合成氨布朗工艺论文设计.doc

1绪 论1.1 合成氨生产简史合成氨是一个产量吨位大，与国民经济关系密切，特别是对发展农业具有重要意义的化工产品。现在全世界氨的生产能力和年产量都以亿吨计，主要用作肥料和生产其他氮肥的原料1。氨是在1754年，普利斯特里（Priestly）由加热氯化铵和石灰而制得。氯化铵又名卤砂（Sal Ammoniac），由其制得的新物质因而命名为Ammonia（阿摩尼亚）。1784年伯索雷特（C.L.Berthollet）证实氨是由氮和氢所组成，并且他还确定了这两种元素的大致比例。从这开始，直到19世纪中叶，有不少人想通过试验将氮和氢直接合成为氨，这些试验包括常压、加压（直到5MPa）、使用催化剂，但都未获成功。世界上第一个研究成功合成氨技术并付诸实践的是德国卡斯鲁荷技术大学（the Technical University of Karsruhe）的哈伯（Fritz Haber）教授。随后人们便研究成功了有许多方法，如克劳德（George Claude）高压法、卡萨里高压法等在这里就不赘述了2。下面着重对布朗深冷净化工艺进行综述。1.2布朗流程简介3布朗深冷工艺开发于19世纪60年代，当时以低能耗著称。布朗工艺以天然气为原料，布朗公司对其工艺一直在做不断地改进，这些主要改进是：催化剂的改进；工艺设备采用优质金属；节能二氧化碳脱除系统；装置蒸汽平衡；采用自热转化炉。采取的主要节能措施：深冷净化系统；蒸汽透平带动工艺气压缩机；有效的蒸汽平衡系统；利用深冷净化系统改造现有装置；低水碳比。1.2.1布朗深冷净化工艺的特点：4（1） 二段转化炉采用过量空气，使一段转化炉燃料节省1/3以上，这不仅可以达到节能效果，同时可减少一段转化炉体积，从而节省投资。（2） 在合成气进入合成气压缩机之前，增加深冷净化部分除去过量的氮和甲烷及氩，这样可提供相对纯净的合成气，净化后的合成气可节省压缩机的动力及简化回路设计。该工艺不仅适合于天然气为原料的合成氨装置，同时也适用于石脑油为原料的合成氨装置。1.2.2热能回收的方法从余热回收来看，其方法不外有两种：一是用来加热锅炉给水；一是直接利用余热副产蒸汽。目前大型氨厂两者有采用，而一些中型氨厂多用后者。如用于副产蒸汽，按废热锅炉安装的位置又可以分为两类塔内副产蒸汽合成塔（内置式）和塔外副产蒸汽合成塔（外置式）。1.2.3工艺简介 1部分包括CO2脱除、甲烷化、分子筛干燥和深冷净化；氨合成部分包括压缩、合成和冷却。另外布朗工艺原料气净化部分包括原料气脱硫、一段转化、二段转化、高低变；合成气净化，还有一个冷凝气提塔用于除去工艺冷凝液中的氨、二氧化碳和其他杂质。具体如下：（1）原料气脱硫与传统的脱硫方法一样，利用ZnO催化床或Co-Mo和ZnO混合床进行脱硫。（2）一段转化脱硫后的原料气中压蒸汽混合，水碳比约为2.7。再经过高变器换热器和一段转化炉对流段预热，进入一段转化炉管进行转化，然后进入二段转化炉的顶部。（3）二段转化 二段转化炉采用过量的空气。二段转化炉出口气中甲烷的含量为1%-2%（干基），经废热锅炉产生高压蒸汽，再经高压蒸汽过热器，降温，然后进入高变炉。（4）变换冷却后的二段转化炉出口气进入传统的或以铜为助催化剂的催化床进行高温变换，变换后，经原料空气预热器和锅炉给水预热器温度降到213，再进入低变炉，在低变炉中进一步转化剩余的CO。（5）CO2脱除CO2脱除系统一般采用MDEA法或热钾碱法。（6）甲烷化出CO2吸收塔的净化气经预热后进入甲烷化炉，在镍催化剂作用下将剩余的CO+CO2和H2转化为甲烷和水。（7）深冷净化干燥器来的净化气在热交换器的上部与合成气及净化后的废气进行热交换，此时H2/N2=2:1,再进入膨胀透平移走能量用作冷冻系统。出透平的气体进一步冷却并在热交换器的下部冷凝，然后进入精馏塔。所有的甲烷（约含60%的氩）和过量的氮在精馏塔以废气形式从塔底馏出。（8）氨合成氨合成采用3个串联式绝热合成塔，内装单层催化剂，没有放冷，两塔间设有塔外换热器，在塔外换热并副产蒸汽，合成塔结构简单，塔内有固定催化剂筐，装卸催化剂方便，合成率高。由于合成气中惰性气体含量很低（约0.25%），因此合成回路的设备体积也可减少。布朗工艺的氨合成采用离心式压缩机，新鲜气与循环气直接在压缩机的缸内混合，即新鲜气的补入与循环压缩机在流程中可以是同一部位26。氨合成工序弛放气体的排放，应设在惰性气体含量、氨含量较低的部位。氨分离冷凝级数为三级，一级水冷、二级氨冷。