产10万吨合成氨合成工段工艺设计.doc

年产10万吨合成氨合成工段工艺设计The Process Design of 100kt/a Synthetic Ammonia Process目 录摘要IAbstractII引 言1第一章 文献综述11.1 氨的基本用途21.2 合成氨技术的发展趋势21.3 合成氨操作条件的选择31.3.1 压力41.3.2 温度41.3.3 空间速度51.3.4 合成塔进塔气体组成51.3.5 催化剂61.4 设计条件71.5 物料流程示意图8第二章 物料衡算92.1 合成塔入口气组成92.2 合成塔出口气组成92.3 合成率计算102.4 氨分离器出口气液组成计算112.5 冷交换器分离出的液体组成142.6 液氨贮槽驰放气和液相组成的计算152.7 液氨贮槽物料衡算182.8 合成循环回路总物料衡算19第三章 能量衡算323.1 合成塔能量衡算323.2废热锅炉能量衡算343.3 热交换器能量衡算363.4 软水预热器能量衡算373.5 水冷却器和氨分离器能量衡算383.6 循环压缩机能量衡算393.7 冷交换器与氨冷器能量衡算413.8 合成全系统能量平衡汇总43第四章 热交换器的设计计算454.1 热交换器的介绍及选型454.2 热交换器设备的工艺计算条件454.3 换热器的机械设计464.4 设备规格总结49结 论51致 谢52参考文献53附 录54年产十万吨合成氨合成工段工艺设计摘要：本次设计任务为年产十万吨合成氨合成工段的工艺设计，氨合成工艺流程一般包括分离和再循环、氨的合成、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的工艺流程。其中氨合成工段是合成氨工艺的中心环节。新鲜原料气的摩尔分数组成如下：H273.25%，N225.59%，CH41.65%，Ar0.51%，合成操作压力为31MPa，合成塔入口气的组成NH3(3.0%)，CH4+Ar(15.5%)要求合成塔出口气中氨的摩尔分数达到17%。通过查阅相关文献和资料，设计了年产十万吨合成氨厂合成工段的工艺流程，并借助CAD技术绘制了该工艺的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的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 Design of 100kt/a Synthetic Ammonia ProcessAbstract: There aremany 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 steps turnning into the ammonia synthesis reaction and recycling process, in which ammonia synthesis section is the central part of a synthetic ammonia process. The task of curriculum design is the ammonia synthesis section of an annual one hundred 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 35, the operating pressure is 31MPa, the inlet gas composition of the Reactor 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 one hundred 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 balance accounting of the process, also we selected piping size and material according to the design operation of temperature, pressure and relevant standards.Keywords: ammonia synthesis section; material balance accounting; energy balance accounting50引 言氨是一种重要的含氮化合物。氮是蛋白质质中不可缺少的部分，是人类和一切生物所必须的养料；可以说没有氮，就没有蛋白质，没有蛋白质，就没有生命。大气中存在有大量的氮，在空气中氨占78（体积分数）以上，它是以游离状态存在的。