肥廠多為 32MPa , 大型廠壓力較低,為 10～20MPa。由于近來低溫氨催化劑的出現(xiàn) , 可使合成壓力降低。合成反應熱回收是必需的, 是節(jié)能的主要方式之一。除盡可能提高熱回收率,多產(chǎn)蒸汽外, 應考慮提高回收熱的位能, 即提高回收蒸汽的壓力及過熱度。高壓過熱蒸汽的價值較高, 當然投資要多, 根據(jù)整體流程統(tǒng)一考慮。本次設計選用中壓法(壓力為 32MPa)合成氨流程，采用預熱反應前的氫氮混合氣和副產(chǎn)蒸汽的方法回收反應熱，塔型選擇見設備選型部分。5第二章 氨合成過程的步驟及工藝流程2.1 氨合成的步驟實現(xiàn)氨合成的循環(huán)，必須包括如下幾個步驟：氮氫原料氣的壓縮并補入循環(huán)系統(tǒng)；循環(huán)氣的預熱與氨的合成；氨的分離；熱能的回收利用；對未反應氣體補充壓力并循環(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。由于采用壓縮機的型式、氨分冷凝級數(shù)、熱能回收形式以及各部分相對位置的差異，而形成不同的工業(yè)生產(chǎn)流程，但實現(xiàn)氨合成過程的基本工藝步驟是相同的 [9]。(1)氣體的壓縮和除油為了將新鮮原料氣和循環(huán)氣壓縮到氨合成所要求的操作壓力，就需要在流程中設置壓縮機。當使用往復式壓縮機時，在壓縮過程中氣體夾帶的潤滑油和水蒸汽混合在一起，呈細霧狀懸浮在氣流中。氣體中所含的油不僅會使氨合成催化劑中毒、而且附著在熱交換器壁上，降低傳熱效率，因此必須清除干凈。除油的方法是壓縮機每段出口處設置油分離器，并在氨合成系統(tǒng)設置濾油器。若采用離心式壓縮機或采用無油潤滑的往復式壓縮機，氣體中不含油水，可以取消濾油設備，簡化了流程。(2)氣體的預熱和合成壓縮后的氫氮混合氣需加熱到催化劑的起始活性溫度，才能送入催化劑層進行氨合成反應。在正常操作的情況下，加熱氣體的熱源主要是利用氨合成時放出的反應熱，即在換熱器中反應前的氫氮混合氣被反應后的高溫氣體預熱到反應溫度。在開工或反應不能自熱時，可利用塔內(nèi)電加熱爐或塔外加熱爐供給熱量。(3)氨的分離進入氨合成塔催化層的氫氮混合氣，只有少部分起反應生成氨，合成塔出口氣體氨含量一般為 10～20%，因此需要將氨分離出來。氨分離的方法有兩種，一是水吸收法；二是冷凝法，將合成后氣體降溫，使其中的氣氮冷凝成液氨，然后在氨分離器中，從不凝氣體中分離出來。目前工業(yè)上主要采用冷凝法分離循環(huán)氣中的氨。以水和氨冷卻氣體的過程是在水冷器和氨冷器中進行的。在水冷器和氨冷器之后設置氨分離器，把冷凝下來的液氨從氣相中分離出來，經(jīng)減壓后送至液氮貯槽。在氨冷凝過程，部分氫氮氣及惰性氣體溶解在液氨中。當液氨在貯槽內(nèi)減壓后，溶解的氣體大部分釋放出來，通常稱為“貯罐氣” 。(4)氣體的循環(huán)6氫氮混合氣經(jīng)過氨合成塔以后，只有一小部分合成為氨。分離氨后剩余的氫氮氣，除為降低情性氣體含量而少量放空以外，與新鮮原料氣混合后，重新返回合成塔，再進行氨的合成，從而構成了循環(huán)法生產(chǎn)流程。由于氣體在設備、管道中流動時，產(chǎn)生了壓力損失。為補償這一損失，流程中必須設置循環(huán)壓縮機。循環(huán)機進出口壓差約為 20～30大氣壓，它表示了整個合成循環(huán)系統(tǒng)阻力降的大小。(5)惰性氣體的排除氨合成循環(huán)系統(tǒng)的情性氣體通過以下三個途徑帶出：?一小部分從系統(tǒng)中漏損；?一小部分溶解在液氨中被帶走；?大部分采用放空的辦法，即間斷或連續(xù)地從系統(tǒng)中排放。在氨合成循環(huán)系統(tǒng)中，流程中各部位的惰性氣體含量是不同的，放空位置應該選擇在惰性氣體含量最大而氨含量最小的地方，這樣放空的損失最小。由此可見，放空的位置應該在氨已大部分分離之后，而又在新鮮氣加入之前。放空氣中的氨可用水吸收法或冷凝法加以回收，其余的氣體一股可用作燃料。也可采用冷凝法將放空氣中的甲烷分離出來，得到氫、氮氣，然后將甲烷轉化為氫，回收利用，從而降低原料氣的消耗。(6)反應熱的回收利用氨的合成反應是放熱反應，必須回收利用這部分反應熱。