净化气和循环气混合进入压缩机，混合气与反应气换热后，经预热器加热到380后进入第一氨合成塔，反应后进入第一废热锅炉，接着进入第二氨合成塔，第二废热锅炉、第三氨合成塔、第三废热锅炉，随后与混合气换热，再依次进入水冷器，第一、第二氨冷器，呈气液两相，进入分离器分离，气相大部分作为循环气与净化气混合，重复上述过程，一小部分作为放空气与减压罐顶部出来的弛放气混合一起进入氨吸收塔；而液相进入减压罐，分离出液氨中溶解的杂质气体，气体即弛放气，液体则去冰机氨罐。下图为布朗三塔三废热锅炉氨合成回路流程。图1布朗三塔三废热锅炉氨合成回路流程1、2、3.分别为第一、第二、第三合成塔；4.预热器；5.合成气压缩机；6.换热器；7.水冷器；8.冷交换器；9、10.氨冷器；11.分离器；12. 减压罐；13.废热锅炉（1）（2）（3）（9）净化回路进入合成气压缩机的新鲜气惰性气体含量为0.25%而且都是氩，一部分氩进入合成回路并在高压分离器中分离出来，大部分在转鼓中被闪蒸掉。（10）氨回收含氨蒸汽和净化回路气体混合进入氨吸收冷凝塔，氨被冷凝成液氨加以回收，吸收塔顶部出来的富氢气体送回脱硫部分和深冷净化部分去回收氢。液氨送气提塔回收氨作为产品。（11）冷冻和产品分离冷冻压缩机提供氨制冷所需的冷量。压缩机是单系列的，其结构取决于氨产品冷热程度的需要，可以用马达也可以用蒸汽透平，取决于项目的经济性。41.3氨合成简介氨合成指合成氨原料气（氮氢混合气）在高温、高压和催化剂存在下直接合成为氨的工艺过程。其这是放热、体积缩小的可逆反应反应式为：温度、压力对此反应的化学平衡有影响。当混合气中氢氮摩尔比为3时，氨平衡含量随着温度降低、压力升高而增加。氨合成的反应速度十分缓慢，需采用催化剂来加快其反应速度。由于受到所用催化剂活性的限制，反应温度不能过低；为提高反应后气体中的氨含量，氨合成宜在高压下进行。当工业上用铁催化剂时，压力大多选用15.230.4MPa(150300atm)，即使在以上压力条件下操作，单循环时也只有一部分氮气和氢气反应生成氨，故氨合成塔出口气体的氨浓度通常为1020（体积）。因此决定此反应的主要因素有：铁催化剂的活性；反应所产生的氨；氮气与氢气的分离；氮气与氢气的循环使用1.3.1 合成工艺参数的选择 1在实际的生产中，反应不可能达到平衡，合成工艺参数的选择，除了考虑平衡氨含量外，还要综合考虑反应速率，催化剂使用特性以及系统的生产能力，原料和能量消耗等，以期达到良好的技术经济指标。氨合成的工艺参数一般包括温度、压力、空速、氢氮比、惰性气体含量和初始氨含量等。（1）温度与其他可逆放热反应一样，氨合成反应存在着最佳温度Tm（或称为最适宜温度），它取决于反应气体的组成、压力以及所用催化剂的活性。氨合成反应温度一般控制在400500之间（依据催化剂类型而定）。催化剂床层的进口温度比较低，大于或等于催化剂使用温度的下限，依靠反应热床层温度迅速提高，而后温度再逐渐降低。床层中温度最高点，称为“热点”，不应超过催化剂的使用温度。到生产后期，催化剂活性已经下降，操作温度应适度提高。（2）压力从化学平衡和化学反应速率的角度看，提高操作压力是有利的。合成装置的生产能力随压力提高而增加，而且压力高时，氨分离流程可以简化。例如，高压下分离氨，只需水冷就以足够，设备较为紧凑，占地面积也小。但是，压力高时对设备材质，加工制造的要求均高。同时，高压下反应温度一般较高，催化剂使用寿命较短。生产上选择操作压力的主要依据是能量消耗以及包括能量消耗，原料费用，设备投资在内的所谓综合费用，也就是说主要取决于技术经济效果。总的来说，将压力从10MPa提高到35MPa时，综合费用可下降到40%左右，继续提高压力效果不显著。从能量消耗和综合费用分析，可以认为30MPa仍是氨合成比较适宜的操作温度。（3）空间速度当操作压力及进塔气体组成一定时，对于既定结构的氨合成塔，提高空速，出口气体的氨含量下降即氨净值降低。但增加空速，合成塔的生产强度（指单位时间，单位体积催化剂生成氨的量）有所提高。一般操作压力为30MPa的中压法合成氨，空速在2000030000h-1之间，氨净值10%15%。大型氨厂为充分利用反应热，降低功耗，并延长催化剂使用寿命，通常采用较低的空速。（4）合成塔进口气体组成合成塔进口气体组成包括氢氮比、惰性气体含量和初始氨含量。当氢氮比为3时，对于氨合成反应，可得最大平衡氨含量。随着反应的进行，如欲保持为最大值，最适宜氢氮比将不断增大，氨含量接近平衡时，最适宜氢氮比接近于3。