但是，如此丰富的氮，通常状况下不能为生物直接吸收，只有将空气中的游离氮转化为化合物状态，才能被植物吸收，然后再转化成人和动物所需的营养物质。把大气中的游离氮固定下来并转变为可被植物吸收的化合物的过程，称为固定氮。目前，固定氮最方便、最普通的方法就是合成氨，也就是直接由氮和氢合成为氨，再进一步制成化学肥料或用于其它工业。在国民经济中，氨占有重要地位，特别是对农业生产有着重大意义。氨主要用来制作化肥。液氨可以直接用作肥料，它的加工产品有尿素、硝酸铵、氯化氨和碳酸氢氨以及磷酸铵、氮磷钾混合肥等。氨也是非常重要的工业原料，在化学纤维、塑料工业中，则以氨、硝酸和尿素作为氮元素的来源生产己内酰胺、尼龙-6、丙烯腈等单体和尿醛树脂等产品。由氨制成的硝酸，是各种炸药和基本原料，如三硝基申苯，硝化甘油以及其它各种炸药。硝酸铵既是优良的化肥，又是安全炸药，在矿山开发等基本建设中广泛应用。本设计流程简洁明畅，工艺条件温和，操作简易方便。而且设备台数较少，设备制作立足于国内现状，均能在国内制造而不需进口，可大大降低项目投资。按国家现行基本建设政策和市场价格对本项目进行了财务评价计算。工程总投资估算值14300万元，项目的内部收益率所得税前为13.82%，高于基准收益率12%。其它各项效益指标及盈亏平衡分析结果均表明本项目具有很强的抗风险能力。上述各方面问题的研究结果表明，10万吨/年合成氨项目符合国家产业政策和未来能源市场发展方向，市场预测乐观，工艺方案合理，工艺技术成熟可靠，投资估算和财务评价结果也表明项目经济效益明显。本设计包括设计说明书和图纸两部分。说明书主要包括工艺流程的确定，物料衡算，热量衡算，工艺设备的设计及选型等。图纸包括工艺流程图，主设备图等。第一章 文献综述1.1 氨的基本用途氨是基本化工产品之一，用途很广。化肥是农业的主要肥料，而其中的氮肥又是农业上应用最广泛的一种化学肥料，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的地位。各种氮肥生产是以合成氨为主要原料的，因此，合成氨工业的发展标志着氮肥工业的水平。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的基础，对农业增产起着重要的作用。我国的氮肥工业自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、尿素的技术形成了特有的煤、石油、天然气原料并存和大、中、小生产规模并存的生产格局。目前我国合成氨氮肥厂有大中小型氮肥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的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的贡献率来实现 这也是今后发展合成氨氮肥工业新的增长点。合成氨工业是氮肥工业的基础在国民经济中占有重要的地位。我国大多数合成氨企业的煤制气技术沿用固定床水煤气炉型老化、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的重点。目前合成氨工业的发展方向是优化原料路线实现制氨原料的多元化引进先进的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的洁净煤气化技术这也是我国目前占氮肥生产总量60%左右的中小型氮肥厂亟待要解决的问题。在这种背景下，该项目以“年产10万吨合成氨合成工段工艺设计”为设计课题，对合成氨合成工段的各种工艺条件和设备选型等进行深入的研究。1.2 合成氨技术的发展趋势由于石油价格的飞涨和深加工技术的进步，以“天然气、轻油、重油、煤”作为合成氨原料结构、并以天然气为主体的格局有了很大的变化。基于装置经济性考虑“轻油”和“重油”型合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的技术改造。其结构调整包括原料结构、品质构调整。由于煤的储量约为天然气与石油储量总和的10倍以煤为原料制氨等煤化工及其相关技术的开发再度成为世界技术开发的热点，煤有可能在未来的合成氨装置原料份额中再次占举足轻重的地位形成与天然气共为原料主体的格局。根据合成氨技术发展的情况分析估计未来合成氨的基本生产原理将不会出现原则性的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”的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”等方面进行技术的研究开发。大型化、集成化、自动化 形成经济规模的生产中心、低能耗与环境更友好将是未来合成氨装置的主流发展方向。