【《合成氨工艺的物料衡算计算过程案例分析》5200字】

合成氨工艺的物料衡算计算过程案例分析

目录

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490

合成氨工艺的物料衡算计算过程案例分析

1

772

第1章绪论

1

6197

1.1氨的基本用途

1

1875

1.2合成氨技术的发展趋势

1

1371

1.3合成氨操作条件的介绍与选择

2

25291

1.4设计条件

3

22226

1.5合成氨工艺的计算物料点的流程图及简介

3

23780

第2章物料计算

4

20135

2.1物料计算

4

11814

2.1.1合成氨工艺的合成塔入口的最初气体组分及含量计算

4

28485

2.1.2合成氨工艺的合成塔出口的最初气体组分及含量计算

5

21315

2.1.3合成氨工艺当中液氨贮槽部分流程的相关的物料计算

6

7844

2.1.4合成氨整体工艺中有关合成系统的部分的相关的物料的计算

7

20003

2.1.5合成氨工艺的合成塔工艺流程中的相关的物料的计算

10

第1章绪论

1.1氨的基本用途

合成氨的原料气，是CO和H2合成的，但众多与合成氨的生产工艺有关的主要工艺是原料气的生产和运输，合成及净化浊度。起始气体通常含碳较高，而CO是氨合成催化剂的有毒物质，但是对于联产一系列相关的碳化学工业产品（例如甲醇，氧合酸和乙酸）来说是综合性的。可以用于合成酸、氨，具有许多功能，但同时可以减少合成氨相关有害排放物对企业造成的生态环境污染，企业的生产效率以及合成氨可带来的经济效益改善，生产当今的合成氨工艺，是技术开发的首选。

1.2合成氨技术的发展趋势

目前，与合成氨相关的深加工技术发展迅速，受全球油价大起大落的影响，合成氨装置的结构调整是由于油价飙升和深加工技术的进步。合成氨原料结构和以天然气为主体的形式发生了重大变化[2]。以煤炭为最基本原料制备的氨相关产品更具灵活性，因为全球煤炭储量远远超过天然气和石油的剩余量。它与相关的最新技术有关。煤炭的研究与应用已成为相关科学前沿技术发展的重点和重点。煤炭储量非常大，因此在可用原油份额中占有非常有利的地位。将来，它将成为与氨有关的设备的材料，并且可以形成天然气。相互补充，为人类作出贡献。首先，我们将使用汽油或柴油作为燃料的结构转换为使用天然气作为燃料的结构。此外，有必要调整以石油和煤炭为中心的原材料结构，并进行“多联合生产和后处理”是产品结构的重点。调整。这种方法是提高制氨厂经济性的更有效和可行的方法，不仅可以提高制氨厂的竞争力，而且还可以提高其利用率和知名度，进实施环保的清洁生产线对于合成氨的未来发展至关重要，甚至是必不可少的，也是一条非常普遍的清洁道路，其生产过程不会产生或排放有害的副产品或废物，从而使以“零排放”为主题的清洁生产成为可能最后，开发各种与合成氨相关的工艺优化技术，以提高合成氨工业生产运营的可持续可操作性和运营周期显得尤为重要。

1.3合成氨操作条件的介绍与选择

近年来，国内氨催化剂发展迅速。小型氨厂使用的氨催化剂多为国产和国产系列，以A106、A110、A110-2、A110-3、A110-4、A201、A301为主。

当使用小的基于颗粒的催化剂时，小的合成塔具有高的催化剂体积利用率，大的空速和大的阻力。通常3.3至4.7毫米和4.7至6.7毫米的颗粒是合适的。由于放置催化剂的篮子上层反应速率高，可在上层装小颗粒型催化剂，下层反应速率慢，内扩散影响很小，是相对合适的。在本设计中，我们选择了A110-2型催化剂，该催化剂在反应温度范围内具有高活性，使反应更有效，且易于还原。

A110-2型合成氨催化剂当中最为重要的化学组织组成成分为四氧化三铁，其中比四氧化三铁的量少的物质为氧化铝、氧化钾和氧化钙等助催化剂物质，这种A110-2型合成氨催化剂外观看起来是一种黑色的有金属的光泽的并且带有磁性的外观并不规则的固体颗粒状物质，这种颗粒的尺寸大多有四种类型，分别为2.2至3.3mm，3.3至4.7mm，4.7至6.7mm，6.7至9.4mm这四种类型。其中A110-2型合成氨用催化剂还原后容易被硫、磷、氯、砷、烯烃和润滑油造成不可逆转的永久性中毒，并且这种A110-2型合成氨催化剂适宜单独装填，并不适宜混合装填使用，当和其他类型的合成氨用催化剂混合使用时容易造成催化剂的整体活性的降低，影响合成氨工艺合成塔流程的生产合成氨的能力。

