年產(chǎn)20萬噸合成氨廠工藝設(shè)計

1、i 年產(chǎn) 20 萬噸合成氨廠工藝設(shè)計 摘 要 氨的工業(yè)生產(chǎn)主要是利用氮?dú)夂蜌錃馔ㄟ^催化劑的催化而得到。本設(shè)計是年產(chǎn) 20 萬噸合成氨廠的工藝設(shè)計，但由于合成氨的整個生產(chǎn)工藝較長，細(xì)節(jié)問題較多，鑒于 設(shè)計時間的緊迫，本設(shè)計主要對合成氨的主要工段合成工段進(jìn)行了工藝計算、設(shè) 備選型，并繪制了全廠平面布置圖、合成氨工藝流程示意圖、合成工段帶控制點(diǎn)工藝 流程圖、合成工段物料流程圖、合成車間的立面圖和平面圖。 關(guān)鍵詞：氨，催化劑，工藝，圖 ii ammonia plant process of the technological design of 200,000 t ammonia per year a

2、bstract the industrial production of ammonia is used mainly nitrogen and hydrogen through the catalyst to be obtained. the design of the annual output of 200,000 tons of synthetic ammonia plant process design, but because of the ammonia production process is longer, more details, in view of the urge

3、ncy of the design time. the main design of the main section of ammonia- synthesis section of the technology, equipment selection, and the mapping of the entire plant layout map ammonia process chart, synthesis process control point with the process flow chart synthesis process flowchart materials, s

4、ynthetic workshop elevation and floor plans. key words: ammonia ，catalyst ，technology ，chart iii 目 錄 摘 要.i abstract.ii 1 工程設(shè)計背景與發(fā)展?fàn)顩r.1 1.1 工程設(shè)計的背景 .1 1.2 我國合成氨產(chǎn)業(yè)概況 .1 1.3 我國合成氨需求現(xiàn)狀及設(shè)計規(guī)模 .1 2 工程設(shè)計條件與總平面布置.3 2.1 工程設(shè)計條件 .3 2.1.1 原材料及輔助物料的資源條件.3 2.1.2 公用工程概述.3 2.1.3 勞動力資源條件.3 2.2 總平面布置 .3 2.2.1 總平面布置的基本

5、原則.3 2.2.2 總平面布置概述.4 3 化工工藝設(shè)計.7 3.1 車間組成概述 .7 3.2 車間生產(chǎn)綜合敘述 .7 3.2.1 合成工段的概況及特點(diǎn).7 3.2.2 工作制度.7 3.2.3 產(chǎn)品的主要技術(shù)規(guī)格及標(biāo)準(zhǔn).8 3.2.4 工藝流程敘述.8 4 合成工段的工藝計算及設(shè)備選型.10 4.1 合成工段設(shè)計要求 .10 4.2 合成工段物料衡算圖 .10 4.3.1 物料衡算.11 4.3.2 熱量衡算.24 4.3.3 主要設(shè)備的計算.31 4.3.4 主要設(shè)備型號一覽表.45 5 安全生產(chǎn)及環(huán)境保護(hù).46 5.1 環(huán)境保護(hù)與綜合利用 .46 iv 5.2 勞動安全衛(wèi)生 .46

6、致 謝.48 參考文獻(xiàn).49 年產(chǎn) 20 萬噸合成氨工廠工藝設(shè)計1 1 工程設(shè)計背景與發(fā)展?fàn)顩r 1.1 工程設(shè)計的背景 合成氨是化學(xué)工業(yè)中的一種重要的基礎(chǔ)原料。它主要用于制造氮肥和復(fù)合肥料， 氨作為工業(yè)原料和氨化飼料，用量約占世界產(chǎn)量的 12。硝酸、各種含氮的無機(jī)鹽及 有機(jī)中間體、磺胺藥、聚氨酯、聚酰胺纖維和丁腈橡膠等都需直接以氨為原料；液氨 常用作制冷劑。我國是一個農(nóng)業(yè)大國，對于氨的需求是一直呈上升趨勢。目前我國合 成氨工業(yè)主要朝著降低能耗、降低投資、改善環(huán)保條件、開發(fā)新原料和裝置的超大型 化發(fā)展。合成氨以天然氣為原料的工業(yè)生產(chǎn)以二段蒸氣轉(zhuǎn)化法為主，該法具有技術(shù)成 熟、能耗低等優(yōu)點(diǎn)。 1.2

7、 我國合成氨產(chǎn)業(yè)概況 我國合成氨工業(yè)于 20 世紀(jì) 30 年代起步，最高年產(chǎn)量只有 5 萬噸。近些年來我國 對化肥工業(yè)的重視，使合成氨工業(yè)有了較快的發(fā)展，1982 年達(dá)到 1021.9 萬噸，成為世 界產(chǎn)量最高的國家之一。但與國外相比，合成氨工業(yè)存在著生產(chǎn)規(guī)模不合理、品種結(jié) 構(gòu)不合理和生產(chǎn)所用的原料結(jié)構(gòu)不合理等問題。 1.3 我國合成氨需求現(xiàn)狀及設(shè)計規(guī)模 我國合成氨主要是作為中間產(chǎn)品加工成尿素、硝銨、碳酸氫銨、硫酸銨、氯化銨、 磷酸一銨、磷酸二銨和硝酸磷肥等化學(xué)肥料；此外合成氨還大量用以生產(chǎn)硝酸、純堿、 丙烯腈、己內(nèi)酰胺和甲胺等化工產(chǎn)品。隨著這些化工產(chǎn)品需求的快速增長，工業(yè)用氨 的消費(fèi)比例不斷