目前回收利用反應熱的方法主要有以下幾種：? 預熱反應前的氫氮混合氣。在塔內(nèi)設置換熱器，用反應后的高溫氣體預熱反應前的氫氮混合氣，使其達到催化劑的活性溫度。這種方法簡單，但熱量回收不完全。目前小型氨廠及部分中型氨廠采用此法回收利用反應熱。? 預熱反應前的氫氮混合氣和副產(chǎn)蒸汽。既在塔內(nèi)設置換熱器預熱反應前的氫氮混合氣，又利用余熱副產(chǎn)蒸汽。按副產(chǎn)蒸汽鍋爐安裝位置的不同，可分為塔內(nèi)副產(chǎn)蒸汽合成塔(內(nèi)置式)和塔外副產(chǎn)蒸汽合成塔(外置式)兩類。目前一般采用外置式，該法熱量回收比較完全，同時得到了副產(chǎn)蒸汽，目前中型氮廠應用較多。 ?預熱反應前的氫氮混合氣和預熱高壓鍋爐給水。反應后的高溫氣體首先通過塔內(nèi)側換熱器預熱反應前的氫氮混合氣，然后再通過塔外的換熱器預熱高壓鍋爐給水。此法的優(yōu)點是減少了塔內(nèi)換器的面積，從而減小了塔的體積，同時熱能回收完全。目前大型合成氨廠一般采用這種方法回收熱量。用副產(chǎn)蒸汽及預熱高壓鍋爐給水方式回收反應熱時，生產(chǎn)一噸氨一般可回收 0.5～0.9 噸蒸汽。2.2 氨合成工藝流程簡述由壓縮送來的新鮮氣（30℃）在濾油器中與循環(huán)氣混合并分離油水后（35℃） ，經(jīng)壓7出總管，氣體進入冷凝塔上部（一次進口） ，在上部熱交換器管程內(nèi)進行預冷，其中的氣氨有部分冷凝，然后氣體（17℃）在分氣盒匯合，經(jīng)中心管向上，由一次出口出冷凝塔，同時進入氨冷器 A/B 進一步冷卻，冷卻后的低溫氣體（-10℃） ，在冷凝塔底部匯合，由底部二次入口進入冷凝塔下部分離器二次分離液氨，冷凝的液氨由冷凝塔底部排出后，冷氣進入上部熱交換器的管間，與一次入口氣體換熱后（27℃左右） ，從上部二次出口出來，分為兩路：一路由 V3 閥進入合成塔一次入口（作為塔壁保護氣，約占總氣量 20%） ，從合成塔一次入口進入外筒和內(nèi)件之間的環(huán)隙，向下冷卻塔壁后從塔下部一次出塔（70℃） 。從一次出口出塔的氣體分為三部分：一部分經(jīng) V5 作為 1 冷激氣，另一部分（1/6）經(jīng) V4（V4閥，防止塔內(nèi)件單向受壓）與主線匯合進入塔二次入口，其余可以經(jīng) V2 閥（V5 和 V2 至少有一個打開）同經(jīng)過 V1 的氣體在塔外換熱器前匯合，進入塔外換熱器冷氣入口。一路是經(jīng)過 V1 閥的氣體（80%） ，和 V2 來的一出氣體混合后，進入塔外換熱器上部冷氣入口與管程高溫氣體換熱后從下部冷氣出口出來。出塔外換熱器的氣體分為二部分：一部分（25﹪）經(jīng)過 V6 作為 2 冷激氣，從頂部進入合成塔在冷激器內(nèi)與第一層出口氣體間接換熱后經(jīng)中心管四周進入第一層入口。另一部分經(jīng)主線閥 V7 與經(jīng) V4 的一出氣體混合后由塔下部二次入口進入合成塔，通過下部換熱器與塔二出氣體換熱后即進入中心管，然后上升至第一層入口與 2 冷激氣混合，經(jīng)過觸媒一層反應后，在冷激器內(nèi)和 1 冷激氣換熱后進入觸媒二層由外向內(nèi)反應后，在層間換熱器內(nèi)和 1 冷激氣混合后進入觸媒三層由內(nèi)向外反應后，進入下部換熱器與管間冷氣體換熱后從塔下部二次出口出塔。塔二出氣體從下側進入中置鍋爐的 U 型管內(nèi)加熱鍋爐脫氧軟水，從塔外換熱器底部熱氣入口（210℃）進入熱交換器內(nèi)被管間冷氣冷卻，從頂部熱氣出口（110℃）出來進入高壓水冷器進一步冷卻至常溫，其中部分氣氨被冷凝，液氨在氨分離器中分出。在氨分離器中，大部分的氨被冷凝分離，剩余的氣體則在排放一部分放空氣后經(jīng)過循環(huán)機壓縮循環(huán)成為循環(huán)氣。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，然后進循環(huán)機增壓后送往油分離器，從而完成一個循環(huán)。在從氨分離器、冷凝塔分離的液氨，經(jīng)自調(diào)和手動兩路降壓后排入液氨總管送入液氨貯槽，貯槽內(nèi)排放一部分馳放氣，液氨再通過倒氨管線向新區(qū)氨庫倒氨 [11]。