生产实践表明，控制进塔气体的氢氮比略低于3，如2.82.9比较合适。惰性气体（CH4,Ar）来源于新鲜原料气，它们不参与反应，因而在系统中积累。惰性气体的存在，无论从化学平衡还是动力学上考虑均属不利。但是，维持过低的惰性气体含量又需大量排放循环气，导致原料气消耗量增加。假如循环气中惰性气体含量一定，新鲜气中惰性气体含量增加，根据物料平衡关系，新鲜气消耗随之增大。因此，循环气中惰性气体含量应根据新鲜气惰性气体含量、操作压力、催化剂活性等条件而定。由于原料气制备与净化方法不同，新鲜气中惰性气体含量也个不相同，循环气中所控制的惰性气体含量也有差异。当其他条件一定时，进塔气体中氨含量越高，氨净值越小，生产能力越低，初始氨含量的高低取决于氨分离的方法。1.4氨合成催化剂长期以来，人们对氨合成催化剂作了大量研究工作，发现对氨合成有活性的一系列金属为Os,U,Fe,Mo,Mn,W等，其中以铁为主体并添加有促进剂的铁系催化剂，价廉宜得、活性良好、使用寿命长，从而得到了广泛的应用。传统熔铁催化剂所用的促进剂主要有:Al2O3、K2O、SiO2、CaO和MgO等。人们通过大量试验发现,这些促进剂对于合成氨反应没有直接的催化作用。Strongin等的研究结果表明,添加Al2O3首先在表面生成Fe-Al2O4,然后以这种新的表面为模板,使-晶体的各晶面活性基本相同,从而大大提高了活性。K2O主要对铁晶粒的结构有一种固定作用,有利于加快合成氨反应。SiO2等主要起间隔作用,以阻止铁晶粒出现热烧结。目前,对于大多数合成氨催化剂来说,Al2O3的含量一般为24%,K2O的含量一般在0.61.1%。我国自行研制的催化剂有A102型氨合成铁催化剂、A110系列催化剂、A201型的铁-钴系氨合成催化剂以及Fe1-xO基301型低温低压氨合成催化剂。尽管熔铁催化剂有很多优点,但人们一直在努力开发新型催化剂,并对无铁类催化剂产生了浓厚兴趣。上个世纪7080,日本积极寻求开发钌基催化剂。继在ICI AMV和LCA工艺中推出铁-钴系催化剂后,在KAAP工艺中采用的以碳为载体的钌催化剂推动了氨合成催化剂的发展。完全不含铁、不含钌的催化剂(如Cs/Co3Mo3N催化剂),其活性介于熔铁类和钌系催化剂之间,活性低于钌系催化剂。Cs/Co3Mo3N催化剂、KMLR催化剂(托普索的熔铁催化剂)和以碳为载体的含钡6%、含钌6 7%的催化剂在氢/氮比各为31和11的工艺条件下作出的对比可以看出,Cs/Co3Mo3N催化剂的动力学特征介于熔铁和钌基催化剂之间,但它在600空气中焚烧时可再生成氧化性的粒子。1972年,日本报道了以石墨为载体的钌系氨合成催化剂的第一次应用,公司在1979年真正将其推向生产。1992年加拿大的Ocelot氨生产公司在其工业化装置上第一个装填了钌系催化剂,此后其他两个工厂改造也装填了这种催化剂。1998年首次采用KAAP工艺的两个工厂在Point Lisas和Trinidad地区建成投产,生产能力为1.85/。德国鲁尔()大学开发了一种氨催化剂。这种催化剂由金属钡、金属钌和氧化镁组成。据称,它比现有的合成氨催化剂产氨更多,寿命更长。据报道,这种钡-钌催化剂活性比传统的铁基催化剂或者其他类型的钌基催化剂活性高24倍,研发的这种钡-钌催化剂与铈-钌催化剂相比,可以产生双倍的氨产量。如果对钡与钌比率进行优化,还能进一步增加氨产量8。2物料衡算2.1 本章符号说明（1） Vx,i(其中x=A、B、C，i=1、2、3、4)表示A、B、C处氢、氮、氩、氨的体积流率，m3(标)/h。（2） Nx,i(其中x=A、B、C，i=1、2、3、4)表示A、B、C处氢、氮、氩、氨的物质流率，kmol/h。（3） yx,i(其中x=A、B、C，i=1、2、3、4)表示A、B、C处氢、氮、氩、氨组成（体积%）。（4） 下标1、2、3、4分别代表氢（H2）、氮（N2）、氩（Ar）、氨（NH3）。（5） P表示压力，MPa。2.2设计参数操作压力：P=15MPa；第一合成塔的入气量：VA=3.772105m3(标)/h；气体组成：yA,1=70.77%； yA,2=23.31%yA,3=2.35%yA,4=3.57%2.3 物料衡算过程 图2 合成工段物料衡算框图2.3.1 第一合成塔物料衡算目的：通过计算得到第一合成塔出塔气组成以及合成率。