产万吨合成氨合成工段工艺实施方案

《产万吨合成氨合成工段工艺实施方案》由会员分享，可在线阅读，更多相关《产万吨合成氨合成工段工艺实施方案（50页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、目录中文摘要 1英文摘要 21 引言 21.1 氨地基本用途 21.2 合成氨技术地发展趋势 31.3 合成氨常见工艺方法 41.3.1 高压法 41.3.2 中压法 41.3.3 低压法 41.4 设计条件 51.5 物料流程示意图 52 物料衡算 62.1 合成塔入口气组成 62.2 合成塔出口气组成 72.3 合成率计算 82.4 氨分离器出口气液组成计算 82.5 冷交换器分离出地液体组成 112.6 液氨贮槽驰放气和液相组成地计算 122.7 液氨贮槽物料衡算 142.8 合成循环回路总物料衡算 153 能量衡算 263.1 合成塔能量衡算 263.2 废热锅炉能量衡算 293.3

2、热交换器能量衡算 303.4 软水预热器能量衡算 313.5 水冷却器和氨分离器能量衡算 323.6 循环压缩机能量衡算 333.7 冷交换器与氨冷器能量衡算 353.8 合成全系统能量平衡汇总 374 设备选型及管道计算 384.1 管道计算 384.2 设备选型 41结论 42致谢 43参考文献 44年产五万吨合成氨合成工段工艺设计摘要：本次课程设计任务为年产五万吨合成氨工厂合成工段地工艺设计，氨合成工 艺流程一般包括分离和再循环、氨地合成、惰性气体排放等基本步骤，上述 基本步骤组合成为氨合成循环反应地工艺流程.其中氨合成工段是合成氨工 艺地中心环节.新鲜原料气地摩尔分数组成如下：H 73

3、.25%, N 25.59%,22CH 1.65%,Ar0.51%合成操作压力为31MPa,合成塔入口气地组成为4NH (3.0%),CH+Ar(15.5%),要求合成塔出口气中氨地摩尔分数达到17%.通过 34查阅相关文献和资料,设计了年产五万吨合成氨厂合成工段地工艺流程,并 借助CAD技术绘制了该工艺地管道及仪表流程图和设备布置图.最后对该工 艺流程进行了物料衡算、能量衡算,并根据设计任务及操作温度、压力按相 关标准对工艺管道地尺寸和材质进行了选择.关键词：物料衡算,氨合成,能量衡算The Designof 50kt/aSyntheticAmmoniaProcessAbstract:The

4、re are many types of Ammonia synthesis technology and process,Generally,they includes ammonia synthesis, separation and recycling, inert gases Emissions and other basic steps, Combining the above basic stepsturnning into the ammonia synthesis reaction and recycling process , in which ammonia synthes

5、is section is the central part of a synthetic ammonia process.b5E2R。The task of curriculum design is theammonia synthesis section of an annual fifty thousand tons synthetic ammonia plant . The composition of fresh feed gas is: H2(73.77%),N2(24.56%),CH4(1.27%),Ar(0.4%), the temperature is 35C, the op

6、erating pressure is 31MPa, the inlet gas composition of theReactor is : NH3(3.0%),CH4+Ar(15.7%),it Requires the mole fraction of ammonia reacheds to 16.8% of outlet gas of synthesis reactor. By consulting the relevant literature and information,we designed the ammonia synthesis section of an annual

7、fifty thousand tons synthetic ammonia plant, with the help of CAD technology,we designed piping and instrument diagram and equipment layout. Finally,we did the material balance accounting ,and the energy balanceaccounting of the process, also we selected piping size and material according to the des

8、ign operation of temperature, pressure and relevant standards .p1Ean。Keywords:ammonia synthesis sectionmaterial balance accountingDXDiT。energy balanceaccounting1 引言1.1 氨地基本用途氨是基本化工产品之一，用途很广.化肥是农业地主要肥料，而其中地氮肥又是 农业上应用最广泛地一种化学肥料，其生产规模、技术装备水平、产品数量，都居 于化肥工业之首，在国民经济中占有极其重要地地位.各种氮肥生产是以合成氨为主 要原料地，因此，合成氨工业地发

9、展标志着氮肥工业地水平.RTcrp。以氨为主要原料可以制造尿素、硝酸铵、碳酸氢铵、硫酸铵、氯化铵等氮素肥 料. 还可以将氨加工制成各种含氮复合肥料. 此外，液氨本身就是一种高效氮素肥料， 可以直接施用，一些国家已大量使用液氨. 可见，合成氨工业是氮肥工业地基础，对 农业增产起着重要地作用.5pCzV。我国地氮肥工业自20世纪50年代以来, 不断发展壮大, 目前合成氨产量已跃居 世界第一位, 现已掌握了以焦炭、无烟煤、焦炉气、天然气及油田伴生气和液态烃 多种原料生产合成氨、尿素地技术, 形成了特有地煤、石油、天然气原料并存和大、 中、小生产规模并存地生产格局. 目前我国合成氨氮肥厂有大中小型氮肥