8圖 2.1 氨合成工段工藝流程圖9第三章 工藝計算根據(jù)前面的工藝流程進行物料衡算和熱量衡算3.1 原始條件(1)年產(chǎn)量 200kt，年生產(chǎn)時間扣除檢修時間后按 300 天計，則產(chǎn)量為：27.778t/h (2)新鮮補充氣組成表 3.1 新鮮補充氣組成 (摩爾分數(shù)%)組分 H2 N2 CH4 Ar 總計含量 74.45 24.12 1.10 0.33 100(3)合成塔入口中氨含量：NH 3 入 =2.5%(4)合成塔出口中氨含量：NH 3 出 =16.5%(5)合成塔入口惰性氣體含量：CH 4 +Ar=15%(6)合成塔操作壓力：32Mpa(7)精練氣溫度：35℃(8)水冷器出口氣體溫度 35℃(9)循環(huán)機進出口壓差 1.47MPa(10)年工作日 300 d 計算基準 生產(chǎn) 1t 氨3.2 物料衡算3.2.1 合成塔物料衡算(1)合成塔入口氣組分：入塔氨含量:y 6NH3=2.5%;入塔甲烷含量：y 6CH4=15.00%×1.10/(1.10+0.33)×100%=11.538%；入塔氫含量：y 6H2=［100-(2.5+15)］×3/4×100%=61.875% ；入塔氬含量：y 6Ar=15%-11.538%=3.462%；入塔氮含量：y 6N2=［100 -(2.5+15)］×1/4×100%=20.625%表 3.2 入塔氣組分含量 (摩爾分數(shù)%)NH3 CH4 Ar H2 N2 總計102.5 11.538 3.462 61.875 20.625 100(2)合成塔出口氣組分：以 1000kmol 入塔氣作為基準求出塔氣組分，由下式計算塔內(nèi)生成氨含量：m NH3=m6 (y9NH3-y6NH3)/ (1+y9NH3)=1000(0.165-0.025)/ (1+0.165)=120.172kmol 出塔氣量: m 9=入塔氣量—生成氨含量=1000-120 172=879.828kmol出塔氨含量： y9NH3=16.5%出塔甲烷含量：y 9CH4=(M6/M9)×y6CH4=(1000/879.828)×11.538%=13.114%出塔氬含量： y9Ar=(M6/M9)×y5Ar=(1000/879.828)×3.462%=3.935%出塔氫含量： y 9H2=3/4(1-y9NH3-y9CH4-y9Ar)×100%=3/4(1-0.165-0.13114-0.03935)×100%=49.838%出塔氮含量： y9N2=1/4(1-0.165-0.13114-0.03935)×100%=16.613%表 3.3 出塔氣體組分含量 (摩爾分數(shù)%)NH3 CH4 Ar H2 N2 總計16.5 13.114 3.935 49.838 16.613 100(3)合成率：合成率=2m NH3/［m 6(1-y6NH3-y6CH4-y6Ar)］×100%=2×120.172/［1000×(1-0.025-0.15)］×100%=29.133%3.2.2 氨分離器氣液平衡計算設氨分離器進口氣液混合物 F，進口物料組分 m(i)，分離器組分 y(i)，液量其中進口物料組分 m(i)等于合成塔出口氣體組分。根據(jù)氣液平衡原理，以 F=1Kmol/h 進口物料為計算基準,則 m(i)=Lx(i)+Vy(i),y(i)=K(i)×x(i).K(i)為組分 i 的平衡常數(shù) [13]。由兩式得 L(i)=m(i)/[1+( V/L)×K(i)]；V=F-L=1-L液體組分 x(i)=L(i)/L；氣體組分 y(i)=V(i)/V=[m(i)-L(i)]/V 表 3.4 已知氨分離器入口混合物組分 (摩爾分數(shù)%)NH3 CH4 Ar H2 N2 總計16.5 13.114 03.935 49.838 16.613 100查 t=35℃，P=29.4MPa 時各組分平衡常數(shù)：表 3.5 各組分平衡常數(shù)11KNH3 KCH4 KAr KH2 KN20.098 8.2 28.200 27.500 34.500設(V/L)=11.1 時，帶入 L(i)=m(i)/［1+(V/L )×K(i)］=L(i):LNH3=mNH3/［1+(V/L )×KNH3］=0.165/(1+11.1×0.098)=0.07903KmolLCH4= mCH4/［1+(V/L )×KCH4］=0.13114/(1+11.1×8.)