NA= VA22.4/1000=16839.286kmol/hVA,1=VAyA,1=2.669105m3(标)/hN A,1=11917.163 kmol/hVA,2=VAyA,2=8.793104m3(标)/hN A,2=3925.238 kmol/hVA,3=VAyA,3=8.864103m3(标)/h N A,3=395.723 kmol/hVA,4=VAyA,4=1.347104m3(标)/hN A,4=601.163 kmol/h第一合成塔合成的氨量： 5出第一合成塔的气量：NB=NAN A,4=15587.138 kmol/h出第一合成塔气中的氮氢含量： 5其中：H2 yB,1=0.855770.77/(70.77+23.31)=64.37% N2 yB,2=0.855723.31/(70.77+23.31)=21.20%出第一合成塔气中的惰气含量：yB,2=yA,3NA/NB=2.54%则VB=3.492105m3(标)/hN B,1=NByB,1=10033.350kmol/hVB,1=2.2475105m3(标)/hNB,2=NByB,2=3304.753 kmol/hVB,2=7.4026104m3(标)/hN B,3=NByB,3=395.723kmol/hVB,3=8.8642103m3(标)/hN B,4=NByB,4=1853.310kmol/hVB,4=4.151104m3(标)/h第一合成塔合成率：表1 出第一合成塔的气体组成出塔气H2N2ArNH3物质的量流率kmol/h10033.3503304.753395.7231853.31015587.138体积流率m3(标)/h2.24751057.40261048.86421034.15141043.4915105组成（体积%）64.3721.202.5411.89100.00合成率%15.812.3.2 第二合成塔物料衡算目的：通过计算得到第二合成塔出塔气组成以及合成率。第二合成塔合成的氨量： 5出第二合成塔的气量：NC=NBNB,4=14887.280 kmol/h出第二合成塔气中的氮氢含量： 3其中：H2 yC,1=0.801964.37/(64.37+21.20)=60.32% N2 yC,2=0.801921.20/(64.37+21.20)=19.87 %出第二合成塔气中的惰气含量：yC,2 =yB,3NB/NC =2.66%则VC=3.3348105m3(标)/hNC,1=NCyC,1=8980.439kmol/hVC,1=2.0116105m3(标)/hNC,2=NCyC,2=2957.949 kmol/hVC,2=6.6258104m3(标)/hN C,3=NCyC,3=395.723kmol/hVC,3=8.8642103m3(标)/hN C,4=NCyC,4= 2553.168kmol/hVC,4=5.7191104m3(标)/h第二合成塔合成率：表2 出第二合成塔的气体组成出塔气H2N2ArNH3物质的量流率kmol/h8980.4392957.949395.7232553.16814887.280体积流率m3(标)/h2.0121056.6261048.86421035.7191043.335105组成（体积%）60.3219.872.6617.15100.00合成率%10.492.3.3 第三合成塔物料衡算目的：通过计算得到第三合成塔出塔气组成以及合成率。第三合成塔合成的氨量： 5出第三合成塔的气量：ND= NCN C,4=14393.372 kmol/h出第三合成塔气中的氮氢含量： 5其中：H2 yD,1=0.760860.32/(60.32+19.87)=57.23% N2 yD,2=0.760819.87/(60.32+19.87)=18.85 %出第三合成塔气中的惰气含量：yD,2 = yC,3NC/ND =2.75%则VD=3.2241105m3(标)/hND,1=NDyD,1=8237.372kmol/hVD,1=1.8452105m3(标)/hND,2=NDyD,2=2713.200 kmol/hVD,2=6.0776104m3(标)/hN D,3=NDyD,3=395.723kmol/hVD,3=8.8642103m3(标)/hN D,4=NDyD,4=3047.077kmol/hVD,4=6.8255104m3(标)/h第三合成塔合成率：表3 出第三合成塔的气体组成出塔气H2N2ArNH3物质的量流率kmol/h8237.3722713.200395.7233047.07714393.372体积流率m3(标)/h1.8451056.0781048.8641036.8261043.224105组成（体积%）57.2318.852.7521.17100.00合成率%8.272.3.4 水冷器物料衡算目的：通过计算得到水冷器出口气体以及液体组成。