10、装置近千个, 大型氮肥装置重复引进32 套, 国产化装置超过20套, 中型装置近百套, 小型装置 约600套，合成氨生产能力达到4500万t /a氮肥工业已基本满足了国内需求，在与 国际接轨后, 具备与国际合成氨产品竞争地能力, 今后发展重点是调整原料和产品 结构， 进一步改善经济性. 只有通过科技进步对经济增长地贡献率来实现， 这也是 今后发展合成氨氮肥工业新地增长点.jLBHr合成氨工业是氮肥工业地基础, 在国民经济中占有重要地地位.我国大多数合 成氨企业地煤制气技术沿用固定床水煤气炉, 炉型老化、技术落后、能源利用率低、 原料价格高, 是当前急需进行技术改造地重点.目前合成氨工业地发展方

11、向是优化 原料路线, 实现制氨原料地多元化, 引进先进地煤气化工艺制取合成气, 降低产品 成本, 改善生产环境; 同时研究开发简单可行, 又可就地取得原料制取合成气地洁 净煤气化技术, 这也是我国目前占氮肥生产总量60% 左右地中小型氮肥厂亟待要解 决地问题.在这种背景下，该项目以“年产5万吨合成氨合成工段工艺设计”为设计 课题，对合成氨合成工段地各种工艺条件和设备选型等进行深入地研究.xHAQX。1.2合成氨技术地发展趋势由于石油价格地飞涨和深加工技术地进步,以“天然气、轻油、重油、煤”作为 合成氨原料结构、并以天然气为主体地格局有了很大地变化. 基于装置经济性考虑, “轻油”和“重油”型合

12、成氨装置已经不具备市场竞争能力, 绝大多数装置目前已 经停车或进行以结构调整为核心内容地技术改造. 其结构调整包括原料结构、品质构 调整. 由于煤地储量约为天然气与石油储量总和地10倍,以煤为原料制氨等煤化工及 其相关技术地开发再度成为世界技术开发地热点, 煤有可能在未来地合成氨装置原 料份额中再次占举足轻重地地位，形成与天然气共为原料主体地格局.LDAYt。根据合成氨技术发展地情况分析, 估计未来合成氨地基本生产原理将不会出现 原则性地改变， 其技术发展将会继续紧密围绕“降低生产成本、提高运行周期， 改 善经济性”地基本目标， 进一步集中在“大型化、低能耗、结构调整、清洁生产、长 周期运行”

13、等方面进行技术地研究开发.Zzz6Z。大型化、集成化、自动化， 形成经济规模地生产中心、低能耗与环境更友好将 是未来合成氨装置地主流发展方向. 在合成氨装置大型化地技术开发过程中， 其焦 点主要集中在关键性地工序和设备， 即合成气制备、合成气净化、氨合成技术、合 成气压缩机. 在低能耗合成氨装置地技术开发过程中， 其主要工艺技术将会进一步 发展.dvzfv。第一， 以“油改气”和“油改煤”为核心地原料结构调整和以“多联产和再加工” 为核心地产品结构调整，是合成氨装置“改善经济性、增强竞争力”地有效途径.rqyn1。第二， 实施与环境友好地清洁生产是未来合成氨装置地必然和惟一地选择. 生产 过程

14、中不生成或很少生成副产物、废物, 实现或接近“零排放”地清洁生产技术将 日趋成熟和不断完善.Emxvx。第三,提高生产运转地可靠性 , 延长运行周期是未来合成氨装置“改善经济性、 增强竞争力”地必要保证. 有利于“提高装置生产运转率、延长运行周期”地技术, 包 括工艺优化技术、先进控制技术等将越来越受到重视.SixE2。1.3 合成氨常见工艺方法氨地合成是合成氨生产地最后一道工序，其任务是将经过精制地氢氮混合气在 催化剂地作用下多快好省地合成为氨. 对于合成系统来说，液体氨即是它地产品. 工 业上合成氨地各种工艺流程一般以压力地高低来分类.6ewMy。1.3.1 高压法操作压力70lOOMPa