8、增長，其增長速度高于化學(xué)肥料對合成氨需求的增速。下表就是近年 來我國合成氨消費(fèi)增長和供求情況： 陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 2 表 1-1 我國合成氨消費(fèi)增長和供求情況 萬 t 年份產(chǎn)量進(jìn)口量出口量表觀消費(fèi)量 19952764.750.020.022764.75 20003363.700.000.003363.70 20044222.206.290.004228.49 年均增長率/%4.8289.450.004.83 從上表可以看出，我國對合成氨的需求一直穩(wěn)定增長，針對我過合成氨產(chǎn)業(yè)的現(xiàn) 狀，在我國建立大型的合成氨廠是很有必要也是很有前途的；因此，設(shè)計的合成氨廠 的規(guī)模定為年產(chǎn) 20 萬噸合成氨。

9、年產(chǎn) 20 萬噸合成氨工廠工藝設(shè)計3 2 工程設(shè)計條件與總平面布置 2.1 工程設(shè)計條件 2.1.1 原材料及輔助物料的資源條件 本設(shè)計中主要原料是天然氣，而廠址將選在天然氣豐富的四川地區(qū)，因此原料的 來源將是極為方便。 2.1.2 公用工程概述 廠址選在四川某市的郊區(qū)，有可靠的供電網(wǎng)，輸、供電系統(tǒng)，附近有鐵路、國道， 交通便利，另外在不遠(yuǎn)處有著一條河流，解決了水的難題。 2.1.3 勞動力資源條件 廠區(qū)所在的市內(nèi)有著數(shù)所高等院校，人力資源豐富。 2.2 總平面布置 2.2.1 總平面布置的基本原則 （1） 總平面布置首先必須滿足生產(chǎn)要求，以最大限度的保證生產(chǎn)作業(yè)線的連接、短 捷、方便，從原料

10、進(jìn)廠到成品出廠，整個流程必須符合生產(chǎn)工藝要求，力求做到流程 線路暢通、連續(xù)、短捷、避免交叉進(jìn)行 ，使各種物料的輸送距離為最小。同時，應(yīng)將 水電汽等公用工程耗量大的車間，盡量集中布置，以形成負(fù)荷中心與供應(yīng)來源靠近， 使各種公用系統(tǒng)介質(zhì)的工程管線減少和輸送距離最短，達(dá)到節(jié)約能源。 陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 4 （2） 要能夠充分結(jié)合場地優(yōu)勢、地位、地貌等有利條件，因地制宜，緊湊布置，節(jié) 約土地，少占良田，少拆房屋，提高土地利用率。 （3） 大多數(shù)廠房，特別是主要生產(chǎn)車間的布置，應(yīng)考慮到日照方位和主導(dǎo)風(fēng)向，保 證自然通風(fēng)，廠前區(qū)和防污染的車間放在上風(fēng)向，產(chǎn)生粉塵、煙、熱等的車間及易燃 庫布置在下風(fēng)向。

11、（4） 各車間之間注意滿足防火、衛(wèi)生等國家安全規(guī)定，各種廠房按性質(zhì)分區(qū)集中。 對易燃易爆的各類儲罐和有危險性的庫房（油庫、危險品庫） ，應(yīng)力求遠(yuǎn)離火源和人員 往來集中地，一般應(yīng)布置在廠區(qū)邊緣，主導(dǎo)風(fēng)向的下風(fēng)向以及地勢較低的地段。 （5） 人流、物流各行其道，路線短捷，避免交叉。 （6） 綜合管線統(tǒng)籌安排，防止干擾，力求管線短，拐彎少。 （7） 近期建設(shè)和遠(yuǎn)期發(fā)展相結(jié)合，主要生產(chǎn)車間留有適當(dāng)?shù)陌l(fā)展余地，輕化工工廠 變化較快，綜合利用較廣，加工深度較深，大多數(shù)工藝流程更新快，這要求在設(shè)計實(shí) 現(xiàn)留有較大的預(yù)留地，以滿足工廠發(fā)展變化的需要。 （8） 為保證平面圖具有建筑藝術(shù)性，廠房形狀要規(guī)則簡單，使道

12、路徑直，廠房中心 線保持垂直或平行。 （9） 采取各種措施，提高建筑系數(shù)和場地利用稀疏。建筑系數(shù)一般為 25%40%， 場地利用系數(shù)一般為 50%60%，這是總平面設(shè)計的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。 2.2.2 總平面布置概述 （1） 生產(chǎn)區(qū)布置：由于合成氨的生產(chǎn)不適合于室內(nèi)生產(chǎn)，因此全部是露天式生產(chǎn)， 各工段按流程的順序建設(shè)，本設(shè)計中呈 u 型。 （2） 輔助車間布置：以生產(chǎn)車間為中心，根據(jù)總平面布置原則，綜合各種因素對各 個輔助車間布置如下： a 維修車間：遠(yuǎn)離廠區(qū)前，降低噪音污染，在主力生產(chǎn)車間附近，便于設(shè)備維修。 年產(chǎn) 20 萬噸合成氨工廠工藝設(shè)計5 b 鍋爐房：布置在用蒸汽較多的地方，且是主導(dǎo)

13、風(fēng)向的下風(fēng)向。 c 變配電站：靠近電力負(fù)荷中心，縮短了電線路線，減少了投資，且在水處理車 間的上風(fēng)向，煤堆場的平行風(fēng)向。 d 水處理車間：靠近負(fù)荷中心，處理每日生產(chǎn)車間所需的工業(yè)用水，并提供部分 生活用水。 （3） 運(yùn)輸設(shè)備布置：車庫油庫均布置在主干道邊緣，道路設(shè)計為主力干道，寬 10 米， 行道每邊各 1 米，車間引道 4 米，這樣有利于消防和道路的改造。 （4） 堆場和倉庫：布置在主導(dǎo)風(fēng)向的下風(fēng)向，置于廠區(qū)邊緣，靠近主生產(chǎn)車間，且 位于主力干道邊緣。這樣有利于原料或產(chǎn)品的進(jìn)廠和出廠，且有利于火災(zāi)發(fā)生時，消 防車的順利到達(dá)出事地點(diǎn)。 （5） 行政管理機(jī)構(gòu)和福利區(qū)：辦公樓位于廠前區(qū)且位于主導(dǎo)風(fēng)

