9万吨 年合成氨合成工段工艺设计设计正文.doc

四川理工学院毕业设计 目录四川理工学院毕业（论文）设计 9万吨/年合成氨合成工段工艺设计学 生：学 号：专 业：班 级： 指导教师：四川理工学院材料与化学工程学院2009年06月前 言本设计就合成车间的工艺生产流程，着重介绍化工设计的基本原理、标准、规范、技巧和经验。本书内容是根据鸿鹤化工股份有限公司合成车间的生产情况而编著的，确定优化的工艺流程、工艺条件、设备选型及其他非工艺专业等内容。在全面介绍化工设计的基础知识上，重点阐述工艺流程设计、物料和能量衡算及车间布置等内容，并结合工艺计算、工程经济，力求体现当今化工设计的水平。编写本设计总的指导思想是：理论联系实际、简明易懂、经济实用。本书在编写过程中得到四川理工学院化学与材料与化学工程学院毛润琦老师的指导，在此表示衷心感谢。由于编者自身的知识水平和认识水平的有限，书中错误与不妥之处，恳请老师批评指正。2009年6月于四川理工学院目 录第一部分 绪论11.1概 述11.2设计任务说明11.2.1设计任务11.2.1设计依据11.3工艺流程设计21.3.1原材料技术规格21.3.2产品技术规格21.3.3危险性物料主要物性表31.3.4合成原理31.3.5合成工艺流程31.3.5工艺特点5小结5第二部分工艺设计计算62.1物料衡算62.1.1合成塔进出口气体衡算72.1.2氨分离器物料衡算82.1.3氨储罐物料衡算112.1.4合成系统新鲜气量和驰放气量的衡算122.1.5氨分离器物料衡算132.1.6核算及比较误差162.1.7合成塔内物料衡算182.2热量衡算232.2.1氨合成塔内热量衡算232.2.2中置锅炉产生蒸汽量的计算272.2.3水冷器热量衡算282.2.4冷交换器热量衡算30第三部分 设备设计及选型校核313.1 yd型氨合成塔的选型计算313.1.1 yd型氨合成塔内件各床层进出口温度的选定计算313.1.2计算合成塔的催化剂用量343.1.3合成塔的设计选型与校核38 3.2 设备一览表45设计综述46参考文献47致 谢48 iv四川理工学院毕业设计 第一部分 绪论第一部分 绪论1.1概 述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。氨在其他工业中的应用也非常广泛。在石油炼制、橡胶工业、冶金工业和机械加工等部门以及轻工、食品、医药工业部门中，氨及其加工产品都是不可缺少的。例如制冷、空调、食品冷藏系统大多数都是用氨作为制冷剂。1.2设计任务说明1.2.1设计任务本次设计参照四川省鸿鹤股份有限公司氨合成厂的现有工艺，并进行一定的优化和简化，对生产量及设备进行重新选择计算。设计的合成工段工艺达到年产90kt液氨的设计目的。1.2.1设计依据本设计按照材化系下达设计任务书进行编制，参照鸿鹤化工总厂的现场生产，每年操作日330天，三班连续操作。实地测得已知数据为计算依据：表1.1 原始数据记录精炼气组成n224.5h274.2ch41ar0.3nh30小计100续表1.1入塔气组分含量（%）nh32ch410h263ar4n221小计1001.3工艺流程设计1.3.1原材料技术规格表1.2 原材料技术规格序号名称规格备注成分百分含量（摩尔）1精练气氢气74.2氮气24.5氨气0甲烷1氩气0.31.3.2产品技术规格表1.3 液氨产品技术规格序号名称规格国家标准备注等级组分含量1液氨一级品氨99.8gb356-65水和油0.22液氨二级品氨99.5gb356-65水和油0.5表1.4 氨水产品技术规格序号名称规格标准备注等级组分含量1农业用氨水一级品氨20部标hgi-88-64二级品氨18三级品氨152工业用氨水一级品氨25部标hgi-88-64残渣0.3二级品氨20残渣0.3三级品氨201.3.3危险性物料主要物性表表1.5危险性物料主要物性序号名称分子量熔点（度）沸点（度）闪点（度）燃点（度）空气中爆炸极限（）国家标准备注上限下限1氨气17.03-77.7-33.5651.2263027.415.7乙2氢气2.016-259.8-252.8-40074.24.1甲3甲烷16.043-184-161.5-19065015.05.0甲1.3.4主要合成原理（1）主要反应方程式： 特点：可逆反应、正反应放热、正反应是气体体积减小的反应在工业生产中主要考虑经济效应与社会效应，基本要求单位时间内产量高、原料利用率高。