合成工段工艺设计.ppt

合成工段工艺设计,一、合成回路的物料衡算二、合成回路的热量衡算三、冷冻系统的物料衡算和热量衡算四、设备计算五、平立面布置及安全设计,一、物料衡算,一、物料衡算,1、合成塔当量氨产量Vp及出塔气组成ai的计算以1kmol合成塔进口气为计算基准（1）Vp的计算,1-Vpkmol,1kmol,B,yb,i,A,ya,i,一、物料衡算,1、合成塔当量氨产量Vp及出塔气组成ai的计算以1kmol合成塔进口气为计算基准（2）ya,i的计算,1-Vpkmol,1kmol,B,yb,i,A,ya,i,一、物料衡算,2、驰放气分离器108-F出口气组成di的计算以1kmol合成塔进口气为计算基准，由108-F的汽液平衡关系:,一、物料衡算,3、高压氨分离器106-F出口气组成ji的计算以1kmol合成塔出口气为计算基准，由106-F的汽液平衡关系:,一、物料衡算,4、低压氨分离器107-F出口气、液量及组成ci和wi的计算以1kmol进口物料为计算基准，近似取yj,i与进入107-F的液氨组成相同，计算方法同108-F。,一、物料衡算,5、合成回路新鲜气量G和驰放气量D的计算根据内容4计算出的yc,i和yw,i，做合成回路的H2平衡和惰气平衡：解出G、Gi和D、Di。6.合成塔的生产负荷的计算氨产量W5与D、C中损失的氨量之和即为合成塔的生产负荷：,一、物料衡算,7、各点物料量的计算（1）合成塔进出气量的计算根据合成塔的生产负荷W0和内容1计算出的合成塔进出气组成计算B和Bi、A和Ai：,一、物料衡算,7、各点物料量的计算（2）108-F进气量和组成的计算根据内容2计算的Di和汽液平衡关系计算Ei和组成ei:,一、物料衡算,7、各点物料量的计算（3）106-F入口Hi的计算（4）106-F出口气量及组成的计算根据内容3的计算结果，由物料平衡和汽液平衡关系可得：,一、物料衡算,8、计算结果的检验（1）合成塔进口氨含量的检验将yi,5与原设初值yb,5进行比较，相对误差应小于0.1%（手算）或小于0.001%（电算），否则应重新试算。（2）合成塔进口气量的检验将合成塔进口气量B与106-F出口气量进行比较，相对误差应小于0.1%（手算）或小于0.001%（电算）。,一、物料衡算,8、计算结果的检验（3）107-F物料平衡的检验将107-F进口物料量M+J与出口物料量C+W进行比较，相对误差应小于0.1%（手算）或小于0.001%（电算）。,一、物料衡算,9、消耗定额及合成塔空速的计算由氮肥工艺设计手册查处各组分的分子容积Vi，按以下各式分别计算消耗定额和入塔空速：其中，与反应气接触的催化剂量VCatal按不同生产能力进行折算，其中0万吨/年的催化剂用量为64.2m3。10、列出物料平衡表,二、热量衡算,1、热量衡算原理及方法（1）原理根据能量守恒定律，对于合成塔和换热器可用稳态流动的热力学第一定律简化式进行热量衡算（2）统一基准焓法计算H对于化学反应器，采用统一基准焓进行热量衡算较为简便。统一基准焓的定义以298K为基准，单质的统一基准焓为零，化合物的统一基准焓为其标准生成热，可由手册查得。,二、热量衡算,统一基准焓的计算由于焓是状态函数，因此任意温度下真实气体的统一基准焓可由以下途径计算：298K,1atm单质或化合物的理想气体(Hi,T0)TK,patm单质或化合物的理想气体(Hi,0T)TK,patm的理想气体混合物(Hm,0T)TK,patm的真实气体混合物(Hm,T),二、热量衡算,其中，为同温同压下真实气体混合物与理想气体混合物的焓差，采用R-K方程进行计算。,二、热量衡算,混合物的R-K方程式中，,二、热量衡算,对于N2-H2-CH4-Ar-NH3体系，aij的计算式为R-K方程计算压缩因子的关系式为压缩因子需迭代试差求解。,二、热量衡算,（3）利用热容和相变热计算H对于仅有显热和潜热效应的换热器，其焓变为显热的计算对于显热和潜热效应交替进行的换热过程，其显热的计算应视具体情况分段进行。,二、热量衡算,对于纯i物质对于理想气体混合物可由虚拟临界参数计算的对比性质查表（氮肥工艺设计手册），其中温度和压力取进出口气体的平均值。,二、热量衡算,潜热的计算为露点温度下的相变潜热，可查表获得。露点温度需试差求解：设露点温度为TD，由TD和平均操作压力查表，得到各组分的汽液平衡常数ki，分别计算xi和若计算精度满足相对误差小于10-5，所求温度即为气体的露点，否则应改变温度重新计算，直至满足要求为止。,二、热量衡算,2、合成塔105-D的热量衡算（1）计算条件进出塔气体温度、压力、气体流量和组成，其中出塔气体温度未知待求。不计热损失。（2）计算模型对于合成塔，由于塔内气体无热损失，又不与塔外介质换热，故可视为绝热反应器其能量平衡关系为式中，,二、热量衡算,2、合成塔105-D的热量衡算（3）模型求解采用统一基准焓法计算进塔气体的焓HB。设出塔气体温度的初值，计算出塔气体的统一基准焓HA。检验进出塔气体的焓是否相等？