【《合成氨生产合成的物料衡算和能量衡算计算案例》3000字】

合成氨生产合成的物料衡算和能量衡算计算案例1文献综述1.1氨的性质和用途1.1.1氨的性质氨的物理性质主要是：在，的状态下是无色气体，比空气轻很多，具有特别的刺激性臭味。极其容易溶解在水中，并且在溶解时会释放出大量的热[1-2]。氨的化学性质主要是：在，的状态下极其稳定，在较高温度、电火花或紫外光线的作用下分解的产物为氮和氢。氨很难被点燃，它的自燃点为℃。如果氨与空气或氧的混合在一起，当外界温度和压力达到一定值时就会发生爆炸。氨水溶液呈碱性，对活泼金属有一定的腐蚀作用，而液氨和干燥的氨气则不会。1.1.2氨的用途氨属于重要的无机化工产品，在我国经济发展过程中占领着非同小可的一席之地。在世界范围内，从焦炉煤气中回收的氨只占一小部分，而合成氨占很大一部分。液氨可以用作制冷剂。氨是我国农业领域中最基本的氮素肥料，是化肥产业的中流砥柱。大多数含氮肥料需要先加工成氨，再生产为尿素或其他铵盐肥料产品。众所周知的是在化学工业产品的生产过程中，氨占据十分重要的地位，如生产染料、四大发明之一的火药都离不开氨。除此之外，氨具有较高的能量密度，是清洁燃料，可作为高密度储氢介质。它可以用作氢燃料载体，有潜力取代汽车燃料[3-6]。合成氨工艺过程大概需要消耗世界上十分之一的能源。随着世界人口数量的不断增加，人们生活质量的不断提高，氨用量也只增不减。据统计，中国、美国、印度、俄罗斯是世界上的四个主要产氨国家，且在化工行业中合成氨已经成为非同小可的支柱产业[7]。1.2合成氨工业发展情况我国的合成氨生产是在世界上排名第一，每年能产出万吨合成氨[8]，近年来，合成氨成为了全球的主流发展趋势，其原材料也在不断变化[9]，目前我国超过百分之九十的企业均以煤制造原料气来合成氨。由于原料的价格占合成氨制造成本的的，因此提高国际市场的竞争力的前提是选择低价原材料。由于原料难以获取且价格高昂，一些工厂将调整原料结构，大部分都采用煤或天然气作为原料。但煤和天然气的价格也将受国内、国际大环境的影响，导致我们不能只依赖于某一种原料，因此必须要保证生产装置也要适用天然气、煤、石脑油等原料。本设计选用天然气为原料。哈伯-博世工艺是20世纪最伟大的合成氨工艺之一[10-11]。该过程需要纯氢作为前驱体，主要是由强吸热反应蒸汽-甲烷重整产生。然而，这一具有百年历史的工艺条件恶劣、能耗高、碳排放大，迫使人类不得不开发清洁、可持续的氨合成技术。电催化和光催化[12]转化和等制是一条实现绿色制氢储氢一体化路线，但该技术的氮还原转化率和法拉第效率低[13-14]。研究表明，在氨合成过程中，采用金属催化剂，同时选择混合氧化物作为载体，可以提高催化活性和反应效率，而且对催化剂的稳定性也有协同作用，但其成本太高，无法得到大规模应用[15]。氨合成的工艺流程：（1）原料气制备本设计所需的粗原料气是指氢氮混合气。固态原料在无特殊情况时则通过气化制取原料气，如煤和焦炭；渣油通常都在不进行催化的前提下进行部分氧化来获取原料气。（2）净化原料气进行净化处理，脱硫脱碳[16-18]，达到除去各种有毒物质和杂质的目的，从而获得较为纯净的氢氮混合气体，主要发生以下反应：一氧化碳变换过程：CO+H2O==H2+CO2气体精制过程：CO+3H2==CH4+H2OCO2+4H2==CH4+2H2O（3）氨合成①低压法：左右，℃。此法对设备要求低，容易操作和管理，催化剂活性也很高，但氨合成效率低，分离很困难，操作费用高。②高压法：，℃。此法氨合成效率高，易分离，但放出的热量过大，催化剂极其容易失活，且高温高压导致设备费用高。③中压法：，℃。此法的操作温度和操作压强都介于高压法和低压法之间，综合相比经济性比较好[19-20]，本设计采用此法。