需要将生成的氨及时分离出来，并不断向体系中补充原料以增加反应物浓度，使平衡向合成氨的方向进行。1.3.5确定合成工艺流程氨合成工序流程如图1.1图1.11氨合成塔 2氨分离器 3氨分离器 4氨储罐 5中置锅炉6水冷器 7冷交换器 8透平压缩机 9氨冷器a氨合成塔出塔气量 b氨合成塔进塔气量 c储罐气量 d池放气量g新鲜气量 e，h分离液氨量 w液氨产量合成工艺流程简述：由氮氢气压机压缩送来的新鲜气与循环气混合，经透平压缩机加压后，进入氨冷器。气体管内流动，液氨在管外蒸发，由于氨大量蒸发吸收了混合气的热量，使管内气体被冷却至30mpa，0oc左右，出氨冷器后的混合物进入氨分离器，分离出的液氨进入液氨储罐，另外部分进入冷交换器壳程被热气体加热至40oc后出冷交换器，分成主线、副线，1#、2#、3#冷激线流程分别进入yd型氨合成塔。主线流程是从氨合成塔顶进入，沿塔内壁与内件之间的环隙入塔底部，再进塔下段换热器壳程和塔上段换热器壳程，被加热后与塔底副线冷气混合后进入中心管，再折流进入第一催化剂层，经过化学反应生成部分氨后，进入第一冷激气分布器，并与1#冷激气均匀混合降低温度和氨浓度后第二催化层内继续反应。反应后又进入第二冷激气分布器，并与2#冷激气均匀混合降低温度和氨浓度后在第三催化剂层内继续反应。反应后又进入第三冷激气分布器，并与3#冷激气均匀混合降低温度和氨浓度后在第四催化剂层内继续反应。反应后的气体离开催化剂层进入塔上段换热器管程，降温后第一次出合成塔进入中置锅炉回收热量，又进入塔下段换热器管程继续降温，然后出合成塔进入水冷器，再进入氨冷器上部换热器管程，从氨冷器中心管出来进入氨分离器，分离出大量的液氨，分离后的气体绝大部分进入透平压缩机后继续下一次循环。注：液氨产品易蒸发，有强烈刺激性气味，对人的消化系统和呼吸系统都造成伤害，与空气混合后遇火会爆炸，应密闭贮存，管道输送，尽可能避免泄露。1.3.5工艺特点本工段生产液氨，生产能力为9kt吨液氨/年，与传统流程相比较，具有节能低耗的特点，具体表现如下所述：（1）合成塔内件及催化剂的选择： 合成塔内件：本次氨合成工艺选用yd型氨合成塔内件，yd型氨合成内件事四层绝热冷激式氨合成塔，相比鸿化公司氨合成厂原使用的合成塔内件并流三套管型内件，其装填催化剂的体积要多了将近20%，在不改变原有条件下，催化剂的增加就意味着生产能力的提高。另外，yd型塔取消了催化剂床层内的换热器而直接用冷激气降温，使得结构简单，操作容易，节省造塔材料，便于催化剂还原。催化剂的选择：第一床层选用a201催化剂，因为该型号的催化剂含钴，其低温活性好，氨净值高，但价格昂贵，因此只用在第一床层，其进口温度为360oc，选用此型号催化剂更能发挥作用。以下各层都选用a110催化剂，其适用温度为380-500oc，价格较低，活性也较好，适用于合成塔下面的床层。（2）“二进二出”的合成流程及反应热回收的方式与利用：本次设计选用的是“二进二出”的合成流程，选择塔内上下段双换热器和外设中置锅炉的工艺路线。主线、副线及1#、2#、3#冷激气一次进塔，反应完成后进入塔内上段换热器管程，降温后第一次出塔进入中置锅炉回收热量，提高了反应热的回收率并获得了高品位的热，降低了二次进塔气体的温度，有利于减少下段换热器的热负荷，延长设备的使用寿命，而中置锅炉的副产品1mpa的蒸汽可进入下一工段利用，节省了能源，降低了成本，减少了工艺负荷。