在合成氨装置大型化的技术开发过程中 其焦点主要集中在关键性的工序和设备 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的技术开发过程中 其主要工艺技术将会进一步发展。第一，以“油改气”和“油改煤”为核心的原料结构调整和以“多联产和再加工”为核心的产品结构调整 是合成氨装置“改善经济性、增强竞争力”的有效途径。第二，实施与环境友好的清洁生产是未来合成氨装置的必然和惟一的选择。生产过程中不生成或很少生成副产物、废物 实现或接近“零排放”的清洁生产技术将日趋成熟和不断完善。第三，提高生产运转的可靠性 延长运行周期是未来合成氨装置“改善经济性、增强竞争力”的必要保证。有利于“提高装置生产运转率、延长运行周期”的技术， 包括工艺优化技术、先进控制技术等将越来越受到重视。1.3 合成氨操作条件的选择氨合成的生产工艺条件必须满足产量高，消耗定额低，工艺流程及设备结构简单，操作方便及安全可靠等要求。决定生产条件的因素是压力、温度、空间速度、气体组成和催化剂等。1.3.1 压力提高压力，对氨合成反应的平衡和反应速率都是有利的，在一定的空间速度下，合成压力越高，出口氨浓度越高，氨净值越高，合成塔的成产能力也越大。氨产率是随着压力的升高而上升。氨合成压力的高低，是影响氨合成生产中能量消耗的主要因素。氨合成系统的能量消耗主要包括原料气压缩功，循环气压缩功和氨分离的冷冻功。提高操作压力，原料气压缩功增加。但合成压力提高时由于氨净值增高，单位氨产品所需的循环气量减少，因而循环气压缩功减少。同时压力高也有利于氨的分离，在较高温度下气氨即可冷凝为液氨，冷冻功减少。实践证明，操作压力在2035MPa时总能量消耗最低。目前合成氨厂普遍采用在此范围内的压力进行操作生产。1.3.2 温度氨合成反应必须在催化剂的存在下才能进行，而催化剂必须在一定的温度范围内才具有催化活性，所以氨合成反应温度必须维持在催化剂的活性温度范围内。通常，将某种催化剂在一定生产条件下具有最高氨生成速率的温度称为最适宜温度，不同的催化剂具有不同的最适宜温度，而同一催化剂在不同的使用时期，其最适宜的温度也会改变。例如，催化剂在使用初期活性较高，反应温度可以低些；使用中期活性减弱，操作温度要提高；使用后期活性衰退，操作温度要比使用中期更高一些。此外，最适宜温度还和空气速度、压力等有关。空间速度对最适宜温度的影响。在一定的空间速度下，开始时氨产率随着温度的升高而增加；达到最高点后，温度再升高，氨产率反而会降低，不同的空间速度都有一个最高点，也就是最适宜温度。所以为了获得最大的氨产率，合成氨的反应随着空间速度的增加而相应的提高，在最适宜温度以外，无论升高或是降低温度，氨产率都会下降。催化剂层内温度分布的理想状况应该是降温状态，即进催化层的温度高，出催化层的温度比较低，这是一个高速反应（催化层上部）与最大平衡（催化层下部）相结合的方法，因为刚进入催化层的气体中氨含量低，距离平衡又远，需要迅速地进行合成反应以提高氨含量，因此催化层上部温度高就能加快反应速率，从而提高气体中平衡氨含量。催化层中温度分布是不均匀分布的，其中温度最高的点称为热点。1.3.3 空间速度当操作压力、温度及进塔气组成一定时，对于即定结构的合成塔，增加空间速度也就是增快气体通过催化剂床层的速度，气体与催化剂接触时间缩短，使出塔气中氨含量降低，即氨净值降低。但由于氨净值降低的程度比空间速度的增大倍数要少，所以当空间速度增加时，氨合成的生产强度有所提高，氨产量有所增加。在其他条件一定时，增加空间速度能提高催化剂生产强度。但空间速度增大，将使系统阻力增大，压缩循环气功耗增加，冷冻功也增大。同时，单位循环气量的产氨量减少，所获得的反应热也相应减少。当单位循环气的反应热降到一定程度时，合成塔就难以维持“自然”。一般中压法合成氨，空间速度在20000-40000h-1之间。1.3.4 合成塔进塔气体组成合成塔进塔气体组成包括氢氮比、惰性气体含量与初始氨含量。当氢氮比为3时，可获得最大的平衡氨浓度，但从氨的反应机理可知，氮的活性吸附是氨合成反应过程中控制步骤，因此适当提高氮气浓度，对氨合成反应速率是有利的。在实际生产中，进塔循环气的氢氮比控制在2.52.9比较适合。由于氨合成时氢氮比是按3：1而消耗的，因此补充的新鲜气的氢氮比应控制在3，否则循环系统中多余的氢或氮就会积累起来，造成循环气中氢氮失调。惰性气体（CH4、Ar）不参加反应，但由于它的存在会降低氢氮气的分压，对化学平衡和反应速率都是不利的，导致氨的生成率下降。同时，由于惰性气体不参加反应，当通过合成塔时，会将塔中的热量带走，造成催化剂层温度下降，而且还会使压缩机做虚功。惰性气体来自新鲜气。随着合成反应的进行，惰性气体留在循环气中，新鲜气又不断补充到循环气中，这样循环气中的惰性气体会越来越多，因此必须将惰性气体排出。