由公式： 1其中：表示水冷器出口气中氨的平衡含量； P=15MPa； T=37.0+273.15=310.15K。解得：=13.57%则水冷器出口气氨量：解得：N E,4=1781.852kmol/h先忽略溶解水冷器出口液氨量：NE,4=N D,4NE,4=1265.225 kmol/h总气量：NE=NDNE,4=13128.147 kmol/h则各组分在气相中的组成为：H2 yE,1=ND,1/NE=62.75%N2 yE,2=ND,2/NE=20.67%Ar yE,3=ND,3/NE=3.01%NH3 =13.57%考虑溶解查小氮肥厂工艺设计手册液氨密度表5 37.0 20.0 4.4 4.2 kg/m3 584.3 610.3 632.54 623.82气体在液氨中的溶解度（标况），可按亨利定律近似计算，其亨利常数与温度关系为：H2 k1=0.4547+7.610-3t m3/m3液氨MPaN2 k2=0.509+7.610-3t m3/m3液氨MPaAr k3=0.722+8.5510-3t m3/m3液氨MPa1当t=37.0时k1=0.7359 m3/m3液氨MPak2=0.7902 m3/m3液氨MPak2=1.03835 m3/m3液氨MPa液氨体积：V E,4= N E,40.017/584.3=36.8113 m3/h液氨溶解各组分的体积为：VE,1=k1yE,1VE,415=254.9623m3/hVE,2=k2yE,2VE,415=90.1752m3/hVE,3=k3yE,3VE,415=17.2824m3/hNE,1=VE,11000/22.4=11.3822kmol/hNE,2=VE,21000/22.4=4.0257kmol/hNE,3=VE,31000/22.4=0.7715kmol/h总液相量：NE= NE,1+ NE,2+ NE,3+ NE,4=1281.4040 kmol/h液相组成：xE,1=NE,1/NE100%=0.8883%xE,2=NE,2/NE100%=0.3142%xE,3=NE,3/NE100%=0.0602%xE,4=NE,4/NE100%=98.7374%则气相总量：NE= ND -N E=13111.9674 kmol/h气相中各组分的量:NE,1=ND,1NE,1=8225.990kmol/hV E,1=1.8426105m3(标)/hNE,2=ND,2NE,2=2709.174kmol/hV E,2=6.0685104m3(标)/hNE,3=ND,3NE,3=394.952kmol/hV E,3=8.8469103m3(标)/hNE,4=ND,3NE,3=1781.852 kmol/hV E,4=3.9913104m3(标)/h气相组成：y E,1=NE,1/NE=62.74%y E,2=NE,2/NE=20.66%y E,3=NE,3/NE=3.01%y E,4=NE,4/NE=13.59%表4 出水冷器的物料组成出气组成H2N2ArNH3物质的量流率kmol/h8225.992709.17394.951781.8513111.97体积流率m3(标)/h1.841056.071048.851033.991042.94105组成（体积%）62.7420.663.0113.59100.00出液组成液相H2液相N2液相Ar液NH3物质的量流率kmol/h11.384.030.771265.231281.40组成（体积%）0.890.310.0698.74100.00水冷器每小时冷下的液氨量kmol/h 1265.2252.3.5 第一氨冷器物料衡算目的：通过计算得到第一氨冷器出口气体以及液体组成。由公式： 1其中：表示第一氨冷器出口气中氨的平衡含量； P=15MPa； T=20.0+273.15=293.15K。