（3）水冷器、双氨分离器的设置： 本次设计采用双氨分离器，氨分离器接在冷交换器与氨储罐之间，氨分离器放在冷交换器与氨冷器之间，这样的设计减少了单一氨分离器的生产负荷，有利于有效的分离产品中的液氨，提高液氨的产品规格等级，直接提高了经济效应，水冷后分离液氨再进行冷交，这样的设计减少了系统阻力，既提高了液氨的分离效果又避免了气液两相流，充分解决了低压下，水冷后很少有氨冷凝下来的矛盾。（4）氨冷器的选择设置：本次设计选择的氨冷器与鸿化厂的氨冷凝塔氨蒸发器串联使用相比较，处理能力上有一定的劣势，但是单从合成氨工艺比较，单氨冷器的使用较两设备串联使用，在符合设计要求的基础上，不仅简化了工艺流程，并且在经济上显得更加合理。小结自3月2日接到设计任务后，用两周时间在鸿化厂实地学习和收集设计基础数据、资料。时值合成氨厂检修，合成氨车间主任梁红兵老师在百忙之际仍对我们进行了悉心的指导，在此深表谢意。经过实地的学习，参考多方文献，选择了本次设计的工艺流程。由于是合成工段的初步设计，因此仅考虑了本工段工艺的经济性和合理性，不能从全方位考虑整个生产过程，无疑是设计的不足之处，有待改进。6四川理工学院毕业设计 第二部分 工艺设计计算第二部分工艺设计计算计算部分参照合成工序流程示意图1.1。计算过程中，无注明字母含义的以小写字母加脚标表示各组分的摩尔分率或百分含量；以大写字母加脚标表示各组分的摩尔流量或实际流量。脚标1、2、3、4、5分别表示n2,h2,ch4,ar,nh4表2.1 计算中的表述方式 组分项目n2h2ch4arnh4入塔气体摩尔分率或百分含量摩尔流量或实际流量出塔气体摩尔分率或百分含量摩尔流量或实际流量氨分器出口液体摩尔分率或百分含量摩尔流量或实际流量氨分器出口气体摩尔分率或百分含量摩尔流量或实际流量氨分器入口气体摩尔分率或百分含量摩尔流量或实际流量氨分器入口气体摩尔分率或百分含量摩尔流量或实际流量2.1物料衡算在已知合成塔进口气体中甲烷、氩的含量（入塔惰性气体）、进口气中氢氮比值，合成塔出口气体中的氨含量；又已知新鲜气各组分含量和液氨的实际产量的情况下，在各设备的操作条件下（温度、压力等），根据化学反应式的特点，假设其氨合成塔入口氨含量初值后，求出合成塔出口组成和当量氨产量，并应用气液平衡数据计算氨分离器的气液平衡组成，再作合成回路的氢平衡、惰气平衡，求算出新鲜气量和驰放气量。于是便可以得到合成塔的实际生产量，由此计算出合成塔进出口气体的各组分含量，又由氨分离器进气组成和气体各组分含量，应用气液平衡数据计算出氨分离器气液相组成和各组分含量，并比较其组成和含量与前面计算的合成塔进口含量和组成的差值是否满足误差要求，达到误差要求，则认为入口氨含量假设合理，整个合成回路的物料衡算有效，否则重新计算。2.1.1合成塔进出口气体衡算以1kmol入塔气作为基准：（如图2.1）已知：入塔甲烷含量：b3=0.100，入塔氨含量：b5=0.02,入塔氩含量：，入塔氢含量：b2=0.63,入塔氮含量：b1=0.21出塔氨含量，计算当量氨产量即每kmol入塔气体产生的氨产量（kmol）：出塔氮含量： 出塔氢含量： 出塔甲烷含量： 出塔氩含量： 出塔氨含量： 由：得到： 表2.2 进出塔物料衡算表（以1kmol进塔气体为基准） 项目组分进塔物料出塔物料%molkmol/hkg/h%molkmol/hkg/hn2210.215.8817.590.12323.4496h2630.631.2652.760.36960.7392ch4100.101.7011.180.101.70ar40.041.604.470.041.60nh320.020.34140.24534.1701小计100110.781000.819410.02氨合成率：2.1.2氨分离器物料衡算如图2.2，由氨合成塔出口气体组成和氨分离器的气液平衡关系计算氨分离器的出口气体组成和出口液组成。