=0.00143 KmolLAr=mAr/［ 1+(V/L)×KAr］ =0.03935/(1=11.1×28.2)=0.00013 KmolLH2=mH2/［1+(V /L)×KH2］=0.49838/(1=11.1×27.5)=0.0163KmolLH2=mN2)/［ 1+(V/L)×KN2］=0.16613/(1=11.1×34.5)=0.00043 KmolL 總 = L(NH3)+ L(CH4)+ L(Ar)+ L(Ar)+ L(H2)+ L(N2)=0.08265 Kmol分離氣體量：V=1-L =1-0.08265=0.91735 Kmol計算氣液比：(V /L)＇=0.91735/0.08265=11.099誤差［(V /L)-(V/L)＇］/(V/L )=(11.10-11.099)/11.10×100%=0.009%，結果合理。從而可計算出液體中各組分含量：液體中氨含量： xNH3=LNH3/L=0.07903/0.08265×100=%95.62%液體中氬含量： xAr=LAr/L=0.00013/0.08265×I00%=0.157%液體中甲烷含量：x CH4=LCH4/L=0.00143/0.08265×100%=1.73%液體中氫含量: x H2=LH2/L=0.00163/0.08265×100%=1.972%液體中氮含量： xN2=LH2/L=0.00043/0.08265×100%=0.5202%表 3.6 氨分離器出口液體含量 (摩爾分數(shù)%)NH3 CH4 Ar H2 N2 總計95.62 1.730 0.157 1.972 0.52 100分離氣體組分含量：氣體氨含量： y NH3=［m NH3-LNH3］/V=(0.165-0.07903)/0.91735=9.37%氣體甲烷含量： y CH4=［m CH4-LCH4］/V=(0.13114-0.00013)/0.91735=14.14%氣體氬含量： yAr=［m Ar-LAr］/V=(0.03935-0.00013)/0.91735=4.28%氣體氫含量： yH2=［m H2-LH2］/V=(0.49838-0.00163)/0.91735=54.15%氣體氮含量： yN2=［m N2-LN2］/V=(0.16613-0.00043)/0.91735=18.063%表 3.7 氨分離器出口氣體含量 (摩爾分數(shù)%)NH3 CH4 Ar H2 N2 總計9.37 14.14 4.28 54.15 18.06 100123.2.3 冷凝塔氣液平衡計算查 t=-10℃,p=28.3MPa 的平衡常數(shù)：表 3.8 各組分的平衡常數(shù)KNH3 KCH4 KAr KH2 KN20.0254 27 51 75 80冷交換器出口液體組分含量：出口液體氨含量： xNH3=yNH3/ KNH3=0.25/0.0254=98.425% 出口液體甲烷含量： x CH4=yCH4/ KCH4=0.11538/27=0.427%出口液體氬含量: x Ar=yAr/ KAr=0.03462/51=0.068%出口液體氫含量: xH2=yH2/ KH2=0.61875/75=0.825%出口液體氮含量: x N2=yN2/ KN2=0.20625/80=0.258%表 3.9 冷交換器出口液體組分含量 (摩爾分數(shù)%)NH3 CH4 Ar H2 N2 總計98.425 0.427 0.0678 0.825 0.258 1003.2.4 液氨貯槽氣液平衡計算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白分數(shù)。G%=(1+y6NH3)×(y9NH3-yNH3)/(( y9NH3- y6NH3)×(1- yNH3))=[(1+0.025)×(0.165-0.0937)]/ [(0.165-0.025)×(1-0.0937)]=57.599%水冷后分離液氨占總量的 57.599%，冷凝塔分離液氨占總量的 42.401%。