解得：=8.45%则第一氨冷器出口气氨量：解得：N F,4=1047.863kmol/h先忽略溶解第一氨冷器出口液氨量：N F,4= N D,4NF,4=1999.214 kmol/h总气量：NF= NDNF,4=12394.158 kmol/h则各组分在气相中的组成为：H2 yF,1=ND,1/NF=66.46%N2 yF,2=ND,2/NF=21.89%Ar yF,3=ND,3/NF=3.19%NH3 =8.45%考虑溶解当t=20.0时k1=0.6067 m3/m3液氨MPak2=0.661 m3/m3液氨MPak2=0.893 m3/m3液氨MPa液氨体积：V F,4= N F,40.017/610.3=55.6884 m3/h液氨溶解各组分的体积为：VF,1=k1yF,1VF,415=336.8230 m3/hVF,2=k2yF,2VF,415=120.8710m3/hVF,3=k3yF,3VF,415=23.8167 m3/hNF,1=VF,11000/22.4=15.037kmol/hNF,2=VF,21000/22.4=5.396 kmol/hNF,3=VF,31000/22.4=1.063 kmol/h总液相量：N F= NF,1+ NF,2+ N F,3+ N F,4=2020.709 kmol/h液相组成：x F,1= NF,1/ NF100%=0.7441%x F,2= NF,2/ NF100%=0.2670%x F,3= NF,3/ NF100%=0.0526%x F,4= NF, 4/ NF100%=98.94%则气相总量：NF= NDNF=12372.662kmol/h气相中各组分的量:NF,1=ND,1NF,1=8222.335 kmol/hVF,1=1.8418105m3(标)/hNF,2=ND,2NF,2=2707.804kmol/hV F,2=6.0655104m3(标)/hNF,3=ND,3NF,3=394.660 kmol/hVF,3=8.8404103m3(标)/hNF,4=ND,3NF,3=1047.863 kmol/hVF,4=2.3472104m3(标)/h气相组成：yF,1=NF,1/NF=66.46%yF,2=NF,2/NF=21.89%yF,3=NF,3/NF=3.19%yF,4=NF,4/NF=8.47%出气组成H2N2ArNH3物质的量kmol/h8222.342707.80394.661047.8612372.66体积m3(标)/h1.841056.071048.841032.351042.77105组成（体积%）66.4621.893.198.47100.00出液组成液相H2液相N2液相Ar液NH3物质的量kmol/h15.045.401.061999.212020.71组成（体积%）0.740.270.0598.94100.00第一氨冷器每小时冷下的液氨量kmol/h733.989表5 出第一氨冷器的物料组成2.3.6 第二氨冷器物料衡算目的：通过计算得到第二氨冷器出口气体以及液体组成。由公式： 1其中：表示第二氨冷器出口气中氨的平衡含量； P=15MPa； T=4.4+273.15=277.55K。解得：=5.20%则第二氨冷器出口气氨量：解得：N G,4=622.787kmol/h先忽略溶解第二氨冷器出口液氨量：N G,4= N D,4NG,4=2424.290 kmol/h总气量：NG=NDNG,4=11969.082kmol/h则各组分在气相中的组成为：H2 yG,1=ND,1/NG=68.82%N2 yG,2=ND,2/NG=22.67%Ar yG,3=ND,3/NG=3.31%NH3 =5.20%考虑溶解当t=4.4时k1=0.48814 m3/m3液氨MPak2=0.54244 m3/m3液氨MPak2=0.75962 m3/m3液氨MPa液氨体积：V G,4= N G,40.017/632.54=65.1547 m3/h液氨溶解各组分的体积为：VG,1=k1yG,1VG,415=328.3288 m3(标)/hVG,2=k2yG,2VG,415=120.1737m3(标)/hVG,3=k3yG,3VG,415=24.5450 m3(标)/hNG,1=VG,11000/22.4=14.658kmol/hNG,2=VG,21000/22.4=5.365 kmol/hNG,3=VG,31000/22.4=1.096 kmol/h总液相量：N G= NG,1+ NG,2+ NG,3+ NG,4=2445.408kmol/h液相组成：xG,1=NG,1/NG100%=0.5994%xG,2=NG,2/NG100%=0.2194%x G,3=NG,3/NG100%=0.0448%x