生产中采用不断排放少量循环气的办法来降低系统惰性气体含量。放空量增加，可使循环气中惰性气体含量降低，提高合成率，但是氢和氮也随之被排出，从而造成氢氮气的损失增大。因此，控制循环气中的惰性气体含量过高或过低都是不利的。循环气中惰性气体含量的控制，还与操作压力和催化剂活性有关。操作压力较高及催化剂活性较好时，惰性气体含量高一些，也能获得较高的合成率。相反，循环气中惰性气体含量就应该低一些。一般循环气中惰性气体含量控制在12较为合适。目前一般采用冷凝法分离反应后气体中的氨，由于不可能把循环气中的氨完全冷凝下来，所以返回合成塔进口的气体多少还含有一些氨。进塔气中的氨含量，主要取决于进行氨分离时冷凝温度和分离速率。冷凝温度越低，分离效果越好，进塔气中的氨含量也就越低。降低进塔气中氨含量，可以加快反应速率，提高氨净值和催化剂的生产能力。但将进口氨含量降得过低，势必会将循环气冷至很低的温度，使冷冻功耗增大。合成塔进口氨含量的控制也与合成压力有关。压力越高，氨合成反应速率快，进口氨含量可控制高些，压力低，为保持一定的反应速率，进口氨含量应控制得低些。当采用中压时，进塔气中氨含量控制在3.2%-3.8%。 1.3.5 催化剂可以做氨合成催化剂的物质很多，如铁、铂、钨、锰和钠等。但由于以铁为主体的催化剂具有原料来源广，价格低廉，在低温下有较好的活性，抗毒能力强，使用寿命厂等特点，因此目前国内广泛使用铁催化剂。铁催化剂在还原之前，以铁的氧化物状态存在，其主要成分除三氧化二铁和氧化亚铁之外，催化剂中还加入各种促进剂。还原前氧化铁的组成，对铁催化剂还原后的活性影响很大，据试验结果表明，当n（Fe2+）/ n（Fe3+）等于或接近0.5时，催化剂还原后的活性最好，这时n（FeO）/ n(Fe2O3)=1.相当于Fe3O4的组成。加入促进剂后，氧化亚铁最佳含量不一定如此。可以根据条件不同而在24%38%的范围内变动，这时对催化剂活性影响不大，而催化剂的热稳定性和机械强度随低价铁含量的增加而增加。促进剂又称助催化剂，它本身没有催化活性，但加入催化剂中，可改善催化剂的物理结构，从而提高催化剂的活性。在合成氨铁催化剂中，普遍采用的促进剂有三氧化二铝、氧化钾和氧化钙等。催化剂中加入三氧化二铝后，能与Fe2O3形成固溶体。当铁催化剂被还原时，氧化铁被还原为活性铁，而三氧化二铝不被还原，起骨架作用。从而防止结晶长大，增大了催化剂的表面积，提高了活性。催化剂中加入氧化钾后，有利于氮的活性吸附，从而提高了催化剂的活性，另外可以减少催化剂中三氧化二铝对氨的吸附作用。 一般铁催化剂用熔融法制造，由于熔融态的氧化铁粘度很大，三氧化二铝不易分部进去。加入氧化钙后，可降低熔点和粘度，有利于三氧化二铝的均匀分布，使催化剂的活性、抗毒能力和稳定性都有所提高。1.4 设计条件(1)生产能力：液氨产量为100kt/a。表1.1 进气组成参数表组成H2N2CH4Ar合计摩尔分数/%73.2524.591.650.51100(2)合成塔入口气： 为3.0%， 为15.5%。(3)合成塔出口气：NH3为17%。(4)合成操作压力：31MPa（中压法）。(5)新鲜气温度：35。(6)其他部位的温度和压力，见流程图。(7)水冷却器的冷却器温度：25。(8)以下各项再计算中，有些部位略去不计。(i)溶解液氨中的气体量；(ii)部分设备和管道的阻力；(iii)部分设备和管道的热损失。1.5 物料流程示意图流程简介：在油分离器出口的循环气中补充从净化工序送来的新鲜氮氢气，进入冷交换器和氨冷器进一步冷却，使其中的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。从冷交换器中的氨分离器分离出的液氨与由氨分离器分出的液氨汇合入液氨贮槽。由于液氨贮槽压力降低，则溶于液氨的气体和部分氨被闪蒸出来，即所谓驰放气送出另外处理。另外为限制循环气中惰气含量的积累，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，进入系统的是新鲜氮氢气，离开系统的是产品液氨、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的物料，用数字编号表示。第二章 物料衡算以下计算先以合成1t氨为基准。2.1 合成塔入口气组成(摩尔分数)(3点)已知入口气的NH3和CH4+Ar浓度，并假定氢与氮的比例为3。因此NH3: (已知)H2: N2: CH4: Ar: 表2.1入塔气组成表(包括3，4，5点)组分NH3H2N2CH4Ar合计摩尔分数/%3.00061.12520.37511.8143.6861002.2 合成塔出口气组成(6点)假定入塔器为=100kmol列方程求解。