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： m(0i)=L(16)X16i+L17X17i= G%L0X16i+(1- G%)X17i=0.57599X16i+0.42401X17i混合后入口氨含量： m 0NH3=0.57599×0.9562+0.42401×0.98425=0.96809混合后入口甲烷含量: m 0CH4=0.57599×0.01730+0.42401×0.004271=0.01178混合后入口氬含量: m0Ar=0.57599×0.00157+0.42401×0.00068=0.00119混合后入口氫含量： m 0H2=0.57599×0.01972+0.42401×0.00825=0.01486混合后入口氮含量： m 0N2=0.57599×0.005202+0.42401×0.00258=0.00409表 3.10 液氨貯槽入口液體含量 (摩爾分數(shù)%)m0NH3 m0CH4 m0Ar m0H2 m0N2 總計1396.809 1.178 0.119 1.486 0.409 100當 t=17℃，P=1.568MPa 時，計算得熱平衡常數(shù)：表 3.11 各組分的平衡常數(shù)KNH3 KCH4 KAr KH2 KN20.598 170 540 575 620根據(jù)氣液平衡 L(i)=m(0i)/[1+(V/L)k(i)],設( V/L)=0.0821,代入上式得:出口液體氨含量： LNH3=m0NH3/[(1+(V/L)×kNH3]=0.96809/(1+0.0821×0.598)=0.92279 Kmol出口液體甲烷含量：L CH4=m0CH4/[ 1+(V/L)×kCH4]=0.01178(1+0.0821×170)=0.00079Kmol出口液體氬含量： LAr=m0Ar/[ 1+(V/L)×kAr]=0.00119/(1+0.0821×540)=0.00003 Kmol出口液體氫氣含量：L H2=m0H2/[ 1+(V/L)×kH2]=0.01486/(1+0.0821×575)=0.00031Kmol出口液體氮氣含量：L N2=m0N2/[ 1+(V/L)×kN2]=0.00409/(1+0.0821×620)=0.00008 KmolL(總)=0.924,V=1-0.924=0.076Kmol,(V/L) ＇=V/L=0.0823,誤差 =(0.082-0.0823)/0.0821=-0.244%，假定正確。出口液體組分含量： 出口液體氨含量： xNH3=LNH3/L=0.92279/0.924×100%=99.869%出口液體甲烷含量： xCH4=LCH4/L=0.00079/0.924×100%=0.085%出口液體氬含量： xAr=LAr/L=0.00003/0.924×100%=0.003%出口液體氫氣含量： xH2=LH2/L=0.00031/0.924×100%=0.034%出口液體氮氣含量： xN2=LN2/L=0.0008/0.924×100%=0.009%表 3.12 液氨貯槽出口液氨組分 (摩爾分數(shù)%)NH3 CH4 Ar H2 N2 總計9986.9 08.5 0.3 3.4 0.9 100出口弛放氣組分含量：弛放氣氨含量： yNH3=(m0NH3-LNH3)/V=(0.96809-0.92279)/0.076×100%=59.6%14弛放氣甲烷含量：y CH4=(m0CH4-LCH4)/V=(0.01178-0.00079)/0.076×100%=14.46%弛放氣氬含量： yAr=(m0 Ar-LAr)/V=(0.00119-0.00003)/0.076×100%=1.53%弛放氣氫氣含量：y H2=(m0H2-LH2)/V=(0.01486-0.00031)/0.076×100%=19.14%弛放氣氮氣含量： yN2=(m0N2-LN2)/V=(0.00409-0.00008)/0.076×100%=5.28%表 3.13 出口弛放氣組分含量(摩爾分數(shù)%)NH3 CH4 Ar H2 N2 總計59.6 14.46 1.53 19.14 5.28 1003.2.5 