整体锻焊式氨合成塔工艺计算

整体锻焊式氨合成塔工艺计算1.1合成原理及典型工艺流程1.1.1合成原理合成氨生产是以氢气、氮气为原料，在一定的温度与压力并有触媒（催化剂）存在的条件下，直接合成为氨的过程，其化学反应式为：(2-1)这个反应是放热和体积缩小的可逆化学反应。放热、体积缩小和可逆是合成氨工艺过程的特性，这个特性影响工艺操作，也影响合成塔的结构。因此根据可逆反应的特点，必须选择一个适宜的操作条件，使在某一化学平衡的条件下，生成物气体中含氨量最多。1.1.2典型工艺流程氨合成生产的几种典型工艺流程及特点如下：1．不副产蒸汽的氨合成系统流程，如图2-1。2．副产蒸汽的氨合成系统流程，其特点是在循环压缩机前分离液氨，在合成塔后设置废热锅炉直接产生蒸汽，回收能量。3．一次分离液氨的氨合成系统流程，其特点是在循环压缩机前一次分离液氨，在氨合成塔后设置锅炉给水预热器，以回收能量。4．两次分离液氨的氨合成系统流程，其特点是采用两次分离液氮的方案。在合成塔后设置锅炉给水预热器，以回收能量。新鲜气在氨冷器之前与循环气混化在冷凝分离液氨的同时，也可以除去混合气中微量的水分和二氧化碳。5．回收能量的组合成系统流程，其特点是利用一部分气体的热能转化为机械能。此外增加压缩机最后一段缸的气量，以提高其效率。从上述流程中可以清楚地看出，氨合成塔工艺参数的选择和结构设计是否合理，直接影响到整个合成氨生产能力的大小和技术经济指标的好坏，而氨合成循环系统其它设备能力的大小，又直接影响了氨合成塔的正常生产和生产能力。因此，在设计氨合成塔时，必须在一定的优惠工艺条件下，连同整个合成系统其它设备一起考虑，才能达到技术先进，经济合理和提高生产能力的目的。放空气V1精炼气水冷器水冷器氨分离器循环气压缩机油水分离器冷交换器氨合成塔氨冷器35℃V出液氨V进液氨图2-1不副产蒸汽的氨合成系统流程本设计采用不副产蒸汽的氨合成系统流程。1.2合成塔操作条件与说明操作条件即压力、温度、空速、氢氮比、惰性气体的含量，初始氨含量等。1．压力。在合成氨反应中，反应后气体的体积缩小，因此就化学平衡而言，提高压力，有利于氨的生成。反应速度随压力的提高也提高。而且压力高时，高压设备体积可以缩小，占地面积也小，对于流程可简化。但压力过高时，动力消耗增加，设备材料要求高，设备制造困难，造价高。因此就有个最适宜的操作压力，也就是在此压力下操作最经济。本设计操作压力为30MPa。2．温度。氨合成反应是属于可逆放热反应，温度升高，氨的平衡浓度降低，但反应速度常数增加。因此，当反应物在一定的条件（即惰性气体成分、操作压力、氢氮比等因素不变时），存在着一个最适宜的温度，在此温度下，反应速度最大，氨合成转化绿最大，也就是产量最高。最适宜温度随转化率而变，其变化关系称为最适宜分布曲线。生产操作中希望，触媒层温度分布尽可能地靠近最适宜温度曲线。通常，我们把进触媒层的入口温度称为“零米温度”。同时，把触煤层的温度最高的一点，称为“热点”。热点以下的触媒层温度，应沿最适宜温度曲线逐步下降，最后离开触媒层。通常是控制出触媒层的温度，对于操作压力为30MPa，一般控制在470~475℃为宜；对于操作压力为15MPa，控制在455~465℃。本设计触媒层温度选用450℃3．空速。气体与触媒的接触时间的长短，通常以空速表示。即单位时间内，每单位体积触媒所通过的气体体积数。其单位为标准米3气体/小时·米3触媒，习惯上简写为小时-1。当压力、温度、进塔气体组成一定时，对于既定结构的氨合成塔，增加空速也就是增快气体通过触媒层的速度，缩短接触时间使出塔气中的氨含量降低，即净值降低。但另一方面由于触媒层中对于一定位置的氨平衡浓度与氨含量之差增大，即反应速度相应也增大。由于净值降低的程度比空间速度的增大倍数要少，所以增加空速，合成的生产强度也有所提高。但空速也不能太高，其存在一个最佳值。本设计以1000标准立方米精炼气为基准计算。4．氢氮比。从化学反应平衡的观点来看，当氢氮比为3时，氨的平衡浓度最大。但从反应速度来看，对于不同的氨浓度，为了达到瞬时的反应速度最大，也有一个最适宜的氢氮比。