相对误差应小于10-5，否则应改变出塔气体的温度重新计算，直至满足要求为止。计算结果列表。,二、热量衡算,3、换热器120-C的热量衡算（1）计算条件进出换热器物料的温度、压力、气体流量和组成，其中壳程气体流量未知待求。不计热损失。（2）计算内容对于120-C，管程气体无相变化，可直接用来计算换热器的热负荷；壳程情况较复杂，既有气体的显热效应，又有氨气的冷凝潜热和液氨及溶于液氨的不凝气的显热效应，应分别进行计算。,二、热量衡算,热负荷Q壳程气体露点壳程气体由入口温度冷却到露点的显热Q1壳程氨气在露点下的冷凝潜热Q2a.根据汽液平衡常数计算出口条件下的汽液量和组成（方法见108-F物料衡算）;b.计算冷凝潜热Q2壳程气液混合物由露点冷却到出口温度的显热Q3a.气体的冷却显热Q3,1;b.液氨的冷却显热Q3,2;C.液氨中不凝气的冷却显热Q3,3。,二、热量衡算,壳程的入口气量X及其占新鲜气与循环气总量的分率a.对120-C进行热量衡算，得求解上式，可得到X；b.将X与物料F和G的总和相比即可求出120-C支路（壳程）气体所占的分率。（3）计算结果列表,二、热量衡算,4、换热器121-C的热量衡算（1）计算条件进出换热器物料的温度、压力、气体流量和组成，其中壳程物料入口温度未知待求。不计热损失。（2）计算内容121-C的管壳程气体均无相变化，可直接由气体的显热效应计算换热器的热负荷和壳程气体的入口温度，方法同前。（3）计算结果列表,二、热量衡算,5、换热器123-C的热量衡算（1）计算条件管程合成塔出口气的温度、压力、流量和组成，不考虑壳程锅炉给水的变化。不计热损失。（2）计算内容由管程气体的显热效应计算换热器的热负荷，方法同前。（3）计算结果列表,二、热量衡算,6、换热器124-C的热量衡算（1）计算条件管程新鲜气与循环气混合气的温度、压力、流量和组成，不考虑壳程冷却水的变化。不计热损失。（2）计算内容由管程气体的显热效应计算换热器的热负荷，方法同前。热负荷两台换热器（124-CA、124-CB）均分。（3）计算结果列表,二、热量衡算,7、换热器125-C的热量衡算（1）计算条件管程弛放气的温度、压力、流量和组成，不考虑壳程液氨的变化。不计热损失。（2）计算内容管程物料的热效应同120-C的壳程，既有气体的显热效应，又有氨气的冷凝潜热和液氨及溶于液氨的不凝气的显热效应，应分别进行计算，总和为换热器的热负荷。（3）计算结果列表,二、热量衡算,8、换热器129-C的热量衡算（1）计算条件管程新鲜气的温度、压力、流量和组成，不考虑壳程液氨的变化。不计热损失，设进出口水蒸汽均达饱和态。（2）计算内容管程物料的热效应既有气体的显热效应，又有水蒸汽的冷凝潜热，应分别进行计算，总和为换热器的热负荷。冷凝水量为进出口水蒸汽的差值，即NH2O,1-NH2O,2，且（3）计算结果列表,二、热量衡算,9、换热器117-C的热量衡算（1）计算条件管程进出换热器物料的温度、压力、气体流量和组成，不考虑壳程液氨的变化。不计热损失。（2）计算内容管程物料的热效应同120-C的壳程，既有气体的显热效应，又有氨气的冷凝潜热和液氨及溶于液氨的不凝气的显热效应，应分别进行计算，总和为换热器的热负荷。（3）计算结果列表,二、热量衡算,10、换热器118-C的热量衡算（1）计算条件管程进出换热器物料的温度、压力、气液流量和组成，不考虑壳程液氨的变化。不计热损失，117-C出口处于汽液平衡，故118-C气体的露点即为117-C的出口温度。（2）计算内容管程物料的热效应同120-C的壳程，既有气体的显热效应，又有氨气的冷凝潜热和液氨及溶于液氨的不凝气的显热效应，应分别进行计算，总和为换热器的热负荷。（3）计算结果列表,二、热量衡算,11、换热器119-C的热量衡算（1）计算条件管程进口分别为来自118-C和120-C的气液混合物，温度、压力、气液流量和组成均已知，但混合后进入119-C的物料的流量、组成和温度均未知待求，不考虑壳程液氨的变化。不计热损失。（2）计算内容入口温度的确定以-1为计算基准，根据焓平衡，可得,二、热量衡算,a.来自118-C的物料。b.来自120-C的物料由气体显热、液体显热和不凝气显热三部分组成，分别计算后求和。c.设119-C入口混合物料的温度值，计算，方法同b，若三者满足焓平衡关系或满足精度要求，则所设温度即为所求。热负荷的计算按前述方法计算露点温度、气液显热和氨冷凝潜热，加和确定热负荷。其中，所求的出口物料的气体组成应与106-F送至合成塔的气体组成基本一致。（3）计算结果列表,三、冷冻工段物料衡算和热量衡算,3,1-1,2,4+5,1-2,二、热量衡算,1、换热器126-C热量衡算（1）计算条件壳程进出换热器物料的温度、压力。不计热损失，入口为饱和态，出口处于汽液平衡。（2）计算内容出口气流量、组成及冷凝氨量的计算a.设由107-F带入冷冻工段的不凝气全部由126-C排放,确定出口不凝气的初值。b.根据出口温度下的汽液平衡常数确定出口未