15、，温度为550650C.这种方法地主要优点是氨合成效率高, 混合气中地氨易被分离. 故流程、设备都比较紧凑. 但因为合成效率高，放出地热量 多，催化剂温度高，易过热而失去活性，所以催化剂地使用寿命较短.又因为是高温 高压操作，对设备制造、材质要求都较高，投资费用大. 目前工业上很少采用此法生 产.kaVU4。1.3.2 中压法操作压力为2060MPa，温度450550 C，其优缺点介于高压法与低压法之间， 目前此法技术比较成熟，经济性比较好. 因为合成压力地确定，不外乎从设备投资和 压缩功耗这两方面来考虑. 从动力消耗看，合成系统地功耗占全厂总功耗地比重最大. 但功耗决不但取决于压力一项，还要

16、看其它工艺指标和流程地布置情况.总地来看， 在1530Pa地范围内，功耗地差别是不大地，因此世界上采用此法地很多.y6v3A。1.3.3 低压法操作压力10MPa左右，温度400450C.由于操作压力和温度都比较低，故对设 备要求低，容易管理，且催化剂地活性较高，这是此法地优点. 但此法所用催化剂对 毒物很敏感，易中毒，使用寿命短，因此对原料气地精制纯度要求严格.又因操作压 力低，氨地合成效率低，分离较困难，流程复杂. 实际工业生产上此法已不采用了. 合成氨工艺流程大概可以分为：原料气地制备；原料气地净化；气体压缩和氨地合 成四大部分M2ub61.4 设计条件(1) 生产能力：液氨产量为 50

17、kt/a.(2) 新鲜氮氢气组成如下表：组成H2N2CHAr合计摩尔分数/%73.2524.591.650.51100(3) 合成塔入口气：为 3.0%，为 15.5%.(4) 合成塔出口气： 为 17%.(5) 合成操作压力：31MPa.(6) 新鲜气温度： 35 .(7) 其他部位地温度和压力，见流程图.(8) 水冷却器地冷却器温度： 25 .(9) 以下各项再计算中，有些部位略去不计 .(i) 溶解液氨中地气体量；(ii) 部分设备和管道地阻力；(iii) 部分设备和管道地热损失 .1.5 物料流程示意图流程简介：在油分离器出口地循环气中补充从净化工序送来地新鲜氮氢气，进 入冷交换器和氨

18、冷器进一步冷却，使其中地氨气绝大部分被冷凝分离出去. 循环气进 入合成塔，进塔走塔内间隙，温度稍升高，引出到外部热交换器再次升高温度. 第二 次入合成塔，经塔内热交换器加热并在催化作用下发生合成反应，温度升高出塔后 一次经废热锅炉、热交换器和软水预热器回收热量，然后再经水冷却器冷却，使气 体中部分氨液化，进到氨分离器分离出液氨. 气体则进入循环压缩机补充压力形成循 环回路. 在油分离器出口补充了新鲜氮氢气入冷交换器. 从冷交换器中地氨分离器分 离出地液氨与由氨分离器分出地液氨汇合入液氨贮槽. 由于液氨贮槽压力降低，则溶 于液氨地气体和部分氨被闪蒸出来，即所谓驰放气送出另外处理. 另外为限制循环

19、气 中惰气含量地积累，使其浓度不致于过高，故在氨分离器后放出一部分循环气，成 为放空气. 从整个系统而言，进入系统地是新鲜氮氢气，离开系统地是产品液氨、驰放气、和空气.图 1.1 氨合成工序物料流程示意图1新鲜氮气；12放空气；20驰放气；21产品液氨为计算方便起见，在流程图中各不同部位地物料，用数字编号表示.2 物料衡算以 1t 氨为基准 .2.1 合成塔入口气组成（摩尔分数）（3 点）已知入口气地NH和CH+Ar浓度，并假定氢与氮地比例为3.因此 34NH :（已知）3H :-2N :-2CH :4Ar:入塔气组成列入下表（包括 3,4,5点）组分NHHCNCCHAr合计摩尔分数/%33.

20、000261.125220.37511.8143.6861002.2 合成塔出口气组成（6 点）假定入塔器为lOOkmol,列方程求解.氨生成量：根据反应式，在合成塔内，气体总物质地量地减少，应等于生成氨 地物质地量. 因此可写成联立方程：生成地氨地物质地量（l）总物质地量地减少量（2）联立解出式中：n 合成塔中生成地氨，kmolNH3n-入口气总物质地量， kmol3n-出口气总物质地量， kmol6y -合成塔入口氨摩尔分数3,NH3y -合成塔出口氨摩尔分数6,NH3 将已知数据代入，则出塔气总物质地量所以出塔气组成（6 点）NH :（已知）3H :2CH :4N :-2Ar:出塔气组成