当反应过程属于动力学控制时，对于反应速度最大时的最适宜氢氮比是随气体中氨含量和温度而变化的。反应初期，也就是氨浓度较低时，如果忽略逆反应速度，由反应速度对氢氮比求极大值，可求得此时最适宜的氢氮比为1.5。反应后期，也就是氨浓度向平衡浓度接近，此时虽适宜的氢氮比接近于3。因此，从理论上讲，氢氮比应随反应的进行逐渐从1.5增加到3。出于氨合成时氢氮比是按3比1而消耗的，所以混合气中的氢氮比将随反应进行而不断减小。若要保持氢氮比不变，势必在反应时不断补充氢气，这是工业生产实际中很难做到的。为了调节方便起见，合成氨厂生产上氢氮比以维持在3左右为宜。本设计氢氮比按3计算。5．惰性气体的含量。惰性气体来自补充气。就化学平衡而言，惰性气体对氮含量的影响是双重的，因为它不但降低了氢、氮气的有效分压，而且冲淡了氨的含量。所以，惰性气体含量增加无论对反应的平衡和速度都是降低。国外日产l000吨合成氨厂CH4~Ar一般控制在12~15%。本设计入塔气Ar+CH4含量控制在15%。6．初始氨含量。当其他条件一定时，进塔气体中氨含量提高，则出塔气体中氨的含量也随着提高。但是由于氨浓度的提高，越接近于平衡浓度，降低了推动力。所以，随着进口氨含量的增高，净值反而降低。经分析进塔气中氨含量越低，产量越高，循环气电耗低。对国内目前大多数生产厂是采用冷冻法来分离液氨，其进塔气中氨含量受冷凝温度的限制，要维持较低氨含量，必须消耗大量冷冻量，在经济上是不合算的。对操作压力为300公斤/厘米2，进塔氨含量控制在3.2~3.8%；对操作压力150公斤/厘米2，进塔氨含量控制在1.8~3.2%；国外日产1000吨合成氨厂，操作压力150公斤/厘米2，进塔氨含量控制在1.0~1.2%。本设计初始氨含量为4.0%。故合成塔设计条件为：1．给定：Φ22002．设计（论文）的原始数据：新鲜气：CH4：0.70%；入塔气：NH3：4.0%，Ar+CH4：15%，30℃出塔气：NH3：17%；出水冷却器温度：35℃；设计压力：32MPa；触媒：自选1.3物料衡算1.3.1计算依据合成氨生产过程的物料衡算同其他化学生产过程的物料衡算一样，根据质量守恒定律，通过计算求得加入个设备和离开个设备的物料个组分的成份、重量和体积。物料衡算根据下列公式：∑G入=∑G出+∑G损式中：∑G入——输入物料量总和；∑G出——输出物料量总和；∑G损——物料损失量总和。1.3.2物料衡算计算基准：1000标准立方米精炼气。1.3.1.1精炼气组成由精炼工段来的精炼气组成如表2-1所示。表2-1精炼气组成成份H2N2+ArCH4合计%标准米374.25741.525.05250.50.771001000将Ar从N2中分列出来，由布拉夏克《固定氮工艺学合成氨》下册，371页。空气中N2:Ar=78.1%:0.9325%（体积比）精炼气中N2=标准米3Ar=标准米3故精炼气组成为：表2-2精炼气组成成份H2N2ArCH4合计%标准米374.25741.524.75247.50.330.7710010001.3.1.2合成塔物料衡算1．出塔气成份计算合成氨产量G：(2-2)出塔气体量：(2-3)式中——合成塔进口气量，kmol/h；——合成塔出口气量，kmol/h；——合成塔进口气体中氨的含量，4%；——合成塔出口气体中氨的含量，17%。故kmol/hkmol/h出塔气体中氢氮气体的含量为：3H2+N2=(2-4)式中——合成塔进口气体中惰性气体的含量，15%；故3H2+N2=其中H2：N2：出塔气体中惰性气体的含量Y2为：(2-5)其中CH4：Ar:故出塔气组成为：表2-3出塔气组成成份H2N2ArCH4NH3合计%49.6016.535.0611.81171002．放空气量V1与放空气组成30MPa下，水冷器内无液氨冷凝出来，故放空气成分与出塔气成分相同。放空气量V1为：标准米3故放空气组成为：表2-4放空气组成成份H2N2ArCH4NH3合计%标准米349.6029.40116.539.7995.061.99911.817.0011710.07710059.2773．