已知进口气组成，求分离器出口气体组成和出口液组成，则：（式中为组分在该系统操作条件下的气液平衡常数）物料衡算： （i=1,2,3,4）图2.2以1kmol氨分离器进气为基准计算，即a=1，则所以得到：，即其中为气液比，则利用上面公式首先假设一个气液比值，在用其求出气液比，比较假设值与计算值是否满足误差要求，若不能满足误差要求，则计算出的气液比代替原先的假设值重新计算，如此迭代循环，直到满足误差要求为止。查文献无机化工工艺学（一）p346-349得到操作条件下的气液平衡常数如表2.3所示：表2.3 各组分平衡常数t=20oc，p=27mpa各组分平衡常数：k1k2k3k4k543.048.012.032.00.073假设，则：液体中氮含量：液体中氢含量：液体中甲烷含量：液体中氩含量：液体中氨含量：液体量：分离气体量:，误差：，结果合理，所以假设成立从而可计算出液体中各组分含量：液体中氮含量：液体中氢含量：液体中甲烷含量：液体中氩含量：液体中氨含量：分离气体组分含量：气体氮含量：气体氢含量：气体甲烷含量：气体氩含量：气体氨含量：表2.4 氨分离器物料衡算表（以1kmol氨分离器进气为基准） 项目组分进分离器物料出分离器液体出分离器气体%molkmol/h%molkmol/h%molkmol/hn2210.210.490.0004919.150.1915h2 630.631.310.0013157.450.5745ch4100.101.110.0011112.180.1218ar40.040.170.000174.860.0486nh3140.1496.920.096926.450.0645小计1001001000.11000.12.1.3氨储罐物料衡算由于氨储罐的入口有e，h，采用近似计算，近似取e和进入氨储罐组成相同，即，同时假定进入氨储罐的液氨总量等于实际液氨产量，且溶解在液氨中的h2，n2，ch4，ar全部解析出来，即不含h2，n2，ch4，ar等气体，这样便可以近似计算储罐气体流量和各组分含量。由设计条件液氨储罐压力p=1.6mpa，t=10oc，可查的nh3平衡常数=0.36。根据设计依据，每年生产日为330天，三班连续操作，得到实际液氨产量：图2.3储罐氮气流量：储罐氢气流量：储罐甲烷气流量：储罐氩气流量：储罐氨气流量：储罐气流量：表2.5 液氨储罐物料衡算表（以实际产量为基准） 项目组分进液氨储罐物料储罐气流量液氨产量%molkmol/h%molkmol/hkmol/hn20.493.273210.183.2732668h21.318.750827.228.7508ch41.117.414823.077.4148ar0.171.13563.531.1356nh396.92647.42563611.5731小计10066810032.14752.1.4合成系统新鲜气量和驰放气量的衡算已知新鲜气组成，如图2.4、表2.6所示：（图2.4）表2.6 新鲜气组成实地测得新鲜气组成（%）n224.5h274.2ch41ar0.3nh40小计100计算合成回路氢平衡和惰性气体平衡，驰放气组成与相同。氢平衡：惰性气体平衡：两式联立，得到：解得：新鲜气量 弛放气量 计算合成塔的实际生产能力：合成塔实际生产能力：2.1.5氨分离器物料衡算入口气体可由物料平衡计算：其中可由合成塔实际生产能力计算。因为，即每1kmol进塔气体生成0.1213kmol氨，所以图2.5氨分离器入口气体的计算：入口氮气量：入口氢气量：入口甲烷气量：入口氩气量：入口氨气量：入口气体量：入口氮含量：入口氢含量：入口甲烷含量：入口氩含量：入口氨含量：查文献无机化工工艺学（一）p346-349得到操作条件下的气液平衡常数如表2.7所示：表2.7 气液平衡常数t=0oc，p=30mpa下的平衡常数k164k265k318k441k50.033以实际进氨分离器气量为基准计算，假设气液比：，则出口液体：则氨分离器出口气气液比：误差：，结果合理，说明假设的气液比合适。