液氨貯槽物料計算以液氨貯槽出口一噸純液氨為基準折標立方米計算液氨貯槽出口液體量L(19)=1000×22.4/(0.99869×17)=1319.375m３其中 NH3 L(19NH3)=L(19)×X(19NH3)=1319.375×99.869﹪=1317.647 m３CH4 L(19CH4)=L(19)×X(19CH4)=1319.375×0.085﹪=1.121 m３Ar L(19Ar)=L(19)×X(19Ar)=1319.375×0.003﹪=0.0396 m３H2 L(19H2)=L(19)×X(19H2)=1319.375×0.034﹪=0.449 m３N2 L(19N2)=L(19)×X(19N2)=1319.375×0.009﹪=0.119 m３液氨貯槽出口弛放氣(V/L)=0.0821V(20)=0.0821×L(19)=0.0821×1319.375=108.321 m３其中 NH3 V(20NH3)=V(20)×y(20NH3)=108.321×59.6﹪=64.559 m３CH4 V(20CH4)=V(20)×y(20CH4)=108.321×14,46﹪=15.663m３Ar V(20Ar)=V(20)×y(20Ar)=108.321×1.53﹪=1.657 m３H2 V(20H2)=V(20)×y(20H2)=108.321×19.14﹪=20.773m３N2 V(20N2)=V(20)×y(20N2)=108.321×5.28﹪=5.719 m３液氨貯槽出口總物料=L (19)+ V(20)=1319.375+108.321=1427.696 m３液氨貯槽進口液體：由物料平衡，入槽總物料=出槽總物料，L (18)=L(19)+V(20)=1427.696 m３入口液體各組分含量計算:L (18i)= L(19i) + V(20i)15其中 NH3 L(18NH3)=1317.647+64.559=1382.206m３CH4 L(18CH4)=1.121+15.663=16.784m３Ar L(18Ar)=0.0396+1.657 =1.6966 m３H2 L(18H2)=0.499 +20.733= 21.182 m３N2 L(18N2)=0.119+ 5.719=5.838m３入口液體中組分含量核算,由 m′(18i)=L(18i)/L(18):入口液體中氨含量 m′(18NH3)=1382.206/1427.696×100﹪=96.814﹪入口液體中甲烷含量 m′(18CH4)=16.784/1427.696×100﹪=1.176﹪入口液體中氬含量 m′(18Ar)= 1.6966/1427.696×100﹪=0.119﹪入口液體中氫氣含量 m′(18H2)= 21.182/1427.696×100﹪=1.484%入口液體中氮氣含量 m′(18N2)= 5.838/1427.696×100﹪=0.409%入口液體中組分含量 m′(18i)≈ m′(0i)3.2.6 合成系統(tǒng)物料計算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 。( 如上頁圖) 由前計算數(shù)據(jù)如下表：表 3.14 各組分的含量 (摩爾分數(shù)%)名稱 NH3 CH4 Ar H2 N2 氣量補充氣 -- 1.1 0.33 74.45 24.12 V 補放空氣 9.37 14.14 4.28 54.15 18.063 V 放弛放氣 59.6 14.46 1.53 19.14 5.28 108.321液氨 99.869 0.085 0.003 0.034 0.009 1319.375入塔氣 2.5 11.538 3.462 61.875 20.625 V 入出塔氣 16.5 13.114 3.935 49.838 16.6613 V 出根據(jù)物料平衡和元素組分平衡求 V 補 ,V 放 ,V 入 ,V 出 ：循環(huán)回路中氫平衡：V 補 yH2 補 =V 放 yH2 放 ＋V 弛 yH2 弛 +3/2V 放 yNH3 放 +3/2V 弛 yNH3 弛 +3/2LNH3 (3-1) 16循環(huán)回路中氮平衡:V 補 yN2 補 =V 放 yN2 放 ＋V 弛 yN2 弛 +1/2V 放 yNH3 放 +1/2V 