G,4=NG,4/NG100%=99.14%则气相总量：NG= NDNG=11947.964kmol/h气相中各组分的量:NG,1=ND,1NG,1=8222.714 kmol/hVG,1=1.8419105m3(标)/hNG,2=ND,2NG,2=2707.835kmol/hVG,2=6.0655104m3(标)/hNG,3=ND,3NG,3=394.627 kmol/hVG,3=8.8397103m3(标)/hNG,4=ND,3NG,3=622.787 kmol/hVG,4=1.3950104m3(标)/h气相组成：yG,1=NG,1/NG=68.82%yG,2=NG,2/NG=22.66%yG,3=NG,3/NG=3.30%yG,4=NG,4/NG=5.21%表6 出第二氨冷器的物料组成出气组成H2N2ArNH3物质的量流率kmol/h8222.712707.84394.63622.7911947.96体积流率m3(标)/h1.841056.071048.841031.401042.68105组成（体积%）68.8222.663.305.21100.00出液组成液相H2液相N2液相Ar液NH3物质的量流率kmol/h14.665.371.102424.292445.41组成（体积%）0.600.220.0599.14100.00第二氨冷器每小时冷下的液氨量kmol/h 425.0762.3.7 分离器物料衡算目的：通过计算得到分离器出口气体以及液体组成。分离器出口液相量等于第二氨冷器出口的液相量，即：NS= NG=2445.41kmol/h其中：NS,1=NG,1=14.658kmol/hNS,2=NG,2=5.365 kmol/hNS,3=NG,3=1.096 kmol/hNS,4=NG,4=2424.290 kmol/h对分离器和压缩机进行物料衡算，列方程为：NH=NM0.2%/3.30% NA=NM+NJ NJ=NGNH 已知：NA=16839.286kmol/h；NG=11947.964kmol/h；三式联立得：NM=5206.598 kmol/hNH=315.276 kmol/hNJ=11632.688 kmol/hVM=1.1663105m3(标)/hVH=7.0622103m3(标)/hVJ=2.6057105m3(标)/h放空气:NH,1=NG,1NJ,1=8222.7148022.024=206.290kmol/hNH,2=NG,2NJ,2=2707.8352626.191=76.643kmol/hNH,3=NG,3NJ,3=394.627385.310=9.317kmol/hNH,4=NG,4=622.787601.162=21.625kmol/hVH,1=4.6209103m3(标)/hVH,2=1.7168103m3(标)/hVH,3=0.2087103m3(标)/hVH,4=0.4844103m3(标)/hyH,1=NH,1/NH=65.43%yH,2=NH,2/NH=24.31%yH,3=NH,3/NH=2.96%yH,4=NH,4/NH=6.86%循环气：NJ,1=NA,1NM,1=NAyA,1NMyM,1=16839.28670.77%5206.59874.85%=8022.024 kmol/hNJ,2=NA,2NM,2=NAyA,2NMyM,2=16839.28623.31%5206.59824.95%=2626.191 kmol/hNJ,3=NA,3NM,3= NAyA,3NMyM,3=16839.2862.35%5206.5980.2%=385.310 kmol/hNJ,4=NA,4=NAyA,4=16839.2863.357%=601.162 kmol/hVJ,1=1.7970105m3(标)/hVJ,2=5.8827104m3(标)/hVJ,3=8.6309103m3(标)/hVJ,4=1.3466104m3(标)/hyJ,1=NJ,1/NJ=68.96%yJ,2=NJ,2/NJ=22.58%yJ,3=NJ,3/NJ=3.31%yJ,4=NJ,4/NJ=5.17%表7放空气气体组成放空气气体H2N2ArNH3物质的量流率kmol/h206.29076.6439.31721.625315.276体积流率m3(标)/h4.62091031.71681030.20871030.48441037.0622103组成（体积%）65.4324.312.966.8699.56表8 循环气组成循环气体H2N2ArNH3物质的量流率kmol/h8022.0242626.191385.310601.16211632.688体积流率m3(标)/h1.801055.881048.631031.351042.61105组成（体积%）68.9622.583.315.17100.002.3.8 减压罐物料衡算目的：通过计算得到减压罐出口气体以及液体组成。