A110-2合成氨催化剂最重要的化学组成是三价氧化物Fe3O4，少于四氧化三铁的物质是助催化剂，例如Al2O3，KCL和CaCl2。这些物质以催化剂的作用存在，这种A110-2型合成氨催化剂的外观是黑色、金属、有光泽、磁性不规则的固体颗粒状物质。有四种主要的粒径类型：2.2-3.3，3.3-4.7,4.7-6.7，6.7-9.4单位毫米，最重要的是，A110-2合成氨催化剂在还原后会被硫、磷、氯、砷、烯烃和润滑油导致不可逆地永久毒害，这种A110-2合成氨催化剂可用于单次填充。但不适合对于混合填充与其他类型的氨合成催化剂配合使用，整个催化剂的活性趋于降低，从而影响合成氨工艺合成塔工艺的合成氨生产能力，进一步影响了工业生产，造成了不利影响。

1.4设计条件

设计目标产量：200kt/a。

精炼气的成分如表1-1所示：

表1-1精炼气的成分

组成

N2

Ar

H2

CH4

小计

摩尔分数/%

24.12

0.33

74.45

1.10

100.00

整个流程中，合成塔的部分流程中的最起始进入的氨气的成分的量为：

NH3入=2.5%

整个流程中，合成塔的部分流程中的最起始进入的惰性气体的成分的量为：

CH4+Ar=15%

整个流程中，合成塔的部分流程中的最终释放出口的氨气的成分的量为：

NH3出=16.5%

合成氨工艺设计整体合成塔的部分流程中的合成塔所需控制的压力值：32MPa。

合成氨工艺设计流程当中的含有精炼气的适宜的气体温度为：35℃。

合成氨整体工艺当中需要的水冷器部分流程中的出口的气体的温度为：35℃。

以下各项在计算当中略去不计

设备和管道引起的压降；设备和管道造成的各环节冷(热)损；冷交换器和氨冷却器中反应过程中溶解在液氨中的所有气体的体积。

合成氨工艺流程工作中的循环机的入口与出口的所对比的压力差值：1.47MPa。

合成氨工艺工厂的一年的运行工作日：310d。

计算所需要的基准单位：生产1吨液氨作为计算所需的基准。

1.5合成氨工艺的计算物料点的流程图及简介

工艺介绍：新鲜氮气和氢气进入冷却换热器和氨冷却器系统，大部分氨被冷凝分离。精制的新鲜氮气和氢气补充油分离器的循环气体，将完成进入合成塔的循环气体，进入塔内间隙升温，然后由外部换热器引导再次升温。进入第二合成塔后，被塔内换热器加热升温，出塔后，余热锅炉和换热器回收热量，冷却一部分氨液化进入氨分离器，分离出液氨后，一部分循环气体放出成为排空空气。气体进入冷交换器，进入循环压缩机，补充压力，形成循环回路。在氨冷却器的入口处，额外的新鲜氢气和氮气进入冷却交换器。通过冷热交换器从氨分离器流的液氨和从氨分离器分离出的液氨汇合到液氨储存罐中以备使用。

图1-1合成氨工艺流程[4]