氨生成量：根据反应式，在合成塔内，气体总物质的量的减少，应等于生成氨的物质的量。因此可写成联立方程：生成的氨的物质的量 (2-1) 总物质的量的减少量 (2-2)联立解出 或 式中：-合成塔中生成的氨，kmol -入口气总物质的量，kmol -出口气总物质的量，kmol -合成塔入口氨摩尔分数 -合成塔出口氨摩尔分数将已知数据代入，则 kmol出塔气总物质的量 kmol所以出塔气组成(6点)NH3: (已知)H2: CH4: N2: Ar: 表2.2 出塔气组成表(包括6，7，8，9，10点)组成NH3H2N2CH4Ar合计摩尔分数/%17.00049.04516.34813.4204.1871002.3 合成率计算反应掉的N2，H2与入塔气中的N2，H2气之比。按下式计算。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却器内部分氨被液化，气液已达到相平衡。进入氨分离器的物料为气液混合物，物量为F，物料组成为F1；分离器出口气相组分为yi，气量为V;分离器出口液相组分为xi，液量为L。FFiVyiLxi气相气液混合物液相已知进口物料组成Fi即合成出口气组成，前已求出。假定F=1kmol对于每个组分的物料平衡： (2-3)根据气液平衡关系 (2-4)式中：mi为各组分的相平衡常数。把式(2-4)代入式(2-3)得 或 (2-5)式中：Li为液相中各组分的量。总液量 (2-6)液体组分的摩尔分数 (2-7)气体总量 (2-8)气体组分含量，按(2)式 (2-9)对以上各式求解，需用试差法，现采用直接迭代法进行计算。表2.3 分离器入口气液混合物组成Fi即6点值组分FNH3FH2FN2FCH4FAr合计摩尔分数0.170.49050.163480.134200.041871表2.4 组分的相平衡常数(mi)（t=35，p=30Mpa） 0.11 27.5 34.5 8.2 38设气液比R=V/L=12，假定入口气液混合物量F=1kmol并假定。以V/L=12代入式(2-5)计算，计算结果如下。液相中各组分的量：kmolkmolkmolkmolkmol液相总量： kmol分离后气相总量：kmol计算气液比：误差设R=V/L=12.055，计算得 误差设R=V/L=12.089，计算得 误差设R=V/L=12.113，计算得 误差以V/L=12.127代入式(3)计算，计算结果如下：kmolkmolkmolkmolkmol计算得 误差在允许范围之内，假定值可以认定V/L=12.127。液体组成(摩尔分数)：按计算，计算结果列入下表：表2.5 氨分离器出口液体组成(17点)组成NH3H2N2CH4Ar合计摩尔分数/%95.6818%1.9259%0.5121%1.7551%0.1191%100.000分离后气体组成： 计算NH3: 同法计算其他组分，结果列入下表。表2.6 氨分离器出口气体组成(11，12，13，14，15点)组成NH3H2N2CH4Ar合计摩尔分数/%10.5177%52.9172%17.6528%14.3810%4.5222%100.000V=0.92388 kmol L=0.07612 kmol2.5 冷交换器分离出的液体组成(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。因此在冷交换器中的氨分离器分离出的液氨，应与出口气成平衡，由气液平衡关系可以求出。其关系式为表2.7 相平衡常数如下表(t=-4.5，p=30MPa) 0.030570752540冷交换器出口液体组成，根据计算。表2.8计算结果表(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的计算L17x17i17L18x18i18X19i19Vyi20Lxi21氨分离器出口液氨(17点)与冷交换器的氨分出口液氨(18点)汇合于贮槽(19点) 由于减压，溶在液氨中的气体会解析出来和部分氧的蒸发气形成弛放气。水冷后的氨分离嚣分离的液氨占总量的摩尔分数G可由下式计算：代入已知数据：， ， 取G=53.3%则氨分离器的分离液氨占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。表2.9 计算结果表(19点)组成NH3H2N2CH4Ar合计摩尔分数/%96.936%1.434%0.400%1.156%0.068%100.000表2.10 由氨贮槽的压力得气液平衡常数表（t=20，p=2.1MPa） 0.598575620170540在液氨贮槽中，类似于闪蒸过程，仍按氨分离器的计算方法，假定一个V/L初值，经过试差，求得计算结果，如下表。