14、向的上風(fēng)向。 （6） 綠化和美化區(qū)：本廠的綠化包括生產(chǎn)區(qū)福利區(qū)的綠化帶。既有專門的綠化區(qū)， 也有環(huán)繞廠房及其他建筑物的綠化帶。綠化帶以草坪為主，路旁加種樹木。這樣，可 使場區(qū)空氣得以凈化，噪音減小，美化和改善了環(huán)境的衛(wèi)生條件，使本廠的小環(huán)境小 氣候得以明顯改善。注：為了不妨礙管道的布置及消防的要求，各生產(chǎn)工段的周圍不 設(shè)綠化帶。 綜上所述，平面布置有以下幾個特點(diǎn)： a 廠房建筑物的布置與生產(chǎn)工藝流程相適應(yīng)。原料半成品和成品形成整個順序， 盡量保證流水作業(yè)，避免逆行和交叉； b 鍋爐房水泵房配電站等輔助車間盡量靠近其主要部門，以縮短期間距離，節(jié)省 投資； 陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 6 c 由前區(qū)到生

15、產(chǎn)區(qū)主要干道，應(yīng)避免與主要運(yùn)輸?shù)缆方徊妫?d 盡量使大多數(shù)廠房向陽背風(fēng)避免瓦斯等，盡可能使各廠區(qū)有條件采用自然采光 和自然通風(fēng)等； e 按防火規(guī)范的要求，保證建筑物之間的距離，符合規(guī)定； f 根據(jù)衛(wèi)生規(guī)范的要求，保證廠區(qū)內(nèi)衛(wèi)生符合規(guī)定； g 根據(jù)環(huán)境發(fā)展的要求，生產(chǎn)區(qū)設(shè)在有廢渣處理系統(tǒng)廢水處理系統(tǒng)廢氣處理系統(tǒng) 等設(shè)施 ； h 考慮工廠今后的發(fā)展，在廠區(qū)留有建筑余地； i 盡量做到以生產(chǎn)區(qū)為軸線，再考慮輔助車間行政樓和道路的安排。 另外 ，總平面布置圖右上方繪有風(fēng)向玫瑰圖，下方繪有明細(xì)表等。 本圖采用 1：500 的比例。 年產(chǎn) 20 萬噸合成氨工廠工藝設(shè)計7 3 化工工藝設(shè)計 3.1 車間組成

16、概述 本設(shè)計中合成氨的生產(chǎn)由轉(zhuǎn)化、變換、凈化、合成四個工段組成，由于合成氨的 生產(chǎn)不適合室內(nèi)生產(chǎn)，因此生產(chǎn)在露天進(jìn)行。 3.2 車間生產(chǎn)綜合敘述 3.2.1 合成工段的概況及特點(diǎn) 合成工段的主要任務(wù)是將精制的合成氣通過壓縮機(jī)壓縮到所需的壓力進(jìn)入合成塔 內(nèi)進(jìn)行催化反應(yīng)生成產(chǎn)品氨。在合成工段起決定作用的是催化劑，催化劑的選擇將決 定整個合成工段設(shè)計。目前國內(nèi)大多數(shù)采用的是鐵系催化劑，雖說這種催化劑的研究 已達(dá)到了國際的領(lǐng)先水平，但仍不能使合成氨的生產(chǎn)真正的做到“低溫、低壓”下生產(chǎn)； 因此，本設(shè)計中所采用的催化劑為釕系催化劑。釕系催化劑是近年來合成氨催化劑歷 史上的一個突破，可以說是真正做到了“低溫

17、、低壓”。另外，釕系催化劑的活性也比 鐵系催化劑有了很大的提高。雖說釕系催化劑的成本要比鐵系催化劑要高很多，但從 長遠(yuǎn)考慮，還是選擇釕系催化劑。 3.2.2 工作制度 法定假日和星期假日采用輪換倒班制度，連續(xù)工作制(四班三運(yùn)轉(zhuǎn))： 工作日=365設(shè)備維修日 陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 8 =36535 =330(天) 3.2.3 產(chǎn)品的主要技術(shù)規(guī)格及標(biāo)準(zhǔn) 表 3-1 液氨產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格 規(guī)格序 號 名稱 等級組分含量 國家標(biāo)準(zhǔn)備注 氨99.8 1液氨一級品 水和油0.2 gb356-65 氨99.5 2液氨二級品 水和油0.5 gb356-65 表 3-2 氨水產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格 規(guī)格 序號名稱 等級組分含

18、量 標(biāo)準(zhǔn)備注 一級品氨20 二級品氨181 農(nóng)業(yè)用 氨水 三級品氨15 部標(biāo) hgi-88-64 氨25 一級品 殘渣0.3 氨20 二級品 殘渣0.3 氨20 2 工業(yè)用 氨水 三級品 殘渣0.5 部標(biāo) hgi-88-64 3.2.4 工藝流程敘述 原料氣（天然氣）經(jīng)預(yù)熱、脫硫后，分成兩股，它們與蒸汽混合、再預(yù)熱后分別 送到轉(zhuǎn)化換熱器（kres）和絕熱自熱式轉(zhuǎn)化爐（atr） 。壓縮空氣與部分混合氣一起 導(dǎo)入 atr 進(jìn)口專門設(shè)計的混合區(qū)。本流程使用過量的空氣，然后將過量的氮排出， 年產(chǎn) 20 萬噸合成氨工廠工藝設(shè)計9 這就不需要氧氣或富氧空氣,過量空氣的量根據(jù)最終優(yōu)化確定,約為化學(xué)計量的(4