弛 yNH3 弛 +1/2LNH3 (3-2) 循環(huán)回路中惰性氣體平衡: V 補 (yCH4 放 +yAr 放 )=V 弛 (yCH4 放 +yAr 放 )+V 弛 (yCH4 弛 +yAr 弛 )V 補 (0.011+0.0033)=V 放 (0.1414+0.04275)+108.321(0.18104+0.01929)V 補 =12.878V 放 +1139.673 (3-3)循環(huán)回路中惰性氣體平衡:V 出 yNH3-V 入 yNH3 入 =V 放 y 放 +V 弛 y NH3 弛 +LNH30.165V 出 -0.025V 入 =0.09736V 放 + 1325.896 (3-4)循環(huán)回路中總物料體平衡: V 入 =V 出 + V 補 - V 放 - V 弛 - LNH3= V 出 + V 補 －V 放 -32.974-1317.647= V 出 + V 補 －V 放 - 1401.627 (3-5)聯(lián)立(3-1)(3-2)(3-3)(34-)(3-5) 各式解得：V 放 =133.846 m３ ; V 補 =2935.296m３ ; V 出 =10208.129m３ ; V 入 =11583.611m3表 3.15 新鮮補充氣各組分的含量組分 N2 H2 CH4 Ar NH3 總計摩爾分數(shù)% 24.12 74.45 1.1 0.33 0 99.7m3/T(NH3) 707.99 2185.33 33.17 9.69 0 2935.296m3/h 19666.64 60704.1 921.36 269.129 0 81536.65kmol/h 877.98 2710 41.13 12.02 0 3640.033.2.7 合成塔物料計算入塔物料： V6=11583.611 m3NH3 V6NH3=11583.611×2.5﹪=289.59m3CH4 V6CH4=11583.611×11.538﹪=1336.517m3Ar V6Ar=11583.611×3.462﹪=401.025m3H2 V6H2=11583.611×61.875﹪=7167.359m3N2 V6N2=11583.611×20.625﹪=2389.12m3合成塔一出，二進物料，熱交換器，冷氣進出物料等于合成塔入塔物料即 V 6=V7=V8=10208.129m3出塔物料 V9=10208.129m3NH3 V9NH3=10208.129×16.5﹪=1684.341 m317CH4 V9CH4=10208.129×13.114﹪=1338.694 m3Ar V9Ar=10208.129×3.935﹪=401.690 m3H2 V9H2=10208.129×49.838﹪=5087.527m3N2 V9N2=10208.129×16.613﹪=1695.876m3合成塔生成氨含量：ΔV NH3=V9NH3-V6NH3=1684.341 -289.59=1394.751m3=1058.516Kg沸熱鍋爐進出口物料，熱交換器進出口物料等于合成塔出塔物料。即 V9=V10=V11=10208.129m3表 3.16 合成塔一次出口各組分的含量組分 N2 H2 CH4 Ar NH3 總計摩爾分數(shù)% 20.625 61.875 1138. 3.462 2.5 100m3/T(NH3) 2389.768 7169.303 1336.879 401.113 289.667 11586.75m3/h 66382.98 199148.9 37135.82 11142.12 8046.37 321856.8kmol/h 2963.526 8890.576 1657.829 497.416 359.213 14368.61表 3.17 合成塔二次出口各組分的含量組分 N2 H2 CH4 Ar NH3 總計摩爾分數(shù)% 16.613 49.838 13.114 3.935 16.5 100m3/T(NH3) 1695.876 5087.527 1338.694 401.69 1684.341 10208.13m3/h 47108.04 141321.3 37186.24 11158.15 46787.62 283561.4kmol/h 2103.038 