现按试差最后的V/L值，具体计算如下。设V/L=0.079代入下式。(假定入槽液量F=1kmol)则液氨中各组分的物质的量： kmol： kmol： kmol： kmol： kmolkmol V=0.7313 kmol 误差以V/L=0.0789代入式(3)计算，计算结果如下：kmolkmolkmolkmolkmolkmolkmol计算得 误差在允许范围之内，假定值可以认定V/L=0.0788880.0789。液体组成(摩尔分数)：按计算。NH3: 表2.11 其它组分计算结果表(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NH3: 表2.12 其它组分计算结果表(20点，驰放气组成)组成NH3H2N2CH4Ar合计摩尔分数/%59.751%19.188%5.361%14.713%0.908%100.0002.7 液氨贮槽物料衡算以液氨贮槽出口1t纯液氨为基准，折成标准状况下的气体体积，以m3为单位计，则m3其中各组分的体积，按NH3: m3H2: m3N2: m3CH4: m3Ar: m3液氨贮槽驰放气体积，按计气液比V/L=0.0789，则驰放气体积：m3NH3: m3H2: m3N2: m3CH4: m3Ar: m3液氨贮槽出口总物料体积： m3因此入口总物料也应与出口相等：m3入口物料各组分体积按计算，结果为：NH3: m3H2: m3N2: m3CH4: m3Ar: m3m3由计算得，表2.13 计算结果表组成NH3H2N2CH4Ar合计摩尔分数/%96.942%1.432%0.400%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V1，放空气量V12，一级合成塔进气量V3和出气量V6。合成循环回路可简化如下示意图。补充气 V补=V1放空气 V放=V12驰放气V驰=V20V入=V3产品液氨L21V出=V6合成塔贮槽图2.1 合成循环回路简图以1t产品氨为基准，即等于1319.2433m3(液氨折成标准状况下气体体积)。为方便计算，把前已算得已知数据列入下表：表2.14 已得数据汇总表名称NH3H2N2CH4Ar气量/m3补充气100.73250.24590.01650.0051V1放空气120.105180.529270.176530.143800.04522V12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60.170000.490450.163480.134200.04187V6(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% NH3计)氢平衡：以体积量计算(下同) (2-10)氮平衡： (2-11)惰性气体平衡： (2-12)氨平衡：合成塔内生成的氨应等于排出的氨 (2-13)总物料平衡：合成反应后进出口气体体积减少了V3-V6 (2-14)把式(2-10)与式(2-11)合并，将已知数据代入式(2-10)与式(2-11)式(2-10)： (2-10)式(2-11)： (2-11)式(2-10)加式(2-11)得： (2-15)数据代入式(2-12)得： (2-12)将式(2-12)与式(2-15)联立解得：m3m3将已知数据V1和V12的值代入式(2-13)与式(2-14)。式(2-13)： m3 (2-13)式(2-14)： m3 (2-14)(2-13) 与 (2-14) 联立解得：m3 m3(3)合成塔进出口物料量(各组分的量)a. 入塔总物料量： m3m3其中各组分的量按照计算。NH3: m3H2: m3N2: m3CH4: m3Ar: m3b. 出塔总物料量，m3其中各组分量按照计算。NH3: m3H2: m3N2: m3CH4: m3Ar: m3(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m3(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V9。水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m3经氨分离器后，分为气相和液相两股物料。即(Ll7量暂以气体体积计)按前面氨分器气液平衡算得气液比： 和 m3由以上两式可以解得m3 m3L17换算成质量 b. 氨分离器出口气体组分的体积，按计算。NH3: m3H2: m3N2: m3CH4: m3Ar: m3氨分离器出口液体组分的量，按计算。 NH3: m3H2: m3N2: m3CH4: m3Ar: m3(6)循环机入口V13和出口V14：由流程图上表明进入循环机之前，有放空气放出。