由公式： 1其中：表示减压罐出口气中氨的平衡含量； P=3.6MPa； T=4.2+273.15=277.35K。解得：=16.82%则减压罐出口气氨量：NR,4/( NS- N S,4)+ NR,4=16.82%解得：N R,4=4.2706kmol/h先忽略溶解减压罐出口液氨量：NQ,4=NS,4NR,4=2420.019 kmol/h总气量：NR=NSNQ,4=25.389kmol/h则各组分在气相中的组成为：H2 yR,1= NS,1/NR=57.73%N2 yR,2= NS,2/NR=21.13%Ar y R,3= NS,3/NR=4.32%NH3 =16.82%考虑溶解当t=4.2时k1=0.48662 m3/m3液氨MPak2=0.54092 m3/m3液氨MPak2=0.75791 m3/m3液氨MPa液氨体积：VQ,4=NQ,40.017/632.82=65.011m3/h液氨溶解各组分的体积为：VQ,1=k1yQ,1VQ,43.6=65.7505m3(标)/hVQ,2=k2yQ,2VQ,43.6=26.7511m3(标)/hVQ,3=k3yQ,3VQ,43.6=7.6556m3(标)/hNQ,1=VQ,11000/22.4=2.9353kmol/hNQ,2=VQ,21000/22.4=1.1942kmol/hNQ,3=VQ,31000/22.4=0.3418kmol/h总液相量：NQ= NQ,1+ NQ,2+ NQ,3+ NQ,4=2424.4903kmol/h液相组成：xQ,1=NQ,1/NQ100%=0.121%xQ,2=NQ,2/NQ100%=0.049%x Q,3=NQ,3/NQ100%=0.014%x Q,4=NQ,4/NQ100%=99.816%则气相总量：NR= NSNQ=20.9197kmol/h气相中各组分的量:NR,1=NS,1NQ,1=11.723kmol/hVR,1=0.2626m3(标)/hNR,2=NS,2NQ,2=4.171kmol/hVR,2=0.0934m3(标)/hNR,3=NS,3NQ,3=0.754kmol/hVR,3=0.0169m3(标)/hNR,4=NS,3NQ,3=4.271kmol/hVR,4=0.0957m3(标)/h气相组成：yR,1= NR,1/ NR=56.04%yR,2= NR,2/ NR=19.94%yR,3= NR,3/ NR=3.61%yR,4= NR,4/ NR=20.42%表9 弛放气组成弛放气H2N2ArNH3物质的量流率kmol/h11.7234.1710.7544.27120.9197体积流率m3(标)/h0.26260.09340.01690.09570.4686组成（体积%）56.0419.943.6120.42100.00表10 液氨组成液氨H2N2ArNH3物质的量kmol/h2.93531.19420.34182420.0192424.4903体积m3(标)/h65.750526.75117.655665.011（液）组成（体积%）0.1210.0490.01499.816100.002.3.9物料衡算校核目的：通过计算气体以及液体组成验证物料衡算是否正确。1.H元素衡算进口：116930.09/22.420.7485=7814.48kmol/h出口：R点，7263.22/22.420.68937=447.06kmol/h 7263.22/22.420.05178=50.37kmol/h G点，331.12/22.42=29.56kmol/h 54402.05/22.43=7285.99kmol/h出口总量=447.0650.3729.567285.99=7812.98kmol/h相对误差=(7814.487812.98)/7814.48100%=0.019%kmol/h2.N元素衡算进口：116930.09/22.420.2495=2604.83kmol/h出口：R点，7263.22/22.420.22581=146.44kmol/h 7263.22/22.