2工艺说明2.1工艺路线此次工艺设计的目的是年产万吨合成氨，年工作时间为天，因为时间以及其他条件不支持，本文只包含合成氨的合成工段。以和作为反应物，以铁触媒为催化剂[21-22]，反应温度为℃，此区间内催化剂活性高，压力为，经一段反应催化转化为以氨为主的产物。氨合成反应的化学方程式为。初步设计工艺路线如下图。图2.1初步工艺路线图本次设计的原料组分构成如下表。表2.1原料构成表序号原料种类质量分率1N224.5%2H274%3Ar0.3%4CH41.2%2.2工艺流程2.2.1Aspenplus模拟说明本项目采用的工艺方案是利用天然气制备合成氨，采用中压法。在设计过程中，模拟软件是最重要的辅助工具。合成氨合成工艺流程的模拟、物料和热量衡算以及换热器的计算数据都来源于这款模拟软件。根据模拟结果，我们可以绘制对应的工艺物料流程图，并且对重要的设备（反应器、分离器、换热器）进行选型。本设计仅为合成氨合成工段，创建模拟流程，连接流股，如下图。图2.2Aspen模拟2.2.2工艺流程说明本设计流程只有合成工段，其对应的PFD如图2.2所示。首先通入进行试漏，随后抽真空。将来自罐区的常温常压下精制后的氨氮混合气体送入往复式压缩机进行压缩，使之满足制得合成氨过程中所需的压强33MPa。在一般情况下，有必要采用油分离器对油气进行去除，在制得合成氨过程中氩气和甲烷等惰性气体会不断累积，会对合成氨合成过程造成危害，因此要及时排放惰性气体。选用铁触媒作为催化剂，保证在500℃和33MPa的条件下使氢氮混合气和催化剂在反应器内固定床上进行反应。该反应为可逆反应，并且会放出大量热，用反应自身热量加热催化剂，同时还应避免反应器内温度过高导致的催化剂失活。随后粗产物进入氨冷器进行冷却，冷却到常温后进入氨分离器，分离得到合格的合成氨产品，剩余未反应的氢氮混合气经过循环压缩机返回原料罐循环使用。图2.3工艺物料流程图

3物料衡算3.1物料衡算的原理和准则物料衡算遵循质量守恒定律。当体系达到稳定时，满足以下关系：当系统中有化学反应时可表示为：各种衡算式的应用情况如下表所示：表3.1物料衡算式适用范围由于本次设计的系统中存在化学反应，我们主要采用总质量衡算式。

3.2物料衡算3.2.1气液分离器V101表3.2气液分离器V101物料衡算表InOut物流编号S2S12S5S6温度，℃1648.98326.98338915.1867915.1867压强，MPa33353333气相分率1111质量流量，kg/hrN21078054.1708510834.170H23256030244.4762804.470Ar1321322640CH452858.66667293.3333293.3333NH30000质量流量，kg/hr4400030489.3174195.98293.3333总质量，kg/hr744893.31744893.31

3.2.2反应器R101表3.3反应器R102物料衡算表InOut物流编号S5S3温度，℃915.1867500压强，MPa3333气相分率11质量流量，kg/hrN229024.9985819.756H292.7526613.683Ar016692.43CH425.82.58NH3016.215质量流量，kg/h74195.9874195.98总质量，kg/h74195.9874195.983.2.3分离器V102表3.4分离器V102物料衡算表InOut物流编号S4S8S7温度，℃202020压强，MPa330330330气相分率110质量流量，kg/hrN2108.3417108.34170H260488.9560488.950Ar2642640CH4293.3333117.3333176NH313041.36013041.36质量流量，kg/h74195.9860978.6213217.36总质量守恒，kg/h74195.9874195.98

4能量衡算4.1热量衡算的原理和准则主要依据是能量平衡方程：其中，—输入设备的能量的总和—输出设备的能量的总和—损失的能量的总和对于连续系统：其中，—设备的热负荷—输入系统的机械能—输出设备的各物料焓之和—输入设备的各物料焓之和4.2热量衡算4.2.1气液分离器V101表4.1分离器V101热负荷表QHeatdutyGcal/hr0表4.2分离器V101各股流的焓变计算表InOut物流编号S2S12S5S6EnthalpyGcal/hr198.9490.14199.184-0.095∑hinGcal/h199.089∑houtGcal/h199.089表4.3分离器V101热量平衡计算表Q∑hin∑houtError0199.089199.08904.2.2反应器R101表4.4反应器R101热负荷表QHeatdutyGcal/hr-104.374表4.5反应器R101各股流的焓变计算表InOut物流编号S5S3EnthalpyGcal/hr199.18494.81∑hinGcal/h199.184∑houtGcal/h94.81表4.6反应器R101热量平衡计算表Q∑hin∑houtError-104.374199.18494.810

4.2.3分离器V102表4.7分离器V102热负荷表QHeatdutyGcal/hr-3.697表4.8分离器V102各股流的焓变计算表InOut物流编号S4S8S7EnthalpyGcal/hr-9.784-1.161-12.319∑hinGcal/h-9.784∑houtGcal/h-13.481表4.9分离器V102热量平衡计算表Q∑hin∑houtError-3.697-9.784-13.480.0