1、2、3、4、5—精炼气；6、7、8、9、10、11、12、14、17、18—合成气；

13—放空气；20—驰放气；15、16、19、21—液氨

第2章物料计算

2.1物料计算

2.1.1合成氨工艺的合成塔入口的最初气体组分及含量计算

合成氨工艺设计流程需要的依据

合成氨整体工艺当中合成塔的部分流程中进入合成塔内的氨气的最初组分成分的量：

y5NH3=2.5%

合成氨整体工艺当中合成塔的部分流程中进入塔内的甲烷的最初的组分成分的量：

y5CH4=15%×1.11.1+0.33=11.539%

合成氨整体工艺当中合成塔的部分流程中进入塔内的氩气的最初的组分成分的量：

y5Ar=15%×0.331.1+0.33=3.462%

合成氨整体工艺当中合成塔的部分流程中进入塔内的氢气的最初的组分成分的量：

y5H2=100−2.5+11.539+3.462×34×100%=61.874%

合成氨整体工艺当中合成塔的部分流程中进入塔内的氮气的最初的组分成分的量：

y5N2=100−2.5+11.935+3.462×14×100%=20.625%，如表2-1所示：

表2-1合成氨整体工艺当中进入合成塔内的各种气体的成分的量（%）

NH3

Ar

CH4

N2

H2

小计

2.5

3.462

11.539

20.625

61.874

100.00

2.1.2合成氨工艺的合成塔出口的最初气体组分及含量计算

以2000kmol的入塔气当做合成氨工艺流程中的算法基准来进行求解出塔气的各组分的含量，根据下列公式计算合成塔塔内生成的氨的最初始的含量

NNH3=N5(y8NH3-y5NH3)1+y8NH3=2000（0.165−0.025）1+0.165=240.344kmol

合成氨工艺的合成塔出塔气的含量（N8）=合成氨工艺的合成塔入塔气量-合成氨工艺的生产氨的含量=2000−240.344=1759.656kmol

合成氨工艺当中合成塔的部分流程中的排出塔的氨气的成分的量：

y8NH3=16.5%

合成氨工艺当中合成塔的部分流程中排出塔外的甲烷气体成分的量：

y8CH4=N5N8×y5CH4=20001759.656×11.539%=13.115%

合成氨工艺当中合成塔的部分流程中排出塔外的氩气的成分的量：

y8Ar=N5N8×y5Ar=20001759.656×3.462%=3.935%

合成氨工艺当中合成塔的部分流程中排出塔外的氢气的成分的量：

y8H2=34（1-y8NH3-y8CH4-y8Ar）×100%

=34（1−0.165−0.13115−0.03935）×100%

=49.838%

合成氨工艺当中合成塔的部分流程中排出塔外的氮气的成分的量：

y8N2=14（1−0.165−0.13115−0.03935）×100%=16.612%，如表2-2所示：

表2-2合成氨整体工艺当中排出合成塔外的各种气体的成分的量占比（%）

NH3

H2

CH4

Ar

N2

小计

16.50

49.838

13.115

3.935

16.612

100.0

2.1.3合成氨工艺当中液氨贮槽部分流程的相关的物料计算

液氨储罐的材料计算以液氨储罐出口一吨纯液氨为计算依据，液氨储罐出口的液量按标准平方米换算计算[6]。

L19=2000×22.40.99869×17=2638.75m3（标）

液氨贮槽物料：

NH3:L19NH3=L19χ19NH3=2638.75×99.869%=2635.294m3(标)