液体中氮含量：液体中氢含量：液体中甲烷含量：液体中氩含量：液体中氨含量：表2.8 氨分离器物料衡算表（以实际氨分离器进气量为基准） 项目组分进分离器物料出分离器液体出分离器气体%molkmol/h%molkmol/h%kmol/hn2211350.090.32160.420620.061238.79h2 634050.270.94981.242160.163715.24ch410642.900.59120.773210.38641.19ar4257.160.10450.13664.17257.69nh32128.5898.0329128.20495.23322.82小计1006429100130.77741006157.732.1.6核算及比较误差利用计算出的合成塔入口组成和各组分量与氨分离器的气液平衡关系式计算出的出口气量及组成进行核算比较，若满足误差要求，说明计算有效。由 得到：入塔气体组成：比较误差：均符合误差要求，对氨分离器进行物料平衡计算，则：比较误差：符合误差要求。表2.9 整个回路物料衡算汇总表进出塔物料衡算表（以1kmol进塔气体为基准） 项目组分进塔物料出塔物料%molkmol/hkg/h%molkmol/hkg/hn2210.215.8817.590.12323.4496h2630.631.2652.760.36960.7392ch4100.101.7011.180.101.70ar40.041.604.470.041.60nh320.020.34140.24534.1701小计100110.781000.819410.02续表2.9 项目组分进分离器物料出分离器液体出分离器气体%molkmol/h%molkmol/h%molkmol/hn2210.210.490.0004919.150.1915h2 630.631.310.0013157.450.5745ch4100.101.110.0011112.180.1218ar40.040.170.000174.860.0486nh3140.1496.920.096926.450.0645小计1001001000.11000.1续表2.9 项目组分进液氨储罐物料储罐气流量液氨产量%molkmol/h%molkmol/hkmol/hn20.493.273210.183.2732668h21.318.750827.228.7508ch41.117.414823.077.4148ar0.171.13563.531.1356nh396.92647.42563611.5731小计10066810032.1475 续表2.9 项目组分进分离器物料出分离器液体出分离器气体%molkmol/h%molkmol/h%kmol/hn2211350.090.32160.420620.061238.79h2 634050.270.94981.242160.163715.24ch410642.900.59120.773210.38641.19ar4257.160.10450.13664.17257.69nh32128.5898.0329128.20495.23322.82小计1006429100130.77741006157.732.1.7合成塔内物料衡算选用yd型氨合成塔内件，即四层绝热冷激式氨合成塔，以入塔气体为基准进行计算，并分别选择第一床层出口氨含量为8%，第二床层出口氨含量为11%，第三床层出口氨含量为12%，第四床层出口氨含量为14%。假设第一床层进入的气体占70%，第二床层进入的气体占15%，第三床层进入的气体占8%，第四床层进入的气体占7%。