19、060)% 。一部分烴類在自熱式轉(zhuǎn)化爐中燃燒,釋放的熱供 kres 裝置中剩余的烴類蒸汽轉(zhuǎn)化的 需要。 965的 atr 流出物進(jìn)入 kres 的殼側(cè),剩余的原料氣和蒸汽進(jìn)入 kres 的管側(cè)。當(dāng)混 合氣沿管子向下流時與傳統(tǒng)的蒸汽轉(zhuǎn)化催化劑接觸，蒸汽轉(zhuǎn)化所需的熱由殼側(cè)氣體提 供，殼側(cè)氣體是 atr 流出物和 kres 管側(cè)流出物的混合物，kres 管測出口溫度為 870，混合物的溫度為 925。kres 流出物溫度為 645，經(jīng)蒸汽發(fā)生器冷卻到 370后流到高、低變爐。出口氣經(jīng)冷卻送到二氧化碳脫除工藝，二氧化碳可以用已經(jīng) 商業(yè)化的工藝除去。進(jìn)一步的凈化包括甲烷化、急冷和干燥。深冷凈化器對粗合成

20、氣 進(jìn)行最后的凈化，它由三個簡單的部分組成:進(jìn)出口換熱器、低速膨脹機(jī)及頂部有冷凝 器的精餾塔。粗合成氣體進(jìn)入凈化器后首先在原料/流出物換熱器的頂部與凈化氣及凈 化器廢氣換熱被冷卻，然后流過膨脹機(jī),膨脹機(jī)移去熱量以提供深冷裝置所需要的冷量。 膨脹機(jī)流出物在換熱器底部進(jìn)一步冷卻并部分冷凝后進(jìn)入精餾塔。進(jìn)入精餾塔的全部 甲烷、約 60%的氬和多余的氮都作為廢物除去。部分精餾塔底部的液體減壓蒸發(fā)，先 通過精餾塔頂部冷凝器殼側(cè)使塔形成回流然后與凈化器進(jìn)氣換熱，預(yù)熱后作為再生合 成氣干燥器的廢氣，這廢氣最后作為工藝加熱器的燃料。合成氣也由凈化器進(jìn)氣預(yù)熱。 經(jīng)過凈化的氣體壓縮到合成回路的壓力 9.4mpa，

21、進(jìn)入內(nèi)冷、熱壁、徑向合成塔進(jìn)行反 應(yīng)，合成塔的第 1 床用傳統(tǒng)的催化劑，其余三床用釕催化劑。合成塔出口氣的熱量回 收產(chǎn)高壓蒸汽，熱回收后的氣體中的氨使用組合式換熱器和冰機(jī)冷凝成為氨產(chǎn)品。因 補(bǔ)充氣中惰性氣體的含量較低，合成回路的弛放氣量較少，除去氨后的弛放氣與干燥 器的進(jìn)氣混合進(jìn)入工藝系統(tǒng)，因此不需要單獨(dú)的弛放氣回收裝置。凈化器的廢氣是前 端過量的氮、氬、甲烷及合成回路弛放氣的最終弛放點(diǎn)。 陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 10 4 合成工段的工藝計算及設(shè)備選型 4.1 合成工段設(shè)計要求 年工作日：330 天； 系統(tǒng)工作壓力：9.4mpa 練氣組成（）：h2 74.812，n2 24.938，ar0.25

22、 合成塔進(jìn)氣（）：nh3 2.5，ar 16 合成塔出氣（%）：nh3 21 4.2 合成工段物料衡算圖 1新鮮氣；14弛放氣；16，17，19液氨；其余各點(diǎn)為循環(huán)氣 年產(chǎn) 20 萬噸合成氨工廠工藝設(shè)計11 4.3 合成工段的工藝計算 4.3.1 物料衡算 （1）合成塔計算 合成塔入口氣組成： 入塔氨含量： =2.500； 3 6nh y 入塔氫含量： =2.5/3.5(1-0.025-0.16)x100=58.214； 2 h y 入塔氬含量： =16； 6ar y 入塔氮含量：=(1-0.025-0.16-0.58214)x100=23.286。 2 n y 表 4-1 入塔氣組分含量（）

23、 nh3arh2n2小計 2.50016.00058.21423.286100.000 合成塔出氣組成： 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： 33 3 3 67nh6nh nh 7nh n (yy) 1(0.210.025) n0.15289kmol 1y10.21 出塔氣量=入塔氣量生成氨含量=1-0.15289=0.84711kmol 出塔氨含量： =21.000 3 7nh y 出塔氬含量： 陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 12 =1/0.8471116%=18.888% 6 7ar6ar 7 n yy n 出塔氫含量： 23 2 66hnh 7h 7 3

24、 n yn 2 y100% n =（0.58214-3/20.15289）/0.84711100% =41.648% 出塔氮含量： 2 8n y(10.210.188880.41648) 100%18.464% 表 4-2 出塔氣體組分含量（） nh3arh2n2小計 21.00018.88841.64818.464100.000 合成率： 3 3 nh 66nh6 2n 100% n (1y) ar y 合成率 =2x0.15289/1(1-0.16-0.025)x100 =37.519 （2） 氨分離器氣液平衡計算 設(shè)氨分離器進(jìn)口氣液混合物 f，進(jìn)口物料組分 m（i） ；分離氣相組分 y（