CH4：L19CH4=L19χ19CH4=2638.75×0.085%=2.242m3（标）

Ar：L19Ar=L19χ19Ar=2638.75×0.003%=0.078m3（标）

H2：L19H2=L19χ19H2=2638.75×0.034%=0.898m3（标）

N2:L19N2=L19χ19N2=2638.75×0.009%=0.238m3（标）

液氨贮槽出口驰放气比：

VL=0.0821

V20=0.0821L19=0.0821×2638.75=216.642m3（标）

根据合成氨工艺的液氨贮槽流程列式：

NH3:V20NH3=V20y20NH3=216.642×59.605%=129.129m3（标）

CH4:V20CH4=V20y20CH4=216.642×14.447%=31.298m3

Ar：V20Ar=V20y20Ar=216.642×1.526%=3.2m3（标）

H2：V20H2=V20y20H2=216.642×19.145%=41.46m3（标）

N2：V20N2=V20y20N2=216.642×5.277%=10.42m3（标）

由合成氨工艺的液氨贮槽出口的总物料计算得

=V19+V20

=2638.75+216.642

=2855.392m3（标）

合成氨工艺的液氨贮槽的进口液体

根据物料平衡可列式得：合成氨工艺的进入槽的总的相关的物料含量=合成氨工艺的出槽的总的相关的物料含量

L21=L19+L20=2855.392m3（标）

贮槽入口液体：L21i=L19i+L20i

由贮槽流程列式：

NH3:L21NH3=2635.294+64.565=129.13m3（标）

CH4:L21CH4=2.42+31.2=33.4m3（标）

Ar：L21Ar=0.078+3.21=3.28m3（标）

H2:L21H2=0.9+41.4=42.2m3（标）

N2:L21N2=0.240+11.4=11.6m3（标）

合成氨工艺的液氨贮槽的入口液体当中的组分的含量计算，由m0i'=L21iL21得：

合成氨工艺的液氨贮槽的入口液体当中的组分氨的含量计算：

m0NH3'=L21NH3L21=1382.2121427.696×100%=96.814%

合成氨工艺的液氨贮槽的入口的液体当中的组分甲烷的含量计算：

m0CH4'=L21CH4L21=16.7701427.696×100%=1.175%

合成氨工艺的液氨贮槽的入口的液体当中的组分氩的含量计算：

m0Ar'=L21ArL21=1.6921427.696×100%=0.119%

合成氨工艺的液氨贮槽的入口的液体当中的组分氢的含量计算：

m0H2'=L21H2L21=21.1871427.696×100%=1.484%

合成氨工艺的液氨贮槽的入口的液体当中的组分氮的含量计算：

m0N2'=L21N2L21=5.8351427.696×100%=0.408%

m0i'≈M0i

2.1.4合成氨整体工艺中有关合成系统的部分的相关的物料的计算

一套合成视为一个系统，进入该系统的进料有新的补充气V补，离开该系统的物料有放空气V放，液氨贮槽的驰放气V驰，产品的液氨L氨[5]，见图2-1所示；

图2-1合成系统物料计算示意图

由计算所得的数据列入下表，如表2-3所示：

表2-3合成系统物料成分含量：

名称

NH3

H2

CH4

Ar

N2

气量m3（标）

补充气

—

0.7445

0.011

0.0033

0.2412

V补

放空气

0.09376

0.54148

0.14140

0.04275

0.18061

V放

驰放气

0.59605

0.19145

0.14447

0.01526

0.05277

108.321

液氨

0.99869

0.00034

0.00085

0.00003

0.00009

1319.375

入塔气

2.500

61.874

11.539

3.462

20.625

V入

出塔气

16.500

49.838

13.115

3.935

16.612

V出

根据物料的平衡和元素组分的平衡求V补、V放、V入、V出[4]。

合成氨工艺当中的循环回路流程中的氮气的平衡计算方程：

V补yN2补=V放yN2放+V驰yN2驰+12V放yNH3放+12V驰yNH3驰+12LNH3式（2）

合成氨工艺当中合成系统流程中的氢气的平衡计算方程：

V补yH2补=V放yH2放+V驰yH2驰+32V放yNH3放+32V驰yNH3驰+32LNH3式（1）

合成氨工艺当中的循环回路流程中的惰性气体的平衡计算方程：

V补（yCH4补+yAr补）=V放（yCH4放+yAr放）+V驰（yCH4驰+yAr驰）

V补（0.011+0.0033）=V放（0.1414+0.04275）+108.321（0.14447+0.01526）

0.0143V补=0.18415V放+17.327

V补=12.878V放+1211.68式（3）

合成氨工艺当中循环回路流程中的氨气的平衡计算方程：

V出yNH3出−V入yNH3入=V放y放+V驰yNH3驰+LNH3

0.165V出−0.025V入=0.09376V放+0.59605×108.321+1317.647

0.165V出−0.025V入=0.0937V放+1382.212式（4）

合成氨工艺当中循环回路流程中的总物料的平衡计算方程：

V入=V出+V补−V放−V驰−LNH3

=V出+V补−V放−108.321−1317.647

=V出+V补−V放−1425.968式（5）

将（1）式（2）式联立：

V补（yH2补+yN2补）=V放（yH2放+yN2放+2yNH3放）+V驰（yH2驰+yN2驰+2yNH3驰）+2LNH3

（0.7445+0.2412）V补=V放（0.54148+0.18061+2×0.09376）

+108.321（0.19145+0.05277+2×0.59605）+2×1317.647

0.9857V补=0.90961V放+2790.878

V补=0.92281V放+2831.366式（6）

将（3）式（6）式联立：

11.95519V放=1619.686

V放=270.958m3（标）

代入（6）式：

V补=0.9228×270.958+5662.732=6202.732m3（标）

联立方程（4）式与（5）式

0.165V出−0.025V入=0.09376V放+1382.212V入=V出+V补−V放−1425.968

将V放，V补代入

V出=0.15152V入+8454.027式（7）

V入=V出+1