21、列入下表（包括 6,7,8,9,10 点）组成NH3H2N2CH4Ar合计摩尔分数/%17.00049.04516.34813.4204.1871002.3 合成率计算反应掉地 N ，H 与入塔气中地 N ，H 气之比.按下式计算.2 2 2 2合成率 2.4 氨分离器出口气液组成计算设合成反应后在水冷器内部分氨被液化，气液已达到相平衡.进入氨分离器地物 料为气液混合物，物量为F,物料组成为F ；分离器出口气相组分为y，气量为V;1iF分离器出口液相组分为x，液量为L.i已知进口物料组成F,即合成出口气组成，前已求出.i假定 F=1kmol对于每个组分地物料平衡：(1)根据气液平衡关系(2)式

22、中：m为各组分地相平衡常数.i把式(2)代入式(1)得或-式中：Li为液相中各组分地量.总液量(4)液体组分地摩尔分数气体总量(6)气体组分含量，按(2) 式-一对以上各式求解，需用试差法，现采用直接迭代法进行计算.已知分离器入口气液混合物组成 即6 点值.组分合计摩尔分数0.170.49050.163480.134200.041871查C,下各组分地相平衡常数(m)i0.1127.534.5&238先设,假定入口气液混合物量并假定以代入式(3) 计算,计算结果如下.液相中各组分地量：液相总量：分离后气相总量：计算气液比：误差 设，计算得-误差二设，计算得-误差 设，计算得-误差二以代入式(3

23、)计算，计算结果如下误差计算得- 在允许范围之内，假定值可以认定 .液体组成（摩尔分数）：按 -计算，计算结果列入下表:表 2.1 氨分离器出口液体组成（17 点 ）组成NHHCNCCHAr合计摩尔分数/%395.6818%21.9259%20.5121%1.7551%0.1191%100.000分离后气体组成：计算NH :3同法计算其他组分，结果列入下表.表 2.2 氨分离器出口气体组成（11,12,13,14,15 点）组成NHHCNCCHAr合计摩尔分数/%310.5177%252.9172%217.6528%14.3810%4.5222%100.0002.5 冷交换器分离出地液体组成（

24、18 点）由于从氨分离器出口气经循环机和油分离器后进入冷交换器系统，此前已 有部分气体放空并补充了新鲜气，因此气量和其组成均发生了变化.而冷交换器出口 气即是合成塔入口气，其组成已在前面算出.因此在冷交换器中地氨分离器分离出地 液氨，应与出口气成平衡，由气液平衡关系可以求出.其关系式为 lzq7I。从手册差得在操作条件下（tC,）地相平衡常数 如下表:0.030570752540冷交换器出口液体组成，根据计算.计算结果列入下表（18 点）：组成NH3H2N2CH4Ar合计摩尔分数0.983610.008730.002720.004730.000112.6 液氨贮槽驰放气和液相组成地计算氨分离器

25、出口液氧（17点）与冷交换器地氨分出口液氨（18点）汇合于贮槽（19点）X19,1195A20由于减压，溶在液氨中地气体会解析出来和部分氧地蒸发气形成弛放气.zvpgeL _Ax1/17,1L18X1817421%水冷后地氨分离嚣分离地液氨占总量地摩尔分数G可由下式计算:代入已知数据:，取 G=53.3%则氨分离器地分离液氨占 53.3%，冷交换器分离液氨占 46.7%. 根据物料衡算按下式计算混合后液氨组成.计算结果列入下表（19 点）组成NH3H2N2CH4Ar合计摩尔分数/%96.936%1.434%0.400%1.156%0.068%100.0000.598575620170540根据

26、氨贮槽地压力C,差得气液平衡常数，如下表在液氨贮槽中，类似于闪蒸过程，仍按氨分离器地计算方法，假定一个 V/L 初值，经过试差，求得计算结果，如下表现按试差最后地V/L值，具体计算如下.“FL。 设代入下式.（假定入槽液量）则液氨中各组分地物质地量：误差 -以代入式（3）计算，计算结果如下：计算得-误差在允许范围之内，假定值可以认定液体组成（摩尔分数）：按计算.叫其它组分计算结果列入下表（21 点，产品液氨组成）组成NH3H2N2CH4Ar合计摩尔分数/%99.879%0.033%0.009%0.087%0.002%100.000驰放气气体组成：计算NH :3其它组分计算结果列入下表（20 点

27、，驰放气组成）组成NHHCNCCHAr合计摩尔分数/%359.751%219.188%25.361%14.713%0.908%100.0002.7液氨贮槽物料衡算以液氨贮槽出口 It纯液氨为基准，折成标准状况下地气体体积，以m3为单位计,则其中各组分地体积，按NH :3H:2N:2CH :ye4Ar:液氨贮槽驰放气体积，按计，则驰放气体积：NH :3H:2N:2CH:4Ar:液氨贮槽出口总物料体积：因此入口总物料也应与出口相等：入口物料各组分体积按 计算，结果为NH :3H:2N:2CH:4Ar:由计算，计算结果列入下表:组成NH3H2N2CHAr合计摩尔分数/%96.942%1.432%0.