如框图所示：因为以入塔气体为基准，则=1（1）第一床层进口气体组成见汇总表2.9，则出口气体组成及出口量：第一床层当量氨产量（即每kmol气体的氨产量）：第一床层出口气组成第一床层出口气量：（2）进出第二床层的组成及气量第二床层进口总气量：第二床层进口氮气量：第二床层进口氢气量：第二床层进口甲烷气量：第二床层进口氩气量：第二床层进口氨气量：第二床层进口氮气含量：第二床层进口氢气含量：第二床层进口甲烷含量：第二床层进口氩气含量：第二床层进口氨气含量：第二床层当量氨产量：第二床层出口氮气含量：第二床层出口氢气含量：第二床层出口甲烷含量：第二床层出口氩气含量：第二床层出口氨气含量：第二床层出口气量：（3）进出第三床层的组成及气量：第三床层进口总气量：第三床层进口氮气量：第三床层进口氢气量：第三床层进口甲烷气量：第三床层进口氩气量：第三床层进口氨气量：第三床层进口氮气含量：第三床层进口氢气含量：第三床层进口甲烷含量：第三床层进口氩气含量：第三床层进口氨气含量：第三床层当量氨产量：第三床层出口组成：第三床层出口氮气含量：第三床层出口氢气含量：第三床层出口甲烷含量：第三床层出口氩气含量：第三床层出口氨气含量：第三床层出口气量：（4）进出第四床层的组成及气量：第四床层进口总气量：第四床层进口氮气量：第四床层进口氢气量：第四床层进口甲烷气量：第四床层进口氩气量：第四床层进口氨气量：第四床层进口氮气含量：第四床层进口氢气含量：第四床层进口甲烷含量：第四床层进口氩气含量：第四床层进口氨气含量：第四床层当量氨产量：第四床层出口组成：第四床层出口氮气含量：第四床层出口氢气含量：第四床层出口甲烷含量：第四床层出口氩气含量：第四床层出口氨气含量：第四床层出口气量： 表2.10 合成塔内物料衡算汇总表（以为基准） 项目组分 第一床层进口出口%（）kg/h%（）kg/hn2210.14704.116019.290.12753.5707h2630.44100.882057.880.38260.7653ch4100.07001.120010.590.07001.1202ar40.02801.12004.240.02801.1212nh320.01400.23808.000.052910.8991合计1000.70007.47601000.66117.4765续表2.10 项目组分第二床层进口出口%（）kg/h%（）kg/hn219.600.15904.452018.450.14414.0348h258.820.47710.954255.310.43200.8640ch410.500.08501.360010.890.08511.3616ar4.190.03401.36004.350.03401.3600nh36.890.05590.950312.000.08591.4603合计1000.81119.07651000.78119.0807 续表2.10 项目组分第三床层进口出口%（）kg/h%（）kg/hn219.180.16524.625618.900.16134.5162h257.570.49570.991456.740.48420.9684ch411.020.09661.545611.320.09661.5457ar4.480.03861.54404.520.03860.1543nh311.000.09471.6099120.10241.7408合计1000.861110.31651000.85348.9254 续表2.10 项目组分第四床层进口出口%（）kg/h%（）kg/hn218.920.17474.891618.340.16634.6556h256.800.52451.049055.070.49930.9985ch411.310.10441.670411.521.04441.6710ar4.520.04171.66804.600.04171.681nh311.920.11011.8717140.12692.1577合计1000.923411.15071000.906611.16382.2热量衡算2.2.1氨合成塔内热量衡算对于不与塔外介质进行能量交换的氨合成塔，可以看作一绝热反应器，因此，其它出口气体混合物的焓应该相等，对此绝热过程，在反应放出热量时，设其反应热为，则有；本次工艺设计选用的是yd型氨合成塔，该合成塔有两次进口和两次出口，在合成塔一次出口和二次出口之间采用中置式废热锅炉生产1.0mpa的蒸汽，因此两次进口混合气体焓的和与两次出口混合气体焓的和相等。一次气体出口的焓和二次气体的焓的差值就是向外提供的热。