25、i） ，氣量 v；分離液相組分 x（i） ，液量 l；其中進(jìn)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 1kmol 進(jìn)口物料為計算基準(zhǔn)，即 f=1kmol。 由氣液平衡原理： （1）fm(i)vy(i)lx(i)m(i) （2） y(i) k(i)= x(i) 年產(chǎn) 20 萬噸合成氨工廠工藝設(shè)計13 k（i）-組分 i 平衡常數(shù) 將（2）式代入（1）式得： m(i)v ()k(i) 1 lx(i)l （3） m(i) lx(i)=l(i) v 1+()k(i) l （4）ll(i) 液體組分 （5） li x(i)= l （） （6）1vfll 氣體組分 （7） ( )

26、( )( ) ( ) v im il i y i vv 已知分離器入口混合物組分 m(i) 表 4-3 入口混合物組分 3 nh m ar m 2 h m 2 n m 小計 0.210000.188880.416480.184641.00000 查 t=-20,p=8.96mpa 各組分平衡常數(shù) 表 4-4 平衡常數(shù) knh3karkh2kn2 0.035200.000240.000270.000 設(shè)代入(3)式中計算各組分溶解液量()4.500 v l 3 3 3 0.21 0.18143 1 0.035 4.5 1 () nh nh nh m lkmol v k l 0.18888 0.0

27、0021 1200 4.5 1 () ar ar ar m lkmol v k l 陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 14 2 2 2 0.41648 0.00039 1240 4.5 1 () h h h m lkmol v k l 2 2 2 0.18464 0.00015 1270 4.5 1 () n n n m lkmol v k l 分離液體量 322 nharhn lllll =0.18143+0.00021+0.00039+0.00015 =0.18218kmol 分離氣體量 11 0.182180.81782vlkmol 計算氣液比 0.81782 ()()4.489 0.18218 v

28、v ll vv ()() 4.5004.489 ll 100%0.244% v 4.500 () l 誤差 假定正確。 分離液體組分含量 液體中氨含量 3 3 0.18143 100%99.588% 0.18218 nh nh l x l 液體中氬含量 0.00021 100%0.115% 0.18218 ar ar l x l 液體中氫含量 年產(chǎn) 20 萬噸合成氨工廠工藝設(shè)計15 2 2 0.00039 100%0.214% 0.18218 h h l x l 液體中氮含量 2 2 0.00015 100%0.083% 0.18218 n n l x l 氨分離器出口液體含量（%） 表 4-

29、5 氨分離器出口液體含量（%） nh3arh2n2小計 99.5880.1150.2140.083100.000 分離氣體組分含量： 氣體氨含量 33 3 0.21 0.18143 100%3.493% 0.81782 nhnh nh ml y v 氣體氬含量 0.188880.00021 100%23.070% 0.81782 arar ar ml y v 氣體氫含量 22 2 0.416480.00039 100%50.878% 0.81782 hh h ml y v 氣體氮含量 22 2 0.184640.00015 100%22.559% 0.81782 nn n ml y v 氨分離

30、器出口氣體含量（%） 表 4-6 氨分離器出口氣體含量（%） nh3arh2n2小計 3.49323.07050.87822.559100.000 （3） 液氨儲罐氣液平衡計算 陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 16 液氨儲罐入口液體含量（%） 表 4-7 液氨儲罐入口液體含量（%） 3 nh m ar m 2 h m 2 n m 小計 99.5880.1150.2140.083100.000 查得 t=17 p=1.568mpa 平衡常數(shù) 表 4-8 平衡常數(shù) knh3karkh2kn2 0.598540575620 根據(jù)氣液平衡原理 以液氨儲罐入口 1kmol 液氨為計算基準(zhǔn) 設(shè)代入上式得()0.00

31、85 v l 3 3 3 0.99588 0.99084 1 0.0085 0.598 1 () nh nh nh m lkmol v k l 0.00115 0.00021 1 0.0085 540 1 () ar ar ar m lkmol v k l 2 2 2 0.000214 0.00036 1 0.0085 575 1 () h h h m lkmol v k l 2 2 2 0.00083 0.00013 1 0.0085 620 1 () n n n m lkmol v k l 出口液體總量 322 nharhn lllll m(i) l(i)= v 1+()k(i) l 年產(chǎn)

32、 20 萬噸合成氨工廠工藝設(shè)計17 =0.99084+0.00021+0.00036+0.00013 =0.99154kmol 放出氣體總量 11 0.991540.00846vlkmol 計算氣液比 0.00846 ()()0.00853 0.99154 vv ll vv ()() 0.00850.00853 ll 100%0.353% v 0.0085 () l 誤差 液氨儲罐出口液體含量（%） 表 4-9 液氨儲罐出口液體含量（%） nh3arh2n2小計 99.9290.0210.0370.013100.000 放出氣體組分含量由式計算 ii i ml y v 液氨儲罐出口氣體含量（%

33、） 4-10 液氨儲罐出口氣體含量（%） nh3arh2n2小計 59.57411.11121.0408.275100.000 （4） 液氨儲罐物料計算 以液氨儲罐出口一噸液氨為基準(zhǔn)折標(biāo)計算 3 米 液氨儲罐出口液體量 3 19 1000 22.4 l1318.583m () 0.99929 17 標(biāo) 其中: 陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 18 3 nh 33 3 191919 1318.583 99.929%1317.647m () nhnh ll x標(biāo) ar 3 191919 1318.583 0.021%0.277m () arar ll x標(biāo) 2 h 22 3 191919 1318.583

34、0.037%0.488m () hh ll x標(biāo) 2 n 22 3 191919 1318.583 0.013%0.171m () nn ll x標(biāo) 液氨儲罐出口氣體量 0.0085vl 3 1819 0.00850.0085 1318.58311.208m ()vl標(biāo) 其中: 3 nh 33 3 181818 11.208 59.574%6.677m () nhnh vv y標(biāo) ar 3 181818 11.208 11.111%1.245m () arar vv y標(biāo) 2 h 22 3 181818 11.208 21.04%2.358m () hh vv y標(biāo) 2 n 22 3 1818