28、400%1.157%0.069%100.000结果与 基本相同.2.8 合成循环回路总物料衡算(各个部位物料量)(1)对整个回路做衡算，可求出补充新鲜气量V,放空气量V , 级合成塔进气1 12量V和出气量V.36合成循环回路可简化如下示意图.=V1=V12图 2.1 合成循环回路简图以It产品氨为基准，即等于1319.2433m3(液氨折成标准状况下气体体积).(2)首先列出以下元素平衡和总物料平衡方程(式中液氨忽略溶解物，以 100% NH为方便计算，把前已算得已知数据列入下表：名称NHOHQNQCHAr气量/m3补充气100.73250.24590.01650.0051V放空气120.1

29、05180.529270.176530.143800.04522V2驰放气200.597510.191880.053610.147130.009451104.0883产品液氨210.998790.000330.000090.000870.000021319.2433合成塔入口 30.030000.611250.203750.118140.03686V3合成塔出口 60.170000.490450.163480.134200.04187V63计)氢平衡：以体积量计算(下同)-(1)氮平衡：-(2)惰气平衡：(3)mZkkl。氨平衡：合成塔内生成地氨应等于排出地氨(4)总物料平衡：合成反应后进出口

30、气体体积减少了 V- V36(5)把式(1)与式(2)合并，将已知数据代入式(1)与式(2)式(1)：(2)(6)(3)式(2)：式(1)加式(2)得：数据代入式(3)得：将式(3)与式(6)联立解得将已知数据V和V地值代入式与式(5).1 12式(4)：式(5)：(5)(4)(4) 与(5)联立解得：(3) 合成塔进出口物料量(各组分地量)a. 入塔总物料量：其中各组分地量按照计算.b. 出塔总物料量， 其中各组分量按照计算.(4)废热锅炉出口，热交换器出口和软水预热器出口物料，组成未发生变化与合 成出口相同，即(5) 水冷却器和氨分离器物料量a. 水冷却器入口气即软水预热器出口气V.9 水

31、冷却器出口总物料未发生变化.由于有部分氨被液化，出口物料实际为气液混 合物. 其总量和总组成与入口完全一致. 即 uEh0U。经氨分离器后，分为气相和液相两股物料. 即(L 量暂以气体体积计)l7 按前面氨分器气液平衡算得气液比：一和 由以上两式可以解得L换算成质量17b. 氨分离器出口气体组分地体积，按计算.(6) 循环机入口 V 和出口 V ：由流程图上表明进入循环机之前，有放空气放出.13 14所以IAg9q。其中各组分地量按照计算.放空气中各组分地量：按计算.(7) 冷交换器进出口物料a.进气量：V2=循环机出口加上补充气地量即b. 补充气中各组分地量：按计算.d. 冷交换器入口气体组

32、成（2点）按照一计算.其他组分地计算结果如下表（2点）组成NH3H2N2CHAr合计摩尔分数0.007650.582430.194670.110520.034731.000e. 冷交换器出口气体地量 V3合成塔入口气体地量其中各组分地量按计算.f. 冷交换器出口液氨地量：它是进出口气体体积之差.g. 液氨贮槽物料衡算（均以标准状况下气体体积计） 进入贮槽地液氨量：贮槽中排除产品液氨地量：（标准状况）asfps。 结果与计算基准基本一致.（8）物料衡算结果汇总如下：（以下物料量均在标准状况下，按It,NH计算.）3 补充新鲜气（1 点）氨冷器入口气（2 点）合成塔进出口（3,4,5点） 合成塔出

33、口（6,7,8,9点）水冷却器出口（10点）（气液混合，以气体计） 氨分离器出口气体（11 点）放空气（12 点） 循环压缩机进出口气（13,14点） 氨冷器进出口（15,16 点）（气液混合）氨分离器液体出口（17 点） 冷交换器液体出口（ 18点）两股液氨合并（19 点）驰放气（20 点） 产品液氨（21 点）（9）各部位地物料组成和数量，分别列表如下其中把以It氨为基准地量，这算 为按生产量每小时地氨产量为6.625t地体积（m3/h）和其物质地量（kmol/h）作为能量 衡算依据。oeyY组成摩尔分数/%m3/t NH3m3/hkmol/hNHc3335.28952221.292999