氨产量V4由气量平衡(2-6)由于氨合成时体积减少(2-7)式中V0——补充新鲜氢氮气体积，标准米3；V1——放空气体积，标准米3；V2——进入合成塔混合气体积，标准米3；V3——出合成塔混合气体积，标准米3；V4——冷凝成产品氨的气体体积，标准米3。将式(2-7)代入式(2-6)，得标准米34．合成塔出口气量V3由氨平衡(2-8)联立式(2-7)与(2-8)解得标准米3故合成塔出口气组成为：表2-5合成塔出口气组成成份H2N2ArCH4NH3合计%标准米349.601886.37616.53628.6655.06191.44111.81449.15517646.5401003803.1775．合成塔进口气量V2及组成由气量平衡标准米3合成塔进口气体组成为：H2标准米3N2标准米3CH4标准米3Ar标准米3NH3标准米3合计标准米3表2-6合成塔进口气组成成份H2N2ArCH4NH3合计%标准米360.762599.47520.25866.3664.50191.42210.50449.1544171.1431004278.5801.4能量衡算衡算依据：能量守恒定律1.4.1全塔的总热量衡算通过全塔的热量衡算，最终可求出出塔气体的温度t2。因为进出塔温度不同，所以氨合成塔系一非等温度变化反应器。但ΔHr是等温反应热。按盖斯定律，在压力改变不大的情况下，进出塔焓差ΔH是状态函数，只取决于初，终状态而与变化途径无关。可图2-2不副产蒸汽的氨合成系统流程按如下表示的两个连续步骤组成：第一步气体进塔后由温度t1升到t2，气体组分不变，氨浓度仍为XNH3·1，其焓变化为ΔH1。第二步气体在t2下进行等温反应，气体组成发生变化，氨浓度由XNH3·1变为XNH3·2，其热焓变化为ΔH2。(2-9)(2-10)(2-11)式中ΔHT——温度在t2时氢氮合成氨表观反应热，kJ/kmol，假设t2=215℃，查参考文献[1]《氨合成塔》附图33可得ΔHT=51561kJ/kmol——气体按初始状态，氨浓度为4.0%，温度为℃下的恒压比热，J/mol·K，查参考文献[1]附图9为31.28kJ/kmol·K；——进塔气体量，kmol/h不考虑塔的热损失ΔH=0故(2-12)℃则℃与假设温度215℃在误差范围内，符合能量衡算要求。1.4.2触媒筐热量衡算根据热平衡式(2-13)式中——气体进触媒筐带进热量，kJ/h；——气体在触媒层反应热，kJ/h；——气体进触媒筐带走热量，kJ/h；——触媒筐的热损失，kJ/h。(2-14)(2-15)图2-2触媒筐热量衡算示意图(2-16)(2-17)式中M——合成塔中氨的生成量，4.9603kmol/h；NT5,NT3——分别为进入和离开触媒筐的气体量，NT5=44.6429kmol/h，NT3=39.6826kmol/h；Cp5，Cp3——分别为进入和离开触媒筐气体的比热，kJ/kmol·K；t5，t3——分别为进入和离开触媒筐气体的温度，℃；ΔHT——氨合成的表现反应热，kJ/kmol。触媒选用A110-5Q型，由《大型合成氨厂工艺过程分析》表3-24得最佳反应温度为450℃，即t3=450℃；假设t5=260℃，由参考文献[1]附图9可查得Cp5=31.97kJ/kmol·K；当t3=450℃，Cp3=33.87kJ/kmol·K，查参考文献[1]附图33得ΔHT=54908kJ/kmol故kJ/hkJ/hkJ/hkJ/h将以上结果代入(2-13)中可得：℃=256℃与假设的t5=260℃在误差范围之内，符合能量衡算要求。1.4.3换热器热量衡算根据热平衡式(2-18)式中Q1——由主线进入换热器气体所带入的热量，kJ/h；Q2——由副线进入换热器气体所带入的热量，kJ/h；Q3——由触媒筐进入换热器气体所带入的热量，kJ/h；Q4——气体离开换热器所带出的热量，kJ/h；Q5——由换热器进入触媒筐所带出的热量，kJ/h；——换热器外壳的热损失，kJ/h，(2-19)(2-20)图2-3热交换器的热量衡算示意图式中——由主线进入换热器的气体温度，℃；t1——合成塔进出口气体温度，℃；——由副线进入合成塔的