图2.7根据设计要求，参考鸿化厂实地生产情况，已知合成塔的入口气体标准为，第一次出口标准为，第二次入口气体标准为，需假设出第二次出口温度，再根据热量平衡核算第二次出口温度，并且计算出中置锅炉实际的蒸汽产量。由于合成系统在高压下进行生产，实际气体的关系必须进行校正，气体的热力学数据应考虑温度和压力的影响，选用适当的气体状态方程进行计算。如图2-7，以1kmol入塔气体为计算基准：气体状态方程：rk方程表达式：p气体的压力(atm);t气体的温度(k);v气体的摩尔体积(m3/kmol);r气体常数a,b与气体性质有关的常数;其中： ，rk方程也适用于混合气体，而此时的与气体性质有关的常数为：；。在气体压缩的状态下，引入气体的压缩因子，,代入rk方程，整理得到：式中：利用此式可以计算一定状态下实际气体的压缩因子及有关的热力学参数。对于高压下的气体混合物的焓值应当用rk方程式导出的结果用下式加以校正：（1）合成塔气体第一次进口表4.11 第一次进口混合气体的焓查得在29.5mpa，40oc下进口混合气体的统一基准焓h1102.6h2105h3-17763h474.4h5-10911.6hom40-1979.9因为：，其中，表2.12 h2,n2,ch4,ar,nh4的临界常数nh3ch4arh2n2tc(k)405.2190.715133.3126.2pc(atm)112.545.84812.833.5表2.13 与气体性质有关的系数nh3ch4arh2n2b0.025630.029620.022380.018510.0268a f (t)31.587516.81531.440115.3854解得：，所以：将数据代入式：整理得到：解得： 经校正公式： 得到：（2）合成塔第一次出口混合气体焓：表4.14 第一次出口混合气体的焓在28.5mpa，300oc下出口混合气体的统一基准焓h11926h21920h3-15070h41366h5-8412hom40-1748.63由：则：将数据代入式：整理得到：解得：经校正公式： 得到：因为以进塔气为基准计算，则出塔气为所以：（3）合成塔的第二次进塔表2.15 第二次入口混合气体的焓在28.2mpa，180oc下入口混合气体的统一基准焓h1h2h3h4h5hom401072.61082.4-16430.8769.8-9628.2-2699.23由：则： 将数据代入式：整理得到：解得：经校正公式： ；得到：因为以进塔气为基准计算，则出塔气为所以（4）合成塔第二次出口混合气体焓，假设出口温度为120oc根据能量平衡，第二次出口气体的焓则：将数据代入式：整理得到：解得：验算及比较误差：查120oc的统一基准焓,得到：则：比较误差：符合要求，所以假设成立。2.2.2中置锅炉产生蒸汽量的计算采用中置式锅炉，如图2.8，将第一次氨合成塔出口气体引入中置锅炉经回收热量后，又二次进入氨合成-塔。因此第一次出口气体的焓与第二次入口气体的焓之差就是回收的热量。以1kmol进塔气体为基准：中置锅炉采用100oc的饱和水来产生1.0mpa的饱和蒸汽，查得1.0mpa的饱和水的比焓为图2.8100oc的饱和水的比焓为： 设热损失为5%,则则实际蒸汽产量为：2.2.3水冷器热量衡算 实地参考鸿化厂水冷器设备热气进出口温度，冷却水进出口温度，设气体先冷却至35oc后氨图2.9 再冷凝。