35、18 11.208 8.275%0.928m () nn vv y標(biāo) 1918 lv液氨儲罐出口總物料 =1318.583+11.208 =1329.791 3 m ()標(biāo) 由物料平衡 191817 lvl 3 17 1329.791m ()l標(biāo) 則進(jìn)口液體組分 3 nh 33 3 171717 1329.791 99.588%1324.312m () nhnh ll x標(biāo) ar 3 171717 1329.791 0.115%1.529m () arar ll x標(biāo) 年產(chǎn) 20 萬噸合成氨工廠工藝設(shè)計19 2 h 22 3 171717 1329.791 0.214%2.846m () hh

36、 ll x標(biāo) 2 n 22 3 171717 1329.791 0.083%1.104m () nn ll x標(biāo) （5） 合成系統(tǒng)物料衡算 將整個合成系統(tǒng)看作一個系統(tǒng),進(jìn)入該系統(tǒng)的物料有新鮮補(bǔ)充氣體,離開該系統(tǒng)的物v補(bǔ) 料有去深冷凈化裝置的回收氣,液氨儲罐弛放氣,產(chǎn)品液氨。v回v弛l氨 由前面計算數(shù)據(jù)列入下表 表 4-11 衡算表 名稱nh3arh2n2氣量 3 m ()標(biāo) 補(bǔ)充氣-0.00250.748120.24938 v補(bǔ) 回收氣0.158550.201170.443590.19669v回 弛放氣0.595740.111110.210400.0827511.208 液氨0.999290.

37、000210.000370.000131318.583 入塔氣0.025000.160000.582140.23286v入 出塔氣0.210000.188880.416480.18464v出 根據(jù)物料平衡和元素組分平衡求，。v補(bǔ)v回v入v出 循環(huán)回路中氫平衡 （1） 22332 33 22 hhnhnhh v yv yv yv yv yl 回回弛弛回回弛弛補(bǔ)補(bǔ)氨 循環(huán)回路中氮平衡 （2） 22332 111 222 nnnhnhn v yv yv yv yv yl 回回弛弛回回弛弛補(bǔ)補(bǔ)氨 循環(huán)回路中惰性氣體平衡 陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 20 rr aa v yv yv y r 回回弛弛補(bǔ)a 補(bǔ)

38、0.00250.201170.11111vvv 回弛補(bǔ) （3）80.468498.128vv 回補(bǔ) 循環(huán)回路中氨平衡 3333 nhnhnhnh v yv yv yv yl 入入出出回回弛弛氨 0.210.0250.1585511.208 0.59574 1318.583 0.99929vvv 入出回 （4）0.210.0250.158551324.324vvv 入出回 循環(huán)回路中總物料平衡 （5）1329.791vvvvvlvvv 入出回弛出回補(bǔ)氨補(bǔ) 將（1）式（2）式聯(lián)立 22322322 ()(2)(2)2 hnnhhnnhhn vyyvyyyvyyyl 回回回回弛弛弛弛補(bǔ)補(bǔ)補(bǔ)氨 0.9

39、9750.957382651.933vv 回補(bǔ) （6）0.959782658.579vv 回補(bǔ) 將（3）式（6）式聯(lián)立求解 =27.173v回 3 m ()標(biāo) 代入（6）式得 =2684.659v補(bǔ) 3 m ()標(biāo) 聯(lián)立（4）式和（5）式 0.210.0250.158551324.324 1329.791 vvv vvvv 入出回 入出回補(bǔ) 將，代入上式得v回v補(bǔ) v0.119v6326.820 入出 年產(chǎn) 20 萬噸合成氨工廠工藝設(shè)計21 vv1327.695 入出 解得： 3 v8688.439m () 入 標(biāo) 3 v7360.744m () 出 標(biāo) 合成塔物料計算: 入塔物料： 3 6

40、v8688.439m ()標(biāo) 其中： 3 nh 3 3 6nh v8688.4392.5%217.211m ()標(biāo) ar 3 6ar v8688.439 16%1390.150m ()標(biāo) 2 h 2 3 6h v8688.43958.214%5057.888m ()標(biāo) 2 n 2 3 6n v8688.43923.286%2023.190m ()標(biāo) 出塔物料： 3 7 v7360.744m ()標(biāo) 其中： 3 nh 3 3 7nh v7360.74421%1545.756m ()標(biāo) ar 3 7ar v7360.744 18.888%1390.297m ()標(biāo) 2 h 2 3 7h v7360

41、.74441.648%3065.603m ()標(biāo) 2 n 2 3 7n v7360.744 18.464%1359.088m ()標(biāo) 合成塔生成氨含量： 333 3 nh7nh6nh vvv1545.756217.2111328.545m ()1008.271kg標(biāo) （6） 物料計算匯總表 表 4-12 物料計算匯總 陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 22 （1）補(bǔ)充新鮮氣 % 3 3 m ()/tnh標(biāo) 3 m ()/h標(biāo)kmol/h 3 nh ar0.2506.712170.4857.611 2 h74.8122008.44751014.5542277.435 2 n24.938669.5001700

42、5.300759.165 100.0002684.65968190.3393044.211 （2） （15）組合深冷器出口氣體 % 3 3 m ()/tnh標(biāo) 3 m ()/h標(biāo)kmol/h 3 nh3.493209.7125326.685237.798 ar23.0701385.07235180.8291570.573 2 h50.8783054.60377586.9163463.702 2 n22.5591354.39334401.5821535.785 100.0006003.780152496.0126807.858 （3） （4） （5） （6）合成塔入口氣體 % 3 3 m ()/