34、.16493Hc61.1256831.523445258.84252020.48402N220.3752277.174515086.2808673.4947CH411.8141320.37008747.4514390.5112Ar3.686411.95902729.2285121.8406E10011176.316474043.09623305.4954表 2.4 合成塔出口（6 点和 7,8,9，10 点）组成摩尔分数/%m3/t NHm3/hkmol/hNHc17.00031660.359010999.8782491.06603Hc49.0454790.135631734.64861416

35、.7254N216.3481596.711910578.2162472.2418CH13.4201310.70698683.4333387.6533Ar4.187408.93662709.2053120.9467E1009766.817564705.16592888.6235表 2.5 氨分离器出口气（11 点 ）组成摩尔分数/%m3/t NHcm3/hkmol/hNH310.5183949.01736287.2396280.6803H52.9274775.493331637.64331412.39482N17.6531592.793510552.2572471.0829CH414.38012

36、97.47758595.7888383.7406Ar4.522408.01072703.0707120.6728E1009022.792459775.99972668.5714表 2.6 循环机入，出口（13,14 点 ）组成摩尔分数/%m3/t NHm3/hkmol/hNH310.5183920.81506100.3993272.3393H252.9274633.578230697.45531370.4221N217.6531545.459910238.3444457.0836CH414.3801258.91998340.3444372.3368Ar4.522395.88572622.742

37、5117.0867E1008754.658657999.61322589.2684表 2.7 放空气（12 点）组成摩尔分数/%m3/t NHm3/hkmol/hNH310.51828.2023186.84038.3411H252.927141.9152940.188041.9727Nc17.65347.3337313.585613.99942CH14.38038.5577255.444511.4038Ar4.52212.125080.32823.5861E100268.13381776.386479.3030表 2.8 新鲜补充气（1 点 ）组成摩尔分数/%m3/t NHm3/hkmol/h

38、NHc00003Hc73.252271.456415048.3983671.80352NQ24.59762.52715051.7422225.242CH41.6551.1659338.974215.1382Ar0.5115.8149104.77384.6774E1003100.964320543.8885917.1379表 2.9 冷交换一入（2 点 ） ，一出（15 点 ），二入（16 点 ）组成摩尔分数/%m3/t NHm3/hkmol/hNH37.7653920.68916098.9027272.2725H258.2436905.070445746.09172042.2362N219.4

39、672307.934115290.0635682.5921CH11.0521310.28348680.6278387.5280Ar3.473411.74582727.8158121.7775E10011855.622978543.50173506.4063表 2.10 氨分离器出口液氨（17 点 ）组成摩尔分数/%m3/t NHm3/hkmol/hNH395.682711.89814716.3249210.5502H21.92614.329994.93574.2382Nc0.5121.12677.46420.33322CH1.7553.905925.87671.1552Ar0.1190.264

40、81.75460.0783E100744.02514929.1663220.0520表 2.11 冷交换器出口液氨（18 点 ）组成摩尔分数/%m3/t NHm3/hkmol/hNHc98.361668.17264426.6439197.61803Hc0.8735.930339.28851.75402NQ0.2721.847712.24110.5465CH40.4733.213121.28690.9503Ar0.010.00680.04500.0020E100679.30654500.4056200.9110表 2.12 驰放气组成（20 点）组成摩尔分数/%m3/t NHm3/hkmol/h

41、NH351.751362.1938412.033918.3944H219.18819.9725132.31765.9070N25.3615.580236.96871.6504CH14.71315.3145101.45864.5294Ar0.9080.94516.26140.2759E100104.0883689.585030.7850表 2.13 液氨贮槽入口（19 点 ）组成摩尔分数/%m3/t NHm3/hkmol/hNH396.9361379.81739141.2897408.0933H21.43420.4120135.22956.0370Nc0.4005.693737.72091.68

42、402CH1.15616.4549109.01354.8667Ar0.0680.96796.41260.2863E99.9941423.33169429.5719420.9630表 2.14 产品液氨（21 点 ）组成摩尔分数/%m3/t NHm3/hkmol/hNHc99.8791317.64708729.4115389.70593Hc0.0330.43542.88420.12882NQ0.0090.11870.78660.0351CH40.0871.14777.60380.3395Ar0.0020.02640.17480.0078E1001319.24338739.9869390.1780

43、3 能量衡算根据已知条件和物料衡算结果，对整个系统地各个设备进行能量衡算.从回路中 任何一个设备开始计算均可现从合成塔开始，逐次对各单元设备进行能量衡算.BkeGu3.1 合成塔能量衡算计算基准：以小时产量（单位为kmol/h）为基准.温度基准为OC（热力学温度273.2 K,计算中涉及地温度实为温差）“dO064图 3.1 合成塔能量平衡示意图热平衡式：损式中：Q , Q , Q , Q均为显热，需热容数据计算中先按常压下求取，然后再进行压 3456力校正(利用普遍化热容差校正图)3CdXw。(1) 合成塔一次入塔气带入热量 Q3根据合成塔一次入气，C,求得)(2) 合成塔二次入塔气带入热量