所以m3其中各组分的量按照计算。NH3: m3H2: m3N2: m3CH4: m3Ar: m3放空气中各组分的量：按计算。 NH3: m3H2: m3N2: m3CH4: m3Ar: m3(7)冷交换器进出口物料a. 进气量： =循环机出口加上补充气的量即m3b. 补充气中各组分的量：按计算。NH3: m3H2: m3N2: m3CH4: m3Ar: m3c. 冷交换器入口气体各组分的量：按计算。NH3: m3H2: m3N2: m3CH4: m3Ar: m3d. 冷交换器入口气体组成(2点)：按照计算。 NH3: 表2.15 其他组分的计算结果表(2点)组成NH3H2N2CH4Ar合计摩尔分数0.07650.582430.194670.110520.034731.000 e. 冷交换器出口气体的量V3 m3其中各组分的量按计算。NH3: m3H2: m3N2: m3CH4: m3Ar: m3f. 冷交换器出口液氨的量：它是进出口气体体积之差。m3其中分组分的量按计算。NH3: m3H2: m3N2: m3CH4: m3Ar: m3g. 液氨贮槽物料衡算(均以标准状况下气体体积计)进入贮槽的液氨量：m3 贮槽中排除产品液氨的量：m3 (标准状况)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1tNH3计算。)补充新鲜气(1点) m3氨冷器入口气(2点) m3合成塔进出口(345点) m3合成塔出口(6789点) m3水冷却器出口(10点)(气液混合，以气体计) m3氨分离器出口气体(11点) m3放空气(12点) m3循环压缩机进出口气(1314点) m3氨冷器进出口(1516点)(气液混合) m3氨分离器液体出口(17点) m3冷交换器液体出口(18点) m3两股液氨合并(19点) m3驰放气(20点) m3产品液氨(21点) m3(9)各部位的物料组成和数量，分别列表如下。其中把以合成1t氨为基准的量，这算为按生产量每小时的氨产量为13.8889t的体积(m3/h)和其物质的量(kmol/h)作为能量衡算依据。表2.16 合成塔一次入(3点)，一次出(4点)，二次入(5点)组成摩尔分数/%m3/t NH3m3/hkmol/hNH33335.28954656.8023207.8930H261.1256831.523494882.34544235.8190N220.3752277.174531627.44891411.9397CH411.8141320.370018338.4869818.6825Ar3.686411.95905721.6574255.431110011176.3164155226.74086929.7652表2.17 合成塔出口(6点和7，8，9，10点)组成摩尔分数/%m3/t NH3m3/hkmol/hNH317.0001660.359023060.56011029.4893H249.0454790.135666529.71432970.0765N216.3481596.711922176.5719990.0255CH413.4201310.706918204.2771812.6909Ar4.187408.93665679.6795253.55711009766.8175135650.35166055.8193表2.18 氨分离器出口气(11点)组成摩尔分数/%m3/t NH3m3/hkmol/hNH310.518949.017313180.8064588.4289H252.9274775.493366326.34892960.9977N217.6531592.793522122.1496987.5960CH414.3801297.477518020.5353804.4882Ar4.522408.01075666.8198252.98301009022.7924125316.66145594.4938 表2.19 循环机入，出口(13，14点)组成摩尔分数/%m3/t NH3m3/hkmol/hNH310.518920.815012789.1075570.9423H252.9174633.578264355.30432873.0047N217.6531545.459921464.3444958.2472CH414.3801258.919917485.0126780.5809Ar4.522395.88575498.4169245.46501008754.6586121592.57785428.2401表2.20 放空气(12点)组成摩尔分数/%m3/t NH3m3/hkmol/hNH310.51828.2023391.6