43、tnh標(biāo) 3 m ()/h標(biāo)kmol/h 3 nh2.500217.2115517.159246.302 ar16.0001390.15035309.8101576.331 2 h58.2145057.888128470.3555735.284 2 n23.2862023.19051389.0262294.153 100.0008688.439220686.3509852.070 （7） （8） （9） （10） （11）合成塔出口氣體 % 3 3 m ()/tnh標(biāo) 3 m ()/h標(biāo)kmol/h 年產(chǎn) 20 萬噸合成氨工廠工藝設(shè)計23 3 nh21.0001545.75639262.202

44、1752.777 ar18.8881390.29735313.5441576.497 2 h41.6483065.60377866.3163476.175 2 n18.4641359.08834520.8351541.109 100.0007360.744186962.8978346.558 （12） （13）氨分離器進(jìn)口（氣體） % 3 3 m ()/tnh標(biāo) 3 m ()/h標(biāo)kmol/h 3 nh3.493210.6615350.789238.875 ar23.0701391.34135340.0621577.681 2 h50.8783068.42877938.0713479.378

45、2 n22.5591360.52334557.2841542.736 100.0006030.953153186.2066838.670 （12） （16） （17）氨分離器進(jìn)口（液體） % 3 3 m ()/tnh標(biāo) 3 m ()/h標(biāo)kmol/h 3 nh99.5881324.31233637.5251501.675 ar0.1151.52938.8371.734 2 h0.2142.84672.2883.227 2 n0.0831.10428.0421.252 100.0001329.79133776.6911507.888 （14）回收氣 % 3 3 m ()/tnh標(biāo) 3 m ()/

46、h標(biāo)kmol/h 3 nh3.4930.94924.1051.076 ar23.0706.269159.2337.109 陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 24 2 h50.87813.825351.15515.677 2 n22.5596.130155.7026.951 100.00027.173690.19530.813 （18）弛放氣 % 3 3 m ()/tnh標(biāo) 3 m ()/h標(biāo)kmol/h 3 nh59.5746.677169.5967.571 ar11.1111.24531.6231.412 2 h21.0402.35859.8932.674 2 n8.2750.92823.5711.05

47、2 100.00011.208284.68312.709 （19）液氨 % 3 3 m ()/tnh標(biāo) 3 m ()/h標(biāo)kmol/h 3 nh99.9291317.64733468.2341494.118 ar0.0210.2777.0360.314 2 h0.0370.48812.3950.553 2 n0.0130.1714.3430.194 100.0001318.58333492.0081495.179 4.3.2 熱量衡算 （1） 廢熱鍋爐熱量計算 管內(nèi)熱氣體帶入熱量 7 q p=9.32mpa 7 t452 c 。 查得此條件下各組分比熱容并計算得 年產(chǎn) 20 萬噸合成氨工廠工藝

48、設(shè)計25 p7 c32.693kj/kmol c 77p7 7 7360.744 qv c t32.6934524855868.358kj 22.4 管內(nèi)熱氣體帶出熱量 8 q 8 t298 c p=9.32mpa 查得此條件下各組分比熱容并計算得 p8 c31.256kj/kmol c 88p8 8 7360.744 qv c t31.2562983060718.282kj 22.4 廢熱鍋爐熱負(fù)荷 87 q=qq3060718.2824855868.358=1795150.076kj 軟水量計算 設(shè)廢熱鍋爐加入軟水溫度，壓力；副產(chǎn) 1.274mpa 飽和蒸汽，t=30 c p=1.274m

49、pa 需軟水量 x 查 軟水焓 1 i125.484kj/kg 蒸汽焓 2 i2784.716kj/kg 由熱平衡得 21 q=xii（） 21 q1795150.076 x=675.063kg ii2784.716125.484 （） 廢熱鍋爐軟水帶入熱量 1 qxi675.063 125.48484709.650kj 軟 蒸汽帶出熱量 q1795150.07684709.6501879859.726kj 蒸 陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 26 表 4-13 廢熱鍋爐熱量匯總表 收方支方 管內(nèi)熱氣體代入熱量 7 q4855868.358kj管內(nèi)熱氣體帶出熱量 8 q3060718.282kj 軟水帶

50、入熱量q軟 84709.650kj 蒸汽帶出熱量q蒸 1879859.726kj 小計4940578.008kj小計4940578.008kj （2） 合成塔熱量計算 氣體帶入熱量 6 q 6 t272 c p=9.4mpa 查得各組分比熱容并計算得 p6 c31.123kj/kmol c 66p6 6 8688.439 qv c t31.1232723283553.485kj 22.4 氣體反應(yīng)熱 查得 r h53980.5kj/kmol 由物料平衡計算知氨產(chǎn)量 3 3 nh v1328.545m ()59.310kmol標(biāo) 則合成塔內(nèi)反應(yīng)熱 3 rrnh q( h )v53980.5 59

51、.31=3201583.455kj 氣體帶出熱量 9 t416 c p=9.14mpa 查得各組分比熱容并計算得 p9 c32.176kj/kmol c 年產(chǎn) 20 萬噸合成氨工廠工藝設(shè)計27 99p9 9 7360.744 qv c t32.1764164398444.123kj 22.4 廢熱鍋爐回收熱量由前面計算知q q=1795150.076kj 合成塔熱損失q損 由熱平衡可得 6r9 qqqqq =3283553.485+3201583.4554398444.123 1795150.076 291542.741kj 損 表 4-14 合成塔熱量平衡匯總表 收方支方 氣體帶入熱量 6