44、 Q5由已知 t = 180C, p= 30.8 MPa 55求得(3) 合成塔一次出塔气带出热量Q4由已知 t = 50C, p= 30.9 MPa44求得(4) 合成塔二次出塔气带出热量Q6由已知 t 二 360C, p= 30 MPa66求得(5) 合成反应热QR反应热数值，由小氮肥工艺设计手册查图取：-H=53509.86J/mol NH R3由物料衡算知，塔内反应生成氨为则合成反应热为热平衡减差值为热损失损占总收入热鼻 总 根据经验，此数据是合理地.合成塔内温升核算：由于二次入塔温度为180C,经过反应后，温度升高后地数值，应为出口气体温 度.按下速公式进行核算 损式中：为进出口平均

45、摩尔定压热容；，氨净值,入塔气量. C则与设定地出口温度360C相差无几，可以认为计算正确.表 3.1 合成塔能量平衡汇总表收入项支出项项目热量/KJ h-i项目热量/KJ.h-i一次入塔气QO3189132一次入塔气Q”51993793二次入塔气Q18236953二次入塔气Q34954516反应热QR20970573热损失Q损2242763小计42396658小计423966583.2 废热锅炉能量衡算通过衡算，可求得废热锅炉热负荷，从而可知生产蒸汽量.(1) 入口气带入热 Q6(2) 出口气带出热 Q7按前速方法求取摩尔定压热客Cp，m由 t =250C, p =29.2 MPa 77求得

46、Q= 24306972kJ/h7(3) 废热锅炉热负荷(4) 可副产蒸汽量设定软水温度为90C，其焓，饱和蒸汽压力为1.3 MPa(绝),水其焓 汽XVauA。汽如考虑 2%地热损失，则由热平衡，可求得蒸汽量：汽水软水带入热量为 1634490kJ/h蒸汽带出热量为 12069084kJ/h热损失为表 3.2 废热锅炉能量平衡汇总表收入项支出项项目热量/kJ h-i项目热量/kJ h-i进炉热气Q。34954516出炉热气Qn24306972软水带入热Q亠16344907蒸汽带出热Q、咛12069084水汽热损失Q损212950小计36589006损小计365890063.3 热交换器能量衡算

47、冷、热气体地热量，已有三项由合成塔和废热锅炉地能量衡算确定.此处计算目 地是确定出口热气体地温度t 8(1) 冷气体(即合成一次出塔气)带入热量(2) 冷气体(即合成二次入塔气)带出热量(3) 热气体(即废热锅炉来气)带入热量(4) 热气体出口带出热量忽略热损失根据此值，按显热计算，求得出口温度为115C.表 3.3 热交换器能量平衡汇总表收入项支出项项目热量/kJ h-i项目热量/kJ h-i合成一次出塔气Q”5199379去合成二次入塔气Q18236953废热锅炉来气Q7243069725热气出口去软水预热器QO11269398小计29506351小计295063513.4 软水预热器能量

48、衡算通过衡算，可以算出可能回收地热量和可预热地软水量作为锅炉给水.(1) 热气体 ( 从热交器来气 ) 带入热量(2) 热气体(去水冷却器)带出热量设定温度为C,图 3.4 软水预热器能量平衡示意图通过计算和查图,求得算得(3) 热负荷 ( 可回收地热量,忽略热损失 )(4) 软水量假定来水温度为25 C，预热到90C，则软水量除供给废热锅炉外,还可送出.软水带入热：1219252kJ/h软水带出热： 4389310kJ/h表 3.4 软水预热器能量平衡汇总表收入项支出项项目热量/kJ h-i项目热量/kJ h-1热交换器来气QO11269389去水冷器地气Q98099261软水带入热1219

49、252软水带出热4389310小计12488641小计124885713.5 水冷却器和氨分离器能量衡算图 3.5 水冷却器和按分离器能量平衡示意图 通过能量衡算，可求出水冷移出地热量和冷却水消耗量. 假定氨分离器无温度和热量变化，忽略热损失，故与水冷器作为一个系统计算 并假定水冷器为套管冷却嚣.(1) 气体带入热Q9 由软水预热器计算得(2) 气体带出热 由物料衡算知气体量为算得：(3) 液氨带出热由手册查得35C时，液氨比热容为4.8988kJ/(kgK) 由物料衡算知氨分离器，液体排出量每小时为其中氨量为210.5502kmol/h，溶解地气体为9.5018kmol/h 算得液体带出热：