（1） 热气带入热量：热气体在器内处于氨饱和区，计算气体比热容是先求常压下气体比热容，然后用压力校正的方法计算实际的比热容：查,时的各组分比热容计算得到：查小氮肥工艺设计手册附表1-1-1，得各组分临界参数如表2.16表2.16 各组分临界参数如下表组分n2h2ch4arnh3c(k)126.1633.26190.54150.76405.49pc(atm)12.833.543.3648.1101.65(120+273.15)/132.738=2.96，28.2x103/(35.92x101.325)=7.748查小氮肥工艺设计手册附表1-5-8 得到：，由压力校正法： 热气体带入热量：（2） 氨冷凝热 ： 查小氮肥工艺设计手册理化数据10-1-1得：氨冷凝热，（3）热气体带出热量 ： 因为： p=28mp 由于气体在氨饱和区，故先计算常压下气体组分比热容然后用压力校正法计算实际比热容： 热气带出热量 ：（4）液氨带出热量：查35液氨比热容 cpl=4.891 kj/kg(5)冷水量计算：设需冷水量 冷却上水： 冷却下水：冷却水比热容 ：冷却水吸收热量为：冷却上水带入热量：q上水冷却下水带入热量： 表2.17 水冷器热量汇总表收 方热量（kj）支 方热量（kj）热气带入热量 q101246627.355热气带出热量 q11186572.54氨冷凝热量 q冷104258.23液氨带出热量 q液15905.694冷却上水带入热量q上水4306486.8冷却下水带入热量q下水5454894.155小 计5657372.385小 计5657372.3892.2.4冷交换器热量衡算（1） 热气带入热量由水冷器的计算得到：（2） 冷气体带入热量：图2.10（3） 氨冷凝热：设热气出口温度为21，热气体在器内由35冷却到21然后进行氨冷凝，查氨冷凝热液氨冷凝放出热量，液氨带入热量：（4） 热气体带出热量：查时的各组分比热容并计算得： ，查小氮肥工艺设计手册附表1-5-8 由压力校正法：热气体带出热量：（6） 热气体中液氨带出热量：查21时液氨比热容 液氨带入热量：（7） 冷气体带入热量：（8） 冷气体带出热量：3设查p=27mpa时的各组分比热容并计算得：（9） 冷交换器热量负荷计算：（管内热气体带入热量+管内液氨冷凝热）-（管内热气体带出热量+管内液氨带出热量）139529.66+108611.87-108611.66-11491.014128038.856kj表2.17 水冷器热量汇总表收 方热量（kj）支 方热量（kj）热气带入热量 q101246627.355热气带出热量 q11186572.54氨冷凝热量 q冷104258.23液氨带出热量 q液15905.694冷却上水带入热量q上水4306486.8冷却下水带入热量q下水5454894.155小 计5657372.385小 计5657372.389表2.18 冷交换器热量平衡汇总表收 方热量（kj）支 方热量（kj）管内热气体带入热量 14139529.66管内热气体带出热量17108611.66管外冷气体带入热量 20管内液氨带出热量17l11491.014管内液氨冷凝热 冷108611.87管外液氨带出热量160管外液氨散热2l0管外冷气带出热量3128039.646小 计248141.53小 计248142.332四川理工学院毕业设计 第三部分 设备设计及选型校核第三部分 设备设计及选型校核3.1 yd型氨合成塔的选型计算 图3.1本次设计根据第二部分的平衡计算，参考鸿鹤合成氨厂的实地设备对本次设计进行选型。3.1.1 yd型氨合成塔内件各床层进出口温度的选定计算（1）第一床层出口温度计算：以1kmol入塔气量为计算基准，如图3.1表3.1 冷激气的恒压比热t=40oc，p=29.5mpa冷激气的恒压比热（）cp17.46cp27.077cp39.4cp45.11cp511.84(10atm)由,得到：第一床层选择入口温度为360oc,并假设出口温度为485oc，则平均温度为：续表3.1t=422.5oc，p=29.5mpa下各组分的cp值（）cp17.15cp27.06cp313.88cp44.984cp511.58(10atm)在第一床层出口组成下并查得422.5oc时的氨合成表现反应热：则第一床层的出口温度可由平衡公式计算：代入数据：解得（3） 第二床层出口温度计算：续表3.1487.4oc，p=29.5mpa下各组分的cp值（）cp17.15cp27.07cp314.56cp44.982cp512.18 (35atm)则解得：第一