6308.988 1660.1 498.131 2088.733 12658.993.2.8 水冷器物料計算進器物料：水冷器進氣物料等于熱交換器出口物料，即 V11 入 =10208.129m3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)=11.1,有如下方程:V12 出 /L12 出 =(V/L)=11.1 (3-6)V12 出 +L12 出 =L11 入 =10208.129 (3-7) 將 V12 出 =11.1L12 出 帶入② 得:18L12 出 =843.647 m3 V12 出 =9364.482 m3出口氣體組分由 V12i=V1 出 y12i 得:其中， NH3 V12NH3=9364.482×9.37%=877.452m3CH4 V12CH4=9364.482×14.14% =1324.138m3Ar V12Ar=9364.482×4.28% =400.8m3H2 V12H2=9364.482×54.15% =5070.867m3N2 V12N2=9364.482×18.062% =1691,506m3出口液體各組分由 L12i=V9i-V12i其中， NH3 L12NH3=1684.341 -877.452 =806.889m3CH4 L12CH4=1338.694 -1324.138 =14.556m3Ar L12Ar=401.69 -400.8 =0.89m3H2 L12H2=5087.527 -5070.867 =16.66m3N2 L12N2=1695.876 -1691,506= 4.37m3表 3.18 水冷器出口氣體各組分的含量組分 N2 H2 CH4 Ar NH3 總計摩爾分數(shù)% 18.063 54.15 14.14 4.28 9.37 100m3/T(NH3) 1691.51 5070.87 1324.138 400.8 877.452 9364.482m3/h 46986.6 140858. 36781.90 11133.42 24373.86 260126.58kmol/h 2097.62 6288.33 1642.90 497.028 1088.119 11612.794表 3.19 水冷器出口液體各組分的含量組分 N2 H2 CH4 Ar NH3 總計摩爾分數(shù)% 0.5202 1.972 1.73 0.157 95.62 100m3/T(NH3) 4.37 16.66 14.556 0.89 806.889 843.647m3/h 121.39 462.781 404.337 24.722 22413.76 23434.826kmol/h 5.419 20.66 18.051 1.104 1000.614 1046.1983.2.9 氨分離器物料計算進器物料：氨分離器進器總物料等于水冷器出口氣液混合物總物料即 V 12=V12 出 +L12 出 =9364.482 +843.647 =10208.129m3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出器氣體 V13＝V 12 出 ＝9364.482 m 3， 出器液體 L16＝L 12 出 ＝843.647 m 319氨分離器出口氣體放空 V14=133.846 m3其中， NH3 V14NH3=133.846×9.37% =12.541m3CH4 V14CH4=133.846×14.14% =18.926m3Ar V14Ar=133.846×4.28% =5.7286m3H2 V14H2=133.846×54.15% =74.4776m3N2 V14N2=133.846×18.063% =24.1766m3表 3.20 放空氣各組分的含量組分 N2 H2 CH4 Ar NH3 總計摩爾分數(shù)% 18.063 54.15 14.14 4.28 9.37 100m3/T(NH3) 24.1766 72.4776 18.926 5.7286 12.541 133.846m3/h 671.58 2013.28 525.726 159.129 348.364 3717.974kmol/h 29.98 89.88 23.47 7.1