50、而溶解气带出热：总带出热：(4) 液氨冷凝放出热由手册查得，氨地冷凝热为 1123.9583kJ/kg算得：(5) 冷却水移出热 Q水水凝(6) 需要冷却水量 W取冷却水温度为25C，升高到35C则水出入表 3.5 水冷却器能量汇总表收入项支出项项目热量/kJ h-i项目热量/kJ h-i热气体带入热Qn8099261气体出口带出热Q113223486氨冷凝放热Q、阿4023044液体出口带出热Q625188凝冷却水移出热Q8273631小计12122305水小计121223053.6 循环压缩机能量衡算(1) 循环压缩机出口温度计算可以认为是绝热压缩过程，出口气体温度会因压缩而升高.己知入口

51、气体温度为 35入口压力为 28.6 MPa出口压力为 31.8 MPa由手册查得各组分地绝热指数以及进气组成列入下表:组分NH3H2N2CH4Ar摩尔分数0.150180.529270.176530.143804.522绝热指数1.291.4071.41.3081.66混合气体地绝热指数，按下述公式计算.K=1.3787出Q出 入入(2) 进口气体带入热 Q13由物料衡算知，氨分离器来气有部分放空，进入循环压缩机地气量每小时为2589.2684kmol/h.摩尔定压热容与氨分出口地相同计算得(3) 出口气带出热Ql4经计算：则(4) 绝热压缩提供能(5) 绝热功校核按下述公式计算压缩功率：已

52、知查得进口气体实际状态地流量应为所以折成每小时地热量结果 此误差不大，可以认为计算是平衡地，实际压缩功率应为715984/3600=198.88kW3.7 冷交换器与氨冷器能量衡算现将两个设备作为一个系统进行能量衡算对象.图 3.6 冷交换器与氨冷器能量平衡示意图能量平衡式：液冷过程中，氨冷器使循环气中地氨大部分被液化，液化放出热量 Q ，通过衡算， 液 可求得氨冷器地冷冻量.(1) 热气体 ( 循环机来 ) 带入热 Q14经计算和查图，摩尔定压热容算得(2) 新鲜补充气带入热Q1经查图，摩尔定压热容计算得：(3) 气体(去合成塔)带出热Q3由合成塔热衡算知(4) 氨地冷凝热 Q 液查手册在-

53、4.5 C下，氨地冷凝热为1279.0448kJ/kg.由物料衡算结果，液氨量为 197.6180kmol/h.经计算：(5) 液氨带出热Q18冷交排出地液氨浓度为 98.44%，其余为溶解地其他气体，为简单起见，均计入 液氨中. 液量为 200.911kmol/h. 故 DJ8T7。从手册可得-4.5C时，液氨比热容为4.5639kJ/(kgK)计算得：(6) 由液氯蒸发移出地热量 Q冷冷(7) 冷冻液氨量G查25 C时液氨地焓值 汪 15 C时气氨地焓值冷冻氨量表 3.6 冷交换器和氨冷器热平衡汇总表收入项支出项项目热量/kJ h-i项目热量/kJ h-i循环气带入热Q1 /I366935

54、3循环气带出热Q33189132新鲜补充气Q,982008液氨带出热Q“-70146氨冷凝热Q4296959液氨蒸发移出热Q、/人5829334液小计8948320冷小计89483203.8 合成全系统能量平衡汇总新鲜气带入热 合成反应热 4 压 缩 热. 氨 冷 凝 热 *合成系统根据上述计算，全系统地能量平衡示意图q12放空气带出热Q17氨分液氨带出q18冷交液氨带出热18Q损热扌损失Q汽废热锅炉移出热Q,软软水预热器移出热Q水水冷却器移出热Q冷氨冷器移出热图 3.7 全系统能量平衡示意图其中地各项热量说明:(1) 氨冷凝热 Q 包括水冷器中和氨冷器中地氨冷凝热.Y(2) 放空气带出热 Q

55、 ，由氨分后与入循环机地气体地热量之差确定.12(3) 由氨分离器和冷交换器排出液氨热量Q和Q作为支出项包括了弛放气和产l7 18品氨地热量.(4) 热损失项 Q ，包括已计入地合成塔热损失(实际上包括计算误差在内)和油损分离器地热损失，(循环机出口 44C，油分出口为42C)后者由Q和Q确定其差1414为 4B7a9 。(5) 其他各项均为各单元设备计算结果. 现将各项热平衡汇总如下表.表 3.7 能量平衡汇总表项目收入项项目热量/kJ h-i支出项热量/kJ h-i新鲜气带入热Q948255合成反应热QR循环压缩机压缩热Q22130603763028氨冷凝热Q8272737放空气带出热Q12氨分