52、q3283553.485kj氣體帶出熱量 9 q4398444.123kj 反應(yīng)熱 r q3201583.455kj熱損失q損291542.741kj 6485136.940kj鍋爐回收熱量q1795150.076kj 小計kj小計6485136.940kj （3） 廢熱鍋爐熱量計算 熱氣體帶入熱量即合成塔氣體帶出熱量 9 q4398444.123kj 熱氣體帶出熱量 10 q 10 t320 c p=9.32mpa 查得各組分比熱容并計算得 p10 c31.672kj/kmol c 1010p10 10 7360.744 qv ct31.672320333042.200kj 22.4 廢熱鍋

53、爐熱負(fù)荷 陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 28 109 q=qq1068022.923kj 軟水量計算 設(shè)廢熱鍋爐加入軟水溫度，壓力；副產(chǎn) 1.274mpa 飽和蒸汽，t=30 c p=1.274mpa 需軟水量 x 查 軟水焓 1 i125.484kj/kg 蒸汽焓 2 i2784.716kj/kg 由熱平衡得 21 q=xii（） 21 q1068022.923 x=401.628kg ii2784.716125.484 （） 廢熱鍋爐軟水帶入熱量 1 qxi401.628 125.48450397.930kj 軟 蒸汽帶出熱量 q1068022.92350397.9301118420.853kj

54、蒸 表 4-15 廢熱鍋爐熱量匯總表 收方支方 管內(nèi)熱氣體帶入熱量 9 q4398444.123kj管內(nèi)熱氣體帶出熱量 10 q3330421.200kj 軟水帶入熱量q軟 50397.930kj 蒸汽帶出熱量q蒸 1118420.853kj 小計4448842.053kj小計4448842.053kj （4） 組合深冷器熱量計算 組合深冷器進(jìn)口總熱量q入 111615 qqqq 入 1）的計算 11 q 年產(chǎn) 20 萬噸合成氨工廠工藝設(shè)計29 11 t147 c p=9.32mpa 查得各組分比熱容并計算得 p11 c30.629kj/kmol c 1111p11 11 qv ct14795

55、47.088kj 2）的計算 16 q 16 t-20 c 查此溫度下液氨的比熱容 pl c4.522kj/kg c 1616pl 16 qv c t 1329.791 4.522-2016 769 22.4 90033284kj （）. =-. 3）的計算 15 q 15 t-20 c p=8.75mpa 查得各組分比熱容并計算得 p15 c32.672kj/kmol c 1515p15 15 qv ct 1003.78 32.672-20 22.4 175138.839kj （） =- 組合深冷器出口總熱量q出 12172 qqqq 出 1）的計算 12 q 121613 qqq 陜西科技

56、大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 30 16 q90033.284kj 13 t20 c p=8.96mpa 查得各組分比熱容并計算得 p13 c32.685kj/kmol c 1313p13 13 qv ct 6030.953 32.685-20 22.4 176001.512kj （） =- 121613 qqq 90033.284176001.512 266034.801kj 2）的計算 17 q 17 t17 c 查得此條件下液氨的比熱容為 pl c4.684kj/kg c 1717pl 17 qv c t 1329.791 4.684 17 16.769 22.4 79269906kj =. 3）的計算

57、 2 q 2 t100 c p=8.74mpa 查得各組分比熱容并計算得 p2 c30.312kj/kmol c 22p2 2 qv c t 6003.78 30.312 100 22.4 812440.086kj = 年產(chǎn) 20 萬噸合成氨工廠工藝設(shè)計31 12172 qqqq 266034.80179269.906812440.086 625675.191kj 出 冰機(jī)需提供的冷量q冰 qqq 1214374.965625675.191 588699.774kj 入冰出 表 4-16 組合深冷器熱量平衡匯總表 收方支方 組合深冷器帶入總熱量q入1214374.965kj組合深冷器帶入總熱量

58、q出625675.191kj 冰機(jī)提供冷量q冰588699.774kj 小計1214374.965kj小計1214374.965kj 4.3.3 主要設(shè)備的計算 由于合成塔的計算涉及的知識已超出我們目前所學(xué)知識的范疇，故在本設(shè)計中 將不對合成塔進(jìn)行工藝計算。 （1） 廢熱鍋爐設(shè)備工藝計算 計算條件 1）選臥式 u 型換熱管 2）管尺寸244.5 d0.024m d0.015m d0.0195m 外內(nèi) 3）熱負(fù)荷 q=1795150.076kj 4）產(chǎn)量 3 w=25.4tnh /h 5）氣體壓力 p=9.32mpa 陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 32 6）氣體入口溫度t452 c 入 7）氣體出口溫度

59、t298 c 出 8）軟水入口溫度t30 c 水 9）副產(chǎn)蒸汽壓力 p=1.274mpa 10）蒸汽飽和溫度t194.13 c 蒸 11）進(jìn)氣量 3 v=186962.897m (/h標(biāo)） 12）進(jìn)水量w=17146.600kg/h 管內(nèi)給熱系數(shù)的計算 0 0.80.4 0 0 0.023repr d 式中： kjm h c); 導(dǎo)熱系數(shù) / ( 2 0 kjm h c) 給熱系數(shù) / (。 式中各物性數(shù)據(jù)均取平均溫度 452298 t375 c 2 1）壓縮系數(shù) 查各氣體臨界常數(shù)如下表 表 4-17 臨界常數(shù) 3 nh ar 2 h 2 n i y0.210000.1888880.41648

60、0.18464 ci tk，405.615133.3126.2 ci pmpa，11.3954.8621.2963.393 年產(chǎn) 20 萬噸合成氨工廠工藝設(shè)計33 cmici ty t 0.21 405.60.18888 1510.41648 33.30.18464 126.2 150.87k cmici py p 0.21 11.3950.188884.862+0.41648 1.296+0.184643.393 =4.478mpa 對比壓力 r cm p9.32 p2.081 p4.478 對比溫度 r cm t375+273 t4.295 t150.87 由=2.081，=4.295 查